مقالة منهجية

التصوير الكيميائي الطيفي غير الخطي متعدد الوسائط باستخدام مجهر توليد مجموع التردد الاهتزازي للمسح الخطي

DOI:

10.3791/65388

⸱

ديسمبر 1, 2023

 ,  ,  , 
1Department of Chemistry and Biochemistry, UC San Diego, 2State Key Laboratory of Molecular Reaction Dynamics, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, 3Materials Science and Engineering Program, UC San Diego, 4Department of Electrical and Computer Engineering, UC San Diego

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم تطوير إطار تصوير فائق الطيفية متعدد الوسائط وسريع للحصول على صور توليد مجموع التردد الاهتزازي عريض النطاق (VSFG) ، جنبا إلى جنب مع طرائق التصوير من الجيل التوافقي الثاني (SHG). نظرا لتردد الأشعة تحت الحمراء الذي يتردد صداه مع الاهتزازات الجزيئية ، يتم الكشف عن المعرفة المورفولوجية الهيكلية المجهرية والميزوسكوبية للعينات المسموح بها بالتناظر.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم استخدام توليد المجموع الاهتزازي للتردد (VSFG) ، وهو إشارة بصرية غير خطية من الدرجة الثانية ، تقليديا لدراسة الجزيئات في الواجهات كتقنية طيفية بدقة مكانية تبلغ ~ 100 ميكرومتر. ومع ذلك ، فإن التحليل الطيفي ليس حساسا لعدم تجانس العينة. لدراسة العينات غير المتجانسة من الناحية الميزوسكوبية ، قمنا ، مع آخرين ، بدفع حد دقة التحليل الطيفي VSFG إلى مستوى ~ 1 ميكرومتر وقمنا ببناء مجهر VSFG. لا يمكن لتقنية التصوير هذه حل أشكال العينات من خلال التصوير فحسب ، بل يمكنها أيضا تسجيل طيف VSFG واسع النطاق في كل بكسل من الصور. كونها تقنية بصرية غير خطية من الدرجة الثانية ، فإن قاعدة الاختيار الخاصة بها تمكن من تصور الهياكل غير المتماثلة أو المجمعة ذاتيا الموجودة عادة في علم الأحياء وعلوم المواد والهندسة الحيوية ، من بين أمور أخرى. في هذه المقالة ، سيتم توجيه الجمهور من خلال تصميم ناقل الحركة المقلوب الذي يسمح بتصوير عينات غير ثابتة. يوضح هذا العمل أيضا أن الفحص المجهري VSFG يمكنه حل المعلومات الهندسية الخاصة بالمواد الكيميائية للصفائح الفردية المجمعة ذاتيا من خلال دمجها مع حل وظائف الشبكة العصبية. أخيرا ، تناقش الصور التي تم الحصول عليها في ظل تكوينات brightfield و SHG و VSFG لعينات مختلفة بإيجاز المعلومات الفريدة التي كشف عنها تصوير VSFG.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم استخدام توليد المجموع الاهتزازي للتردد (VSFG) ، وهي تقنية بصرية غير خطية من الدرجة الثانية 1,2 ، على نطاق واسع كأداة طيفية لتحديد العينات المسموح بها كيميائيا3،4،5،6،7،8،9،10،11،12،13 ، 14,15,16,17,18,19,20,21,22. تقليديا ، تم تطبيق VSFG على الأنظمة البينية8،9،10،11 (أي الغاز السائل ، السائل السائل ، الغاز الصلب ، السائل الصلب) ، والتي تفتقر إلى تناظر الانعكاس - وهو مطلب لنشاط VSFG. قدم هذا التطبيق ل VSFG ثروة من التفاصيل الجزيئية للواجهات المدفونة 12،13 ، وتكوينات جزيئات الماء في الواجهات14،15،16،17،18 ، والأنواع الكيميائية في الواجهات 19،20،21،22.

على الرغم من أن VSFG كان قويا في تحديد الأنواع الجزيئية والتكوينات في الواجهات ، إلا أن إمكاناته في قياس الهياكل الجزيئية للمواد التي تفتقر إلى مراكز الانعكاس لم تتحقق. ويرجع ذلك جزئيا إلى أن المواد يمكن أن تكون غير متجانسة في بيئتها الكيميائية وتركيباتها وترتيبها الهندسي ، ويحتوي مطياف VSFG التقليدي على مساحة إضاءة كبيرة في حدود 100 ميكرومتر2. وبالتالي ، فإن التحليل الطيفي التقليدي VSFG يقدم تقارير عن معلومات متوسط المجموعة للعينة على مساحة إضاءة نموذجية تبلغ 100 ميكرومتر2. قد يؤدي متوسط المجموعة هذا إلى إلغاء الإشارة بين المجالات المرتبة جيدا ذات الاتجاهات المعاكسة وسوء توصيف عدم التجانس المحلي15،20،23،24.

مع التقدم في الفتحة العددية العالية (NA) ، وأهداف المجهر العاكسة (هندسة شوارزشيلد وكاسيجرين) ، والتي تكاد تكون خالية من الانحرافات اللونية ، يمكن تقليل حجم تركيز الحزمتين في تجارب VSFG من 100 ميكرومتر 2 إلى 1-2 ميكرومتر2 وفي بعض الحالات تحتالميكرون 25. بما في ذلك هذا التقدم التكنولوجي ، طورت مجموعتنا وغيرها VSFG إلى منصة مجهرية 20،23،26،27،28،29،30،31،32،33،34،35،36. في الآونة الأخيرة ، قمنا بتنفيذ تخطيط بصري مقلوب ونظام الكشف عن النطاق العريض37 ، والذي يتيح مجموعة سلسة من الصور متعددة الوسائط (VSFG ، الجيل التوافقي الثاني (SHG) ، و brightfield optical). يسمح التصوير متعدد الوسائط بالفحص السريع للعينات باستخدام التصوير البصري ، وربط أنواع مختلفة من الصور معا ، وتحديد مواقع الإشارة على صور العينة. مع بصريات الإضاءة اللونية واختيار مصدر الإضاءة بالليزر النبضي ، تسمح هذه المنصة البصرية بالتكامل السلس في المستقبل لتقنيات إضافية مثل المجهر الفلوري38 ومجهر رامان ، من بين أمور أخرى.

في هذا الترتيب الجديد ، تمت دراسة عينات مثل المنظمات الهرمية وفئة من التجميعات الذاتية الجزيئية (MSAs). تشمل هذه المواد الكولاجين والمحاكاة الحيوية ، حيث يكون كل من التركيب الكيميائي والتنظيم الهندسي مهمين للوظيفة النهائية للمادة. نظرا لأن VSFG هي إشارة بصرية غير خطية من الدرجة الثانية ، فهي حساسة بشكل خاص للترتيبات بين الجزيئات39,40 ، مثل المسافة بين الجزيئات أو زوايا الالتواء ، مما يجعلها أداة مثالية للكشف عن كل من التركيبات الكيميائية والترتيبات الجزيئية. يصف هذا العمل طرائق VSFG و SHG و brightfield للأداة الأساسية التي تتكون من ليزر الحالة الصلبة المخدر بالإيتربيوم الذي يضخ مضخم حدودي ضوئي (OPA) ، وهو مجهر مقلوب متعدد الوسائط محلي الصنع ومحلل تردد أحادي اللون مقترن بكاشف جهاز مزدوج مشحون ثنائي الأبعاد (CCD)27. يتم توفير إجراءات البناء والمحاذاة خطوة بخطوة ، وقائمة أجزاء كاملة من الإعداد. كما يتم تقديم تحليل متعمق ل MSA ، الذي تتكون وحدته الفرعية الجزيئية الأساسية من جزيء واحد من كبريتات الصوديوم دوديسيل (SDS) ، وهو خافض للتوتر السطحي شائع ، وجزيئين من β-cyclodextrin (β-CD) ، المعروف باسم SDS@2 β-CD هنا ، كمثال لإظهار كيف يمكن ل VSFG الكشف عن تفاصيل هندسية خاصة بالجزيء للمادة المنظمة. وقد ثبت أيضا أنه يمكن تحديد التفاصيل الهندسية الخاصة بالمواد الكيميائية ل MSA من خلال نهج حل وظائف الشبكة العصبية.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. مجهر VSFG لمسح الخط الطيفي

  1. نظام الليزر
    1. استخدم نظام ليزر نابض (انظر جدول المواد) متمركز عند 1025 نانومتر ± 5 نانومتر. يتم ضبط الليزر على 40 واط ، 200 كيلو هرتز (200 ميكروجول / نبضة) بعرض نبضة ~ 290 fs.
      ملاحظة: يمكن أن يختلف معدل التكرار الدقيق ، ويعمل الليزر بمعدل تكرار مرتفع بشكل أفضل بشكل عام مع مجهر VSFG هذا.
    2. قم بتوجيه إخراج ليزر البذور إلى مضخم حدودي بصري تجاري (OPA) لتوليد حزمة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MIR) (انظر جدول المواد). اضبط MIR على تكرار الاهتمامات (الشكل 1 أ).
      ملاحظة: في الدراسة الحالية ، يتمركز MIR عند 3450 نانومتر ± 85 نانومتر (~ 2900 ± 72 سم -1) مع مدة نبضة ~ 290 fs وطاقة نبضة ~ 6 μJ ، والتي تشمل جزءا من منطقة المجموعة الوظيفية -CHx .
  2. شعاع التحويل الأعلى
    1. قم بتمرير الحزمة المتبقية 1025 نانومتر من OPA عبر Fabry-Perot etalon (انظر جدول المواد) لإنتاج حزمة تحويل ضيقة طيفيا مع FWHM ~ 4.75 سم -1.
    2. قم بتصفية شعاع 1025 نانومتر الضيق مكانيا بثقب ياقوتي 8 ميكرومتر.
      ملاحظة: يمكن تصور شعاع 1025 نانومتر باستخدام بطاقة NIR.
    3. تحكم في استقطاب نبضة 1025 نانومتر باستخدام لوحة موجية λ / 2 (انظر جدول المواد).
  3. شعاع مير
    1. قم بتوجيه شعاع MIR خلال مرحلة تأخير للتحكم الدقيق في التداخل الزمني.
    2. تحكم في استقطاب MIR باستخدام لوحة موجية λ / 2.
  4. مجهر VSFG
    1. تتداخل مكانيا مع كل من التحويل لأعلى ، وحزم MIR في مرآة ثنائية اللون مخصصة (DM ، الشكل 1B) تكون ناقلة إلى MIR وعاكسة إلى NIR (انظر جدول المواد). استخدم قزحيتين لتوجيه المحاذاة: واحدة مباشرة بعد DM ، والأخرى في الطرف البعيد. استخدم مقياس الطاقة بعد القزحية لتحديد ما إذا كان MIR في المنتصف ، واستخدم بطاقة NIR لتحديد مواقع NIR.
      ملاحظة: بعد التداخل ، يمكن استخدام شعاع NIR لتوجيه كلا الحزمتين.
    2. قم بتوجيه الحزم المتداخلة إلى مجهر مقلوب باستخدام ماسح شعاع رنين أحادي المحور مدمج 325 هرتز (مثبت على ماسح ضوئي مدمج ثنائي الموضع (I2PS) ، الشكل 1B) (انظر جدول المواد).
      ملاحظة: يقوم الماسح الضوئي الرنيني بإسقاط خط من الحزمتين المتداخلتين على الفتحة الخلفية لهدف المكثف. يتم تثبيته على شريط تمرير يتيح إعادة التكوين السلس بين VSFG / SHG وطرائق برايتفيلد.
    3. ركز الحزمتين المتداخلتين مكانيا على العينة بهدف شوارزشيلد العاكس البحت (SO، الشكل 1B، D) (انظر جدول المواد).
    4. اجمع إشارة VSFG الناتجة عن العينة بهدف انكساري مصحح بلا حدود (RO ، الشكل 1B ، D) (انظر جدول المواد).
    5. قم بتوجيه إشارة VSFG الناتجة المتوازية من خلال مستقطب خطي ثم من خلال نظام عدسة أنبوبي عن بعد يتكون من عدستين بؤريتين f = 60 مم (TL1 و TL2 ، الشكل 1B ، C) (انظر جدول المواد).
      ملاحظة: تتشكل الصورة المكبرة من العدسات الأنبوبية عند فتحة مدخل الميكروب الأحادي (MC ، الشكل 1B ، C) ، ويتم الكشف عن البيانات المكانية / التي تم حلها بالتردد على كاشف CCD ثنائي الأبعاد (CCD ، الشكل 1B).
  5. وضع SHG
    1. للتبديل إلى تصوير SHG ، قم بحظر شعاع الأشعة تحت الحمراء وقم بتدوير شبكة المطياف إلى 501.5 نانومتر لتصوير إشارة SHG.
  6. وضع برايتفيلد
    1. للتبديل إلى التصوير البصري برايتفيلد، قم بتشغيل مصدر الضوء الأبيض (انظر جدول المواد). حرك شريط التمرير المدمج (I2PS ، الشكل 1B) لجمع صور المجال الساطع في اتجاه الانتشار المضاد ، حيث يعمل هدف التصوير (RO) كمكثف ويعمل هدف المكثف (SO) كهدف تصوير.
    2. قم بتكوين صورة للخرج الموازي للهدف الانكساري عند مستوى المستشعر لكاميرا RGB brightfield باستخدام نظام عدسة أنبوبية متاح تجاريا (انظر جدول المواد).

figure-protocol-1
الشكل 1: مجهر VSFG فائق الطيفية متعدد الوسائط. (أ) منظر علوي للإعداد الأساسي. تم إرسال ليزر مضخة 1025 نانومتر إلى OPA لتوليد نبضة منتصف الأشعة تحت الحمراء القابلة للضبط. تم تضييق 1025 نانومتر المتبقية بشكل متكرر بواسطة etalon (E) وترشيحها مكانيا إلى شعاع Gaussian بواسطة مرشح مكاني (SFG). تتداخل الحزم المتوسطة IR و 1025 نانومتر مكانيا في مرآة ثنائية اللون مخصصة (DM) ويتم توجيهها عبر المجهر المقلوب (المنطقة المحاصرة في A). (B) يتم إرسال الحزمتين إلى ماسح شعاع رنين 325 هرتز مثبت على منزلق مدمج ثنائي الموضع (I2PS) ، مما يتيح التبديل السلس بين الطرائق البصرية الساطعة وغير الخطية. تم تجهيز منصة المجهر بهدف شوارزشيلد (SO) القائم على تصحيح اللانهاية العاكس الذي يعمل كمكثف وهدف تصوير قائم على الانكسار (RO) مثبت على مرحلة المحور z لتحديد المواقع النانوية الرأسية (VNP). يركز SO خط الحزم الواردة التي يعكسها ماسح الحزمة الرنانة على العينة بينما يجمع RO قسم خط VSFG من الإشارات. من المهم التحكم الدقيق في موضع المحور z ل RO بدقة 1 ميكرومتر لضمان أن العينة في أفضل حالة بؤرية للتصوير عالي الجودة. ثم يتم توجيه الخط الموازي لإشارة VSFG إلى نظام عدسة أنبوبي يتكون من عدستين حوضيتين (TL1 و TL2) ، مما يشكل صورة مكبرة عند فتحة مدخل أحادي اللون (MC). ثم يتم تصوير خط الأطياف الذي تم حله بالتردد بشكل فائق الطيفية على جهاز مقترن بالشحنة (CCD). بعد جمع كل خط طيفي ، يتم مسح العينة في المحور العمودي على محور مسح الماسح الضوئي للحزمة الرنانة باستخدام NP. لجمع صور المجال الساطع للعينة ، يتم نقل I2PS إلى موضع الحقل الساطع ، ويتم تثبيت مرآة تعترض مصدر الضوء الأبيض (WLS). ثم يتم تركيز الضوء بواسطة RO ويتم تصويره بواسطة SO. ثم يتم تشكيل صورة على مستوى المستشعر لكاميرا برايت فيلد (BC) في الجزء العلوي من المجهر المقلوب. (ج) عرض مفصل للمسار البصري عبر منطقة العدسة الأنبوبية إلى MC و CCD. (د) عرض مفصل لمنطقة العينة بين SO و RO. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

2. محاذاة المجهر الطيفي والمعايرة المكانية لمحور CCD الرأسي

  1. قم بتحسين موضع مستوى العينة تقريبا (المحور z لتحديد موضع النانو) باستخدام عينة قياسية من رش نمط ZnO (بسمك 1 ميكرومتر) مطلي بغطاء 15 مم × 15 مم × 0.170 مم ± 0.005 مم وإدخاله في تركيز برايت فيلد باستخدام طريقة التصوير برايت فيلد.
    ملاحظة: قد يلزم ضبط موضع z ل RO بالإضافة إلى محاذاة الضوء الأبيض حسب الضرورة. يظهر الشكل 2 صورة تمثيلية ل ZnO على النمط الزجاجي المستخدم لمعايرة المحاذاة.
  2. انقل I2PS مرة أخرى إلى ذراع الإضاءة غير الخطية وقم بتحسين ارتفاع العينة للحصول على أقصى كثافة VSFG غير رنانة الناتجة عن مناطق ZnO التي تمت ملاحظتها على كاميرا CCD.
    ملاحظة: يجب ضبط موضع z ل RO لتحقيق أقصى شدة. قد يضطر المرء إلى تكرار الخطوتين 2.1 و 2.2 عدة مرات قبل الوصول إلى الارتفاع الأمثل للعينة ، ويتم الوصول إلى RO.
  3. قم بتشغيل الماسح الضوئي لشعاع الرنين واجمع خطا من الصور.
  4. اجمع صور الكثافة غير الرنانة عن طريق مسح العينة بشكل عمودي على اتجاه الماسح الضوئي للحزمة. خذ شرائح رأسية من بيانات الصورة وحدد نسبة البكسل: ميكرون. (راجع الشكل 3 وأسطورته).
    ملاحظة: يتم تحليل مشتق أقسام الخط هذه لإنتاج نسبة بكسل محور CCD العمودي: ميكرون التي سيتم استخدامها للصور المستقبلية.

figure-protocol-2
الشكل 2: جودة الصورة التمثيلية للمحاذاة التقريبية لطريقة التصوير الساطع لنمط ZnO. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

figure-protocol-3
الشكل 3: سير عمل معايرة المحور الرأسي. يوضح هذا الشكل كيفية تحويل وحدات بكسل CCD إلى أبعاد مكانية رأسية بوحدة ميكرومتر. (أ) يتم جمع صورة وإعادة بنائها لغطاء ZnO المنقوش. بعد ذلك ، مسافة البكسل من واحد إلى الحواف الأخرى للنموذج (شريط عمودي صغير في A). نظرا لأن تقاطع نمط ZnO مصمم ليكون عرضه 25 ميكرومتر ، يمكن للمرء استخدام نسبة العرض المادي إلى عرض البكسل هنا لحساب نسبة الأبعاد المادية / البكسل. صورة تمثيلية معايرة للمحور الرأسي موضحة في (B). (ج) وأخيرا، تؤخذ شريحة رأسية كما هو موضح بالخط الأحمر. (د) تؤخذ مشتقة الشريحة الرأسية للحصول على الاستبانة المكانية. يتم استخدام مشتق الشريحة الرأسية للحصول على الدقة المكانية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

3. جمع البيانات الطيفية

  1. اجمع أطياف الخط الرأسي لإشارات VSFG على CCD ، والتي تنتشر أطيافها على طول المحور الأفقي ويتم تسجيل المواضع المكانية على المحور الرأسي لاتفاقية مكافحة التصحر.
    ملاحظة: ينتج عن هذا مجموعة بيانات ثنائية الأبعاد لمقطع سطر واحد.
  2. بعد تصوير مقطع الخط من العينة بشكل فائق الطيفية ، امسح العينة في المحور عموديا على محور المسح الخطي باستخدام محدد موضع النانو ثلاثي الأبعاد (NP ، الشكل 1).
    ملاحظة: يعد محدد موضع النانو 3D مهما للدقة العالية والتكرار في تحديد مناطق العينة (مستوى x-y) بالإضافة إلى التركيز على العينة (المحور z).
  3. كرر بين الخطوة 3.1 والخطوة 3.2 لجمع صورة فائقة الطيفية VSFG.

4. تحليل البيانات الطيفية

  1. قم بإلغاء خلط البيانات طيفيا باستخدام سير عمل مكتبة التصوير الطيفي لصندوق أدوات التصوير MatLab41.
    ملاحظة: يربط عدم الخلط الطيفي المواقع المكانية بالأطياف الفريدة. يتم توفير كود Matlab لتحليل البيانات الطيفية في الملف التكميلي 1.
    1. قم بإنشاء مكعب فائق رباعي الأبعاد (x = مكاني ، y = مكاني ، z = كثافة تعتمد على التردد ، ω = تردد) باستخدام وظيفة hypercube في مكتبة التصوير الطيفي لصندوق أدوات معالجة الصور Matlab41.
    2. حدد عدد الأطياف الفريدة باستخدام دالة countEndmembersHFC مع احتمال وجود قيمة إنذار كاذب (PFA) من 10-7.
    3. تحديد الأطياف الفريدة باستخدام وظيفة فك الخلط الطيفي nfindr .
    4. أخيرا ، باستخدام وظيفة sid ، اربط كل بكسل بأحد الأطياف الفريدة المحددة في الخطوة السابقة.
      ملاحظة: يمكن إجراء طرق إضافية لفك الخلط الطيفي والمطابقة باستخدام وظائف / خوارزميات بديلة مقدمة في مكتبة التصوير الطيفي MatLab41.
  2. قم بملاءمة بيانات المجموع لكل ورقة معزولة مع الدالة Voigt42 (الملف التكميلي 1).
    ملاحظة: تمثل دالة لورنتزيان حد الشكل الخطي المتجانس النقي، في حين أن الدالة الغاوسية تنشأ من نهايات غير متجانسة. في الواقع ، يمكن أن تكون الأنظمة في مزيج من الحدود المتجانسة وغير المتجانسة ، الأمر الذي يتطلب وظيفة Voigt - وهي ممارسة شائعة للتحليل الطيفي للطور المكثف ، بما في ذلك VSFG.

5. التحليل الهندسي للعينة

  1. حدد هندسة العينات باتباع الإجراء المذكور في الخطوة 5.2-5.3. في هذه الدراسة ، يتم استخدام SDS@2 β-CD كمثال. اشتق عناصر الموتر المسموح بها للتماثل ل χ (2) بناء على تناظر C7 للوحدة الفرعية الجزيئية لعينة الأوراق المتوسطة SDS@2 β-CD.
    ملاحظة: يعتمد التماثل المسموح به χ (2) على التماثل. لحساب الحساسية غير الخطية المسموح بها لأي تناظر ، راجع المرجع43.
  2. قم بتطبيق دوران أويلر27 لربط قياسات إطار المختبر بالإطار الجزيئي.
    ملاحظة: في حالة SDS@2 β-CD ، يؤدي تناظر C7 إلى ثماني معادلات مستقلة تربط 8 مخرجات (إطار المختبر χ (2)) إلى 8 مدخلات (6 فرط استقطاب مستقل β (2) ، وزاويتين: Θ ، زاوية الميل بالنسبة إلى مستوى العينة لجميع الأوراق ، و φ ، الدوران داخل المستوى للورقة (الشكل 4)). يتم استخدام ورقتين لاستخراج المحاذاة الجزيئية الشائعة للورقتين. يمكن استخراج العلاقات بين φ1 وφ 2 (زاوية الدوران داخل المستوى للورقتين) من صور برايتفيلد. في المثال الحالي ، φ2 = φ1 + 60 درجة. من المفترض أن جميع بلاط الوحدة الجزيئية في نفس الزاوية ، لذلك Θ1 = Θ2. ينتج عن هذا 11 مجهولا (9 مجهولات مستقلة ، بما في ذلك 6 استقطاب مفرط مستقل β (2) ، Θ 1 و φ1 ، ونسبة التغطية النسبية بين الورقة N ، والزاويتين التابعتين ، وهما φ 2 ، و Θ 2) ل 16 معروفا (8 استقطابات إطار مختبر لكل ورقة، وورقتان).
  3. اربط إطار المختبر الذي تم حله بالاستقطاب χ (2) وفرط الاستقطاب للإطار الجزيئي β (2) بمحلل وظائف الشبكة العصبية.
    ملاحظة: يمكن الاطلاع على ملخص مفصل لهذا النهج في المرجع27.
    1. قم بإنشاء نموذج شبكة عصبية متعدد الطبقات في Python44باستخدام Keras يتكون من بنية عقدة 200-100-50 ووظيفة تنشيط ظل زائدي.
    2. قم بإنشاء مصفوفة 100000 × 11 تم إنشاؤها عشوائيا لقيم β (2) و Θ 1 و Θ 2 و φ1 و φ 2 و N. احسب إطار المختبر المقابل 16 χ (2) ، باستخدام المعادلة المحددة في 5.2 بواسطة دورات أويلر.
    3. استخدم قيم χ (2) المحسوبة (إجمالي 100000 × 16 قيمة) كمدخلات ، وتعلم التنبؤ ب 11 قيمة (β (2) ، Θ 1 ، Θ 2 ، φ1 ، φ 2 و N) عند توفير 16 χ (2) قيمة.
    4. بمجرد التدريب ، استخدم مجموعة أخرى من 1000 إدخال مع كل من المدخلات والمخرجات لاختبار النموذج المدرب. يجب أن يظهر الناتج المتوقع والإخراج الحقيقي علاقة خطية بميل 1.
    5. أخيرا ، قم بتوفير χ (2) المقاس تجريبيا من ورقتين (كل ورقة بها 8 χ (2) مقاسة) ، واستخدم النموذج المدرب للتنبؤ بزاوية الميل Θ ، إلى جانب الخصائص الأخرى.

figure-protocol-4
الشكل 4: رسم توضيحي لتحويل أويلر. (أ) رسم توضيحي لتحويل أويلر بين الإحداثيات المختبرية (XYZ) القابلية للتأثر من الدرجة الثانية χ (2) والإحداثيات الجزيئية (XYZ) فرط الاستقطاب βijk. يتم إجراء دوران أويلر z-y'-z'' على الإحداثيات الجزيئية ، مع φ كزاوية دوران داخل المستوى ، و θ كزاوية ميل ، و ψ كزاوية التواء. تم دمج ψ لزوايا الالتواء التعسفية حول المحور الجزيئي. لم يتم دمج φ لأن جميع الجزيئات تدور إلى زاوية معينة بالنسبة لإطار المختبر لتشكيل الألواح ذاتية التجميع. N هي التغطية السطحية النسبية للورقتين. (ب) تصور الوحدات الفرعية المائلة التي تشكل ورقة تحددها نتائج الشبكة العصبية. تم تعديل هذا الرقم من Wagner et al.27. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

figure-results-1
الشكل 5: التركيب الجزيئي والتشكل واتجاه الجهد ل SDS@β-CD . (أ) المنظر العلوي و (ب) التركيب الكيميائي للمنظر الجانبي ل SDS@β-CD. ج: التوزيع التمثيلي غير المتجانس للعينات للصفائح المتوسطة على مستوى العينة. يمكن أن يكون للوحدة الفرعية الجزيئية اتجاهات ومحاذاة مختلفة على الركيزة، وهو أمر غير معروف. تم ت...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الخطوات الأكثر أهمية هي من 1.42 إلى 1.44. من الأهمية بمكان محاذاة العدسة الموضوعية جيدا للحصول على دقة مكانية بصرية. من المهم أيضا جمع الإشارة المنبعثة والترحيل وإسقاط شعاع المسح كخط عند شقوق المدخل. ستضمن المحاذاة المناسبة أفضل دقة ونسبة إشارة إلى ضوضاء. بالنسبة لعينة نموذجية ، مثل أوراق SDS@2 β-CD 100 ميكرومتر × 100 ميكرومتر ، فإن صورة جيدة الدقة (~ 1 ميكرومتر دقة) مع نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية ستستغرق 20 دقيقة. هذا بالفعل أسرع من الإصدار السابق من الأداة24,26....

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يتم دعم تطوير الأداة من قبل Grant NSF CHE-1828666. يتم دعم ZW و JCW و WX من قبل المعاهد الوطنية للصحة ، المعهد الوطني للعلوم الطبية العامة ، Grant 1R35GM138092-01. يتم دعم BY من قبل جمعية تعزيز الابتكار للشباب ، الأكاديمية الصينية للعلوم (CAS ، 2021183).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
1x كاميرا PorThorlabsWFA4100توصيل الكاميرا بمجهر أو نظام بصري
مرآة منشورية ذات الزاوية اليمنى مقاس 25.0 مم ،Thorlabsالمحمية MRA25-M01الضوء وتنتج انعكاسا رجعيا ، وتعيد توجيه الضوء مرة أخرى على طول مساره الأصلي
3 " حامل بريد عالمي -5 عبواتThorlabsUPH3-P5تحمل وتدعم أعمدة بأحجام وتكوينات مختلفة لوحة
قفص من 30 مم إلى 60 مم ،ThorlabsLCP4Sبسمك 4 مم بين نظام قفص 30 مم ونظام قفص 60 مم
Cerna طويل القامة 500 مم مع ذراع Epiتوفر ThorlabsCEA1500وظيفة تمكين تقنيات الإضاءة العلوية في الفحص
المجهري60 ملم قفص مثبت Ø ؛ 50.0 مم IrisThorlabsLCP50Sتتحكم في كمية الضوء التي تمر عبر نظام بصري
60 مم قوس تثبيت القفصThorlabsLCP01Bووضع نظام قفص 60 مم في الإعدادات البصرية
متباعدة الهواء EtalonSLS Optics Ltd.تخصيصتوليد ضيق النطاق 1030 نانومتر ضوء   ؛
تركيب لوحة القفصThorlabsKCB2عقد وضبط المرايا بزاوية دقيقة
CCDAndor TechnologiesNewton & nbsp ؛2D CCD للتردد والدقة المكانية
البصري البارامتري الخطيتحويل الضوءOrpheus-One-HPقابل للضبط MID مولد ضوء
كلوريد النحاسThermo Fischer ScientificA16064.30مكون التجميع الذاتي
مرآة ثنائية اللون مخصصةنيوبورتمخصصةيعكس أو ينقل الضوء بشكل انتقائي بناء على طوله الموجي أو الاستقطاب
Ext إلى M32 Int AdapterThorlabsيوفر SM1A34التوافق وتسهيل الاتصال بين المكونات بأنواع مختلفة من الخيوط
Infinity Corrected Refractive ObjectiveZeiss420150-9900-000Refractive
Objective Infinity Corrected Schwarzschild ObjectivePike Technologies Inc.891-0007
ليزرعاكس ،ليزرتحويل الضوء C18212
M32x0.75 خارجي إلى داخلي RMSThorlabsM32RMSSتكييف أو تحويل حجم الخيوط أو نوع أهداف المجهر   ؛
M32x0.75 خارجي إلى M27x0.75ThorlabsM32M27Sتكييف أو تحويل حجم الخيوط أو نوع أهداف المجهر 
وحدة تركيز المكثف اليدوية متوسطة الارتفاعThorlabsZFM1030ضبط تركيز عنصر بصري
أحادي اللونAndor TechnologiesShamrock 500iيوفر دقة تردد لكل مسح
خطي وحدة آلية مع 1 "السفر للأذرع المثبتة على الحافةThorlabsZFM2020التحكم في الوضع الرأسي لهدف التصوير
NanopositionerMad شركة سيتي لابسMMP33D عينة المرحلة
الماسح الضوئي الرنينEOPCSC-25325Hz الماسح الضوئي شعاع الرنين
RGB Color CCD كاميراThorlabsDCU224CBrightfield ، توقف ولكن الكاميرات الأخرى ستعمل أيضا
عدسة أنبوب RGBThorlabsITL200مجموعة الضوء الأبيض
الزاوية اليمنى الحركية BreadboardThorlabsOPX2400دمج آلية انزلاق مع وضعين ثابتين
مرآة حركية بزاوية قائمة ، 30 ممThorlabsKCB1يمسك المرايا ويضبطها بزاوية دقيقة
مرآة حركية بزاوية قائمة ، 60 ممThorlabsKCB2يحمل المرايا ويضبطها بزاوية
دقيقة SM2 ، ذراع قفص 60 مم لمرحلة التركيز البؤري CernaThorlabsCSA2100تركيب المكثفات
ووضعها بشكل آمنالتقط على غطاء القفص ل 60 مم قفص ، 24 بوصة طويلة ،ThorlabsC60L24يحيط ويحمي المكونات داخل القفص
كبريتات دوديسيلالصوديوم الحرارية فيشر العلميةJ63394. مكون التجميع الذاتي
AK وحدة تحكم ثلاثية الأبعاد وصندوق مقبض ل 1 "Cerna Travel StagesThorlabsMCM3001التحكم ZFM2020
عدسة الأنبوبThorlabsLA1380-AB - N-BK7مجموعة إشارات SFG
مجموعة LED مرئيةWFA1010توفر Thorlabsالإضاءة في إعداد التصوير
الضوءالأبيض ThorlabsWFA1010مصدر إضاءة الضوء الأبيض لتصوير المجال الساطع
WPH05M-1030 - & Oslash; 1/2 "لوحة نصف موجة صفرية ، & أوسلاش. 1 "جبل ، 1030 نانومتر   ؛ThorlabsWPH05M-1030يغير حالة الاستقطاب للضوء الذي يمر عبره
WPLQ05M-3500 - & Oslash; 1/2 "لوحة ربع موجة منخفضة الترتيب ، 3.5 وميكرو ؛ m تعمل ThorlabsWPLQ05M-3500على تغيير حالة الاستقطاب للضوء الذي يمر عبره
مراحل انزلاق الاتصال الممتد للصلب طويل المحورOptosigmaTSD-65122CUUالتي توفر سفرا ممتدا في الاتجاه الأفقي (X)
XT95 4in Rail CarrierThorlabsXT95RC4تركيب ووضع المكونات البصرية
ترجمة المحور XY مع 360 درجة.دورانحركة ThorlabsXYR1الدقيقة وتحديد المواقع للكائنات في بعدين ، إلى جانب القدرة على تدوير المنصة
XY (1/2 بوصة) المترجم الخطي مع SM1 المركزي من خلال الفتحةتوفر ThorlabsXYT1حركة دقيقة وتحديد المواقع في بعدين
Yb مخدر تحويل ضوء الليزر ذو الحالة الصلبةCB3-40Wليزر البذور
بيتا ؛ سيكلودكسترينثيرمو فيشر مكون التجميع الذاتيالعلمي J63161.22
تعكس Golde تحويل جسم حامل قوس مكبر للصوت كربيد موضوعي مصدر النقش الداخلي حامل حامل مصدر مرحلة

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Zhu, X. D., Suhr, H., Shen, Y. R. Surface vibrational spectroscopy by infrared-visible sum frequency generation. Physical Review B. 35 (6), 3047-3050 (1987).
  2. Shen, Y. R. Surface properties probed by second-harmonic and sum-frequency generation. Nature. 337 (6207), 519-525 (1987).
  3. Li, Y., Shrestha, M., Luo, M., Sit, I., Song, M., Grassian, V. H., Xiong, W. Salting up of proteins at the air/water interface. Langmuir. 35 (43), 13815-13820 (2019).
  4. Wang, C., Li, Y., Xiong, W. Extracting molecular responses from ultrafast charge dynamics at material interfaces. Journal of Materials Chemistry C. 8 (35), 12062-12067 (2020).
  5. Nihonyanagi, S., Mondal, J. A., Yamaguchi, S., Tahara, T. Structure and dynamics of interfacial water studied by heterodyne-detected vibrational sum-frequency generation. Annual Review of Physical Chemistry. 64 (1), 579-603 (2013).
  6. Nihonyanagi, S., Yamaguchi, S., Tahara, T. Ultrafast dynamics at water interfaces studied by vibrational sum frequency generation spectroscopy. Chemical Reviews. 117 (16), 10665-10693 (2017).
  7. Singh, P. C., Nihonyanagi, S., Yamaguchi, S., Tahara, T. Ultrafast vibrational dynamics of water at a charged interface revealed by two-dimensional heterodyne-detected vibrational sum frequency generation. The Journal of Chemical Physics. 137 (9), 094706(2012).
  8. Jubb, A. M., Hua, W., Allen, H. C. Environmental chemistry at vapor/water interfaces: insights from vibrational sum frequency generation spectroscopy. Annual Review of Physical Chemistry. 63 (1), 107-130 (2012).
  9. Ishiyama, T., Sato, Y., Morita, A. Interfacial structures and vibrational spectra at liquid/liquid boundaries: molecular dynamics study of water/carbon tetrachloride and water/1,2-dichloroethane interfaces. The Journal of Physical Chemistry C. 116 (40), 21439-21446 (2012).
  10. Sapi, A., Liu, F., Cai, X., Thompson, C. M., Wang, H., An, K., Krier, J. M., Somorjai, G. A. Comparing the catalytic oxidation of ethanol at the solid-gas and solid-liquid interfaces over size-controlled pt nanoparticles: striking differences in kinetics and mechanism. Nano Letters. 14 (11), 6727-6730 (2014).
  11. Chen, X., Wang, J., Sniadecki, J. J., Even, M. A., Chen, Z. Probing α-helical and β-sheet structures of peptides at solid/liquid interfaces with SFG. Langmuir. 21 (7), 2662-2664 (2015).
  12. Dramstad, T. A., Wu, Z., Gretz, G. M., Massari, A. M. Thin films and bulk phases conucleate at the interfaces of pentacene thin films. The Journal of Physical Chemistry C. 125 (30), 16803-16809 (2021).
  13. Xiang, B., Li, Y., Pham, C. H., Paesani, F., Xiong, W. Ultrafast direct electron transfer at organic semiconductor and metal interfaces. Science Advances. 3 (11), e1701508(2017).
  14. Livingstone, R. A., Nagata, Y., Bonn, M., Backus, E. H. G. Two types of water at the water-surfactant interface revealed by time-resolved vibrational spectroscopy. Journal of the American Chemical Society. 137 (47), 14912-14919 (2015).
  15. Wagner, J. C., Hunter, K. M., Paesani, F., Xiong, W. Water capture mechanisms at zeolitic imidazolate framework interfaces. Journal of the American Chemical Society. 143 (50), 21189-21194 (2021).
  16. Montenegro, A., Dutta, C., Mammetkuliev, M., Shi, H., Hou, B., Bhattacharyya, D., Zhao, B., Cronin, S. B., Benderskii, A. V. Asymmetric response of interfacial water to applied electric fields. Nature. 594 (7861), 62-65 (2021).
  17. Nihonyanagi, S., Ishiyama, T., Lee, T., Yamaguchi, S., Bonn, M., Morita, A., Tahara, T. Unified molecular view of the air/water interface based on experimental and theoretical χ(2) spectra of an isotopically diluted water surface. Journal of the American Chemical Society. 133 (42), 16875-16880 (2011).
  18. Shen, Y. R., Ostroverkhov, V. Sum-frequency vibrational spectroscopy on water interfaces: polar orientation of water molecules at interfaces. Chemical Reviews. 106 (4), 1140-1154 (2006).
  19. Hosseinpour, S., Roeters, S. J., Bonn, M., Peukert, W., Woutersen, S., Weidner, T. Structure and dynamics of interfacial peptides and proteins from vibrational sum-frequency generation spectroscopy. Chemical Reviews. 120 (7), 3420-3465 (2020).
  20. Wang, H., Xiong, W. Vibrational sum-frequency generation hyperspectral microscopy for molecular self-assembled systems. Annual Review of Physical Chemistry. 72 (1), 279-306 (2021).
  21. Wang, H. -F., Velarde, L., Gan, W., Fu, L. Quantitative sum-frequency generation vibrational spectroscopy of molecular surfaces and interfaces: lineshape, polarization, and orientation. Annual Review of Physical Chemistry. 66 (1), 189-216 (2015).
  22. Inoue, K., Ahmed, M., Nihonyanagi, S., Tahara, T. Reorientation-induced relaxation of free oh at the air/water interface revealed by ultrafast heterodyne-detected nonlinear spectroscopy. Nature Communications. 11 (1), 5344(2020).
  23. Wang, H., Gao, T., Xiong, W. Self-phase-stabilized heterodyne vibrational sum frequency generation microscopy. ACS Photonics. 4 (7), 1839-1845 (2017).
  24. Wang, H., Xiong, W. Revealing the molecular physics of lattice self-assembly by vibrational hyperspectral imaging. Langmuir. 38 (10), 3017-3031 (2022).
  25. Raghunathan, V., Han, Y., Korth, O., Ge, N. -H., Potma, E. O. Rapid vibrational imaging with sum frequency generation microscopy. Optics Letters. 36 (19), 3891(2011).
  26. Wang, H., Wagner, J. C., Chen, W., Wang, C., Xiong, W. Spatially dependent h-bond dynamics at interfaces of water/biomimetic self-assembled lattice materials. Proceedings of the National Academy of Sciences. 117 (38), 23385-23392 (2020).
  27. Wagner, J. C., Wu, Z., Wang, H., Xiong, W. Imaging orientation of a single molecular hierarchical self-assembled sheet: the combined power of a vibrational sum frequency generation microscopy and neural network. The Journal of Physical Chemistry B. 126 (37), 7192-7201 (2022).
  28. Han, Y., Hsu, J., Ge, N. -H., Potma, E. O. Polarization-sensitive sum-frequency generation microscopy of collagen fibers. The Journal of Physical Chemistry B. 119 (8), 3356-3365 (2015).
  29. Chung, C. -Y., Potma, E. O. Biomolecular imaging with coherent nonlinear vibrational microscopy. Annual Review of Physical Chemistry. 64 (1), 77-99 (2013).
  30. Potma, E. O. Advances in vibrationally resonant sum-frequency generation microscopy. Optics in the Life Sciences Congress. , OSA: Washington, DC, 2017. p NM4C.2 (2017).
  31. Han, Y., Raghunathan, V., Feng, R. R., Maekawa, H., Chung, C. -Y. Y., Feng, Y., Potma, E. O., Ge, N. -H. H. Mapping molecular orientation with phase sensitive vibrationally resonant sum-frequency generation microscopy. The Journal of Physical Chemistry B. 117 (20), 6149-6156 (2013).
  32. Hsu, J., Haninnen, A., Ge, N. -H., Potma, E. O. Molecular imaging with sum-frequency generation microscopy. Optics in the Life Sciences. , OSA: Washington, DC, 2015. p NT4C.4 (2015).
  33. Hanninen, A., Shu, M. W., Potma, E. O. Hyperspectral imaging with laser-scanning sum-frequency generation microscopy. Biomedical Optics Express. 8 (9), 4230(2017).
  34. Wang, H., Chen, W., Wagner, J. C., Xiong, W. Local ordering of lattice self-assembled SDS@2β-CD materials and adsorbed water revealed by vibrational sum frequency generation microscope. The Journal of Physical Chemistry B. 123 (29), 6212-6221 (2019).
  35. Cimatu, K., Baldelli, S. Chemical imaging of corrosion: sum frequency generation imaging microscopy of cyanide on gold at the solid−liquid interface. Journal of the American Chemical Society. 130 (25), 8030-8037 (2008).
  36. Shah, S. A., Baldelli, S. Chemical imaging of surfaces with sum frequency generation vibrational spectroscopy. Accounts of Chemical Research. 53 (6), 1139-1150 (2020).
  37. Wagner, J. ackson C., Zishan, W. u, Xiong, W. Multimodal nonlinear vibrational hyperspectral imaging. ChemRxiv. , (2023).
  38. Yan, C., Wagner, J., Wang, C., Ren, J., Lee, C., Wan, Y., Wang, S., Xiong, W. Multi-dimensional widefield infrared-encoded spontaneous emission microscopy: distinguishing chromophores by ultrashort infrared pulses. ChemRxiv. , (2023).
  39. Lin, Y., Fromel, M., Guo, Y., Guest, R., Choi, J., Li, Y., Kaya, H., Pester, C. W., Kim, S. H. Elucidating interfacial chain conformation of superhydrophilic polymer brushes by vibrational sum frequency generation spectroscopy. Langmuir. 38 (48), 14704-14711 (2022).
  40. Choi, J., Lee, J., Makarem, M., Huang, S., Kim, S. H. Numerical simulation of vibrational sum frequency generation intensity for non-centrosymmetric domains interspersed in an amorphous matrix: a case study for cellulose in plant cell wall. The Journal of Physical Chemistry B. 126 (35), 6629-6641 (2022).
  41. Matlab Image Processing Toolbox Hyperspectral Imaging Library. , The Mathworks, Inc., Natick, MA USA. Google Scholar Forthcoming.
  42. Armstrong, B. H. Spectrum line profiles: the Voigt function. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 7 (1), 61-88 (1967).
  43. Wu, Z., Xiong, W. Neumann's principle based eigenvector approach for deriving non-vanishing tensor elements for nonlinear optics. The Journal of Chemical Physics. 157 (13), 134702(2022).
  44. Chollet, F. Keras Neural Network Library. https://github.com/fchollet/keras accessed Apr 12. , (2021).
  45. Vicidomini, G., Bianchini, P., Diaspro, A. STED super-resolved microscopy. Nature Methods. 15 (3), 173-182 (2018).
  46. Xiong, W., Laaser, J. E., Mehlenbacher, R. D., Zanni, M. T. Adding a dimension to the infrared spectra of interfaces using heterodyne detected 2D sum-frequency generation (HD 2D SFG) spectroscopy. Proceedings of the National Academy of Sciences. 108 (52), 20902-20907 (2011).
  47. Lukas, M., Backus, E. H. G., Bonn, M., Grechko, M. Passively stabilized phase-resolved collinear sfg spectroscopy using a displaced sagnac interferometer. The Journal of Physical Chemistry A. 126 (6), 951-956 (2022).
  48. Ji, N., Ostroverkhov, V., Chen, C., Shen, Y. Phase-sensitive sum-frequency vibrational spectroscopy and its application to studies of interfacial alkyl chains. Journal of the American Chemical Society. 129 (33), 10056-10057 (2007).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

مقالات ذات صلة