Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Multimodale niet-lineaire hyperspectrale chemische beeldvorming met behulp van lijnscanning Vibrationele somfrequentiegeneratiemicroscopie

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

Er werd een multimodaal, snel hyperspectraal beeldvormingsraamwerk ontwikkeld om breedband vibrationele somfrequentiegeneratie (VSFG)-beelden te verkrijgen, samen met helderveld-, tweede harmonische generatie (SHG)-beeldvormingsmodaliteiten. Omdat de infraroodfrequentie resoneert met moleculaire trillingen, wordt microscopische structurele en mesoscopische morfologische kennis onthuld van symmetrie-toegestane monsters.

Abstract

Vibrational sum-frequency generation (VSFG), een niet-lineair optisch signaal van de tweede orde, wordt van oudsher gebruikt om moleculen op grensvlakken te bestuderen als een spectroscopietechniek met een ruimtelijke resolutie van ~100 μm. De spectroscopie is echter niet gevoelig voor de heterogeniteit van een monster. Om mesoscopisch heterogene monsters te bestuderen, hebben we, samen met anderen, de resolutielimiet van VSFG-spectroscopie verlaagd tot ~1 μm-niveau en de VSFG-microscoop geconstrueerd. Deze beeldvormingstechniek kan niet alleen monstermorfologieën oplossen door middel van beeldvorming, maar ook een breedband VSFG-spectrum opnemen op elke pixel van de beelden. Omdat het een niet-lineaire optische techniek van de tweede orde is, maakt de selectieregel de visualisatie mogelijk van niet-centrosymmetrische of chirale zelfgeassembleerde structuren die vaak worden aangetroffen in onder meer biologie, materiaalkunde en bio-engineering. In dit artikel wordt het publiek door een omgekeerd transmissieontwerp geleid dat het mogelijk maakt om niet-gefixeerde monsters in beeld te brengen. Dit werk laat ook zien dat VSFG-microscopie chemisch-specifieke geometrische informatie van individuele zelfgeassembleerde vellen kan oplossen door deze te combineren met een neurale netwerkfunctie-oplosser. Ten slotte bespreken de beelden die zijn verkregen onder helderveld-, SHG- en VSFG-configuraties van verschillende monsters kort de unieke informatie die wordt onthuld door VSFG-beeldvorming.

Introduction

Vibrationele somfrequentiegeneratie (VSFG), een niet-lineaire optische techniek van de tweede orde1,2, is op grote schaal gebruikt als spectroscopie-instrument om symmetrie-toegestane monsters chemisch te profileren 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13, 14,15,16,17,18,19,20,21,22. Traditioneel wordt VSFG toegepast op grensvlaksystemen 8,9,10,11 (d.w.z. gas-vloeistof, vloeistof-vloeistof, gas-vaste, vaste-vloeistof), die geen inversiesymmetrie hebben - een vereiste voor VSFG-activiteit. Deze toepassing van VSFG heeft een schat aan moleculaire details opgeleverd van begraven grensvlakken 12,13, configuraties van watermoleculen op grensvlakken 14,15,16,17,18 en chemische soorten op grensvlakken 19,20,21,22.

Hoewel VSFG krachtig is geweest in het bepalen van moleculaire soorten en configuraties op grensvlakken, is het potentieel ervan voor het meten van moleculaire structuren van materialen zonder inversiecentra niet vervuld. Dit komt deels omdat de materialen heterogeen kunnen zijn in hun chemische omgeving, samenstellingen en geometrische rangschikking, en een traditionele VSFG-spectrometer heeft een groot verlichtingsgebied in de orde van grootte van 100 μm2. Traditionele VSFG-spectroscopie rapporteert dus over ensemble-gemiddelde informatie van het monster over een typisch verlichtingsgebied van 100 μm2. Dit ensemblemiddeling kan leiden tot signaalannuleringen tussen goed geordende domeinen met tegengestelde oriëntaties en verkeerde karakterisering van lokale heterogeniteiten 15,20,23,24.

Met vooruitgang op het gebied van hoge numerieke apertuur (NA), reflecterende microscoopobjectieven (Schwarzschild- en Cassegrain-geometrieën), die bijna vrij zijn van chromatische aberraties, kan de focusgrootte van de twee bundels in VSFG-experimenten worden verkleind van 100 μm2 tot 1-2μm2 en in sommige gevallen submicron25. Met inbegrip van deze technologische vooruitgang hebben onze groep en anderen VSFG ontwikkeld tot een microscopieplatform 20,23,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36. Onlangs hebben we een omgekeerde optische lay-out en breedbanddetectieschema37 geïmplementeerd, dat een naadloze verzameling van multimodale beelden mogelijk maakt (VSFG, tweede harmonische generatie (SHG) en optisch helderveld). De multimodale beeldvorming maakt een snelle inspectie van monsters mogelijk met behulp van optische beeldvorming, het correleren van verschillende soorten beelden en het lokaliseren van signaalposities op de monsterbeelden. Met de achromatische verlichtingsoptiek en de keuze van de gepulseerde laserverlichtingsbron, maakt dit optische platform een toekomstige naadloze integratie mogelijk van aanvullende technieken zoals fluorescentiemicroscopie38 en Raman-microscopie, onder andere.

In deze nieuwe opstelling zijn monsters zoals hiërarchische organisaties en een klasse van moleculaire zelfassemblages (MSA's) bestudeerd. Deze materialen omvatten collageen en biomimetica, waarbij zowel de chemische samenstelling als de geometrische organisatie belangrijk zijn voor de uiteindelijke functie van het materiaal. Omdat VSFG een niet-lineair optisch signaal van de tweede orde is, is het specifiek gevoelig voor intermoleculaire arrangementen39,40, zoals intermoleculaire afstand of draaihoeken, waardoor het een ideaal hulpmiddel is voor het onthullen van zowel chemische samenstellingen als moleculaire arrangementen. Dit werk beschrijft de VSFG-, SHG- en helderveldmodaliteiten van het kerninstrument, bestaande uit een met ytterbium gedoteerde holte solid-state laser die een optische parametrische versterker (OPA) pompt, een zelfgebouwde multimodale omgekeerde microscoop en monochromatorfrequentieanalysator gekoppeld aan een tweedimensionale detector voor geladen gekoppeld apparaat (CCD)27. Er wordt een stap-voor-stap constructie- en uitlijningsprocedure en een volledige onderdelenlijst van de installatie verstrekt. Een diepgaande analyse van een MSA, waarvan de fundamentele moleculaire subeenheid bestaat uit één molecuul natrium-dodecylsulfaat (SDS), een veel voorkomende oppervlakteactieve stof, en twee moleculen β-cyclodextrine (β-CD), hierin bekend als SDS@2 β-CD, wordt ook als voorbeeld gegeven om te laten zien hoe VSFG molecuulspecifieke geometrische details van georganiseerde materie kan onthullen. Er is ook aangetoond dat chemisch-specifieke geometrische details van de MSA kunnen worden bepaald met een neurale netwerkfunctie-oplosserbenadering.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Hyperspectrale lijn-aftastende VSFG-microscoop

  1. Laser systeem
    1. Gebruik een gepulseerd lasersysteem (zie Materiaaltabel) gecentreerd op 1025 nm ± 5 nm. De laser is ingesteld op 40 W, 200 kHz (200 μJ/puls) met een pulsbreedte van ~290 fs.
      OPMERKING: De exacte herhalingsfrequentie kan variëren, en een laser met een hoge herhalingsfrequentie werkt over het algemeen beter voor deze VSFG-microscoop.
    2. Leid de output van de zaadlaser naar een commerciële optische parametrische versterker (OPA) om een mid-infraroodstraal (MIR) te genereren (zie Tabel met materialen). Stem de MIR af op de frequentie van de rente (Figuur 1A).
      OPMERKING: In de huidige studie is de MIR gecentreerd op 3450 nm ± 85 nm (~2900 ± 72 cm-1) met een pulsduur van ~290 fs en pulsenergie van ~6 μJ, die een deel van het -CHx functionele groepsgebied omvat.
  2. Opwaartse conversiestraal
    1. Leid de resterende 1025 nm-bundel van OPA door een Fabry-Perot etalon (zie Tabel met materialen) om een spectraal versmalde opwaartse conversiebundel te produceren met een FWHM van ~4,75 cm-1.
    2. Filter de versmalde bundel van 1025 nm ruimtelijk met een saffieren gaatje van 8 μm.
      OPMERKING: De straal van 1025 nm kan worden gevisualiseerd met behulp van een NIR-kaart.
    3. Regel de polarisatie van de 1025 nm-puls met een λ/2-golfplaat (zie Tabel met materialen).
  3. MIR-straal
    1. Leid de MIR-straal door een vertragingstrap voor een nauwkeurige controle van de temporele overlapping.
    2. Regel de polarisatie van de MIR met een λ/2-golfplaat.
  4. VSFG-microscoop
    1. Overlap ruimtelijk zowel opwaartse conversie als MIR-stralen op een aangepaste dichroïsche spiegel (DM, Figuur 1B) die doorlaatbaar is voor MIR en reflecterend voor NIR (zie Tabel met materialen). Gebruik twee irissen om de uitlijning te begeleiden: één direct na de DM en één aan het uiteinde. Gebruik een vermogensmeter achter de iris om te bepalen of MIR gecentreerd is en gebruik een NIR-kaart om NIR-posities te lokaliseren.
      OPMERKING: Na de overlapping kan de NIR-straal worden gebruikt om beide liggers te geleiden.
    2. Richt de overlappende bundels op een omgekeerde microscoop met een geïntegreerde 325 Hz eenassige resonantiestraalscanner (gemonteerd op een geïntegreerde scanner met twee standen (I2PS), figuur 1B) (zie materiaaltabel).
      NOTITIE: De resonantiescanner projecteert een lijn van de twee overlappende bundels op de achterste opening van het condensorobjectief. Het is gemonteerd op een schuifregelaar die de naadloze herconfiguratie tussen VSFG/SHG- en helderveldmodaliteiten mogelijk maakt.
    3. Richt de twee ruimtelijk overlappende stralen op het monster met een zuiver reflecterend Schwarzschild-objectief (SO, figuur 1B,D) (zie tabel met materialen).
    4. Verzamel het VSFG-signaal dat door het monster wordt gegenereerd met een oneindig gecorrigeerd brekingsobjectief (RO, figuur 1B,D) (zie tabel met materialen).
    5. Leid het gecollimeerde output VSFG-signaal door een lineaire polarisator en vervolgens door een telecentrisch buislenssysteem dat bestaat uit twee f = 60 mm brandpuntslenzen (TL1 en TL2, figuur 1B,C) (zie materiaaltabel).
      NOTITIE: Het vergrote beeld van de buislenzen wordt gevormd bij de ingangsspleet van de monochromator (MC, Figuur 1B,C), en de ruimtelijke/frequentieopgeloste gegevens worden gedetecteerd op een tweedimensionale CCD-detector (CCD, Figuur 1B).
  5. SHG-modus
    1. Om over te schakelen naar SHG-beeldvorming, blokkeert u de IR-straal en draait u het rooster van de spectrograaf tot 501.5 nm om het SHG-signaal in beeld te brengen.
  6. Helderveld-modus
    1. Om over te schakelen naar optische beeldvorming met helder veld, schakelt u de witlichtbron in (zie Materiaaltabel). Verplaats de geïntegreerde schuifregelaar (I2PS, Figuur 1B) om helderveldbeelden te verzamelen in de tegengestelde voortplantingsrichting, waarbij het beeldobjectief (RO) fungeert als condensor en het condensorobjectief (SO) als beeldobjectief.
    2. Vorm een beeld van de gecollimeerde output van het brekingsobjectief op het sensorvlak van een RGB-helderveldcamera met behulp van een in de handel verkrijgbaar buislenssysteem (zie Tabel met materialen).

Figure 1
Figuur 1: Multimodale hyperspectrale VSFG-microscoop. (EEN) Bovenaanzicht van de kernopstelling. Een pomplaser van 1025 nm werd naar een OPA gestuurd om een afstembare mid-IR-puls te genereren. De resterende 1025 nm werd vaak versmald door een etalon (E) en ruimtelijk gefilterd tot een Gaussiaanse bundel door een ruimtelijk filter (SFG). Mid-IR en 1025 nm bundels worden ruimtelijk overlapt op een aangepaste dichroïsche spiegel (DM) en door de omgekeerde microscoop geleid (boxed gebied in A). (B) De twee bundels worden naar een 325 Hz resonantiebundelscanner gestuurd die is gemonteerd op een geïntegreerde schuifregelaar met 2 standen (I2PS), waardoor naadloos kan worden geschakeld tussen helderveld- en niet-lineaire optische modaliteiten. Het microscoopplatform is uitgerust met een reflecterend op oneindig gecorrigeerd Schwarzschild-objectief (SO) dat als condensator fungeert en een op breking gebaseerd oneindig gecorrigeerd beeldvormingsobjectief (RO) dat op een verticale nanopositionering (VNP) z-astrap is gemonteerd. De SO focust de lijn van inkomende bundels die de resonantiestraalscanner op het monster reflecteert, terwijl de RO het VSFG-lijngedeelte van signalen verzamelt. Het is belangrijk om de positie van de z-as van de RO nauwkeurig te regelen met een nauwkeurigheid van 1 μm om ervoor te zorgen dat het monster zich in de beste brandpuntstoestand bevindt voor beeldvorming van hoge kwaliteit. De gecollimeerde lijn van het VSFG-signaal wordt vervolgens naar een buislenssysteem geleid dat bestaat uit 2 buislenzen (TL1 en TL2), die een vergroot beeld vormen bij de ingangsspleet van de monochromator (MC). De frequentie-opgeloste lijn van spectra wordt vervolgens hyperspectraal afgebeeld op een charge-coupled device (CCD). Na het verzamelen van elke hyperspectrale lijn, wordt het monster gescand in de as loodrecht op de scanas van de resonantiestraalscanner met behulp van de NP. Om helderveldbeelden van het monster te verzamelen, wordt de I2PS naar de helderveldpositie verplaatst en wordt een spiegel geïnstalleerd die de witte lichtbron (WLS) onderschept. Licht wordt vervolgens gefocusseerd door de RO en afgebeeld door de SO. Vervolgens wordt een beeld gevormd op het sensorvlak van de helderveldcamera (BC) aan de bovenkant van de omgekeerde microscoop. (C) Gedetailleerd beeld van het optische pad door het buis-lensgebied naar de MC en CCD. (D) Gedetailleerde weergave van het steekproefgebied tussen de mededeling van punten van bezwaar en de RO. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

2. Hyperspectrale microscoopuitlijning en verticale CCD-as ruimtelijke kalibratie

  1. Optimaliseer ruwweg de positie van het monstervlak (nano-positioner z-as) met behulp van een standaardmonster van ZnO (1 μm dik) patroonsputtercoating van 15 mm x 15 mm x 0,170 mm ± 0,005 mm dekglaasje en breng het in helderveldfocus met behulp van de helderveldbeeldvormingsmodaliteit.
    NOTITIE: De z-positie van de RO en de uitlijning van het witte licht moeten mogelijk indien nodig worden aangepast. Een representatief beeld van de ZnO op het glaspatroon dat wordt gebruikt voor de kalibratie van de uitlijning is weergegeven in figuur 2.
  2. Verplaats de I2PS terug naar de niet-lineaire verlichtingsarm en optimaliseer de monsterhoogte voor de maximale niet-resonante VSFG-intensiteit die wordt gegenereerd door de ZnO-regio's die op de CCD-camera worden waargenomen.
    NOTITIE: De z-positie van de RO moet worden aangepast voor maximale intensiteit. Het kan zijn dat men stap 2.1 en 2.2 een paar keer moet herhalen voordat de optimale hoogte van het monster en RO zijn bereikt.
  3. Zet de resonantiestraalscanner aan en verzamel een lijn van de beelden.
  4. Verzamel beelden van niet-resonante intensiteit door het monster loodrecht op de richting van de straalscanner te scannen. Neem verticale segmenten van de afbeeldingsgegevens en stel de pixel:micron-verhouding vast. (zie figuur 3 en de bijbehorende legenda).
    OPMERKING: De afgeleide van deze lijnsecties wordt geanalyseerd om de verticale CCD-as pixel:micron-verhouding te produceren die zal worden gebruikt voor toekomstige afbeeldingen.

Figure 2
Figuur 2: Representatieve beeldkwaliteit voor ruwe uitlijning van de helderveldbeeldvormingsmodaliteit van een ZnO-patroon. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: Workflow voor kalibratie van verticale assen. Deze figuur illustreert hoe de CCD-pixels kunnen worden geconverteerd naar verticale ruimtelijke dimensies in de eenheid μm. (A) Er wordt een afbeelding verzameld en gereconstrueerd van het dekglaasje met ZnO-patroon. Vervolgens de pixelafstand van de ene tot de andere rand van het patroon (kleine verticale balk in A). Omdat het ZnO-patroonkruis is ontworpen om een breedte van 25 μm te hebben, kan men hier de verhouding tussen fysieke breedte en pixelbreedte gebruiken om de fysieke/pixeldimensieverhouding te berekenen. Een representatief, gekalibreerd beeld op de verticale as wordt weergegeven in (B). (C) Ten slotte wordt een verticale doorsnede genomen zoals aangegeven door de rode lijn. (D) De afgeleide van de verticale schijf wordt genomen om de ruimtelijke resolutie te verkrijgen. De afgeleide van de verticale schijf wordt gebruikt om de ruimtelijke resolutie te verkrijgen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

3. Hyperspectrale gegevensverzameling

  1. Verzamel de spectra van een verticale lijn van de VSFG-signalen op de CCD, waarvan de spectra zijn verspreid langs de horizontale as en ruimtelijke posities worden geregistreerd op de verticale as van de CCD.
    OPMERKING: Dit resulteert in een tweedimensionale gegevensset voor een doorsnede met één regel.
  2. Nadat de lijndoorsnede van het monster hyperspectraal is afgebeeld, scant u het monster in de as loodrecht op de lijnscanas met behulp van de driedimensionale nano-positioner (NP, Figuur 1).
    OPMERKING: De 3D-nanopositioner is belangrijk voor hoge precisie en reproduceerbaarheid bij het lokaliseren van monstergebieden (x-y-vlak) en het in focus brengen van het monster (z-as).
  3. Itereer tussen stap 3.1 en stap 3.2 om een hyperspectraal beeld van VSFG te verzamelen.

4. Hyperspectrale data-analyse

  1. Spectraal demixen van de gegevens met behulp van de MatLab imaging toolbox hyperspectrale imaging library workflow41.
    OPMERKING: Spectrale ontmenging correleert ruimtelijke locaties met unieke spectra. Matlab-code voor hyperspectrale gegevensanalyse is opgenomen in aanvullend bestand 1.
    1. Maak een 4-dimensionale hyperkubus (x = ruimtelijk, y = ruimtelijk, z = frequentie-afhankelijke intensiteit, ω = frequentie) met behulp van de hyperkubusfunctie in de hyperspectrale beeldvormingsbibliotheek41 van de Matlab Image Processing Toolbox.
    2. Identificeer het aantal unieke spectra met de functie countEndmembersHFC met een PFA-waarde (Probability of false alarm) van 10-7.
    3. Identificeer unieke spectra met behulp van de nfindr spectrale ontmengingsfunctie.
    4. Koppel ten slotte met behulp van de sid-functie elke pixel aan een van de unieke spectra die in de vorige stap zijn geïdentificeerd.
      OPMERKING: Aanvullende spectrale ontmengings- en matchingmethoden kunnen worden gedaan met alternatieve functies/algoritmen die worden aangeboden in de MatLab Hyperspectral Imaging Library41.
  2. Pas de somgegevens voor elk geïsoleerd blad aan de Voigt-functie42 aan (aanvullend bestand 1).
    OPMERKING: De Lorentz-functie vertegenwoordigt de zuivere homogene lijnvormlimiet, terwijl de Gauss-functie afkomstig is van inhomogene limieten. In werkelijkheid zouden de systemen zich in een combinatie van homogene en inhomogene limieten kunnen bevinden, waarvoor een Voigt-functie nodig is - een gangbare praktijk voor gecondenseerde fasespectroscopie, inclusief VSFG.

5. Geometrische analyse van het monster

  1. Bepaal de geometrie van de monsters volgens de in stap 5.2-5.3 beschreven procedure. In dit onderzoek wordt SDS@2 β-CD als voorbeeld gebruikt. Leid de symmetrie-toegestane tensorelementen van χ(2) af op basis van de C7-symmetrie van de moleculaire subeenheid van het SDS@2 β-CD mesobladenmonster.
    OPMERKING: De toegestane symmetrie χ(2) is afhankelijk van de symmetrie. Om de toegestane niet-lineaire gevoeligheid van een symmetrie te berekenen, zie referentie43.
  2. Pas de Euler-rotatie27 toe om de metingen van het laboratoriumframe te relateren aan het moleculaire frame.
    OPMERKING: In het geval van SDS@2 β-CD leidt deC7-symmetrie tot acht onafhankelijke vergelijkingen die 8 output (labframe χ(2)) relateren aan 8 input (6 onafhankelijke hyperpolariseerbaarheid β(2), en twee hoeken: Θ, de kantelhoek ten opzichte van het monstervlak van alle vellen, en φ, de rotatie in het vlak van de plaat (Figuur 4)). Twee vellen worden gebruikt om de gemeenschappelijke moleculaire uitlijningen van de twee vellen te extraheren. De relaties tussen φ1 en φ2 (rotatiehoek in het vlak van de twee platen) kunnen worden geëxtraheerd uit de helderveldbeelden. In het huidige voorbeeld is φ2 = φ1 + 60°. Er wordt verondersteld dat alle moleculaire eenheden onder dezelfde hoek staan, dus Θ1 = Θ2. Dit resulteert in 11 onbekenden (9 onafhankelijke, waaronder 6 onafhankelijke hyperpolariseerbaarheid β(2), Θ 1 en φ1, en de relatieve dekkingsgraad tussen vellen N, en de twee afhankelijke hoeken, die φ 2 en Θ2 zijn) voor 16 bekende (8 labframepolarisaties per vel en twee vellen).
  3. Breng het door polarisatie opgeloste laboratoriumframe χ(2) en de hyperpolariseerbaarheid van het moleculaire frame β(2) in verband met een neurale netwerkfunctieoplosser.
    OPMERKING: Een gedetailleerde samenvatting van deze aanpak is te vinden in referentie27.
    1. Maak een gelaagd neuraal netwerkmodel in Python44met behulp van Keras dat bestaat uit een 200-100-50 knooppuntstructuur en een hyperbolische tangensactiveringsfunctie.
    2. Maak een willekeurig gegenereerde matrix van 100000 x 11 met waarden van β(2), Θ 1, Θ 2, φ1, φ 2 en N. Bereken het corresponderende labframe 16 χ(2), met behulp van de vergelijking die in 5.2 wordt bepaald door Euler-rotaties.
    3. Gebruik de berekende χ(2)-waarden (in totaal 100.000 bij 16 waarden) als invoer, en leer 11 waarden te voorspellen (β(2), Θ 1, Θ 2, φ1, φ 2 en N) wanneer 16 χ(2)-waarden worden opgegeven.
    4. Eenmaal getraind, gebruikt u nog een set van 1000 items met zowel de ingangen als de uitgangen om het getrainde model te testen. De voorspelde output en de werkelijke output moeten een lineair verband vertonen met een helling van 1.
    5. Lever ten slotte de experimenteel gemeten χ(2) van twee vellen (op elk blad wordt 8 χ(2) gemeten), en gebruik het getrainde model om de kantelhoek Θ te voorspellen, samen met andere eigenschappen.

Figure 4
Figuur 4: Illustratie van de Euler-transformatie. (A) Illustratie van de Euler-transformatie tussen de laboratoriumcoördinaten (XYZ), tweede-orde gevoeligheid χ(2) en de moleculaire coördinaten (xyz), hyperpolariseerbaarheid βijk. z-y'-z'' Euler-rotatie wordt uitgevoerd op de moleculaire coördinaten, met φ als de rotatiehoek in het vlak, θ als de kantelhoek en ψ als de draaihoek. ψ is geïntegreerd voor willekeurige draaihoeken rond de moleculaire as. φ is niet geïntegreerd omdat alle moleculen onder een bepaalde hoek draaien ten opzichte van het laboratoriumframe om de zelfgeassembleerde platen te vormen. N is de relatieve oppervlaktebedekking van de twee platen. (B) Visualisatie van de gekantelde subeenheden die een blad vormen dat wordt bepaald door de resultaten van het neurale netwerk. Dit cijfer is aangepast ten opzichte van Wagner et al.27. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figure 5
Figuur 5: Moleculaire structuur, morfologie en potentiële oriëntatie van SDS@β-CD. (A) Bovenaanzicht en (B) Zijaanzicht chemische structuur van SDS@β-CD. (C) Representatieve heterogene monsterverdeling van de mesoschaalbladen op het monstervlak. De moleculaire subeenheid kan verschillende oriëntaties en uitlijning op het substraat hebben, wat onbekend is. Dit cijfer is aangepast ten opzichte van Wagner et al.27. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Het vermogen van de microscoop om onderscheid te maken tussen uniek georganiseerde moleculaire structuren en isotrope massa wordt aangetoond met het SDS@2 β-CD-monster23,34 (Figuur 5). In deze studie werd het monster voorbereid door β-CD en SDS toe te voegen aan gedeïoniseerd water (DI) water in een verhouding van 2:1 totdat de twee opgeloste stoffen een concentratie van 10% m/m bereikten. De suspensie werd vervolgens 's nachts verwarmd tot helderheid en afgekoeld tot kamertemperatuur. CuCl2 werd toegevoegd in een concentratie van 1:10 CuCl2:SDS om de elektrostatische interacties af te stemmen en het mengsel werd 3-5 dagen laten staan om SDS@2 β-CD mesovellen volledig te vormen. Ten slotte werden geïsoleerde mesovellen geproduceerd door 5 μL van de plaatsuspensie te gieten op een dekglaasje van 15 mm x 15 mm x 0,170 mm ± 0,005 mm dekglaasje dat was aangebracht op een spincoater met 10.000 tpm.

De mesoschaalplaten zijn gevormd uit hun zelfassemblage met een specifiekeC7-symmetrie. Toch is het onduidelijk over de moleculaire oriëntatie van de enkele moleculaire eenheid in deze zelfassemblage, een fundamentele kennis die de materiaalfuncties kan beïnvloeden. (Figuur 5C). VSFG-beelden van de zelfgeassembleerde vellen verspreid over een dekglaasje werden vastgelegd (Figuur 6A). Door middel van spectrale identificatie (stap 4 Hyperspectrale gegevensanalyse) met behulp van de Matlab hyperspectrale beeldvormingsfunctie, werd ontdekt dat alle vellen kunnen worden gecategoriseerd in twee typen, een met een hogere VSFG-intensiteit (blauwe spectra in figuur 6B en bladen met blauw gelabeld in figuur 6A), en de andere met een lagere intensiteit. Door te inspecteren en te vergelijken met het optische beeld (Figuur 6C,D), bleek het grote vel in het midden van de beelden dubbele vellen te hebben gestapeld, waardoor de kleinere VSFG-intensiteit werd toegeschreven aan destructieve interferentie tussen de twee verschillende oriëntatiebladen. Het enkele vel werd gefocusseerd om de oriëntatie van de enkele moleculaire eenheid te extraheren (blauwe in figuur 6A). Twee van de bladen (gemarkeerd in rode en blauwe vierkanten in figuur 6A) werden gemeten door verschillende VSFG-polarisaties en de spectra werden aangepast met behulp van de Voigt-functies. Merk op dat de VSFG-polarisatie wordt beschreven in het ordersignaal, up-conversie en MIR. SSP betekent bijvoorbeeld P-polarisatie van IR, S-polarisatie van opwaartse conversie en S-polarisatie van signalen.

Figure 6
Figuur 6: Polarisatie opgeloste VSFG-beeldoverlay met helderveldmodaliteit . (A) Polarisatie-opgelost (SSS) hyperspectraal VSFG-beeld van SDS@2 β-CD. Paarse en roze kleuren vertegenwoordigen gebieden waar verschillende spectra zich bevinden, en de overeenkomstige spectra zijn uitgezet in (B), die representatieve spectra zijn voor enkele pixels met signaal-ruisverhouding voor respectievelijk blauwe en magenta spectra ~56 en ~26. De bladen in de rode en blauwe vakken worden hieronder expliciet geanalyseerd om de kantelhoeken van de supramoleculen te extraheren. (C) Helderveldopname van hetzelfde gebied als dat in (A). (D) VSFG-hyperspectraal beeld bedekt met een optisch beeld van een identiek gebied. (E) Van links naar rechts: PPS-, PPP-, SSP- en SSS-polarisatieopgeloste spectra van meer dan 180 en 480 pixels binnen de twee afzonderlijke vellen gemarkeerd in rode en blauwe vakken in (A). Alle spectra hadden een dominant kenmerk gecentreerd op ongeveer 2910 cm-1 en een signaal-ruisverhouding in de orde van grootte van 1000. De spectra werden uitgerust met meerdere Voigt-functies, die werden weergegeven door de gearceerde gebieden, en werden gebruikt voor verdere oriëntatieanalyse. Dit cijfer is aangepast ten opzichte van Wagner et al.27. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Vervolgens, om de moleculaire oriëntaties te extraheren, werd eerst de symmetrie-toegestane hyperpolariseerbaarheid Equation 1 bepaald, toegestaan door de symmetrieselectieregel, met behulp van de eerder gepubliceerde procedure43. Vervolgens wordt de relatie tussen het labframe en het molecuulframe afgeleid van Euler-rotatie27. De kantelhoek θ wordt vervolgens geëxtraheerd met behulp van de hierboven beschreven neurale netwerkmethode en de kantelhoek bleek ~23° te zijn (Figuur 6).

Ten slotte wordt het vermogen van multimodale beeldvorming in dit platform37getoond (figuur 7). Hier worden drie verschillende monsters, namelijk SDS@2 β-CD, collageen en L-fenylalanyl-L-fenylalanine (FF), bestudeerd met de microscoop met helderveld-, SHG- en VSFG-beeldvormingsmodaliteiten. Allereerst vertoonden alle monsters vergelijkbare morfologieën in verschillende beeldvormingsmodaliteiten. Zowel SHG als VSFG vertoonden ruimtelijk intensiteitsvariaties, die ontbreken in optische beelden. Omdat SHG en VSFG beide geordende niet-centrosymmetrische structuren vereisen, kan de variatie in signaalintensiteit het gevolg zijn van variaties in lokale moleculaire ordening of moleculaire oriëntaties. In tegenstelling tot SHG kan men de MIR-straal van VSFG afstemmen om resonant te zijn met verschillende trillingsmodi. In het hier getoonde geval werden CHx vibratiemodi bestudeerd bij 3,5 μm en Amid-I mode bij 6 μm. Voor FF werden VSFG-beelden met sterke en uniforme signalen verkregen, wat wijst op een goed geordende zelfgeassembleerde structuur voor alle trillingsgroepen - in overeenstemming met de kristallijne aard ervan. Daarentegen vertoonde het collageenmonster een sterker VSFG-signaal in het CHx-gebied dan het amidegebied, wat aangeeft dat de monsters flexibel zijn en dat hun trillingsgroepen verschillende graden van orde hebben.

Figure 7
Figuur 7: Multimodale beelden van drie verschillende monsters. (EEN i-A iii) SDS@2 β-CD helderveld, SHG (PP-polarisatie) en VSFG (PPP-polarisatie) van respectievelijk 3,5 μm gebiedsbeelden. Niet-lineaire beelden worden bedekt met helderveldbeelden. Chemische structuren van SDS en 2β-CD worden weergegeven in de inzet van ai. (B i-B iv) Gevriesdroogd collageen brightfield, SHG (PP-polarisatie), VSFG (PPP-polarisatie) van respectievelijk 3,5 μm en 6 μm gebieden. De chemische structuur van het primaire eiwittrimeerresidu van collageen, bestaande uit glycine, proline en hydroxyproline, wordt weergegeven in de inzet van Bi. (C i-Civ) FF helderveld, SHG (PP-polarisatie) en VSFG (PPP-polarisatie) van respectievelijk 3.5 μm en 6 μm-gebieden. De chemische structuur voor de moleculaire subeenheden van FF wordt weergegeven in de inzet van ci. Alle beelden van 6 μm worden gemaakt onder een gespoelde stikstofomgeving om de demping van de luchtvochtigheid te verwijderen. SDS@2 β-CD heeft geen VSFG-beeld op 6 μm omdat het geen Amid-groepen heeft. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Aanvullend bestand 1: Matlab-code voor hyperspectrale gegevensanalyse Klik hier om dit bestand te downloaden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De meest kritische stappen zijn van 1,42 tot 1,44. Het is van cruciaal belang om de objectieflens goed uit te lijnen voor een optische ruimtelijke resolutie. Het is ook belangrijk om het uitgezonden signaal en relais op te vangen en de scanstraal als een lijn bij de ingangsspleten te projecteren. Een goede uitlijning zou de beste resolutie en signaal-ruisverhouding garanderen. Voor een typisch voorbeeld, zoals SDS@2 β-CD 100 μm bij 100 μm vellen, zou een beeld met een goede resolutie (~1 μm resolutie) met een hoge signaal-ruisverhouding 20 minuten duren. Dit is al sneller dan de vorige versie van het instrument24,26. Verdere verbetering van de snelheid van data-acquisitie kan worden gerealiseerd door een laser met een hogere herhalingssnelheid.

De huidige beperking is de ruimtelijke resolutie, die verder kan worden verbeterd met nog hogere NA-objectiefoptica en potentiële niet-lineaire optica-gebaseerde superresolutietechnieken45. Heterodynedetectie is toegepast in VSFG-spectroscopie om de fase op te lossen en de moleculaire oriëntaties 5,46,47,48 te extraheren. Dit is technisch haalbaar in ons experiment. VSFG-beeldvorming is echter van nature afhankelijk van signaalverstrooiing van het monster, waardoor de fase ervan wordt verdraaid en daardoor de relaties tussen moleculaire oriëntatie en de fase van het VSFG-signaal worden bemoeilijkt.

Het in beeld brengen van de morfologie van materialen met chemische specificiteit is een uitdaging omdat veel beeldvormingstechnieken geen moleculaire gevoeligheden hebben. Snelle hyperspectrale VSFG-microscopie vult deze leegte door moleculaire trillingshandtekeningen te onderzoeken en moleculaire uitlijningen van mesoschaal georganiseerde materie te onthullen die belangrijk zijn in materiaalkunde, scheikunde en biologie. In de toekomst zal de reflecterende aard van de verlichtingsoptiek het mogelijk maken om andere technieken in het kerninstrument te integreren, waardoor de mogelijkheden verder worden vergroot en multimodale beelden van chemische, biologische en materiaalmonsters mogelijk worden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

De ontwikkeling van het instrument wordt ondersteund door Grant NSF CHE-1828666. ZW, JCW en WX worden ondersteund door de National Institutes of Health, National Institute of General Medical Sciences, Grant 1R35GM138092-01. BY wordt ondersteund door de Youth Innovation Promotion Association, Chinese Academy of Sciences (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

Scheikunde infrarood beeldvorming niet-lineaire optica structuur-eigenschap zelf-assemblage vibrationele som-frequentie generatie som-frequentie generatie microscopie hyperspectrale beeldvorming materiaalkarakterisering hiërarchische organisatie
Multimodale niet-lineaire hyperspectrale chemische beeldvorming met behulp van lijnscanning Vibrationele somfrequentiegeneratiemicroscopie
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