Imaging chimico iperspettrale non lineare multimodale mediante microscopia a scansione lineare con generazione di somma-frequenza vibrazionale

Summary

È stato sviluppato un quadro di imaging iperspettrale rapido e multimodale per ottenere immagini di generazione di somma e frequenza vibrazionale a banda larga (VSFG), insieme a modalità di imaging in campo chiaro, generazione di seconda armonica (SHG). A causa della risonanza della frequenza infrarossa con le vibrazioni molecolari, viene rivelata la conoscenza della morfologia strutturale e mesoscopica microscopica dei campioni consentiti dalla simmetria.

Abstract

La generazione di somma-frequenza vibrazionale (VSFG), un segnale ottico non lineare del secondo ordine, è stata tradizionalmente utilizzata per studiare le molecole alle interfacce come tecnica di spettroscopia con una risoluzione spaziale di ~100 μm. Tuttavia, la spettroscopia non è sensibile all’eterogeneità di un campione. Per studiare campioni mesoscopicamente eterogenei, noi, insieme ad altri, abbiamo spinto il limite di risoluzione della spettroscopia VSFG fino al livello di ~1 μm e abbiamo costruito il microscopio VSFG. Questa tecnica di imaging non solo è in grado di risolvere le morfologie del campione attraverso l’imaging, ma anche di registrare uno spettro VSFG a banda larga in ogni pixel delle immagini. Essendo una tecnica ottica non lineare del secondo ordine, la sua regola di selezione consente la visualizzazione di strutture autoassemblate non centrosimmetriche o chirali che si trovano comunemente in biologia, scienza dei materiali e bioingegneria, tra gli altri. In questo articolo, il pubblico sarà guidato attraverso un design di trasmissione invertita che consente l’imaging di campioni non fissi. Questo lavoro mostra anche che la microscopia VSFG può risolvere informazioni geometriche specifiche per la chimica di singoli fogli autoassemblati combinandola con un risolutore di funzioni di rete neurale. Infine, le immagini ottenute in configurazioni in campo chiaro, SHG e VSFG di vari campioni discutono brevemente le informazioni uniche rivelate dall’imaging VSFG.

Introduction

La generazione di somma-frequenza vibrazionale (VSFG), una tecnica ottica non lineare del secondo ordine ^1,2, è stata ampiamente utilizzata come strumento di spettroscopia per profilare chimicamente campioni simmetrici^consentiti 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13^, 14,15,16,17,18,19,20,21,22. Tradizionalmente, il VSFG è stato applicato ai sistemi interfacciali 8,9,10,11 (cioè gas-liquido, liquido-liquido, gas-solido^, solido-liquido), che mancano di simmetria di inversione – un requisito per l’attività VSFG. Questa applicazione di VSFG ha fornito una vasta gamma di dettagli molecolari delle interfacce sepolte 12,13, delle configurazioni delle molecole d’acqua alle interfacce 14,15,16,17,18 e delle specie chimiche alle interfacce 19,20,21,22.

Sebbene il VSFG sia stato potente nel determinare le specie molecolari e le configurazioni alle interfacce, il suo potenziale nella misurazione delle strutture molecolari di materiali privi di centri di inversione non è stato realizzato. Ciò è in parte dovuto al fatto che i materiali potrebbero essere eterogenei nel loro ambiente chimico, nelle composizioni e nella disposizione geometrica, e uno spettrometro VSFG tradizionale ha un’ampia area di illuminazione dell’ordine di 100 μm². Pertanto, la spettroscopia VSFG tradizionale riporta informazioni mediate dall’ensemble del campione su una tipica area di illuminazione di 100 μm². Questa media d’insieme può portare a cancellazioni di segnale tra domini ben ordinati con orientamenti opposti e a un’errata caratterizzazione delle eterogeneità locali 15,20,23,24.

Con i progressi negli obiettivi per microscopi ad alta apertura numerica (NA), basati su riflessione (geometrie di Schwarzschild e Cassegrain), che sono quasi privi di aberrazioni cromatiche, la dimensione del fuoco dei due fasci negli esperimenti VSFG può essere ridotta da 100 μm 2 a 1-2 μm² e in alcuni casi submicron²⁵. Compreso questo progresso tecnologico, il nostro gruppo e altri hanno sviluppato VSFG in una piattaforma di microscopia 20,23,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36. Recentemente, abbiamo implementato un layout ottico invertito e uno schema di rilevamento a banda larga³⁷, che consente una raccolta senza soluzione di continuità di immagini multimodali (VSFG, generazione di seconda armonica (SHG) e ottica in campo chiaro). L’imaging multimodale consente una rapida ispezione dei campioni utilizzando l’imaging ottico, correlando tra loro vari tipi di immagini e localizzando le posizioni del segnale sulle immagini del campione. Con l’ottica di illuminazione acromatica e la scelta della sorgente di illuminazione laser pulsata, questa piattaforma ottica consente in futuro l’integrazione senza soluzione di continuità di tecniche aggiuntive come la microscopia a fluorescenza³⁸ e la microscopia Raman, tra le altre.

In questa nuova disposizione, sono stati studiati campioni come le organizzazioni gerarchiche e una classe di auto-assemblaggi molecolari (MSA). Questi materiali includono il collagene e la biomimetica, in cui sia la composizione chimica che l’organizzazione geometrica sono importanti per la funzione finale del materiale. Poiché VSFG è un segnale ottico non lineare del secondo ordine, è specificamente sensibile alle disposizioni intermolecolari^39,40, come la distanza intermolecolare o gli angoli di torsione^, il che lo rende uno strumento ideale per rivelare sia le composizioni chimiche che le disposizioni molecolari. Questo lavoro descrive le modalità VSFG, SHG e campo chiaro dello strumento principale costituito da un laser a stato solido a cavità drogato con itterbio che pompa un amplificatore parametrico ottico (OPA), un microscopio invertito multimodale costruito in casa e un analizzatore di frequenza monocromatore accoppiato a un rivelatore bidimensionale ad accoppiamento caricato (CCD)²⁷. Vengono fornite procedure dettagliate di costruzione e allineamento e un elenco completo delle parti della configurazione. Un’analisi approfondita di un MSA, la cui subunità molecolare fondamentale è costituita da una molecola di sodio-dodecilsolfato (SDS), un tensioattivo comune, e due molecole di β-ciclodestrina (β-CD), nota come SDS@2 β-CD, viene fornita anche come esempio per mostrare come VSFG può rivelare dettagli geometrici specifici della molecola della materia organizzata. È stato inoltre dimostrato che i dettagli geometrici chimicamente specifici dell’MSA possono essere determinati con un approccio risolutore di funzioni di rete neurale.

Protocol

1. Microscopio VSFG a scansione lineare iperspettrale Sistema laserUtilizzare un sistema laser pulsato (vedi Tabella dei materiali) centrato a 1025 nm ± 5 nm. Il laser è impostato a 40 W, 200 kHz (200 μJ/impulso) con un’ampiezza di impulso di ~290 fs.NOTA: L’esatta frequenza di ripetizione può variare e un laser ad alta frequenza di ripetizione generalmente funziona meglio per questo microscopio VSFG. Guidare l’uscita del laser a semina in un amplificatore parametrico…

Representative Results

Figura 5: Struttura molecolare, morfologia e orientamento potenziale di SDS@β-CD. (A) Vista dall’alto e (B) vista laterale struttura chimica di SDS@β-CD. (C) Distribuzione rappresentativa del campione eterogeneo dei fogli a mesoscala sul piano del campione. La subunità molecolare potrebbe avere d…

Discussion

I passaggi più critici vanno da 1,42 a 1,44. È fondamentale allineare bene la lente dell’obiettivo per una risoluzione spaziale ottica. È anche importante raccogliere il segnale emesso, il relè e proiettare il raggio di scansione come una linea nelle fessure di ingresso. Allineamenti corretti garantirebbero la migliore risoluzione e il miglior rapporto segnale/rumore. Per un campione tipico, come i fogli SDS@2 β-CD da 100 μm per 100 μm, un’immagine a buona risoluzione (risoluzione ~1 μm) con un elevato rapporto s…

Materials

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