Summary
Для получения широкополосных изображений с генерацией колебаний с суммарной частотой (VSFG) была разработана мультимодальная структура быстрой гиперспектральной визуализации, а также модально визуализации светлопольной генерации второй гармоники (ГВГ). Благодаря тому, что инфракрасная частота резонирует с молекулярными колебаниями, выявлены микроскопические структурные и мезоскопические морфологические знания образцов с допустимой симметрией.
Abstract
Вибрационная генерация суммарной частоты (VSFG), нелинейный оптический сигнал второго порядка, традиционно используется для изучения молекул на границах раздела в качестве метода спектроскопии с пространственным разрешением ~100 мкм. Однако спектроскопия не чувствительна к неоднородности образца. Для изучения мезоскопически гетерогенных образцов мы вместе с другими сотрудниками снизили предел разрешающей способности VSFG-спектроскопии до уровня ~1 мкм и построили VSFG-микроскоп. Этот метод визуализации позволяет не только разрешать морфологию образца с помощью визуализации, но и регистрировать широкополосный спектр VSFG в каждом пикселе изображений. Будучи нелинейно-оптическим методом второго порядка, его правило выбора позволяет визуализировать нецентросимметричные или хиральные самоорганизующиеся структуры, обычно встречающиеся, в частности, в биологии, материаловедении и биоинженерии. В этой статье слушатели познакомятся с конструкцией инвертированной передачи, которая позволяет визуализировать нефиксированные образцы. Эта работа также демонстрирует, что микроскопия VSFG может разрешать химически специфичную геометрическую информацию отдельных самоорганизующихся листов, комбинируя ее с решателем функций нейронной сети. Наконец, изображения, полученные в конфигурациях светлого поля, SHG и VSFG различных образцов, кратко обсуждают уникальную информацию, полученную с помощью визуализации VSFG.
Introduction
Вибрационная генерация суммарной частоты (VSFG), нелинейно-оптический метод второго порядка1,2, широко используется в качестве спектроскопического инструмента для химического профилирования образцов 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13. 14,15,16,17,18,19,20,21,22. Традиционно VSFG применялся к межфазным системам 8,9,10,11 (т.е. газ-жидкость, жидкость-жидкость, газ-твердое тело, твердое тело-жидкость), в которых отсутствует инверсионная симметрия, необходимая для активности VSFG. Это применение VSFG предоставило множество молекулярных деталей скрытых границ 12, 13, конфигураций молекул воды на границах 14, 15, 16, 17, 18 и химических веществ на границах 19, 20, 21, 22.
Несмотря на то, что VSFG обладает мощными возможностями в определении молекулярных форм и конфигураций на границах раздела, его потенциал в измерении молекулярных структур материалов, лишенных инверсионных центров, не был реализован. Отчасти это связано с тем, что материалы могут быть неоднородными по своему химическому окружению, составу и геометрическому расположению, а традиционный спектрометр VSFG имеет большую площадь освещения порядка 100мкм2. Таким образом, традиционная спектроскопия VSFG сообщает об усредненной по ансамблю информации об образце в типичной области освещенности 100мкм2. Это усреднение ансамбля может привести к подавлению сигналов между хорошо упорядоченными доменами с противоположной ориентацией и неверной характеристике локальных неоднородностей 15,20,23,24.
Благодаря достижениям в области объективов для микроскопов с высокой числовой апертурой (NA), отражающих объективов (геометрии Шварцшильда и Кассегрена), которые почти не содержат хроматических аберраций, размер фокуса двух пучков в экспериментах VSFG может быть уменьшен со 100 мкм2 до 1-2мкм2, а в некоторых случаях и субмикрон25. Включая это технологическое достижение, наша группа и другие разработали VSFG в платформу для микроскопии 20,23,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36. Недавно мы внедрили инвертированную оптическую схему и широкополосную схему обнаружения37, которая позволяет получать бесшовный сбор мультимодальных изображений (VSFG, генерация второй гармоники (SHG) и светлопольная оптическая). Мультимодальная визуализация позволяет быстро исследовать образцы с помощью оптической визуализации, сопоставлять различные типы изображений вместе и определять положение сигналов на изображениях образцов. Благодаря ахроматической оптике и выбору импульсного лазерного источника освещения эта оптическая платформа позволяет в будущем бесшовно интегрировать дополнительные методы, такие как флуоресцентная микроскопия38 и рамановская микроскопия, среди прочих.
В этой новой схеме были изучены такие образцы, как иерархические организации и класс молекулярных самосборок (MSA). К таким материалам относятся коллаген и биомиметики, где как химический состав, так и геометрическая организация важны для конечной функции материала. Поскольку VSFG является нелинейно-оптическим сигналом второго порядка, он особенно чувствителен к межмолекулярным структурам39,40, таким как межмолекулярное расстояние или углы скручивания, что делает его идеальным инструментом для выявления как химического состава, так и молекулярного расположения. В данной работе описываются модальности VSFG, SHG и светлого поля основного прибора, состоящего из твердотельного лазера, легированного иттербием, который накачивает оптический параметрический усилитель (OPA), самодельного мультимодального инвертированного микроскопа и монохроматорного анализатора частоты, соединенного с детектором27 с двумерным заряженным связанным устройством (ПЗС). Предоставляются пошаговые процедуры конструирования и выравнивания, а также полный перечень деталей установки. Углубленный анализ MSA, фундаментальная молекулярная субъединица которого состоит из одной молекулы додецилсульфата натрия (SDS), распространенного поверхностно-активного вещества, и двух молекул β-циклодекстрина (β-CD), известного здесь как SDS@2 β-CD, также представлен в качестве примера, показывающего, как VSFG может выявить специфические для молекул геометрические детали организованной материи. Также было продемонстрировано, что химически специфичные геометрические детали MSA могут быть определены с помощью подхода решателя функций нейронной сети.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Гиперспектральный линейный сканирующий микроскоп VSFG
- Лазерная система
- Используйте импульсную лазерную систему (см. Таблицу материалов) с центром на длине волны 1025 нм ± 5 нм. Лазер настроен на 40 Вт, 200 кГц (200 мкДж/импульс) с длительностью импульса ~290 фс.
ПРИМЕЧАНИЕ: Точная частота повторения может варьироваться, и лазер с высокой частотой повторения, как правило, лучше подходит для этого микроскопа VSFG. - Направьте выходной сигнал лазера на коммерческий оптический параметрический усилитель (OPA) для генерации луча среднего инфракрасного диапазона (MIR) (см. таблицу материалов). Настройте MIR на интересующую частоту (рис. 1А).
ПРИМЕЧАНИЕ: В настоящем исследовании MIR центрируется на длине волны 3450 нм ± 85 нм (~2900 ± 72 см-1) с длительностью импульса ~290 фс и энергией импульса ~6 мкДж, которая охватывает часть области функциональной группы -CHx .
- Используйте импульсную лазерную систему (см. Таблицу материалов) с центром на длине волны 1025 нм ± 5 нм. Лазер настроен на 40 Вт, 200 кГц (200 мкДж/импульс) с длительностью импульса ~290 фс.
- Луч с повышающим преобразованием
- Пропустите остаточный пучок с длиной волны 1025 нм от OPA через эталон Фабри-Перо (см. таблицу материалов), чтобы получить спектрально суженный пучок с повышенным преобразованием с FWHM ~4,75 см-1.
- Пространственная фильтрация суженного пучка с длиной волны 1025 нм с помощью сапфирового отверстия размером 8 мкм.
ПРИМЕЧАНИЕ: Пучок с длиной волны 1025 нм может быть визуализирован с помощью карты NIR. - Управление поляризацией импульса с длиной волны 1025 нм с помощью волновой пластины λ/2 (см. Таблицу материалов).
- Балка МИР
- Проведите луч MIR через стадию задержки для точного контроля временного перекрытия.
- Управляйте поляризацией MIR с помощью волновой пластины λ/2.
- Микроскоп VSFG
- Пространственно перекрывают как восходящее преобразование, так и MIR-лучи на настраиваемом дихроичном зеркале (DM, рис. 1B), которое пропускает MIR и отражает NIR (см. таблицу материалов). Используйте две радужные оболочки для выравнивания: одну сразу после DM, а другую на дальнем конце. Используйте измеритель мощности после диафрагмы, чтобы определить, центрирован ли MIR, и используйте карту NIR для определения положения NIR.
ПРИМЕЧАНИЕ: После перекрытия балка NIR может быть использована для направления обеих балок. - Направьте перекрывающиеся лучи в инвертированный микроскоп со встроенным одноосевым сканером резонансного пучка с частотой 325 Гц (установленным на встроенном двухпозиционном сканере (I2PS), рис. 1B) (см. таблицу материалов).
ПРИМЕЧАНИЕ: Резонансный сканер проецирует линию из двух перекрывающихся лучей на заднее отверстие объектива конденсатора. Он смонтирован на ползунке, который обеспечивает плавную реконфигурацию между модальностями VSFG/SHG и светлым полем. - Сфокусируйте два пространственно перекрывающихся пучка на образце с помощью чисто отражающего объектива Шварцшильда (SO, рис. 1B, D) (см. таблицу материалов).
- Соберите сигнал VSFG, генерируемый образцом, с помощью рефракционного объектива с поправкой на бесконечность (RO, рис. 1B, D) (см. таблицу материалов).
- Проведите коллимированный выходной сигнал VSFG через линейный поляризатор, а затем через систему телецентрических трубчатых линз, состоящую из двух фокальных линз f = 60 мм (TL1 и TL2, рис. 1B, C) (см. таблицу материалов).
ПРИМЕЧАНИЕ: Увеличенное изображение с линз трубки формируется во входной щели монохроматора (MC, рис. 1B, C), а данные с пространственным/частотным разрешением регистрируются на двумерном ПЗС-детекторе (ПЗС-матрица, рис. 1B).
- Пространственно перекрывают как восходящее преобразование, так и MIR-лучи на настраиваемом дихроичном зеркале (DM, рис. 1B), которое пропускает MIR и отражает NIR (см. таблицу материалов). Используйте две радужные оболочки для выравнивания: одну сразу после DM, а другую на дальнем конце. Используйте измеритель мощности после диафрагмы, чтобы определить, центрирован ли MIR, и используйте карту NIR для определения положения NIR.
- Режим SHG
- Чтобы переключиться на ГВГ-визуализацию, заблокируйте ИК-луч и поверните решетку спектрографа на 501,5 нм для получения изображения сигнала ГВГ.
- Режим светлого поля
- Чтобы переключиться на светлопольную оптическую визуализацию, включите источник белого света (см. Таблицу материалов). Переместите встроенный ползунок (I2PS, рис. 1B) для сбора изображений светлого поля в противоположном направлении, при этом объектив изображения (RO) выступает в качестве конденсатора, а конденсорный объектив (SO) — в качестве объектива изображения.
- Сформируйте изображение коллимированного выхода преломляющего объектива в плоскости сенсора светлопольной RGB-камеры с помощью коммерчески доступной системы трубчатая линза (см. таблицу материалов).
Рисунок 1: Мультимодальный гиперспектральный ВСФГ-микроскоп. (А) Вид сверху на основную установку. Лазер накачки с длиной волны 1025 нм был отправлен в OPA для генерации перестраиваемого импульса среднего ИК-диапазона. Остаточные 1025 нм часто сужались эталоном (E) и пространственно фильтровались в гауссов пучок с помощью пространственного фильтра (SFG). Пучки среднего ИК-диапазона и длины волны 1025 нм пространственно перекрываются на настраиваемом дихроичном зеркале (DM) и направляются через инвертированный микроскоп (прямоугольная область в А). (B) Два луча направляются на сканер резонансного луча с частотой 325 Гц, установленный на встроенном 2-позиционном слайдере (I2PS), что обеспечивает плавное переключение между модальностями светлого поля и нелинейной оптической модальностью. Платформа микроскопа оснащена рефлективным объективом Шварцшильда (SO) с коррекцией бесконечности, действующим как конденсатор, и рефракционным объективом с коррекцией бесконечности (RO), установленным на столике вертикального нанопозиционирования (VNP) по оси Z. SO фокусирует линию входящих пучков, которые сканер резонансного пучка отражает на образец, в то время как RO собирает линейный участок сигналов VSFG. Важно точно контролировать положение обратного оси по оси Z с точностью до 1 мкм, чтобы убедиться, что образец находится в наилучшем фокальном состоянии для получения высококачественной визуализации. Коллимированная линия сигнала VSFG затем направляется на систему трубчатых линз, состоящую из 2 линз (TL1 и TL2), формируя увеличенное изображение на входе в щель монохроматора (MC). Линия спектров с частотным разрешением затем гиперспектрально изображается на приборе с зарядовой связью (ПЗС). После сбора каждой гиперспектральной линии образец сканируется по оси, перпендикулярной оси сканирования резонансного луча сканера, с помощью НЧ. Для сбора изображений яркого поля образца I2PS перемещается в положение светлого поля и устанавливается зеркало, перехватывающее источник белого света (WLS). Затем свет фокусируется RO и визуализируется SO. Затем изображение формируется в сенсорной плоскости светлопольной камеры (БК) в верхней части инвертированного микроскопа. (C) Детальное изображение оптического пути через область трубчатой линзы в МС и ПЗС. (D) Детальный вид области отбора проб между SO и RO. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
2. Юстировка гиперспектрального микроскопа и пространственная калибровка по вертикальной оси ПЗС-матрицы
- Грубо оптимизируйте положение плоскости образца (ось Z нанопозиционера) с помощью стандартного образца ZnO (толщиной 1 мкм) с покрытием 15 мм x 15 мм x 0,170 мм ± покровным стеклом 0,005 мм и приведите его в светлопольный фокус с помощью модальности визуализации светлого поля.
ПРИМЕЧАНИЕ: Z-положение обратного осмоса, а также выравнивание белого света могут быть отрегулированы по мере необходимости. Репрезентативное изображение ZnO на стеклянной схеме, используемой для калибровки юстировки, показано на рисунке 2. - Переместите I2PS обратно на плечо нелинейной подсветки и оптимизируйте высоту образца для максимальной нерезонансной интенсивности VSFG, генерируемой областями ZnO, наблюдаемыми на ПЗС-камере.
ПРИМЕЧАНИЕ: Z-положение обратного осмоса должно быть отрегулировано для максимальной интенсивности. Возможно, придется повторить шаги 2.1 и 2.2 несколько раз, прежде чем будет достигнута оптимальная высота образца и RO. - Включите сканер резонансного луча и соберите строку изображений.
- Получение изображений нерезонансной интенсивности путем сканирования образца перпендикулярно направлению сканера луча. Возьмите вертикальные срезы данных изображения и установите соотношение пиксель:микрон. (см. рисунок 3 и его условные обозначения).
ПРИМЕЧАНИЕ: Производная этих участков линий анализируется для получения вертикального соотношения пикселей и микрон по оси ПЗС, которое будет использоваться для будущих изображений.
Рисунок 2: Репрезентативное качество изображения для грубого выравнивания модальности изображения светлого поля диаграммы ZnO. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Рабочий процесс калибровки по вертикальной оси. На этом рисунке показано, как преобразовать пиксели ПЗС-матрицы в вертикальные пространственные размеры в единицах измерения мкм. (A) Собрано и реконструировано изображение покровного стекла с рисунком ZnO. Затем расстояние в пикселях от одного до другого края узора (маленькая вертикальная полоса в А). Поскольку крест ZnO имеет ширину 25 мкм, здесь можно использовать отношение физической ширины к ширине пикселя для вычисления соотношения физических размеров к пиксельным. Репрезентативное изображение, откалиброванное по вертикальной оси, показано на рисунке (B). (C) Наконец, берется вертикальный срез, обозначенный красной линией. (D) Для получения пространственного разрешения берется производная вертикального среза. Производная вертикального среза используется для получения пространственного разрешения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
3. Сбор гиперспектральных данных
- Собирают спектры вертикальной линии сигналов ВСФГ на ПЗС, спектры которых рассредоточены по горизонтальной оси и пространственные положения записываются по вертикальной оси ПЗС.
ПРИМЕЧАНИЕ: В результате получается двумерный набор данных для однолинейного сечения. - После получения гиперспектрального изображения линейного участка образца сканируют образец по оси, перпендикулярной оси линейного сканирования, с помощью трехмерного нанопозиционера (НП, рис. 1).
ПРИМЕЧАНИЕ: 3D-нанопозиционер важен для обеспечения высокой точности и воспроизводимости при определении местоположения областей образца (плоскость x-y), а также при фокусировке образца (ось z). - Выполните итерацию между шагами 3.1 и 3.2, чтобы собрать гиперспектральное изображение VSFG.
4. Анализ гиперспектральных данных
- Спектральное разделение данных с помощью библиотеки гиперспектральных изображений MatLab41.
ПРИМЕЧАНИЕ: Спектральное несмешивание коррелирует пространственные местоположения с уникальными спектрами. Код Matlab для анализа гиперспектральных данных приведен в Дополнительном файле 1.- Создайте 4-мерный гиперкуб (x = пространственный, y = пространственный, z = частотно-зависимая интенсивность, ω = частота) с помощью функции гиперкуба в библиотеке гиперспектральных изображений Matlab41.
- Определите количество уникальных спектров с помощью функции countEndmembersHFC со значением вероятности ложной тревоги (PFA) 10-7.
- Идентификация уникальных спектров с помощью функции разделения спектров nfindr .
- Наконец, используя функцию sid , свяжите каждый пиксель с одним из уникальных спектров, определенных на предыдущем шаге.
ПРИМЕЧАНИЕ: Дополнительные методы спектрального размешивания и согласования могут быть выполнены с помощью альтернативных функций/алгоритмов, предлагаемых в библиотеке гиперспектральной визуализации MatLab41.
- Подгоните суммарные данные для каждого изолированного листа к функции Фогта42 (Дополнительный файл 1).
ПРИМЕЧАНИЕ: Лоренцева функция представляет собой чистый однородный предел формы линии, в то время как функция Гаусса исходит из неоднородных пределов. В действительности системы могут находиться в комбинации однородных и неоднородных пределов, что требует наличия функции Фойгта - обычной практики для конденсированной фазовой спектроскопии, включая VSFG.
5. Геометрический анализ образца
- Определите геометрию образцов в соответствии с процедурой, описанной в шагах 5.2-5.3. В данном исследовании в качестве примера используется SDS@2 β-CD. Получить допустимые по симметрии тензорные элементы χ(2) на основе симметрииС7 молекулярной субъединицы образца мезолистов SDS@2 β-CD.
ПРИМЕЧАНИЕ: Допустимая симметрия χ(2) зависит от симметрии. Чтобы рассчитать допустимую нелинейную восприимчивость любой симметрии, обратитесь к ссылке43. - Примените вращениеЭйлера 27 , чтобы связать измерения лабораторной системы координат с молекулярной системой.
ПРИМЕЧАНИЕ: В случае SDS@2 β-CD его симметрияС7 приводит к восьми независимым уравнениям, связывающим 8 выходов (лабораторная система χ(2)) и 8 входов (6 независимая гиперполяризуемость β(2)) и два угла: Θ — угол наклона относительно плоскости образца всех листов и φ — вращение листа в плоскости (рис. 4)). Два листа используются для извлечения общих молекулярных выравниваний двух листов. Взаимосвязи между φ1 и φ2 (угол поворота двух листов в плоскости) могут быть извлечены из изображений светлого поля. В данном примере φ2 = φ1 + 60°. Предполагается, что все молекулярные единицы расположены под одним и тем же углом, поэтому Θ1 = Θ2. Это приводит к 11 неизвестным (9 независимых, в том числе 6 независимых гиперполяризуемых β(2), Θ 1 и φ1 и относительное отношение покрытия между листами N и двумя зависимыми углами, которые являются φ 2 и Θ 2) для 16 известных (8 поляризаций лабораторных рамок на листе и два листа). - Соотнесите лабораторную систему координат χ(2) и гиперполяризуемость молекулярной системы β(2) с помощью решателя функции нейронной сети.
ПРИМЕЧАНИЕ: Подробное описание этого подхода можно найти в ссылке27.- Создайте многоуровневую модель нейронной сети в Python44с использованием Keras, состоящую из структуры 200-100-50 узлов и гиперболической тангенсной функции активации.
- Создайте случайно сгенерированную матрицу 100000 x 11 значений β(2), Θ 1, Θ2, φ1, φ 2 и N. Вычислите соответствующую лабораторную систему 16 χ(2), используя уравнение, определенное в 5.2 поворотами Эйлера.
- Используйте вычисленные значения χ(2) (всего 100 000 на 16 значений) в качестве входных данных и научитесь предсказывать 11 значений (β(2), Θ 1, Θ 2, φ1, φ 2 и N) при получении 16 значений χ(2).
- После обучения используйте другой набор из 1000 записей с входными и выходными данными для тестирования обученной модели. Прогнозируемые выходные данные и истинные выходные данные должны иметь линейную зависимость с уклоном, равным 1.
- Наконец, подставим экспериментально измеренную χ(2) из двух листов (на каждом листе измерено 8 χ(2) и используем обученную модель для предсказания угла наклона Θ наряду с другими свойствами.
Рисунок 4: Иллюстрация преобразования Эйлера. (A) Иллюстрация преобразования Эйлера между лабораторными координатами (XYZ) восприимчивостью второго порядка χ(2) и молекулярными координатами (xyz) βijk. Вращение Эйлера z-y'-z'' выполняется по молекулярным координатам, где φ — угол поворота в плоскости, θ — угол наклона и ψ — угол скручивания. ψ интегрируется для произвольных углов скручивания относительно молекулярной оси. φ не интегрируется, потому что все молекулы поворачиваются на определенный угол относительно лабораторной рамы, образуя самоорганизующиеся листы. N – относительное покрытие поверхности двух листов. (Б) Визуализация наклонных субъединиц, образующих лист, определяемый результатами нейронной сети. Эта цифра была изменена из Wagner et al.27. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Рисунок 5: Молекулярная структура, морфология и потенциальная ориентация SDS@β-CD . (A) Вид сверху и (B) Химическая структура SDS@β-CD вид сбоку. (C) Репрезентативное гетерогенного распределения выборки мезомасштабных листов на плоскости образца. Молекулярная субъединица может иметь различную ориентацию и расположение на субстрате, что неизвестно. Эта цифра была изменена из Wagner et al.27. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Способность микроскопа различать уникально организованные молекулярные структуры и изотропную массу продемонстрирована на образце23,34 SDS@2 β-CD (рис. 5). В этом исследовании образец готовили путем добавления β-CD и SDS к деионизированной воде (DI) в соотношении 2:1 до тех пор, пока два растворенных вещества не достигали концентрации 10% м/м. Затем суспензию нагревали до прозрачности и охлаждали до комнатной температуры в течение ночи. CuCl 2 добавляли в концентрации 1:10 CuCl2:SDS для настройки электростатических взаимодействий, и смесь выдерживали в течение 3-5 дней для полного формирования мезолистов SDS@2 β-CD. Наконец, изолированные мезолисты были получены путем отливки 5 мкл листовой суспензии на покровное стекло размером 15 мм x 15 мм x 0,170 мм ± 0,005 мм, прикрепленное к установке для нанесения покрытий, работающей при 10 000 об/мин.
Мезомасштабные листы образовались в результате их самосборки со специфической симметриейС7. Тем не менее, остается неясным вопрос о молекулярной ориентации одной молекулярной единицы в этой самосборке, фундаментальном знании, которое может влиять на материальные функции. (Рисунок 5С). Были получены VSFG-изображения самособранных листов, рассредоточенных по покровному листу (рис. 6А). С помощью спектральной идентификации (шаг 4 Анализ гиперспектральных данных) с использованием функции гиперспектральной визуализации Matlab было обнаружено, что все листы можно разделить на два типа: один с более высокой интенсивностью VSFG (синие спектры на рисунке 6B и листы, помеченные синим цветом на рисунке 6A), а другой с более низкой интенсивностью. При осмотре и сравнении с оптическим изображением (рис. 6C, D) оказалось, что большой лист в центре изображений сложен друг на друга, что объясняет меньшую интенсивность VSFG из-за деструктивной интерференции между двумя листами разной ориентации. Один лист был сфокусирован для выделения ориентации одной молекулярной единицы (синие на рисунке 6А). Два листа (выделенные красным и синим квадратами на рисунке 6А) были измерены с помощью различных поляризаций VSFG, а спектры были подогнаны с помощью функций Фойгта. Обратите внимание, что поляризация VSFG описывается в сигнале порядка, повышающем преобразовании и MIR. Например, SSP означает P-поляризацию ИК-сигнала, S-поляризацию повышающего преобразования и S-поляризацию сигналов.
Рисунок 6: Наложение изображения VSFG с поляризационным разрешением с модальностью светлого поля. (A) Гиперспектральное изображение SDS@2 β-CD с поляризационным разрешением (SSS). Фиолетовым и розовым цветами обозначены области, в которых находятся различные спектры, а соответствующие спектры показаны на рисунке (B), которые являются репрезентативными спектрами для одиночных пикселей с отношением сигнал/шум для синего и пурпурного спектров ~56 и ~26 соответственно. Листы в красном и синем прямоугольниках анализируются в явном виде ниже, чтобы извлечь углы наклона супрамолекулы. (C) Изображение светлого поля той же области, что и на (A). (D) Гиперспектральное изображение VSFG, наложенное на оптическое изображение идентичной площади. (E) Слева направо: спектры с поляризационным разрешением PPS, PPP, SSP и SSS, суммированные по 180 и 480 пикселей на двух отдельных листах, выделенных красным и синим прямоугольниками на (A). Все спектры имели доминирующую особенность, сосредоточенную примерно на 2910 см-1 , и отношение сигнал/шум порядка 1000. Спектры были снабжены несколькими функциями Фойгта, которые были представлены заштрихованными областями, и использованы для дальнейшего анализа ориентации. Эта цифра была изменена из Wagner et al.27. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Затем, чтобы извлечь молекулярные ориентации, сначала определяли гиперполяризуемость, допустимую симметрией, с помощью правила выбора симметрии, 
используя ранее опубликованную процедуру43. Тогда взаимосвязь между лабораторной и молекулярной рамками выводится из вращения Эйлера27. Затем с помощью нейросетевого метода, описанного выше, извлекается угол наклона θ, и угол наклона оказывается равным ~23° (рис. 6).
Наконец, показана возможность мультимодальной визуализации в этой платформе37(рис. 7). Здесь три различных образца, а именно SDS@2 β-CD, коллаген и L-фенилаланил-L-фенилаланин (FF), изучаются под микроскопом с помощью светлопольной, SHG и VSFG модальностей визуализации. Во-первых, все образцы показали сходную морфологию в разных методах визуализации. Как ГВГ, так и ВСФГ показали пространственные вариации интенсивности, которые отсутствуют на оптических изображениях. Поскольку и для ГВГ, и для VSFG требуются упорядоченные нецентросимметричные структуры, изменение интенсивности сигнала может быть связано с вариациями локального молекулярного порядка или ориентации молекул. В отличие от ГВГ, луч МИР ВСФГ можно настроить так, чтобы он был резонансным с различными колебательными режимами. В показанном здесь случае исследовались колебательные моды CHx на длине волны 3,5 мкм и мода Amid-I на длине волны 6 мкм. Для ФФ были получены VSFG-изображения с сильными и однородными сигналами, что позволяет предположить хорошо упорядоченную самоорганизующуюся структуру для всех колебательных групп, согласующуюся с ее кристаллической природой. Напротив, образец коллагена показал более сильный сигнал VSFG в области CHx над амидной областью, что указывает на то, что образцы являются гибкими, а их колебательные группы имеют разную степень упорядоченности.
Рисунок 7: Мультимодальные изображения трех разных образцов. (А i-A iii) SDS@2 β-CD светлое поле, SHG (поляризация PP) и VSFG (поляризация PPP) изображений области 3,5 мкм соответственно. Нелинейные изображения накладываются на изображения светлого поля. Химическая структура SDS и 2β-CD показана на врезке буквыi. (Б i-B iv) Лиофилизированный коллаген светлого поля, SHG (поляризация PP), VSFG (поляризация PPP) областей 3,5 мкм и 6 мкм соответственно. Химическая структура первичного белкового тримерного остатка коллагена, состоящего из глицина, пролина и гидроксипролина, показана на врезке Bi. (C i-Civ) Светлое поле FF, SHG (поляризация PP) и VSFG (поляризация PPP) областей 3,5 мкм и 6 мкм соответственно. Химическая структура молекулярных субъединиц FF показана на врезке ci. Все изображения размером 6 мкм сделаны в среде прибора с продувкой азотом, чтобы устранить затухание от влажности окружающего воздуха. SDS@2 β-CD не имеет VSFG-изображения на длине волны 6 мкм, так как у него нет групп Amid . Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Дополнительный файл 1: Код Matlab для анализа гиперспектральных данных Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Самые критические шаги – от 1,42 до 1,44. Очень важно правильно выровнять линзу объектива для оптического пространственного разрешения. Также важно собирать излучаемый сигнал, ретрансляцию и проецировать сканирующий луч в виде линии во входных щелях. Правильное выравнивание гарантирует наилучшее разрешение и соотношение сигнал/шум. Для типичного образца, такого как листы SDS@2 β-CD размером 100 мкм на 100 мкм, изображение с хорошим разрешением (~1 мкм) с высоким отношением сигнал/шум займет 20 минут. Это уже быстрее, чем предыдущая версия прибора24,26. Дальнейшее увеличение скорости сбора данных может быть реализовано за счет лазера с более высокой частотой повторения.
В настоящее время ограничением является пространственное разрешение, которое может быть дополнительно улучшено с помощью еще более высокой оптики NA объектива ипотенциальных методов сверхвысокого разрешения, основанных на нелинейной оптике. Гетеродинное детектирование было применено в спектроскопии VSFG для определения его фазы и выделения молекулярных ориентаций 5,46,47,48. Технически это выполнимо в нашем эксперименте. Тем не менее, визуализация VSFG, естественно, основана на рассеянии сигнала на образце, что приводит к искажению его фазы и тем самым усложняет взаимосвязь между ориентацией молекул и фазой сигнала VSFG.
Визуализация морфологии материалов с химической специфичностью является сложной задачей, поскольку многие методы визуализации не обладают молекулярной чувствительностью. Быстрая гиперспектральная VSFG-микроскопия заполняет этот пробел, исследуя молекулярные вибрационные сигнатуры и выявляя молекулярные выравнивания мезомасштабной организованной материи, которые важны в материаловедении, химии и биологии. В будущем отражающая природа осветительной оптики позволит интегрировать другие методы в основной прибор, что еще больше расширит его возможности и позволит получать мультимодальные изображения химических, биологических и материальных образцов.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Разработка прибора осуществляется при поддержке гранта NSF CHE-1828666. ZW, JCW и WX поддерживаются Национальными институтами здравоохранения, Национальным институтом общих медицинских наук, грант 1R35GM138092-01. BY поддерживается Ассоциацией содействия инновациям молодежи Китайской академии наук (CAS, 2021183).
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 |
References
- Zhu, X. D., Suhr, H., Shen, Y. R. Surface vibrational spectroscopy by infrared-visible sum frequency generation. Physical Review B. 35 (6), 3047-3050 (1987).
- Shen, Y. R. Surface properties probed by second-harmonic and sum-frequency generation. Nature. 337 (6207), 519-525 (1987).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Wang, H., Gao, T., Xiong, W. Self-phase-stabilized heterodyne vibrational sum frequency generation microscopy. ACS Photonics. 4 (7), 1839-1845 (2017).
- Wang, H., Xiong, W. Revealing the molecular physics of lattice self-assembly by vibrational hyperspectral imaging. Langmuir. 38 (10), 3017-3031 (2022).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Chung, C. -Y., Potma, E. O. Biomolecular imaging with coherent nonlinear vibrational microscopy. Annual Review of Physical Chemistry. 64 (1), 77-99 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hanninen, A., Shu, M. W., Potma, E. O. Hyperspectral imaging with laser-scanning sum-frequency generation microscopy. Biomedical Optics Express. 8 (9), 4230 (2017).
- 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).
- 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).
- Shah, S. A., Baldelli, S. Chemical imaging of surfaces with sum frequency generation vibrational spectroscopy. Accounts of Chemical Research. 53 (6), 1139-1150 (2020).
- Wagner, J. ackson C., Zishan, W. u, Xiong, W. Multimodal nonlinear vibrational hyperspectral imaging. ChemRxiv. , (2023).
- 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).
- 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).
- 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).
- Matlab Image Processing Toolbox Hyperspectral Imaging Library. , The Mathworks, Inc., Natick, MA USA. Google Scholar Forthcoming.
- Armstrong, B. H. Spectrum line profiles: the Voigt function. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 7 (1), 61-88 (1967).
- 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).
- Chollet, F.
- Vicidomini, G., Bianchini, P., Diaspro, A.
- 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).
- 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).
- 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).
