Мультимодальная нелинейная гиперспектральная химическая визуализация с использованием линейно-сканирующей колебательной суммарной частотной генерации микроскопии

Jackson C. Wagner; Bin Yang; Zishan Wu; Wei Xiong

doi:10.3791/65388

Методическая статья

Мультимодальная нелинейная гиперспектральная химическая визуализация с использованием линейно-сканирующей колебательной суммарной частотной генерации микроскопии

DOI:

10.3791/65388

⸱

1 декабря 2023 г.

Jackson C. Wagner¹ , Bin Yang¹^,² , Zishan Wu¹ , Wei Xiong¹^,³^,⁴

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

В этой статье

Краткое содержание

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

Для получения широкополосных изображений с генерацией колебаний с суммарной частотой (VSFG) была разработана мультимодальная структура быстрой гиперспектральной визуализации, а также модально визуализации светлопольной генерации второй гармоники (ГВГ). Благодаря тому, что инфракрасная частота резонирует с молекулярными колебаниями, выявлены микроскопические структурные и мезоскопические морфологические знания образцов с допустимой симметрией.

Аннотация

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

Вибрационная генерация суммарной частоты (VSFG), нелинейный оптический сигнал второго порядка, традиционно используется для изучения молекул на границах раздела в качестве метода спектроскопии с пространственным разрешением ~100 мкм. Однако спектроскопия не чувствительна к неоднородности образца. Для изучения мезоскопически гетерогенных образцов мы вместе с другими сотрудниками снизили предел разрешающей способности VSFG-спектроскопии до уровня ~1 мкм и построили VSFG-микроскоп. Этот метод визуализации позволяет не только разрешать морфологию образца с помощью визуализации, но и регистрировать широкополосный спектр VSFG в каждом пикселе изображений. Будучи нелинейно-оптическим методом второго порядка, его правило выбора позволяет визуализировать нецентросимметричные или хиральные самоорганизующиеся структуры, обычно встречающиеся, в частности, в биологии, материаловедении и биоинженерии. В этой статье слушатели познакомятся с конструкцией инвертированной передачи, которая позволяет визуализировать нефиксированные образцы. Эта работа также демонстрирует, что микроскопия VSFG может разрешать химически специфичную геометрическую информацию отдельных самоорганизующихся листов, комбинируя ее с решателем функций нейронной сети. Наконец, изображения, полученные в конфигурациях светлого поля, SHG и VSFG различных образцов, кратко обсуждают уникальную информацию, полученную с помощью визуализации VSFG.

Введение

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

Вибрационная генерация суммарной частоты (VSFG), нелинейно-оптический метод второго порядка^1,2, широко используется в качестве спектроскопического инструмента для химического профилирования образцов 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13^.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Гиперспектральный линейный сканирующий микроскоп VSFG

Лазерная система
1. Используйте импульсную лазерную систему (см. Таблицу материалов) с центром на длине волны 1025 нм ± 5 нм. Лазер настроен на 40 Вт, 200 кГц (200 мкДж/импульс) с длительностью импульса ~290 фс.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Точная частота повторения может варьироваться, и лазер с высокой частотой повторения, как правило, лучше подходит для этого микроскопа VSFG.
2. Направьте выходной сигнал лазера на коммерческий оптический параметрический усилитель (OPA) для генерации луча среднего инфракрасного диапазона (MIR) (см. таблицу материалов). Настройте MIR на....

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

figure-results-1
Рисунок 5: Молекулярная структура, морфология и потенциальная ориентация SDS@β-CD . (A) Вид сверху и (B) Химическая структура SDS@β-CD вид сбоку. (C) Репрезентативное гетерогенного распределения выборки мезомасштабных листов на плоскости образца. Молекулярная субъединица может иметь различную ориент.......

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Самые критические шаги – от 1,42 до 1,44. Очень важно правильно выровнять линзу объектива для оптического пространственного разрешения. Также важно собирать излучаемый сигнал, ретрансляцию и проецировать сканирующий луч в виде линии во входных щелях. Правильное выравнивание гарантирует наилучшее разрешение и соотношение сигнал/шум. Для типичного образца, такого как листы SDS@2 β-CD размером 100 мкм на 100 мкм, изображение с хорошим разрешением (~1 мкм) с высоким отношением сигнал/шум займет 20 минут. Это уже быстрее, чем.......

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

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

Разработка прибора осуществляется при поддержке гранта NSF CHE-1828666. ZW, JCW и WX поддерживаются Национальными институтами здравоохранения, Национальным институтом общих медицинских наук, грант 1R35GM138092-01. BY поддерживается Ассоциацией содействия инновациям молодежи Китайской академии наук (CAS, 2021183).

....

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
1x Camera Por	Thorlabs	WFA4100	подключения камеры к микроскопу или оптической системе
25,0 мм Прямоугольное призменное зеркало, защищенное золото	Thorlabs	MRA25-M01	отражают свет и производят обратное отражение, перенаправляя свет обратно по его первоначальной траектории
3" Универсальный держатель стойки-5 шт.	Упак Thorlabs	UPH3-P5	удерживает и поддерживает стойки различных размеров и конфигураций
Плита клетки от 30 мм до 60 мм, толщина 4 мм	Thorlabs	LCP4S	преобразуется между системой клеток 30 мм и системой клеток 60 мм
Корпус Cerna высотой 500 мм с манипулятором Epi Arm	Thorlabs	CEA1500	обеспечивает функцию включения методов верхнего освещения в микроскопии
60 мм Клетка для монтажа и Oslash; 50,0 мм Iris	Thorlabs	LCP50S	контролирует количество света, проходящего через оптическую систему
60 мм Кронштейн для крепления клетки	Thorlabs	LCP01B	и позиционирует систему 60 мм в оптических установках
Air spaced Etalon	SLS Optics Ltd.	Специализированная	узкополосная лампа с длиной волны 1030 нм
Монтажный кронштейн для клеточной плиты	Thorlabs	KCB2	удерживает и регулирует зеркала под точным углом
CCD	Andor Technologies	Newton	2D ПЗС-матрица для частотного и пространственного разрешения
Коллинеарный оптический параметрический усилитель	Преобразование света	Orpheus-One-HP	Настраиваемый генератор света MID
Хлорид меди	Thermo Fischer Scientific	A16064.30	Самосборочный компонент
Индивидуальное дихроичное зеркало	Newport	Индивидуально	избирательно отражает или пропускает свет в зависимости от его длины волны или поляризации
Ext to M32 Int Adapter	Thorlabs	SM1A34	обеспечивают совместимость и облегчение соединения между компонентами с различными типами резьбы
Infinity Corrected Refractive Objective	Zeiss	420150-9900-000	Refractive Objective
Infinity Corrected Schwarzschild Objective	Pike Technologies Inc.	891-0007	Отражающий объектив
Лазерный	карбид, преобразующий свет	C18212	Лазерный источник
M32x0.75 Внешний к внутреннему RMS	Thorlabs	M32RMSS	адаптации или преобразования размера резьбы или типа объективов микроскопа
M32x0.75 Внешний по отношению к M27x0.75 Внутренняя гравировка	Thorlabs	M32M27S	адаптации или преобразования размера резьбы или типа объективов микроскопа
Ручной средневысотный конденсаторный модуль фокусировки	Thorlabs	ZFM1030	регулировки фокусировки оптического элемента
Монохроматор	Andor Technologies	Shamrock 500i	Обеспечивает частотное разрешение для каждой линии
сканирования Моторизованный модуль с ходом 1 дюйм для боковых кронштейнов	Thorlabs	ZFM2020	управления вертикальным положением объектива изображения
Нанопозиционер	Mad Сити Лабс Инк.	MMP3	3D sample stage
Резонансный сканер	EOPC	SC-25	325 Гц сканер резонансного луча
RGB Цветная CCD камера	Thorlabs	DCU224C	Brightfield камера, снята с производства, но другие камеры будут работать так же хорошо
RGB тубусный объектив	Thorlabs	ITL200	коллекция белого света
Прямоугольный кинематический макет	Thorlabs	OPX2400	включает в себя раздвижной механизм с двумя фиксированными положениями
Прямое кинематическое крепление для зеркала, 30 мм	Thorlabs	KCB1	удерживает и регулирует зеркала под точным углом
Прямое кинематическое крепление для зеркала, 60 мм	Thorlabs	KCB2	удерживает и регулирует зеркала под точным углом
SM2, 60 мм Кронштейн для фокусировочной ступени Cerna	Thorlabs	CSA2100	надежной установки и позиционирования конденсаторов
Защелкивающаяся крышка клетки для клетки 60 мм, длина 24 дюйма,	Thorlabs	C60L24	заключает и защищает компоненты внутри клетки
Додецилсульфат натрия	Thermo Fischer Scientific	J63394.	AK Самосборный компонент
Трехкомпонентный контроллер и ручка Коробка для 1" Cerna Travel Stage	Thorlabs		MCM3001 управления ZFM2020
Трубчатая линза	Thorlabs	LA1380-AB - N-BK7	SFG Сбор сигналов
Видимый светодиодный комплект	Thorlabs	WFA1010	обеспечения подсветки в установке визуализации
Источник белого света	Thorlabs	WFA1010	Источник белого света для получения изображений в светлом поле
WPH05M-1030 - Ø 1/2-дюймовая полуволновая пластина нулевого порядка, & Крепление 1", 1030 нм	Thorlabs	WPH05M-1030	изменяет поляризационное состояние проходящего через него света
WPLQ05M-3500 - & Oslash; 1/2-дюймовая монтированная четвертьволновая пластина низкого порядка, 3,5 &; М	Thorlabs	WPLQ05M-3500	изменяет состояние поляризации света, проходящего через него
по оси X Стальные длинноходные столики с расширенным контактом	Optosigma	TSD-65122CUU	позиционируют столики, которые обеспечивают увеличенный ход в горизонтальном (X) направлении
XT95 4 дюйма Рельсовый транспортер	Thorlabs	XT95RC4	монтировать и позиционировать оптические компоненты
Столик для трансляции по оси X-Y с углом поворота	360 градусовThorlabs	XYR1	точное перемещение и позиционирование объектов в двух измерениях, наряду с возможностью вращения платформы
XY(1/2") Линейный транслятор с центральным SM1 Сквозное отверстие	Thorlabs	XYT1	обеспечивают точное перемещение и позиционирование в двух измерениях
Yb легированный твердотельный лазер	Преобразование света	CB3-40W	Seed лазер
β-Cyclodextrin	Thermo Fischer Scientific	J63161.22	Самосборочный компонент

Ссылки

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

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.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

В этой статье

Краткое содержание

Аннотация

Введение

Протокол

Результаты

Обсуждение

Раскрытие информации

Благодарности

Материалы

Ссылки

Перепечатки и разрешения

Теги

Похожие статьи