Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Çizgi Taramalı Titreşimli Toplam Frekans Oluşturma Mikroskobu Kullanılarak Multimodal Doğrusal Olmayan Hiperspektral Kimyasal Görüntüleme

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

Geniş bantlı titreşimsel toplam frekans üretimi (VSFG) görüntülerinin yanı sıra parlak alan, ikinci harmonik üretim (SHG) görüntüleme modaliteleri elde etmek için çok modlu, hızlı bir hiperspektral görüntüleme çerçevesi geliştirilmiştir. Kızılötesi frekansın moleküler titreşimlerle rezonans olması nedeniyle, simetriye izin verilen numunelerin mikroskobik yapısal ve mezoskopik morfoloji bilgisi ortaya çıkar.

Abstract

İkinci dereceden doğrusal olmayan bir optik sinyal olan titreşimsel toplam frekans üretimi (VSFG), geleneksel olarak ~100 μm uzamsal çözünürlüğe sahip bir spektroskopi tekniği olarak arayüzlerdeki molekülleri incelemek için kullanılmıştır. Bununla birlikte, spektroskopi bir numunenin heterojenliğine duyarlı değildir. Mezoskopik olarak heterojen örnekleri incelemek için, diğerleriyle birlikte, VSFG spektroskopisinin çözünürlük sınırını ~ 1 μm seviyesine kadar zorladık ve VSFG mikroskobunu oluşturduk. Bu görüntüleme tekniği, yalnızca görüntüleme yoluyla örnek morfolojileri çözmekle kalmaz, aynı zamanda görüntülerin her pikselinde geniş bantlı bir VSFG spektrumu kaydeder. İkinci dereceden doğrusal olmayan bir optik teknik olan seçim kuralı, diğerlerinin yanı sıra biyoloji, malzeme bilimi ve biyomühendislikte yaygın olarak bulunan sentrosimetrik olmayan veya kiral kendinden montajlı yapıların görselleştirilmesini sağlar. Bu makalede, izleyiciler, sabitlenmemiş örneklerin görüntülenmesine izin veren ters çevrilmiş bir iletim tasarımı aracılığıyla yönlendirilecektir. Bu çalışma aynı zamanda VSFG mikroskobunun kendi kendine monte edilmiş tabakaların kimyasala özgü geometrik bilgilerini, bir sinir ağı fonksiyon çözücüsü ile birleştirerek çözebileceğini göstermektedir. Son olarak, çeşitli örneklerin parlak alan, SHG ve VSFG konfigürasyonları altında elde edilen görüntüler, VSFG görüntülemenin ortaya çıkardığı benzersiz bilgileri kısaca tartışmaktadır.

Introduction

İkinci dereceden doğrusal olmayan bir optik teknikolan titreşimsel toplam frekans üretimi (VSFG) 1,2, simetriye izin verilen numuneleri kimyasal olarak profillemek için bir spektroskopi aracı olarak yaygın bir şekilde kullanılmıştır 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13, 14,15,16,17,18,19,20,21,22. Geleneksel olarak, VSFG, VSFG aktivitesi için bir gereklilik olan ters çevirme simetrisinden yoksunolan arayüzey sistemleri 8,9,10,11'e (yani gaz-sıvı, sıvı-sıvı, gaz-katı, katı-sıvı) uygulanmıştır. VSFG'nin bu uygulaması, gömülü arayüzlerin 12,13, arayüzlerde su moleküllerinin konfigürasyonları, 14,15,16,17,18 arayüzlerinde ve 19,20,21,22 arayüzlerinde kimyasal türlerin çok sayıda moleküler detayını sağlamıştır.

VSFG, arayüzlerdeki moleküler türleri ve konfigürasyonları belirlemede güçlü olmasına rağmen, inversiyon merkezleri olmayan malzemelerin moleküler yapılarını ölçme potansiyeli yerine getirilmemiştir. Bunun nedeni kısmen, malzemelerin kimyasal ortamlarında, bileşimlerinde ve geometrik düzenlemelerinde heterojen olabilmesi ve geleneksel bir VSFG spektrometresinin 100μm2 mertebesinde geniş bir aydınlatma alanına sahip olmasıdır. Bu nedenle, geleneksel VSFG spektroskopisi, tipik bir 100μm2 aydınlatma alanı üzerinden numunenin topluluk ortalaması alınmış bilgileri hakkında rapor verir. Bu topluluk ortalaması, zıt yönelimlere sahip iyi düzenlenmiş alanlar arasında sinyal iptallerine ve yerel heterojenliklerin yanlış karakterizasyonuna yol açabilir 15,20,23,24.

Neredeyse renk sapmalarından arınmış olan yüksek sayısal açıklık (NA), yansıtıcı tabanlı mikroskop objektiflerindeki (Schwarzschild ve Cassegrain geometrileri) ilerlemelerle, VSFG deneylerinde iki ışının odak boyutu 100 μm 2'den 1-2 μm2'ye ve bazı durumlarda mikron 25'in altına düşürülebilir. Bu teknolojik ilerlemeyi de içeren grubumuz ve diğerleri, VSFG'yi 20,23,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36 mikroskopi platformuna dönüştürdü. Son zamanlarda, çok modlu görüntülerin (VSFG, ikinci harmonik üretim (SHG) ve parlak alan optik) sorunsuz bir şekilde toplanmasını sağlayan ters çevrilmiş bir optik düzen ve geniş bant algılama şeması37 uyguladık. Çok modaliteli görüntüleme, optik görüntüleme kullanarak numunelerin hızlı bir şekilde incelenmesine, çeşitli görüntü türlerinin birbiriyle ilişkilendirilmesine ve numune görüntülerindeki sinyal konumlarının bulunmasına olanak tanır. Akromatik aydınlatma optikleri ve darbeli lazer aydınlatma kaynağı seçimi ile bu optik platform, diğerlerinin yanı sıra Floresan mikroskobu38 ve Raman mikroskobu gibi ek tekniklerin gelecekte sorunsuz entegrasyonuna olanak tanır.

Bu yeni düzenlemede, hiyerarşik organizasyonlar ve bir moleküler kendi kendine montaj sınıfı (MSA'lar) gibi örnekler incelenmiştir. Bu malzemeler, hem kimyasal bileşimin hem de geometrik organizasyonun malzemenin nihai işlevi için önemli olduğu kolajen ve biyomimetikleri içerir. VSFG ikinci dereceden doğrusal olmayan bir optik sinyal olduğundan, moleküller arası mesafe veya bükülme açıları gibi moleküller arası düzenlemelere39,40 özellikle duyarlıdır, bu da onu hem kimyasal bileşimleri hem de moleküler düzenlemeleri ortaya çıkarmak için ideal bir araç haline getirir. Bu çalışma, bir optik parametrik amplifikatörü (OPA) pompalayan iterbiyum katkılı boşluklu katı hal lazeri, ev yapımı çok modlu ters çevrilmiş mikroskop ve iki boyutlu yüklü birleştirilmiş cihaz (CCD) dedektörüne bağlı monokromatör frekans analizöründen oluşan çekirdek cihazın VSFG, SHG ve parlak alan modalitelerini açıklamaktadır27. Adım adım yapım ve hizalama prosedürleri ve kurulumun tam bir parça listesi sağlanır. Temel moleküler alt birimi, bir molekül sodyum-dodesil sülfat (SDS), ortak bir yüzey aktif madde ve iki molekül β-siklodekstrin (β-CD) içeren bir MSA'nın derinlemesine analizi, burada SDS@2 β-CD olarak bilinen, VSFG'nin organize maddenin moleküle özgü geometrik ayrıntılarını nasıl ortaya çıkarabileceğini göstermek için bir örnek olarak verilmiştir. MSA'nın kimyasala özgü geometrik detaylarının bir sinir ağı fonksiyon çözücü yaklaşımı ile belirlenebileceği de gösterilmiştir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Hiperspektral çizgi taramalı VSFG mikroskobu

  1. Lazer sistemi
    1. 1025 nm ± 5 nm'de ortalanmış darbeli bir lazer sistemi ( Malzeme Tablosuna bakın) kullanın. Lazer, ~290 fs darbe genişliğiyle 40 W, 200 kHz (200 μJ/darbe) olarak ayarlanmıştır.
      NOT: Tam tekrarlama oranı değişebilir ve yüksek tekrarlama oranlı bir lazer genellikle bu VSFG mikroskobu için daha iyi çalışır.
    2. Bir orta kızılötesi (MIR) ışını oluşturmak için tohum lazerinin çıkışını ticari bir optik parametrik amplifikatöre (OPA) yönlendirin (bkz. MIR'yi ilgi alanlarının sıklığına göre ayarlayın (Şekil 1A).
      NOT: Bu çalışmada, MIR 3450 nm ± 85 nm'de (~2900 ± 72 cm-1) ~290 fs darbe süresi ve ~6 μJ darbe enerjisi ile ortalanmıştır, bu da -CHx fonksiyonel grup bölgesinin bir kısmını kapsar.
  2. Yukarı dönüşüm ışını
    1. ~4.75 cm-1'lik bir FWHM ile spektral olarak daraltılmış bir yukarı dönüşüm ışını üretmek için OPA'dan kalan 1025 nm ışını bir Fabry-Perot etalonundan (Malzeme Tablosuna bakınız) geçirin.
    2. Daralmış 1025 nm ışını 8 μm safir iğne deliği ile uzamsal olarak filtreleyin.
      NOT: 1025 nm ışın, bir NIR kartı kullanılarak görselleştirilebilir.
    3. 1025 nm darbenin polarizasyonunu bir λ/2 dalga plakası ile kontrol edin (bkz.
  3. MIR ışını
    1. Zamansal örtüşmenin hassas kontrolü için MIR ışınını bir gecikme aşaması boyunca yönlendirin.
    2. MIR'in polarizasyonunu bir λ/2 dalga plakası ile kontrol edin.
  4. VSFG mikroskobu
    1. MIR'ye geçirgen ve NIR'ye yansıtıcı olan özelleştirilmiş bir dikroik aynada (DM, Şekil 1B) hem yukarı dönüşüm hem de MIR ışınlarını uzamsal olarak üst üste bindirin (bkz. Hizalamayı yönlendirmek için iki iris kullanın: biri DM'den hemen sonra, diğeri en uçta. MIR'nin ortalanıp ortalanmadığını belirlemek için iristen sonra bir güç ölçer kullanın ve NIR konumlarını bulmak için bir NIR kartı kullanın.
      NOT: Örtüşmeden sonra, NIR ışını her iki ışını da yönlendirmek için kullanılabilir.
    2. Üst üste binen ışınları, entegre bir 325 Hz tek eksenli rezonans ışın tarayıcı (entegre iki konumlu tarayıcıya (I2PS) monte edilmiş, Şekil 1B) ile ters çevrilmiş bir mikroskoba yönlendirin (bkz.
      NOT: Rezonans tarayıcı, üst üste binen iki ışından oluşan bir çizgiyi kondansatör objektifinin arka açıklığına yansıtır. VSFG/SHG ve parlak alan modaliteleri arasında sorunsuz yeniden yapılandırmayı sağlayan bir kaydırıcıya monte edilmiştir.
    3. Uzamsal olarak üst üste binen iki ışını, tamamen yansıtıcı bir Schwarzschild objektifi ile numuneye odaklayın (SO, Şekil 1B,D) (bkz.
    4. Numune tarafından üretilen VSFG sinyalini sonsuz düzeltmeli bir kırılma objektifi ile toplayın (RO, Şekil 1B,D) (bkz.
    5. Kolimasyonlu çıkış VSFG sinyalini doğrusal bir polarizör ve ardından iki f = 60 mm odak merceğinden (TL1 ve TL2, Şekil 1B,C) oluşan bir telesentrik tüp lens sistemi aracılığıyla yönlendirin (bkz.
      NOT: Tüp lenslerden gelen büyütülmüş görüntü, monokromatörün giriş yarığında oluşturulur (MC, Şekil 1B,C) ve uzamsal/frekans çözümlü veriler iki boyutlu bir CCD dedektöründe algılanır (CCD, Şekil 1B).
  5. SHG modu
    1. SHG görüntülemeye geçmek için, IR ışınını bloke edin ve SHG sinyalini görüntülemek için spektrografın ızgarasını 501.5 nm'ye döndürün.
  6. Parlak alan modu
    1. Parlak alan optik görüntülemeye geçmek için beyaz ışık kaynağını açın (bkz. Görüntüleme objektifi (RO) kondansatör ve kondansatör objektifi (SO) görüntüleme objektifi olacak şekilde ters yayılma yönünde parlak alan görüntüleri toplamak için entegre kaydırıcıyı (I2PS, Şekil 1B) hareket ettirin.
    2. Piyasada bulunan bir tüp lens sistemi kullanarak bir RGB parlak alan kamerasının sensör düzleminde kırılma objektifinin kolimasyonlu çıkışının bir görüntüsünü oluşturun (bkz.

Figure 1
Şekil 1: Multimodal hiperspektral VSFG mikroskobu. (Bir) Çekirdek kurulumun üstten görünümü. Ayarlanabilir bir orta IR darbesi oluşturmak için bir OPA'ya 1025 nm'lik bir pompa lazeri gönderildi. Kalan 1025 nm, sıklıkla bir etalon (E) tarafından daraltıldı ve bir uzamsal filtre (SFG) ile uzamsal olarak bir Gauss ışınına filtrelendi. Mid-IR ve 1025 nm ışınlar, özelleştirilmiş bir dikroik aynada (DM) uzamsal olarak üst üste bindirilir ve ters mikroskopta ( A'da kutulu bölge) yönlendirilir. (B) İki ışın, entegre 2 konumlu bir kaydırıcıya (I2PS) monte edilmiş 325 Hz rezonans ışın tarayıcısına gönderilir ve parlak alan ve doğrusal olmayan optik modaliteler arasında sorunsuz geçiş sağlar. Mikroskop platformu, bir kondansatör görevi gören yansıtıcı tabanlı sonsuzluk düzeltmeli bir Schwarzschild objektifi (SO) ve dikey nano konumlandırma (VNP) z ekseni aşamasına monte edilmiş bir kırılma tabanlı sonsuzluk düzeltmeli görüntüleme objektifi (RO) ile donatılmıştır. SO, rezonans ışın tarayıcısının numuneye yansıttığı gelen ışın çizgisine odaklanırken, RO sinyallerin VSFG çizgi bölümünü toplar. Numunenin yüksek kaliteli görüntüleme için en iyi odak durumunda olmasını sağlamak için RO'nun z ekseni konumunu 1 μm hassasiyetle hassas bir şekilde kontrol etmek önemlidir. VSFG sinyalinin kolimasyonlu hattı daha sonra 2 küvet merceğinden (TL1 ve TL2) oluşan bir tüp lens sistemine yönlendirilir ve monokromatörün (MC) giriş yarığında büyütülmüş bir görüntü oluşturur. Frekansla çözülen spektrum çizgisi daha sonra bir şarj bağlantılı cihazda (CCD) hiperspektral olarak görüntülenir. Her bir hiperspektral çizgi toplandıktan sonra, numune, NP kullanılarak rezonans ışın tarayıcı tarama eksenine dik eksende taranır. Örneğin parlak alan görüntülerini toplamak için, I2PS parlak alan konumuna getirilir ve beyaz ışık kaynağını (WLS) yakalayan bir ayna kurulur. Işık daha sonra RO tarafından odaklanır ve SO tarafından görüntülenir. Daha sonra ters çevrilmiş mikroskobun tepesindeki parlak alan kamerasının (BC) sensör düzleminde bir görüntü oluşturulur. (C) Tüp lens alanından MC ve CCD'ye giden optik yolun ayrıntılı görünümü. (D) SO ve RO arasındaki örnek alanın ayrıntılı görünümü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

2. Hiperspektral mikroskop hizalaması ve dikey CCD ekseni uzamsal kalibrasyonu

  1. 15 mm x 15 mm x 0,170 mm ± 0,005 mm lamel kaplanmış standart bir ZnO (1 μm kalınlığında) desen püskürtme numunesi kullanarak numune düzleminin (nano konumlandırıcı z ekseni) konumunu kabaca optimize edin ve parlak alan görüntüleme yöntemini kullanarak parlak alan odağına getirin.
    NOT: RO'nun z konumunun yanı sıra beyaz ışığın hizalanmasının gerektiği gibi ayarlanması gerekebilir. Hizalama kalibrasyonu için kullanılan cam desen üzerindeki ZnO'nun temsili bir görüntüsü Şekil 2'de gösterilmektedir.
  2. I2PS'yi doğrusal olmayan aydınlatma koluna geri taşıyın ve CCD kamerada gözlemlenen ZnO bölgeleri tarafından üretilen maksimum rezonanssız VSFG yoğunluğu için örnek yüksekliğini optimize edin.
    NOT: RO'nun z konumu maksimum yoğunluk için ayarlanmalıdır. Numunenin optimum yüksekliğine ve RO'ya ulaşılmadan önce 2.1 ve 2.2 adımlarının birkaç kez yinelenmesi gerekebilir.
  3. Rezonans ışın tarayıcısını açın ve görüntülerin bir satırını toplayın.
  4. Numuneyi ışın tarayıcı yönüne dik olarak tarayarak rezonans olmayan yoğunlukta görüntüler toplayın. Görüntü verilerinin dikey dilimlerini alın ve piksel:mikron oranını belirleyin. ( Şekil 3'e ve açıklamasına bakın).
    NOT: Bu çizgi bölümlerinin türevi, gelecekteki görüntüler için kullanılacak dikey CCD ekseni piksel:mikron oranını üretmek için analiz edilir.

Figure 2
Şekil 2: Bir ZnO modelinin parlak alan görüntüleme modalitesinin kaba hizalaması için temsili görüntü kalitesi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 3
Şekil 3: Dikey eksen kalibrasyonu iş akışı. Bu şekil, CCD piksellerinin μm biriminde dikey uzamsal boyutlara nasıl dönüştürüleceğini göstermektedir. (A) ZnO desenli lamel bir görüntü toplanır ve yeniden oluşturulur. Ardından, desenin bir kenarından diğer kenarlarına piksel mesafesi ( A'daki küçük dikey çubuk). ZnO desen çaprazı 25 μm genişliğe sahip olacak şekilde tasarlandığından, fiziksel/piksel boyut oranını hesaplamak için burada fiziksel genişliğin piksel genişliğine oranı kullanılabilir. Temsili, dikey eksen kalibre edilmiş bir görüntü (B)'de gösterilmiştir. (C) Son olarak, kırmızı çizgi ile gösterildiği gibi dikey bir dilim alınır. (D) Uzamsal çözünürlüğü elde etmek için dikey dilimin türevi alınır. Uzamsal çözünürlüğü elde etmek için dikey dilimin türevi kullanılır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

3. Hiperspektral veri toplama

  1. Spektrumları yatay eksen boyunca dağılmış ve uzamsal konumlar CCD'nin dikey ekseninde kaydedilen CCD'deki VSFG sinyallerinin dikey bir çizgisinin spektrumlarını toplayın.
    NOT: Bu, tek satırlık bir bölüm için iki boyutlu bir veri kümesiyle sonuçlanır.
  2. Numunenin çizgi kesiti hiperspektral olarak görüntülendikten sonra, üç boyutlu nano konumlandırıcıyı kullanarak çizgi tarama eksenine dik eksende numuneyi tarayın (NP, Şekil 1).
    NOT: 3D nano konumlandırıcı, numune bölgelerinin (xy düzlemi) konumlandırılmasında ve numunenin odağa getirilmesinde (z ekseni) yüksek hassasiyet ve tekrarlanabilirlik için önemlidir.
  3. VSFG hiperspektral görüntüsü toplamak için adım 3.1 ile adım 3.2 arasında yineleyin.

4. Hiperspektral veri analizi

  1. MatLab görüntüleme araç kutusu hiperspektral görüntüleme kitaplığı iş akışını kullanarak verileri spektral olarak çözün41.
    NOT: Spektral karıştırma, uzamsal konumları benzersiz spektrumlarla ilişkilendirir. Hiperspektral veri analizi için Matlab kodu Ek Dosya 1'de verilmiştir.
    1. Matlab görüntü işleme araç kutusu hiperspektral görüntüleme kitaplığı41'deki hiperküp işlevini kullanarak 4 boyutlu bir hiperküp (x = uzamsal, y = uzamsal, z = frekansa bağlı yoğunluk, ω = frekans) oluşturun.
    2. Yanlış alarm olasılığı (PFA) değeri 10-7 olan countEndmembersHFC işleviyle benzersiz spektrum sayısını belirleyin.
    3. nfindr spektral karıştırma işlevini kullanarak benzersiz spektrumları tanımlayın.
    4. Son olarak, sid işlevini kullanarak, her pikseli önceki adımda tanımlanan benzersiz spektrumlardan biriyle ilişkilendirin.
      NOT: MatLab Hiperspektral Görüntüleme Kütüphanesi41'de sunulan alternatif fonksiyonlar/algoritmalar ile ek spektral karıştırma ve eşleştirme yöntemleri yapılabilir.
  2. İzole edilmiş her sayfa için toplam verileri Voigt işlevine42 (Ek Dosya 1) sığdırın.
    NOT: Lorentz fonksiyonu saf homojen çizgi şekli sınırını temsil ederken, Gauss fonksiyonu homojen olmayan sınırlardan kaynaklanır. Gerçekte, sistemler homojen ve homojen olmayan sınırların bir kombinasyonunda olabilir, bu da VSFG dahil olmak üzere yoğunlaştırılmış faz spektroskopisi için yaygın bir uygulama olan bir Voigt işlevi gerektirir.

5. Numunenin geometrik analizi

  1. Adım 5.2-5.3'te belirtilen prosedürü izleyerek numunelerin geometrisini belirleyin. Bu çalışmada SDS@2 β-CD örnek olarak kullanılmıştır. SDS@2 β-CD mezo-yaprak örneğinin moleküler alt birimininC7 simetrisine dayalı olarak χ(2)'nin simetriye izin verilen tensör elemanlarını türetin.
    NOT: χ(2)' ye izin verilen simetri simetriye bağlıdır. Herhangi bir simetrinin izin verilen doğrusal olmayan duyarlılığını hesaplamak için referans43'e bakın.
  2. Laboratuvar çerçevesi ölçümlerini moleküler çerçeveyle ilişkilendirmek için Euler rotasyonunu27 uygulayın.
    NOT: SDS@2 β-CD durumunda,C7 simetrisi, 8 çıkışla (laboratuvar çerçevesi χ(2)) 8 girişle (6 bağımsız hiperpolarize edilebilirlik β(2) ve iki açı: Θ, tüm tabakaların numune düzlemine göre eğim açısı ve φ, tabakanın düzlem içi dönüşü (Şekil 4)). İki tabakanın ortak moleküler hizalamalarını çıkarmak için iki tabaka kullanılır. φ 1 ve φ2 arasındaki ilişkiler (iki yaprağın düzlem içi dönüş açısı) parlak alan görüntülerinden çıkarılabilir. Geçerli örnekte, φ2 =φ 1 + 60°. Tüm moleküler birimlerin aynı açıda olduğu varsayılır, bu nedenle Θ1 = Θ2. Bu, 11 bilinmeyenle sonuçlanır (9 bağımsız olan, 6 bağımsız hiperpolarize edilebilirlik β(2), Θ 1 ve φ1 ve N tabakaları ileφ 2 ve Θ2 olan iki bağımlı açı arasındaki bağıl kapsama oranı) 16 bilinen için (yaprak başına 8 laboratuvar çerçevesi polarizasyonu ve iki yaprak).
  3. Polarizasyonla çözülmüş laboratuvar çerçevesi χ(2) ve moleküler çerçeve hiperpolarize edilebilirlik β(2)'yi bir sinir ağı işlev çözücüsü ile ilişkilendirin.
    NOT: Bu yaklaşımın ayrıntılı bir özeti referans27'de bulunabilir.
    1. Python44'te200-100-50 düğüm yapısından ve hiperbolik bir teğet aktivasyon fonksiyonundan oluşan Keras'ı kullanarak katmanlı bir sinir ağı modeli oluşturun.
    2. β(2), Θ 1, Θ2, φ1, φ 2 ve N değerlerinden oluşan rastgele oluşturulmuş 100000 x 11 matris oluşturun. Euler dönüşleri ile 5.2'de belirlenen denklemi kullanarak karşılık gelen laboratuvar çerçevesi 16 χ(2)'yi hesaplayın.
    3. Hesaplanan χ(2) değerlerini (toplam 100.000 x 16 değer) girdi olarak kullanın ve 16 χ(2) değeri sağlandığında 11 değeri (β(2), Θ 1, Θ 2, φ1, φ2 ve N) tahmin etmeyi öğrenin.
    4. Eğitildikten sonra, eğitilen modeli test etmek için hem giriş hem de çıkışlarla birlikte başka bir 1000 giriş kümesi kullanın. Tahmin edilen çıktı ve gerçek çıktı, eğimi 1 olan doğrusal bir ilişki göstermelidir.
    5. Son olarak, deneysel olarak ölçülen χ(2)'yi iki sayfadan sağlayın (her sayfada 8 χ(2 ) ölçülmüştür) ve diğer özelliklerle birlikte eğim açısını Θ tahmin etmek için eğitilmiş modeli kullanın.

Figure 4
Şekil 4: Euler dönüşümünün gösterimi. (A) Laboratuvar koordinatları (XYZ) ikinci dereceden duyarlılık χ(2) ve moleküler koordinatlar (xyz) hiperpolarize edilebilirlikβ ijk arasındaki Euler dönüşümünün gösterimi. z-y'-z'' Euler dönüşü, düzlem içi dönüş açısı olarak φ, eğim açısı olarak θ ve büküm açısı olarak ψ olmak üzere moleküler koordinatlarda gerçekleştirilir. ψ, moleküler eksen etrafında rastgele bükülme açıları için entegre edilmiştir. φ entegre değildir, çünkü tüm moleküller kendi kendine monte edilmiş tabakaları oluşturmak için laboratuvar çerçevesine göre belirli bir açıda döner. N, iki yaprağın nispi yüzey kaplamasıdır. (B) Sinir ağı sonuçları tarafından belirlenen bir tabaka oluşturan eğik alt birimlerin görselleştirilmesi. Bu rakam Wagner ve ark.27'den değiştirilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figure 5
Şekil 5: SDS@β-CD'nin moleküler yapısı, morfolojisi ve potansiyel oryantasyonu. (A) SDS@β-CD'nin üstten görünüş ve (B) yandan görünüş kimyasal yapısı. (C) Numune düzlemi üzerinde orta ölçekli tabakaların temsili heterojen numune dağılımı. Moleküler alt birim, substrat üzerinde bilinmeyen farklı yönelimlere ve hizalamaya sahip olabilir. Bu rakam Wagner ve ark.27'den değiştirilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Mikroskobun benzersiz şekilde organize edilmiş moleküler yapılar ile izotropik kütle arasında ayrım yapma yeteneği, SDS@2 β-CD numunesi23,34 ile gösterilmiştir (Şekil 5). Bu çalışmada numune, iki çözünen %10 m/m konsantrasyona ulaşana kadar 2:1 oranında deiyonize su (DI) suyuna β-CD ve SDS eklenerek hazırlanmıştır. Süspansiyon daha sonra berraklığa kadar ısıtıldı ve gece boyunca oda sıcaklığına soğutuldu. Elektrostatik etkileşimleri ayarlamak için CuCl2, 1:10 CuCl2:SDS konsantrasyonunda ilave edildi ve karışımın SDS@2 β-CD mezo tabakalarının tam olarak oluşması için 3-5 gün bekletildi. Son olarak, 10.000 rpm'de çalışan bir spin kaplayıcıya yapıştırılmış 15 mm x 15 mm x 0.170 mm'lik bir lamel üzerine 5 μL tabaka süspansiyonun damla dökümü ± izole mezo-tabakalar üretildi.

Orta ölçekli tabakalar, belirli birC7 simetrisi ile kendi kendine montajlarından oluşmuştur. Yine de, bu kendi kendine birleşmedeki tek moleküler birimin moleküler yönelimi hakkında net değildir, bu da maddi işlevleri etkileyebilecek temel bir bilgidir. (Şekil 5C). Bir lamel üzerine dağılmış kendinden montajlı levhaların VSFG görüntüleri yakalandı (Şekil 6A). Matlab hiperspektral görüntüleme fonksiyonunu kullanan spektral tanımlama (adım 4 Hiperspektral veri analizi) yoluyla, tüm tabakaların biri daha yüksek VSFG yoğunluğuna sahip (Şekil 6B'de mavi spektrumlar ve Şekil 6A'da mavi ile etiketlenmiş tabakalar) ve diğeri daha düşük yoğunluklu olmak üzere iki türe ayrılabileceği bulundu. Optik görüntüyü inceleyerek ve karşılaştırarak (Şekil 6C,D), görüntülerin ortasındaki büyük tabakanın çift tabaka yığılmış olduğu ortaya çıktı, böylece iki farklı yönlendirme tabakası arasındaki yıkıcı girişim nedeniyle daha küçük VSFG yoğunluğu atfedildi. Tek tabaka, tek moleküler birim oryantasyonunu çıkarmak için odaklandı (Şekil 6A'da mavi olanlar). Sayfalardan ikisi (Şekil 6A'da kırmızı ve mavi karelerle vurgulanmıştır) çeşitli VSFG polarizasyonları ile ölçüldü ve spektrumlar Voigt fonksiyonları kullanılarak yerleştirildi. VSFG polarizasyonunun sipariş sinyali, yukarı dönüşüm ve MIR'de tanımlandığına dikkat edin. Örneğin, SSP, IR'nin P polarizasyonu, yukarı dönüşümün S polarizasyonu ve sinyallerin S polarizasyonu anlamına gelir.

Figure 6
Şekil 6: Parlak alan modalitesi ile polarizasyon çözülmüş VSFG görüntü bindirmesi. (A) SDS@2 β-CD'nin polarizasyonu çözülmüş (SSS) hiperspektral VSFG görüntüsü. Mor ve pembe renkler, farklı spektrumların bulunduğu alanları temsil eder ve karşılık gelen spektrumlar, sırasıyla mavi ve macenta spektrumları için ~56 ve ~26 sinyal-gürültü oranına sahip tek pikseller için temsili spektrumlar olan (B)'de çizilir. Kırmızı ve mavi kutulardaki tabakalar, supramolekül eğim açılarını çıkarmak için aşağıda açıkça analiz edilmiştir. (C) (A)'dakiyle aynı alanın parlak alan görüntüsü. (D) Aynı alanın optik görüntüsü ile kaplanmış VSFG hiperspektral görüntüsü. (E) Soldan sağa: (A)'daki kırmızı ve mavi kutularda vurgulanan iki tek yaprak içinde 180 ve 480 pikselden fazla toplanan PPS, PPP, SSP ve SSS polarizasyon çözülmüş spektrumları. Tüm spektrumlar, yaklaşık 2910 cm-1 merkezli baskın bir özelliğe ve 1000 mertebesinde bir sinyal-gürültü oranına sahipti. Spektrumlar, gölgeli alanlarla temsil edilen ve daha fazla oryantasyon analizi için kullanılan çoklu Voigt fonksiyonları ile donatıldı. Bu rakam Wagner ve ark.27'den değiştirilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Daha sonra, moleküler yönelimleri çıkarmak için, simetriye izin verilen hiperpolarize edilebilirlik, Equation 1 daha önce yayınlanmış prosedür43 kullanılarak simetri seçim kuralı tarafından izin verilen ilk olarak belirlendi. Daha sonra laboratuvar çerçevesi ile moleküler çerçeve arasındaki ilişki Euler rotasyonu27'den türetilir. Eğim açısı θ daha sonra yukarıda özetlenen sinir ağı yöntemi kullanılarak çıkarılır ve eğim açısının ~23° olduğu bulunmuştur (Şekil 6).

Son olarak, bu platformda37multimodal görüntüleme yeteneği gösterilmiştir (Şekil 7). Burada SDS@2 β-CD, kollajen ve L-fenilalanil-L-fenilalanin (FF) olmak üzere üç farklı örnek, parlak alan, SHG ve VSFG görüntüleme modaliteleri ile mikroskopla incelenmiştir. Her şeyden önce, tüm örnekler farklı görüntüleme modalitelerinde benzer morfolojiler gösterdi. Hem SHG hem de VSFG, optik görüntülerde eksik olan uzamsal olarak yoğunluk değişimleri gösterdi. SHG ve VSFG'nin her ikisi de sıralı sentrosimetrik olmayan yapılar gerektirdiğinden, sinyal yoğunluğundaki varyasyon, yerel moleküler sıralamadaki veya moleküler yönelimlerdeki varyasyonlardan kaynaklanabilir. SHG'den farklı olarak, VSFG'nin MIR ışını farklı titreşim modlarıyla rezonansa girecek şekilde ayarlanabilir. Burada gösterilen durumda, CHx titreşim modları 3.5 μm'de ve Amid-I modu 6 μm'de incelenmiştir. FF için, güçlü ve tekdüze sinyallere sahip VSFG görüntüleri elde edildi, bu da tüm titreşim grupları için iyi düzenlenmiş kendi kendine monte edilmiş bir yapı önerdi - kristalin doğasıyla uyumlu. Buna karşılık, kollajen numunesi, Amid bölgesi üzerinde CHx bölgesinde daha güçlü bir VSFG sinyali sergiledi, bu da numunelerin esnek olduğunu ve titreşim gruplarının farklı derecelerde düzene sahip olduğunu gösterdi.

Figure 7
Şekil 7: Üç farklı numunenin multimodal görüntüleri. (Bir i-A iii) 3.5 μm bölge görüntülerinin sırasıyla SDS@2 β-CD parlak alan, SHG (PP polarizasyon) ve VSFG (PPP polarizasyon). Doğrusal olmayan görüntüler, parlak alan görüntüleriyle kaplanır. SDS ve 2β-CD'nin kimyasal yapıları ai'nin ekinde gösterilmiştir. (B i-B iv) Liyofilize kollajen parlak alan, SHG (PP polarizasyon), VSFG (PPP polarizasyon) sırasıyla 3.5 μm ve 6 μm bölgeler. Glisin, prolin ve hidroksiprolin'den oluşan kollajenin birincil protein trimer kalıntısının kimyasal yapısı, Bi'nin iç kısmında gösterilmiştir. (C i-Civ) Sırasıyla 3.5 μm ve 6 μm bölgelerin FF parlak alanı, SHG (PP polarizasyonu) ve VSFG (PPP polarizasyonu). FF moleküler alt birimlerinin kimyasal yapısı, ci'nin girişinde gösterilmiştir. 6 μm'lik görüntülerin tümü, ortam havasındaki nemden kaynaklanan zayıflamayı gidermek için temizlenmiş bir nitrojen cihazı ortamında çekilir. SDS@2 β-CD, Amid gruplarına sahip olmadığı için 6 μm'de bir VSFG görüntüsüne sahip değildir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Dosya 1: Hiperspektral veri analizi için Matlab kodu Bu Dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

En kritik adımlar 1.42 ile 1.44 arasındadır. Optik uzamsal çözünürlük için objektif merceği iyi hizalamak çok önemlidir. Yayılan sinyalin toplanması, iletilmesi ve tarama ışınının giriş yarıklarında bir çizgi olarak yansıtılması da önemlidir. Doğru hizalamalar, en iyi çözünürlüğü ve sinyal-gürültü oranını garanti eder. SDS@2 β-CD 100 μm x 100 μm yaprak gibi tipik bir örnek için, yüksek sinyal-gürültü oranına sahip iyi çözünürlüklü bir görüntü (~1 μm çözünürlük) 20 dakika sürer. Bu,24,26 cihazının önceki sürümünden daha hızlı. Veri toplama hızının daha da artırılması, daha yüksek tekrarlama oranlı bir lazerle gerçekleştirilebilir.

Mevcut sınırlama, daha da yüksek NA objektif optikler ve potansiyel doğrusal olmayan optik tabanlı süper çözünürlük teknikleri ile daha da geliştirilebilecek uzamsal çözünürlüktür45. Heterodin tespiti, fazını çözmek vemoleküler yönelimleri 5,46,47,48 çıkarmak için VSFG spektroskopisinde uygulanmıştır. Bu, deneyimizdeki teknik olarak yapılabilir. Bununla birlikte, VSFG görüntüleme doğal olarak numuneden sinyal saçılımına dayanır, bu da fazını karıştırır ve böylece moleküler oryantasyon ile VSFG sinyalinin fazı arasındaki ilişkileri karmaşıklaştırır.

Malzemelerin morfolojisini kimyasal özgüllükle görüntülemek zordur çünkü birçok görüntüleme tekniği moleküler duyarlılıktan yoksundur. Hızlı hiperspektral VSFG mikroskobu, moleküler titreşim imzalarını araştırarak ve malzeme bilimi, kimya ve biyolojide önemli olan orta ölçekli organize maddenin moleküler hizalamalarını ortaya çıkararak bu boşluğu doldurur. Gelecekte, aydınlatma optiğinin yansıtıcı doğası, diğer tekniklerin ana cihaza entegre edilmesini sağlayacak, yeteneklerini daha da artıracak ve kimyasal, biyolojik ve malzeme numunelerinin çok modlu görüntülerini mümkün kılacaktır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yok.

Acknowledgments

Cihaz geliştirme, Grant NSF CHE-1828666 tarafından desteklenmektedir. ZW, JCW ve WX, Ulusal Sağlık Enstitüleri, Ulusal Genel Tıp Bilimleri Enstitüsü, Hibe 1R35GM138092-01 tarafından desteklenmektedir. BY, Çin Bilimler Akademisi (CAS, 2021183) Gençlik İnovasyonu Teşvik Derneği tarafından desteklenmektedir.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Kimya Sayı 202 kızılötesi görüntüleme doğrusal olmayan optik yapı-özellik kendinden montaj titreşimsel toplam-frekans üretimi toplam frekans üretim mikroskobu hiperspektral görüntüleme malzeme karakterizasyonu hiyerarşik organizasyon
Çizgi Taramalı Titreşimli Toplam Frekans Oluşturma Mikroskobu Kullanılarak Multimodal Doğrusal Olmayan Hiperspektral Kimyasal Görüntüleme
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wagner, J. C., Yang, B., Wu, Z.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter