Imagem Química Hiperespectral Não Linear Multimodal Usando Microscopia de Geração de Soma e Frequência Vibracional de Varredura de Linha

Resumo

Uma estrutura de imagem hiperespectral rápida e multimodal foi desenvolvida para obter imagens de geração de soma e frequência vibracional de banda larga (VSFG), juntamente com modalidades de imagem de segunda geração harmônica (SHG) de campo claro. Devido à frequência do infravermelho ser ressonante com vibrações moleculares, o conhecimento microscópico estrutural e morfológico mesoscópico é revelado de amostras permitidas por simetria.

Resumo

A geração de soma de frequência vibracional (VSFG), um sinal óptico não-linear de segunda ordem, tem sido tradicionalmente usada para estudar moléculas em interfaces como uma técnica de espectroscopia com uma resolução espacial de ~100 μm. No entanto, a espectroscopia não é sensível à heterogeneidade de uma amostra. Para estudar amostras mesoscopicamente heterogêneas, nós, juntamente com outros, empurramos o limite de resolução da espectroscopia VSFG para o nível de ~1 μm e construímos o microscópio VSFG. Esta técnica de imagem não só pode resolver morfologias de amostras através de imagens, mas também gravar um espectro VSFG de banda larga em cada pixel das imagens. Por ser uma técnica óptica não linear de segunda ordem, sua regra de seleção permite a visualização de estruturas automontadas não centrossimétricas ou quirais comumente encontradas em biologia, ciência dos materiais, bioengenharia, entre outras. Neste artigo, o público será guiado por um projeto de transmissão invertida que permite a obtenção de imagens de amostras não fixas. Este trabalho também mostra que a microscopia VSFG pode resolver informações geométricas químico-específicas de folhas auto-montadas individuais combinando-as com um solver de função de rede neural. Por fim, as imagens obtidas sob configurações de campo brilhante, SHG e VSFG de várias amostras discutem brevemente as informações únicas reveladas pelas imagens VSFG.

Introdução

A geração de soma de frequência vibracional (VSFG), uma técnica óptica não linear de segunda ordem^1,2, tem sido usada extensivamente como uma ferramenta de espectroscopia para perfilar quimicamente amostras permitidas por simetria 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13

Protocolo

1. Microscópio VSFG de varredura de linha hiperespectral

1. Sistema laser
   1. Use um sistema de laser pulsado (ver Tabela de Materiais) centrado em 1025 nm ± 5 nm. O laser é regulado em 40 W, 200 kHz (200 μJ/pulso) com uma largura de pulso de ~290 fs.
      NOTA: A taxa de repetição exata pode variar, e um laser de alta taxa de repetição geralmente funciona melhor para este microscópio VSFG.
   2. Guie a saída do laser de semente em um amplificador paramétrico óptico comercial (OPA) para gerar um feixe de infravermelho médio (MIR) (veja Tabela de Materiais). Sintonize o MIR com a frequência de interesses (

Resultados

Figura 5: Estrutura molecular, morfologia e orientação potencial do SDS@β-CD. (A) Vista superior e (B) Estrutura química lateral do SDS@β-CD. (C) Distribuição representativa e heterogênea das folhas de mesoescala no plano amostral. A subunidade molecular poderia ter diferentes orientações e alinhame.......

Discussão

As etapas mais críticas são de 1,42 a 1,44. É fundamental alinhar bem a lente objetiva para uma resolução espacial óptica. Também é importante coletar o sinal emitido, relé e projetar o feixe de varredura como uma linha nas fendas de entrada. Alinhamentos adequados garantiriam a melhor resolução e relação sinal-ruído. Para uma amostra típica, como folhas de SDS@2 β-CD de 100 μm por 100 μm, uma imagem de boa resolução (~1 μm de resolução) com uma alta relação sinal-ruído levaria 20 minutos. Isso já é mais rápido do que a .......

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
1x Câmera Por	Thorlabs	WFA4100	conectar uma câmera a um microscópio ou sistema óptico
Espelho de prisma de ângulo reto de 25,0 mm, ouro protegido	Thorlabs	MRA25-M01	refletem a luz e produzem retrorreflexão, redirecionando a luz de volta ao longo de seu caminho original
3" Suporte Universal para Postes-Pacote de 5	Thorlabs	UPH3-P5	fixam e suportam postes de vários tamanhos e configurações Placa de
gaiola de 30 mm a 60 mm,	Thorlabs	LCP4S	de espessura convertem entre um sistema de gaiola de 30 mm e um sistema de gaiola de 60 mm
Cerna de 500 mm de altura com Epi Arm	Thorlabs	CEA1500	fornecem a função de permitir técnicas de iluminação superior em microscopia
60 mm montado em gaiola e oslash; 50,0 mm Iris	Thorlabs	LCP50S	controla a quantidade de luz que passa através de um sistema óptico Suporte de montagem de
gaiola de 60 mm	Thorlabs	LCP01B	monta e posiciona um sistema de gaiola de 60 mm em configurações ópticas
Espaçamento aéreo Etalon	SLS Optics Ltd.	Personalizado	gerar luz de banda estreita 1030 nm
Suporte de Montagem de Placa de Gaiola	Thorlabs	KCB2	segura e ajusta espelhos em um ângulo preciso
CCD	Andor Technologies	Newton	CCD 2D para frequência e resolução espacial
Amplificador Paramétrico Óptico Colinear	Conversão de Luz	Orpheus-One-HP	Gerador de luz MID ajustável
Cloreto de Cobre	Thermo Fischer Scientific	A16064.30	Componente de auto-montagem
Espelho dicróico personalizado	Newport	Personalizado	reflete ou transmite seletivamente a luz com base em seu comprimento de onda ou polarização
Ext para M32 Int Adapter	Thorlabs	SM1A34	fornecem compatibilidade e facilitam a conexão entre componentes com diferentes tipos de rosca
Objetiva de Refração Corrigida Infinity	Zeiss	420150-9900-000	Objetiva de Refração
Corrigida Infinity Objetiva Schwarzschild Pike	Technologies Inc.	891-0007	Objetiva reflexiva
Laser	Carbureto, Conversão de Luz	C18212	Fonte de laser
M32x0.75 Externa para Interna RMS	Thorlabs	M32RMSS	adaptar ou converter o tamanho da rosca ou o tipo de objetivas de microscópio
M32x0.75 Externo para M27x0.75 Gravação Interna	Thorlabs	M32M27S	adaptar ou converter o tamanho da rosca ou o tipo de objetivas de microscópio
Módulo de Foco de Condensador Manual de Altura Média	Thorlabs	ZFM1030	ajustar o foco de um elemento óptico
Monocromador	Andor Technologies	Shamrock 500i	Fornece resolução de frequência para cada varredura de linha
Módulo motorizado com curso de 1" para braços montados na borda	Thorlabs	ZFM2020	controlar a posição vertical da objetiva de imagem
Nanopositioner	Mad Laboratórios da cidade Inc.	MMP3	3D estágio de amostra
Scanner ressonante	EOPC	SC-25	325Hz scanner de feixe ressonante
RGB Color CCD Camera	Thorlabs	DCU224C	Brightfield câmera, descontinuada, mas outras câmeras funcionarão tão bem
Lente de tubo RGB	Thorlabs	ITL200	coleção de luz branca
Placa de ensaio cinemática de ângulo reto	Thorlabs	OPX2400	incorpora um mecanismo deslizante com duas posições fixas
Suporte de espelho cinemático de ângulo reto, 30 mm	Thorlabs	KCB1	segura e ajusta os espelhos em um ângulo preciso
Suporte de espelho cinemático de ângulo reto, 60 mm	Thorlabs	KCB2	segura e ajusta os espelhos em um ângulo preciso
SM2, Braço de gaiola de 60 mm para estágio de focagem Cerna	Thorlabs	CSA2100	montar e posicionar condensadores
com segurançaTampa de Gaiola Snap on para Gaiola de 60 mm, 24 in de Comprimento,	Thorlabs	C60L24	envolve e protege os componentes dentro da gaiola
Dodecil sulfato de sódio	Thermo Fischer Scientific	J63394. Componente de	auto-montagem
Controlador de três canais e caixa de botões para estágios de viagem Cerna de 1"	Thorlabs	MCM3001	ZFM2020
Lente de tubo	Thorlabs	LA1380-AB - N-BK7	Coleta de sinal SFG
Conjunto de LED visível	Thorlabs	WFA1010	fornecer iluminação na configuração de imagem
Fonte de luz branca	Thorlabs	WFA1010	Fonte de iluminação de luz branca para imagens de campo claro
WPH05M-1030 - Ø Placa de Meia Onda de Ordem Zero de 1/2", Ø Montagem de 1", 1030 nm	Thorlabs	WPH05M-1030	altera o estado de polarização da luz que passa por ele
WPLQ05M-3500 - Ø Placa de Baixa Onda de Baixa Ordem Montada de 1/2", 3.5 µ m	Thorlabs	WPLQ05M-3500	alteram o estado de polarização da luz que passa por ele
Estágios de Slide de Contato Estendido de Aço de Longo Curso do eixo X	Optosigma	TSD-65122CUU	que oferecem curso estendido na direção horizontal (X)
Transportador Ferroviário XT95 4in	Thorlabs	XT95RC4	montar e posicionar componentes ópticos
Estágio de Translação do Eixo X-Y com Rotação	de 360 grausThorlabs	XYR1	movimento preciso e posicionamento de objetos em duas dimensões, juntamente com a capacidade de girar a plataforma
XY (1/2 ") Tradutor Linear com Central SM1 Thru Hole	Thorlabs	XYT1	fornece movimento e posicionamento precisos em duas dimensões
Yb dopado Conversão de luz laser de estado sólido		CB3-40W	Laser de sementes
β-Ciclodextrina	Thermo Fischer Componente de	automontagem	J63161.22

de 4 mm Corpo AK controle Estágios de posicionamento Scientific