Artykuł metodologiczny

Multimodalne nieliniowe hiperspektralne obrazowanie chemiczne przy użyciu mikroskopii generacji drgań i częstotliwości ze skanowaniem liniowym

DOI:

10.3791/65388

⸱

1 grudnia 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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Multimodalny, szybki system obrazowania hiperspektralnego został opracowany w celu uzyskania szerokopasmowych obrazów generowania oscylacyjnej sumy częstotliwości (VSFG), wraz z modalnościami obrazowania jasnego pola i generacji drugiej harmonicznej (SHG). Ze względu na to, że częstotliwość podczerwieni rezonansuje z drganiami molekularnymi, ujawnia się mikroskopijna wiedza o morfologii strukturalnej i mezoskopowej próbek dopuszczonych do symetrii.

Streszczenie

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

Generowanie oscylacyjnej sumy częstotliwości (VSFG), nieliniowy sygnał optyczny drugiego rzędu, jest tradycyjnie używany do badania cząsteczek na granicy faz jako technika spektroskopowa o rozdzielczości przestrzennej ~100 μm. Jednak spektroskopia nie jest czuła na niejednorodność próbki. Aby badać mezoskopowo heterogeniczne próbki, wraz z innymi przesunęliśmy granicę rozdzielczości spektroskopii VSFG do poziomu ~1 μm i skonstruowaliśmy mikroskop VSFG. Ta technika obrazowania może nie tylko określić morfologię próbki poprzez obrazowanie, ale także zarejestrować szerokopasmowe widmo VSFG w każdym pikselu obrazów. Będąc nieliniową techniką optyczną drugiego rzędu, jej reguła wyboru umożliwia wizualizację niecentrosymetrycznych lub chiralnych samoorganizujących się struktur powszechnie spotykanych między innymi w biologii, materiałoznawstwie i bioinżynierii. W tym artykule publiczność zostanie poprowadzona przez konstrukcję odwróconej transmisji, która pozwala na obrazowanie nieustalonych próbek. Praca ta pokazuje również, że mikroskopia VSFG może rozwiązywać specyficzne chemicznie informacje geometryczne poszczególnych samodzielnie składających się arkuszy, łącząc je z solverem funkcji sieci neuronowych. Na koniec, obrazy uzyskane w konfiguracjach jasnego pola, SHG i VSFG różnych próbek pokrótce omawiają unikalne informacje ujawnione przez obrazowanie VSFG.

Wprowadzenie

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

Generowanie drgań o sumie częstotliwości (VSFG), nieliniowa technika optyczna drugiego rzędu1,2, była szeroko stosowana jako narzędzie spektroskopowe do chemicznego profilowania próbek dopuszczonych do symetrii3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19, 20,21,22. Tradycyjnie, VSFG był stosowany do układów międzyfazowych8,9,10,11 (tj. gaz-ciecz, ciecz-ciecz, gaz-ciało stałe, ciało stałe-ciecz), które nie mają symetrii inwersji - wymogu aktywności VSFG. Ta aplikacja VSFG dostarczyła bogactwo szczegółów molekularnych zakopanych interfejsów12,13, konfiguracje cząsteczek wody na interfejsach14,15,16,17,18, oraz związki chemiczne na interfejsach19,20,21,22.

Chociaż VSFG był potężny w określaniu gatunków molekularnych i konfiguracji na stykach, jego potencjał w pomiarze struktur molekularnych materiałów pozbawionych centrów inwersji nie został wykorzystany. Dzieje się tak częściowo dlatego, że materiały mogą być niejednorodne pod względem środowiska chemicznego, składu i układu geometrycznego, a tradycyjny spektrometr VSFG ma duży obszar oświetlenia rzędu 100μm2. W związku z tym tradycyjna spektroskopia VSFG dostarcza uśrednionych zespołowo informacji o próbce w typowym obszarze oświetlenia 100μm2. To uśrednianie zespołów może prowadzić do anulowania sygnałów między dobrze uporządkowanymi domenami o przeciwstawnych orientacjach i błędnej charakterystyki lokalnych heterogeniczności15,20,23,24.

Dzięki postępom w zakresie obiektywów mikroskopowych o wysokiej aperturze numerycznej (NA), opartych na refleksach (geometrie Schwarzschilda i Cassegraina), które są prawie wolne od aberracji chromatycznych, rozmiar ostrości dwóch wiązek w eksperymentach VSFG może zostać zmniejszony ze 100μm2 do 1-2μm2, a w niektórych przypadkach submikron25. Uwzględniając ten postęp technologiczny, nasza grupa i inni rozwinęli VSFG w platformę mikroskopową20,23,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36. Ostatnio wdrożyliśmy odwrócony układ optyczny i schemat wykrywania szerokopasmowego37, który umożliwia bezproblemowe zbieranie obrazów multimodalnych (VSFG, generacja drugiej harmonicznej (SHG) i optyczne jasne pole). Obrazowanie multimodalne umożliwia szybką inspekcję próbek za pomocą obrazowania optycznego, korelację różnych typów obrazów ze sobą i lokalizowanie pozycji sygnałów na obrazach próbek. Dzięki achromatycznej optyce oświetlenia i wyborowi impulsowego źródła oświetlenia laserowego, ta platforma optyczna pozwala na przyszłą bezproblemową integrację dodatkowych technik, takich jak między innymi mikroskopia fluorescencyjna38 i mikroskopia Ramana.

W tym nowym układzie badano próbki takie jak organizacje hierarchiczne i klasa molekularnych samoorganizacji (MSA). Materiały te obejmują kolagen i biomimetykę, w których zarówno skład chemiczny, jak i organizacja geometryczna są ważne dla ostatecznej funkcji materiału. Ponieważ VSFG jest nieliniowym sygnałem optycznym drugiego rzędu, jest szczególnie wrażliwy na układy międzycząsteczkowe39,40, takie jak odległość międzycząsteczkowa lub kąty skrętu, co czyni go idealnym narzędziem do ujawniania zarówno składu chemicznego, jak i układów molekularnych. Niniejsza praca opisuje modalności VSFG, SHG i jasnego pola głównego instrumentu składającego się z lasera na ciele stałego domieszkowanego iterbem, który pompuje optyczny wzmacniacz parametryczny (OPA), domowego multimodalnego mikroskopu odwróconego i monochromatorowego analizatora częstotliwości sprzężonego z dwuwymiarowym detektorem ładowanego urządzenia sprzężonego (CCD)27. Dostępne są procedury budowy i wyrównywania krok po kroku oraz pełna lista części konfiguracji. Dogłębna analiza MSA, której podstawowa podjednostka molekularna składa się z jednej cząsteczki siarczanu sodu i dodecylu (SDS), powszechnego środka powierzchniowo czynnego, oraz dwóch cząsteczek β-cyklodekstryny (β-CD), znanej w niniejszym dokumencie jako SDS@2 β-CD, jest również podana jako przykład, aby pokazać, w jaki sposób VSFG może ujawnić specyficzne dla cząsteczki szczegóły geometryczne zorganizowanej materii. Wykazano również, że specyficzne dla substancji chemicznych szczegóły geometryczne MSA można określić za pomocą podejścia opartego na solverze funkcji sieci neuronowych.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

1. Hiperspektralny mikroskop VSFG ze skanowaniem liniowym

  1. System laserowy
    1. Użyj impulsowego systemu laserowego (patrz tabela materiałów) wyśrodkowanego na 1025 nm ± 5 nm. Laser jest ustawiony na 40 W, 200 kHz (200 μJ/impuls) z szerokością impulsu ~290 fs.
      UWAGA: Dokładna częstotliwość powtarzania może się różnić, a laser o wysokiej częstotliwości powtarzania generalnie działa lepiej w przypadku tego mikroskopu VSFG.
    2. Skieruj sygnał wyjściowy lasera nasiennego do komercyjnego optycznego wzmacniacza parametrycznego (OPA) w celu wygenerowania wiązki średniej podczerwieni (MIR) (patrz Tabela materiałów). Dostosuj MIR do częstotliwości zainteresowań (Rysunek 1A).
      UWAGA: W niniejszym badaniu MIR jest wyśrodkowany na 3450 nm ± 85 nm (~2900 ± 72 cm-1) z czasem trwania impulsu ~290 fs i energią impulsu ~6 μJ, który obejmuje część obszaru grupy funkcyjnej -CHx.
  2. Belka konwersji w górę
    1. Przepuść szczątkową wiązkę 1025 nm z OPA przez ettalon Fabry'ego-Perota (patrz Tabela materiałów), aby uzyskać spektralnie zawężoną wiązkę konwersji w górę o FWHM ~4,75 cm-1.
    2. Przefiltruj przestrzennie zwężoną wiązkę 1025 nm z otworkiem szafirowym 8 μm.
      UWAGA: Wiązkę 1025 nm można wizualizować za pomocą karty NIR.
    3. Kontroluj polaryzację impulsu 1025 nm za pomocą płytki falowej λ/2 (patrz Tabela materiałów).
  3. Belka MIR
    1. Przeprowadź wiązkę MIR przez stopień opóźniający, aby precyzyjnie kontrolować czasowe nakładanie się.
    2. Kontroluj polaryzację MIR za pomocą płytki falowej λ/2.
  4. Mikroskop VSFG
    1. Przestrzennie nakładają się na siebie zarówno wiązki z konwersją w górę, jak i MIR w dostosowanym zwierciadle dichroicznym (DM, Rysunek 1B), które jest przepuszczalne dla MIR i odbijające dla NIR (patrz tabela materiałów). Użyj dwóch tęczówek, aby poprowadzić wyrównanie: jedną zaraz po DM i jedną na drugim końcu. Użyj miernika mocy za przysłoną, aby określić, czy MIR jest wyśrodkowany, i użyj karty NIR, aby zlokalizować pozycje NIR.
      UWAGA: Po nałożeniu się belka NIR może być użyta do prowadzenia obu belek.
    2. Skieruj nakładające się wiązki do odwróconego mikroskopu ze zintegrowanym jednoosiowym skanerem wiązki rezonansowej 325 Hz (zamontowanym na zintegrowanym skanerze dwupozycyjnym (I2PS), Rysunek 1B) (patrz tabela materiałów).
      UWAGA: Skaner rezonansowy rzutuje linię dwóch nakładających się na siebie wiązek na tylny otwór obiektywu kondensatora. Jest zamontowany na suwaku, który umożliwia bezproblemową rekonfigurację między modalnościami VSFG/SHG i jasnym polem.
    3. Skoncentruj dwie przestrzennie nakładające się wiązki na próbkę za pomocą czysto odblaskowego obiektywu Schwarzschilda (SO, Rysunek 1B, D) (patrz tabela materiałów).
    4. Zbierz sygnał VSFG generowany przez próbkę z obiektywem refrakcyjnym z korekcją do nieskończoności (RO, Rysunek 1B, D) (patrz tabela materiałów).
    5. Prowadź skolimowany wyjściowy sygnał VSFG przez polaryzator liniowy, a następnie przez telecentryczny system soczewek tubusowych składający się z dwóch soczewek ogniskowych f = 60 mm (TL1 i TL2, Rysunek 1B, C) (patrz tabela materiałów).
      UWAGA: Powiększony obraz z soczewek lampy jest tworzony w szczelinie wejściowej monochromatora (MC, Rysunek 1B,C), a dane o rozdzielczości przestrzennej/częstotliwościowej są wykrywane na dwuwymiarowym detektorze CCD (CCD, Rysunek 1B).
  5. Tryb SHG
    1. Aby przełączyć się na obrazowanie SHG, zablokuj wiązkę podczerwieni i obróć siatkę spektrografu do 501,5 nm, aby zobrazować sygnał SHG.
  6. Tryb jasnego pola
    1. Aby przełączyć się na obrazowanie optyczne w jasnym polu, włącz źródło światła białego (patrz Tabela materiałów). Przesuń zintegrowany suwak (I2PS, Rysunek 1B), aby zbierać obrazy jasnego pola w kierunku przeciwbieżnym, przy czym obiektyw obrazowania (RO) działa jako kondensor, a obiektyw kondensatora (SO) działa jako obiektyw obrazowania.
    2. Utwórz obraz skolimowanego wyjścia obiektywu refrakcyjnego w płaszczyźnie czujnika kamery w jasnym polu RGB za pomocą dostępnego na rynku systemu tuba-soczewka (patrz Tabela materiałów).

figure-protocol-1
Rysunek 1: Multimodalny mikroskop hiperspektralny VSFG. oraz Widok z góry na podstawową konfigurację. Laser z pompą o długości fali 1025 nm został wysłany do OPA w celu wygenerowania przestrajalnego impulsu w średniej podczerwieni. Szczątkowe 1025 nm było często zawężane przez etalon (E) i przestrzennie filtrowane do wiązki Gaussa przez filtr przestrzenny (SFG). Wiązki średniej podczerwieni i 1025 nm są przestrzennie nakładane na niestandardowe zwierciadło dichroiczne (DM) i kierowane przez odwrócony mikroskop (obszar pudełkowy w A). (B) Dwie wiązki są przesyłane do skanera wiązki rezonansowej 325 Hz zamontowanego na zintegrowanym 2-pozycyjnym suwaku (I2PS), umożliwiając płynne przełączanie między jasnym polem a nieliniowymi modalnościami optycznymi. Platforma mikroskopowa jest wyposażona w oparty na odbiciu obiektyw Schwarzschilda (SO) z korekcją do nieskończoności, działający jako kondensor oraz refrakcyjny obiektyw do obrazowania z korekcją nieskończoności (RO) zamontowany na stoliku osi z pionowego nanopozycjonowania (VNP). SO skupia linię przychodzących wiązek, które skaner wiązki rezonansowej odbija na próbce, podczas gdy RO zbiera odcinek linii VSFG sygnałów. Ważne jest, aby precyzyjnie kontrolować położenie osi Z RO z dokładnością do 1 μm, aby upewnić się, że próbka jest w najlepszych warunkach ogniskowych dla wysokiej jakości obrazowania. Skolimowana linia sygnału VSFG jest następnie kierowana do układu soczewek tubusowych składającego się z 2 soczewek tubowych (TL1 i TL2), tworząc powiększony obraz w szczelinie wejściowej monochromatora (MC). Linia widm o rozdzielczości częstotliwościowej jest następnie obrazowana hiperspektralnie na urządzeniu ze sprzężeniem ładunkowym (CCD). Po pobraniu każdej linii hiperspektralnej, próbka jest skanowana w osi prostopadłej do osi skanowania skanera wiązki rezonansowej za pomocą NP. Aby zebrać obrazy próbki w jasnym polu, I2PS jest przesuwany do pozycji jasnego pola i instalowane jest lustro przechwytujące źródło światła białego (WLS). Światło jest następnie skupiane przez RO i obrazowane przez SO. Następnie tworzony jest obraz w płaszczyźnie czujnika kamery jasnego pola (BC) w górnej części odwróconego mikroskopu. (C) Szczegółowy widok ścieżki optycznej przez obszar soczewki tubusu do MC i CCD. (D) Szczegółowy widok obszaru próbki pomiędzy SO i RO. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

2. Wyrównanie mikroskopu hiperspektralnego i kalibracja przestrzenna pionowej osi CCD

  1. Z grubsza zoptymalizuj położenie płaszczyzny próbki (oś z nano pozycjonera) za pomocą standardowej próbki napylania wzoru ZnO (o grubości 1 μm) pokrytej szkiełkiem nakrywkowym 15 mm x 15 mm x 0,170 mm ± 0,005 mm i ustaw ją w jasnym polu za pomocą metody obrazowania w jasnym polu.
    UWAGA: W razie potrzeby może być konieczne dostosowanie pozycji Z RO, a także wyrównanie białego światła. Reprezentatywny obraz ZnO na wzorze szkła używanym do kalibracji wyrównania jest pokazany na Rysunek 2.
  2. Przesuń I2PS z powrotem do nieliniowego ramienia oświetleniowego i zoptymalizuj wysokość próbki pod kątem maksymalnej intensywności rezonansowej VSFG generowanej przez obszary ZnO obserwowane w kamerze CCD.
    UWAGA: Pozycja Z RO musi być dostosowana do maksymalnej intensywności. Może być konieczne kilkukrotne powtórzenie kroków 2.1 i 2.2, zanim zostanie osiągnięta optymalna wysokość próbki i RO.
  3. Włącz skaner wiązki rezonansowej i zbierz linię obrazów.
  4. Zbieraj obrazy o intensywności nierezonansowej, skanując próbkę prostopadle do kierunku skanera wiązki. Weź pionowe wycinki danych obrazu i ustal stosunek pikseli do mikronów. (patrz Rysunek 3 i jego legenda).
    UWAGA: Pochodna tych odcinków linii jest analizowana w celu uzyskania pionowego stosunku pikseli do mikronów osi CCD, który zostanie wykorzystany w przyszłych obrazach.

figure-protocol-2
Rysunek 2: Reprezentatywna jakość obrazu dla przybliżonego wyrównania modalności obrazowania jasnego pola wzorca ZnO. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-protocol-3
Rysunek 3: Proces kalibracji osi pionowej. Rysunek ten ilustruje, w jaki sposób przeliczyć piksele CCD na pionowe wymiary przestrzenne w jednostce μm. (A) Zbierany jest i rekonstruowany obraz szkiełka nakrywkowego z wzorem ZnO. Następnie odległość pikseli od jednej do drugiej krawędzi wzoru (mały pionowy pasek w A). Ponieważ krzyż wzoru ZnO został zaprojektowany tak, aby miał szerokość 25 μm, można tutaj użyć stosunku szerokości fizycznej do szerokości piksela, aby obliczyć stosunek wymiarów fizycznych do pikseli. Reprezentatywny, skalibrowany obraz osi pionowej jest pokazany w (B). (C) Na koniec pobiera się pionowy wycinek, jak wskazano czerwoną linią. (D) W celu uzyskania rozdzielczości przestrzennej przyjmuje się pochodną przekroju pionowego. Pochodna wycinka pionowego służy do uzyskania rozdzielczości przestrzennej. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

3. Zbieranie danych hiperspektralnych

  1. Zbierz widma pionowej linii sygnałów VSFG na CCD, których widma są rozproszone wzdłuż osi poziomej, a pozycje przestrzenne są rejestrowane na osi pionowej CCD.
    UWAGA: Powoduje to powstanie dwuwymiarowego zestawu danych dla przekroju jednowierszowego.
  2. Po hiperspektralnym zobrazowaniu przekroju liniowego próbki, zeskanuj próbkę w osi prostopadłej do osi skanowania linii za pomocą trójwymiarowego nanopozycjonera (NP, Rysunek 1).
    UWAGA: Pozycjoner 3D nano jest ważny dla wysokiej precyzji i powtarzalności w lokalizowaniu obszarów próbki (płaszczyzna x-y), a także ustawianiu ostrości próbki (oś z).
  3. Wykonaj iterację między krokiem 3.1 a krokiem 3.2, aby zebrać obraz hiperspektralny VSFG.

4. Analiza danych hiperspektralnych

  1. Spektralnie rozmieszaj dane za pomocą zestawu narzędzi do obrazowania MatLab biblioteka obrazowania hiperspektralnego workflow41.
    UWAGA: Mieszanie widm koreluje lokalizacje przestrzenne z unikalnymi widmami. Kod Matlab do analizy danych hiperspektralnych znajduje się w pliku uzupełniającym 1.
    1. Utwórz 4-wymiarowy hipersześcian (x = przestrzenny, y = przestrzenny, z = intensywność zależna od częstotliwości, ω = częstotliwość) za pomocą funkcji hipersześcianu w bibliotece obrazowania hiperspektralnego Matlab41.
    2. Zidentyfikuj liczbę unikalnych widm za pomocą funkcji countEndmembersHFC z wartością prawdopodobieństwa fałszywego alarmu (PFA) 10-7.
    3. Zidentyfikuj unikalne widma za pomocą funkcji rozmieszania widma nfindr.
    4. Na koniec, korzystając z funkcji sid, skojarz każdy piksel z jednym z unikalnych widm zidentyfikowanych w poprzednim kroku.
      UWAGA: Dodatkowe metody demiksowania i dopasowywania spektralnego można wykonać za pomocą alternatywnych funkcji/algorytmów oferowanych w MatLab Hyperspectral Imaging Library41.
  2. Dopasuj dane sumy dla każdego izolowanego arkusza do funkcji Voigt42 (Plik uzupełniający 1).
    UWAGA: Funkcja Lorentza reprezentuje czystą jednorodną granicę kształtu linii, podczas gdy funkcja Gaussa wywodzi się z niejednorodnych granic. W rzeczywistości układy mogą znajdować się w kombinacji granic jednorodnych i niejednorodnych, co wymaga funkcji Voigta - powszechnej praktyki w przypadku spektroskopii z fazami skondensowanymi, w tym VSFG.

5. Analiza geometryczna próbki

  1. Określić geometrię próbek zgodnie z procedurą opisaną w krokach 5.2–5.3. W tym badaniu jako przykład użyto SDS@2 β-CD. Wyprowadzić dopuszczalne symetrie elementy tensorowe χ(2) na podstawie symetrii C7 podjednostki molekularnej próbki mezoarkuszy SDS@2 β-CD.
    UWAGA: Dozwolona symetria χ(2) zależy od symetrii. Aby obliczyć dopuszczalną podatność nieliniową dowolnej symetrii, zapoznaj się z reference43.
  2. Zastosuj rotację Eulera27, aby powiązać pomiary ramy laboratoryjnej z ramką molekularną.
    UWAGA: W przypadku SDS@2 β-CD, jego symetria C7 prowadzi do ośmiu niezależnych równań odnoszących 8 wyjście (ramka laboratoryjna χ(2)) do 8 danych wejściowych (6 niezależnych hiperpolaryzowalności β(2), oraz dwóch kątów: Θ, kąt nachylenia względem płaszczyzny próbki wszystkich arkuszy i φ, obrót arkusza w płaszczyźnie (Rysunek 4)). Dwa arkusze służą do wyodrębnienia wspólnych wyrównań molekularnych dwóch arkuszy. Zależności między φ1 a φ2 (kąt obrotu w płaszczyźnie dwóch arkuszy) można wyodrębnić z obrazów w jasnym polu. W bieżącym przykładzie φ2 = φ1 + 60°. Zakłada się, że wszystkie jednostki molekularne są ułożone pod tym samym kątem, więc Θ1 = Θ2. Daje to 11 niewiadomych (9 niezależnych, w tym 6 niezależnych hiperpolaryzowalności β(2), Θ1 i φ1 oraz względny współczynnik pokrycia między arkuszami N i dwoma zależnymi kątami, które są φ2 i Θ2) dla 16 znanych (8 polaryzacji ramek laboratoryjnych na arkusz i dwa arkusze).
  3. Powiąż ramkę laboratoryjną χ (2) z rozdzielczością polaryzacji i hiperpolaryzowalność β (2) z narzędziem do rozwiązywania funkcji sieci neuronowych.
    UWAGA: Szczegółowe podsumowanie tego podejścia można znaleźć w reference27.
    1. Utwórz warstwowy model sieci neuronowej w Python44za pomocą Keras składającego się ze struktury węzłów 200-100-50 i hiperbolicznej funkcji aktywacji stycznej.
    2. Utwórz losowo wygenerowaną macierz 100000 x 11 o wartościach β(2), Θ1, Θ2, φ1, φ2 i N. Oblicz odpowiednią ramkę lab 16 χ(2), używając równania wyznaczonego w 5.2 przez obroty Eulera.
    3. Użyj obliczonych wartości χ(2) (łącznie 100 000 na 16 wartości) jako danych wejściowych i naucz się przewidywać 11 wartości (β(2), Θ1, Θ2, φ1, φ2i N), gdy podanych zostanie 16 wartości χ(2).
    4. Po wytrenowaniu użyj innego zestawu 1000 wpisów z danymi wejściowymi i wyjściowymi, aby przetestować wytrenowany model. Przewidywane dane wyjściowe i rzeczywiste dane wyjściowe powinny wykazywać zależność liniową o nachyleniu 1.
    5. Na koniec dostarcz eksperymentalnie zmierzoną χ(2) z dwóch arkuszy (każdy arkusz ma zmierzone 8 χ(2)) i użyj wytrenowanego modelu do przewidywania kąta nachylenia Θ wraz z innymi właściwościami.

figure-protocol-4
Rysunek 4: Ilustracja transformacji Eulera. (A) Ilustracja transformacji Eulera między podatnością drugiego rzędu χ(2) a hiperpolaryzowalnością współrzędnych molekularnych (xyz) βijk. Rotacja Eulera z-y'-z'' jest wykonywana na współrzędnych molekularnych, gdzie φ jako kąt obrotu w płaszczyźnie, θ jako kąt nachylenia, a ψ jako kąt skrętu. ψ jest całkowany dla dowolnych kątów skrętu wokół osi molekularnej. φ nie jest zintegrowany, ponieważ wszystkie cząsteczki obracają się pod określonym kątem w stosunku do ramy laboratoryjnej, tworząc samoorganizujące się arkusze. N jest względnym pokryciem powierzchni dwóch arkuszy. (B) Wizualizacja pochylonych podjednostek tworzących arkusz wyznaczony na podstawie wyników sieci neuronowej. Ten rysunek został zmodyfikowany z Wagner et al.27. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

figure-results-1
Rysunek 5: Struktura molekularna, morfologia i potencjalna orientacja SDS@β-CD. (A) Widok z góry i (B) struktura chemiczna SDS@β-CD z boku. (C) Reprezentatywny niejednorodny rozkład próbek arkuszy mezoskalowych na płaszczyźnie próbki. Podjednostka molekularna może mieć różną orientację i ułożenie na podłożu...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Najbardziej krytyczne kroki to od 1,42 do 1,44. Bardzo ważne jest, aby dobrze ustawić soczewkę obiektywu, aby uzyskać optyczną rozdzielczość przestrzenną. Ważne jest również, aby zebrać emitowany sygnał, przekaźnik i wyświetlić wiązkę skanującą jako linię w szczelinach wejściowych. Odpowiednie wyrównanie gwarantowałoby najlepszą rozdzielczość i stosunek sygnału do szumu. W przypadku typowej próbki, takiej jak arkusze SDS@2 β-CD 100 μm na 100 μm, obraz o dobrej rozdzielczości (rozdzielczość ~1 μm) z wysokim stosunkiem syg...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

Rozwój instrumentu jest wspierany przez Grant NSF CHE-1828666. ZW, JCW i WX są wspierane przez National Institutes of Health, National Institute of General Medical Sciences, Grant 1R35GM138092-01. BY jest wspierany przez Stowarzyszenie Promocji Innowacji Młodzieży Chińskiej Akademii Nauk (CAS, 2021183).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
1x KameraPor ThorlabsWFA4100podłącz kamerę do mikroskopu lub układu optycznego
Lustro pryzmatyczne kątowe 25,0 mm, chronione złotoThorlabsMRA25-M01odbijają światło i wytwarzają odbicie wsteczne, przekierowując światło z powrotem wzdłuż jego pierwotnej ścieżki
3" Uniwersalny uchwyt na słupek-5 sztukThorlabsUPH3-P5przytrzymuje i podpiera słupki o różnych rozmiarach i konfiguracjach
Płyta klatki od 30 mm do 60 mm, grubość 4 mmThorlabsLCP4Sprzekształca się między systemem koszykowym 30 mm a systemem klatek 60 mm
Korpus Cerna o wysokości 500 mm z CEA1500 ramienia Epi zapewniająfunkcję umożliwiania technik oświetlenia najwyższej jakości w mikroskopii
60 mm montowany w klatce i oslash; 50,0 mm IrisThorlabsLCP50Skontrolują ilość światła przechodzącego przez układ optyczny
Wspornik montażowy klatki 60 mmThorlabsLCP01Bmontuje i ustawia system klatki 60 mm w konfiguracjach optycznych
EtalonSLS Optics Ltd.Dostosowanegenerowanie wąskopasmowego światła 1030 nm 
Wspornik montażowy płyty klatkiThorlabsKCB2przytrzymaj i wyreguluj lustra pod precyzyjnym kątem
CCDAndor TechnologiesNewton Przetwornik CCD 2D dla częstotliwości i rozdzielczości przestrzennej
Współliniowy optyczny wzmacniacz parametrycznyKonwersja światłaOrpheus-One-HPPrzestrajalny generator światła MID
Chlorek miedziThermo Fischer ScientificA16064.30Komponent do samodzielnego montażu
Dostosowane lustro dichroiczneNewportDostosowaneselektywnie odbija lub przepuszcza światło w oparciu o jego długość fali lub polaryzację
Adapter Ext do M32 IntThorlabsSM1A34zapewnia kompatybilność i ułatwia łączenie komponentów o różnych typach gwintów
Obiektyw refrakcyjny z korekcją nieskończonościZeiss420150-9900-000Obiektyw
Schwarzschilda z korekcją nieskończoności PikeTechnologies Inc.891-0007Obiektyw odblaskowy
Węglik laserowy, konwersja światłaC18212Źródło lasera
M32x0,75 Zewnętrzne do wewnętrznego RMSThorlabsM32RMSSdostosować lub przekonwertować rozmiar gwintu lub typ obiektywów mikroskopowych 
M32x0,75 Zewnętrzne do M27x0,75 Wewnętrzne torby do grawerowaniaM32M27Sdostosować lub przekonwertować rozmiar gwintu lub typ obiektywów mikroskopu 
Ręczny moduł ostrości kondensatora o średniej wysokościThorlabsZFM1030regulację ostrości elementu optycznego
MonochromatorAndor TechnologiesShamrock 500iZapewnia rozdzielczość częstotliwości dla każdego skanowania liniowego
Zmotoryzowany moduł z 1" skokiem dla ramion montowanych na krawędziThorlabsZFM2020kontrolować pionowe położenie obiektywu do obrazowania
Nanopozycjonerszalony Laboratoria miejskie Inc.MMP33D
próbkaEOPCSC-25325 Hz skaner wiązki rezonansowej
Kolorowa kamera CCD RGB KameraThorlabsDCU224CBrightfield, wycofana, ale inne kamery będą działać równie dobrze
Soczewka tubusu RGBThorlabsITL200białego światła
Kątowa kinematyczna płytka stykowaThorlabsOPX2400zawierają mechanizm przesuwny z dwiema stałymi pozycjami
Kątowe mocowanie lustra kinematycznego, 30 mmThorlabsKCB1przytrzymują i regulują lustra pod precyzyjnym kątem
Kątowe mocowanie lustra kinematycznego, 60 mmThorlabsKCB2przytrzymują i regulują lustra pod precyzyjnym kątem
SM2, ramię klatkowe 60 mm do stolika ostrości CernaThorlabsCSA2100bezpiecznie montować i ustawiać kondensatory
Zatrzaskowa osłona klatki do klatki 60 mm, 24 cale długości,ThorlabsC60L24zamyka i chroni elementy wewnątrz klatki
Dodecylosiarczan soduThermo Fischer ScientificJ63394. AKElement do samodzielnego montażu
Trzykanałowy kontroler i skrzynka pokręteł do 1" Cerna Travel StagesThorlabsMCM3001sterowania ZFM2020
Soczewka tubusuThorlabsLA1380-AB - Odbiór sygnału N-BK7SFG
Zestaw widocznych diod LEDThorlabsWFA1010zapewniają oświetlenie w konfiguracji obrazowania
Źródło światła białegoThorlabsWFA1010Źródło oświetlenia światłem białym do obrazowania w jasnym polu
WPH05M-1030 - Ø 1/2" Płyta półfalowa o zerowym rzędzie, & Oslash; Montaż 1", 1030 nm ThorlabsWPH05M-1030zmienia stan polaryzacji przechodzącego przez niego światła
WPLQ05M-3500 - Ø 1/2" montowana płyta ćwierćfalowa niskiego rzędu, 3,5 i mikro; m ThorlabsWPLQ05M-3500zmieniają stan polaryzacji przechodzącego przez nie światła
Oś X Stalowe stopnie suwakowe o długim skokuOptosigmaTSD-65122CUU, które zapewniają wydłużony skok w kierunku poziomym (X)
XT95 4-calowy nośnik szynowyThorlabsXT95RC4montażu i pozycjonowania elementów optycznych
Etap translacji osi XY z obrotemo 360 stopniThorlabsXYR1precyzyjny ruch i pozycjonowanie obiektów w dwóch wymiarach, wraz z możliwością obracania platformy
Translator liniowy XY(1/2") z centralnym otworem przelotowym SM1ThorlabsXYT1zapewniają precyzyjny ruch i pozycjonowanie w dwóch wymiarach
Konwersja światłalasera półprzewodnikowego domieszkowanego YbCB3-40WLaser nasienny
β-CyklodekstrynaThermo Fischer NaukowyJ63161.22Komponent do samodzielnego montażu
Skaner rezonansowy kolekcja

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Obrazowanie hiperspektralnenieliniowa mikroskopia optycznamikroskopia skanuj ca liniowoobrazowanie SHGobrazowanie multimodalnestruktury samonaprawiaj ce sianaliza sieci neuronowychmorfologia mezoskopowa

Powiązane artykuły