Täname, et külastasite veebisaiti Nature.com.Kasutate piiratud CSS-i toega brauseri versiooni.Parima kasutuskogemuse saamiseks soovitame kasutada uuendatud brauserit (või keelata Internet Exploreris ühilduvusrežiim).Lisaks näitame pideva toe tagamiseks saiti ilma stiilide ja JavaScriptita.
Kuvab korraga kolmest slaidist koosneva karusselli.Korraga kolme slaidi vahel liikumiseks kasutage nuppe Eelmine ja Järgmine või kolme slaidi vahel liikumiseks kasutage lõpus olevaid liugurinuppe.
Töötati välja ülikompaktne (54 × 58 × 8, 5 mm) ja laia avaga (1 × 7 mm) üheksavärviline spektromeeter, mis jagunes kaheks kümnest kahest peeglist koosneva massiiviga, mida kasutati hetkeliseks spektraalpildistamiseks.Langev valgusvoog, mille ristlõige on väiksem kui ava suurus, jaguneb pidevaks 20 nm laiuseks ribaks ja üheksaks värvivooguks, mille kesklainepikkused on 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 ja 690 nm.Pildisensor mõõdab korraga tõhusalt üheksa värvivoo pilte.Erinevalt tavalistest kahevärvilistest peeglimassiividest on välja töötatud dikroonse peegli massiivi ainulaadne kaheosaline konfiguratsioon, mis mitte ainult ei suurenda samaaegselt mõõdetavate värvide arvu, vaid parandab ka iga värvivoo pildi eraldusvõimet.Väljatöötatud üheksavärvi spektromeetrit kasutatakse nelja kapillaarelektroforeesiks.Igas kapillaaris samaaegselt migreeruva kaheksa värvaine samaaegne kvantitatiivne analüüs, kasutades üheksa värvi laseriga indutseeritud fluorestsentsi.Kuna üheksavärviline spektromeeter pole mitte ainult üliväike ja odav, vaid sellel on ka suur valgusvoog ja piisav spektraalne eraldusvõime enamiku spektraalkujutise rakenduste jaoks, saab seda laialdaselt kasutada erinevates valdkondades.
Hüperspektraalne ja multispektraalne pildistamine on muutunud astronoomia2, Maa vaatluse kaugseire3,4, toidu ja vee kvaliteedikontrolli5,6, kunsti säilitamise ja arheoloogia7, kohtuekspertiisi8, kirurgia9, biomeditsiinilise analüüsi ja diagnostika10,11 jne oluliseks osaks. Valdkond 1 Asendamatu tehnoloogia ,12,13.Meetodid vaatevälja iga emissioonipunkti poolt kiiratava valguse spektri mõõtmiseks jagunevad (1) punktiskaneerimiseks (“luud”)14,15, (2) lineaarseks skaneerimiseks (“panicle”)16,17,18 , (3) pikkus skaneerib laineid19,20,21 ja (4) kujutisi22,23,24,25.Kõigi nende meetodite puhul on ruumilisel, spektraalsel eraldusvõimel ja ajalisel eraldusvõimel kompromisssuhe9,10,12,26.Lisaks mõjutab valguse väljund märkimisväärselt tundlikkust, st signaali-müra suhet spektraalpildistamisel26.Valgusvoog ehk valguse kasutamise efektiivsus on otseselt võrdeline iga valguspunkti tegeliku mõõdetud valgushulga ajaühikus ja mõõdetud lainepikkuse vahemiku valguse koguhulga suhtega.Kategooria (4) on sobiv meetod, kui iga kiirgava punkti poolt kiiratava valguse intensiivsus või spekter muutub ajas või kui iga kiirgava punkti asukoht ajas muutub, kuna kõigi kiirgavate punktide poolt kiiratava valguse spektrit mõõdetakse samaaegselt.24.
Enamik ülaltoodud meetodeid on kombineeritud suurte, keerukate ja/või kallite spektromeetritega, mis kasutavad 18 võre või 14, 16, 22, 23 prismat klasside (1), (2) ja (4) või 20, 21 filtrikettaga, vedelikufiltrite jaoks. .Kategooria (3) kristalsed häälestatavad filtrid (LCTF)25 või akusto-optilised häälestatavad filtrid (AOTF)19.Seevastu kategooria (4) mitme peegliga spektromeetrid on oma lihtsa konfiguratsiooni tõttu väikesed ja odavad27,28,29,30.Lisaks on neil suur valgusvoog, kuna iga kahevärvilise peegli jagatud valgust (st igale kahevärvilisele peeglile langeva valguse edastatud ja peegeldunud valgust) kasutatakse täielikult ja pidevalt.Samas on samaaegselt mõõdetavate lainepikkusribade (st värvide) arv piiratud umbes neljaga.
Fluorestsentstuvastusel põhinevat spektraalset kujutist kasutatakse tavaliselt multipleksanalüüsiks biomeditsiinilises tuvastamises ja diagnostikas 10, 13 .Kuna multipleksimisel on mitu analüüti (nt spetsiifiline DNA või valk) märgistatud erinevate fluorestseeruvate värvainetega, kvantifitseeritakse iga vaatevälja igas emissioonipunktis esinev analüüt mitmekomponendilise analüüsi abil.32 jagab iga emissioonipunkti poolt emiteeritud tuvastatud fluorestsentsspektri.Selle protsessi käigus võivad erinevad värvained, millest igaüks kiirgab erinevat fluorestsentsi, kolokaliseeruda, st eksisteerida koos ruumis ja ajas.Praegu on ühe laserkiirega ergastavate värvainete maksimaalne arv kaheksa33.Seda ülempiiri ei määra mitte spektraalne eraldusvõime (st värvide arv), vaid fluorestsentsspektri laius (≥50 nm) ja värvaine Stokesi nihe (≤200 nm) FRET-i juures (kasutades FRET-i)10 .Kuid värvide arv peab olema suurem või võrdne värvainete arvuga, et välistada segavärvide spektraalne kattumine 31, 32.Seetõttu on vaja suurendada samaaegselt mõõdetud värvide arvu kaheksani või enama.
Hiljuti töötati välja ülikompaktne heptakroiline spektromeeter (kasutab nelja fluorestsentsvoo mõõtmiseks heptühroiliste peeglite massiivi ja pildiandurit).Spektromeeter on kaks kuni kolm suurusjärku väiksem kui tavalised spektromeetrid, mis kasutavad võreid või prismasid34,35.Siiski on keeruline paigutada spektromeetrisse rohkem kui seitset kahevärvilist peeglit ja mõõta korraga rohkem kui seitset värvi36,37.Dikroonsete peeglite arvu suurenemisega suureneb dikroonsete valgusvoogude optiliste radade pikkuste maksimaalne erinevus ning kõigi valgusvoogude kuvamine ühel meeletasandil muutub keeruliseks.Pikeneb ka valgusvoo pikima optilise tee pikkus, mistõttu spektromeetri ava laius (st spektromeetriga analüüsitava valguse maksimaalne laius) väheneb.
Vastuseks ülaltoodud probleemidele töötati välja ülikompaktne üheksavärviline spektromeeter, millel on kahekihiline "dikroiline" dekakromaatiline peeglimassiivi ja pildisensor hetkeliseks spektraalkujutiseks [kategooria (4)].Võrreldes varasemate spektromeetritega on väljatöötatud spektromeetril väiksem optilise tee maksimaalse pikkuse erinevus ja väiksem maksimaalne optilise tee pikkus.Seda on kasutatud nelja kapillaarelektroforeesi jaoks, et tuvastada laseriga indutseeritud üheksa värvi fluorestsentsi ja kvantifitseerida kaheksa värvaine samaaegset migratsiooni igas kapillaaris.Kuna väljatöötatud spektromeeter ei ole mitte ainult üliväike ja odav, vaid ka suure valgusvoo ja piisava spektraalse eraldusvõimega enamiku spektraalkujutise rakenduste jaoks, saab seda laialdaselt kasutada erinevates valdkondades.
Traditsiooniline üheksa värvi spektromeeter on näidatud joonisel fig.1a.Selle disain järgib eelmise üliväikese seitsmevärvilise spektromeetri 31 oma. See koosneb üheksast kahevärvilisest peeglist, mis on paigutatud horisontaalselt 45° nurga all paremale, ja pildisensor (S) asub üheksa kahevärvilise peegli kohal.Altpoolt sisenev valgus (C0) jagatakse üheksa dikroilise peegli massiiviga üheksaks ülespoole suunduvaks valgusvooks (C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 ja C9).Kõik üheksa värvivoogu suunatakse otse pildisensorisse ja tuvastatakse samaaegselt.Selles uuringus on C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 ja C9 lainepikkuste järjekorras ning neid esindavad magenta, violetne, sinine, tsüaan, roheline, kollane, oranž, punakasoranž ja vastavalt punane.Kuigi neid värvinimetusi kasutatakse selles dokumendis, nagu on näidatud joonisel 3, kuna need erinevad inimsilma poolt nähtavatest tegelikest värvidest.
Tavaliste ja uute üheksavärviliste spektromeetrite skemaatilised diagrammid.a ) Tavaline üheksavärviline spektromeeter üheksa kahevärvilise peegli massiiviga.(b) Uus üheksavärviline spektromeeter kahekihilise dikroonse peegli massiiviga.Langev valgusvoog C0 jagatakse üheksaks värviliseks valgusvooks C1-C9 ja tuvastatakse pildisensor S abil.
Välja töötatud uuel üheksavärvilisel spektromeetril on kahekihiline dikroonne peegelvõre ja pildisensor, nagu on näidatud joonisel 1b.Alumisel astmel on viis dikrootilist peeglit kallutatud 45° paremale, joondatud dekaamerite massiivi keskelt paremale.Ülemisel tasandil on viis täiendavat kahevärvilist peeglit kallutatud 45° vasakule ja asuvad keskelt vasakule.Alumise kihi vasakpoolseim dikroiline peegel ja ülemise kihi parempoolseim dikroiline peegel kattuvad üksteisega.Langev valgusvoog (C0) jagatakse altpoolt neljaks väljuvaks kromaatiliseks vooks (C1-C4) viie dikromaatse peegliga paremal ja viieks väljuvaks kromaatiliseks vooguks (C5-C4) viie dikroaatilise peegliga vasakul C9).Nagu tavalised üheksavärvi spektromeetrid, süstitakse kõik üheksa värvivoogu otse pildisensorisse (S) ja tuvastatakse samaaegselt.Võrreldes jooniseid 1a ja 1b on näha, et uue üheksavärvispektromeetri puhul väheneb üheksa värvivoo maksimaalne erinevus ja pikim optilise tee pikkus poole võrra.
Üliväikese kahekihilise dikroonse peegli massiivi 29 mm (laius) × 31 mm (sügavus) × 6 mm (kõrgus) detailne konstruktsioon on näidatud joonisel 2. Kümnendkohal paiknev dikroonse peegli massiiv koosneb viiest paremal asuvast kahekihilisest peeglist (M1-M5) ja viis kahevärvilist peeglit vasakul (M6-M9 ja veel üks M5), iga kahevärviline peegel on kinnitatud ülemisse alumiiniumklambrisse.Kõik kahevärvilised peeglid on ajatatud, et kompenseerida peegleid läbiva voolu murdumisest tingitud paralleelset nihkumist.M1 all on ribapääsfilter (BP) fikseeritud.M1 ja BP mõõtmed on 10 mm (pikk külg) x 1,9 mm (lühem külg) x 0,5 mm (paksus).Ülejäänud dikroonsete peeglite mõõtmed on 15 mm × 1,9 mm × 0,5 mm.Maatriksi samm M1 ja M2 vahel on 1,7 mm, samas kui teiste dikroonsete peeglite maatriksi samm on 1,6 mm.Joonisel fig.2c ühendab langeva valgusvoo C0 ja üheksa värvilist valgusvoogu C1-C9, mis on eraldatud peeglitest eraldatud maatriksiga.
Kahekihilise dikroilise peegelmaatriksi konstrueerimine.(a) perspektiivvaade ja (b) kahekihilise kahekihilise peegli massiivi ristlõige (mõõtmed 29 mm x 31 mm x 6 mm).See koosneb viiest dikroilisest peeglist (M1-M5), mis asuvad alumises kihis, viiest kahevärvilisest peeglist (M6-M9 ja veel üks M5), mis asuvad ülemises kihis, ja ribapääsfiltrist (BP), mis asub M1 all.(c) Ristlõige vertikaalsuunas, C0 ja C1-C9 kattuvad.
Ava laius horisontaalsuunas, mida tähistab laius C0 joonisel 2, c, on 1 mm ja joonisel fig 2 kujutatud tasapinnaga risti olevas suunas, mis on antud alumiiniumklambri konstruktsiooniga, - 7 mm.See tähendab, et uue üheksavärvilise spektromeetri ava suurus on 1 mm × 7 mm.C4 optiline tee on C1-C9 hulgas pikim ja C4 optiline tee dikroilise peegli massiivi sees on ülaltoodud üliväikese suuruse (29 mm × 31 mm × 6 mm) tõttu 12 mm.Samal ajal on C5 optilise tee pikkus C1-C9 hulgas lühim ja C5 optilise tee pikkus on 5,7 mm.Seetõttu on optilise tee pikkuse maksimaalne erinevus 6,3 mm.Ülaltoodud optilise tee pikkused on korrigeeritud M1-M9 ja BP (kvartsist) optilise ülekande optilise tee pikkuse suhtes.
М1−М9 ja VR spektraalsed omadused arvutatakse nii, et vood С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8 ja С9 on lainepikkuste vahemikus 520–540, 540–560, 560–58080, –600, 600–620, 620–640, 640–660, 660–680 ja 680–700 nm vastavalt.
Dekakromaatsete peeglite valmistatud maatriksi foto on näidatud joonisel 3a.M1-M9 ja BP on liimitud vastavalt alumiiniumtoe 45-kraadise kaldega ja horisontaaltasapinnale, M1 ja BP on aga peidetud joonise tagaküljele.
Dekaanipeeglite massiivi valmistamine ja selle demonstreerimine.a) Valmistatud dekakromaatsete peeglite hulk.b) 1 mm × 7 mm üheksa värvi poolitatud kujutis, mis projitseeritakse paberilehele, mis asetatakse dekakromaatsete peeglite ette ja on valge valgusega taustvalgustatud.c) Dekokromaatiliste peeglite hulk, mis on tagant valgustatud valge valgusega.(d) Dekaani peegli massiivist lähtuv üheksavärviline lõhenemisvoog, mida täheldatakse suitsuga täidetud akrüülkanistri asetamisel dekaani peegli massiivi ette punktis c ja ruumi pimedamaks muutmisel.
M1-M9 C0 mõõdetud ülekandespektrid 45° langemisnurga korral ja BP CO mõõdetud ülekandespekter 0° langemisnurga korral on näidatud joonistel fig.4a.C1-C9 ülekandespektrid CO suhtes on näidatud joonistel fig.4b.Need spektrid arvutati joonistel fig.4a vastavalt optilisele teele C1-C9 joonisel fig 4a.1b ja 2c.Näiteks TS(C4) = TS (BP) × [1 – TS (M1)] × TS (M2) × TS (M3) × TS (M4) × [1 – TS (M5)], TS(C9 ) = TS (BP) × TS (M1) × [1 - TS (M6)] × TS (M7) × TS (M8) × TS (M9) × [1 - TS (M5)], kus TS (X) ja [ 1 − TS(X)] on vastavalt X ülekande- ja peegeldusspektrid.Nagu on näidatud joonisel 4b, on C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 ja C9 ribalaiused (ribalaius ≥50%) 521-540, 541-562, 563-580, 581-602, 603 -623, 624-641, 642-657, 659-680 ja 682-699 nm.Need tulemused on kooskõlas väljatöötatud vahemikega.Lisaks on C0 valguse kasutusefektiivsus kõrge ehk keskmine maksimaalne C1-C9 valguse läbilaskvus on 92%.
Dikroilise peegli ja jagatud üheksa värvi voo ülekandespektrid.(a) M1-M9 mõõdetud ülekandespektrid 45° esinemissagedusel ja BP 0° esinemissagedusel.(b) C1–C9 ülekandespektrid C0 suhtes, mis on arvutatud punkti a alusel.
Joonisel fig.Joonisel fig 3c on dikroonsete peeglite massiiv paigutatud vertikaalselt, nii et selle parem pool joonisel 3a on ülemine külg ja kollimeeritud LED-i (C0) valge valgusvihk on tagantvalgustatud.Joonisel 3a näidatud dekakromaatsete peeglite massiiv on paigaldatud 54 mm (kõrgus) × 58 mm (sügavus) × 8,5 mm (paksus) adapterisse.Joonisel fig.3d, lisaks joonisel fig.Nagu on näidatud joonisel 3c, asetati suitsuga täidetud akrüülpaak mitme kromaatiliste peeglite ette, kusjuures ruumis olid tuled välja lülitatud.Selle tulemusel on paagis nähtavad üheksa dikrootilist voolu, mis pärinevad paljudest dekatroilistest peeglitest.Igal jagatud voolul on ristkülikukujuline ristlõige mõõtmetega 1 × 7 mm, mis vastab uue üheksavärvilise spektromeetri ava suurusele.Joonisel fig 3b asetatakse paberileht joonisel fig 3c kujutatud dikroonsete peeglite massiivi ette ja vaadeldakse paberile projitseeritud paberile projitseeritud 1 x 7 mm kujutist üheksast dikroonsest voolust paberi liikumise suunast.ojad.Üheksa värvieraldusvoogu joonisel fig.3b ja d on ülalt alla C4, C3, C2, C1, C5, C6, C7, C8 ja C9, mida on näha ka joonistel 1 ja 2. 1b ja 2c.Neid vaadeldakse nende lainepikkustele vastavates värvides.LED-i vähese valge valguse intensiivsuse tõttu (vt lisajoonis S3) ja joonisel C9 (682–699 nm) jäädvustamiseks kasutatava värvikaamera tundlikkuse tõttu. Muud poolitusvood on nõrgad.Samamoodi oli C9 palja silmaga nõrgalt nähtav.Samal ajal näib C2 (teine voog ülalt) joonisel 3 roheline, kuid paistab palja silmaga kollasem.
Üleminek jooniselt 3c kuni d on näidatud täiendavas videos 1. Kohe pärast seda, kui LED-i valge valgus läbib dekakromaatilise peegli massiivi, jaguneb see samaaegselt üheksaks värvivoaks.Lõpuks hajus suits tünnis tasapisi ülevalt alla, nii et üheksa värvilist pulbrit kadus ka ülevalt alla.Seevastu lisavideos 2, kui dekakromaatiliste peeglite massiivi langeva valgusvoo lainepikkus muudeti pikast lühikeseks suurusjärgus 690, 671, 650, 632, 610, 589, 568, 550 ja 532 nm. ., Kuvatakse ainult vastavad jagatud vood üheksast jagatud voost järjestuses C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 ja C1.Akrüülmahuti on asendatud kvartsbasseiniga ja iga šunteeritud voolu helbed on selgelt jälgitavad kaldsuunas ülespoole.Lisaks redigeeritakse alamvideot 3 nii, et taasesitatakse alamvideo 2 lainepikkuse muutmise osa.See on dekokromaatilise peeglimassiivi omaduste kõnekaim väljendus.
Ülaltoodud tulemused näitavad, et valmistatud dekakromaatiline peeglimassiivi või uus üheksavärviline spektromeeter töötab ettenähtud viisil.Uus üheksavärviline spektromeeter on moodustatud, paigaldades adapteritega dekakromaatilisi peegleid otse pildianduri plaadile.
Valgusvoog lainepikkuse vahemikus 400 kuni 750 nm, mida kiirgavad neli kiirguspunkti φ50 μm, mis paiknevad 1 mm vahedega vastavalt joonisel 2c kujutatud tasapinnaga risti olevas suunas Uurimused 31, 34. Nelja läätse massiiv koosneb neli objektiivi φ1 mm fookuskaugusega 1,4 mm ja sammuga 1 mm.Uue üheksavärvilise spektromeetri DP-le langeb neli kollimeeritud voogu (neli C0), mis on paigutatud 1 mm intervalliga.Dikroonsete peeglite massiiv jagab iga voo (C0) üheksaks värvivooks (C1-C9).Saadud 36 voogu (neli C1-C9 komplekti) süstitakse seejärel otse CMOS-i (S) pildisensorisse, mis on otse ühendatud dikroonsete peeglite massiiviga.Selle tulemusena, nagu on näidatud joonisel 5a, tuvastati väikese maksimaalse optilise tee erinevuse ja lühikese maksimaalse optilise tee tõttu kõigi 36 voo kujutised üheaegselt ja selgelt sama suurusega.Vastavalt allavoolu spektritele (vt lisajoonist S4) on nelja rühma C1, C2 ja C3 kujutise intensiivsus suhteliselt madal.Kolmkümmend kuus kujutist olid suurusega 0,57 ± 0,05 mm (keskmine ± SD).Seega oli pildi suurendus keskmiselt 11,4.Piltide vertikaalne kaugus on keskmiselt 1 mm (sama vahekaugus kui objektiivi massiivi puhul) ja horisontaalne kaugus on keskmiselt 1,6 mm (sama vahe kui dikroonse peegli massiivi puhul).Kuna pildi suurus on palju väiksem kui piltide vaheline kaugus, saab iga pilti mõõta iseseisvalt (madala läbikõnega).Samal ajal on meie eelmises uuringus kasutatud tavapärase seitsmevärvilise spektromeetriga salvestatud kahekümne kaheksa voo kujutised näidatud joonisel 5 B. Seitsme kahevärvilise peegli massiiv loodi kahe kõige parempoolsema dikroosse peegli eemaldamisel üheksa kahevärvilisest massiivist. peeglid joonisel 1a.Kõik pildid pole teravad, pildi suurus suureneb C1-lt C7-le.Kakskümmend kaheksa pilti on suurusega 0,70 ± 0,19 mm.Seetõttu on kõigil piltidel raske säilitada kõrget pildi eraldusvõimet.Pildi suuruse 28 variatsioonikoefitsient (CV) joonisel 5b oli 28%, samas kui pildi suuruse 36 CV joonisel 5a vähenes 9%-ni.Ülaltoodud tulemused näitavad, et uus üheksavärviline spektromeeter ei suurenda mitte ainult üheaegselt mõõdetavate värvide arvu seitsmelt üheksale, vaid sellel on ka iga värvi jaoks kõrge pildi eraldusvõime.
Tavaliste ja uute spektromeetrite abil moodustatud jaotatud pildi kvaliteedi võrdlus.(a) Neli üheksa värviga eraldatud kujutiste rühma (C1-C9), mis on genereeritud uue üheksa värvi spektromeetriga.(b) Neli seitsmevärviliselt eraldatud kujutiste komplekti (C1-C7), mis on moodustatud tavapärase seitsmevärvilise spektromeetriga.Neljast emissioonipunktist pärit vood (C0) lainepikkusega 400–750 nm kollimeeritakse ja langevad vastavalt igale spektromeetrile.
Üheksavärvilise spektromeetri spektraalseid omadusi hinnati eksperimentaalselt ja hindamistulemused on näidatud joonisel 6. Pange tähele, et joonisel 6a on kujutatud samad tulemused, mis joonisel 5a, st lainepikkustel 4 C0 400–750 nm tuvastatakse kõik 36 pilti. (4 rühma C1–C9).Vastupidi, nagu on näidatud joonistel 6b–j, kui igal CO-l on konkreetne lainepikkus 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 või 690 nm, on vastavaid kujutisi peaaegu ainult neli (neli tuvastatud rühmad C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 või C9).Mõned nelja vastava pildiga külgnevad kujutised on aga väga nõrgalt tuvastatavad, kuna joonisel 4b näidatud C1–C9 ülekandespektrid kattuvad veidi ja igal C0-l on 10 nm riba teatud lainepikkusel, nagu on kirjeldatud meetodis.Need tulemused on kooskõlas joonistel fig.4b ning täiendavad videod 2 ja 3. Teisisõnu töötab üheksa värvi spektromeeter joonisel fig.4b.Seetõttu järeldatakse, et pildi intensiivsuse jaotus C1-C9 on iga C0 spekter.
Üheksavärvilise spektromeetri spektraalsed omadused.Uus üheksavärviline spektromeeter genereerib neli üheksa värviga eraldatud kujutiste komplekti (C1-C9), kui langeva valguse (neli C0) lainepikkus on (a) 400–750 nm (nagu on näidatud joonisel 5a), (b). 530 nm.nm, (c) 550 nm, (d) 570 nm, (e) 590 nm, (f) 610 nm, (g) 630 nm, (h) 650 nm, (i) 670 nm, (j) 690 nm, vastavalt.
Välja töötatud üheksa värvi spektromeetrit kasutati nelja kapillaarelektroforeesi jaoks (üksikasju vt lisamaterjalidest) 31, 34, 35.Nelja kapillaarmaatriks koosneb neljast kapillaarist (välisläbimõõt 360 μm ja siseläbimõõt 50 μm), mis paiknevad laserkiirguse kohas 1 mm intervalliga.Proovid, mis sisaldavad DNA fragmente, mis on märgistatud 8 värviga, nimelt FL-6C (värv 1), JOE-6C (värv 2), dR6G (värv 3), TMR-6C (värv 4), CXR-6C (värv 5), TOM- 6C (värv 6), LIZ (värv 7) ja WEN (värv 8) fluorestseeruva lainepikkuse kasvavas järjekorras, mis on eraldatud igas neljas kapillaaris (edaspidi Cap1, Cap2, Cap3 ja Cap4).Cap1-Cap4 laseriga indutseeritud fluorestsents kollimeeriti neljast läätsest koosneva massiiviga ja registreeriti samaaegselt üheksa värvi spektromeetriga.Üheksavärvilise (C1-C9) fluorestsentsi intensiivsuse dünaamika elektroforeesi ajal, st iga kapillaari üheksavärviline elektroforegramm, on näidatud joonisel 7a.Samaväärne üheksa värvi elektroforegramm saadakse Cap1-Cap4-s.Nagu on näidatud Cap1 nooltega joonisel 7a, näitavad iga üheksa värvi elektroforegrammi kaheksa piiki vastavalt ühte fluorestsentsi emissiooni Dye1-Dye8-st.
Kaheksa värvaine samaaegne kvantifitseerimine, kasutades üheksavärvilist nelja kapillaarelektroforeesi spektromeetrit.(a) Iga kapillaari üheksavärviline (C1-C9) elektroforegramm.Nooltega Cap1 tähistatud kaheksa piiki näitavad kaheksa värvaine (Dye1-Dye8) individuaalset fluorestsentsi emissiooni.Noolte värvid vastavad värvidele (b) ja (c).(b) Kaheksa värvaine (Dye1-Dye8) fluorestsentsspektrid kapillaari kohta.c Kaheksa värvaine (Dye1-Dye8) elektroferogrammid kapillaari kohta.Dye7-märgistatud DNA fragmentide piigid on näidatud nooltega ja nende Cap4 aluse pikkused on näidatud.
C1–C9 intensiivsuse jaotus kaheksal tipul on näidatud joonistel fig.7b, vastavalt.Kuna nii C1-C9 kui ka Dye1-Dye8 on lainepikkuste järjekorras, näitavad kaheksa jaotust joonisel 7b Dye1-Dye8 fluorestsentsspektreid järjestikku vasakult paremale.Selles uuringus on Dye1, Dye2, Dye3, Dye4, Dye5, Dye6, Dye7 ja Dye8 vastavalt magenta, violetse, sinise, tsüaani, rohelise, kollase, oranži ja punase värviga.Pange tähele, et noolte värvid joonisel 7a vastavad värvide värvidele joonisel 7b.C1-C9 fluorestsentsi intensiivsused iga spektri jaoks joonisel 7b normaliseeriti nii, et nende summa võrdub ühega.Cap1-Cap4-st saadi kaheksa ekvivalentset fluorestsentsspektrit.Võib selgelt jälgida fluorestsentsi spektraalset kattumist värvi 1-värvi 8 vahel.
Nagu on näidatud joonisel fig 7c, teisendati iga kapillaari üheksavärviline elektroforegramm joonisel 7a kaheksavärviliseks elektroferogrammiks mitmekomponendilise analüüsi abil, mis põhines joonisel 7b kujutatud kaheksal fluorestsentsspektril (üksikasju vt lisamaterjalidest).Kuna joonisel fig 7a kujutatud fluorestsentsi spektraalset kattumist joonisel fig 7c ei kuvata, saab Dye1-Dye8 identifitseerida ja kvantifitseerida igal ajahetkel eraldi, isegi kui samal ajal fluorestseeruvad erinevad kogused Dye1-Dye8.Seda ei saa teha traditsioonilise seitsmevärvituvastusega31, kuid seda saab saavutada väljatöötatud üheksavärvituvastusega.Nagu on näidatud nooltega Cap1 joonisel 7c, on ainult fluorestseeruvad emissioonisinglid Dye3 (sinine), Dye8 (punane), Dye5 (roheline), Dye4 (tsüaan), Dye2 (lilla), Dye1 (magenta) ja Dye6 (kollane). ) vaadeldakse eeldatavas kronoloogilises järjekorras.Värvaine 7 (oranž) fluorestseeruva emissiooni puhul täheldati lisaks oranži noolega näidatud üksikule piigile ka mitmeid teisi üksikuid piike.See tulemus on tingitud asjaolust, et proovid sisaldasid suurusstandardeid, Dye7-ga märgistatud DNA fragmente, mille aluse pikkus oli erinev.Nagu on näidatud joonisel fig 7c, on Cap4 puhul need aluse pikkused 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214 ja 220.
Kahekihiliste kahekihiliste peeglite maatriksi abil välja töötatud üheksa värvi spektromeetri peamised omadused on väiksus ja lihtne disain.Kuna joonisel fig.3c, mis on paigaldatud otse pildisensori plaadile (vt joonised S1 ja S2), on üheksavärvilisel spektromeetril samad mõõtmed kui adapteril, st 54 × 58 × 8,5 mm.(paksus) .See üliväike suurus on kaks kuni kolm suurusjärku väiksem kui tavalised spektromeetrid, mis kasutavad võreid või prismasid.Lisaks, kuna üheksa värvi spektromeeter on konfigureeritud nii, et valgus tabab pildianduri pinda risti, saab üheksavärvilise spektromeetri jaoks hõlpsasti ruumi eraldada sellistes süsteemides nagu mikroskoobid, voolutsütomeetrid või analüsaatorid.Kapillaarresti elektroforeesianalüsaator süsteemi veelgi suuremaks miniaturiseerimiseks.Samal ajal on üheksavärvilises spektromeetris kasutatava kümne dikroonse peegli ja ribapääsfiltri suurus vaid 10×1,9×0,5 mm või 15×1,9×0,5 mm.Seega saab kahevärvilisest peeglist ja 60 mm2 ribapääsfiltrist lõigata vastavalt rohkem kui 100 sellist väikest kahevärvilist peeglit ja ribapääsfiltrit.Seetõttu saab madala hinnaga toota mitmesuguseid dekakromaatilisi peegleid.
Üheksavärvilise spektromeetri teine omadus on selle suurepärased spektriomadused.Eelkõige võimaldab see saada hetktõmmiste spektraalseid kujutisi, st samaaegselt spektraalse teabega kujutisi.Iga pildi jaoks saadi pidev spekter lainepikkuse vahemikus 520–700 nm ja eraldusvõimega 20 nm.Teisisõnu tuvastatakse iga kujutise jaoks üheksa valguse värviintensiivsust, st üheksa 20 nm riba, mis jagavad võrdselt lainepikkuse vahemikus 520–700 nm.Dikroilise peegli ja ribapääsfiltri spektraalkarakteristikuid muutes saab reguleerida üheksa riba lainepikkuse vahemikku ja iga riba laiust.Üheksa värvituvastust saab kasutada mitte ainult spektraalkujutise fluorestsentsi mõõtmiseks (nagu on kirjeldatud käesolevas aruandes), vaid ka paljudes teistes spektraalkujutist kasutavates levinud rakendustes.Kuigi hüperspektraalne kujutis suudab tuvastada sadu värve, on leitud, et isegi tuvastatavate värvide arvu olulise vähenemise korral saab paljude rakenduste jaoks piisava täpsusega tuvastada mitut vaatevälja objekti38, 39, 40.Kuna ruumiline eraldusvõime, spektraalne eraldusvõime ja ajaline eraldusvõime omavad kompromissi spektraalses kujutises, võib värvide arvu vähendamine parandada ruumilist ja ajalist eraldusvõimet.See võib kasutada ka lihtsaid spektromeetreid, nagu selles uuringus välja töötatud, ja vähendada arvutusmahtu veelgi.
Selles uuringus kvantifitseeriti kaheksa värvainet samaaegselt nende kattuvate fluorestsentsspektrite spektraalse eraldamisega, mis põhines üheksa värvi tuvastamisel.Samaaegselt saab kvantifitseerida kuni üheksa värvainet, mis eksisteerivad ajas ja ruumis koos.Üheksavärvilise spektromeetri eriliseks eeliseks on selle suur valgusvoog ja suur ava (1 × 7 mm).Dekaanipeegli massiivi maksimaalne läbilaskvus on 92% apertuurist tulevast valgusest kõigis üheksas lainepikkuse vahemikus.Langeva valguse kasutamise efektiivsus lainepikkuste vahemikus 520–700 nm on peaaegu 100%.Nii laias lainepikkuste vahemikus ei suuda ükski difraktsioonvõre pakkuda nii kõrget kasutustõhusust.Isegi kui difraktsioonivõre difraktsiooniefektiivsus ületab teatud lainepikkusel 90%, väheneb selle lainepikkuse ja konkreetse lainepikkuse erinevuse suurenedes difraktsioonitõhusus mõnel muul lainepikkusel41.Ava laiust, mis on risti tasapinna suunaga joonisel fig 2c, saab laiendada 7 mm-lt pildisensori laiusele, nagu selles uuringus kasutatud pildisensori puhul, muutes veidi dekameeri massiivi.
Üheksavärvilist spektromeetrit saab kasutada mitte ainult kapillaarelektroforeesiks, nagu on näidatud käesolevas uuringus, vaid ka erinevatel muudel eesmärkidel.Näiteks, nagu on näidatud alloleval joonisel, saab üheksa värvi spektromeetrit rakendada fluorestsentsmikroskoobile.Proovi tasapind kuvatakse üheksavärvilise spektromeetri pildisensoril läbi 10x objektiivi.Objektiivi ja pildisensori vaheline optiline kaugus on 200 mm, samas kui üheksavärvilise spektromeetri langeva pinna ja pildisensori vaheline optiline kaugus on vaid 12 mm.Seetõttu lõigati pilt langemistasandil ligikaudu ava suuruseks (1 × 7 mm) ja jagati üheksaks värviliseks pildiks.See tähendab, et üheksa värvi hetktõmmise spektraalpilti saab teha proovitasandil 0,1 × 0,7 mm suurusel alal.Lisaks on võimalik saada proovi tasapinnal üheksavärviline spektraalkujutis suuremast alast, skaneerides proovi objektiivi suhtes horisontaalsuunas joonisel 2c.
Dekakromaatilise peegelmassiivi komponendid, nimelt M1-M9 ja BP, valmistas Asahi Spectra Co., Ltd., kasutades standardseid sadestamismeetodeid.Mitmekihilised dielektrilised materjalid kanti ükshaaval kümnele 60 × 60 mm suurusele ja 0,5 mm paksusele kvartsplaadile, mis vastasid järgmistele nõuetele: M1: IA = 45°, R ≥ 90% lainepikkusel 520–590 nm, Tave ≥ 90% lainepikkusel 610–610 610 nm.700 nm, M2: IA = 45°, R ≥ 90% lainepikkusel 520–530 nm, Tave ≥ 90% lainepikkusel 550–600 nm, M3: IA = 45°, R ≥ 90% lainepikkusel 540–550 nm, Tave ≥ 90 % 570–600 nm juures, M4: IA = 45°, R ≥ 90% lainepikkusel 560–570 nm, Tave ≥ 90% lainepikkusel 590–600 nm, M5: IA = 45°, R ≥ 98% lainepikkusel 580–600 , R ≥ 98% 680–700 nm juures, M6: IA = 45°, Tave ≥ 90% lainepikkusel 600–610 nm, R ≥ 90% lainepikkusel 630–700 nm, M7: IA = 45°, R ≥ 90% 620–630 nm, Taw ≥ 90% 650–700 nm juures, M8: IA = 45°, R ≥ 90% lainepikkusel 640–650 nm, Taw ≥ 90% 670–700 nm juures, M9: IA = 45°, R = ≥ 90% lainepikkusel 650-670 nm, Tave ≥ 90% lainepikkusel 690-700 nm, BP: IA = 0°, T ≤ 0,01% lainepikkusel 505 nm, Tave ≥ 95% lainepikkusel 530-693 nm T 0,90% -690 nm juures ja T ≤ 1% lainepikkusel 725-750 nm, kus IA, T, Tave ja R on langemisnurk, läbilaskvus, keskmine läbilaskvus ja polariseerimata valguse peegeldus.
LED-valgusallika (AS 3000, AS ONE CORPORATION) kiirgav valge valgus (C0) lainepikkuste vahemikuga 400–750 nm kollimeeriti ja langes vertikaalselt dikroonsete peeglite massiivi DP-le.LED-ide valge valguse spekter on näidatud lisajoonisel S3.Asetage akrüülpaak (mõõtmetega 150 × 150 × 30 mm) otse kaamera peeglimassiivi ette, toiteallika vastas.Kuiva jää vette kastmisel tekkiv suits valati seejärel akrüülpaaki, et jälgida üheksavärvilist C1-C9 lõhenenud voogu, mis lähtuvad dekakromaatiliste peeglite massiivist.
Teise võimalusena lastakse kollimeeritud valge valgus (C0) enne DP-sse sisenemist läbi filtri.Filtrid olid algselt neutraalse tihedusega filtrid optilise tihedusega 0,6.Seejärel kasutage mootoriga filtrit (FW212C, FW212C, Thorlabs).Lõpuks lülitage ND-filter uuesti sisse.Üheksa ribapääsfiltri ribalaiused vastavad vastavalt C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 ja C1.Kvartselement sisemõõtmetega 40 (optiline pikkus) x 42,5 (kõrgus) x 10 mm (laius) asetati dekokromaatiliste peeglite massiivi ette, BP vastas.Seejärel juhitakse suits läbi toru kvartselemendisse, et säilitada suitsu kontsentratsioon kvartselemendis, et visualiseerida üheksavärvilist C1-C9 lõhestatud voogu, mis lähtuvad dekakromaatilisest peeglimassist.
Video üheksavärvilisest jagatud valgusvoost, mis tuleneb mitmest dekaanilisest peeglist, jäädvustati aeglustatud režiimis iPhone XS-iga.Jäädvustage stseenist pilte kiirusega 1 kaadrit sekundis ja kompileerige pildid, et luua video kiirusega 30 kaadrit sekundis (valikulise video 1 jaoks) või 24 kaadrit sekundis (valikuliste videote 2 ja 3 jaoks).
Asetage difusiooniplaadile 50 µm paksune roostevabast terasest plaat (neli 50 µm läbimõõduga ava 1 mm vahedega).Hajutiplaadile kiiritatakse valgust lainepikkusega 400–750 nm, mis saadakse halogeenlambi valguse juhtimisel läbi lühikese ülekandefiltri, mille lainepikkus on 700 nm.Valgusspekter on näidatud lisajoonisel S4.Teise võimalusena läbib valgus ka ühte 10 nm ribapääsfiltritest, mille keskpunkt on 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 ja 690 nm, ja tabab hajutiplaati.Selle tulemusena tekkis difuusorplaadi vastas asuvale roostevabast terasest plaadile neli kiirguspunkti läbimõõduga φ50 μm ja erineva lainepikkusega.
Nelja läätsega nelja kapillaari massiiv on paigaldatud üheksavärvilisele spektromeetrile, nagu on näidatud joonistel 1 ja 2. C1 ja C2.Neli kapillaari ja neli läätse olid samad, mis eelmistes uuringutes 31, 34.Laserkiir lainepikkusega 505 nm ja võimsusega 15 mW kiiritatakse üheaegselt ja ühtlaselt küljelt nelja kapillaari emissioonipunktidesse.Iga emissioonipunkti poolt kiiratav fluorestsents kollimeeritakse vastava läätsega ja eraldatakse üheksaks värvivooks dekakromaatiliste peeglite massiiviga.Saadud 36 voogu süstiti seejärel otse CMOS-pildisensorisse (C11440–52U, Hamamatsu Photonics K·K.) ja nende kujutised salvestati samaaegselt.
ABI PRISM® BigDye® praimeri tsükli järjestamisvalmis reaktsioonikomplekt (Applied Biosystems), 4 µl GeneScan™ 600 LIZ™ värvi segati iga kapillaari jaoks, segades 1 µl PowerPlex® 6C Matrix Standardi (Promega Corporation), 1 µl standardse segu suuruse.v2.0 (Thermo Fisher Scientific) ja 14 µl vett.PowerPlex® 6C Matrix Standard koosneb kuuest DNA fragmendist, mis on märgistatud kuue värvainega: FL-6C, JOE-6C, TMR-6C, CXR-6C, TOM-6C ja WEN, maksimaalse lainepikkuse järjekorras.Nende DNA fragmentide aluse pikkusi ei avaldata, kuid WEN, CXR-6C, TMR-6C, JOE-6C, FL-6C ja TOM-6C märgistatud DNA fragmentide aluse pikkuse järjestus on teada.ABI PRISM® BigDye® praimeri tsükli järjestamise valmisreaktsioonikomplektis olev segu sisaldab DNA fragmenti, mis on märgistatud värviga dR6G.Samuti ei avalikustata DNA fragmentide aluste pikkusi.GeneScan™ 600 LIZ™ Dye Size Standard v2.0 sisaldab 36 LIZ-märgistatud DNA fragmenti.Nende DNA fragmentide põhjapikkused on 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214, 220, 240, 250, 260, 280, 300, 3314,3 360, 380, 400, 414, 420, 440, 460, 480, 500, 514, 520, 540, 560, 580 ja 600 baasil.Proove denatureeriti 94 °C juures 3 minutit, seejärel jahutati jääl 5 minutit.Proovid süstiti igasse kapillaari 9 sekundiks pingega 26 V/cm ja eraldati igas kapillaaris, mis oli täidetud POP-7™ polümeerilahusega (Thermo Fisher Scientific), efektiivse pikkusega 36 cm ja pingega 181 V/cm ning nurk 60°.FROM.
Kõik selle uuringu käigus saadud või analüüsitud andmed sisalduvad selles avaldatud artiklis ja selle lisateabes.Muud selle uuringu jaoks olulised andmed on mõistliku taotluse korral saadaval vastavatelt autoritelt.
Khan, MJ, Khan, HS, Yousaf, A., Khurshid, K. ja Abbas, A. Hüperspektraalse pildianalüüsi praegused suundumused: ülevaade.Juurdepääs IEEE 6, 14118–14129.https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2812999 (2018).
Vaughan, AH astronoomiline interferomeetriline Fabry-Perot spektroskoopia.installida.Austatud Astron.astrofüüsika.5, 139-167.https://doi.org/10.1146/annurev.aa.05.090167.001035 (1967).
Goetz, AFH, Wein, G., Solomon, JE ja Rock, BN Maa kaugseirepiltide spektroskoopia.Teadus 228, 1147–1153.https://doi.org/10.1126/science.228.4704.1147 (1985).
Yokoya, N., Grohnfeldt, C. ja Chanussot, J. Hüperspektraalsete ja multispektraalsete andmete liitmine: hiljutiste publikatsioonide võrdlev ülevaade.IEEE maateadused.Kaugseire ajakiri.5:29–56.https://doi.org/10.1109/MGRS.2016.2637824 (2017).
Gowen, AA, O'Donnell, SP, Cullen, PJ, Downey, G. ja Frias, JM Hüperspektraalne kujutis on uus kvaliteedikontrolli ja toiduohutuse analüütiline tööriist.Toiduteaduse suundumused.tehnoloogia.18, 590-598.https://doi.org/10.1016/j.tifs.2007.06.001 (2007).
ElMasri, G., Mandour, N., Al-Rejaye, S., Belin, E. ja Rousseau, D. Multispektraalse pildistamise hiljutised rakendused seemnete fenotüübi ja kvaliteedi jälgimiseks – ülevaade.Andurid 19, 1090 (2019).
Liang, H. Multispektraalse ja hüperspektraalse pildistamise edusammud arheoloogia ja kunsti säilitamiseks.Taotlege füüsilist numbrit 106, 309–323.https://doi.org/10.1007/s00339-011-6689-1 (2012).
Edelman GJ, Gaston E., van Leeuwen TG, Cullen PJ ja Alders MKG Hüperspektraalne kujutis kohtuekspertiisi jälgede kontaktivabaks analüüsiks.Kriminalistika.sisemine 223, 28-39.https://doi.org/10.1016/j.forscint.2012.09.012 (2012).
Postitusaeg: jaanuar 10-2023