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。
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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。
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。
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....
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1. 高光谱线扫描VSFG显微镜
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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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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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作者无任何利益冲突需要披露。
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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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1x 相机转接器 | Thorlabs | WFA4100 | 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 | Thorlabs | MRA25-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 | Thorlabs | UPH3-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 mm | Thorlabs | LCP4S | 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 | Thorlabs | CEA1500 | 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 | Thorlabs | LCP50S | 控制通过光学系统的光量 |
| 60 mm 笼式安装支架 | Thorlabs | LCP01B | 在光学装置中安装和定位 60 mm 笼式系统 |
| 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 | Thorlabs | KCB2 | 以精确角度固定和调节反射镜 |
| CCD | Andor Technologies | Newton | 用于频率和空间分辨的二维 CCD |
| 共线光学参量放大器 | Light Conversion | Orpheus-One-HP | 可调中红外光源 |
| 氯化铜 | Thermo Fischer Scientific | A16064.30 | 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 | Thorlabs | SM1A34 | 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 | Zeiss | 420150-9900-000 | 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-Conversion | C18212 | 激光光源 |
| M32x0.75 外螺纹转 RMS 内螺纹 | Thorlabs | M32RMSS | 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 | Thorlabs | M32M27S | 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 | Thorlabs | ZFM1030 | 调节光学元件的焦点 |
| 单色仪 | Andor Technologies | Shamrock 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 | Thorlabs | ZFM2020 | 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 | EOPC | SC-25 | 325 Hz 共振光束扫描器 |
| RGB 彩色 CCD 相机 | Thorlabs | DCU224C | 明场相机,已停产,但其他相机同样适用 |
| RGB 管镜 | Thorlabs | ITL200 | 白光收集 |
| 直角运动学光学平台 | Thorlabs | OPX2400 | 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 | Thorlabs | KCB1 | 以精确角度固定和调节反射镜 |
| 60 mm 直角运动学反射镜架 | Thorlabs | KCB2 | 以精确角度固定和调节反射镜 |
| SM2,用于 Cerna 调焦平台的 60 mm 笼式臂 | Thorlabs | CSA2100 | 安全安装和定位聚光镜 |
| 60 mm 笼式系统快拆盖,长 24 英寸 | Thorlabs | C60L24 | 封闭并保护笼内组件 |
| 十二烷基硫酸钠 | Thermo Fischer Scientific | J63394.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 | Thorlabs | MCM3001 | 控制 ZFM2020 |
| 管镜 | Thorlabs | LA1380-AB - N-BK7 | SFG 信号收集 |
| 可见光 LED 套件 | Thorlabs | WFA1010 | 为成像系统提供照明 |
| 白光光源 | Thorlabs | WFA1010 | 用于明场成像的白光照明光源 |
| WPH05M-1030 - Ø1/2" 零级半波片,Ø1" 安装架,1030 nm | Thorlabs | WPH05M-1030 | 改变通过其的光的偏振态 |
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| XT95 4 英寸导轨载具 | Thorlabs | XT95RC4 | 安装和定位光学元件 |
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| XY(1/2") 线性平移器,中心带 SM1 通孔 | Thorlabs | XYT1 | 提供二维方向上的精确定位与移动 |
| 掺镱固体激光器 | Light Conversion | CB3-40W | 种子激光器 |
| β-环糊精 | Thermo Fischer Scientific | J63161.22 | 自组装组分 |
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