Waiting
Login processing...

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

Chemistry

التصوير الكيميائي الطيفي غير الخطي متعدد الوسائط باستخدام مجهر توليد مجموع التردد الاهتزازي للمسح الخطي

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

تم تطوير إطار تصوير فائق الطيفية متعدد الوسائط وسريع للحصول على صور توليد مجموع التردد الاهتزازي عريض النطاق (VSFG) ، جنبا إلى جنب مع طرائق التصوير من الجيل التوافقي الثاني (SHG). نظرا لتردد الأشعة تحت الحمراء الذي يتردد صداه مع الاهتزازات الجزيئية ، يتم الكشف عن المعرفة المورفولوجية الهيكلية المجهرية والميزوسكوبية للعينات المسموح بها بالتناظر.

Abstract

تم استخدام توليد المجموع الاهتزازي للتردد (VSFG) ، وهو إشارة بصرية غير خطية من الدرجة الثانية ، تقليديا لدراسة الجزيئات في الواجهات كتقنية طيفية بدقة مكانية تبلغ ~ 100 ميكرومتر. ومع ذلك ، فإن التحليل الطيفي ليس حساسا لعدم تجانس العينة. لدراسة العينات غير المتجانسة من الناحية الميزوسكوبية ، قمنا ، مع آخرين ، بدفع حد دقة التحليل الطيفي VSFG إلى مستوى ~ 1 ميكرومتر وقمنا ببناء مجهر VSFG. لا يمكن لتقنية التصوير هذه حل أشكال العينات من خلال التصوير فحسب ، بل يمكنها أيضا تسجيل طيف VSFG واسع النطاق في كل بكسل من الصور. كونها تقنية بصرية غير خطية من الدرجة الثانية ، فإن قاعدة الاختيار الخاصة بها تمكن من تصور الهياكل غير المتماثلة أو المجمعة ذاتيا الموجودة عادة في علم الأحياء وعلوم المواد والهندسة الحيوية ، من بين أمور أخرى. في هذه المقالة ، سيتم توجيه الجمهور من خلال تصميم ناقل الحركة المقلوب الذي يسمح بتصوير عينات غير ثابتة. يوضح هذا العمل أيضا أن الفحص المجهري VSFG يمكنه حل المعلومات الهندسية الخاصة بالمواد الكيميائية للصفائح الفردية المجمعة ذاتيا من خلال دمجها مع حل وظائف الشبكة العصبية. أخيرا ، تناقش الصور التي تم الحصول عليها في ظل تكوينات brightfield و SHG و VSFG لعينات مختلفة بإيجاز المعلومات الفريدة التي كشف عنها تصوير VSFG.

Introduction

تم استخدام توليد المجموع الاهتزازي للتردد (VSFG) ، وهي تقنية بصرية غير خطية من الدرجة الثانية 1,2 ، على نطاق واسع كأداة طيفية لتحديد العينات المسموح بها كيميائيا3،4،5،6،7،8،9،10،11،12،13 ، 14,15,16,17,18,19,20,21,22. تقليديا ، تم تطبيق VSFG على الأنظمة البينية8،9،10،11 (أي الغاز السائل ، السائل السائل ، الغاز الصلب ، السائل الصلب) ، والتي تفتقر إلى تناظر الانعكاس - وهو مطلب لنشاط VSFG. قدم هذا التطبيق ل VSFG ثروة من التفاصيل الجزيئية للواجهات المدفونة 12،13 ، وتكوينات جزيئات الماء في الواجهات14،15،16،17،18 ، والأنواع الكيميائية في الواجهات 19،20،21،22.

على الرغم من أن VSFG كان قويا في تحديد الأنواع الجزيئية والتكوينات في الواجهات ، إلا أن إمكاناته في قياس الهياكل الجزيئية للمواد التي تفتقر إلى مراكز الانعكاس لم تتحقق. ويرجع ذلك جزئيا إلى أن المواد يمكن أن تكون غير متجانسة في بيئتها الكيميائية وتركيباتها وترتيبها الهندسي ، ويحتوي مطياف VSFG التقليدي على مساحة إضاءة كبيرة في حدود 100 ميكرومتر2. وبالتالي ، فإن التحليل الطيفي التقليدي VSFG يقدم تقارير عن معلومات متوسط المجموعة للعينة على مساحة إضاءة نموذجية تبلغ 100 ميكرومتر2. قد يؤدي متوسط المجموعة هذا إلى إلغاء الإشارة بين المجالات المرتبة جيدا ذات الاتجاهات المعاكسة وسوء توصيف عدم التجانس المحلي15،20،23،24.

مع التقدم في الفتحة العددية العالية (NA) ، وأهداف المجهر العاكسة (هندسة شوارزشيلد وكاسيجرين) ، والتي تكاد تكون خالية من الانحرافات اللونية ، يمكن تقليل حجم تركيز الحزمتين في تجارب VSFG من 100 ميكرومتر 2 إلى 1-2 ميكرومتر2 وفي بعض الحالات تحتالميكرون 25. بما في ذلك هذا التقدم التكنولوجي ، طورت مجموعتنا وغيرها VSFG إلى منصة مجهرية 20،23،26،27،28،29،30،31،32،33،34،35،36. في الآونة الأخيرة ، قمنا بتنفيذ تخطيط بصري مقلوب ونظام الكشف عن النطاق العريض37 ، والذي يتيح مجموعة سلسة من الصور متعددة الوسائط (VSFG ، الجيل التوافقي الثاني (SHG) ، و brightfield optical). يسمح التصوير متعدد الوسائط بالفحص السريع للعينات باستخدام التصوير البصري ، وربط أنواع مختلفة من الصور معا ، وتحديد مواقع الإشارة على صور العينة. مع بصريات الإضاءة اللونية واختيار مصدر الإضاءة بالليزر النبضي ، تسمح هذه المنصة البصرية بالتكامل السلس في المستقبل لتقنيات إضافية مثل المجهر الفلوري38 ومجهر رامان ، من بين أمور أخرى.

في هذا الترتيب الجديد ، تمت دراسة عينات مثل المنظمات الهرمية وفئة من التجميعات الذاتية الجزيئية (MSAs). تشمل هذه المواد الكولاجين والمحاكاة الحيوية ، حيث يكون كل من التركيب الكيميائي والتنظيم الهندسي مهمين للوظيفة النهائية للمادة. نظرا لأن VSFG هي إشارة بصرية غير خطية من الدرجة الثانية ، فهي حساسة بشكل خاص للترتيبات بين الجزيئات39,40 ، مثل المسافة بين الجزيئات أو زوايا الالتواء ، مما يجعلها أداة مثالية للكشف عن كل من التركيبات الكيميائية والترتيبات الجزيئية. يصف هذا العمل طرائق VSFG و SHG و brightfield للأداة الأساسية التي تتكون من ليزر الحالة الصلبة المخدر بالإيتربيوم الذي يضخ مضخم حدودي ضوئي (OPA) ، وهو مجهر مقلوب متعدد الوسائط محلي الصنع ومحلل تردد أحادي اللون مقترن بكاشف جهاز مزدوج مشحون ثنائي الأبعاد (CCD)27. يتم توفير إجراءات البناء والمحاذاة خطوة بخطوة ، وقائمة أجزاء كاملة من الإعداد. كما يتم تقديم تحليل متعمق ل MSA ، الذي تتكون وحدته الفرعية الجزيئية الأساسية من جزيء واحد من كبريتات الصوديوم دوديسيل (SDS) ، وهو خافض للتوتر السطحي شائع ، وجزيئين من β-cyclodextrin (β-CD) ، المعروف باسم SDS@2 β-CD هنا ، كمثال لإظهار كيف يمكن ل VSFG الكشف عن تفاصيل هندسية خاصة بالجزيء للمادة المنظمة. وقد ثبت أيضا أنه يمكن تحديد التفاصيل الهندسية الخاصة بالمواد الكيميائية ل MSA من خلال نهج حل وظائف الشبكة العصبية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. مجهر VSFG لمسح الخط الطيفي

  1. نظام الليزر
    1. استخدم نظام ليزر نابض (انظر جدول المواد) متمركز عند 1025 نانومتر ± 5 نانومتر. يتم ضبط الليزر على 40 واط ، 200 كيلو هرتز (200 ميكروجول / نبضة) بعرض نبضة ~ 290 fs.
      ملاحظة: يمكن أن يختلف معدل التكرار الدقيق ، ويعمل الليزر بمعدل تكرار مرتفع بشكل أفضل بشكل عام مع مجهر VSFG هذا.
    2. قم بتوجيه إخراج ليزر البذور إلى مضخم حدودي بصري تجاري (OPA) لتوليد حزمة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MIR) (انظر جدول المواد). اضبط MIR على تكرار الاهتمامات (الشكل 1 أ).
      ملاحظة: في الدراسة الحالية ، يتمركز MIR عند 3450 نانومتر ± 85 نانومتر (~ 2900 ± 72 سم -1) مع مدة نبضة ~ 290 fs وطاقة نبضة ~ 6 μJ ، والتي تشمل جزءا من منطقة المجموعة الوظيفية -CHx .
  2. شعاع التحويل الأعلى
    1. قم بتمرير الحزمة المتبقية 1025 نانومتر من OPA عبر Fabry-Perot etalon (انظر جدول المواد) لإنتاج حزمة تحويل ضيقة طيفيا مع FWHM ~ 4.75 سم -1.
    2. قم بتصفية شعاع 1025 نانومتر الضيق مكانيا بثقب ياقوتي 8 ميكرومتر.
      ملاحظة: يمكن تصور شعاع 1025 نانومتر باستخدام بطاقة NIR.
    3. تحكم في استقطاب نبضة 1025 نانومتر باستخدام لوحة موجية λ / 2 (انظر جدول المواد).
  3. شعاع مير
    1. قم بتوجيه شعاع MIR خلال مرحلة تأخير للتحكم الدقيق في التداخل الزمني.
    2. تحكم في استقطاب MIR باستخدام لوحة موجية λ / 2.
  4. مجهر VSFG
    1. تتداخل مكانيا مع كل من التحويل لأعلى ، وحزم MIR في مرآة ثنائية اللون مخصصة (DM ، الشكل 1B) تكون ناقلة إلى MIR وعاكسة إلى NIR (انظر جدول المواد). استخدم قزحيتين لتوجيه المحاذاة: واحدة مباشرة بعد DM ، والأخرى في الطرف البعيد. استخدم مقياس الطاقة بعد القزحية لتحديد ما إذا كان MIR في المنتصف ، واستخدم بطاقة NIR لتحديد مواقع NIR.
      ملاحظة: بعد التداخل ، يمكن استخدام شعاع NIR لتوجيه كلا الحزمتين.
    2. قم بتوجيه الحزم المتداخلة إلى مجهر مقلوب باستخدام ماسح شعاع رنين أحادي المحور مدمج 325 هرتز (مثبت على ماسح ضوئي مدمج ثنائي الموضع (I2PS) ، الشكل 1B) (انظر جدول المواد).
      ملاحظة: يقوم الماسح الضوئي الرنيني بإسقاط خط من الحزمتين المتداخلتين على الفتحة الخلفية لهدف المكثف. يتم تثبيته على شريط تمرير يتيح إعادة التكوين السلس بين VSFG / SHG وطرائق برايتفيلد.
    3. ركز الحزمتين المتداخلتين مكانيا على العينة بهدف شوارزشيلد العاكس البحت (SO، الشكل 1B، D) (انظر جدول المواد).
    4. اجمع إشارة VSFG الناتجة عن العينة بهدف انكساري مصحح بلا حدود (RO ، الشكل 1B ، D) (انظر جدول المواد).
    5. قم بتوجيه إشارة VSFG الناتجة المتوازية من خلال مستقطب خطي ثم من خلال نظام عدسة أنبوبي عن بعد يتكون من عدستين بؤريتين f = 60 مم (TL1 و TL2 ، الشكل 1B ، C) (انظر جدول المواد).
      ملاحظة: تتشكل الصورة المكبرة من العدسات الأنبوبية عند فتحة مدخل الميكروب الأحادي (MC ، الشكل 1B ، C) ، ويتم الكشف عن البيانات المكانية / التي تم حلها بالتردد على كاشف CCD ثنائي الأبعاد (CCD ، الشكل 1B).
  5. وضع SHG
    1. للتبديل إلى تصوير SHG ، قم بحظر شعاع الأشعة تحت الحمراء وقم بتدوير شبكة المطياف إلى 501.5 نانومتر لتصوير إشارة SHG.
  6. وضع برايتفيلد
    1. للتبديل إلى التصوير البصري برايتفيلد، قم بتشغيل مصدر الضوء الأبيض (انظر جدول المواد). حرك شريط التمرير المدمج (I2PS ، الشكل 1B) لجمع صور المجال الساطع في اتجاه الانتشار المضاد ، حيث يعمل هدف التصوير (RO) كمكثف ويعمل هدف المكثف (SO) كهدف تصوير.
    2. قم بتكوين صورة للخرج الموازي للهدف الانكساري عند مستوى المستشعر لكاميرا RGB brightfield باستخدام نظام عدسة أنبوبية متاح تجاريا (انظر جدول المواد).

Figure 1
الشكل 1: مجهر VSFG فائق الطيفية متعدد الوسائط. (أ) منظر علوي للإعداد الأساسي. تم إرسال ليزر مضخة 1025 نانومتر إلى OPA لتوليد نبضة منتصف الأشعة تحت الحمراء القابلة للضبط. تم تضييق 1025 نانومتر المتبقية بشكل متكرر بواسطة etalon (E) وترشيحها مكانيا إلى شعاع Gaussian بواسطة مرشح مكاني (SFG). تتداخل الحزم المتوسطة IR و 1025 نانومتر مكانيا في مرآة ثنائية اللون مخصصة (DM) ويتم توجيهها عبر المجهر المقلوب (المنطقة المحاصرة في A). (B) يتم إرسال الحزمتين إلى ماسح شعاع رنين 325 هرتز مثبت على منزلق مدمج ثنائي الموضع (I2PS) ، مما يتيح التبديل السلس بين الطرائق البصرية الساطعة وغير الخطية. تم تجهيز منصة المجهر بهدف شوارزشيلد (SO) القائم على تصحيح اللانهاية العاكس الذي يعمل كمكثف وهدف تصوير قائم على الانكسار (RO) مثبت على مرحلة المحور z لتحديد المواقع النانوية الرأسية (VNP). يركز SO خط الحزم الواردة التي يعكسها ماسح الحزمة الرنانة على العينة بينما يجمع RO قسم خط VSFG من الإشارات. من المهم التحكم الدقيق في موضع المحور z ل RO بدقة 1 ميكرومتر لضمان أن العينة في أفضل حالة بؤرية للتصوير عالي الجودة. ثم يتم توجيه الخط الموازي لإشارة VSFG إلى نظام عدسة أنبوبي يتكون من عدستين حوضيتين (TL1 و TL2) ، مما يشكل صورة مكبرة عند فتحة مدخل أحادي اللون (MC). ثم يتم تصوير خط الأطياف الذي تم حله بالتردد بشكل فائق الطيفية على جهاز مقترن بالشحنة (CCD). بعد جمع كل خط طيفي ، يتم مسح العينة في المحور العمودي على محور مسح الماسح الضوئي للحزمة الرنانة باستخدام NP. لجمع صور المجال الساطع للعينة ، يتم نقل I2PS إلى موضع الحقل الساطع ، ويتم تثبيت مرآة تعترض مصدر الضوء الأبيض (WLS). ثم يتم تركيز الضوء بواسطة RO ويتم تصويره بواسطة SO. ثم يتم تشكيل صورة على مستوى المستشعر لكاميرا برايت فيلد (BC) في الجزء العلوي من المجهر المقلوب. (ج) عرض مفصل للمسار البصري عبر منطقة العدسة الأنبوبية إلى MC و CCD. (د) عرض مفصل لمنطقة العينة بين SO و RO. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

2. محاذاة المجهر الطيفي والمعايرة المكانية لمحور CCD الرأسي

  1. قم بتحسين موضع مستوى العينة تقريبا (المحور z لتحديد موضع النانو) باستخدام عينة قياسية من رش نمط ZnO (بسمك 1 ميكرومتر) مطلي بغطاء 15 مم × 15 مم × 0.170 مم ± 0.005 مم وإدخاله في تركيز برايت فيلد باستخدام طريقة التصوير برايت فيلد.
    ملاحظة: قد يلزم ضبط موضع z ل RO بالإضافة إلى محاذاة الضوء الأبيض حسب الضرورة. يظهر الشكل 2 صورة تمثيلية ل ZnO على النمط الزجاجي المستخدم لمعايرة المحاذاة.
  2. انقل I2PS مرة أخرى إلى ذراع الإضاءة غير الخطية وقم بتحسين ارتفاع العينة للحصول على أقصى كثافة VSFG غير رنانة الناتجة عن مناطق ZnO التي تمت ملاحظتها على كاميرا CCD.
    ملاحظة: يجب ضبط موضع z ل RO لتحقيق أقصى شدة. قد يضطر المرء إلى تكرار الخطوتين 2.1 و 2.2 عدة مرات قبل الوصول إلى الارتفاع الأمثل للعينة ، ويتم الوصول إلى RO.
  3. قم بتشغيل الماسح الضوئي لشعاع الرنين واجمع خطا من الصور.
  4. اجمع صور الكثافة غير الرنانة عن طريق مسح العينة بشكل عمودي على اتجاه الماسح الضوئي للحزمة. خذ شرائح رأسية من بيانات الصورة وحدد نسبة البكسل: ميكرون. (راجع الشكل 3 وأسطورته).
    ملاحظة: يتم تحليل مشتق أقسام الخط هذه لإنتاج نسبة بكسل محور CCD العمودي: ميكرون التي سيتم استخدامها للصور المستقبلية.

Figure 2
الشكل 2: جودة الصورة التمثيلية للمحاذاة التقريبية لطريقة التصوير الساطع لنمط ZnO. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

Figure 3
الشكل 3: سير عمل معايرة المحور الرأسي. يوضح هذا الشكل كيفية تحويل وحدات بكسل CCD إلى أبعاد مكانية رأسية بوحدة ميكرومتر. (أ) يتم جمع صورة وإعادة بنائها لغطاء ZnO المنقوش. بعد ذلك ، مسافة البكسل من واحد إلى الحواف الأخرى للنموذج (شريط عمودي صغير في A). نظرا لأن تقاطع نمط ZnO مصمم ليكون عرضه 25 ميكرومتر ، يمكن للمرء استخدام نسبة العرض المادي إلى عرض البكسل هنا لحساب نسبة الأبعاد المادية / البكسل. صورة تمثيلية معايرة للمحور الرأسي موضحة في (B). (ج) وأخيرا، تؤخذ شريحة رأسية كما هو موضح بالخط الأحمر. (د) تؤخذ مشتقة الشريحة الرأسية للحصول على الاستبانة المكانية. يتم استخدام مشتق الشريحة الرأسية للحصول على الدقة المكانية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

3. جمع البيانات الطيفية

  1. اجمع أطياف الخط الرأسي لإشارات VSFG على CCD ، والتي تنتشر أطيافها على طول المحور الأفقي ويتم تسجيل المواضع المكانية على المحور الرأسي لاتفاقية مكافحة التصحر.
    ملاحظة: ينتج عن هذا مجموعة بيانات ثنائية الأبعاد لمقطع سطر واحد.
  2. بعد تصوير مقطع الخط من العينة بشكل فائق الطيفية ، امسح العينة في المحور عموديا على محور المسح الخطي باستخدام محدد موضع النانو ثلاثي الأبعاد (NP ، الشكل 1).
    ملاحظة: يعد محدد موضع النانو 3D مهما للدقة العالية والتكرار في تحديد مناطق العينة (مستوى x-y) بالإضافة إلى التركيز على العينة (المحور z).
  3. كرر بين الخطوة 3.1 والخطوة 3.2 لجمع صورة فائقة الطيفية VSFG.

4. تحليل البيانات الطيفية

  1. قم بإلغاء خلط البيانات طيفيا باستخدام سير عمل مكتبة التصوير الطيفي لصندوق أدوات التصوير MatLab41.
    ملاحظة: يربط عدم الخلط الطيفي المواقع المكانية بالأطياف الفريدة. يتم توفير كود Matlab لتحليل البيانات الطيفية في الملف التكميلي 1.
    1. قم بإنشاء مكعب فائق رباعي الأبعاد (x = مكاني ، y = مكاني ، z = كثافة تعتمد على التردد ، ω = تردد) باستخدام وظيفة hypercube في مكتبة التصوير الطيفي لصندوق أدوات معالجة الصور Matlab41.
    2. حدد عدد الأطياف الفريدة باستخدام دالة countEndmembersHFC مع احتمال وجود قيمة إنذار كاذب (PFA) من 10-7.
    3. تحديد الأطياف الفريدة باستخدام وظيفة فك الخلط الطيفي nfindr .
    4. أخيرا ، باستخدام وظيفة sid ، اربط كل بكسل بأحد الأطياف الفريدة المحددة في الخطوة السابقة.
      ملاحظة: يمكن إجراء طرق إضافية لفك الخلط الطيفي والمطابقة باستخدام وظائف / خوارزميات بديلة مقدمة في مكتبة التصوير الطيفي MatLab41.
  2. قم بملاءمة بيانات المجموع لكل ورقة معزولة مع الدالة Voigt42 (الملف التكميلي 1).
    ملاحظة: تمثل دالة لورنتزيان حد الشكل الخطي المتجانس النقي، في حين أن الدالة الغاوسية تنشأ من نهايات غير متجانسة. في الواقع ، يمكن أن تكون الأنظمة في مزيج من الحدود المتجانسة وغير المتجانسة ، الأمر الذي يتطلب وظيفة Voigt - وهي ممارسة شائعة للتحليل الطيفي للطور المكثف ، بما في ذلك VSFG.

5. التحليل الهندسي للعينة

  1. حدد هندسة العينات باتباع الإجراء المذكور في الخطوة 5.2-5.3. في هذه الدراسة ، يتم استخدام SDS@2 β-CD كمثال. اشتق عناصر الموتر المسموح بها للتماثل ل χ (2) بناء على تناظر C7 للوحدة الفرعية الجزيئية لعينة الأوراق المتوسطة SDS@2 β-CD.
    ملاحظة: يعتمد التماثل المسموح به χ (2) على التماثل. لحساب الحساسية غير الخطية المسموح بها لأي تناظر ، راجع المرجع43.
  2. قم بتطبيق دوران أويلر27 لربط قياسات إطار المختبر بالإطار الجزيئي.
    ملاحظة: في حالة SDS@2 β-CD ، يؤدي تناظر C7 إلى ثماني معادلات مستقلة تربط 8 مخرجات (إطار المختبر χ (2)) إلى 8 مدخلات (6 فرط استقطاب مستقل β (2) ، وزاويتين: Θ ، زاوية الميل بالنسبة إلى مستوى العينة لجميع الأوراق ، و φ ، الدوران داخل المستوى للورقة (الشكل 4)). يتم استخدام ورقتين لاستخراج المحاذاة الجزيئية الشائعة للورقتين. يمكن استخراج العلاقات بين φ1 وφ 2 (زاوية الدوران داخل المستوى للورقتين) من صور برايتفيلد. في المثال الحالي ، φ2 = φ1 + 60 درجة. من المفترض أن جميع بلاط الوحدة الجزيئية في نفس الزاوية ، لذلك Θ1 = Θ2. ينتج عن هذا 11 مجهولا (9 مجهولات مستقلة ، بما في ذلك 6 استقطاب مفرط مستقل β (2) ، Θ 1 و φ1 ، ونسبة التغطية النسبية بين الورقة N ، والزاويتين التابعتين ، وهما φ 2 ، و Θ 2) ل 16 معروفا (8 استقطابات إطار مختبر لكل ورقة، وورقتان).
  3. اربط إطار المختبر الذي تم حله بالاستقطاب χ (2) وفرط الاستقطاب للإطار الجزيئي β (2) بمحلل وظائف الشبكة العصبية.
    ملاحظة: يمكن الاطلاع على ملخص مفصل لهذا النهج في المرجع27.
    1. قم بإنشاء نموذج شبكة عصبية متعدد الطبقات في Python44باستخدام Keras يتكون من بنية عقدة 200-100-50 ووظيفة تنشيط ظل زائدي.
    2. قم بإنشاء مصفوفة 100000 × 11 تم إنشاؤها عشوائيا لقيم β (2) و Θ 1 و Θ 2 و φ1 و φ 2 و N. احسب إطار المختبر المقابل 16 χ (2) ، باستخدام المعادلة المحددة في 5.2 بواسطة دورات أويلر.
    3. استخدم قيم χ (2) المحسوبة (إجمالي 100000 × 16 قيمة) كمدخلات ، وتعلم التنبؤ ب 11 قيمة (β (2) ، Θ 1 ، Θ 2 ، φ1 ، φ 2 و N) عند توفير 16 χ (2) قيمة.
    4. بمجرد التدريب ، استخدم مجموعة أخرى من 1000 إدخال مع كل من المدخلات والمخرجات لاختبار النموذج المدرب. يجب أن يظهر الناتج المتوقع والإخراج الحقيقي علاقة خطية بميل 1.
    5. أخيرا ، قم بتوفير χ (2) المقاس تجريبيا من ورقتين (كل ورقة بها 8 χ (2) مقاسة) ، واستخدم النموذج المدرب للتنبؤ بزاوية الميل Θ ، إلى جانب الخصائص الأخرى.

Figure 4
الشكل 4: رسم توضيحي لتحويل أويلر. (أ) رسم توضيحي لتحويل أويلر بين الإحداثيات المختبرية (XYZ) القابلية للتأثر من الدرجة الثانية χ (2) والإحداثيات الجزيئية (XYZ) فرط الاستقطاب βijk. يتم إجراء دوران أويلر z-y'-z'' على الإحداثيات الجزيئية ، مع φ كزاوية دوران داخل المستوى ، و θ كزاوية ميل ، و ψ كزاوية التواء. تم دمج ψ لزوايا الالتواء التعسفية حول المحور الجزيئي. لم يتم دمج φ لأن جميع الجزيئات تدور إلى زاوية معينة بالنسبة لإطار المختبر لتشكيل الألواح ذاتية التجميع. N هي التغطية السطحية النسبية للورقتين. (ب) تصور الوحدات الفرعية المائلة التي تشكل ورقة تحددها نتائج الشبكة العصبية. تم تعديل هذا الرقم من Wagner et al.27. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figure 5
الشكل 5: التركيب الجزيئي والتشكل واتجاه الجهد ل SDS@β-CD . (أ) المنظر العلوي و (ب) التركيب الكيميائي للمنظر الجانبي ل SDS@β-CD. ج: التوزيع التمثيلي غير المتجانس للعينات للصفائح المتوسطة على مستوى العينة. يمكن أن يكون للوحدة الفرعية الجزيئية اتجاهات ومحاذاة مختلفة على الركيزة، وهو أمر غير معروف. تم تعديل هذا الرقم من Wagner et al.27. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

تظهر قدرة المجهر على التمييز بين الهياكل الجزيئية المنظمة بشكل فريد والكتلة الخواص مع عينة SDS@2 β-CD23,34 (الشكل 5). في هذه الدراسة ، تم تحضير العينة بإضافة β-CD و SDS إلى الماء منزوع الأيونات (DI) بنسبة 2: 1 حتى وصل المذابان إلى تركيز 10٪ م / م. ثم تم تسخين التعليق إلى الوضوح وتبريده إلى درجة حرارة الغرفة طوال الليل. تمت إضافة CuCl 2 بتركيز 1:10 CuCl2: SDS لضبط التفاعلات الكهروستاتيكية وسمح للخليط بالجلوس لمدة 3-5 أيام حتى تتشكل صفائح ميزو SDS@2 β-CD بالكامل. أخيرا ، تم إنتاج صفائح متوسطة معزولة عن طريق صب 5 ميكرولتر من تعليق الصفيحة على غطاء 15 مم × 15 مم × 0.170 مم ± 0.005 مم مثبت على طبقة دوارة تعمل عند 10000 دورة في الدقيقة.

تشكلت الأوراق متوسطة الحجم من تجميعها الذاتي مع تناظر C7 محدد. ومع ذلك ، فمن غير الواضح حول التوجه الجزيئي للوحدة الجزيئية المفردة في هذا التجميع الذاتي ، وهي معرفة أساسية يمكن أن تؤثر على وظائف المواد. (الشكل 5 ج). تم التقاط صور VSFG للأوراق المجمعة ذاتيا والمنتشرة على قسيمة غطاء (الشكل 6 أ). من خلال التحديد الطيفي (الخطوة 4 تحليل البيانات الطيفية الفائقة) باستخدام وظيفة التصوير الطيفي Matlab ، وجد أنه يمكن تصنيف جميع الأوراق إلى نوعين ، أحدهما ذو كثافة VSFG أعلى (الأطياف الزرقاء في الشكل 6B ، والأوراق الموسومة باللون الأزرق في الشكل 6A) ، والآخر بكثافة أقل. من خلال الفحص والمقارنة مع الصورة البصرية (الشكل 6C ، D) ، بدا أن الورقة الكبيرة في وسط الصور قد كدست أوراقا مزدوجة ، وبالتالي عزت كثافة VSFG الأصغر بسبب التداخل المدمر بين ورقتي الاتجاه المختلفتين. تم تركيز الورقة المفردة على استخراج اتجاه الوحدة الجزيئية المفردة (تلك الزرقاء في الشكل 6 أ). تم قياس اثنتين من الأوراق (مظللة في مربعات حمراء وزرقاء في الشكل 6A) بواسطة استقطابات VSFG مختلفة ، وتم تركيب الأطياف باستخدام وظائف Voigt. ملاحظة يتم وصف استقطاب VSFG في إشارة الطلب والتحويل لأعلى و MIR. على سبيل المثال ، يعني SSP استقطاب P للأشعة تحت الحمراء ، واستقطاب S للتحويل الصاعد واستقطاب S للإشارات.

Figure 6
الشكل 6: حل الاستقطاب تراكب صورة VSFG بطريقة برايتفيلد . (أ) حل الاستقطاب (SSS) صورة VSFG فوق الطيفية ل SDS@2 β-CD. تمثل الألوان الأرجواني والوردي المناطق التي توجد فيها أطياف مختلفة ، ويتم رسم الأطياف المقابلة في (B) ، وهي أطياف تمثيلية للبكسل الفردي مع نسبة الإشارة إلى الضوضاء لأطياف الأزرق والأرجواني ~ 56 و ~ 26 ، على التوالي. يتم تحليل الأوراق الموجودة في المربعات الحمراء والزرقاء بشكل صريح أدناه لاستخراج زوايا ميل الجزيء فوق الجزيئ. (ج) صورة برايتفيلد لنفس المساحة الموجودة في (أ). (د) صورة فائقة الطيفية VSFG متراكبة مع صورة بصرية لمنطقة مماثلة. (ه) من اليسار إلى اليمين: تم تلخيص أطياف حل الاستقطاب PPS و PPP و SSP و SSS أكثر من 180 و 480 بكسل داخل الورقتين المفردتين المظللتين في المربعين الأحمر والأزرق في (A). كان لجميع الأطياف سمة مهيمنة تتمركز عند حوالي 2910 سم -1 ونسبة إشارة إلى ضوضاء في حدود 1000. تم تزويد الأطياف بوظائف Voigt متعددة ، والتي تم تمثيلها بالمناطق المظللة ، واستخدمت لمزيد من تحليل الاتجاه. تم تعديل هذا الرقم من Wagner et al.27. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

بعد ذلك ، لاستخراج الاتجاهات الجزيئية ، تم تحديد فرط الاستقطاب Equation 1 المسموح به للتماثل أولا ، والذي تسمح به قاعدة اختيار التناظر ، باستخدام الإجراء المنشورمسبقا 43. ثم يتم اشتقاق العلاقة بين إطار المختبر والإطار الجزيئي من دوران أويلر27. ثم يتم استخراج زاوية الميل θ باستخدام طريقة الشبكة العصبية الموضحة أعلاه ، ووجد أن زاوية الميل ~ 23 درجة (الشكل 6).

أخيرا ، تظهر قدرة التصوير متعدد الوسائط في هذه المنصة37(الشكل 7). هنا يتم دراسة ثلاث عينات مختلفة ، وهي SDS@2 β-CD والكولاجين و L-phenylalanyl-L-phenylalanine (FF) باستخدام المجهر باستخدام طرق التصوير brightfield و SHG و VSFG. بادئ ذي بدء ، أظهرت جميع العينات مورفولوجيا متشابهة عبر طرق التصوير المختلفة. أظهر كل من SHG و VSFG اختلافات في الشدة مكانيا ، وهو أمر مفقود من الصور البصرية. نظرا لأن كل من SHG و VSFG يتطلبان هياكل غير متماثلة مرتبة ، فإن الاختلاف في شدة الإشارة يمكن أن يأتي من الاختلافات في الترتيب الجزيئي المحلي أو التوجهات الجزيئية. على عكس SHG ، يمكن للمرء ضبط شعاع MIR ل VSFG ليكون رنينا مع أوضاع اهتزازية مختلفة. في الحالة الموضحة هنا ، تمت دراسة أوضاع اهتزاز CHx عند 3.5 ميكرومتر ووضع Amid-I عند 6 ميكرومتر. بالنسبة إلى FF ، تم الحصول على صور VSFG بإشارات قوية وموحدة ، مما يشير إلى بنية ذاتية التجميع جيدة الترتيب لجميع المجموعات الاهتزازية - تتفق مع طبيعتها البلورية. في المقابل ، أظهرت عينة الكولاجين إشارة VSFG أقوى في منطقة CHx فوق منطقة Amide ، مما يشير إلى أن العينات مرنة وأن مجموعاتها الاهتزازية لها درجات مختلفة من الترتيب.

Figure 7
الشكل 7: صور متعددة الوسائط لثلاث عينات مختلفة. (أ i-A iii) SDS@2 β-CD brightfield ، SHG (استقطاب PP) و VSFG (استقطاب PPP) لصور منطقة 3.5 ميكرومتر ، على التوالي. يتم تراكب الصور غير الخطية مع صور برايتفيلد. تظهر الهياكل الكيميائية ل SDS و 2β-CD في أقحم i. (بط - برابعا) الكولاجين المجفف بالتجميد برايتفيلد ، SHG (استقطاب PP) ، VSFG (استقطاب PPP) من مناطق 3.5 ميكرومتر و 6 ميكرومتر على التوالي. يظهر التركيب الكيميائي لبقايا تشذيب البروتين الأولية للكولاجين ، المكون من الجلايسين والبرولين والهيدروكسي برولين ، في أقحم Bi. (جط - جالرابع) FF brightfield و SHG (استقطاب PP) و VSFG (استقطاب PPP) من مناطق 3.5 ميكرومتر و 6 ميكرومتر على التوالي. يظهر التركيب الكيميائي للوحدات الفرعية الجزيئية FF في أقحم ci. يتم التقاط جميع الصور التي يبلغ حجمها 6 ميكرومتر تحت بيئة أداة النيتروجين المطهرة لإزالة التوهين من رطوبة الهواء المحيط. لا يحتوي SDS@2 β-CD على صورة VSFG عند 6 ميكرومتر لأنه لا يحتوي على مجموعات Amid . يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الملف التكميلي 1: كود Matlab لتحليل البيانات فوق الطيفية الرجاء النقر هنا لتنزيل هذا الملف.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

الخطوات الأكثر أهمية هي من 1.42 إلى 1.44. من الأهمية بمكان محاذاة العدسة الموضوعية جيدا للحصول على دقة مكانية بصرية. من المهم أيضا جمع الإشارة المنبعثة والترحيل وإسقاط شعاع المسح كخط عند شقوق المدخل. ستضمن المحاذاة المناسبة أفضل دقة ونسبة إشارة إلى ضوضاء. بالنسبة لعينة نموذجية ، مثل أوراق SDS@2 β-CD 100 ميكرومتر × 100 ميكرومتر ، فإن صورة جيدة الدقة (~ 1 ميكرومتر دقة) مع نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية ستستغرق 20 دقيقة. هذا بالفعل أسرع من الإصدار السابق من الأداة24,26. يمكن تحقيق مزيد من التحسين لسرعة الحصول على البيانات من خلال ليزر معدل تكرار أعلى.

القيد الحالي هو الاستبانة المكانية ، والتي يمكن تحسينها بشكل أكبر باستخدام بصريات موضوعية أعلى من NA وتقنيات فائقة الدقة محتملة قائمة على البصريات غير الخطية45. تم تطبيق الكشف عن Heterodyne في التحليل الطيفي VSFG لحل طوره واستخراج الاتجاهات الجزيئية5،46،47،48. هذا ممكن تقنيا في تجربتنا. ومع ذلك ، يعتمد تصوير VSFG بشكل طبيعي على تشتت الإشارة من العينة ، مما يؤدي إلى خربشة طورها وبالتالي تعقيد العلاقات بين الاتجاه الجزيئي ومرحلة إشارة VSFG.

يعد تصوير مورفولوجيا المواد ذات الخصوصية الكيميائية أمرا صعبا لأن العديد من تقنيات التصوير تفتقر إلى الحساسيات الجزيئية. يملأ المجهر فائق الطيفية السريع VSFG هذا الفراغ من خلال فحص التوقيعات الاهتزازية الجزيئية والكشف عن المحاذاة الجزيئية للمادة المنظمة متوسطة الحجم المهمة في علوم المواد والكيمياء والبيولوجيا. وفي المستقبل، ستمكن الطبيعة العاكسة لبصريات الإضاءة من دمج تقنيات أخرى في الأداة الأساسية، مما يزيد من قدراتها ويتيح صورا متعددة الوسائط للعينات الكيميائية والبيولوجية والمادية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgments

يتم دعم تطوير الأداة من قبل Grant NSF CHE-1828666. يتم دعم ZW و JCW و WX من قبل المعاهد الوطنية للصحة ، المعهد الوطني للعلوم الطبية العامة ، Grant 1R35GM138092-01. يتم دعم BY من قبل جمعية تعزيز الابتكار للشباب ، الأكاديمية الصينية للعلوم (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

الكيمياء ، العدد 202 ، التصوير بالأشعة تحت الحمراء ، البصريات غير الخطية ، خاصية الهيكل ، التجميع الذاتي ، توليد المجموع الاهتزازي للتردد ، مجهر توليد التردد الكلي ، التصوير الطيفي ، توصيف المواد ، التنظيم الهرمي
التصوير الكيميائي الطيفي غير الخطي متعدد الوسائط باستخدام مجهر توليد مجموع التردد الاهتزازي للمسح الخطي
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