È stato sviluppato un quadro di imaging iperspettrale rapido e multimodale per ottenere immagini di generazione di somma e frequenza vibrazionale a banda larga (VSFG), insieme a modalità di imaging in campo chiaro, generazione di seconda armonica (SHG). A causa della risonanza della frequenza infrarossa con le vibrazioni molecolari, viene rivelata la conoscenza della morfologia strutturale e mesoscopica microscopica dei campioni consentiti dalla simmetria.
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Articolo metodologico
Imaging chimico iperspettrale non lineare multimodale mediante microscopia a scansione lineare con generazione di somma-frequenza vibrazionale
In questo articolo
Sommario
Abstract
La generazione di somma-frequenza vibrazionale (VSFG), un segnale ottico non lineare del secondo ordine, è stata tradizionalmente utilizzata per studiare le molecole alle interfacce come tecnica di spettroscopia con una risoluzione spaziale di ~100 μm. Tuttavia, la spettroscopia non è sensibile all'eterogeneità di un campione. Per studiare campioni mesoscopicamente eterogenei, noi, insieme ad altri, abbiamo spinto il limite di risoluzione della spettroscopia VSFG fino al livello di ~1 μm e abbiamo costruito il microscopio VSFG. Questa tecnica di imaging non solo è in grado di risolvere le morfologie del campione attraverso l'imaging, ma anche di registrare uno spettro VSFG a banda larga in ogni pixel delle immagini. Essendo una tecnica ottica non lineare del secondo ordine, la sua regola di selezione consente la visualizzazione di strutture autoassemblate non centrosimmetriche o chirali che si trovano comunemente in biologia, scienza dei materiali e bioingegneria, tra gli altri. In questo articolo, il pubblico sarà guidato attraverso un design di trasmissione invertita che consente l'imaging di campioni non fissi. Questo lavoro mostra anche che la microscopia VSFG può risolvere informazioni geometriche specifiche per la chimica di singoli fogli autoassemblati combinandola con un risolutore di funzioni di rete neurale. Infine, le immagini ottenute in configurazioni in campo chiaro, SHG e VSFG di vari campioni discutono brevemente le informazioni uniche rivelate dall'imaging VSFG.
Introduzione
La generazione di somma-frequenza vibrazionale (VSFG), una tecnica ottica non lineare del secondo ordine 1,2, è stata ampiamente utilizzata come strumento di spettroscopia per profilare chimicamente campioni simmetriciconsentiti 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13....
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Protocollo
1. Microscopio VSFG a scansione lineare iperspettrale
- Sistema laser
- Utilizzare un sistema laser pulsato (vedi Tabella dei materiali) centrato a 1025 nm ± 5 nm. Il laser è impostato a 40 W, 200 kHz (200 μJ/impulso) con un'ampiezza di impulso di ~290 fs.
NOTA: L'esatta frequenza di ripetizione può variare e un laser ad alta frequenza di ripetizione generalmente funziona meglio per questo microscopio VSFG. - Guidare l'uscita del laser a semina in un amplificatore parametrico ottico (OPA) commerciale per generare un fascio nel medio infrarosso (MIR) (vedere la tabella dei materiali). Regolare il MIR sulla freq....
- Utilizzare un sistema laser pulsato (vedi Tabella dei materiali) centrato a 1025 nm ± 5 nm. Il laser è impostato a 40 W, 200 kHz (200 μJ/impulso) con un'ampiezza di impulso di ~290 fs.
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Risultati
Figura 5: Struttura molecolare, morfologia e orientamento potenziale di SDS@β-CD. (A) Vista dall'alto e (B) vista laterale struttura chimica di SDS@β-CD. (C) Distribuzione rappresentativa del campione eterogeneo dei fogli a mesoscala sul piano del campione. La subunità molecolare potrebbe avere dive.......
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Discussione
I passaggi più critici vanno da 1,42 a 1,44. È fondamentale allineare bene la lente dell'obiettivo per una risoluzione spaziale ottica. È anche importante raccogliere il segnale emesso, il relè e proiettare il raggio di scansione come una linea nelle fessure di ingresso. Allineamenti corretti garantirebbero la migliore risoluzione e il miglior rapporto segnale/rumore. Per un campione tipico, come i fogli SDS@2 β-CD da 100 μm per 100 μm, un'immagine a buona risoluzione (risoluzione ~1 μm) con un elevato rapporto segnale/r.......
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Dichiarazioni
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Ringraziamenti
Lo sviluppo dello strumento è supportato dal Grant NSF CHE-1828666. ZW, JCW e WX sono supportati dal National Institutes of Health, National Institute of General Medical Sciences, Grant 1R35GM138092-01. BY è sostenuto dall'Associazione per la promozione dell'innovazione giovanile, Accademia cinese delle scienze (CAS, 2021183).
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Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| 1x Fotocamera Por | Thorlabs | WFA4100 | collegare una fotocamera a un microscopio o a un sistema ottico |
| Specchio prismatico ad angolo retto da 25,0 mm, oro protetto | Thorlabs | MRA25-M01 | riflette la luce e produce retroriflessione, reindirizzando la luce lungo il suo percorso originale |
| 3" Confezione da 5 supporti universali | Thorlabs | UPH3-P5 | per tenere e sostenere perni di varie dimensioni e configurazioni |
| Piastra a gabbia da 30 mm a 60 mm, spessore 4 mm Thorlabs | LCP4S | converte tra un sistema a gabbia da 30 mm e un sistema a gabbia da 60 mm | |
| Corpo Cerna alto 500 mm con braccio Epi Thorlabs | CEA1500 | fornire la funzione di abilitare le tecniche di illuminazione superiore in microscopia | |
| 60 mm Montaggio su gabbia Ø 50,0 mm Iris | Thorlabs | LCP50S | controlla la quantità di luce che passa attraverso un sistema ottico |
| Staffa di montaggio a gabbia da 60 mm | Thorlabs | LCP01B | Monta e posiziona un sistema a gabbia da 60 mm in configurazioni ottiche |
| Distanziato in aria Etalon | SLS Optics Ltd. | Genera una luce a banda stretta da 1030 nm | su misura |
| Staffa di montaggio su piastra a gabbia | Thorlabs | KCB2 | tiene e regola gli specchi con un'angolazione precisa |
| CCD | Andor Technologies | Newton | CCD 2D per frequenza e risoluzione spaziale |
| Amplificatore ottico parametrico collineare | Conversione della luce | Generatore di luce MID sintonizzabile | Orpheus-One-HP |
| Cloruro di rame Thermo | Fischer Scientific | A16064.30 | Componente di autoassemblaggio |
| Specchio dicroico personalizzato | Newport | Riflette | o trasmette selettivamente la luce in base alla sua lunghezza d'onda o polarizzazione |
| Adattatore da esterno a M32 Int | Thorlabs | SM1A34 | fornisce compatibilità e facilita il collegamento tra componenti con diversi tipi di filettatura |
| Obiettivo rifrangente corretto all'infinito | Zeiss | 420150-9900-000 | Obiettivo rifrattivo |
| Obiettivo Schwarzschild corretto all'infinito | Pike Technologies Inc. | 891-0007 | Obiettivo riflettente |
| in carburo laser, conversione della luce | C18212 | Sorgente laser | |
| M32x0,75 RMS esterno a interno | Thorlabs | M32RMSS | adattare o convertire la dimensione della filettatura o il tipo di obiettivi del microscopio... |
| M32x0,75 Esterno a M27x0,75 Incisione interna | Thorlabs | M32M27S | adattare o convertire la dimensione della filettatura o il tipo di obiettivi del microscopio... |
| Modulo di messa a fuoco manuale a condensatore di media altezza | Thorlabs | ZFM1030 | regolare la messa a fuoco di un elemento ottico |
| Monocromatore | Andor Technologies | Shamrock 500i | Fornisce una risoluzione di frequenza per ogni scansione lineare |
| Modulo motorizzato con corsa di 1" per bracci montati sul bordo | Thorlabs | ZFM2020 | controllare la posizione verticale dell'obiettivo di imaging |
| Nanoposizionatore | Mad Laboratori della città Inc. | Stadio campione 3D | MMP3 |
| Scanner risonante | EOPC | SC-25 | Scanner a fascio risonante 325Hz |
| Telecamera CCD a colori RGB | Thorlabs | DCU224C | Brightfield camera, fuori produzione ma altre fotocamere funzioneranno altrettanto bene |
| Obiettivo tubo RGB | Thorlabs | ITL200 | Raccolta di luce bianca |
| Breadboard cinematica ad angolo retto | Thorlabs | OPX2400 | incorporano un meccanismo scorrevole con due posizioni fisse |
| Supporto per specchio cinematico ad angolo retto, 30 mm | Thorlabs | KCB1 | tiene e regola gli specchi con un'angolazione precisa |
| Supporto per specchio cinematico ad angolo retto, 60 mm | Thorlabs | KCB2 | tiene e regola gli specchi a un'angolazione precisa |
| SM2, braccio a gabbia da 60 mm per tavolino di messa a fuoco | Cerna Thorlabs | CSA2100 | montare e posizionare in modo sicuro i condensatori |
| A scatto Coprigabbia per gabbia da 60 mm, 24 pollici di lunghezza, | Thorlabs | C60L24 | racchiudono e proteggono i componenti all'interno della gabbia |
| Sodio dodecil solfato | Thermo Fischer Scientific | J63394. Componente | di autoassemblaggio |
| Controller a tre canali e scatola di manopole per stadi di viaggio Cerna da 1" | Thorlabs | ZFM2020 di controllo | MCM3001 |
| Lente del tubo | Thorlabs | LA1380-AB - N-BK7 | SFG raccolta del segnale Set |
| di LED visibili | Thorlabs | WFA1010 | fornire illuminazione nella configurazione dell'imaging |
| Sorgente di luce bianca | Thorlabs | WFA1010 | Sorgente di illuminazione a luce bianca per imaging in campo chiaro |
| WPH05M-1030 - Ø Piastra a semionda di ordine zero da 1/2", Ø Montatura da 1", 1030 nm | Thorlabs | WPH05M-1030 | altera lo stato di polarizzazione della luce che lo attraversa |
| WPLQ05M-3500 - Ø Piastra a quarto d'onda di ordine basso montata da 1/2", 3,5 &; m | Thorlabs | WPLQ05M-3500 | altera lo stato di polarizzazione della luce che lo attraversa asse |
| X Stadi di scorrimento a contatto esteso in acciaio a corsa lunga | Optosigma | TSD-65122CUU | Stadi di posizionamento che offrono una corsa estesa in direzione orizzontale (X) |
| XT95 4in Rail Carrier | Thorlabs | XT95RC4 | montare e posizionare i componenti ottici |
| Stadio di traslazione dell'asse XY con rotazione | a 360 gradiThorlabs | XYR1 | movimento e posizionamento precisi di oggetti in due dimensioni, insieme alla capacità di ruotare la piattaforma |
| XY(1/2") Traslatore lineare con foro passante SM1 centrale | Thorlabs | XYT1 | fornisce un movimento e un posizionamento precisi in due dimensioni |
| Conversione della luce laser a stato solido drogato Yb | CB3-40W | Laser per semi | |
| β-ciclodestrina | Thermo Fischer Scientific | J63161.22 | Componente autoassemblante |
Riferimenti
- 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).
- Shen, Y. R. Surface properties probed by second-harmonic and sum-frequency generation. Nature.
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Ristampe e permessi
