Imágenes químicas hiperespectrales no lineales multimodales mediante microscopía de generación de suma de frecuencia vibracional de barrido lineal

Resumen

Se desarrolló un marco de imágenes hiperespectrales rápidas y multimodales para obtener imágenes de generación de suma de frecuencia vibracional (VSFG) de banda ancha, junto con modalidades de imágenes de generación de segundos armónicos (SHG) de campo claro. Debido a que la frecuencia infrarroja es resonante con las vibraciones moleculares, se revela el conocimiento microscópico estructural y de la morfología mesoscópica de las muestras permitidas por simetría.

Resumen

La generación vibracional de suma de frecuencia (VSFG), una señal óptica no lineal de segundo orden, se ha utilizado tradicionalmente para estudiar moléculas en interfaces como una técnica de espectroscopia con una resolución espacial de ~100 μm. Sin embargo, la espectroscopia no es sensible a la heterogeneidad de una muestra. Para estudiar muestras mesoscópicamente heterogéneas, nosotros, junto con otros, empujamos el límite de resolución de la espectroscopia VSFG hasta un nivel de ~1 μm y construimos el microscopio VSFG. Esta técnica de imagen no solo puede resolver las morfologías de las muestras a través de imágenes, sino que también registra un espectro VSFG de banda ancha en cada píxel de las imágenes. Al ser una técnica óptica no lineal de segundo orden, su regla de selección permite la visualización de estructuras autoensambladas no centrosimétricas o quirales que se encuentran comúnmente en biología, ciencia de materiales y bioingeniería, entre otras. En este artículo, se guiará a la audiencia a través de un diseño de transmisión invertida que permite obtener imágenes de muestras no fijadas. Este trabajo también muestra que la microscopía VSFG puede resolver información geométrica química específica de láminas autoensambladas individuales combinándola con un solucionador de funciones de red neuronal. Por último, las imágenes obtenidas bajo configuraciones de campo claro, SHG y VSFG de varias muestras discuten brevemente la información única revelada por las imágenes VSFG.

Introducción

La generación vibracional de suma de frecuencia (VSFG), una técnica óptica no lineal de segundo orden^1,2, se ha utilizado ampliamente como herramienta de espectroscopia para perfilar químicamente muestras con simetría permitida 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13<....

Protocolo

1. Microscopio VSFG de barrido de línea hiperespectral

1. Sistema láser
   1. Utilice un sistema de láser pulsado (consulte la tabla de materiales) centrado a 1025 nm ± 5 nm. El láser está configurado a 40 W, 200 kHz (200 μJ / pulso) con un ancho de pulso de ~ 290 fs.
      NOTA: La tasa de repetición exacta puede variar, y un láser de alta tasa de repetición generalmente funciona mejor para este microscopio VSFG.
   2. Guíe la salida del láser de semillas en un amplificador paramétrico óptico (OPA) comercial para generar un haz de infrarrojo medio (MIR) (consulte la tabla de materiales). Ajuste el MIR a la frecuencia de int....

Resultados

Figura 5: Estructura molecular, morfología y orientación potencial del SDS@β-CD. (A) Vista superior y (B) vista lateral de la estructura química del SDS@β-CD. (C) Distribución muestral heterogénea representativa de las láminas de mesoescala en el plano muestral. La subunidad molecular podría tener d.......

Discusión

Los pasos más críticos son de 1,42 a 1,44. Es fundamental alinear bien la lente del objetivo para obtener una resolución espacial óptica. También es importante recoger la señal emitida, retransmitir y proyectar el haz de escaneo como una línea en las rendijas de entrada. Las alineaciones adecuadas garantizarían la mejor resolución y la mejor relación señal-ruido. Para una muestra típica, como hojas de SDS@2 β-CD de 100 μm por 100 μm, una imagen de buena resolución (~1 μm de resolución) con una alta relación señal-ruido t.......

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
1x Cámara Por	Thorlabs	WFA4100	conectar una cámara a un microscopio o sistema óptico
Espejo de prisma de ángulo recto de 25,0 mm, oro protegido	Thorlabs	MRA25-M01	refleja la luz y produce retrorreflexión, redirigiendo la luz a lo largo de su trayectoria original
3" Soporte de poste universal-paquete de 5	postes de sujeción y soporte Thorlabs	UPH3-P5	de varios tamaños y configuraciones Placa de jaula de
30 mm a 60 mm, 4 mm de espesor	Thorlabs	LCP4S	se convierte entre un sistema de jaula de 30 mm y un sistema de jaula de 60 mm
Cuerpo Cerna de 500 mm de altura con brazo Epi Thorlabs		CEA1500	proporcionar la función de permitir técnicas de iluminación superiores en microscopía
60 mm montado en jaula y oslash; Iris de 50,0 mm	Thorlabs	LCP50S	controla la cantidad de luz que pasa a través de un sistema óptico Soporte de montaje de
jaula de 60 mm	Thorlabs	LCP01B	monta y coloca un sistema de jaula de 60 mm en configuraciones ópticas
Espaciado por aire Etalon	SLS Optics Ltd.	Generación personalizada	de luz de banda estrecha de 1030 nm
Soporte de montaje de placa de jaula	Thorlabs	KCB2	sujete y ajuste los espejos en un ángulo preciso
CCD	Andor Technologies	Newton	CCD 2D para frecuencia y resolución espacial
Amplificador paramétrico óptico colineal	Conversión	de luz Orpheus-One-HP	Generador de luz MID sintonizable
Cloruro de cobre	Thermo Fischer Scientific	A16064.30	Componente de autoensamblaje
Espejo dicroico personalizado	Newport	Customized	refleja o transmite selectivamente la luz en función de su longitud de onda o polarización
Adaptador Ext a M32 Int Thorlabs		SM1A34	proporcionan compatibilidad y facilitan la conexión entre componentes con diferentes tipos de rosca
Objetivo de refracción corregido por infinito Zeiss		420150-9900-000	Objetivo de refracción
corrección de infinito Objetivo Schwarzschild corregido	por infinito Pike Technologies Inc.	891-0007	Objetivo reflectante
Carburo láser	, conversión de luz	C18212	Fuente láser
M32x0.75 Externa a RMS interna	Thorlabs	M32RMSS	adaptar o convertir el tamaño de rosca o el tipo de objetivos del microscopio
M32x0.75 Externo a M27x0.75 Grabado interno	Thorlabs M32M27S		adaptar o convertir el tamaño de rosca o el tipo de objetivos del microscopio
Módulo de enfoque de condensador manual de altura media	Thorlabs	ZFM1030	ajustar el enfoque de un elemento óptico
Monocromador	Andor Technologies	Shamrock 500i	Proporciona resolución de frecuencia para cada escaneo lineal
Módulo motorizado con recorrido de 1" para brazos montados en el borde	Thorlabs	ZFM2020	controlar la posición vertical del objetivo de imagen
Nanoposicionador	Mad Laboratorios de la ciudad Inc.	Etapa de muestra 3D	MMP3
Escáner resonante	EOPC	SC-25	Escáner de haz resonante de 325 Hz
Cámara CCD en color RGB Cámara de	Thorlabs	DCU224C	descontinuada pero otras cámaras funcionarán igual de bien
Lente de tubo RGB	Thorlabs	ITL200	colección de luz blanca
Tablero de pruebas cinemático de ángulo recto	Thorlabs OPX2400		Incorporan un mecanismo deslizante con dos posiciones fijas
Montaje de espejo cinemático en ángulo recto, 30 mm	Thorlabs	KCB1	sujeta y ajusta los espejos en un ángulo preciso
Montaje de espejo cinemático en ángulo recto, 60 mm	Thorlabs	KCB2	sujeta y ajusta los espejos en un ángulo preciso
SM2, brazo de jaula de 60 mm para la etapa de enfoque Cerna	Thorlabs	CSA2100	montar y posicionar condensadores
de forma seguraCubierta de jaula a presión para jaula de 60 mm, 24 pulgadas de largo,	Thorlabs	C60L24	encierra y protege los componentes dentro de la jaula
Dodecil sulfato de sodio	Thermo Fischer Scientific	J63394. AK	Componente de automontaje
Controlador de tres canales y caja de perillas para etapas de recorrido Cerna de 1"	Thorlabs	ZFM2020	de control MCM3001
Lente de tubo	Thorlabs	LA1380-AB - N-BK7	Colección de señales SFG
Conjunto de LED visibles	Thorlabs	WFA1010	proporcionar iluminación en la configuración de imágenes
Fuente de luz blanca	Thorlabs WFA1010		Fuente de iluminación de luz blanca para imágenes de campo claro
WPH05M-1030 - Ø Placa de media onda de orden cero de 1/2", ø Montaje de 1", 1030 nm	Thorlabs	WPH05M-1030	altera el estado de polarización de la luz que pasa a través de él
WPLQ05M-3500 - Ø Placa de cuarto de onda de bajo orden montada de 1/2", 3.5 y micro; m	Thorlabs	WPLQ05M-3500	altera el estado de polarización de la luz que pasa a través de él
Etapas deslizantes de contacto extendido de acero de largo recorrido del eje X Etapas de	Optosigma	TSD-65122CUU	que ofrecen un recorrido extendido en la dirección horizontal (X)
Portador de riel XT95 de 4 pulgadas	Thorlabs	XT95RC4	montar y posicionar componentes ópticos
Eje X-Y Etapa de traslación con rotación	de 360 gradosThorlabs	XYR1	movimiento y posicionamiento precisos de objetos en dos dimensiones, junto con la capacidad de rotar la plataforma
XY(1/2") Traductor lineal con orificio pasante central SM1	Thorlabs	XYT1	proporciona movimiento y posicionamiento precisos en dos dimensiones
Conversión de luz láser de estado sólido dopada con Yb	CB3-40W	Láser de semillas
β-Ciclodextrina	Thermo Fischer Scientific	J63161.22	Componente de automontaje