基于线扫描振动和频生成显微镜的多模态非线性高光谱化学成像

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）图像以及明场二次谐波生成（SHG）成像模式。由于红外频率与分子振动共振，揭示了对称性允许样品的微观结构和介观形态学知识。

摘要

振动和频生成 （VSFG） 是一种二阶非线性光信号，传统上作为一种空间分辨率为 ~100 μm 的光谱技术用于研究界面处的分子。然而，光谱学对样品的异质性不敏感。为了研究介观异质样品，我们与其他人一起将VSFG光谱的分辨率极限降低到~1μm水平，并构建了VSFG显微镜。这种成像技术不仅可以通过成像解析样品形态，还可以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，其选择规则能够可视化生物学、材料科学和生物工程等中常见的非中心对称或手性自组装结构。在本文中，将引导观众了解一种倒置透射设计，该设计允许对未固定的样本进行成像。这项工作还表明，VSFG显微镜可以通过将其与神经网络函数求解器相结合来解析单个自组装板材的化学特定几何信息。最后，对不同样品在明场、SHG和VSFG构型下获得的图像进行了简要讨论，讨论了VSFG成像所揭示的独特信息。

引言

振动和频生成 （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，以化学分析允许对称性的样品 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13^， 14,15,16,17,18,19,20,21,22。传统上，VSFG已应用于界面体系8,9,10,11（即气-液、液-液、气-固、固-液），这些体系缺乏反转对称性 - 这是VSFG活性的要求。VSFG的这一应用提供了埋藏界面12,13，界面14,15,16,17,18处水分子的构型以及界面^19,20,21,22处化学物质的丰富分子细节。

尽管VSFG在确定界面处的分子种类和构型方面具有很强的实力，但其在测量缺乏反转中心的材料的分子结构方面的潜力尚未得到发挥。这在一定程度上是因为材料的化学环境、成分和几何排列可能具有不同质性，而传统的 VSFG 光谱仪具有大约 100 μm² 的大照明区域。因此，传统的VSFG光谱法报告了样品在典型的100 μm²照明区域内的集合平均信息。这种集成平均可能导致具有相反方向的有序域之间的信号抵消和对局部异质性的错误表征 15,20,23,24。

随着高数值孔径 （NA） 和基于反射的显微镜物镜（Schwarzschild 和 Cassegrain 几何形状）的进步，它们几乎没有色差，VSFG 实验中两个光束的焦点尺寸可以从 100 μm 2 减小到 1-2 μm²，在某些情况下可以减小亚微米²⁵。包括这项技术进步在内，我们小组和其他公司已将VSFG开发成显微镜平台20,23,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36。最近，我们实现了一种倒置光学布局和宽带检测方案³⁷，该方案可以无缝收集多模态图像（VSFG、二次谐波产生（SHG）和明场光学）。多模态成像允许使用光学成像快速检查样品，将各种类型的图像关联在一起，并在样品图像上定位信号位置。通过消色差照明光学器件和脉冲激光照明源的选择，该光学平台允许未来无缝集成其他技术，例如荧光显微镜³⁸ 和拉曼显微镜等。

在这种新的安排中，已经研究了分层组织和一类分子自组装（MSA）等样本。这些材料包括胶原蛋白和仿生学，其中化学成分和几何组织对材料的最终功能都很重要。由于VSFG是二阶非线性光信号，因此它对分子间排列^39,40特别敏感^，例如分子间距离或扭曲角，使其成为揭示化学成分和分子排列的理想工具。这项工作描述了核心仪器的 VSFG、SHG 和明场模式，该仪器由泵浦光学参量放大器 （OPA） 的掺镱腔固体激光器、自制的多模态倒置显微镜和耦合到二维电荷耦合器件 （CCD） 探测器的单色器频率分析仪²⁷ 组成。提供了分步的构造和对齐程序，以及完整的设置部件列表。本文还以MSA为例，对MSA进行了深入分析，MSA的基本分子亚基由一个分子十二烷基硫酸钠（SDS）（一种常见的表面活性剂）和两个分子的β-环糊精（β-CD）（本文称为SDS@2 β-CD）组成，以说明VSFG如何揭示有组织物质的分子特异性几何细节。还已经证明，MSA的化学特定几何细节可以使用神经网络函数求解器方法确定。

方案

1. 高光谱线扫描VSFG显微镜

1. 激光系统
   1. 使用以 1025 nm ± 5 nm 为中心的脉冲激光系统（参见 材料表）。激光器设置为 40 W、200 kHz（200 μJ/脉冲），脉冲宽度为 ~290 fs。
      注意:确切的重复频率可能会有所不同，高重复频率激光通常更适合这种VSFG显微镜。
   2. 将种子激光器的输出引导到商用光学参量放大器 （OPA） 中，以产生中红外 （MIR） 光束（参见 材料表）。将MIR调谐到感兴趣的频率（图1A）。
      注:在本研究中，MIR 以 3450 nm ± 85 nm （~2900 ± 72 ^cm-1） 为中心，脉冲持续时间为 ~290 fs，脉冲能量为 ~6 μJ，包括部分 -CH_x 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 Fabry-Perot 标准具（参见 材料表），以产生光谱变窄的上转换光束，其 FWHM 为 ~4.75 ^cm-1。
   2. 用 8 μm 蓝宝石针孔对狭窄的 1025 nm 光束进行空间滤波。
      注意:可以使用近红外卡可视化 1025 nm 光束。
   3. 使用 λ/2 波片控制 1025 nm 脉冲的偏振（参见 材料表）。
3. MIR光束
   1. 引导MIR光束通过延迟级，以精细控制时间重叠。
   2. 使用 λ/2 波片控制 MIR 的极化。
4. VSFG显微镜
   1. 在定制的二向色镜（DM，图1B）上，上转换光束和MIR光束在空间上重叠，该二向色镜透射到MIR并反射到NIR（参见 材料表）。使用两个虹膜来引导对齐:一个紧跟在 DM 之后，一个在远端。在光圈后使用功率计确定MIR是否居中，并使用NIR卡定位NIR位置。
      注意:重叠后，NIR光束可用于引导两个光束。
   2. 将重叠的光束引导到带有集成325 Hz单轴共振光束扫描仪（安装在集成双位置扫描仪（I2PS）上， 图1B）的倒置显微镜中（参见 材料表）。
      注意:谐振扫描仪将两条重叠光束的线投射到聚光镜物镜的后孔上。它安装在一个滑块上，可以在 VSFG/SHG 和明场模式之间无缝重新配置。
   3. 用纯反射的史瓦西物镜将两个空间重叠的光束聚焦到样品上（SO，图1B，D）（参见材料表）。
   4. 用无限远校正的折射物镜（RO，图1B，D）收集样品产生的VSFG信号（参见材料表）。
   5. 引导准直输出VSFG信号通过线性偏振器，然后通过由两个f = 60 mm焦距透镜（TL1和TL2，图1B，C）组成的远心镜筒透镜系统（参见材料表）。
      注:在单色器的入口狭缝处形成来自镜筒透镜的放大图像（MC，图1B，C），并在二维CCD检测器（CCD，图1B）上检测空间/频率分辨数据。
5. SHG 模式
   1. 要切换到 SHG 成像，请阻挡红外光束并将光谱仪的光栅旋转至 501.5 nm 以对 SHG 信号进行成像。
6. 明场模式
   1. 要切换到明场光学成像，请打开白光源（参见 材料表）。移动集成滑块（I2PS， 图1B）以在反向传播方向上收集明场图像，成像物镜（RO）作为聚光镜，聚光镜物镜（SO）作为成像物镜。
   2. 使用市售的镜筒透镜系统，在RGB明场相机的传感器平面上形成折射物镜的准直输出图像（参见 材料表）。

图1:多模态高光谱VSFG显微镜。 （一） 核心设置的顶视图。 将 1025 nm 泵浦激光器发送到 OPA 以产生可调谐的中红外脉冲。残余的 1025 nm 经常被标准具 （E） 收窄，并通过空间滤光片 （SFG） 在空间上滤波到高斯光束中。中红外和 1025 nm 光束在定制的二向色镜 （DM） 上空间重叠，并通过倒置显微镜（ A 中的盒形区域）引导。（B） 将两束光束发送到安装在集成 2 位滑块 （I2PS） 上的 325 Hz 谐振光束扫描仪，从而实现明场和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史瓦西物镜（SO）作为聚光镜，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轴载物台上。SO 聚焦谐振光束扫描仪反射到样品上的入射光束线，而 RO 收集信号的 VSFG 线段。重要的是以 1 μm 的精度精细控制 RO 的 z 轴位置，以确保样品处于高质量成像的最佳焦点条件。然后，VSFG信号的准直线被引导到由2个桶状透镜（TL1和TL2）组成的镜筒透镜系统，在单色器（MC）的入口狭缝处形成放大图像。然后，在电荷耦合器件（CCD）上对频率分辨谱线进行高光谱成像。收集每条高光谱线后，使用NP在垂直于共振束扫描仪扫描轴的轴上扫描样品。为了收集样品的明场图像，将I2PS移动到明场位置，并安装一个拦截白光源（WLS）的镜子。然后，光由RO聚焦，并由SO成像。然后在倒置显微镜顶部的明场相机（BC）的传感器平面上形成图像。（C） 通过镜筒透镜区域进入 MC 和 CCD 的光路的详细视图。（D） SO和RO之间的样品区域的详细视图。 请点击这里查看此图的较大版本.

2. 高光谱显微镜对准和垂直CCD轴空间校准

1. 使用ZnO（1μm厚）图案溅射镀膜的标准样品15 mm x 15 mm x 0.170 mm±0.005 mm盖玻片粗略优化样品平面（纳米定位器z轴）的位置，并使用明场成像模式将其置于明场焦点。
   注意: RO 的 z 位置以及白光的对齐可能需要根据需要进行调整。用于对准校准的玻璃图案上ZnO的代表性图像如图 2所示。
2. 将 I2PS 移回非线性照明臂，并优化样品高度，以获得在 CCD 相机上观察到的 ZnO 区域产生的最大非共振 VSFG 强度。
   注意: 必须调整 RO 的 z 位置以获得最大强度。在达到样品的最佳高度和RO之前，可能需要迭代步骤2.1和2.2几次。
3. 打开共振光束扫描仪并收集一行图像。
4. 通过垂直于光束扫描仪方向扫描样品来收集非共振强度图像。对图像数据进行垂直切片并建立像素:微米比。（请参阅图 3 及其图 例）。
   注:分析这些线截面的导数，以产生垂直CCD轴像素:微米比，该比将用于未来的图像。

图 2:ZnO 图案明场成像模式粗略对齐的代表性图像质量。 请点击这里查看此图的较大版本.

图 3:垂直轴校准工作流程。 该图说明了如何以μm为单位将CCD像素转换为垂直空间尺寸。 （A）收集并重建ZnO图案盖玻片的图像。然后，从图案的一个边缘到另一个边缘的像素距离（ A 中的小垂直条）。由于 ZnO 图案交叉设计为具有 25 μm 的宽度，因此可以使用此处的物理宽度与像素宽度的比率来计算物理/像素尺寸比。（B）中显示了具有代表性的垂直轴校准图像。 （C） 最后，按照红线所示进行垂直切片。（D）取垂直切片的导数得到空间分辨率。使用垂直切片的导数来获得空间分辨率。 请点击这里查看此图的较大版本.

3. 高光谱数据采集

1. 在CCD上收集VSFG信号垂直线的光谱，其光谱沿水平轴分散，空间位置记录在CCD的垂直轴上。
   注意:这将生成单行截面的二维数据集。
2. 在对样品的线截面进行高光谱成像后，使用三维纳米定位器在垂直于线扫描轴的轴上扫描样品（NP， 图1）。
   注意:3D 纳米定位器对于定位样品区域（x-y 平面）以及使样品聚焦（z 轴）的高精度和可重复性非常重要。
3. 在步骤 3.1 和步骤 3.2 之间迭代以收集 VSFG 高光谱图像。

4. 高光谱数据分析

1. 使用MatLab成像工具箱的高光谱成像库工作流程⁴¹对数据进行光谱解混。
   注:光谱分离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 中提供。
   1. 使用 Matlab 图像处理工具箱高光谱成像库⁴¹ 中的超立方体函数创建 4 维超立方体（x = 空间，y = 空间，z = 频率相关强度，ω = 频率）。
   2. 使用 countEndmembersHFC 函数识别唯一光谱的数量，误报概率 （PFA） 值为 ^10-7。
   3. 使用 nfindr 光谱解混功能识别独特的光谱。
   4. 最后，使用 sid 函数，将每个像素与上一步中标识的唯一光谱之一相关联。
      注:可以使用 MatLab 高光谱成像库⁴¹ 中提供的替代函数/算法来完成其他光谱分离和匹配方法。
2. 将每个孤立工作表的总和数据拟合到 Voigt 函数⁴²（补充文件 1）。
   注:洛伦兹函数表示纯齐次线形极限，而高斯函数源自非齐次极限。实际上，这些系统可能处于均匀和非均匀极限的组合中，这需要Voigt函数 - 凝聚相光谱的常见做法，包括VSFG。

5. 样品的几何分析

1. 按照步骤 5.2-5.3 中提到的步骤确定样品的几何形状。本研究以SDS@2 β-CD为例。根据 SDS@2 β-CD 介观片样品分子亚基的 C₇ 对称性，推导 χ^（2） 的对称性允许张量元素。
   注:χ^（2） 允许的对称性取决于对称性。要计算任何对称性的允许非线性磁化率，请参阅参考文献⁴³。
2. 应用欧拉旋转²⁷ 将实验室框架测量值与分子框架相关联。
   注:在 SDS@2 β-CD 的情况下，其 C₇ 对称性导致 8 个独立方程，将 8 个输出（实验室坐标系 χ（2^））与 8 个输入（6 个独立的超极化率 β（2））和两个角度:Θ，相对于所有片材样品平面的倾斜角，以及 φ，片材的面内旋转（图 4^））。两张纸用于提取两张纸的共同分子排列。可以从明场图像中提取φ₁ 和 φ₂（两片的平面内旋转角度）之间的关系。在当前示例中，φ₂ = φ₁ + 60°。假设所有分子单位都以相同的角度平铺，因此 Θ₁ = Θ₂。这导致了 11 个未知数（9 个独立的未知数，包括 6 个独立的超极化率 β^（2），Θ 1 和 φ_1，以及 16 个已知（每张 8 个实验室框架极化和 2 个）的 N 片和两个相关角（φ 2 和 Θ₂）之间的相对覆盖率）。
3. 将偏振分辨实验室坐标系χ（2）和分子坐标系超极化率β^（2）与神经网络函数求解器相关联。
   注:此方法的详细摘要可在参考文献²⁷ 中找到。
   1. 在 Python⁴⁴中使用由 200-100-50 节点结构和双曲切线激活函数组成的 Keras 创建分层神经网络模型。
   2. 创建一个随机生成的 100000 x 11 矩阵，其中包含 β^（2）、Θ₁、Θ 2、φ₁、φ₂ 和 N 的值。
   3. 使用计算出的 χ（2） 值（总共 100,000 x 16 个值）作为输入，并学习在提供 16 个 χ（2） 值时预测 11 个值（β^（2）、Θ₁、Θ 2、φ₁、φ ₂ 和 N）。
   4. 训练后，使用另一组 1000 个条目（输入和输出）来测试训练的模型。预测输出和真实输出应显示斜率为 1 的线性关系。
   5. 最后，从两张纸中提供实验测量的χ（2^）（ 每张纸有8个χ^（2） 测量），并使用训练好的模型来预测倾斜角Θ以及其他属性。

图 4:欧拉变换示意图。 （A） 实验室坐标（XYZ）二级磁化率χ（2）和分子坐标（xyz）超极化率（β_ijk^）之间的欧拉变换示意图。z-y'-z'' 欧拉旋转是在分子坐标上进行的，其中 φ 为面内旋转角，θ 为倾斜角，ψ 为扭转角。ψ被积分出来，用于围绕分子轴的任意扭转角。φ没有被整合出来，因为所有分子都相对于实验室框架旋转到特定角度以形成自组装的薄片。N是两张纸的相对表面覆盖率。（B）由神经网络结果确定的形成薄片的倾斜亚基的可视化。该数字已根据 Wagner 等人 ²⁷ 修改而来。请点击这里查看此图的较大版本.

结果

图5:SDS@β-CD的分子结构、形貌和电位取向 。 （A） SDS@β-CD的俯视图和（B）侧视图化学结构。（C）样品平面上介尺度片片的代表性异质样品分布。分子亚基在底物上可能具有不同的取向和排列，这是未知的。该数字已根据 Wagner 等人 ²⁷ 修改而来。 请点击这里查看此图的较大版本.

SDS@2 ...

讨论

最关键的步骤是从 1.42 到 1.44。为了获得光学空间分辨率，必须很好地对准物镜。收集发射信号、中继并将扫描光束投射为入口狭缝处的一条线也很重要。正确的对齐将保证最佳的分辨率和信噪比。对于典型的样品，如 SDS@2 β-CD 100 μm x 100 μm 片材，具有高信噪比的高分辨率图像（~1 μm 分辨率）需要 20 分钟。这已经比以前版本的仪器^24,26 更快。通过更高的重复频率激光器可以进一步提高数据采集速度。

目前的局限性是空间分辨率，可以通过更高的数值孔径物镜光学和潜在的基于非线性光学的超分辨率技术进一步提高空间分辨率⁴⁵。外差检测已应用于VSFG光谱中，以解析其相位并提取分子取向5,46,47,48。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
1x 相机 Por	Thorlabs	WFA4100	将相机连接到显微镜或光学系统
25.0 毫米直角棱镜镜，保护金	Thorlabs	MRA25-M01	反射光线并产生逆反射，沿其原始路径重定向光线
3 英寸通用柱架-5 件装	Thorlabs	UPH3-P5	各种尺寸和配置的固定和支撑柱
30 毫米至 60 毫米笼板，4 毫米厚	Thorlabs	LCP4S	在 30 毫米笼系统和 60 毫米笼系统之间转换
500 毫米高的 Cerna 体，带 Epi 臂	Thorlabs	CEA1500	提供在显微镜
中启用顶部照明技术的功能60 毫米笼式 & Oslash;50.0 毫米 Iris	Thorlabs	LCP50S	控制通过光学系统的光量
60 毫米笼式安装支架	Thorlabs	LCP01B	在光学设置中安装和定位 60 毫米笼式系统
空气间隔 Etalon	SLS Optics Ltd.	定制	生成窄带 1030 nm 光
笼板安装支架	Thorlabs	KCB2	精确的角度固定和调整镜子
CCD	Andor Technologies	Newton	用于频率和空间分辨率的 2D CCD
共线光学参量放大器	光转换	Orpheus-One-HP	可调谐 MID 光发生器
氯化铜	Thermo Fischer Scientific	A16064.30	自组装组件
定制二向色镜	Newport	定制	根据光的波长或偏振选择性地反射或透射光
Ext 到 M32 Int 适配器	Thorlabs	SM1A34	提供兼容性并促进具有不同螺纹类型的组件之间的连接
无限远校正折射物镜	蔡	420150-9900-000	折射物镜
无限远校正施瓦西物镜	Pike Technologies Inc.	891-0007	反射式物镜
碳化物激光	，光转换	C18212	激光源
M32x0.75 外部到内部 RMS	Thorlabs	M32RMSS	适应或转换显微镜物镜的螺纹尺寸或类型
M32x0.75 外部到 M27x0.75 内部雕刻	Thorlabs	M32M27S	调整或转换显微镜物镜的螺纹尺寸或类型
手动中高聚光镜聚焦模块	Thorlabs	ZFM1030	调整光学元件的焦距
单色器	Andor Technologies	Shamrock 500i	为每次线扫描提供频率分辨率
模块，边缘安装臂行程为 1 英寸	Thorlabs	ZFM2020	控制成像物镜的垂直位置
纳米定位器	Mad城市实验室公司	MMP3	3D 样品台
共振扫描振镜	EOPC	SC-25	325Hz 共振光束扫描器
RGB 彩色 CCD 相机	Thorlabs	DCU224C	明场相机，已停产，但其他相机也能正常工作
RGB 镜筒镜头 Thorlabs		ITL200	白光系列
直角运动面包板	Thorlabs	OPX2400	包含一个具有两个固定位置的滑动机构
直角运动镜支架，30 毫米	Thorlabs	KCB1	以精确角度固定和调整镜子
直角运动镜支架，60 毫米	Thorlabs	KCB2	以精确角度固定和调整镜子
SM2,60 毫米笼臂，用于 Cerna 聚焦平台	Thorlabs	CSA2100	牢固安装和定位聚光镜
Thorlabs C60L24 卡扣式笼盖，用于 60 毫米笼，长 24 英寸，			封闭并保护笼内的组件
十二烷基硫酸钠	Thermo Fischer Scientific	J63394。AK	自组装组件
用于 1" Cerna 行程平台的三通道控制器和旋钮盒	Thorlabs	MCM3001	控制ZFM2020
管透镜	Thorlabs	LA1380-AB - N-BK7	SFG 信号收集
可见光 LED 组	Thorlabs	WFA1010	成像设置中提供照明
白光光源	Thorlabs	WFA1010	用于明场成像的白光照明源
WPH05M-1030 - Ø1/2" 零级半波板，Ø1" 安装，1030 nm	Thorlabs	WPH05M-1030	改变通过其的光的偏振状态
WPLQ05M-3500 - Ø1/2" 安装低阶四分之一波板，3.5 µM	Thorlabs	WPLQ05M-3500	改变光通过其的偏振状态
X 轴 长行程钢 加长接触滑台	Optosigma	TSD-65122CUU	定位平台，可在水平 （X） 方向提供延长行程
XT95 4 英寸轨道载体	Thorlabs	XT95RC4	安装和定位光学元件
X-Y 轴平移平台，带 360 度旋转	Thorlabs	XYR1	二维空间中精确移动和定位物体，以及旋转平台
XY（1/2"） 线性转换器与中心 SM1 通孔	Thorlabs	XYT1	提供二维精确移动和定位
Yb 掺杂固体激光	转换	CB3-40W	种子激光器
&β;-环糊精	热费舍尔Scientific	J63161.22	自组装组件