stal nierdzewna 321 8*1,2 zwinięta rura do wymiennika ciepła

Rurki kapilarne

Dziękujemy za odwiedzenie Nature.com.Używasz wersji przeglądarki z ograniczoną obsługą CSS.Aby uzyskać najlepszą jakość, zalecamy użycie zaktualizowanej przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w przeglądarce Internet Explorer).Dodatkowo, aby zapewnić bieżące wsparcie, pokazujemy witrynę bez stylów i JavaScript.
Wyświetla karuzelę z trzema slajdami jednocześnie.Użyj przycisków Poprzedni i Następny, aby przejść przez trzy slajdy jednocześnie, lub użyj przycisków suwaka na końcu, aby przejść przez trzy slajdy jednocześnie.
Opracowano ultrakompaktowy (54 × 58 × 8,5 mm) i szeroką aperturę (1 × 7 mm) dziewięciokolorowy spektrometr „podzielony na dwie części” przez układ dziesięciu zwierciadeł dichroicznych, który wykorzystano do natychmiastowego obrazowania spektralnego.Padający strumień światła o przekroju mniejszym niż rozmiar apertury jest dzielony na ciągły pasek o szerokości 20 nm i dziewięć strumieni barwnych o środkowych długościach fal 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 i 690 nm.Czujnik obrazu umożliwia efektywny pomiar obrazów dziewięciu strumieni kolorów jednocześnie.W przeciwieństwie do konwencjonalnych układów zwierciadeł dichroicznych, opracowany układ zwierciadeł dichroicznych ma unikalną dwuczęściową konfigurację, która nie tylko zwiększa liczbę kolorów, które można mierzyć jednocześnie, ale także poprawia rozdzielczość obrazu dla każdego strumienia kolorów.Opracowany dziewięciokolorowy spektrometr służy do elektroforezy czterokapilarnej.Jednoczesna analiza ilościowa ośmiu barwników migrujących jednocześnie w każdej kapilarze przy użyciu dziewięciokolorowej fluorescencji indukowanej laserem.Ponieważ dziewięciokolorowy spektrometr jest nie tylko bardzo mały i niedrogi, ale także charakteryzuje się wysokim strumieniem świetlnym i rozdzielczością widmową wystarczającą do większości zastosowań obrazowania spektralnego, może być szeroko stosowany w różnych dziedzinach.
Obrazowanie hiperspektralne i wielospektralne stało się ważną częścią astronomii2, teledetekcji w obserwacjach Ziemi3,4, kontroli jakości żywności i wody5,6, konserwacji dzieł sztuki i archeologii7, kryminalistyce8, chirurgii9, analizie i diagnostyce biomedycznej10,11 itd. Dziedzina 1 Niezbędna technologia ,12,13.Metody pomiaru widma światła emitowanego przez każdy punkt emisji w polu widzenia dzielą się na (1) skanowanie punktowe („miotła”)14,15, (2) skanowanie liniowe („wiecha”)16,17,18 , (3) skany długości fal 19,20,21 i (4) obrazy22,23,24,25.W przypadku wszystkich tych metod rozdzielczość przestrzenna, widmowa i czasowa pozostają ze sobą w relacji kompromisowej9,10,12,26.Ponadto strumień świetlny ma istotny wpływ na czułość, czyli stosunek sygnału do szumu w obrazowaniu spektralnym26.Strumień świetlny, czyli efektywność wykorzystania światła, jest wprost proporcjonalna do stosunku faktycznie zmierzonej ilości światła każdego punktu świetlnego w jednostce czasu do całkowitej ilości światła zmierzonego zakresu długości fal.Kategoria (4) jest odpowiednią metodą, gdy natężenie lub widmo światła emitowanego przez każdy punkt emitujący zmienia się w czasie lub gdy położenie każdego punktu emitującego zmienia się w czasie, ponieważ widmo światła emitowanego przez wszystkie punkty emitujące jest mierzone jednocześnie.24.
Większość powyższych metod łączy się z dużymi, skomplikowanymi i/lub drogimi spektrometrami wykorzystującymi 18 siatek lub 14, 16, 22, 23 pryzmatów dla klas (1), (2) i (4) lub 20, 21 dysków filtracyjnych, filtrów cieczowych .Krystaliczne filtry przestrajalne (LCTF)25 lub akustooptyczne filtry przestrajalne (AOTF)19 kategorii (3).Natomiast spektrometry wielolusterkowe kategorii (4) są małe i niedrogie ze względu na prostą konfigurację27,28,29,30.Ponadto charakteryzują się wysokim strumieniem świetlnym, ponieważ światło wspólne dla każdego zwierciadła dichroicznego (to znaczy światło przechodzące i odbite światła padającego na każde zwierciadło dichroiczne) jest w pełni i stale wykorzystywane.Jednakże liczba pasm długości fal (tj. kolorów), które należy mierzyć jednocześnie, jest ograniczona do około czterech.
Obrazowanie spektralne oparte na detekcji fluorescencji jest powszechnie stosowane w analizie multipleksowej w detekcji i diagnostyce biomedycznej 10, 13 .W przypadku multipleksowania, ponieważ wiele analitów (np. specyficzny DNA lub białka) jest znakowanych różnymi barwnikami fluorescencyjnymi, każdy analit obecny w każdym punkcie emisji w polu widzenia jest oznaczany ilościowo za pomocą analizy wieloskładnikowej.32 rozkłada wykryte widmo fluorescencji emitowane przez każdy punkt emisji.Podczas tego procesu różne barwniki, każdy emitujący inną fluorescencję, mogą kolokalizować, to znaczy współistnieć w przestrzeni i czasie.Obecnie maksymalna liczba barwników, które można wzbudzić pojedynczą wiązką lasera, wynosi osiem33.Ta górna granica nie jest określona przez rozdzielczość widmową (tj. liczbę kolorów), ale przez szerokość widma fluorescencji (≥50 nm) i ilość barwnika Przesunięcie Stokesa (≤200 nm) przy FRET (przy użyciu FRET)10 .Jednakże liczba kolorów musi być większa lub równa liczbie barwników, aby wyeliminować nakładanie się widm mieszanych barwników31,32.Dlatego konieczne jest zwiększenie liczby jednocześnie mierzonych kolorów do ośmiu lub więcej.
Niedawno opracowano ultrakompaktowy spektrometr heptachroiczny (wykorzystujący układ zwierciadeł heptychroicznych i czujnik obrazu do pomiaru czterech strumieni fluorescencyjnych).Spektrometr jest o dwa do trzech rzędów wielkości mniejszy niż konwencjonalne spektrometry wykorzystujące siatki lub pryzmaty34,35.Jednak trudno jest umieścić w spektrometrze więcej niż siedem zwierciadeł dichroicznych i jednocześnie mierzyć więcej niż siedem kolorów36,37.Wraz ze wzrostem liczby zwierciadeł dichroicznych zwiększa się maksymalna różnica w długościach dróg optycznych strumieni światła dichroicznego i trudno jest wyświetlić wszystkie strumienie światła na jednej płaszczyźnie sensorycznej.Zwiększa się również długość najdłuższej drogi optycznej strumienia światła, a zatem zmniejsza się szerokość apertury spektrometru (czyli maksymalna szerokość światła analizowanego przez spektrometr).
W odpowiedzi na powyższe problemy opracowano ultrakompaktowy dziewięciokolorowy spektrometr z dwuwarstwowym „dichroicznym” układem zwierciadeł dekachromatycznych i czujnikiem obrazu do chwilowego obrazowania spektralnego [kategoria (4)].W porównaniu do poprzednich spektrometrów opracowany spektrometr charakteryzuje się mniejszą różnicą w maksymalnej długości ścieżki optycznej oraz mniejszą maksymalną długością ścieżki optycznej.Zastosowano ją do elektroforezy czterokapilarnej w celu wykrycia dziewięciokolorowej fluorescencji indukowanej laserem i ilościowego określenia jednoczesnej migracji ośmiu barwników w każdej kapilarze.Ponieważ opracowany spektrometr jest nie tylko ultramały i niedrogi, ale także charakteryzuje się wysokim strumieniem świetlnym i rozdzielczością widmową wystarczającą do większości zastosowań obrazowania spektralnego, może on być szeroko stosowany w różnych dziedzinach.
Tradycyjny dziewięciokolorowy spektrometr pokazano na ryc.1a.Jego konstrukcja nawiązuje do poprzedniego ultramałego, siedmiokolorowego spektrometru 31. Składa się z dziewięciu zwierciadeł dichroicznych rozmieszczonych poziomo pod kątem 45° w prawo, a czujnik obrazu (S) znajduje się nad dziewięcioma zwierciadłami dichroicznymi.Światło wpadające od dołu (C0) jest dzielone przez układ dziewięciu zwierciadeł dichroicznych na dziewięć strumieni świetlnych płynących w górę (C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 i C9).Wszystkie dziewięć strumieni kolorów jest przesyłanych bezpośrednio do czujnika obrazu i wykrywanych jednocześnie.W tym badaniu C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 i C9 są uporządkowane według długości fali i są reprezentowane przez magentę, fiolet, niebieski, cyjan, zielony, żółty, pomarańczowy, czerwono-pomarańczowy i odpowiednio czerwony.Chociaż te oznaczenia kolorów są używane w tym dokumencie, jak pokazano na rysunku 3, ponieważ różnią się one od rzeczywistych kolorów widzianych przez ludzkie oko.
Schematy ideowe konwencjonalnych i nowych spektrometrów dziewięciokolorowych.(a) Konwencjonalny dziewięciokolorowy spektrometr z układem dziewięciu zwierciadeł dichroicznych.(b) Nowy dziewięciokolorowy spektrometr z dwuwarstwowym układem zwierciadeł dichroicznych.Padający strumień światła C0 jest dzielony na dziewięć kolorowych strumieni światła C1-C9 i wykrywany przez czujnik obrazu S.
Opracowany nowy dziewięciokolorowy spektrometr posiada dwuwarstwową siatkę zwierciadlaną dichroiczną i przetwornik obrazu, jak pokazano na rys. 1b.Na niższym poziomie pięć luster dichroicznych jest pochylonych o 45° w prawo i ustawionych na prawo od środka układu dekamerów.Na najwyższym poziomie znajduje się pięć dodatkowych luster dichroicznych pochylonych o 45° w lewo i rozmieszczonych od środka w lewo.Najbardziej lewe lustro dichroiczne dolnej warstwy i skrajnie prawe lustro dichroiczne górnej warstwy nakładają się na siebie.Padający strumień światła (C0) jest podzielony od dołu na cztery wychodzące strumienie chromatyczne (C1-C4) przez pięć zwierciadeł dichroicznych po prawej stronie i pięć wychodzących strumieni chromatycznych (C5-C4) przez pięć zwierciadeł dichroicznych po lewej stronie C9).Podobnie jak w przypadku konwencjonalnych spektrometrów dziewięciokolorowych, wszystkie dziewięć strumieni kolorów jest wprowadzanych bezpośrednio do czujnika obrazu (S) i wykrywanych jednocześnie.Porównując rysunki 1a i 1b można zauważyć, że w przypadku nowego spektrometru dziewięciokolorowego zarówno maksymalna różnica, jak i najdłuższa długość ścieżki optycznej dziewięciu strumieni kolorów są zmniejszone o połowę.
Szczegółową konstrukcję ultramałego dwuwarstwowego układu zwierciadeł dichroicznych o wymiarach 29 mm (szerokość) × 31 mm (głębokość) × 6 mm (wysokość) pokazano na rysunku 2. Dziesiętny układ zwierciadeł dichroicznych składa się z pięciu zwierciadeł dichroicznych po prawej stronie (M1-M5) i pięć lusterek dichroicznych po lewej stronie (M6-M9 i kolejne M5), każde lustro dichroiczne jest zamocowane w górnym aluminiowym wsporniku.Wszystkie zwierciadła dichroiczne są przesunięte, aby skompensować przemieszczenie równoległe spowodowane załamaniem przepływu przez zwierciadła.Poniżej M1 zamocowany jest filtr środkowoprzepustowy (BP).Wymiary M1 i BP to 10 mm (długi bok) x 1,9 mm (krótszy bok) x 0,5 mm (grubość).Wymiary pozostałych luster dichroicznych to 15 mm × 1,9 mm × 0,5 mm.Skok matrycy pomiędzy M1 i M2 wynosi 1,7 mm, podczas gdy podziałka matrycy innych zwierciadeł dichroicznych wynosi 1,6 mm.Na ryc.2c łączy padający strumień światła C0 i dziewięć kolorowych strumieni światła C1-C9, oddzielonych odkomorową matrycą zwierciadeł.
Budowa dwuwarstwowej matrycy zwierciadła dichroicznego.(a) Widok perspektywiczny i (b) przekrój poprzeczny dwuwarstwowego układu luster dichroicznych (wymiary 29 mm x 31 mm x 6 mm).Składa się z pięciu zwierciadeł dichroicznych (M1-M5) znajdujących się w warstwie dolnej, pięciu zwierciadeł dichroicznych (M6-M9 i kolejne M5) znajdujących się w warstwie górnej oraz filtra środkowoprzepustowego (BP) umieszczonego poniżej M1.(c) Przekrój poprzeczny w kierunku pionowym, z zakładkami C0 i C1-C9.
Szerokość otworu w kierunku poziomym, oznaczona szerokością C0 na rys. 2, c, wynosi 1 mm, a w kierunku prostopadłym do płaszczyzny z rys. 2, c wynika z konstrukcji wspornika aluminiowego, – 7 mm.Oznacza to, że nowy dziewięciokolorowy spektrometr ma duży rozmiar apertury 1 mm × 7 mm.Ścieżka optyczna C4 jest najdłuższa spośród C1-C9, a ścieżka optyczna C4 wewnątrz układu luster dichroicznych, ze względu na powyższy bardzo mały rozmiar (29 mm × 31 mm × 6 mm), wynosi 12 mm.Jednocześnie długość ścieżki optycznej C5 jest najkrótsza wśród C1-C9, a długość ścieżki optycznej C5 wynosi 5,7 mm.Dlatego maksymalna różnica w długości ścieżki optycznej wynosi 6,3 mm.Powyższe długości ścieżek optycznych są skorygowane o długość ścieżki optycznej dla transmisji optycznej M1-M9 i BP (z kwarcu).
Właściwości widmowe М1−М9 i VR oblicza się w taki sposób, że strumienie С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8 i С9 mieszczą się w zakresie długości fal 520–540, 540–560, 560–580, 580 –600, 600–620, 620–640, 640–660, 660–680 i 680–700 nm.
Zdjęcie wytworzonej matrycy zwierciadeł dekachromatycznych pokazano na rys. 3a.M1-M9 i BP są przyklejone odpowiednio do nachylenia 45° i płaszczyzny poziomej aluminiowego wspornika, natomiast M1 i BP są ukryte z tyłu figurki.
Produkcja szeregu luster dekanowych i ich demonstracja.(a) Szereg wyprodukowanych luster dekachromatycznych.(b) Dziewięciokolorowy podzielony obraz o wymiarach 1 mm × 7 mm rzutowany na kartkę papieru umieszczoną przed szeregiem dekachromatycznych lusterek i oświetlonym białym światłem.(c) Układ dekochromatycznych luster oświetlonych od tyłu białym światłem.(d) Dziewięciokolorowy strumień rozszczepiający emanujący z układu zwierciadeł dekanowych, obserwowany poprzez umieszczenie wypełnionego dymem akrylowego pojemnika przed układem zwierciadeł dekanowych w punkcie c i zaciemnienie pomieszczenia.
Zmierzone widma transmisyjne M1-M9 C0 pod kątem padania 45° oraz zmierzone widma transmisyjne BP C0 pod kątem padania 0° pokazano na rys.4a.Widma transmisji C1-C9 w stosunku do C0 pokazano na ryc.4b.Widma te obliczono na podstawie widm na ryc.4a zgodnie ze ścieżką optyczną C1-C9 z rys. 4a.1b i 2c.Na przykład 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)], gdzie TS(X) i [ 1 - TS(X)] to odpowiednio widma transmisji i odbicia X.Jak pokazano na rysunku 4b, szerokości pasma (przepustowość ≥50%) C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 i C9 wynoszą 521-540, 541-562, 563-580, 581-602, 603 -623, 624-641, 642-657, 659-680 i 682-699 nm.Wyniki te są zgodne z opracowanymi zakresami.Ponadto efektywność wykorzystania światła C0 jest wysoka, to znaczy średnia maksymalna przepuszczalność światła C1-C9 wynosi 92%.
Widma transmisyjne zwierciadła dichroicznego i podzielonego dziewięciokolorowego strumienia.(a) Zmierzone widma transmisji M1-M9 przy 45° padania i BP przy 0° padania.(b) Widma transmisji C1 – C9 względem C0 obliczone na podstawie (a).
Na ryc.Na fig. 3c układ luster dichroicznych jest umieszczony pionowo, tak że jego prawa strona na ryc. 3a jest stroną górną, a biała wiązka kolimowanej diody LED (C0) jest podświetlona.Układ lusterek dekachromatycznych pokazany na rysunku 3a jest zamontowany w adapterze o wymiarach 54 mm (wysokość) × 58 mm (głębokość) × 8,5 mm (grubość).Na ryc.3d, oprócz stanu pokazanego na rys.3c, przed szeregiem dekochromatycznych luster umieszczono wypełniony dymem akrylowy zbiornik, przy wyłączonym świetle w pomieszczeniu.W rezultacie w zbiorniku widocznych jest dziewięć strumieni dichroicznych, pochodzących z szeregu zwierciadeł dekachromatycznych.Każdy podzielony strumień ma prostokątny przekrój poprzeczny o wymiarach 1 × 7 mm, co odpowiada wielkości apertury nowego dziewięciokolorowego spektrometru.Na ryc. 3b kartkę papieru umieszcza się przed układem dichroicznych lusterek z ryc. 3c i obserwuje się obraz o wymiarach 1 x 7 mm dziewięciu dichroicznych strumieni rzucanych na papier od kierunku ruchu papieru.strumienie.Dziewięć strumieni separacji kolorów na ryc.3b i d to C4, C3, C2, C1, C5, C6, C7, C8 i C9 od góry do dołu, co można również zobaczyć na rysunkach 1 i 2. 1b i 2c.Obserwuje się je w kolorach odpowiadających ich długościom fal.Ze względu na niskie natężenie światła białego diody LED (patrz rys. uzupełniający S3) i czułość kolorowej kamery użytej do przechwytywania C9 (682–699 nm) na ryc. Inne przepływy rozdzielające są słabe.Podobnie C9 był słabo widoczny gołym okiem.Tymczasem C2 (drugi strumień od góry) na rysunku 3 wygląda na zielony, ale gołym okiem wydaje się bardziej żółty.
Przejście z rysunku 3c do d pokazano w dodatkowym filmie 1. Natychmiast po przejściu białego światła z diody LED przez dekachromatyczny układ lusterek dzieli się ono jednocześnie na dziewięć strumieni kolorów.Na koniec dym w kadzi stopniowo rozproszył się z góry na dół, tak że dziewięć kolorowych proszków zniknęło również z góry na dół.Natomiast w dodatkowym filmie 2, kiedy długość fali strumienia świetlnego padającego na układ zwierciadeł dekachromatycznych została zmieniona z długiej na krótką, rzędu 690, 671, 650, 632, 610, 589, 568, 550 i 532 nm ., Wyświetlane są tylko odpowiadające im podzielone strumienie z dziewięciu podzielonych strumieni w kolejności C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 i C1.Zbiornik akrylowy zastąpiono basenem kwarcowym, a płatki każdego bocznikowanego przepływu można wyraźnie obserwować od strony nachylonej do góry.Ponadto podwideo 3 jest edytowane w taki sposób, że odtwarzana jest część podfilmu 2 ze zmianą długości fali.Jest to najbardziej wymowny wyraz cech dekochromatycznego układu luster.
Powyższe wyniki pokazują, że wyprodukowany dekachromatyczny układ lusterek, czy nowy dziewięciokolorowy spektrometr, działa zgodnie z założeniami.Nowy dziewięciokolorowy spektrometr powstaje poprzez zamontowanie szeregu dekachromatycznych lusterek z adapterami bezpośrednio na płytce czujnika obrazu.
Strumień świetlny o zakresie długości fal od 400 do 750 nm, emitowany przez cztery punkty promieniowania φ50 µm, rozmieszczone w odstępach co 1 mm, w kierunku prostopadłym do płaszczyzny z rys. 2c, odpowiednio Badania 31, 34. Układ czterosoczewkowy składa się z cztery soczewki φ1 mm o ogniskowej 1,4 mm i skoku 1 mm.Cztery skolimowane strumienie (cztery C0) padają na DP nowego dziewięciokolorowego spektrometru, rozmieszczone w odstępach 1 mm.Układ zwierciadeł dichroicznych dzieli każdy strumień (C0) na dziewięć strumieni kolorów (C1-C9).Powstałe 36 strumieni (cztery zestawy C1–C9) są następnie wstrzykiwane bezpośrednio do czujnika obrazu CMOS (S) podłączonego bezpośrednio do układu zwierciadeł dichroicznych.W rezultacie, jak pokazano na rys. 5a, ze względu na małą różnicę maksymalnej ścieżki optycznej i krótką maksymalną ścieżkę optyczną, obrazy wszystkich 36 strumieni zostały wykryte jednocześnie i wyraźnie o tej samej wielkości.Zgodnie z widmami w dół (patrz rysunek uzupełniający S4) intensywność obrazu czterech grup C1, C2 i C3 jest stosunkowo niska.Rozmiar trzydziestu sześciu obrazów wynosił 0,57 ± 0,05 mm (średnia ± SD).Zatem powiększenie obrazu wynosiło średnio 11,4.Pionowy odstęp między obrazami wynosi średnio 1 mm (taki sam odstęp jak w przypadku układu soczewek), a poziomy odstęp między obrazami wynosi średnio 1,6 mm (taki sam odstęp jak w przypadku układu luster dichroicznych).Ponieważ rozmiar obrazu jest znacznie mniejszy niż odległość między obrazami, każdy obraz można mierzyć niezależnie (przy niskim przesłuchie).Tymczasem obrazy dwudziestu ośmiu strumieni zarejestrowane przez konwencjonalny siedmiokolorowy spektrometr zastosowany w naszym poprzednim badaniu pokazano na ryc. 5 B. Układ siedmiu zwierciadeł dichroicznych utworzono poprzez usunięcie dwóch skrajnie prawych zwierciadeł dichroicznych z układu dziewięciu zwierciadeł dichroicznych lusterka na rysunku 1a.Nie wszystkie obrazy są ostre, rozmiar obrazu wzrasta z C1 do C7.Rozmiar dwudziestu ośmiu obrazów wynosi 0,70 ± 0,19 mm.Dlatego utrzymanie wysokiej rozdzielczości na wszystkich obrazach jest trudne.Współczynnik zmienności (CV) dla obrazu o rozmiarze 28 na ryc. 5b wyniósł 28%, natomiast CV dla obrazu o rozmiarze 36 na ryc. 5a spadł do 9%.Powyższe wyniki pokazują, że nowy dziewięciokolorowy spektrometr nie tylko zwiększa liczbę jednocześnie mierzonych kolorów z siedmiu do dziewięciu, ale także charakteryzuje się wysoką rozdzielczością obrazu dla każdego koloru.
Porównanie jakości rozdzielonego obrazu utworzonego przez spektrometry konwencjonalne i nowe.(a) Cztery grupy dziewięciokolorowych oddzielnych obrazów (C1-C9) wygenerowanych przez nowy dziewięciokolorowy spektrometr.(b) Cztery zestawy siedmiokolorowych oddzielnych obrazów (C1-C7) utworzonych za pomocą konwencjonalnego siedmiokolorowego spektrometru.Strumienie (C0) o długości fali od 400 do 750 nm z czterech punktów emisyjnych są kolimowane i padają odpowiednio na każdy spektrometr.
Charakterystykę widmową dziewięciokolorowego spektrometru oceniono eksperymentalnie, a wyniki oceny przedstawiono na rysunku 6. Należy zauważyć, że na rysunku 6a przedstawiono te same wyniki, co na rysunku 5a, tj. przy długości fali 4 C0 400–750 nm wykryto wszystkie 36 obrazów (4 grupy C1–C9).Wręcz przeciwnie, jak pokazano na ryc. 6b – j, gdy każdy C0 ma określoną długość fali 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 lub 690 nm, istnieją prawie tylko cztery odpowiadające mu obrazy (cztery wykryte grupy C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 lub C9).Jednak niektóre obrazy sąsiadujące z czterema odpowiednimi obrazami są bardzo słabo wykrywane, ponieważ widma transmisyjne C1 – C9 pokazane na ryc. 4b nieznacznie się nakładają, a każde C0 ma pasmo 10 nm przy określonej długości fali, jak opisano w metodzie.Wyniki te są zgodne z widmami transmisji C1-C9 pokazanymi na ryc.4b oraz dodatkowe filmy 2 i 3. Innymi słowy, dziewięciokolorowy spektrometr działa zgodnie z oczekiwaniami na podstawie wyników pokazanych na ryc.4b.Dlatego stwierdzono, że rozkład intensywności obrazu C1-C9 jest widmem każdego C0.
Charakterystyka widmowa spektrometru dziewięciokolorowego.Nowy dziewięciokolorowy spektrometr generuje cztery zestawy dziewięciokolorowych oddzielnych obrazów (C1-C9), gdy światło padające (cztery C0) ma długość fali (a) 400-750 nm (jak pokazano na rysunku 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, odpowiednio.
Opracowany dziewięciokolorowy spektrometr zastosowano do elektroforezy czterokapilarnej (szczegóły można znaleźć w materiałach uzupełniających) 31,34,35.Matryca czterokapilarna składa się z czterech kapilar (średnica zewnętrzna 360 µm i średnica wewnętrzna 50 µm) rozmieszczonych w odstępach 1 mm w miejscu naświetlania laserem.Próbki zawierające fragmenty DNA znakowane 8 barwnikami, mianowicie FL-6C (barwnik 1), JOE-6C (barwnik 2), dR6G (barwnik 3), TMR-6C (barwnik 4), CXR-6C (barwnik 5), TOM- 6C (barwnik 6), LIZ (barwnik 7) i WEN (barwnik 8) w kolejności rosnącej według długości fali fluorescencji, rozdzielone w każdej z czterech kapilar (zwanych dalej Cap1, Cap2, Cap3 i Cap4).Fluorescencję indukowaną laserem z Cap1-Cap4 kolimowano z układem czterech soczewek i jednocześnie rejestrowano za pomocą dziewięciokolorowego spektrometru.Dynamikę intensywności dziewięciokolorowej (C1-C9) fluorescencji podczas elektroforezy, czyli dziewięciokolorowego elektroforegramu każdej kapilary, pokazano na ryc. 7a.Równoważny dziewięciokolorowy elektroforegram otrzymuje się w Cap1-Cap4.Jak wskazano strzałkami Cap1 na Figurze 7a, osiem pików na każdym dziewięciokolorowym elektroforegramie pokazuje odpowiednio jedną emisję fluorescencji z Dye1-Dye8.
Jednoczesna ocena ilościowa ośmiu barwników przy użyciu dziewięciokolorowego czterokapilarnego spektrometru do elektroforezy.(a) Dziewięciokolorowy (C1-C9) elektroforegram każdej kapilary.Osiem pików wskazanych strzałkami Cap1 pokazuje indywidualną emisję fluorescencji ośmiu barwników (Dye1-Dye8).Kolory strzałek odpowiadają kolorom (b) i (c).( b ) Widma fluorescencji ośmiu barwników (Dye1-Dye8) na kapilarę.c Elektroferogramy ośmiu barwników (Dye1-Dye8) na kapilarę.Piki fragmentów DNA znakowanych Dye7 wskazano strzałkami, a długości ich zasad Cap4 wskazano.
Rozkłady intensywności C1 – C9 na ośmiu pikach pokazano na ryc.7b, odpowiednio.Ponieważ zarówno C1-C9, jak i Dye1-Dye8 są w kolejności długości fal, osiem rozkładów na ryc. 7b pokazuje widma fluorescencji Dye1-Dye8 sekwencyjnie od lewej do prawej.W tym badaniu Dye1, Dye2, Dye3, Dye4, Dye5, Dye6, Dye7 i Dye8 pojawiają się odpowiednio w kolorze magenta, fiolet, niebieski, cyjan, zielony, żółty, pomarańczowy i czerwony.Należy zwrócić uwagę, że kolory strzałek na ryc. 7a odpowiadają kolorom barwników na ryc. 7b.Intensywności fluorescencji C1-C9 dla każdego widma na ryc. 7b znormalizowano tak, aby ich suma była równa jeden.Otrzymano osiem równoważnych widm fluorescencji z Cap1-Cap4.Można wyraźnie zaobserwować widmowe nakładanie się fluorescencji pomiędzy barwnikiem 1 i barwnikiem 8.
Jak pokazano na rysunku 7c, dla każdej kapilary dziewięciokolorowy elektroforegram na rysunku 7a został przekształcony w elektroforegram z ośmioma barwnikami za pomocą analizy wieloskładnikowej w oparciu o osiem widm fluorescencji na rysunku 7b (szczegóły w materiałach uzupełniających).Ponieważ nakładanie się widm fluorescencji na ryc. 7a nie jest pokazane na ryc. 7c, Dye1-Dye8 można zidentyfikować i określić ilościowo indywidualnie w każdym punkcie czasowym, nawet jeśli różne ilości Dye1-Dye8 fluoryzują w tym samym czasie.Nie można tego osiągnąć za pomocą tradycyjnej detekcji siedmiokolorowej31, ale można to osiągnąć dzięki opracowanej detekcji dziewięciokolorowej.Jak pokazano strzałkami Cap1 na ryc. 7c, tylko single emisji fluorescencyjnej Dye3 (niebieski), Dye8 (czerwony), Dye5 (zielony), Dye4 (cyjan), Dye2 (fioletowy), Dye1 (magenta) i Dye6 (żółty) ) obserwuje się w oczekiwanym porządku chronologicznym.W przypadku emisji fluorescencyjnej barwnika 7 (pomarańczowy) oprócz pojedynczego piku wskazanego pomarańczową strzałką zaobserwowano kilka innych pojedynczych pików.Wynik ten wynika z faktu, że próbki zawierały standardy wielkości, znakowane Dye7 fragmenty DNA o różnej długości zasad.Jak pokazano na rysunku 7c, dla Cap4 te długości podstawy wynoszą 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214 i 220 długości podstawy.
Głównymi cechami dziewięciokolorowego spektrometru, opracowanego przy użyciu matrycy dwuwarstwowych zwierciadeł dichroicznych, są niewielkie rozmiary i prosta konstrukcja.Ponieważ układ lusterek dekachromatycznych wewnątrz adaptera pokazany na rys.3c zamontowany bezpośrednio na płytce czujnika obrazu (patrz rys. S1 i S2), dziewięciokolorowy spektrometr ma takie same wymiary jak adapter, tj. 54 × 58 × 8,5 mm.(grubość).Ten wyjątkowo mały rozmiar jest o dwa do trzech rzędów wielkości mniejszy niż konwencjonalne spektrometry wykorzystujące siatki lub pryzmaty.Ponadto, ponieważ spektrometr dziewięciokolorowy jest skonfigurowany w taki sposób, że światło pada prostopadle na powierzchnię czujnika obrazu, można łatwo przydzielić miejsce dla spektrometru dziewięciokolorowego w systemach takich jak mikroskopy, cytometry przepływowe lub analizatory.Analizator elektroforezy z siatką kapilarną dla jeszcze większej miniaturyzacji układu.Jednocześnie rozmiar dziesięciu zwierciadeł dichroicznych i filtrów pasmowo-przepustowych stosowanych w dziewięciokolorowym spektrometrze wynosi zaledwie 10 × 1,9 × 0,5 mm lub 15 × 1,9 × 0,5 mm.W ten sposób ze zwierciadła dichroicznego i filtra środkowoprzepustowego o powierzchni 60 mm2 można wyciąć odpowiednio ponad 100 takich małych zwierciadeł dichroicznych i filtrów pasmowoprzepustowych.Dlatego też przy niskim koszcie można wyprodukować szereg luster dekachromatycznych.
Kolejną cechą dziewięciokolorowego spektrometru są jego doskonałe właściwości widmowe.W szczególności umożliwia akwizycję obrazów widmowych migawek, czyli jednoczesne pozyskiwanie obrazów z informacją widmową.Dla każdego obrazu uzyskano widmo ciągłe o zakresie długości fal od 520 do 700 nm i rozdzielczości 20 nm.Innymi słowy, dla każdego obrazu wykrywa się dziewięć intensywności kolorów światła, tj. dziewięć pasm o długości 20 nm równo dzielących zakres długości fal od 520 do 700 nm.Zmieniając charakterystykę widmową zwierciadła dichroicznego i filtra pasmowego, można regulować zakres długości fal dziewięciu pasm i szerokość każdego pasma.Detekcja dziewięciu kolorów może być wykorzystywana nie tylko do pomiarów fluorescencji za pomocą obrazowania spektralnego (jak opisano w tym raporcie), ale także do wielu innych typowych zastosowań wykorzystujących obrazowanie spektralne.Chociaż obrazowanie hiperspektralne może wykryć setki kolorów, odkryto, że nawet przy znacznym zmniejszeniu liczby wykrywalnych kolorów wiele obiektów w polu widzenia można zidentyfikować z wystarczającą dokładnością do wielu zastosowań38,39,40.Ponieważ rozdzielczość przestrzenna, rozdzielczość widmowa i rozdzielczość czasowa mają kompromis w obrazowaniu spektralnym, zmniejszenie liczby kolorów może poprawić rozdzielczość przestrzenną i rozdzielczość czasową.Może także wykorzystywać proste spektrometry, takie jak ten opracowany w tym badaniu, co jeszcze bardziej ogranicza ilość obliczeń.
W tym badaniu jednocześnie oznaczono ilościowo osiem barwników poprzez separację widmową ich nakładających się widm fluorescencji w oparciu o wykrywanie dziewięciu kolorów.Jednocześnie można oznaczyć ilościowo do dziewięciu barwników współistniejących w czasie i przestrzeni.Szczególną zaletą dziewięciokolorowego spektrometru jest jego wysoki strumień świetlny i duża apertura (1 × 7 mm).Układ zwierciadeł dekanowych zapewnia maksymalną transmisję 92% światła z apertury w każdym z dziewięciu zakresów długości fal.Skuteczność wykorzystania światła padającego w zakresie długości fal od 520 do 700 nm wynosi niemal 100%.W tak szerokim zakresie długości fal żadna siatka dyfrakcyjna nie jest w stanie zapewnić tak dużej efektywności wykorzystania.Nawet jeśli skuteczność dyfrakcyjna siatki dyfrakcyjnej przekracza 90% przy określonej długości fali, w miarę wzrostu różnicy między tą długością fali a określoną długością fali skuteczność dyfrakcyjna przy innej długości fali maleje41.Szerokość apertury prostopadłej do kierunku płaszczyzny na rys. 2c można zwiększyć od 7 mm do szerokości przetwornika obrazu, tak jak w przypadku przetwornika obrazu użytego w tym badaniu, poprzez niewielką modyfikację układu dekamerów.
Dziewięciokolorowy spektrometr może być stosowany nie tylko do elektroforezy kapilarnej, jak pokazano w tym badaniu, ale także do różnych innych celów.Na przykład, jak pokazano na poniższym rysunku, w mikroskopie fluorescencyjnym można zastosować dziewięciokolorowy spektrometr.Płaszczyzna próbki jest wyświetlana na czujniku obrazu dziewięciokolorowego spektrometru przez obiektyw o powiększeniu 10x.Odległość optyczna pomiędzy soczewką obiektywu a przetwornikiem obrazu wynosi 200 mm, natomiast odległość optyczna pomiędzy powierzchnią padającą dziewięciokolorowego spektrometru a czujnikiem obrazu wynosi zaledwie 12 mm.Dlatego obraz przycięto w przybliżeniu do wielkości apertury (1 × 7 mm) w płaszczyźnie padania i podzielono na dziewięć kolorowych obrazów.Oznacza to, że obraz widmowy dziewięciokolorowej migawki można wykonać na obszarze próbki o wymiarach 0,1 × 0,7 mm.Ponadto możliwe jest uzyskanie dziewięciokolorowego obrazu widmowego większego obszaru na płaszczyźnie próbki poprzez skanowanie próbki względem obiektywu w kierunku poziomym na ryc. 2c.
Elementy układu luster dekachromatycznych, mianowicie M1-M9 i BP, zostały wykonane na zamówienie przez firmę Asahi Spectra Co., Ltd. przy użyciu standardowych metod wytrącania.Wielowarstwowe materiały dielektryczne nałożono pojedynczo na dziesięć płytek kwarcowych o wymiarach 60 × 60 mm i grubości 0,5 mm, spełniając następujące wymagania: M1: IA = 45°, R ≥ 90% przy 520–590 nm, Tave ≥ 90% przy 610– 610 nm.700 nm, M2: IA = 45°, R ≥ 90% przy 520–530 nm, Tave ≥ 90% przy 550–600 nm, M3: IA = 45°, R ≥ 90% przy 540–550 nm, Tave ≥ 90 % przy 570–600 nm, M4: IA = 45°, R ≥ 90% przy 560–570 nm, Tave ≥ 90% przy 590–600 nm, M5: IA = 45°, R ≥ 98% przy 580–600 nm , R ≥ 98% przy 680–700 nm, M6: IA = 45°, Tave ≥ 90% przy 600–610 nm, R ≥ 90% przy 630–700 nm, M7: IA = 45°, R ≥ 90% przy 620–630 nm, Taw ≥ 90% przy 650–700 nm, M8: IA = 45°, R ≥ 90% przy 640–650 nm, Taw ≥ 90% przy 670–700 nm, M9: IA = 45°, R ≥ 90% przy 650-670 nm, Tave ≥ 90% przy 690-700 nm, BP: IA = 0°, T ≤ 0,01% przy 505 nm, Tave ≥ 95% przy 530-690 nm przy 530 nm T ≥ 90% przy -690 nm i T ≤ 1% przy 725-750 nm, gdzie IA, T, Tave i R to kąt padania, transmitancja, średnia transmitancja i niespolaryzowany współczynnik odbicia światła.
Światło białe (C0) o długości fal w zakresie 400–750 nm emitowane przez źródło światła LED (AS 3000, AS ONE CORPORATION) zostało skolimowane i padało pionowo na DP układu zwierciadeł dichroicznych.Widmo światła białego diod LED pokazano na rysunku dodatkowym S3.Umieść akrylowy zbiornik (wymiary 150 × 150 × 30 mm) bezpośrednio przed układem lusterek decamera, naprzeciwko zasilacza.Dym powstały po zanurzeniu suchego lodu w wodzie wlano następnie do akrylowego zbiornika, aby obserwować dziewięciokolorowe rozdzielone strumienie C1-C9 emanujące z układu dekachromatycznych luster.
Alternatywnie, skolimowane światło białe (C0) przepuszcza się przez filtr przed wejściem do DP.Filtry były pierwotnie filtrami o gęstości neutralnej i gęstości optycznej 0,6.Następnie użyj filtra z napędem silnikowym (FW212C, FW212C, Thorlabs).Na koniec włącz ponownie filtr ND.Szerokość pasma dziewięciu filtrów pasmowo-przepustowych odpowiada odpowiednio C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 i C1.Ogniwo kwarcowe o wymiarach wewnętrznych 40 (długość optyczna) x 42,5 (wysokość) x 10 mm (szerokość) umieszczono przed układem luster dekochromatycznych, naprzeciw BP.Dym jest następnie wprowadzany rurką do ogniwa kwarcowego, aby utrzymać stężenie dymu w ogniwie kwarcowym i uwidocznić dziewięciokolorowe rozdzielone strumienie C1-C9 emanujące z układu zwierciadeł dekachromatycznych.
Film przedstawiający dziewięciokolorowy podzielony strumień światła emanujący z szeregu luster dekanicznych został zarejestrowany w trybie poklatkowym na iPhonie XS.Przechwytuj obrazy sceny z szybkością 1 kl./s i kompiluj obrazy, aby utworzyć wideo z szybkością 30 kl./s (dla opcjonalnego wideo 1) lub 24 kl./s (dla opcjonalnych filmów 2 i 3).
Umieścić płytkę ze stali nierdzewnej o grubości 50 µm (z czterema otworami o średnicy 50 µm w odstępach co 1 mm) na płycie dyfuzyjnej.Na płytę dyfuzora napromieniane jest światło o długości fali 400-750 nm, uzyskiwane poprzez przepuszczanie światła lampy halogenowej przez krótki filtr transmisyjny o długości fali odcięcia 700 nm.Widmo światła pokazano na rysunku dodatkowym S4.Alternatywnie światło przechodzi również przez jeden z 10 nm filtrów pasmowo-przepustowych wyśrodkowanych przy 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 i 690 nm i uderza w płytę dyfuzora.W rezultacie na płycie ze stali nierdzewnej naprzeciw płyty dyfuzora powstały cztery punkty promieniowania o średnicy φ50 μm i różnych długościach fal.
Układ czterech kapilar z czterema soczewkami jest zamontowany na dziewięciokolorowym spektrometrze, jak pokazano na rysunkach 1 i 2. C1 i C2.Cztery kapilary i cztery soczewki były takie same jak w poprzednich badaniach31,34.Wiązka laserowa o długości fali 505 nm i mocy 15 mW naświetlana jest jednocześnie i równomiernie z boku do punktów emisji czterech kapilar.Fluorescencja emitowana przez każdy punkt emisji jest kolimowana przez odpowiednią soczewkę i rozdzielana na dziewięć strumieni kolorów za pomocą układu zwierciadeł dekachromatycznych.Powstałe 36 strumieni wstrzyknięto następnie bezpośrednio do czujnika obrazu CMOS (C11440–52U, Hamamatsu Photonics K·K.) i jednocześnie rejestrowano ich obrazy.
Zestaw do reakcji gotowej do sekwencjonowania cykli starterów ABI PRISM® BigDye® (Applied Biosystems), 4 µl barwnika GeneScan™ 600 LIZ™ zmieszano dla każdej kapilary poprzez zmieszanie 1 µl standardu PowerPlex® 6C Matrix (Promega Corporation), 1 µl standardu wielkości mieszanki.v2.0 (Thermo Fisher Scientific) i 14 µl wody.Standard matrycy PowerPlex® 6C składa się z sześciu fragmentów DNA znakowanych sześcioma barwnikami: FL-6C, JOE-6C, TMR-6C, CXR-6C, TOM-6C i WEN, w kolejności od maksymalnej długości fali.Długości zasad tych fragmentów DNA nie są ujawnione, ale znana jest sekwencja długości zasad fragmentów DNA znakowanych WEN, CXR-6C, TMR-6C, JOE-6C, FL-6C i TOM-6C.Mieszanina w zestawie ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit zawiera fragment DNA znakowany barwnikiem dR6G.Nie ujawniono również długości zasad fragmentów DNA.GeneScan™ 600 LIZ™ Dye Size Standard v2.0 zawiera 36 fragmentów DNA znakowanych LIZ.Podstawowe długości tych fragmentów DNA wynoszą 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214, 220, 240, 250, 260, 280, 300, 314, 320, 340, 360, 380, 400, 414, 420, 440, 460, 480, 500, 514, 520, 540, 560, 580 i 600 podstawy.Próbki denaturowano w temperaturze 94°C przez 3 minuty, następnie chłodzono na lodzie przez 5 minut.Próbki wstrzyknięto do każdej kapilary przy 26 V/cm przez 9 s i rozdzielono w każdej kapilarze wypełnionej roztworem polimeru POP-7™ (Thermo Fisher Scientific) o efektywnej długości 36 cm i napięciu 181 V/cm oraz kąt 60°.Z.
Wszystkie dane uzyskane lub przeanalizowane w trakcie tego badania zostały zawarte w tym opublikowanym artykule i jego dodatkowych informacjach.Inne dane istotne dla tego badania są dostępne u odpowiednich autorów na uzasadnione żądanie.
Khan, MJ, Khan, HS, Yousaf, A., Khurshid, K. i Abbas, A. Aktualne trendy w analizie obrazowania hiperspektralnego: przegląd.Uzyskaj dostęp do IEEE 6, 14118–14129.https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2812999 (2018).
Vaughan, AH Astronomiczna interferometryczna spektroskopia Fabry'ego-Perota.zainstalować.Wielebny Astron.astrofizyka.5, 139-167.https://doi.org/10.1146/annurev.aa.05.090167.001035 (1967).
Goetz, AFH, Wein, G., Solomon, JE i Rock, BN Spektroskopia obrazów teledetekcyjnych Ziemi.Nauka 228, 1147–1153.https://doi.org/10.1126/science.228.4704.1147 (1985).
Yokoya, N., Grohnfeldt, C. i Chanussot, J. Fuzja danych hiperspektralnych i wielospektralnych: przegląd porównawczy ostatnich publikacji.Nauki o Ziemi IEEE.Dziennik teledetekcji.5:29–56.https://doi.org/10.1109/MGRS.2016.2637824 (2017).
Gowen, AA, O'Donnell, SP, Cullen, PJ, Downey, G. i Frias, JM Obrazowanie hiperspektralne to nowe narzędzie analityczne do kontroli jakości i bezpieczeństwa żywności.Trendy w naukach o żywności.technologia.18, 590-598.https://doi.org/10.1016/j.tifs.2007.06.001 (2007).
ElMasri, G., Mandour, N., Al-Rejaye, S., Belin, E. i Rousseau, D. Najnowsze zastosowania obrazowania wielospektralnego do monitorowania fenotypu i jakości nasion – przegląd.Czujniki 19, 1090 (2019).
Liang, H. Postępy w obrazowaniu wielospektralnym i hiperspektralnym dla archeologii i konserwacji dzieł sztuki.Złóż wniosek o fizyczny numer 106, 309–323.https://doi.org/10.1007/s00339-011-6689-1 (2012).
Edelman GJ, Gaston E., van Leeuwen TG, Cullen PJ i Alders MKG Obrazowanie hiperspektralne do bezkontaktowej analizy śladów kryminalistycznych.Kryminalistyka.wewnętrzne 223, 28-39.https://doi.org/10.1016/j.forsciint.2012.09.012 (2012).