Waiting
Login processing...

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

Chemistry

הדמיה כימית היפרספקטרלית מולטימודאלית לא ליניארית באמצעות מיקרוסקופ יצירת סכום תדר רטט בסריקת קווים

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

מסגרת הדמיה היפרספקטרלית מהירה ורב-מודאלית פותחה כדי לקבל תמונות בפס רחב של יצירת סכום תדר רטט (VSFG), יחד עם שיטות הדמיה של שדה בהיר, דור הרמוני שני (SHG). בשל היותו של תדר האינפרא אדום מהדהד עם תנודות מולקולריות, מתגלה ידע מבני מיקרוסקופי ומורפולוגיה מזוסקופית על דגימות המותרות לסימטריה.

Abstract

יצירת סכום תדר רטט (VSFG), אות אופטי לא ליניארי מסדר שני, שימש באופן מסורתי לחקר מולקולות בממשקים כטכניקת ספקטרוסקופיה ברזולוציה מרחבית של ~100 מיקרומטר. עם זאת, הספקטרוסקופיה אינה רגישה להטרוגניות של דגימה. כדי לחקור דגימות הטרוגניות מבחינה מזוסקופית, דחפנו יחד עם אחרים את גבול הרזולוציה של ספקטרוסקופיית VSFG לרמה של ~1 מיקרומטר ובנינו את המיקרוסקופ VSFG. טכניקת הדמיה זו יכולה לא רק לפתור מורפולוגיות דגימה באמצעות הדמיה, אלא גם להקליט ספקטרום VSFG בפס רחב בכל פיקסל של התמונות. בהיותה טכניקה אופטית לא ליניארית מסדר שני, כלל הבחירה שלה מאפשר הדמיה של מבנים לא צנטרוסימטריים או כיראליים בהרכבה עצמית הנפוצים בביולוגיה, מדעי החומרים וביו-הנדסה, בין היתר. במאמר זה, הקהל יונחה באמצעות עיצוב שידור הפוך המאפשר הדמיה של דגימות לא קבועות. עבודה זו גם מראה כי מיקרוסקופ VSFG יכול לפתור מידע גיאומטרי ספציפי לכימיקלים של יריעות בודדות בהרכבה עצמית על ידי שילובו עם פותר פונקציות רשת עצבית. לבסוף, התמונות המתקבלות תחת תצורות brightfield, SHG ו- VSFG של דגימות שונות דנות בקצרה במידע הייחודי שנחשף על ידי הדמיה VSFG.

Introduction

יצירת סכום תדר רטט (VSFG), טכניקה אופטית לא ליניארית מסדר שני1,2, שימשה באופן נרחב ככלי ספקטרוסקופיה לפרופיל כימי של דגימות מותרות לסימטריה 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13, 14,15,16,17,18,19,20,21,22. באופן מסורתי, VSFG יושם על מערכות בין-פנים 8,9,10,11 (כלומר, גז-נוזל, נוזל-נוזל, גז-מוצק, מוצק-מוצק), אשר חסרות סימטריה היפוך - דרישה לפעילות VSFG. יישום זה של VSFG סיפק שפע של פרטים מולקולריים של ממשקים קבורים 12,13, תצורות של מולקולות מים בממשקים 14,15,16,17,18, ומינים כימיים בממשקים 19,20,21,22.

למרות ש-VSFG היה רב עוצמה בקביעת מינים מולקולריים ותצורות בממשקים, הפוטנציאל שלו במדידת מבנים מולקולריים של חומרים חסרי מרכזי היפוך לא מומש. הסיבה לכך היא שהחומרים יכולים להיות הטרוגניים בסביבתם הכימית, בהרכביהם ובסידור הגיאומטרי שלהם, ולספקטרומטר VSFG מסורתי יש שטח הארה גדול בסדר גודל של 100 מיקרומטר2. לפיכך, ספקטרוסקופיית VSFG מסורתית מדווחת על מידע ממוצע של הדגימה על פני שטח תאורה טיפוסי של 100 מיקרומטר2. ממוצע אנסמבל זה עלול להוביל לביטולי אותות בין תחומים מסודרים היטב עם אוריינטציות הפוכות ואפיון שגוי של הטרוגניות מקומיות 15,20,23,24.

עם התקדמות בצמצם מספרי גבוה (NA), מטרות מיקרוסקופ מבוססות רפלקטיביות (גאומטריות שוורצשילד וקסגריין), שהן כמעט נטולות סטיות כרומטיות, ניתן להקטין את גודל המיקוד של שתי האלומות בניסויי VSFG מ-100 מיקרון 2 ל-1-2 מיקרון2 ובמקרים מסוימים תת-מיקרון25. כולל התקדמות טכנולוגית זו, הקבוצה שלנו ואחרים פיתחו VSFG לפלטפורמת מיקרוסקופיה 20,23,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36. לאחרונה, יישמנו פריסה אופטית הפוכה וערכת זיהוי פס רחב37, המאפשרת איסוף חלק של תמונות רב-מודאליות (VSFG, דור הרמוני שני (SHG) ואופטיקה בהירה). ההדמיה הרב-מודאלית מאפשרת בדיקה מהירה של דגימות באמצעות הדמיה אופטית, התאמה בין סוגים שונים של תמונות ואיתור מיקומי אותות על גבי תמונות הדגימה. עם אופטיקת ההארה האכרומטית והבחירה במקור הארה לייזר פועם, פלטפורמה אופטית זו מאפשרת שילוב חלק בעתיד של טכניקות נוספות כגון מיקרוסקופ פלואורסצנטי38 ומיקרוסקופ ראמאן, בין היתר.

בסידור חדש זה נחקרו דגימות כגון ארגונים היררכיים ומחלקה של הרכבות עצמיות מולקולריות (MSAs). חומרים אלה כוללים קולגן וביומימטיקה, כאשר הן ההרכב הכימי והן הארגון הגיאומטרי חשובים לתפקוד הסופי של החומר. מכיוון ש-VSFG הוא אות אופטי לא ליניארי מסדר שני, הוא רגיש במיוחד לסידורים בין-מולקולריים39,40, כגון מרחק בין-מולקולרי או זוויות פיתול, מה שהופך אותו לכלי אידיאלי לחשיפת הרכבים כימיים וסידורים מולקולריים. עבודה זו מתארת את אופני VSFG, SHG ושדה בהיר של מכשיר הליבה המורכב מלייזר מצב מוצק מסומם בחלל ytterbium השואב מגבר פרמטרי אופטי (OPA), מיקרוסקופ הפוך רב-מודאלי שנבנה בבית ומנתח תדרים מונוכרומטור המחובר לגלאי מכשיר מצומד טעון דו-ממדי (CCD)27. נהלי בנייה ויישור שלב אחר שלב, ורשימת חלקים מלאה של ההתקנה, מסופקים. ניתוח מעמיק של MSA, שתת-היחידה המולקולרית הבסיסית שלו מורכבת ממולקולה אחת של נתרן-דודציל סולפט (SDS), חומר פעיל שטח נפוץ, ושתי מולקולות של β-ציקלודקסטרין (β-CD), הידועות בשם SDS@2 β-CD כאן, מובאות גם הן כדוגמה כדי להראות כיצד VSFG יכול לחשוף פרטים גיאומטריים ספציפיים למולקולה של חומר מאורגן. כמו כן, הוכח כי ניתן לקבוע פרטים גיאומטריים ספציפיים לכימיקלים של MSA באמצעות גישת פותר פונקציות רשת עצבית.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. מיקרוסקופ VSFG היפרספקטרלי לסריקת קווים

  1. מערכת לייזר
    1. השתמש במערכת לייזר פועם (ראה טבלת חומרים) שמרכזה 1025 ננומטר ± 5 ננומטר. הלייזר מוגדר על 40 W, 200 kHz (200 μJ / pulse) עם רוחב פולס של ~ 290 fs.
      הערה: קצב החזרה המדויק יכול להשתנות, ולייזר בקצב חזרה גבוה בדרך כלל עובד טוב יותר עבור מיקרוסקופ VSFG זה.
    2. להנחות את הפלט של לייזר הזרעים לתוך מגבר פרמטרי אופטי מסחרי (OPA) כדי ליצור קרן אינפרא אדום בינונית (MIR) (ראה טבלה של חומרים). כוונן את ה-MIR לתדירות תחומי העניין (איור 1A).
      הערה: במחקר הנוכחי, ה-MIR מרוכז ב-3450 ננומטר ±-85 ננומטר (~2900 ± 72 ס"מ-1) עם משך פולס של ~290 fs ואנרגיית פולס של ~6 μJ, המקיפה חלק מאזור הקבוצה הפונקציונלית -CHx .
  2. קרן המרה משודרגת
    1. העבירו את הקרן השיורית של 1025 ננומטר מ-OPA דרך אטלון פברי-פרוט (ראו טבלת חומרים) כדי לייצר קרן המרה מצומצמת ספקטרלית עם FWHM של ~4.75 ס"מ-1.
    2. סנן מרחבית את הקרן הצרה של 1025 ננומטר עם חור סיכה ספיר של 8 מיקרומטר.
      הערה: ניתן להמחיש את קרן 1025 ננומטר באמצעות כרטיס NIR.
    3. שלוט בקיטוב של פולס 1025 ננומטר באמצעות לוח גל λ/2 (ראה טבלת חומרים).
  3. קרן MIR
    1. להנחות את קרן MIR דרך שלב השהיה לשליטה עדינה בחפיפה הטמפורלית.
    2. שלוט בקיטוב של MIR באמצעות לוח גל λ/2.
  4. מיקרוסקופ VSFG
    1. חפיפה מרחבית הן של ההמרה והן של קרני MIR במראה דיכרואית מותאמת אישית (DM, איור 1B) שהיא טרנסמיסיבית ל-MIR ומשקפת ל-NIR (ראו טבלת חומרים). השתמש בשתי קשתית כדי לכוון את היישור: אחת מיד אחרי ה- DM, ואחת בקצה הרחוק. השתמש במד חשמל אחרי הקשתית כדי לקבוע אם MIR ממורכז, והשתמש בכרטיס NIR כדי לאתר מיקומי NIR.
      הערה: לאחר החפיפה, ניתן להשתמש בקרן NIR כדי להנחות את שתי הקורות.
    2. כוונו את האלומות החופפות למיקרוסקופ הפוך באמצעות סורק קרן תהודה חד-צירי משולב של 325 הרץ (המורכב על סורק משולב בעל שני מיקומים (I2PS), איור 1B) (ראו טבלת חומרים).
      הערה: סורק התהודה מקרין קו של שתי אלומות חופפות על הצמצם האחורי של מטרת המעבה. הוא מותקן על מחוון המאפשר הגדרה מחדש חלקה בין מודולי VSFG/SHG ושדה בהיר.
    3. מקדו את שתי האלומות החופפות מרחבית אל הדגימה עם מטרת שוורצשילד רפלקטיבית בלבד (SO, איור 1B,D) (ראו טבלת חומרים).
    4. אספו את אות ה-VSFG שנוצר על-ידי הדגימה עם מטרת שבירה מתוקנת אינסוף (RO, איור 1B,D) (ראו טבלת חומרים).
    5. הנח את אות VSFG הפלט המשולב דרך מקטב ליניארי ולאחר מכן דרך מערכת עדשות צינור טלצנטרית המורכבת משתי עדשות מוקד f = 60 מ"מ (TL1 ו- TL2, איור 1B,C) (ראה טבלת חומרים).
      הערה: התמונה המוגדלת מעדשות הצינור נוצרת בחריץ הכניסה של המונוכרומטור (MC, איור 1B,C), והנתונים המפוענחים מרחבית/תדר מזוהים בגלאי CCD דו-ממדי (CCD, איור 1B).
  5. מצב SHG
    1. כדי לעבור להדמיית SHG, חסום את קרן האינפרא-אדום וסובב את הסורג של הספקטרוגרף ל-501.5 ננומטר כדי לצלם את אות ה-SHG.
  6. מצב Brightfield
    1. כדי לעבור להדמיה אופטית של שדה בהיר, הפעל את מקור האור הלבן (ראה רשימת חומרים). הזיזו את המחוון המשולב (I2PS, איור 1B) כדי לאסוף תמונות בשדה בהיר בכיוון ההתפשטות הנגדית, כאשר מטרת ההדמיה (RO) משמשת כמעבה ומטרת המעבה (SO) משמשת כמטרת ההדמיה.
    2. צור תמונה של הפלט המשולב של מטרת השבירה במישור החיישן של מצלמת שדה בהיר RGB באמצעות מערכת עדשת צינור זמינה מסחרית (ראה טבלת חומרים).

Figure 1
איור 1: מיקרוסקופ VSFG היפרספקטרלי רב-מודאלי. (א) תצוגה עליונה של הגדרת הליבה. לייזר משאבה של 1025 ננומטר נשלח ל- OPA כדי ליצור פולס אמצע IR מתכוונן. שארית 1025 ננומטר צומצמה לעתים קרובות על ידי אטלון (E) וסוננה מרחבית לקרן גאוס על ידי מסנן מרחבי (SFG). אלומות אמצע IR ו- 1025 ננומטר חופפות מרחבית במראה דיכרואית מותאמת אישית (DM) ומונחות דרך המיקרוסקופ ההפוך (אזור קופסה ב- A). (B) שתי האלומות נשלחות לסורק קרן תהודה של 325 הרץ המורכב על מחוון משולב בעל 2 מצבים (I2PS), המאפשר מעבר חלק בין שדה בהיר לאופטיקה לא ליניארית. פלטפורמת המיקרוסקופ מצוידת במטרת שוורצשילד מתוקנת אינסוף (SO) מבוססת רפלקטיבי הפועלת כמעבה ומטרת הדמיה מתוקנת אינסוף מבוססת שבירה (RO) המורכבת לשלב ציר z של ננו-מיקום אנכי (VNP). ה- SO ממקד את קו האלומות הנכנסות שסורק קרן התהודה מחזיר על הדגימה בעוד RO אוסף את קטע קו VSFG של אותות. חשוב לשלוט בעדינות במיקום ציר z של RO בדיוק של 1 מיקרומטר כדי להבטיח שהדגימה נמצאת במצב המוקד הטוב ביותר להדמיה באיכות גבוהה. הקו המשולב של אות VSFG מופנה למערכת עדשות צינור המורכבת משתי עדשות אמבט (TL1 ו- TL2), ויוצר תמונה מוגדלת בחריץ הכניסה של המונוכרומטור (MC). לאחר מכן, קו הספקטרום המזוהה עם תדר מצולם באופן היפרספקטרלי במכשיר מצומד מטען (CCD). לאחר איסוף כל קו היפרספקטרלי, הדגימה נסרקת בציר המאונך לציר סריקת קרן התהודה באמצעות NP. כדי לאסוף תמונות שדה בהירות של הדגימה, I2PS מועבר למצב שדה בהיר, ומראה המיירטת את מקור האור הלבן (WLS) מותקנת. לאחר מכן האור ממוקד על ידי RO ומצולם על ידי SO. לאחר מכן נוצרת תמונה במישור החיישן של מצלמת שדה הבהיר (BC) בחלק העליון של המיקרוסקופ ההפוך. (C) תצוגה מפורטת של הנתיב האופטי דרך אזור עדשת הצינור לתוך MC ו-CCD. (D) תצוגה מפורטת של אזור הדגימה בין SO ו-RO. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

2. יישור מיקרוסקופ היפרספקטרלי וכיול מרחבי של ציר CCD אנכי

  1. מטב באופן גס את מיקום מישור הדגימה (ננו מיקום ציר z) באמצעות דגימה סטנדרטית של תבנית ZnO (בעובי 1 מיקרומטר) המצופה 15 מ"מ x 15 מ"מ x 0.170 מ"מ ± 0.005 מ"מ והבא אותו למיקוד שדה בהיר באמצעות מודאליות ההדמיה של שדה בהיר.
    הערה: ייתכן שיהיה צורך לכוונן את מיקום ה-z של ה-RO, כמו גם את היישור של האור הלבן, לפי הצורך. תמונה מייצגת של ה-ZnO על תבנית הזכוכית המשמשת לכיול היישור מוצגת באיור 2.
  2. החזירו את ה-I2PS לזרוע ההארה הלא ליניארית ומטבו את גובה הדגימה לקבלת עוצמת VSFG המרבית ללא תהודה הנוצרת על ידי אזורי ZnO שנצפו במצלמת CCD.
    הערה: יש לכוונן את מיקום z של RO לעוצמה מרבית. ייתכן שיהיה צורך לחזור על שלבים 2.1 ו -2.2 כמה פעמים לפני הגובה האופטימלי של הדגימה, RO מגיעים.
  3. הפעל את סורק קרן התהודה ואסוף שורה מהתמונות.
  4. אסוף תמונות בעוצמה שאינה תהודה על-ידי סריקת הדגימה בניצב לכיוון סורק הקרן. צלמו פרוסות אנכיות מנתוני התמונה וקבעו את יחס הפיקסלים:מיקרון. (עיין באיור 3 ובמקרא שלו).
    הערה: הנגזרת של קטעי קו אלה מנותחת כדי להפיק את יחס הפיקסלים:מיקרון של ציר CCD אנכי שישמש לתמונות עתידיות.

Figure 2
איור 2: איכות תמונה מייצגת ליישור גס של מודאליות הדמיה של שדה בהיר של תבנית ZnO. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: זרימת עבודה של כיול ציר אנכי. איור זה מדגים כיצד להמיר את הפיקסלים של CCD לממדים מרחביים אנכיים ביחידה של מיקרומטר. (A) תמונה נאספת ומשוחזרת של תלוש הכיסוי בדוגמת ZnO. לאחר מכן, מרחק הפיקסלים מקצוות אחד לשני קצוות דוגמת המילוי (פס אנכי קטן ב - A). מכיוון שצלב תבנית ZnO מתוכנן להיות ברוחב של 25 מיקרומטר, ניתן להשתמש כאן ביחס בין רוחב פיזי לרוחב פיקסלים כדי לחשב את יחס הממד הפיזי/פיקסלי. תמונה ייצוגית מכויילת של ציר אנכי מוצגת ב- (B). (C) לבסוף, פרוסה אנכית נלקחת כפי שמצוין על ידי הקו האדום. (D) הנגזרת של הפרוסה האנכית נלקחת כדי לקבל את הרזולוציה המרחבית. הנגזרת של הפרוסה האנכית משמשת לקבלת הרזולוציה המרחבית. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

3. איסוף נתונים היפרספקטרלי

  1. אספו את הספקטרום של קו אנכי של אותות VSFG ב-CCD, שהספקטרום שלו מפוזר לאורך הציר האופקי ומיקומים מרחביים נרשמים על הציר האנכי של ה-CCD.
    הערה: התוצאה היא ערכת נתונים דו-ממדית עבור מקטע של שורה אחת.
  2. לאחר שמקטע הקו של הדגימה מצולם באופן היפרספקטרלי, סרוק את הדגימה בציר המאונך לציר סריקת הקו באמצעות ננו-מיקום תלת-ממדי (NP, איור 1).
    הערה: מיקום הננו התלת-ממדי חשוב לדיוק גבוה וליכולת שחזור באיתור אזורי דגימה (מישור x-y) וכן בהבאת הדגימה למיקוד (ציר z).
  3. בצע איטראציה בין שלב 3.1 לשלב 3.2 כדי לאסוף תמונה היפרספקטרלית של VSFG.

4. ניתוח נתונים היפרספקטרלי

  1. בטל באופן ספקטרלי את ערבוב הנתונים באמצעות זרימת העבודה של ספריית ההדמיה ההיפרספקטרלית של MatLab41.
    הערה: ערבוב ספקטרלי מתאם מיקומים מרחביים לספקטרום ייחודי. קוד Matlab לניתוח נתונים היפרספקטרליים מסופק בקובץ משלים 1.
    1. צור היפר-קובייה 4-ממדית (x = מרחבית, y = מרחבית, z = עוצמה תלוית תדר, ω = תדר) באמצעות פונקציית ההיפר-קוביה בארגז הכלים לעיבוד תמונה Matlab ספריית הדמיה היפרספקטרלית41.
    2. זהה את מספר הספקטרום הייחודי באמצעות הפונקציה countEndmembersHFC עם הסתברות לערך אזעקת שווא (PFA) של 10-7.
    3. זהה ספקטרום ייחודי באמצעות פונקציית הערבוב הספקטרלית של nfindr .
    4. לבסוף, באמצעות הפונקציה sid , שייך כל פיקסל לאחד מהספקטרום הייחודי שזוהה בשלב הקודם.
      הערה: ניתן לבצע שיטות נוספות של פירוק ערבוב והתאמה ספקטרליות עם פונקציות/אלגוריתמים חלופיים המוצעים בספריית ההדמיה ההיפרספקטרליתMatLab 41.
  2. התאם את סכום הנתונים עבור כל גיליון מבודד לפונקציה Voigt42 (קובץ משלים 1).
    הערה: הפונקציה לורנציאנית מייצגת את גבול צורת הקו ההומוגני הטהור, בעוד שפונקציית גאוס מקורה בגבולות לא הומוגניים. במציאות, המערכות יכולות להיות בשילוב של גבולות הומוגניים ולא הומוגניים, מה שדורש פונקציית Voigt - פרקטיקה נפוצה עבור ספקטרוסקופיית פאזה מעובה, כולל VSFG.

5. ניתוח גיאומטרי של המדגם

  1. קבע את הגיאומטריה של הדגימות בהתאם להליך שהוזכר בשלב 5.2-5.3. במחקר זה, SDS@2 β-CD משמש כדוגמה. לגזור את יסודות הטנזור המותרים לסימטריה של χ(2) בהתבסס על הסימטריה C7 של תת-היחידה המולקולרית של דגימת יריעות המזו-CD SDS@2 β-CD.
    הערה: הסימטריה המותרת χ(2) תלויה בסימטריה. כדי לחשב את הרגישות הלא-ליניארית המותרת של סימטריה כלשהי, עיין בהפניה43.
  2. החל את סיבוב אוילר27 כדי לקשר את מדידות מסגרת המעבדה למסגרת המולקולרית.
    הערה: במקרה של SDS@2 β-CD, הסימטריה C7 שלו מובילה לשמונה משוואות בלתי תלויות המקשרות בין 8 יציאות (מסגרת מעבדה χ(2)) ל-8 כניסות (6 היפרפולריזציה בלתי תלויה β(2), ושתי זוויות: Θ, זווית ההטיה ביחס למישור הדגימה של כל היריעונות, ו-φ, הסיבוב במישור של היריעה (איור 4)). שתי יריעות משמשות לחילוץ היישור המולקולרי המשותף של שתי היריעות. ניתן לחלץ את היחסים בין φ1 φ2 (זווית הסיבוב במישור של שני היריעונות) מתמונות שדה בהיר. בדוגמה הנוכחית, φ2 = φ1 + 60°. ההנחה היא שכל אריח היחידה המולקולרית באותה זווית, ולכן Θ1 = Θ2. התוצאה היא 11 נעלמים (9 בלתי תלויים, כולל 6 היפרפולריזביליות בלתי תלויה β(2), Θ 1 ו-φ1, ויחס הכיסוי היחסי בין היריעות N, לבין שתי הזוויות התלויות, שהן φ 2 ו-Θ2) עבור 16 ידועים (8 קיטוב מסגרת מעבדה לגיליון, ושני גיליונות).
  3. קשר את מסגרת המעבדה שנפתרה בקיטוב χ(2) ואת ההיפרפולריזביליות של המסגרת המולקולרית β(2) עם פותר פונקציות רשת עצבית.
    הערה: סיכום מפורט של גישה זו ניתן למצוא בהפניה27.
    1. צור מודל רשת עצבית שכבתית בפייתון44באמצעות Keras המורכב ממבנה צומת 200-100-50 ופונקציית הפעלה משיקה היפרבולית.
    2. צור מטריצה אקראית של 100000 x 11 של ערכים של β(2), Θ 1, Θ 2, φ1, φ 2 ו- N. חשב את מסגרת המעבדה המתאימה 16 χ(2), באמצעות המשוואה שנקבעה ב- 5.2 על ידי סיבובי אוילר.
    3. השתמש בערכי χ(2) המחושבים (סה"כ 100,000 על 16 ערכים) כקלט, ולמד לחזות 11 ערכים (β(2), Θ 1, Θ 2, φ1, φ 2 ו- N) כאשר מסופק 16 χ(2) ערכים.
    4. לאחר האימון, השתמש בקבוצה נוספת של 1000 ערכים עם הקלט והפלט כדי לבדוק את המודל המאומן. התפוקה החזויה והפלט האמיתי צריכים להראות קשר ליניארי עם שיפוע של 1.
    5. לבסוף, ספקו את χ(2) שנמדד בניסוי משני גיליונות (בכל גיליון נמדדו 8 χ(2), והשתמשו במודל המאומן כדי לחזות את זווית ההטיה Θ, יחד עם תכונות אחרות.

Figure 4
איור 4: איור של טרנספורמציית אוילר. (A) איור של טרנספורמציית אוילר בין קואורדינטות המעבדה (XYZ) רגישות מסדר שני χ(2) לבין הקואורדינטות המולקולריות (xyz) היפרפולריזציה βijk. סיבוב אוילר z-y'-z'' מתבצע על הקואורדינטות המולקולריות, כאשר φ כזווית הסיבוב במישור, θ כזווית ההטיה, ו-ψ כזווית הפיתול. ψ משולב החוצה עבור זוויות פיתול שרירותיות על הציר המולקולרי. φ אינו משולב מכיוון שכל המולקולות מסתובבות לזווית מסוימת ביחס למסגרת המעבדה כדי ליצור את היריעות בהרכבה עצמית. N הוא כיסוי פני השטח היחסי של שתי היריעות. (B) הדמיה של תת-היחידות המוטות היוצרות יריעה שנקבעת על ידי תוצאות הרשת העצבית. נתון זה שונה מ-Wagner et al.27. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figure 5
איור 5: מבנה מולקולרי, מורפולוגיה ואוריינטציה פוטנציאלית של SDS@β-CD . (A) מבט מלמעלה ו-(B) מבנה כימי של SDS@β-CD. (C) התפלגות דגימה הטרוגנית מייצגת של יריעות המזוסקאלה במישור המדגם. תת-היחידה המולקולרית יכולה להיות בעלת כיוונים ויישור שונים על המצע, דבר שאינו ידוע. נתון זה שונה מ-Wagner et al.27. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

יכולתו של המיקרוסקופ להבחין בין מבנים מולקולריים המאורגנים באופן ייחודי לבין תפזורת איזוטרופית מודגמת באמצעות דגימת SDS@2 β-CD23,34 (איור 5). במחקר זה, הדגימה הוכנה על ידי הוספת β-CD ו-SDS למים דה-יוניים (DI) ביחס של 2:1 עד ששני המומסים הגיעו לריכוז של 10% m/m. לאחר מכן התחממו המתלים לבהירות והתקררו לטמפרטורת החדר למשך הלילה. CuCl2 נוסף בריכוז של 1:10 CuCl2:SDS כדי לכוונן את האינטראקציות האלקטרוסטטיות והתערובת הורשתה לשבת במשך 3-5 ימים כדי שגיליונות מזו-CD SDS@2 β-CD ייווצרו במלואם. לבסוף, יריעות מזו-יריעות מבודדות יוצרו על ידי יציקת טיפה 5 μL של מתלה היריעה על מכסה 15 מ"מ x 15 מ"מ x 0.170 מ"מ ± 0.005 מ"מ המודבק לציפוי מסתובב הפועל ב -10,000 סל"ד.

יריעות המזוסקאלה נוצרו מהרכבן העצמי עם סימטריה ספציפית של C7. עם זאת, לא ברור לגבי האוריינטציה המולקולרית של היחידה המולקולרית היחידה בהרכבה עצמית זו, ידע בסיסי שיכול להשפיע על תפקודי החומר. (איור 5C). תמונות VSFG של יריעות בהרכבה עצמית המפוזרות על תלוש כיסוי צולמו (איור 6A). באמצעות זיהוי ספקטרלי (שלב 4 ניתוח נתונים היפרספקטרלי) באמצעות פונקציית ההדמיה ההיפרספקטרלית Matlab, נמצא כי ניתן לסווג את כל היריעות לשני סוגים, אחד עם עוצמת VSFG גבוהה יותר (ספקטרום כחול באיור 6B, וגיליונות המסומנים בכחול באיור 6A), והשני בעוצמה נמוכה יותר. על-ידי בדיקה והשוואה עם התמונה האופטית (איור 6C,D), היריעה הגדולה במרכז התמונות נראתה כבעלת יריעות כפולות שנערמו, ובכך ייחסה את עוצמת VSFG הקטנה יותר עקב הפרעות הרסניות בין שני יריעות הכיוון השונות. היריעה היחידה התמקדה כדי לחלץ את כיוון היחידה המולקולרית הבודדת (הכחולים באיור 6A). שתיים מהיריעות (המודגשות בריבועים אדומים וכחולים באיור 6A) נמדדו על-ידי קיטוב VSFG שונים, והספקטרום הותקן באמצעות פונקציות Voigt. הערה הקיטוב VSFG מתואר באות הסדר, up-conversion ו- MIR. לדוגמה, SSP פירושו קיטוב P של IR, קיטוב S של המרה מעלה וקיטוב S של אותות.

Figure 6
איור 6: קיטוב נפתר שכבת על של תמונת VSFG עם מודאליות שדה בהיר. (A) תמונת VSFG היפרספקטרלית של SDS@2 β-CD (Polarization resolved (SSS). צבעי סגול וורוד מייצגים אזורים שבהם שוכנים ספקטרום שונה, והספקטרום המתאים משורטט ב-(B), שהם ספקטרום מייצג עבור פיקסלים בודדים עם יחס אות לרעש עבור ספקטרום כחול ומגנטה ~56 ו~26, בהתאמה. היריעות בקופסאות האדומות והכחולות מנותחות במפורש להלן כדי לחלץ את זוויות ההטיה של העל-מולקולה. (C) תמונת שדה בהיר של אותו אזור כמו זו שב-(A). (D) תמונה היפרספקטרלית VSFG בשכבת-על עם תמונה אופטית של אזור זהה. (E) משמאל לימין: PPS, PPP, SSP ו-SSS קיטוב פתור ספקטרום מסכם מעל 180 ו-480 פיקסלים בתוך שני הגיליונות הבודדים המסומנים בתיבות אדומות וכחולות ב-(A). לכל הספקטרום הייתה תכונה דומיננטית שמרכזו בערך 2910 ס"מ-1 ויחס אות לרעש בסדר גודל של 1000. הספקטרום צויד במספר פונקציות Voigt, אשר היו מיוצגות על ידי האזורים המוצללים, ושימשו לניתוח כיוון נוסף. נתון זה שונה מ-Wagner et al.27. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

לאחר מכן, כדי לחלץ את האוריינטציות המולקולריות, נקבעה לראשונה יכולת ההיפרפולריזציה Equation 1 המותרת על ידי סימטריה, המותרת על ידי כלל בחירת הסימטריה, באמצעות הליך43 שפורסם קודם לכן. אז הקשר בין מסגרת המעבדה לבין המסגרת המולקולרית נגזר מסיבובאוילר 27. לאחר מכן מחלצים את זווית ההטיה θ בשיטת הרשת העצבית שתוארה לעיל, וזווית ההטיה נמצאה ~23° (איור 6).

לבסוף, היכולת של הדמיה רב-מודאלית בפלטפורמה זו37מוצגת (איור 7). כאן שלוש דגימות שונות, כלומר, SDS@2 β-CD, קולגן, ו- L-phenylalanyl-L-פנילאלנין (FF), נחקרות עם המיקרוסקופ עם שיטות הדמיה brightfield, SHG ו- VSFG. ראשית, כל הדגימות הראו מורפולוגיות דומות בשיטות הדמיה שונות. גם SHG וגם VSFG הראו שינויי עוצמה מרחבית, דבר שחסר בתמונות אופטיות. מכיוון שגם SHG וגם VSFG דורשים מבנים לא צנטרוסימטריים מסודרים, השונות בעוצמת האות יכולה לנבוע משינויים בסדר מולקולרי מקומי או באוריינטציות מולקולריות. שלא כמו SHG, ניתן לכוונן את קרן MIR של VSFG כדי להדהד עם מצבי רטט שונים. במקרה המוצג כאן, מצבי הרטט CHx נחקרו ב-3.5 מיקרומטר ומצב Amid-I ב-6 מיקרומטר. עבור FF, התקבלו תמונות VSFG עם אותות חזקים ואחידים, מה שמרמז על מבנה מסודר היטב בהרכבה עצמית עבור כל קבוצות הרטט - המסכים עם טבעו הגבישי. לעומת זאת, דגימת הקולגן הציגה אות VSFG חזק יותר באזור CHx מעל אזור אמיד, מה שמצביע על כך שהדגימות גמישות ולקבוצות הרטט שלהן יש דרגות שונות של סדר.

Figure 7
איור 7: תמונות רב-מודאליות של שלוש דגימות שונות. (א i-A iii) SDS@2 β-CD brightfield, SHG (קיטוב PP) ו-VSFG (קיטוב PPP) של תמונות אזור 3.5 מיקרומטר, בהתאמה. תמונות לא ליניאריות מכוסות בתמונות שדה בהיר. מבנים כימיים של SDS ו- 2β-CD מוצגים בכניסה של i. (ב ט-ב ד) שדה בהיר קולגן ליופילי, SHG (קיטוב PP), VSFG (קיטוב PPP) של אזורי 3.5 מיקרומטר ו-6 מיקרומטר בהתאמה. המבנה הכימי של שאריות טרימר החלבון הראשוני של קולגן, המורכב מגליצין, פרולין והידרוקסיפרולין, מוצג בהופעת Bi. (ג i-civ) FF brightfield, SHG (קיטוב PP) ו-VSFG (קיטוב PPP) של אזורים של 3.5 מיקרומטר ו-6 מיקרומטר בהתאמה. המבנה הכימי של תת-היחידות המולקולריות של FF מוצג בכניסה של ci. כל התמונות בגודל 6 מיקרומטר מצולמות תחת סביבת מכשיר חנקן מטוהר כדי להסיר הנחתה מלחות האוויר בסביבה. ל- SDS@2 β-CD אין תמונת VSFG ב- 6 מיקרומטר מכיוון שאין לו קבוצות Amid. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

קובץ משלים 1: קוד Matlab לניתוח נתונים היפרספקטרלי אנא לחץ כאן להורדת קובץ זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

השלבים הקריטיים ביותר הם מ 1.42 ל 1.44. קריטי ליישר היטב את עדשת האובייקט לקבלת רזולוציה אופטית מרחבית. חשוב גם לאסוף את האות הנפלט, להעביר ולהקרין את קרן הסריקה כקו בחריצי הכניסה. יישור נכון יבטיח את הרזולוציה הטובה ביותר ואת יחס האות לרעש. עבור דגימה טיפוסית, כגון גיליונות SDS@2 β-CD בגודל 100 מיקרומטר על 100 מיקרומטר, תמונה ברזולוציה טובה (רזולוציה של ~1 מיקרומטר) עם יחס אות לרעש גבוה תארך 20 דקות. זה כבר מהיר יותר מאשר הגרסה הקודמת של המכשיר24,26. שיפור נוסף של מהירות רכישת הנתונים יכול להתממש על ידי לייזר קצב חזרה גבוה יותר.

המגבלה הנוכחית היא רזולוציה מרחבית, אשר יכולה להשתפר עוד יותר עם אופטיקה אובייקטיבית NA גבוהה עוד יותר וטכניקות פוטנציאליות מבוססות אופטיקה לא ליניארית ברזולוציית על45. זיהוי הטרודין יושם בספקטרוסקופיית VSFG כדי לפתור את הפאזה שלו ולחלץ את האוריינטציות המולקולריות 5,46,47,48. זה אפשרי מבחינה טכנית בניסוי שלנו. עם זאת, הדמיית VSFG מסתמכת באופן טבעי על פיזור האות מהדגימה, אשר מגרדת את הפאזה שלה ובכך מסבכת את היחסים בין הכיוון המולקולרי לבין הפאזה של אות VSFG.

הדמיה של מורפולוגיה של חומרים בעלי ספציפיות כימית היא מאתגרת מכיוון שטכניקות הדמיה רבות חסרות רגישויות מולקולריות. מיקרוסקופ VSFG היפרספקטרלי מהיר ממלא את החלל הזה על ידי חקירת חתימות רטט מולקולריות וחשיפת יישור מולקולרי של חומר מאורגן מזוסקלי החשובים במדעי החומרים, כימיה וביולוגיה. בעתיד, האופי הרפלקטיבי של אופטיקת ההארה יאפשר לשלב טכניקות אחרות במכשיר הליבה, להגדיל עוד יותר את יכולותיו ולאפשר תמונות רב-מודאליות של דגימות כימיות, ביולוגיות וחומריות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgments

פיתוח המכשיר נתמך על ידי Grant NSF CHE-1828666. ZW, JCW ו- WX נתמכים על ידי המכונים הלאומיים לבריאות, המכון הלאומי למדעי הרפואה הכלליים, מענק 1R35GM138092-01. BY נתמך על ידי האגודה לקידום חדשנות נוער, האקדמיה הסינית למדעים (CAS, 2021183).

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

כימיה גיליון 202 דימות אינפרא אדום אופטיקה לא ליניארית מבנה-רכוש הרכבה עצמית יצירת סכום-תדר רטט מיקרוסקופ יצירת סכום-תדר הדמיה היפרספקטרלית אפיון חומרים ארגון היררכי
הדמיה כימית היפרספקטרלית מולטימודאלית לא ליניארית באמצעות מיקרוסקופ יצירת סכום תדר רטט בסריקת קווים
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