מאמר שיטה

הדמיה כימית היפרספקטרלית מולטימודאלית לא ליניארית באמצעות מיקרוסקופ יצירת סכום תדר רטט בסריקת קווים

DOI:

10.3791/65388

⸱

1 בדצמבר 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

במאמר זה

סיכום

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

מסגרת הדמיה היפרספקטרלית מהירה ורב-מודאלית פותחה כדי לקבל תמונות בפס רחב של יצירת סכום תדר רטט (VSFG), יחד עם שיטות הדמיה של שדה בהיר, דור הרמוני שני (SHG). בשל היותו של תדר האינפרא אדום מהדהד עם תנודות מולקולריות, מתגלה ידע מבני מיקרוסקופי ומורפולוגיה מזוסקופית על דגימות המותרות לסימטריה.

תקציר

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

יצירת סכום תדר רטט (VSFG), אות אופטי לא ליניארי מסדר שני, שימש באופן מסורתי לחקר מולקולות בממשקים כטכניקת ספקטרוסקופיה ברזולוציה מרחבית של ~100 מיקרומטר. עם זאת, הספקטרוסקופיה אינה רגישה להטרוגניות של דגימה. כדי לחקור דגימות הטרוגניות מבחינה מזוסקופית, דחפנו יחד עם אחרים את גבול הרזולוציה של ספקטרוסקופיית VSFG לרמה של ~1 מיקרומטר ובנינו את המיקרוסקופ VSFG. טכניקת הדמיה זו יכולה לא רק לפתור מורפולוגיות דגימה באמצעות הדמיה, אלא גם להקליט ספקטרום VSFG בפס רחב בכל פיקסל של התמונות. בהיותה טכניקה אופטית לא ליניארית מסדר שני, כלל הבחירה שלה מאפשר הדמיה של מבנים לא צנטרוסימטריים או כיראליים בהרכבה עצמית הנפוצים בביולוגיה, מדעי החומרים וביו-הנדסה, בין היתר. במאמר זה, הקהל יונחה באמצעות עיצוב שידור הפוך המאפשר הדמיה של דגימות לא קבועות. עבודה זו גם מראה כי מיקרוסקופ VSFG יכול לפתור מידע גיאומטרי ספציפי לכימיקלים של יריעות בודדות בהרכבה עצמית על ידי שילובו עם פותר פונקציות רשת עצבית. לבסוף, התמונות המתקבלות תחת תצורות brightfield, SHG ו- VSFG של דגימות שונות דנות בקצרה במידע הייחודי שנחשף על ידי הדמיה VSFG.

מבוא

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

יצירת סכום תדר רטט (VSFG), טכניקה אופטית לא ליניארית מסדר שני1,2, שימשה באופן נרחב ככלי ספקטרוסקופיה לפרופיל כימי של דגימות מותרות לסימטריה 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13, 14,15,16,17,18,19,20,21,22. באופן מסורתי, VSFG יושם על מערכות בין-פנים 8,9,10,11 (כלומר, גז-נוזל, נוזל-נוזל, גז-מוצק, מוצק-מוצק), אשר חסרות סימטריה היפוך - דרישה לפעילות VSFG. יישום זה של VSFG סיפק שפע של פרטים מולקולריים של ממשקים קבורים 12,13, תצורות של מולקולות מים בממשקים 14,15,16,17,18, ומינים כימיים בממשקים 19,20,21,22.

למרות ש-VSFG היה רב עוצמה בקביעת מינים מולקולריים ותצורות בממשקים, הפוטנציאל שלו במדידת מבנים מולקולריים של חומרים חסרי מרכזי היפוך לא מומש. הסיבה לכך היא שהחומרים יכולים להיות הטרוגניים בסביבתם הכימית, בהרכביהם ובסידור הגיאומטרי שלהם, ולספקטרומטר VSFG מסורתי יש שטח הארה גדול בסדר גודל של 100 מיקרומטר2. לפיכך, ספקטרוסקופיית VSFG מסורתית מדווחת על מידע ממוצע של הדגימה על פני שטח תאורה טיפוסי של 100 מיקרומטר2. ממוצע אנסמבל זה עלול להוביל לביטולי אותות בין תחומים מסודרים היטב עם אוריינטציות הפוכות ואפיון שגוי של הטרוגניות מקומיות 15,20,23,24.

עם התקדמות בצמצם מספרי גבוה (NA), מטרות מיקרוסקופ מבוססות רפלקטיביות (גאומטריות שוורצשילד וקסגריין), שהן כמעט נטולות סטיות כרומטיות, ניתן להקטין את גודל המיקוד של שתי האלומות בניסויי VSFG מ-100 מיקרון 2 ל-1-2 מיקרון2 ובמקרים מסוימים תת-מיקרון25. כולל התקדמות טכנולוגית זו, הקבוצה שלנו ואחרים פיתחו VSFG לפלטפורמת מיקרוסקופיה 20,23,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36. לאחרונה, יישמנו פריסה אופטית הפוכה וערכת זיהוי פס רחב37, המאפשרת איסוף חלק של תמונות רב-מודאליות (VSFG, דור הרמוני שני (SHG) ואופטיקה בהירה). ההדמיה הרב-מודאלית מאפשרת בדיקה מהירה של דגימות באמצעות הדמיה אופטית, התאמה בין סוגים שונים של תמונות ואיתור מיקומי אותות על גבי תמונות הדגימה. עם אופטיקת ההארה האכרומטית והבחירה במקור הארה לייזר פועם, פלטפורמה אופטית זו מאפשרת שילוב חלק בעתיד של טכניקות נוספות כגון מיקרוסקופ פלואורסצנטי38 ומיקרוסקופ ראמאן, בין היתר.

בסידור חדש זה נחקרו דגימות כגון ארגונים היררכיים ומחלקה של הרכבות עצמיות מולקולריות (MSAs). חומרים אלה כוללים קולגן וביומימטיקה, כאשר הן ההרכב הכימי והן הארגון הגיאומטרי חשובים לתפקוד הסופי של החומר. מכיוון ש-VSFG הוא אות אופטי לא ליניארי מסדר שני, הוא רגיש במיוחד לסידורים בין-מולקולריים39,40, כגון מרחק בין-מולקולרי או זוויות פיתול, מה שהופך אותו לכלי אידיאלי לחשיפת הרכבים כימיים וסידורים מולקולריים. עבודה זו מתארת את אופני VSFG, SHG ושדה בהיר של מכשיר הליבה המורכב מלייזר מצב מוצק מסומם בחלל ytterbium השואב מגבר פרמטרי אופטי (OPA), מיקרוסקופ הפוך רב-מודאלי שנבנה בבית ומנתח תדרים מונוכרומטור המחובר לגלאי מכשיר מצומד טעון דו-ממדי (CCD)27. נהלי בנייה ויישור שלב אחר שלב, ורשימת חלקים מלאה של ההתקנה, מסופקים. ניתוח מעמיק של MSA, שתת-היחידה המולקולרית הבסיסית שלו מורכבת ממולקולה אחת של נתרן-דודציל סולפט (SDS), חומר פעיל שטח נפוץ, ושתי מולקולות של β-ציקלודקסטרין (β-CD), הידועות בשם SDS@2 β-CD כאן, מובאות גם הן כדוגמה כדי להראות כיצד VSFG יכול לחשוף פרטים גיאומטריים ספציפיים למולקולה של חומר מאורגן. כמו כן, הוכח כי ניתן לקבוע פרטים גיאומטריים ספציפיים לכימיקלים של MSA באמצעות גישת פותר פונקציות רשת עצבית.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

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

1. מיקרוסקופ VSFG היפרספקטרלי לסריקת קווים

  1. מערכת לייזר
    1. השתמש במערכת לייזר פועם (ראה טבלת חומרים) שמרכזה 1025 ננומטר ± 5 ננומטר. הלייזר מוגדר על 40 W, 200 kHz (200 μJ / pulse) עם רוחב פולס של ~ 290 fs.
      הערה: קצב החזרה המדויק יכול להשתנות, ולייזר בקצב חזרה גבוה בדרך כלל עובד טוב יותר עבור מיקרוסקופ VSFG זה.
    2. להנחות את הפלט של לייזר הזרעים לתוך מגבר פרמטרי אופטי מסחרי (OPA) כדי ליצור קרן אינפרא אדום בינונית (MIR) (ראה טבלה של חומרים). כוונן את ה-MIR לתדירות תחומי העניין (איור 1A).
      הערה: במחקר הנוכחי, ה-MIR מרוכז ב-3450 ננומטר ±-85 ננומטר (~2900 ± 72 ס"מ-1) עם משך פולס של ~290 fs ואנרגיית פולס של ~6 μJ, המקיפה חלק מאזור הקבוצה הפונקציונלית -CHx .
  2. קרן המרה משודרגת
    1. העבירו את הקרן השיורית של 1025 ננומטר מ-OPA דרך אטלון פברי-פרוט (ראו טבלת חומרים) כדי לייצר קרן המרה מצומצמת ספקטרלית עם FWHM של ~4.75 ס"מ-1.
    2. סנן מרחבית את הקרן הצרה של 1025 ננומטר עם חור סיכה ספיר של 8 מיקרומטר.
      הערה: ניתן להמחיש את קרן 1025 ננומטר באמצעות כרטיס NIR.
    3. שלוט בקיטוב של פולס 1025 ננומטר באמצעות לוח גל λ/2 (ראה טבלת חומרים).
  3. קרן MIR
    1. להנחות את קרן MIR דרך שלב השהיה לשליטה עדינה בחפיפה הטמפורלית.
    2. שלוט בקיטוב של MIR באמצעות לוח גל λ/2.
  4. מיקרוסקופ VSFG
    1. חפיפה מרחבית הן של ההמרה והן של קרני MIR במראה דיכרואית מותאמת אישית (DM, איור 1B) שהיא טרנסמיסיבית ל-MIR ומשקפת ל-NIR (ראו טבלת חומרים). השתמש בשתי קשתית כדי לכוון את היישור: אחת מיד אחרי ה- DM, ואחת בקצה הרחוק. השתמש במד חשמל אחרי הקשתית כדי לקבוע אם MIR ממורכז, והשתמש בכרטיס NIR כדי לאתר מיקומי NIR.
      הערה: לאחר החפיפה, ניתן להשתמש בקרן NIR כדי להנחות את שתי הקורות.
    2. כוונו את האלומות החופפות למיקרוסקופ הפוך באמצעות סורק קרן תהודה חד-צירי משולב של 325 הרץ (המורכב על סורק משולב בעל שני מיקומים (I2PS), איור 1B) (ראו טבלת חומרים).
      הערה: סורק התהודה מקרין קו של שתי אלומות חופפות על הצמצם האחורי של מטרת המעבה. הוא מותקן על מחוון המאפשר הגדרה מחדש חלקה בין מודולי VSFG/SHG ושדה בהיר.
    3. מקדו את שתי האלומות החופפות מרחבית אל הדגימה עם מטרת שוורצשילד רפלקטיבית בלבד (SO, איור 1B,D) (ראו טבלת חומרים).
    4. אספו את אות ה-VSFG שנוצר על-ידי הדגימה עם מטרת שבירה מתוקנת אינסוף (RO, איור 1B,D) (ראו טבלת חומרים).
    5. הנח את אות VSFG הפלט המשולב דרך מקטב ליניארי ולאחר מכן דרך מערכת עדשות צינור טלצנטרית המורכבת משתי עדשות מוקד f = 60 מ"מ (TL1 ו- TL2, איור 1B,C) (ראה טבלת חומרים).
      הערה: התמונה המוגדלת מעדשות הצינור נוצרת בחריץ הכניסה של המונוכרומטור (MC, איור 1B,C), והנתונים המפוענחים מרחבית/תדר מזוהים בגלאי CCD דו-ממדי (CCD, איור 1B).
  5. מצב SHG
    1. כדי לעבור להדמיית SHG, חסום את קרן האינפרא-אדום וסובב את הסורג של הספקטרוגרף ל-501.5 ננומטר כדי לצלם את אות ה-SHG.
  6. מצב Brightfield
    1. כדי לעבור להדמיה אופטית של שדה בהיר, הפעל את מקור האור הלבן (ראה רשימת חומרים). הזיזו את המחוון המשולב (I2PS, איור 1B) כדי לאסוף תמונות בשדה בהיר בכיוון ההתפשטות הנגדית, כאשר מטרת ההדמיה (RO) משמשת כמעבה ומטרת המעבה (SO) משמשת כמטרת ההדמיה.
    2. צור תמונה של הפלט המשולב של מטרת השבירה במישור החיישן של מצלמת שדה בהיר RGB באמצעות מערכת עדשת צינור זמינה מסחרית (ראה טבלת חומרים).

figure-protocol-1
איור 1: מיקרוסקופ VSFG היפרספקטרלי רב-מודאלי. (א) תצוגה עליונה של הגדרת הליבה. לייזר משאבה של 1025 ננומטר נשלח ל- OPA כדי ליצור פולס אמצע IR מתכוונן. שארית 1025 ננומטר צומצמה לעתים קרובות על ידי אטלון (E) וסוננה מרחבית לקרן גאוס על ידי מסנן מרחבי (SFG). אלומות אמצע IR ו- 1025 ננומטר חופפות מרחבית במראה דיכרואית מותאמת אישית (DM) ומונחות דרך המיקרוסקופ ההפוך (אזור קופסה ב- A). (B) שתי האלומות נשלחות לסורק קרן תהודה של 325 הרץ המורכב על מחוון משולב בעל 2 מצבים (I2PS), המאפשר מעבר חלק בין שדה בהיר לאופטיקה לא ליניארית. פלטפורמת המיקרוסקופ מצוידת במטרת שוורצשילד מתוקנת אינסוף (SO) מבוססת רפלקטיבי הפועלת כמעבה ומטרת הדמיה מתוקנת אינסוף מבוססת שבירה (RO) המורכבת לשלב ציר z של ננו-מיקום אנכי (VNP). ה- SO ממקד את קו האלומות הנכנסות שסורק קרן התהודה מחזיר על הדגימה בעוד RO אוסף את קטע קו VSFG של אותות. חשוב לשלוט בעדינות במיקום ציר z של RO בדיוק של 1 מיקרומטר כדי להבטיח שהדגימה נמצאת במצב המוקד הטוב ביותר להדמיה באיכות גבוהה. הקו המשולב של אות VSFG מופנה למערכת עדשות צינור המורכבת משתי עדשות אמבט (TL1 ו- TL2), ויוצר תמונה מוגדלת בחריץ הכניסה של המונוכרומטור (MC). לאחר מכן, קו הספקטרום המזוהה עם תדר מצולם באופן היפרספקטרלי במכשיר מצומד מטען (CCD). לאחר איסוף כל קו היפרספקטרלי, הדגימה נסרקת בציר המאונך לציר סריקת קרן התהודה באמצעות NP. כדי לאסוף תמונות שדה בהירות של הדגימה, I2PS מועבר למצב שדה בהיר, ומראה המיירטת את מקור האור הלבן (WLS) מותקנת. לאחר מכן האור ממוקד על ידי RO ומצולם על ידי SO. לאחר מכן נוצרת תמונה במישור החיישן של מצלמת שדה הבהיר (BC) בחלק העליון של המיקרוסקופ ההפוך. (C) תצוגה מפורטת של הנתיב האופטי דרך אזור עדשת הצינור לתוך MC ו-CCD. (D) תצוגה מפורטת של אזור הדגימה בין SO ו-RO. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

2. יישור מיקרוסקופ היפרספקטרלי וכיול מרחבי של ציר CCD אנכי

  1. מטב באופן גס את מיקום מישור הדגימה (ננו מיקום ציר z) באמצעות דגימה סטנדרטית של תבנית ZnO (בעובי 1 מיקרומטר) המצופה 15 מ"מ x 15 מ"מ x 0.170 מ"מ ± 0.005 מ"מ והבא אותו למיקוד שדה בהיר באמצעות מודאליות ההדמיה של שדה בהיר.
    הערה: ייתכן שיהיה צורך לכוונן את מיקום ה-z של ה-RO, כמו גם את היישור של האור הלבן, לפי הצורך. תמונה מייצגת של ה-ZnO על תבנית הזכוכית המשמשת לכיול היישור מוצגת באיור 2.
  2. החזירו את ה-I2PS לזרוע ההארה הלא ליניארית ומטבו את גובה הדגימה לקבלת עוצמת VSFG המרבית ללא תהודה הנוצרת על ידי אזורי ZnO שנצפו במצלמת CCD.
    הערה: יש לכוונן את מיקום z של RO לעוצמה מרבית. ייתכן שיהיה צורך לחזור על שלבים 2.1 ו -2.2 כמה פעמים לפני הגובה האופטימלי של הדגימה, RO מגיעים.
  3. הפעל את סורק קרן התהודה ואסוף שורה מהתמונות.
  4. אסוף תמונות בעוצמה שאינה תהודה על-ידי סריקת הדגימה בניצב לכיוון סורק הקרן. צלמו פרוסות אנכיות מנתוני התמונה וקבעו את יחס הפיקסלים:מיקרון. (עיין באיור 3 ובמקרא שלו).
    הערה: הנגזרת של קטעי קו אלה מנותחת כדי להפיק את יחס הפיקסלים:מיקרון של ציר CCD אנכי שישמש לתמונות עתידיות.

figure-protocol-2
איור 2: איכות תמונה מייצגת ליישור גס של מודאליות הדמיה של שדה בהיר של תבנית ZnO. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-protocol-3
איור 3: זרימת עבודה של כיול ציר אנכי. איור זה מדגים כיצד להמיר את הפיקסלים של CCD לממדים מרחביים אנכיים ביחידה של מיקרומטר. (A) תמונה נאספת ומשוחזרת של תלוש הכיסוי בדוגמת ZnO. לאחר מכן, מרחק הפיקסלים מקצוות אחד לשני קצוות דוגמת המילוי (פס אנכי קטן ב - A). מכיוון שצלב תבנית ZnO מתוכנן להיות ברוחב של 25 מיקרומטר, ניתן להשתמש כאן ביחס בין רוחב פיזי לרוחב פיקסלים כדי לחשב את יחס הממד הפיזי/פיקסלי. תמונה ייצוגית מכויילת של ציר אנכי מוצגת ב- (B). (C) לבסוף, פרוסה אנכית נלקחת כפי שמצוין על ידי הקו האדום. (D) הנגזרת של הפרוסה האנכית נלקחת כדי לקבל את הרזולוציה המרחבית. הנגזרת של הפרוסה האנכית משמשת לקבלת הרזולוציה המרחבית. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

3. איסוף נתונים היפרספקטרלי

  1. אספו את הספקטרום של קו אנכי של אותות VSFG ב-CCD, שהספקטרום שלו מפוזר לאורך הציר האופקי ומיקומים מרחביים נרשמים על הציר האנכי של ה-CCD.
    הערה: התוצאה היא ערכת נתונים דו-ממדית עבור מקטע של שורה אחת.
  2. לאחר שמקטע הקו של הדגימה מצולם באופן היפרספקטרלי, סרוק את הדגימה בציר המאונך לציר סריקת הקו באמצעות ננו-מיקום תלת-ממדי (NP, איור 1).
    הערה: מיקום הננו התלת-ממדי חשוב לדיוק גבוה וליכולת שחזור באיתור אזורי דגימה (מישור x-y) וכן בהבאת הדגימה למיקוד (ציר z).
  3. בצע איטראציה בין שלב 3.1 לשלב 3.2 כדי לאסוף תמונה היפרספקטרלית של VSFG.

4. ניתוח נתונים היפרספקטרלי

  1. בטל באופן ספקטרלי את ערבוב הנתונים באמצעות זרימת העבודה של ספריית ההדמיה ההיפרספקטרלית של MatLab41.
    הערה: ערבוב ספקטרלי מתאם מיקומים מרחביים לספקטרום ייחודי. קוד Matlab לניתוח נתונים היפרספקטרליים מסופק בקובץ משלים 1.
    1. צור היפר-קובייה 4-ממדית (x = מרחבית, y = מרחבית, z = עוצמה תלוית תדר, ω = תדר) באמצעות פונקציית ההיפר-קוביה בארגז הכלים לעיבוד תמונה Matlab ספריית הדמיה היפרספקטרלית41.
    2. זהה את מספר הספקטרום הייחודי באמצעות הפונקציה countEndmembersHFC עם הסתברות לערך אזעקת שווא (PFA) של 10-7.
    3. זהה ספקטרום ייחודי באמצעות פונקציית הערבוב הספקטרלית של nfindr .
    4. לבסוף, באמצעות הפונקציה sid , שייך כל פיקסל לאחד מהספקטרום הייחודי שזוהה בשלב הקודם.
      הערה: ניתן לבצע שיטות נוספות של פירוק ערבוב והתאמה ספקטרליות עם פונקציות/אלגוריתמים חלופיים המוצעים בספריית ההדמיה ההיפרספקטרליתMatLab 41.
  2. התאם את סכום הנתונים עבור כל גיליון מבודד לפונקציה Voigt42 (קובץ משלים 1).
    הערה: הפונקציה לורנציאנית מייצגת את גבול צורת הקו ההומוגני הטהור, בעוד שפונקציית גאוס מקורה בגבולות לא הומוגניים. במציאות, המערכות יכולות להיות בשילוב של גבולות הומוגניים ולא הומוגניים, מה שדורש פונקציית Voigt - פרקטיקה נפוצה עבור ספקטרוסקופיית פאזה מעובה, כולל VSFG.

5. ניתוח גיאומטרי של המדגם

  1. קבע את הגיאומטריה של הדגימות בהתאם להליך שהוזכר בשלב 5.2-5.3. במחקר זה, SDS@2 β-CD משמש כדוגמה. לגזור את יסודות הטנזור המותרים לסימטריה של χ(2) בהתבסס על הסימטריה C7 של תת-היחידה המולקולרית של דגימת יריעות המזו-CD SDS@2 β-CD.
    הערה: הסימטריה המותרת χ(2) תלויה בסימטריה. כדי לחשב את הרגישות הלא-ליניארית המותרת של סימטריה כלשהי, עיין בהפניה43.
  2. החל את סיבוב אוילר27 כדי לקשר את מדידות מסגרת המעבדה למסגרת המולקולרית.
    הערה: במקרה של SDS@2 β-CD, הסימטריה C7 שלו מובילה לשמונה משוואות בלתי תלויות המקשרות בין 8 יציאות (מסגרת מעבדה χ(2)) ל-8 כניסות (6 היפרפולריזציה בלתי תלויה β(2), ושתי זוויות: Θ, זווית ההטיה ביחס למישור הדגימה של כל היריעונות, ו-φ, הסיבוב במישור של היריעה (איור 4)). שתי יריעות משמשות לחילוץ היישור המולקולרי המשותף של שתי היריעות. ניתן לחלץ את היחסים בין φ1 φ2 (זווית הסיבוב במישור של שני היריעונות) מתמונות שדה בהיר. בדוגמה הנוכחית, φ2 = φ1 + 60°. ההנחה היא שכל אריח היחידה המולקולרית באותה זווית, ולכן Θ1 = Θ2. התוצאה היא 11 נעלמים (9 בלתי תלויים, כולל 6 היפרפולריזביליות בלתי תלויה β(2), Θ 1 ו-φ1, ויחס הכיסוי היחסי בין היריעות N, לבין שתי הזוויות התלויות, שהן φ 2 ו-Θ2) עבור 16 ידועים (8 קיטוב מסגרת מעבדה לגיליון, ושני גיליונות).
  3. קשר את מסגרת המעבדה שנפתרה בקיטוב χ(2) ואת ההיפרפולריזביליות של המסגרת המולקולרית β(2) עם פותר פונקציות רשת עצבית.
    הערה: סיכום מפורט של גישה זו ניתן למצוא בהפניה27.
    1. צור מודל רשת עצבית שכבתית בפייתון44באמצעות Keras המורכב ממבנה צומת 200-100-50 ופונקציית הפעלה משיקה היפרבולית.
    2. צור מטריצה אקראית של 100000 x 11 של ערכים של β(2), Θ 1, Θ 2, φ1, φ 2 ו- N. חשב את מסגרת המעבדה המתאימה 16 χ(2), באמצעות המשוואה שנקבעה ב- 5.2 על ידי סיבובי אוילר.
    3. השתמש בערכי χ(2) המחושבים (סה"כ 100,000 על 16 ערכים) כקלט, ולמד לחזות 11 ערכים (β(2), Θ 1, Θ 2, φ1, φ 2 ו- N) כאשר מסופק 16 χ(2) ערכים.
    4. לאחר האימון, השתמש בקבוצה נוספת של 1000 ערכים עם הקלט והפלט כדי לבדוק את המודל המאומן. התפוקה החזויה והפלט האמיתי צריכים להראות קשר ליניארי עם שיפוע של 1.
    5. לבסוף, ספקו את χ(2) שנמדד בניסוי משני גיליונות (בכל גיליון נמדדו 8 χ(2), והשתמשו במודל המאומן כדי לחזות את זווית ההטיה Θ, יחד עם תכונות אחרות.

figure-protocol-4
איור 4: איור של טרנספורמציית אוילר. (A) איור של טרנספורמציית אוילר בין קואורדינטות המעבדה (XYZ) רגישות מסדר שני χ(2) לבין הקואורדינטות המולקולריות (xyz) היפרפולריזציה βijk. סיבוב אוילר z-y'-z'' מתבצע על הקואורדינטות המולקולריות, כאשר φ כזווית הסיבוב במישור, θ כזווית ההטיה, ו-ψ כזווית הפיתול. ψ משולב החוצה עבור זוויות פיתול שרירותיות על הציר המולקולרי. φ אינו משולב מכיוון שכל המולקולות מסתובבות לזווית מסוימת ביחס למסגרת המעבדה כדי ליצור את היריעות בהרכבה עצמית. N הוא כיסוי פני השטח היחסי של שתי היריעות. (B) הדמיה של תת-היחידות המוטות היוצרות יריעה שנקבעת על ידי תוצאות הרשת העצבית. נתון זה שונה מ-Wagner et al.27. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

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

figure-results-1
איור 5: מבנה מולקולרי, מורפולוגיה ואוריינטציה פוטנציאלית של SDS@β-CD . (A) מבט מלמעלה ו-(B) מבנה כימי של SDS@β-CD. (C) התפלגות דגימה הטרוגנית מייצגת של יריעות המזוסקאלה במישור המדגם. תת-היחידה המולקולרית יכולה להיות בעלת כיוונים ויישור שונים על המצע, דבר שאינו ידוע. נתון זה שונה מ-Wagner et

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

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

השלבים הקריטיים ביותר הם מ 1.42 ל 1.44. קריטי ליישר היטב את עדשת האובייקט לקבלת רזולוציה אופטית מרחבית. חשוב גם לאסוף את האות הנפלט, להעביר ולהקרין את קרן הסריקה כקו בחריצי הכניסה. יישור נכון יבטיח את הרזולוציה הטובה ביותר ואת יחס האות לרעש. עבור דגימה טיפוסית, כגון גיליונות SDS@2 β-CD בגודל 100 מיקרומטר על 100 מיקרומטר, תמונה ברזולוציה טובה (רזולוציה של ~1 מיקרומטר) עם יחס אות לרעש גבוה תארך 20 דקות. זה כבר מהיר יותר מאשר הגרסה הקודמת של המכשיר24,26. שיפור נוסף ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

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

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

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

פיתוח המכשיר נתמך על ידי Grant NSF CHE-1828666. ZW, JCW ו- WX נתמכים על ידי המכונים הלאומיים לבריאות, המכון הלאומי למדעי הרפואה הכלליים, מענק 1R35GM138092-01. BY נתמך על ידי האגודה לקידום חדשנות נוער, האקדמיה הסינית למדעים (CAS, 2021183).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
1x מצלמה PorThorlabsWFA4100לחבר מצלמה למיקרוסקופ או למערכת אופטית
25.0 מ"מ מראה פריזמה בזווית ישרה, Protected GoldThorlabsMRA25-M01מחזירים אור ומייצרים השתקפות לאחור, ומפנים את האור בחזרה לאורך הנתיב המקורי שלו
3 אינץ' מחזיק עמוד אוניברסלי-5 חבילותThorlabsUPH3-P5עמודי אחיזה ותמיכה בגדלים ותצורות שונות
צלחת כלוב 30 מ"מ עד 60 מ"מ, עובי 4 מ"מThorlabsLCP4Sממירים בין מערכת כלוב 30 מ"מ למערכת כלוב 60 מ"מ
גוף Cerna גבוה 500 מ"מ עם Epi ArmThorlabsCEA1500לספק את הפונקציה של הפעלת טכניקות תאורה עליונות במיקרוסקופיה
60 מ"מ רכוב בכלוב ואוסלאש; 50.0 מ"מ איריסThorlabsLCP50Sשולטים בכמות האור העוברת דרך מערכת אופטית
תושבת הרכבה לכלוב 60 מ"מ תושבתThorlabsLCP01Bומקמה מערכת כלוב 60 מ"מ בהגדרות אופטיות
אוויר EtalonSLS אופטיקה בע"ממותאם אישיתליצור פס צר 1030 ננומטר אור 
תושבת הרכבה לצלחת כלובThorlabsKCB2להחזיק ולהתאים מראות בזווית מדויקת
CCDAndorTechnologies Newton CCD דו-ממדי עבור תדר ורזולוציה מרחבית
מגבר פרמטרי אופטי קולינאריהמרת אורOrpheus-One-HPמחולל אור MID מתכוונן
נחושת כלורידתרמו פישר מדעיA16064.30רכיב הרכבה עצמית
מראה דיכרואית מותאמת אישיתניופורטמותאם אישיתמשקף או מעביר אור באופן סלקטיבי על סמך אורך הגל או הקיטוב שלו
מתאם Ext to M32 IntThorlabsSM1A34מספקים תאימות ומקלים על החיבור בין רכיבים עם סוגי חוטים שונים
Infinity Corrected Refractive ObjectiveZeiss420150-9900-000Refractive Objective
Infinity Corrected Schwarzschild ObjectivePike Technologies Inc.891-0007קרביד אובייקטיבי רפלקטיבי
לייזרC18212המרת אור
M32x0.75 חיצוני למעבדות RMS פנימיותM32RMSSלהתאים או להמיר את גודל ההברגה או סוג מטרות המיקרוסקופ 
M32x0.75 חיצוני ל-M27x0.75 חריטה פנימיתמעבדותM32M27Sלהתאים או להמיר את גודל ההברגה או סוג מטרות המיקרוסקופ 
מודול מיקוד מעבה ידני בגובהבינוני ThorlabsZFM1030 להתאים את המיקוד של אלמנט אופטי
מונוכרומטורAndor TechnologiesShamrock 500iמספק רזולוציית תדר עבור כל סריקת קו
מודול ממונע עם 1 אינץ' נסיעה לזרועות צמודותThorlabsZFM2020לשלוט במיקום האנכי של מטרת ההדמיה
NanopositionerMad סיטי לאבס בע"מMMP3שלב מדגם תלת מימד
סורק תהודהEOPCSC-25325Hz סורק קרן תהודה
RGB צבע CCD מצלמתThorlabsDCU224C מצלמת Brightfield, הופסק אך מצלמות אחרות יעבדו באותה מידה
עדשת צינור RGB ThorlabsITL200אוסף אור לבן
זווית ישרה קינמטי לוח לחםThorlabsOPX2400לשלב מנגנון הזזה עם שני מצבים קבועים
תושבת מראה קינמטית בזווית ישרה, 30 מ"מThorlabsKCB1להחזיק ולהתאים מראות בזווית מדויקת
תושבת מראה קינמטית בזווית ישרה, 60 מ"מThorlabsKCB2להחזיק ולהתאים מראות בזווית מדויקת
SM2, זרוע כלוב 60 מ"מ לשלב מיקודCerna ThorlabsCSA2100הרכבה מאובטחת ומיקום מעבים
הצמד את מכסה הכלוב לכלוב 60 מ"מ, 24 אינץ' ארוך,ThorlabsC60L24סוגרים ומגנים על הרכיבים בתוך הכלוב
נתרן דודציל סולפטThermo FischerScientific J63394. רכיבהרכבה עצמית
בקר תלת-כנלי ותיבת כפתור עבור 1 אינץ' Cerna Travel StagesThorlabsבקרת MCM3001 ZFM2020
עדשת צינורThorlabsLA1380-AB - N-BK7SFG אוסף אותות
גלוי סט ThorlabsWFA1010לספק תאורה בהגדרת הדמיה
מקור אור לבןThorlabsWFA1010מקור תאורת אור לבן להדמיית שדה בהיר
WPH05M-1030 - ו-Oslash; 1/2 אינץ' צלחת חצי גל בסדר אפס, Ø תושבת 1 אינץ', 1030 ננומטר ThorlabsWPH05M-1030משנים את מצב הקיטוב של האור העובר דרכו
WPLQ05M-3500 - Ø 1/2 אינץ' רכוב צלחת רבע גל מסדר נמוך, 3.5 ומיקרו; מ ThorlabsWPLQ05M-3500משנים את מצב הקיטוב של האור העובר דרכו
ציר X פלדה לנסיעה ארוכה שלבי שקופיות מגע מורחביםOptosigmaTSD-65122CUUשלבי מיקום המציעים נסיעה ממושכת בכיוון האופקי (X)
XT95 4in מנשא מסילהThorlabsXT95RC4הרכבה ומיקום של רכיבים אופטיים
תרגום ציר XY עם 360 מעלות. סיבובThorlabsXYR1תנועה ומיקום מדויקים של עצמים בשני מימדים, יחד עם היכולת לסובב את הפלטפורמה
XY (1/2 אינץ') מתרגם ליניארי עם SM1 מרכזי דרך חורThorlabsXYT1מספקים תנועה ומיקום מדויקים בשני מימדים
מסומם Yb מסומם להמרת אורלייזר מצב מוצקCB3-40Wלייזר זרעים
ובטא;-ציקלודקסטריןתרמו פישר ScientificJ63161.22רכיב הרכבה עצמית
מרווח לייזר , מקור קצה AK LED שלב

מקורות

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

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

SHG

מאמרים קשורים