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Chemistry

लाइन-स्कैनिंग कंपन योग-आवृत्ति पीढ़ी माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके मल्टीमॉडल नॉनलाइनियर हाइपरस्पेक्ट्रल केमिकल इमेजिंग

Published: December 1, 2023 doi: 10.3791/65388
Automatic Translation
1, 1,2, 1, 1,3,4
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

Summary

ब्राइटफील्ड, दूसरी हार्मोनिक पीढ़ी (एसएचजी) इमेजिंग तौर-तरीकों के साथ ब्रॉडबैंड कंपन सम-आवृत्ति पीढ़ी (वीएसएफजी) छवियों को प्राप्त करने के लिए एक मल्टीमॉडल, रैपिड हाइपरस्पेक्ट्रल इमेजिंग फ्रेमवर्क विकसित किया गया था। अवरक्त आवृत्ति आणविक कंपन के साथ गुंजायमान होने के कारण, सूक्ष्म संरचनात्मक और मेसोस्कोपिक आकृति विज्ञान ज्ञान समरूपता-अनुमत नमूनों का पता चलता है।

Abstract

कंपन योग-आवृत्ति पीढ़ी (वीएसएफजी), एक दूसरे क्रम का नॉनलाइनियर ऑप्टिकल सिग्नल, पारंपरिक रूप से ~ 100 μm के स्थानिक रिज़ॉल्यूशन के साथ स्पेक्ट्रोस्कोपी तकनीक के रूप में इंटरफेस पर अणुओं का अध्ययन करने के लिए उपयोग किया जाता है। हालांकि, स्पेक्ट्रोस्कोपी एक नमूने की विषमता के प्रति संवेदनशील नहीं है। मेसोस्कोपिक रूप से विषम नमूनों का अध्ययन करने के लिए, हमने, दूसरों के साथ, वीएसएफजी स्पेक्ट्रोस्कोपी की रिज़ॉल्यूशन सीमा को ~ 1 μm स्तर तक धकेल दिया और VSFG माइक्रोस्कोप का निर्माण किया। यह इमेजिंग तकनीक न केवल इमेजिंग के माध्यम से नमूना आकृति विज्ञान को हल कर सकती है, बल्कि छवियों के हर पिक्सेल पर ब्रॉडबैंड वीएसएफजी स्पेक्ट्रम भी रिकॉर्ड कर सकती है। एक दूसरे क्रम की नॉनलाइनर ऑप्टिकल तकनीक होने के नाते, इसका चयन नियम गैर-सेंट्रोसिमेट्रिक या चिरल स्व-इकट्ठी संरचनाओं के विज़ुअलाइज़ेशन को सक्षम बनाता है जो आमतौर पर जीव विज्ञान, सामग्री विज्ञान और बायोइंजीनियरिंग में पाए जाते हैं। इस लेख में, दर्शकों को एक उल्टे ट्रांसमिशन डिज़ाइन के माध्यम से निर्देशित किया जाएगा जो अनिर्धारित नमूनों की इमेजिंग की अनुमति देता है। यह काम यह भी दर्शाता है कि वीएसएफजी माइक्रोस्कोपी एक तंत्रिका नेटवर्क फ़ंक्शन सॉल्वर के साथ संयोजन करके व्यक्तिगत स्व-इकट्ठे शीटों की रासायनिक-विशिष्ट ज्यामितीय जानकारी को हल कर सकती है। अंत में, विभिन्न नमूनों के ब्राइटफील्ड, एसएचजी और वीएसएफजी कॉन्फ़िगरेशन के तहत प्राप्त छवियां संक्षेप में वीएसएफजी इमेजिंग द्वारा प्रकट की गई अनूठी जानकारी पर चर्चा करती हैं।

Introduction

कंपन योग-आवृत्ति पीढ़ी (वीएसएफजी), एक दूसरे क्रम की नॉनलाइनर ऑप्टिकल तकनीक1,2, का उपयोग रासायनिक रूप से समरूपता-अनुमत नमूने 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 को प्रोफाइल करने के लिए स्पेक्ट्रोस्कोपी उपकरण के रूप में बड़े पैमाने पर किया गया है। 14,15,16,17,18,19,20,21,22. परंपरागत रूप से, वीएसएफजी को इंटरफेशियल सिस्टम 8,9,10,11 (यानी, गैस-तरल, तरल-तरल, गैस-ठोस, ठोस-तरल) पर लागू किया गया है, जिसमें व्युत्क्रम समरूपता की कमी है - वीएसएफजी गतिविधि के लिए एक आवश्यकता। वीएसएफजी के इस अनुप्रयोग ने दफन इंटरफेस 12,13, इंटरफेस 14,15,16,17,18 पर पानी के अणुओं के विन्यास और इंटरफेस 19,20,21,22 पर रासायनिक प्रजातियों के आणविक विवरण का खजाना प्रदान किया है।

यद्यपि वीएसएफजी इंटरफेस पर आणविक प्रजातियों और विन्यास को निर्धारित करने में शक्तिशाली रहा है, लेकिन उलटा केंद्रों की कमी वाली सामग्रियों की आणविक संरचनाओं को मापने में इसकी क्षमता पूरी नहीं हुई है। यह आंशिक रूप से है क्योंकि सामग्री उनके रासायनिक वातावरण, रचनाओं और ज्यामितीय व्यवस्था में विषम हो सकती है, और एक पारंपरिक वीएसएफजी स्पेक्ट्रोमीटर में 100 μm2 के क्रम पर एक बड़ा रोशनी क्षेत्र होता है। इस प्रकार, पारंपरिक वीएसएफजी स्पेक्ट्रोस्कोपी एक विशिष्ट 100 μm2 रोशनी क्षेत्र में नमूने की औसत जानकारी पर रिपोर्ट करता है। इस औसत के कारण विपरीत झुकाव वाले अच्छी तरह से ऑर्डर किए गए डोमेन के बीच सिग्नल रद्दीकरण हो सकता है और स्थानीय विषमताओं 15,20,23,24 के गलत चित्रण हो सकता है।

उच्च संख्यात्मक एपर्चर (एनए), चिंतनशील-आधारित माइक्रोस्कोप उद्देश्यों (श्वार्ज़स्चिल्ड और कैसेग्रेन ज्यामिति) में प्रगति के साथ, जो लगभग क्रोमैटिक विपथन से मुक्त हैं, वीएसएफजी प्रयोगों में दो बीम का फोकस आकार 100 μm 2 से 1-2μm 2 और कुछ मामलों में सबमाइक्रोन25 तक कम किया जा सकता है। इस तकनीकी प्रगति सहित, हमारे समूह और अन्य लोगों ने वीएसएफजी को माइक्रोस्कोपी प्लेटफॉर्म 20,23,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36 में विकसित किया है। हाल ही में, हमने एक उल्टे ऑप्टिकल लेआउट और ब्रॉडबैंड डिटेक्शन स्कीम37 को लागू किया है, जो मल्टीमॉडल छवियों (वीएसएफजी, दूसरी हार्मोनिक पीढ़ी (एसएचजी), और ब्राइटफील्ड ऑप्टिकल) के निर्बाध संग्रह को सक्षम बनाता है। मल्टी-मोडिटी इमेजिंग ऑप्टिकल इमेजिंग का उपयोग करके नमूनों के त्वरित निरीक्षण की अनुमति देता है, विभिन्न प्रकार की छवियों को एक साथ सहसंबंधित करता है, और नमूना छवियों पर सिग्नल की स्थिति का पता लगाता है। अक्रोमैटिक रोशनी प्रकाशिकी और स्पंदित लेजर रोशनी स्रोत की पसंद के साथ, यह ऑप्टिकल प्लेटफॉर्म फ्लोरेसेंस माइक्रोस्कोपी38 और रमन माइक्रोस्कोपी जैसी अतिरिक्त तकनीकों के भविष्य के निर्बाध एकीकरण की अनुमति देता है।

इस नई व्यवस्था में, पदानुक्रमित संगठनों और आणविक स्व-विधानसभाओं (एमएसए) के एक वर्ग जैसे नमूनों का अध्ययन किया गया है। इन सामग्रियों में कोलेजन और बायोमिमेटिक्स शामिल हैं, जहां रासायनिक संरचना और ज्यामितीय संगठन दोनों सामग्री के अंतिम कार्य के लिए महत्वपूर्ण हैं। क्योंकि वीएसएफजी एक दूसरे क्रम का नॉनलाइनर ऑप्टिकल सिग्नल है, यह विशेष रूप से इंटरमॉलिक्युलर व्यवस्था39,40 के प्रति संवेदनशील है, जैसे कि इंटरमॉलिक्युलर दूरी या घुमावदार कोण, जिससे यह रासायनिक रचनाओं और आणविक व्यवस्था दोनों को प्रकट करने के लिए एक आदर्श उपकरण बन जाता है। यह काम कोर इंस्ट्रूमेंट के वीएसएफजी, एसएचजी और ब्राइटफील्ड तौर-तरीकों का वर्णन करता है जिसमें एक येटेरबियम-डोप्ड कैविटी सॉलिड-स्टेट लेजर शामिल है जो एक ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर (ओपीए), एक होम-निर्मित मल्टीमॉडल इनवर्टेड माइक्रोस्कोप और मोनोक्रोमेटर आवृत्ति विश्लेषक को दो-आयामी चार्ज युग्मित डिवाइस (सीसीडी) डिटेक्टर27 के साथ युग्मित करता है। एक चरण-दर-चरण निर्माण और संरेखण प्रक्रियाएं, और सेटअप की एक पूरी भाग सूची प्रदान की जाती है। एक एमएसए का गहन विश्लेषण, जिसका मौलिक आणविक सबयूनिट सोडियम-डोडेसिल सल्फेट (एसडीएस), एक सामान्य सर्फेक्टेंट के एक अणु और β-साइक्लोडेक्सट्रिन (β-सीडी) के दो अणुओं से मिलकर बना है, जिसे यहां SDS@2-सीडी के रूप में जाना जाता है, यह दिखाने के लिए एक उदाहरण के रूप में भी प्रदान किया जाता है कि वीएसएफजी संगठित पदार्थ के अणु-विशिष्ट ज्यामितीय विवरण ों को कैसे प्रकट कर सकता है। यह भी प्रदर्शित किया गया है कि एमएसए के रासायनिक-विशिष्ट ज्यामितीय विवरण को तंत्रिका नेटवर्क फ़ंक्शन सॉल्वर दृष्टिकोण के साथ निर्धारित किया जा सकता है।

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Protocol

1. हाइपरस्पेक्ट्रल लाइन-स्कैनिंग वीएसएफजी माइक्रोस्कोप

  1. लेजर प्रणाली
    1. 1025 एनएम ± 5 एनएम पर केंद्रित एक स्पंदित लेजर प्रणाली ( सामग्री की तालिका देखें) का उपयोग करें। लेजर ~ 290 एफएस की पल्स चौड़ाई के साथ 40 डब्ल्यू, 200 किलोहर्ट्ज (200 μJ / पल्स) पर सेट है।
      नोट: सटीक पुनरावृत्ति दर भिन्न हो सकती है, और एक उच्च पुनरावृत्ति दर लेजर आम तौर पर इस वीएसएफजी माइक्रोस्कोप के लिए बेहतर काम करता है।
    2. मिड-इन्फ्रारेड (एमआईआर) बीम उत्पन्न करने के लिए एक वाणिज्यिक ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर (ओपीए) में बीज लेजर के आउटपुट का मार्गदर्शन करें ( सामग्री की तालिका देखें)। MIR को रुचियों की आवृत्ति के अनुसार ट्यून करें (चित्र 1A)।
      नोट: वर्तमान अध्ययन में, एमआईआर 3450 एनएम ± 85 एनएम (~ 2900 ± 72 सेमी -1) पर केंद्रित है, जिसमें ~ 290 एफएस की पल्स अवधि और ~ 6 μJ की पल्स ऊर्जा है, जिसमें -सीएचएक्स कार्यात्मक समूह क्षेत्र का हिस्सा शामिल है।
  2. अप-रूपांतरण बीम
    1. ओपीए से अवशिष्ट 1025 एनएम बीम को फैब्री-पेरोट एटलॉन ( सामग्री की तालिका देखें) के माध्यम से पारित करें ताकि ~ 4.75 सेमी -1 के एफडब्ल्यूएचएम के साथ वर्णक्रमीय रूप से संकुचित अप-रूपांतरण बीम का उत्पादन किया जा सके।
    2. 8 μm नीलम पिनहोल के साथ संकुचित 1025 nm बीम को स्थानिक रूप से फ़िल्टर करें।
      नोट: 1025 एनएम बीम को एनआईआर कार्ड का उपयोग करके देखा जा सकता है।
    3. 1025 एनएम पल्स के ध्रुवीकरण को 2 वेवप्लेट के साथ नियंत्रित करें ( सामग्री की तालिका देखें)।
  3. एमआईआर बीम
    1. अस्थायी ओवरलैप के ठीक नियंत्रण के लिए देरी चरण के माध्यम से एमआईआर बीम का मार्गदर्शन करें।
    2. 2 वेवप्लेट के साथ एमआईआर के ध्रुवीकरण को नियंत्रित करें।
  4. वीएसएफजी माइक्रोस्कोप
    1. स्थानिक रूप से एक अनुकूलित डाइक्रोइक दर्पण (डीएम, चित्रा 1 बी) पर अप-रूपांतरण और एमआईआर बीम दोनों को ओवरलैप करते हैं जो एमआईआर के लिए ट्रांसमिसिव है और एनआईआर को प्रतिबिंबित करता है ( सामग्री की तालिका देखें)। संरेखण का मार्गदर्शन करने के लिए दो आइरिस का उपयोग करें: एक डीएम के ठीक बाद, और एक दूर के छोर पर। यह निर्धारित करने के लिए कि क्या एमआईआर केंद्रित है, आईरिस के बाद एक पावर मीटर का उपयोग करें, और एनआईआर पदों का पता लगाने के लिए एनआईआर कार्ड का उपयोग करें।
      नोट: ओवरलैप के बाद, एनआईआर बीम का उपयोग दोनों बीम को निर्देशित करने के लिए किया जा सकता है।
    2. एक एकीकृत 325 हर्ट्ज एकल-अक्ष अनुनाद बीम स्कैनर (एक एकीकृत दो-स्थिति स्कैनर (आई 2 पीएस), चित्रा 1 बी) पर लगाया गया) के साथ एक उल्टे माइक्रोस्कोप में अतिव्यापी बीम को निर्देशित करें ( सामग्री की तालिका देखें)।
      नोट: अनुनाद स्कैनर कंडेनसर उद्देश्य के पीछे के एपर्चर पर दो अतिव्यापी बीम की एक पंक्ति प्रोजेक्ट करता है। इसे एक स्लाइडर पर लगाया गया है जो वीएसएफजी / एसएचजी और ब्राइटफील्ड तौर-तरीकों के बीच सहज पुनर्रचना को सक्षम बनाता है।
    3. विशुद्ध रूप से चिंतनशील श्वार्ज़स्चिल्ड उद्देश्य (एसओ, चित्रा 1 बी, डी) के साथ नमूने पर दो स्थानिक रूप से अतिव्यापी बीम पर ध्यान केंद्रित करें ( सामग्री की तालिका देखें)।
    4. एक अनंत-सही अपवर्तक उद्देश्य (आरओ, चित्रा 1 बी, डी) के साथ नमूने द्वारा उत्पन्न वीएसएफजी सिग्नल एकत्र करें ( सामग्री की तालिका देखें)।
    5. एक रैखिक ध्रुवीकरण के माध्यम से और फिर दो एफ = 60 मिमी फोकल लेंस (टीएल 1 और टीएल 2, चित्रा 1 बी, सी) से बने एक टेलीसेंट्रिक ट्यूब लेंस सिस्टम के माध्यम से कोलिमेटेड आउटपुट वीएसएफजी सिग्नल का मार्गदर्शन करें ( सामग्री की तालिका देखें)।
      नोट: ट्यूब लेंस से आवर्धित छवि मोनोक्रोमेटर (एमसी, चित्रा 1 बी, सी) के प्रवेश द्वार पर बनाई जाती है, और स्थानिक / आवृत्ति हल किए गए डेटा का पता दो-आयामी सीसीडी डिटेक्टर (सीसीडी, चित्रा 1 बी) पर लगाया जाता है।
  5. एसएचजी मोड
    1. एसएचजी इमेजिंग पर स्विच करने के लिए, आईआर बीम को ब्लॉक करें और एसएचजी सिग्नल को इमेज करने के लिए स्पेक्ट्रोग्राफ के ग्रेटिंग को 501.5 एनएम तक घुमाएं।
  6. ब्राइटफील्ड मोड
    1. ब्राइटफील्ड ऑप्टिकल इमेजिंग पर स्विच करने के लिए, व्हाइटलाइट स्रोत चालू करें ( सामग्री की तालिका देखें)। एकीकृत स्लाइडर (I2PS, चित्रा 1B) को काउंटर-प्रचार दिशा में उज्ज्वल फ़ील्ड छवियों को इकट्ठा करने के लिए स्थानांतरित करें, जिसमें इमेजिंग उद्देश्य (आरओ) कंडेनसर के रूप में कार्य करता है और कंडेनसर उद्देश्य (एसओ) इमेजिंग उद्देश्य के रूप में कार्य करता है।
    2. व्यावसायिक रूप से उपलब्ध ट्यूब-लेंस सिस्टम का उपयोग करके आरजीबी ब्राइटफील्ड कैमरा के सेंसर प्लेन पर अपवर्तक उद्देश्य के कोलिमेटेड आउटपुट की एक छवि बनाएं ( सामग्री की तालिका देखें)।

Figure 1
चित्र 1: मल्टीमॉडल हाइपरस्पेक्ट्रल वीएसएफजी माइक्रोस्कोप। (A) कोर सेटअप का शीर्ष दृश्य. एक 1025 एनएम पंप लेजर को एक ओपीए में भेजा गया था ताकि एक असमर्थ मध्य-आईआर पल्स उत्पन्न किया जा सके। अवशिष्ट 1025 एनएम को अक्सर एक एटालॉन (ई) द्वारा संकुचित किया जाता था और स्थानिक फिल्टर (एसएफजी) द्वारा गॉसियन बीम में फ़िल्टर किया जाता था। मिड-आईआर और 1025 एनएम बीम को एक अनुकूलित डाइक्रोइक दर्पण (डीएम) पर स्थानिक रूप से ओवरलैप किया जाता है और उल्टे माइक्रोस्कोप ( ए में बॉक्स क्षेत्र) के माध्यम से निर्देशित किया जाता है। (बी) दो बीम को एक एकीकृत 2-स्थिति स्लाइडर (आई 2 पीएस) पर लगाए गए 325 हर्ट्ज अनुनाद बीम स्कैनर पर भेजा जाता है, जो ब्राइटफील्ड और नॉनलाइनर ऑप्टिकल तौर-तरीकों के बीच निर्बाध स्विचिंग को सक्षम करता है। माइक्रोस्कोप प्लेटफॉर्म एक चिंतनशील-आधारित इन्फिनिटी-सही श्वार्ज़स्चिल्ड ऑब्जेक्टिव (एसओ) से लैस है, जो कंडेनसर और एक अपवर्तक-आधारित इन्फिनिटी-सही इमेजिंग ऑब्जेक्टिव (आरओ) के रूप में कार्य करता है जो एक ऊर्ध्वाधर नैनोपोजिशनिंग (वीएनपी) जेड-एक्सिस चरण में लगाया जाता है। एसओ आने वाले बीम की लाइन पर ध्यान केंद्रित करता है जिसे अनुनाद बीम स्कैनर नमूने पर प्रतिबिंबित करता है जबकि आरओ सिग्नल के वीएसएफजी लाइन सेक्शन को एकत्र करता है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि नमूना उच्च गुणवत्ता वाली इमेजिंग के लिए सबसे अच्छी फोकल स्थिति में है, आरओ की जेड-अक्ष स्थिति को 1 μm परिशुद्धता पर ठीक करना महत्वपूर्ण है। वीएसएफजी सिग्नल की कोलिमेटेड लाइन को तब 2 टब लेंस (टीएल 1 और टीएल 2) से बना एक ट्यूब लेंस सिस्टम पर निर्देशित किया जाता है, जो मोनोक्रोमेटर (एमसी) के प्रवेश द्वार पर एक आवर्धित छवि बनाता है। स्पेक्ट्रा की आवृत्ति-हल की गई रेखा को तब चार्ज-युग्मित डिवाइस (सीसीडी) पर हाइपरस्पेक्ट्रल रूप से चित्रित किया जाता है। प्रत्येक हाइपरस्पेक्ट्रल लाइन को इकट्ठा करने के बाद, नमूने को एनपी का उपयोग करके अनुनाद बीम स्कैनर स्कैनिंग अक्ष के लंबवत अक्ष में स्कैन किया जाता है। नमूने की उज्ज्वल क्षेत्र छवियों को एकत्र करने के लिए, आई 2 पीएस को ब्राइटफील्ड स्थिति में ले जाया जाता है, और सफेद प्रकाश स्रोत (डब्ल्यूएलएस) को रोकने वाला एक दर्पण स्थापित किया जाता है। प्रकाश को तब आरओ द्वारा केंद्रित किया जाता है और एसओ द्वारा चित्रित किया जाता है। फिर उल्टे माइक्रोस्कोप के शीर्ष पर ब्राइटफील्ड कैमरा (बीसी) के सेंसर प्लेन पर एक छवि बनाई जाती है। (सी) एमसी और सीसीडी में ट्यूब-लेंस क्षेत्र के माध्यम से ऑप्टिकल पथ का विस्तृत दृश्य। (डी) एसओ और आरओ के बीच नमूना क्षेत्र का विस्तृत दृश्य। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

2. हाइपरस्पेक्ट्रल माइक्रोस्कोप संरेखण और ऊर्ध्वाधर सीसीडी अक्ष स्थानिक अंशांकन।

  1. मोटे तौर पर ZnO (1 μm मोटी) पैटर्न स्पटर लेपित 15 मिमी x 15 मिमी x 0.170 मिमी ± 0.005 मिमी कवरस्लिप के मानक नमूने का उपयोग करके नमूना विमान (नैनो पोजिशनर जेड-अक्ष) की स्थिति का अनुकूलन करें और इसे ब्राइटफील्ड इमेजिंग मोडिटी का उपयोग करके ब्राइटफील्ड फोकस में लाएं।
    नोट: आरओ की जेड-स्थिति के साथ-साथ सफेद प्रकाश के संरेखण को आवश्यकतानुसार समायोजित करने की आवश्यकता हो सकती है। संरेखण अंशांकन के लिए उपयोग किए जाने वाले ग्लास पैटर्न पर ZnO की एक प्रतिनिधि छवि चित्र 2 में दिखाई गई है।
  2. I2PS को नॉनलाइनियर रोशनी हाथ में वापस ले जाएं और CCD कैमरे पर देखे गए ZnO क्षेत्रों द्वारा उत्पन्न अधिकतम गैर-अनुनाद VSFG तीव्रता के लिए नमूना ऊंचाई का अनुकूलन करें।
    नोट: आरओ की जेड-स्थिति को अधिकतम तीव्रता के लिए समायोजित किया जाना चाहिए। नमूने की इष्टतम ऊंचाई और आरओ तक पहुंचने से पहले किसी को चरण 2.1 और 2.2 को कुछ बार दोहराना पड़ सकता है।
  3. अनुनाद बीम स्कैनर को चालू करें और छवियों की एक पंक्ति एकत्र करें।
  4. बीम स्कैनर दिशा के लंबवत नमूने को स्कैन करके गैर-अनुनाद तीव्रता छवियों को एकत्र करें। छवि डेटा के ऊर्ध्वाधर स्लाइस लें और पिक्सेल: माइक्रोन अनुपात स्थापित करें। ( चित्र 3 और इसकी किंवदंती देखें)।
    नोट: इन लाइन वर्गों के व्युत्पन्न का विश्लेषण ऊर्ध्वाधर सीसीडी अक्ष पिक्सेल: माइक्रोन अनुपात का उत्पादन करने के लिए किया जाता है जिसका उपयोग भविष्य की छवियों के लिए किया जाएगा।

Figure 2
चित्रा 2: एक ZnO पैटर्न के ब्राइटफील्ड इमेजिंग साधन के मोटे संरेखण के लिए प्रतिनिधि छवि गुणवत्ता। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्र 3: ऊर्ध्वाधर अक्ष अंशांकन वर्कफ़्लो। यह आंकड़ा दिखाता है कि सीसीडी पिक्सेल को μm की इकाई में ऊर्ध्वाधर स्थानिक आयामों में कैसे परिवर्तित किया जाए। (A) ZnO पैटर्न वाले कवरस्लिप की एक छवि एकत्र और पुनर्निर्माण की जाती है। फिर, पैटर्न के एक से दूसरे किनारों तक पिक्सेल दूरी ( ए में छोटी ऊर्ध्वाधर पट्टी)। क्योंकि ZnO पैटर्न क्रॉस को 25 μm चौड़ाई के लिए डिज़ाइन किया गया है, इसलिए कोई भी भौतिक / पिक्सेल आयाम अनुपात की गणना करने के लिए यहां भौतिक चौड़ाई से पिक्सेल चौड़ाई के अनुपात का उपयोग कर सकता है। एक प्रतिनिधि, ऊर्ध्वाधर अक्ष कैलिब्रेटेड छवि (बी) में दिखाया गया है। (सी) अंत में, एक ऊर्ध्वाधर टुकड़ा लिया जाता है जैसा कि लाल रेखा द्वारा इंगित किया गया है। (डी) ऊर्ध्वाधर टुकड़ा का व्युत्पन्न स्थानिक संकल्प प्राप्त करने के लिए लिया जाता है। ऊर्ध्वाधर टुकड़ा के व्युत्पन्न का उपयोग स्थानिक संकल्प प्राप्त करने के लिए किया जाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

3. हाइपरस्पेक्ट्रल डेटा संग्रह

  1. सीसीडी पर वीएसएफजी संकेतों की एक ऊर्ध्वाधर रेखा के स्पेक्ट्रा को इकट्ठा करें, जिसका स्पेक्ट्रा क्षैतिज अक्ष के साथ फैला हुआ है और स्थानिक स्थिति सीसीडी के ऊर्ध्वाधर अक्ष पर दर्ज की जाती है।
    नोट: इसके परिणामस्वरूप एकल-पंक्ति अनुभाग के लिए दो-आयामी डेटा सेट होता है।
  2. नमूने के लाइन अनुभाग को हाइपरस्पेक्ट्रल रूप से चित्रित करने के बाद, तीन-आयामी नैनो-पोजिशनर (एनपी, चित्रा 1) का उपयोग करके लाइन स्कैनिंग अक्ष के लंबवत अक्ष में नमूने को स्कैन करें।
    नोट: 3 डी नैनो पोजिशनर नमूना क्षेत्रों (एक्स-वाई प्लेन) का पता लगाने के साथ-साथ नमूने को फोकस (जेड-अक्ष) में लाने में उच्च परिशुद्धता और प्रजनन क्षमता के लिए महत्वपूर्ण है।
  3. VSFG हाइपरस्पेक्ट्रल छवि एकत्र करने के लिए चरण 3.1 और चरण 3.2 के बीच पुनरावृत्ति करें।

4. हाइपरस्पेक्ट्रल डेटा विश्लेषण

  1. मैटलैब इमेजिंग टूलबॉक्स हाइपरस्पेक्ट्रल इमेजिंग लाइब्रेरी वर्कफ़्लो41 का उपयोग करके डेटा को वर्णक्रमीय रूप से अनमिक्स करें।
    नोट: स्पेक्ट्रल अनमिक्सिंग अद्वितीय स्पेक्ट्रा के लिए स्थानिक स्थानों से संबंधित है। हाइपरस्पेक्ट्रल डेटा विश्लेषण के लिए मैटलैब कोड पूरक फ़ाइल 1 में प्रदान किया गया है।
    1. मैटलैब इमेज प्रोसेसिंग टूलबॉक्स हाइपरस्पेक्ट्रल इमेजिंग लाइब्रेरी41 में हाइपरक्यूब फ़ंक्शन का उपयोग करके एक 4-आयामी हाइपरक्यूब (एक्स = स्थानिक, वाई = स्थानिक, जेड = आवृत्ति-निर्भर तीव्रता, × = आवृत्ति) बनाएं।
    2. 10-7 के झूठे अलार्म (पीएफए) मान की संभावना के साथ एंडमेंबर्स एचएफसी फ़ंक्शन के साथ अद्वितीय स्पेक्ट्रा की संख्या की पहचान करें।
    3. एनफाइंडर स्पेक्ट्रल अनमिक्सिंग फ़ंक्शन का उपयोग करके अद्वितीय स्पेक्ट्रा की पहचान करें।
    4. अंत में, सिड फ़ंक्शन का उपयोग करके, प्रत्येक पिक्सेल को पिछले चरण में पहचाने गए अद्वितीय स्पेक्ट्रा में से एक के साथ संबद्ध करें।
      नोट: अतिरिक्त स्पेक्ट्रल अनमिक्सिंग और मिलान विधियों को मैटलैब हाइपरस्पेक्ट्रल इमेजिंग लाइब्रेरी41 में पेश किए गए वैकल्पिक कार्यों / एल्गोरिदम के साथ किया जा सकता है।
  2. प्रत्येक पृथक पत्रक के लिए योग डेटा को Voigt फ़ंक्शन42 (पूरक फ़ाइल 1) में फिट करें।
    नोट: लोरेंत्ज़ियन फ़ंक्शन शुद्ध सजातीय लाइनशेप सीमा का प्रतिनिधित्व करता है, जबकि गॉसियन फ़ंक्शन असंगत सीमाओं से उत्पन्न होता है। वास्तव में, सिस्टम सजातीय और असंगत सीमाओं के संयोजन में हो सकते हैं, जिसके लिए एक वोइट फ़ंक्शन की आवश्यकता होती है - वीएसएफजी सहित संघनित चरण स्पेक्ट्रोस्कोपी के लिए एक सामान्य अभ्यास।

5. नमूने का ज्यामितीय विश्लेषण

  1. चरण 5.2-5.3 में उल्लिखित प्रक्रिया के बाद नमूने की ज्यामिति निर्धारित करें। इस अध्ययन में, SDS@2-सीडी का उपयोग एक उदाहरण के रूप में किया जाता है। SDS@2-सीडी मेसो-शीट ्स नमूने के आणविक सबयूनिट के सी7 समरूपता के आधार पर 3(2) के समरूपता-अनुमत टेन्सर तत्वों को प्राप्त करें।
    नोट: अनुमत समरूपता (2) समरूपता पर निर्भर करता है। किसी भी समरूपता की अनुमत गैर-रेखीय संवेदनशीलता की गणना करने के लिए, संदर्भ43 देखें।
  2. प्रयोगशाला फ्रेम माप को आणविक फ्रेम से संबंधित करने के लिए यूलर रोटेशन27 लागू करें।
    नोट: SDS@2 3-सीडी के मामले में, इसकी सी7 समरूपता 8 आउटपुट (लैब फ्रेम : (2)) से 8 इनपुट (6 स्वतंत्र हाइपरपोलराइजेशन β (2)) और दो कोणों से संबंधित आठ स्वतंत्र समीकरणों की ओर ले जाती है φ: दो चादरों के सामान्य आणविक संरेखण को निकालने के लिए दो चादरों का उपयोग किया जाता है। φ1 और φ2 (दो चादरों के इन-प्लेन रोटेशन कोण) के बीच संबंधों को ब्राइटफील्ड छवियों से निकाला जा सकता है। वर्तमान उदाहरण में, φ2 =φ 1 + 60° यह माना जाता है कि सभी आणविक इकाई टाइल एक ही कोण पर हैं, इसलिए Ø1 =2 है। इसके परिणामस्वरूप 11 अज्ञात (9 स्वतंत्र लोग, जिनमें 6 स्वतंत्र हाइपरपोलराइजेशन β (2), × 1 और φ1 शामिल हैं, और शीट एन, और दो आश्रित कोणों के बीच सापेक्ष कवरेज अनुपात, जो φ 2, और2 हैं) 16 ज्ञात (प्रति शीट 8 लैब फ्रेम ध्रुवीकरण, और दो शीट) के लिए होते हैं।
  3. एक तंत्रिका नेटवर्क फ़ंक्शन सॉल्वर के साथ ध्रुवीकरण-हल किए गए प्रयोगशाला फ्रेम (2) और आणविक फ्रेम हाइपरपोलराइजेशन β (2) से संबंधित हैं।
    नोट: इस दृष्टिकोण का एक विस्तृत सारांश संदर्भ27 में पाया जा सकता है।
    1. 200-100-50 नोड संरचना और एक हाइपरबॉलिक स्पर्शरेखा सक्रियण फ़ंक्शन से युक्त केरस का उपयोग करके पायथन44में एक स्तरित तंत्रिका नेटवर्क मॉडल बनाएं।
    2. β(2), ø 1, φ1, φ 2 और N के मानों का यादृच्छिक रूप से उत्पन्न 100000 x 11 मैट्रिक्स बनाएँ। यूलर रोटेशन द्वारा 5.2 में निर्धारित समीकरण का उपयोग करके संबंधित लैब फ्रेम 16 : (2) की गणना करें।
    3. इनपुट के रूप में परिकलित (2) मानों (कुल 100,000 बाय 16 मान) का उपयोग करें, और 16 : (2) मान प्रदान किए जाने पर 11 मानों (β(2), ø 1, ø2, φ1, φ2और N) की भविष्यवाणी करना सीखें।
    4. एक बार प्रशिक्षित होने के बाद, प्रशिक्षित मॉडल का परीक्षण करने के लिए इनपुट और आउटपुट दोनों के साथ 1000 प्रविष्टियों के एक और सेट का उपयोग करें। अनुमानित आउटपुट और सही आउटपुट को 1 के ढलान के साथ एक रैखिक संबंध दिखाना चाहिए।
    5. अंत में, दो शीटों से प्रयोगात्मक रूप से मापा गया (2 ) की आपूर्ति करें (प्रत्येक शीट में 8 : (2) मापा गया है), और अन्य गुणों के साथ झुकाव कोण की भविष्यवाणी करने के लिए प्रशिक्षित मॉडल का उपयोग करें।

Figure 4
चित्र 4: यूलर परिवर्तन का चित्रण। (ए) प्रयोगशाला निर्देशांक (एक्सवाईजेड) दूसरे क्रम की संवेदनशीलता (2) और आणविक निर्देशांक (xyz) हाइपरपोलराइजेशनβ ijk के बीच यूलर परिवर्तन का चित्रण। यूलर रोटेशन आणविक निर्देशांक पर किया जाता है, जिसमें इन-प्लेन रोटेशन कोण के रूप में φ, झुकाव कोण के रूप में और ट्विस्ट कोण के रूप में ψ होता है। ψ आणविक अक्ष के बारे में मनमाने मोड़ कोणों के लिए एकीकृत है। φ एकीकृत नहीं है क्योंकि सभी अणु स्व-इकट्ठी शीट बनाने के लिए लैब फ्रेम के सापेक्ष एक विशिष्ट कोण पर घूमते हैं। एन दो शीटों का सापेक्ष सतह कवरेज है। (बी) तंत्रिका नेटवर्क परिणामों द्वारा निर्धारित एक शीट बनाने वाले झुके हुए सबयूनिट्स का विज़ुअलाइज़ेशन। इस आंकड़े को वैगनर एट अल.27 से संशोधित किया गया है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

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Representative Results

Figure 5
चित्र 5: SDS@β-सीडी की आणविक संरचना, आकृति विज्ञान और संभावित अभिविन्यास। (ए) SDS@β-सीडी की शीर्ष-दृश्य और (बी) साइड-व्यू रासायनिक संरचना। (सी) नमूना विमान पर मेसोस्केल शीट का प्रतिनिधि विषम नमूना वितरण। आणविक सबयूनिट में सब्सट्रेट पर अलग-अलग झुकाव और संरेखण हो सकते हैं, जो अज्ञात है। इस आंकड़े को वैगनर एट अल.27 से संशोधित किया गया है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

विशिष्ट रूप से संगठित आणविक संरचनाओं और आइसोट्रोपिक थोक के बीच भेदभाव करने के लिए माइक्रोस्कोप की क्षमता SDS@2-सीडी नमूना23,34 (चित्रा 5) के साथ प्रदर्शित की गई है। इस अध्ययन में, 2: 1 अनुपात में विआयनीकृत पानी (डीआई) पानी में β-सीडी और एसडीएस जोड़कर नमूना तैयार किया गया था जब तक कि दो विलेय 10% मीटर / मीटर एकाग्रता तक नहीं पहुंच गए। निलंबन को रात भर कमरे के तापमान पर स्पष्टता और ठंडा करने के लिए गर्म किया गया था। इलेक्ट्रोस्टैटिक इंटरैक्शन को ट्यून करने के लिए क्यूसीएल 2 को 1: 10 क्यूसीएल2: एसडीएस की एकाग्रता पर जोड़ा गया था और मिश्रण को पूरी तरह से बनाने के लिए SDS@2-सीडी मेसो-शीट के लिए 3-5 दिनों तक बैठने की अनुमति दी गई थी। अंत में, अलग-अलग मेसो-शीट्स का उत्पादन 15 मिमी x 15 मिमी x 0.170 मिमी ± 0.005 मिमी कवरस्लिप पर शीट सस्पेंशन के ड्रॉप कास्टिंग 5 μL द्वारा किया गया था, जो 10,000 आरपीएम पर संचालित स्पिन कोटर से चिपका हुआ था।

मेसोस्केल शीट एक विशिष्ट सी7 समरूपता के साथ उनके स्व-संयोजन से बनती हैं। फिर भी, यह इस आत्म-विधानसभा में एकल आणविक इकाई के आणविक अभिविन्यास के बारे में स्पष्ट नहीं है, एक मौलिक ज्ञान जो भौतिक कार्यों को प्रभावित कर सकता है। (चित्रा 5 सी)। कवरस्लिप पर फैली स्व-इकट्ठी चादरों की वीएसएफजी छवियों को कैप्चर किया गया था (चित्रा 6 ए)। मैटलैब हाइपरस्पेक्ट्रल इमेजिंग फ़ंक्शन का उपयोग करके वर्णक्रमीय पहचान (चरण 4 हाइपरस्पेक्ट्रल डेटा विश्लेषण) के माध्यम से, यह पाया गया कि सभी शीटों को दो प्रकारों में वर्गीकृत किया जा सकता है, एक उच्च वीएसएफजी तीव्रता (चित्रा 6 बी में नीला स्पेक्ट्रा, और चित्रा 6 ए में नीले रंग में लेबल की गई चादरें), और दूसरा कम तीव्रता के साथ। ऑप्टिकल छवि (चित्रा 6 सी, डी) के साथ निरीक्षण और तुलना करके, छवियों के केंद्र में बड़ी शीट ने डबल शीट को ढेर कर दिया है, जिससे दो अलग-अलग अभिविन्यास शीटों के बीच विनाशकारी हस्तक्षेप के कारण छोटी वीएसएफजी तीव्रता को जिम्मेदार ठहराया गया है। एकल शीट को एकल आणविक इकाई अभिविन्यास (चित्रा 6 ए में नीले वाले) निकालने के लिए केंद्रित किया गया था। दो शीट्स (चित्रा 6 ए में लाल और नीले वर्गों में हाइलाइट की गई) को विभिन्न वीएसएफजी ध्रुवीकरण द्वारा मापा गया था, और स्पेक्ट्रा को वोइट फ़ंक्शन का उपयोग करके फिट किया गया था। नोट VSFG ध्रुवीकरण क्रम संकेत, अप-रूपांतरण और MIR में वर्णित है। उदाहरण के लिए, एसएसपी का अर्थ आईआर का पी ध्रुवीकरण, अप-रूपांतरण का एस ध्रुवीकरण और संकेतों का एस ध्रुवीकरण है।

Figure 6
चित्रा 6: ध्रुवीकरण ने ब्राइटफील्ड मोडिटी के साथ वीएसएफजी छवि ओवरले को हल किया । (ए) ध्रुवीकरण हल (एसएसएस) SDS@2-सीडी की हाइपरस्पेक्ट्रल वीएसएफजी छवि। बैंगनी और गुलाबी रंग उन क्षेत्रों का प्रतिनिधित्व करते हैं जहां अलग-अलग स्पेक्ट्रा रहते हैं, और संबंधित स्पेक्ट्रा को (बी) में प्लॉट किया जाता है, जो क्रमशः नीले और मैजेंटा स्पेक्ट्रा ~ 56 और ~ 26 के लिए सिग्नल-टू-शोर अनुपात के साथ एकल पिक्सेल के लिए प्रतिनिधि स्पेक्ट्रा हैं। लाल और नीले बक्से में चादरों का विश्लेषण सुप्रामोलेक्यूल झुकाव कोण निकालने के लिए नीचे स्पष्ट रूप से किया जाता है। (सी) उसी क्षेत्र की ब्राइटफील्ड छवि (ए) में है। (डी) वीएसएफजी हाइपरस्पेक्ट्रल छवि एक समान क्षेत्र की ऑप्टिकल छवि के साथ ओवरले की गई। (ई) बाएं से दाएं: पीपीएस, पीपीपी, एसएसपी और एसएसएस ध्रुवीकरण ने (ए) में लाल और नीले बक्से में हाइलाइट किए गए दो एकल शीटों के भीतर 180 और 480 पिक्सेल से अधिक स्पेक्ट्रा को हल किया। सभी स्पेक्ट्रा में लगभग 2910 सेमी -1 पर केंद्रित एक प्रमुख विशेषता थी और 1000 के क्रम में सिग्नल-टू-शोर अनुपात था। स्पेक्ट्रा को कई वोइट फ़ंक्शंस के साथ फिट किया गया था, जिन्हें छायांकित क्षेत्रों द्वारा दर्शाया गया था, और आगे के अभिविन्यास विश्लेषण के लिए उपयोग किया गया था। इस आंकड़े को वैगनर एट अल.27 से संशोधित किया गया है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

फिर, आणविक झुकाव को निकालने के लिए, समरूपता-अनुमत हाइपरपोलराइजेशन, पहले निर्धारित किया गया था, Equation 1 पहले प्रकाशित प्रक्रिया43 का उपयोग करके समरूपता चयन नियम द्वारा अनुमति दी गई थी। फिर प्रयोगशाला फ्रेम और आणविक फ्रेम के बीच संबंध यूलर रोटेशन27 से लिया गया है। फिर ऊपर उल्लिखित तंत्रिका नेटवर्क विधि का उपयोग करके झुकाव कोण को निकाला जाता है, और झुकाव कोण ~ 23 ° (चित्रा 6) पाया गया।

अंत में, इस प्लेटफ़ॉर्म37में मल्टीमॉडल इमेजिंग की क्षमता दिखाई गई है (चित्रा 7)। यहां तीन अलग-अलग नमूने, अर्थात्, SDS@2-सीडी, कोलेजन, और एल-फेनिलएलनिल-एल-फेनिलएलनिन (एफएफ), ब्राइटफील्ड, एसएचजी और वीएसएफजी इमेजिंग तौर-तरीकों के साथ माइक्रोस्कोप के साथ अध्ययन किया जाता है। सबसे पहले, सभी नमूनों ने विभिन्न इमेजिंग तौर-तरीकों में समान आकृति विज्ञान दिखाया। एसएचजी और वीएसएफजी दोनों ने स्थानिक रूप से तीव्रता भिन्नताएं दिखाईं, जो ऑप्टिकल छवियों से गायब हैं। चूंकि एसएचजी और वीएसएफजी दोनों को गैर-सेंट्रोसिमेट्रिक संरचनाओं के आदेश की आवश्यकता होती है, सिग्नल तीव्रता में भिन्नता स्थानीय आणविक क्रम या आणविक झुकाव में भिन्नता से आ सकती है। एसएचजी के विपरीत, कोई भी वीएसएफजी के एमआईआर बीम को विभिन्न कंपन मोड के साथ गुंजायमान होने के लिए ट्यून कर सकता है। यहां दिखाए गए मामले में, सीएचएक्स कंपन मोड का अध्ययन 3.5 μm पर और Amid-I मोड 6 μm पर किया गया था। एफएफ के लिए, मजबूत और समान संकेतों के साथ वीएसएफजी छवियां प्राप्त की गईं, जो सभी कंपन समूहों के लिए एक अच्छी तरह से व्यवस्थित स्व-इकट्ठी संरचना का सुझाव देती हैं - इसकी क्रिस्टलीय प्रकृति से सहमत हैं। इसके विपरीत, कोलेजन नमूने ने एमाइड क्षेत्र पर सीएचएक्स क्षेत्र में एक मजबूत वीएसएफजी संकेत प्रदर्शित किया, यह दर्शाता है कि नमूने लचीले हैं और उनके कंपन समूहों में क्रम की अलग-अलग डिग्री है।

Figure 7
चित्रा 7: तीन अलग-अलग नमूनों की मल्टीमॉडल छवियां। (ए) i-A iii) SDS@2-CD ब्राइटफील्ड, SHG (PP ध्रुवीकरण) और, VSFG (PPP ध्रुवीकरण) क्रमशः 3.5 μm क्षेत्र छवियों के। नॉनलाइनियर छवियों को ब्राइटफील्ड छवियों के साथ चित्रित किया जाता है। एसडीएस और 2 - सीडी की रासायनिक संरचनाओं को एकआई के इनसेट में दिखाया गया है। (B i-B iv) लियोफिलाइज्ड कोलेजन ब्राइटफील्ड, एसएचजी (पीपी ध्रुवीकरण), वीएसएफजी (पीपीपी ध्रुवीकरण) क्रमशः 3.5 μm और 6 μm क्षेत्रों के। ग्लाइसिन, प्रोलाइन और हाइड्रॉक्सीप्रोलाइन से बने कोलेजन के प्राथमिक प्रोटीन ट्रिमर अवशेषों की रासायनिक संरचना, बीआई के इनसेट में दिखाई गई है। (C i-Civ) एफएफ ब्राइटफील्ड, एसएचजी (पीपी ध्रुवीकरण), और वीएसएफजी (पीपीपी ध्रुवीकरण) क्रमशः 3.5 μm और 6 μm क्षेत्रों के। एफएफ आणविक सबयूनिट्स के लिए रासायनिक संरचना सी आई के इनसेट में दिखाई गई है। सभी 6 μm छवियों को परिवेशी वायु नमी से क्षीणन को हटाने के लिए एक शुद्ध नाइट्रोजन उपकरण वातावरण के तहत लिया जाता है। SDS@2-CD में 6 μm पर VSFG छवि नहीं है क्योंकि इसमें Amid समूह नहीं हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

पूरक फ़ाइल 1: हाइपरस्पेक्ट्रल डेटा विश्लेषण के लिए मैटलैब कोड इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए कृपया यहाँ क्लिक करें.

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Discussion

सबसे महत्वपूर्ण कदम 1.42 से 1.44 तक हैं। ऑप्टिकल स्थानिक रिज़ॉल्यूशन के लिए उद्देश्य लेंस को अच्छी तरह से संरेखित करना महत्वपूर्ण है। उत्सर्जित सिग्नल को इकट्ठा करना, रिले करना और स्कैनिंग बीम को प्रवेश द्वार पर एक लाइन के रूप में प्रोजेक्ट करना भी महत्वपूर्ण है। उचित संरेखण सर्वोत्तम रिज़ॉल्यूशन और सिग्नल-टू-शोर अनुपात की गारंटी देगा। एक विशिष्ट नमूने के लिए, जैसे SDS@2-CD 100 μm by 100 μm शीट्स, उच्च सिग्नल-टू-शोर अनुपात के साथ एक अच्छी रिज़ॉल्यूशन छवि (~ 1 μm रिज़ॉल्यूशन) में 20 मिनट लगेंगे। यह पहले से ही उपकरण24,26 के पिछले संस्करण की तुलना में तेज है। डेटा अधिग्रहण की गति में और वृद्धि को उच्च पुनरावृत्ति दर लेजर द्वारा महसूस किया जा सकता है।

वर्तमान सीमा स्थानिक रिज़ॉल्यूशन है, जिसे उच्च एनए ऑब्जेक्टिव ऑप्टिक्स और संभावित नॉनलाइनर ऑप्टिक्स-आधारित सुपर-रिज़ॉल्यूशन तकनीकोंके साथ और भी बेहतर बनाया जा सकता है। इसके चरण को हल करने और आणविक झुकाव 5,46,47,48 को निकालने के लिए वीएसएफजी स्पेक्ट्रोस्कोपी में हेटेरोडिन डिटेक्शन लागू किया गया है। यह हमारे प्रयोग में तकनीकी रूप से संभव है। हालांकि, वीएसएफजी इमेजिंग स्वाभाविक रूप से नमूने से सिग्नल बिखरने पर निर्भर करता है, जो इसके चरण को स्क्रैबल करता है और इस प्रकार आणविक अभिविन्यास और वीएसएफजी सिग्नल के चरण के बीच संबंधों को जटिल बनाता है।

रासायनिक विशिष्टता के साथ सामग्री की आकृति विज्ञान की इमेजिंग चुनौतीपूर्ण है क्योंकि कई इमेजिंग तकनीकों में आणविक संवेदनशीलता की कमी होती है। रैपिड हाइपरस्पेक्ट्रल वीएसएफजी माइक्रोस्कोपी आणविक कंपन हस्ताक्षरों की जांच करके और मेसोस्केल संगठित पदार्थ के आणविक संरेखण का खुलासा करके इस शून्य को भरता है जो सामग्री विज्ञान, रसायन विज्ञान और जीव विज्ञान में महत्वपूर्ण हैं। भविष्य में, रोशनी प्रकाशिकी की चिंतनशील प्रकृति अन्य तकनीकों को मुख्य उपकरण में एकीकृत करने में सक्षम करेगी, इसकी क्षमताओं को और बढ़ाएगी और रासायनिक, जैविक और भौतिक नमूनों की बहुआयामी छवियों को सक्षम करेगी।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

उपकरण विकास ग्रांट एनएसएफ सीएचई -1828666 द्वारा समर्थित है। जेडडब्ल्यू, जेसीडब्ल्यू और डब्ल्यूएक्स को राष्ट्रीय स्वास्थ्य संस्थान, नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ जनरल मेडिकल साइंसेज, ग्रांट 1आर 35जीएम 138092-01 द्वारा समर्थित किया जाता है। बीवाई यूथ इनोवेशन प्रमोशन एसोसिएशन, चीनी विज्ञान अकादमी (सीएएस, 2021183) द्वारा समर्थित है।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1x Camera Por Thorlabs WFA4100 connect a camera to a microscope or optical system
25.0 mm Right-Angle Prism Mirror, Protected Gold Thorlabs MRA25-M01 reflect light and produce retroreflection, redirecting light back along its original path
3” Universal Post Holder-5 Pack Thorlabs UPH3-P5 hold and support posts of various sizes and configurations
30 mm to 60 mm Cage Plate, 4 mm Thick Thorlabs LCP4S convert between a 30 mm cage system and a 60 mm cage system
500 mm Tall Cerna Body with Epi Arm Thorlabs CEA1500 provide the function of enabling top illumination techniques in microscopy
60 mm Cage Mounted Ø50.0 mm Iris Thorlabs LCP50S control the amount of light passing through an optical system
60 mm Cage Mounting Bracket Thorlabs LCP01B mount and position a 60 mm cage system in optical setups
Air spaced Etalon SLS Optics Ltd. Customized generate narrow-band 1030 nm light 
Cage Plate Mounting Bracket Thorlabs KCB2 hold and adjust mirrors at a precise angle
CCD Andor Technologies Newton  2D CCD for frequency and spatial resolution
Collinear Optical Parametric Amplifier Light Conversion Orpheus-One-HP Tunable MID light generator
Copper Chloride Thermo Fischer Scientific A16064.30 Self-assembly component
Customized Dichroic Mirror Newport Customized selectively reflects or transmits light based on its wavelength or polarization
Ext to M32 Int Adapter Thorlabs SM1A34 provide compatibility and facilitating the connection between components with different thread types
Infinity Corrected Refractive Objective Zeiss 420150-9900-000 Refractive Objective
Infinity Corrected Schwarzschild Objective Pike Technologies Inc. 891-0007 Reflective objective
Laser Carbide, Light-Conversion C18212 Laser source
M32x0.75 External to Internal RMS Thorlabs M32RMSS adapt or convert the threading size or type of microscope objectives 
M32x0.75 External to M27x0.75 Internal Engraving Thorlabs M32M27S adapt or convert the threading size or type of microscope objectives 
Manual Mid-Height Condenser Focus Module Thorlabs ZFM1030 adjust the focus of an optical element
Monochromator Andor Technologies Shamrock 500i Provides frequency resolution for each line scan
Motorized module with 1" Travel for Edge-Mounted Arms Thorlabs ZFM2020 control the vertical positon of the imaging objective
Nanopositioner Mad City Labs Inc. MMP3 3D sample stage
Resonant Scanner EOPC SC-25 325Hz resonant beam scanner
RGB Color CCD Camera Thorlabs DCU224C Brightfield camera, discontinued but other cameras will work just as well
RGB tube lens Thorlabs ITL200 white light collection
Right Angle Kinematic Breadboard Thorlabs OPX2400 incorporate a sliding mechanism with two fixed positions
Right Angle Kinematic Mirror Mount, 30 mm Thorlabs KCB1 hold and adjust mirrors at a precise angle
Right Angle Kinematic Mirror Mount, 60 mm Thorlabs KCB2 hold and adjust mirrors at a precise angle
SM2, 60 mm Cage Arm for Cerna Focusing Stage Thorlabs CSA2100 securely mount and position condensers
Snap on Cage Cover for 60 mm Cage, 24 in Long, Thorlabs C60L24 enclose and protect the components inside the cage
Sodium dodecyl sulfate Thermo Fischer Scientific J63394.AK Self-assembly component
Three-Chnnale Controller and Knob Box for 1" Cerna Travel Stages Thorlabs MCM3001 control ZFM2020
Tube lens Thorlabs LA1380-AB - N-BK7 SFG signal collection
Visible LED Set Thorlabs WFA1010 provide illumination in imaging setup
Whitelight Source Thorlabs WFA1010 Whitelight illumination source for brightfield imaging
WPH05M-1030 - Ø1/2" Zero-Order Half-Wave Plate, Ø1" Mount, 1030 nm  Thorlabs WPH05M-1030 alter the polarization state of light passing through it
WPLQ05M-3500 - Ø1/2" Mounted Low-Order Quarter-Wave Plate, 3.5 µm  Thorlabs WPLQ05M-3500 alter the polarization state of light passing through it
X axis Long Travel Steel Extended Contact Slide Stages Optosigma TSD-65122CUU positioning stages that offer extended travel in the horizontal (X) direction
XT95 4in Rail Carrier Thorlabs XT95RC4 mount and position optical components
X-Y Axis Translation Stage w/ 360 deg. Rotation Thorlabs XYR1 precise movement and positioning of objects in two dimensions, along with the ability to rotate the platform
XY(1/2") Linear Translator with Central SM1 Thru Hole Thorlabs XYT1 provide precise movement and positioning in two dimensions
Yb doped Solid State Laser Light Conversion CB3-40W Seed laser
β-Cyclodextrin Thermo Fischer Scientific J63161.22 Self-assembly component

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References

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Wagner, J. C., Yang, B., Wu, Z., Xiong, W. Multimodal Nonlinear Hyperspectral Chemical Imaging Using Line-Scanning Vibrational Sum-Frequency Generation Microscopy. J. Vis. Exp. (202), e65388, doi:10.3791/65388 (2023).

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