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方法文章

使用线扫描振动和频产生显微技术的多模态非线性高光谱化学成像

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DOI：

10.3791/65388

⸱

2023年12月1日

 ,  ,  , 
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

本文内容

摘要

开发了一种多模态快速高光谱成像框架，用于获取宽带振动和频生成（VSFG）图像，同时结合明场和二次谐波产生（SHG）成像模式。由于红外频率与分子振动共振，该方法可揭示具有对称性允许特性的样品的微观结构和介观形貌信息。

摘要

振动和频产生（VSFG）是一种二阶非线性光学信号，传统上被用作光谱技术来研究界面分子，其空间分辨率约为 100 µm。然而，该光谱技术对样品的异质性不敏感。为了研究介观尺度上具有异质性的样品，我们与他人共同将 VSFG 光谱技术的分辨率极限推进至约 1 µm 水平，并构建了 VSFG 显微镜。这种成像技术不仅能够通过成像解析样品的形貌，还能在图像的每个像素点上记录宽带 VSFG 光谱。作为一种二阶非线性光学技术，其选择定则使得生物学、材料科学及生物工程等领域中常见的非中心对称或手性自组装结构得以可视化。本文将引导读者了解一种倒置透射式设计，该设计可实现对未固定样品的成像。本研究还展示了将 VSFG 显微技术与神经网络函数求解器相结合，能够解析单个自组装片层的化学特异性几何信息。最后，通过对多种样品在明场、SHG 和 VSFG 配置下获得的图像进行简要讨论，阐述了 VSFG 成像所揭示的独特信息。

引言

振动和频产生（Vibrational sum-frequency generation, VSFG）是一种二阶非线性光学技术1,2，已被广泛用作光谱学工具，用于对具有对称性允许特性的样品进行化学表征3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22。传统上，VSFG 被应用于缺乏反演对称性的界面体系8,9,10,11（即气-液、液-液、气-固、固-液界面），而这种对称性破缺是 VSFG 活性的必要条件。该技术的应用已提供了大量关于埋藏界面的分子细节12,13、界面处水分子的构型14,15,16,17,18，以及界面化学物种的信息19,20,21,22。

尽管VSFG在确定界面处的分子种类和构型方面已表现出强大能力，但其在测量缺乏反演中心的材料分子结构方面的潜力尚未得到充分开发。部分原因在于这类材料在化学环境、组分和几何排列上可能具有异质性，而传统的VSFG光谱仪在样品上的照射区域较大，约为100 µm2。因此，传统VSFG光谱技术提供的是在典型100 µm2照射区域内样品的系综平均信息。这种系综平均可能导致取向相反的高度有序区域之间的信号相互抵消，从而误判局部异质性15,20,23,24。

随着高数值孔径（NA）反射式显微物镜（Schwarzschild 和 Cassegrain 结构）的发展，这类物镜几乎无色差，使得VSFG实验中两束光的聚焦尺寸可从100 µm2减小至1–2 µm2，在某些情况下甚至可达到亚微米级25。结合这一技术进步，我们课题组及其他研究团队已将VSFG发展为一种显微成像平台20,23,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36。最近，我们实现了倒置光路结构和宽带探测方案37，可无缝采集多模态图像（VSFG、二次谐波生成（SHG）和明场光学图像）。多模态成像能够利用光学成像快速检查样品，将多种类型的图像相互关联，并在样品图像上准确定位信号位置。借助消色差照明光学系统以及脉冲激光光源的选择，该光学平台为未来无缝整合其他技术（如荧光显微镜38和拉曼显微镜等）提供了可能。

在这一新构型中，已研究了诸如分层结构和一类分子自组装体（MSA）等样品。这些材料包括胶原蛋白和仿生材料，其中材料的最终功能既取决于其化学组成，也取决于其几何结构。由于VSFG是一种二阶非线性光学信号，它对分子间排列特别敏感39,40，例如分子间距离或扭转角度，因此成为揭示化学组成和分子排列的理想工具。本文描述了核心仪器的VSFG、SHG和明场成像模式，该仪器由一个掺镱腔体固态激光器驱动的光学参量放大器（OPA）、一台自行搭建的多模态倒置显微镜以及与二维电荷耦合器件（CCD）探测器耦合的单色仪频率分析仪组成27。文中提供了该系统的逐步搭建与校准流程，以及完整的部件清单。此外，以一种分子自组装体（MSA）为例进行了深入分析，该自组装体的基本分子单元由一个十二烷基硫酸钠（SDS，一种常见表面活性剂）分子和两个β-环糊精（β-CD）分子组成，本文中简称为SDS@2β-CD，用以展示VSFG如何揭示有序物质中分子特异性的几何细节。研究还表明，可通过神经网络函数求解器方法确定该MSA的化学特异性几何结构细节。

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方案

1. 高光谱线扫描VSFG显微镜

  1. 激光系统
    1. 使用中心波长为 1025 nm ± 5 nm 的脉冲激光系统（参见材料表）。将激光设置为 40 W、200 kHz（200 µJ/脉冲），脉宽约为 290 fs。
      注意：重复频率可略有变化，通常较高的重复频率激光更适用于该VSFG显微镜。
    2. 将种子激光的输出引导至商用光学参量放大器（OPA）以生成中红外（MIR）光束（参见材料表）。将MIR调谐至目标频率（图1A）。
      注意：在本研究中，MIR中心波长为 3450 nm ± 85 nm（约 2900 ± 72 cm-1），脉冲持续时间约为 290 fs，脉冲能量约为 6 µJ，覆盖了部分-CHx官能团区域。
  2. 上转换光束
    1. 将来自OPA的残余1025 nm光束通过法布里-珀罗标准具（参见材料表），以产生光谱窄化的上转换光束，其半高全宽（FWHM）约为 4.75 cm-1。
    2. 使用8 µm蓝宝石针孔对窄化后的1025 nm光束进行空间滤波。
      注意：可使用近红外（NIR）卡观察1025 nm光束。
    3. 使用λ/2波片（参见材料表）控制1025 nm脉冲的偏振方向。
  3. MIR光束
    1. 将MIR光束通过延迟台，以精细控制时间重叠。
    2. 使用λ/2波片控制MIR光束的偏振方向。
  4. VSFG显微镜
    1. 在定制的二向色镜（DM，图1B）上使上转换光束和MIR光束在空间上重叠，该二向色镜对MIR透射、对NIR反射（参见材料表）。使用两个光阑辅助准直：一个位于DM之后，另一个位于远端。在光阑后使用功率计判断MIR是否居中，并使用NIR卡定位NIR光束位置。
      注意：重叠后，可利用NIR光束引导两束光。
    2. 将重叠后的光束导入倒置显微镜，并通过集成的325 Hz单轴共振光束扫描器（安装于集成双位置扫描器（I2PS），图1B）（参见材料表）进行扫描。
      注意：共振扫描器将两束重叠光形成的线投射到聚光物镜的后焦平面。该扫描器安装在滑轨上，可在VSFG/SHG与明场成像模式之间无缝切换。
    3. 使用纯反射式施瓦茨希尔德物镜（SO，图1B,D）（参见材料表）将两个空间重叠的光束聚焦到样品上。
    4. 使用无限远校正的折射物镜（RO，图1B,D）（参见材料表）收集样品产生的VSFG信号。
    5. 将准直输出的VSFG信号先通过线性偏振片，再通过由两个焦距 f = 60 mm 的透镜（TL1 和 TL2，图1B,C）组成的远心管镜系统（参见材料表）。
      注意：管镜系统放大的图像形成于单色仪（MC，图1B,C）的入射狭缝处，空间/频率分辨的数据由二维CCD探测器（CCD，图1B）检测。
  5. SHG模式
    1. 切换至SHG成像时，遮挡红外光束，并将光谱仪的光栅旋转至501.5 nm，以成像SHG信号。
  6. 明场模式
    1. 切换至明场光学成像时，打开白光光源（参见材料表）。移动集成滑轨（I2PS，图1B），使成像在反向传播方向进行，此时成像物镜（RO）作为聚光镜，聚光物镜（SO）作为成像物镜，以采集明场图像。
    2. 使用商用管镜系统（参见材料表），将折射物镜准直输出的图像形成于RGB明场相机的传感器平面上。

1025 nm 激光激发光路装置示意图，包含光谱系统与中红外分析
图1多模态高光谱VSFG显微镜 (A) 核心装置的俯视图。 1025 nm 泵浦激光被送入光参量放大器（OPA）以产生可调谐的中红外脉冲。剩余的 1025 nm 激光经常通过法布里-珀罗标准具（E）进行窄化，并通过空间滤波器（SFG）整形为高斯光束。中红外光束与 1025 nm 光束在定制的二向色镜（DM）处实现空间重叠，随后导入倒置显微镜（图中框选区域） A). (B两束光被导入一个325 Hz谐振光束扫描器，该扫描器安装在一个集成的双位置滑块（I2PS）上，可实现明场与非线性光学模式之间的无缝切换。显微镜平台配备了一个基于反射的无限远校正施瓦兹希尔德物镜（SO），用作聚光镜，以及一个基于折射的无限远校正成像物镜（RO），安装在垂直纳米定位（VNP）Z轴平台上。SO将谐振光束扫描器反射的入射光束线聚焦到样品上，而RO则收集VSFG信号的线段部分。精确控制RO在Z轴方向的位置至关重要 1 µm 精确调节以确保样品处于最佳焦面状态，从而实现高质量成像。VSFG信号的准直光束随后被导入由两个管镜（TL1和TL2）组成的管镜系统，在单色仪（MC）的入射狭缝处形成放大图像。频率分辨的光谱线随后在电荷耦合器件（CCD）上进行高光谱成像。每条高光谱线采集完成后，通过纳米定位平台（NP）在与共振光束扫描器扫描轴垂直的方向上对样品进行扫描。为采集样品的明场图像，将I2PS移至明场位置，并安装用于反射白光光源（WLS）的反射镜。光线经由物镜（RO）聚焦后，由成像物镜（SO）成像，最终在倒置显微镜顶部的明场相机（BC）传感器平面上形成图像。C) 光路经管镜区域进入MC和CCD的详细示意图。DSO与RO之间样本区域的详细视图。 请点击此处以查看此图的放大版本。

2. 高光谱显微镜的校准与垂直CCD轴空间校准

  1. 使用标准的氧化锌（ZnO）样品（厚度为1 µm，溅射镀膜图案，尺寸为15 mm × 15 mm × 0.170 mm ± 0.005 mm 的盖玻片），通过明场成像模式将其调至明场焦点，粗略优化样品平面（纳米位移台z轴）的位置。
    注意：可能需要根据实际情况调整物镜转盘（RO）的z位置以及白光的对准。用于对准校准的玻璃基底上ZnO图案的代表性图像见图2。
  2. 将I2PS移回非线性照明臂，并针对CCD相机上观察到的ZnO区域产生的最大非共振VSFG信号强度，优化样品高度。
    注意：必须调整RO的z位置以获得最大信号强度。在达到样品和RO的最佳高度之前，可能需要重复步骤2.1和2.2数次。
  3. 打开共振振镜扫描器，并采集一行图像。
  4. 通过沿垂直于振镜扫描方向扫描样品，采集非共振强度图像。对图像数据取垂直切片，并确定像素与微米的比例关系（参见图3及其图注）。
    ​注意：通过分析这些线段的导数，可得到用于后续图像的垂直CCD轴方向上的像素:微米比例。

显微图案，25μm标尺，网格布局，显微图像，材料表面分析。
图2：氧化锌（ZnO）图案明场成像模式粗略对准时的代表性图像质量。 请点击此处查看该图的放大版本。

使用信号强度图进行纳米定位器校准；光学测量校准过程。
图 3：垂直轴校准工作流程。 本图说明如何将CCD像素转换为以 µm 为单位的垂直空间尺寸。(A) 采集并重建ZnO图案化盖玻片的图像，然后测量图案两侧边缘之间的像素距离（A中的小竖条）。由于ZnO图案十字的设计宽度为25 µm，因此可利用此处的实际宽度与像素宽度的比值，计算出实际尺寸与像素的换算比例。一个典型的经垂直轴校准后的图像如(B)所示。(C) 最后，沿红线所示位置提取一条垂直切片。(D) 对该垂直切片求导以获得空间分辨率。对垂直切片求导用于确定空间分辨率。请点击此处查看该图的放大版本。

3. 高光谱数据采集

  1. 在CCD上采集VSFG信号的垂直线光谱，其中光谱沿CCD的水平轴色散，空间位置则记录在CCD的垂直轴上。
    注意：这将生成单线区域的二维数据集。
  2. 在对样品的线区域完成高光谱成像后，使用三维纳米定位器（NP，图1）沿垂直于线扫描方向的轴对样品进行扫描。
    注意：三维纳米定位器对于精确定位样品区域（x-y平面）以及调节样品至最佳焦平面（z轴）具有重要意义，可确保高精度与可重复性。
  3. 重复执行步骤3.1与步骤3.2，以采集完整的VSFG高光谱图像。

4. 高光谱数据分析

  1. 使用MatLab成像工具箱中的高光谱成像库工作流程对数据进行光谱解混41.
    注意：光谱解混将空间位置与独特的光谱相关联。用于高光谱数据分析的 Matlab 代码在 补充文件 1.
    1. 创建一个四维超立方体（x = 空间，y = 空间，z = 频率依赖性强度，ω = 频率），使用以下方法 超立方体 Matlab 图像处理工具箱高光谱成像库中的函数41.
    2. 鉴定具有唯一性的谱图数量 countEndmembersHFC 假警报概率（PFA）值为10时的函数-7.
    3. 使用以下方法识别独特光谱 nfindr 光谱解混功能
    4. 最后，使用 sid 功能，将每个像素与前一步骤中识别出的唯一光谱之一相关联。
      注：可使用 MatLab 高光谱成像库中提供的其他函数/算法进行额外的光谱解混和匹配方法41.
  2. 拟合 每个分离薄片的求和数据拟合到Voigt函数42 (补充文件 1).
    注意：洛伦兹函数代表纯均匀线型极限，而高斯函数源于非均匀极限。实际上，体系可能处于均匀与非均匀极限的混合状态，此时需要采用沃伊格特函数——这是凝聚相光谱学（包括振动和频光谱 VSFG）中的常见做法。

5. 样品的几何分析

  1. 按照步骤 5.2-5.3 中所述的程序确定样品的几何结构。本研究中以 SDS@2β-CD 为例。基于 SDS@2β-CD 介观片层样品中分子亚基的 C7 对称性，推导出 χ(2) 中由对称性允许的张量元素。
    注意：由对称性允许的 χ(2) 取决于对称性。如需计算任意对称性下允许的非线性 susceptibilities，可参考文献43。
  2. 应用欧拉旋转27 将实验室坐标系中的测量结果与分子坐标系相关联。
    注意：对于 SDS@2β-CD，其 C7 对称性导致了八个独立方程，将 8 个输出量（实验室坐标系下的 χ(2)）与 8 个输入量（6 个独立的超极化率 β(2)，以及两个角度：ϴ，即所有片层相对于样品平面的倾斜角；φ，即片层在平面内的旋转角（图 4））关联起来。使用两个片层以提取两者共有的分子取向信息。两个片层的平面内旋转角 φ1 与 φ2 之间的关系可通过明场图像提取。在当前示例中，φ2 = φ1 + 60°。假设所有分子单元以相同角度倾斜，因此 ϴ1 = ϴ2。这导致共有 11 个未知量（其中 9 个独立量，包括 6 个独立的超极化率 β(2)、ϴ1 和 φ1, 以及两个片层之间的相对覆盖比例 N，以及两个依赖量 φ2 和 ϴ2），对应 16 个已知量（每个片层 8 个实验室坐标系下的极化分量，共两个片层）。
  3. 利用神经网络函数求解器，将偏振分辨的实验室坐标系 χ(2) 与分子坐标系下的超极化率 β(2) 关联起来。
    注意：该方法的详细总结见文献27。
    1. 在 Python44 中使用 Keras 构建一个分层神经网络模型，其结构为 200-100-50 节点，并采用双曲正切激活函数。
    2. 生成一个 100000 × 11 的随机矩阵，包含 β(2)、ϴ1、ϴ2、φ1、φ2 和 N 的数值。利用步骤 5.2 中确定的欧拉旋转公式，计算对应的实验室坐标系下 16 个 χ(2) 值。
    3. 将计算得到的 χ(2) 值（共 100,000 组，每组 16 个值）作为输入，训练模型以预测 11 个输出值（β(2)、ϴ1、ϴ2、φ1、φ2 和 N），当输入 16 个 χ(2) 值时。
    4. 训练完成后，使用另一组包含 1000 个样本的数据（同时具有输入和输出）来测试训练好的模型。预测输出与真实输出应呈现线性关系，斜率应为 1。
    5. 最后，输入从两个片层实验测得的 χ(2) 值（每个片层测得 8 个 χ(2)），利用训练好的模型预测倾斜角 ϴ 以及其他相关性质。

晶向图，显示 χ(2)(θ,φ,β) 及 θ=23° 时的分子结构。
图 4：欧拉变换示意图。 （A）实验室坐标系（XYZ）中的二阶非线性 susceptibilitity χ(2) 与分子坐标系（xyz）中的超极化率 βijk 之间欧拉变换的示意图。对分子坐标系进行 z-y'-z'' 欧拉旋转，其中 φ 为面内旋转角，θ 为倾斜角，ψ 为扭转角。对于分子轴周围任意扭转角，ψ 被积分消除。φ 不被积分消除，因为所有分子均相对于实验室坐标系旋转至特定角度，从而形成自组装片层。N 为两种片层的相对表面覆盖率。（B）由神经网络结果确定的倾斜亚基形成片层结构的可视化示意图。该图改编自 Wagner 等人27。请点击此处查看此图的放大版本。

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结果

用于信号分析的VSFG光谱装置分子示意图，显示顶部和侧面视图。
图5：SDS@β-CD的分子结构、形貌及可能的取向。（A）SDS@β-CD的顶视图化学结构；（B）侧视图化学结构。（C）介观尺度片层在样品平面上的代表性非均匀分布。分子亚基在基底上的取向和排列方式可能各不相同，目前尚不明确。本图经改编自Wagner等人的研究27。

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讨论

最关键的步骤是1.42至1.44。为了实现光学空间分辨率，必须精确对准物镜。同时，有效收集发射信号、中继并以线状将扫描光束投射到入口狭缝处也至关重要。正确的对准可确保最佳分辨率和信噪比。对于典型的样品，如 SDS@2β-CD 100 µm × 100 µm 的片状样品，获得一幅高信噪比、分辨率良好（约1 µm）的图像需要20分钟。这已经比之前版本的仪器更快24,26。通过使用更高重复频率的激光器，可进一步提高数据采集速度。

目前的局限性在于空间分辨率，通过使用更高数值孔径（NA）的物镜以及基于非线性光学的超分辨率技术，该分辨率有望进一步提升45。外差探测已被应用于振动和频生成（VSFG）光谱中，以解析其相位并提取分子取向信息5,46,4...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

仪器开发得到了美国国家科学基金会（NSF CHE-1828666）的资助。ZW、JCW 和 WX 得到了美国国立卫生研究院下属的国家普通医学科学研究所（Grant 1R35GM138092-01）的资助。BY 得到了中国科学院青年创新促进会（CAS，2021183）的资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
1x 相机转接器ThorlabsWFA4100将相机连接至显微镜或光学系统
25.0 mm 直角棱镜镜，镀保护金膜ThorlabsMRA25-M01反射光线并产生后向反射，将光线沿原路径返回
3” 通用立柱支架-5件装ThorlabsUPH3-P5固定和支撑各种尺寸与配置的立柱
30 mm 转 60 mm 笼式安装板，厚度 4 mmThorlabsLCP4S在 30 mm 笼式系统与 60 mm 笼式系统之间进行转换
500 mm 高 Cerna 显微镜主体带落射照明臂ThorlabsCEA1500实现显微镜顶部照明技术的功能
60 mm 笼式安装 Ø50.0 mm 可调光阑ThorlabsLCP50S控制通过光学系统的光量
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空气间隔标准具SLS Optics Ltd.定制生成窄带 1030 nm 光 
笼式安装板支架ThorlabsKCB2以精确角度固定和调节反射镜
CCDAndor TechnologiesNewton 用于频率和空间分辨的二维 CCD
共线光学参量放大器Light ConversionOrpheus-One-HP可调中红外光源
氯化铜Thermo Fischer ScientificA16064.30自组装组分
定制二向色镜Newport定制根据波长或偏振态选择性反射或透射光线
外螺纹转 M32 内螺纹适配器ThorlabsSM1A34提供兼容性，便于连接具有不同螺纹类型的组件
无限远校正折射物镜Zeiss420150-9900-000折射物镜
无限远校正施瓦兹希尔德物镜Pike Technologies Inc.891-0007反射式物镜
激光器Carbide, Light-ConversionC18212激光光源
M32x0.75 外螺纹转 RMS 内螺纹ThorlabsM32RMSS适配或转换显微物镜的螺纹尺寸或类型 
M32x0.75 外螺纹转 M27x0.75 内螺纹刻字ThorlabsM32M27S适配或转换显微物镜的螺纹尺寸或类型 
手动中高程聚光镜调焦模块ThorlabsZFM1030调节光学元件的焦点
单色仪Andor TechnologiesShamrock 500i为每条线扫描提供频率分辨
带 1" 行程的边缘安装臂电动模块ThorlabsZFM2020控制成像物镜的垂直位置
纳米定位器Mad City Labs Inc.MMP3三维样品台
共振扫描器EOPCSC-25325 Hz 共振光束扫描器
RGB 彩色 CCD 相机ThorlabsDCU224C明场相机，已停产，但其他相机同样适用
RGB 管镜ThorlabsITL200白光收集
直角运动学光学平台ThorlabsOPX2400集成具有两个固定位置的滑动机构
30 mm 直角运动学反射镜架ThorlabsKCB1以精确角度固定和调节反射镜
60 mm 直角运动学反射镜架ThorlabsKCB2以精确角度固定和调节反射镜
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60 mm 笼式系统快拆盖，长 24 英寸ThorlabsC60L24封闭并保护笼内组件
十二烷基硫酸钠Thermo Fischer ScientificJ63394.AK自组装组分
用于 1" Cerna 行程平台的三通道控制器与旋钮盒ThorlabsMCM3001控制 ZFM2020
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XY(1/2") 线性平移器，中心带 SM1 通孔ThorlabsXYT1提供二维方向上的精确定位与移动
掺镱固体激光器Light ConversionCB3-40W种子激光器
β-环糊精Thermo Fischer ScientificJ63161.22自组装组分

参考文献

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