Kiitos vierailustasi Nature.comissa.Käytät selainversiota, jossa on rajoitettu CSS-tuki.Parhaan kokemuksen saamiseksi suosittelemme käyttämään päivitettyä selainta (tai poistamaan Yhteensopivuustila käytöstä Internet Explorerissa).Lisäksi jatkuvan tuen varmistamiseksi näytämme sivuston ilman tyylejä ja JavaScriptiä.
Näyttää kolmen dian karusellin kerralla.Käytä Edellinen- ja Seuraava-painikkeita siirtyäksesi kolmen dian läpi kerrallaan tai käytä lopussa olevia liukusäädinpainikkeita siirtyäksesi kolmen dian läpi kerrallaan.
Kehitettiin ultrakompakti (54 × 58 × 8,5 mm) ja laaja-aukkoinen (1 × 7 mm) yhdeksän värin spektrometri, joka "jaettiin kahtia" kymmenen dikroisen peilin ryhmällä, jota käytettiin hetkelliseen spektrikuvaukseen.Tuleva valovirta, jonka poikkileikkaus on pienempi kuin aukon koko, on jaettu jatkuvaan 20 nm leveään nauhaan ja yhdeksään värivuoon, joiden keskiaallonpituudet ovat 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 ja 690 nm.Kuvakenno mittaa tehokkaasti yhdeksän värivirran kuvia samanaikaisesti.Toisin kuin perinteisissä dikroisissa peiliryhmissä, kehitetyllä dikroisella peilijärjestelmällä on ainutlaatuinen kaksiosainen konfiguraatio, joka ei ainoastaan lisää samanaikaisesti mitattavissa olevien värien määrää, vaan myös parantaa kunkin värivirran kuvan resoluutiota.Kehitettyä yhdeksän värin spektrometriä käytetään neljän kapillaarielektroforeesiin.Samanaikainen kvantitatiivinen analyysi kahdeksasta väriaineesta, jotka liikkuvat samanaikaisesti kussakin kapillaarissa, käyttäen yhdeksän värin laser-indusoitua fluoresenssia.Koska yhdeksän värin spektrometri ei ole vain erittäin pieni ja halpa, vaan sillä on myös suuri valovirta ja riittävä spektriresoluutio useimpiin spektrikuvaussovelluksiin, sitä voidaan käyttää laajasti eri aloilla.
Hyperspektri- ja monispektrikuvauksesta on tullut tärkeä osa tähtitiedettä2, kaukokartoitusta Maan havainnointia varten3,4, ruoan ja veden laadunvalvonta5,6, taiteen konservointi ja arkeologia7, oikeuslääketieteellinen tutkimus8, kirurgia9, biolääketieteellinen analyysi ja diagnostiikka10,11 jne. Kenttä 1 Korvaamaton tekniikka ,12,13.Kunkin emissiopisteen lähettämän valon spektrin mittausmenetelmät näkökentässä on jaettu (1) pistepyyhkäisyyn ("luuta")14,15, (2) lineaariseen pyyhkäisyyn ("paniikki")16,17,18 , (3) pituus skannaa aaltoja19,20,21 ja (4) kuvia22,23,24,25.Kaikkien näiden menetelmien tapauksessa tilaresoluutiolla, spektriresoluutiolla ja ajallisella resoluutiolla on kompromissisuhde9,10,12,26.Lisäksi valoteholla on merkittävä vaikutus herkkyyteen eli signaali-kohinasuhteeseen spektrikuvauksessa26.Valovirta eli valon käytön tehokkuus on suoraan verrannollinen kunkin valopisteen todellisen mitatun valomäärän suhteeseen aikayksikköä kohti mitatun aallonpituusalueen valon kokonaismäärään.Kategoria (4) on sopiva menetelmä, kun kunkin säteilevän pisteen lähettämän valon intensiteetti tai spektri muuttuu ajan myötä tai kun kunkin säteilevän pisteen sijainti muuttuu ajan myötä, koska kaikkien emittoivien pisteiden lähettämän valon spektri mitataan samanaikaisesti.24.
Suurin osa yllä olevista menetelmistä yhdistetään suuriin, monimutkaisiin ja/tai kalliisiin spektrometreihin, joissa käytetään 18 hilaa tai 14, 16, 22, 23 prismaa luokille (1), (2) ja (4) tai 20, 21 suodatinlevyä, nestesuodattimia .Luokan (3) kiteiset viritettävät suodattimet (LCTF)25 tai akusto-optiset viritettävät suodattimet (AOTF)19.Sitä vastoin luokan (4) monipeilispektrometrit ovat pieniä ja halpoja yksinkertaisen konfigurointinsa vuoksi27,28,29,30.Lisäksi niillä on suuri valovirta, koska kunkin dikroisen peilin jakama valo (eli jokaiseen dikroiseen peiliin tulevan valon läpäisevä ja heijastunut valo) käytetään täysin ja jatkuvasti.Samanaikaisesti mitattavien aallonpituuskaistojen (eli värien) määrä on kuitenkin rajoitettu noin neljään.
Fluoresenssidetektioon perustuvaa spektrikuvausta käytetään yleisesti multipleksianalyysiin biolääketieteellisessä ilmaisussa ja diagnostiikassa 10, 13 .Multipleksoinnissa, koska useat analyytit (esim. spesifinen DNA tai proteiinit) on leimattu erilaisilla fluoresoivilla väriaineilla, jokainen analyytti, joka on läsnä kussakin näkökentän emissiopisteessä, kvantifioidaan käyttämällä monikomponenttianalyysiä.32 hajottaa kunkin emissiopisteen lähettämän havaitun fluoresenssispektrin.Tämän prosessin aikana eri väriaineet, joista jokainen säteilee erilaista fluoresenssia, voivat kolokalisoitua eli esiintyä rinnakkain tilassa ja ajassa.Tällä hetkellä enimmäismäärä väriaineita, jotka voidaan herättää yhdellä lasersäteellä, on kahdeksan33.Tätä ylärajaa ei määritä spektriresoluutio (eli värien lukumäärä), vaan fluoresenssispektrin leveys (≥50 nm) ja väriaineen Stokes-siirtymä (≤200 nm) FRET:ssä (käyttämällä FRET:iä)10 .Värien lukumäärän on kuitenkin oltava suurempi tai yhtä suuri kuin väriaineiden lukumäärä sekavärien spektrin päällekkäisyyden eliminoimiseksi31,32.Siksi on tarpeen lisätä samanaikaisesti mitattujen värien määrää kahdeksaan tai enemmän.
Äskettäin on kehitetty erittäin kompakti heptakroinen spektrometri (joka käyttää useita heptikroosipeilejä ja kuva-anturia neljän fluoresoivan vuon mittaamiseen).Spektrometri on kahdesta kolmeen suuruusluokkaa pienempi kuin perinteiset spektrometrit, joissa käytetään hilaa tai prismoja34,35.On kuitenkin vaikeaa sijoittaa enemmän kuin seitsemän dikroista peiliä spektrometriin ja mitata samanaikaisesti yli seitsemän väriä36,37.Dikroististen peilien lukumäärän kasvaessa dikroisten valovirtojen optisten reittien pituuksien maksimiero kasvaa, ja kaikkien valovirtojen näyttäminen yhdellä sensoritasolla tulee vaikeaksi.Myös valovirran pisin optisen reitin pituus kasvaa, jolloin spektrometrin aukon leveys (eli spektrometrin analysoiman valon maksimileveys) pienenee.
Vastauksena yllä oleviin ongelmiin kehitettiin erittäin kompakti yhdeksän värin spektrometri, jossa oli kaksikerroksinen "dikroinen" dekakromaattinen peiliryhmä ja kuvasensori hetkellistä spektrikuvausta varten [luokka (4)].Aiempiin spektrometreihin verrattuna kehitetyllä spektrometrillä on pienempi optisen reitin maksimipituuden ero ja pienempi optisen reitin maksimipituus.Sitä on sovellettu neljän kapillaarin elektroforeesiin laserin aiheuttaman yhdeksän värin fluoresenssin havaitsemiseksi ja kahdeksan väriaineen samanaikaisen siirtymisen kvantifiointiin kussakin kapillaarissa.Koska kehitetty spektrometri ei ole vain erittäin pieni ja halpa, vaan sillä on myös suuri valovirta ja riittävä spektriresoluutio useimpiin spektrikuvaussovelluksiin, sitä voidaan käyttää laajasti eri aloilla.
Perinteinen yhdeksän värin spektrometri on esitetty kuvassa.1a.Sen rakenne noudattaa edellisen ultrapienen seitsemänvärisen spektrometrin 31 mallia. Se koostuu yhdeksästä dikroisesta peilistä, jotka on sijoitettu vaakasuoraan 45° kulmaan oikealle, ja kuva-anturi (S) sijaitsee yhdeksän dikroisen peilin yläpuolella.Alhaalta tuleva valo (C0) jaetaan yhdeksän dikroisen peilin joukolla yhdeksään ylöspäin menevään valovirtaan (C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 ja C9).Kaikki yhdeksän värivirtaa syötetään suoraan kuvakennoon ja tunnistetaan samanaikaisesti.Tässä tutkimuksessa C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 ja C9 ovat aallonpituusjärjestyksessä ja niitä edustavat magenta, violetti, sininen, syaani, vihreä, keltainen, oranssi, puna-oranssi ja punainen, vastaavasti.Vaikka näitä värimerkintöjä käytetään tässä asiakirjassa, kuten kuvassa 3 näkyy, koska ne eroavat ihmissilmän todellisista väreistä.
Kaaviokaaviot perinteisistä ja uusista yhdeksän värin spektrometreistä.(a) Perinteinen yhdeksän värin spektrometri, jossa on yhdeksän dikroisen peilin ryhmä.(b) Uusi yhdeksän värin spektrometri, jossa on kaksikerroksinen dikroinen peiliryhmä.Tuleva valovirta C0 on jaettu yhdeksään värilliseen valovirtaan C1-C9 ja havaitaan kuvasensorilla S.
Kehitetyssä uudessa yhdeksän värin spektrometrissä on kaksikerroksinen dikroinen peilihila ja kuvasensori, kuten kuvassa 1b näkyy.Alemmalla tasolla viisi dikroista peiliä on kallistettu 45° oikealle, ja ne on kohdistettu oikealle dekamer-ryhmän keskeltä.Ylimmällä tasolla viisi dikroista lisäpeiliä on kallistettu 45° vasemmalle ja sijaitsevat keskeltä vasemmalle.Alemman kerroksen vasemmanpuoleisin dikroinen peili ja ylemmän kerroksen oikeanpuoleisin dikroinen peili menevät päällekkäin.Tuleva valovirta (C0) on jaettu alhaalta neljään lähtevään kromaattiseen virtaan (C1-C4) viidellä dikroisella peilillä oikealla ja viidellä lähtevällä kromaattisella valolla (C5-C4) viidellä dikroisella peilillä vasemmalla C9).Perinteisten yhdeksänväristen spektrometrien tapaan kaikki yhdeksän värivirtaa injektoidaan suoraan kuvakennoon (S) ja havaitaan samanaikaisesti.Vertaamalla kuvia 1a ja 1b voidaan nähdä, että uuden yhdeksän värin spektrometrin tapauksessa yhdeksän värivuon maksimiero ja pisin optisen reitin pituus puolittuvat.
Ultrapienen kaksikerroksisen dikroisen peiliryhmän 29 mm (leveys) × 31 mm (syvyys) × 6 mm (korkeus) yksityiskohtainen rakenne on esitetty kuvassa 2. Desimaalidikroinen peiliryhmä koostuu viidestä dikroisesta peilistä oikealla (M1-M5) ja viisi dikroista peiliä vasemmalla (M6-M9 ja toinen M5), kukin dikroinen peili on kiinnitetty ylempään alumiinikannattimeen.Kaikki dikroiset peilit on porrastettu kompensoimaan peilien läpi kulkevan virtauksen taittumisen aiheuttamaa yhdensuuntaista siirtymää.M1:n alapuolella kaistanpäästösuodatin (BP) on kiinteä.M1- ja BP-mitat ovat 10 mm (pitkä puoli) x 1,9 mm (lyhyt puoli) x 0,5 mm (paksuus).Jäljellä olevien dikroisten peilien mitat ovat 15 mm × 1,9 mm × 0,5 mm.Matriisijako M1:n ja M2:n välillä on 1,7 mm, kun taas muiden dikroisten peilien matriisiväli on 1,6 mm.KuvassaKuvassa 2c yhdistyvät tuleva valovirta C0 ja yhdeksän värillistä valovirtaa C1-C9, jotka erotetaan peilien kammionpoistomatriisilla.
Kaksikerroksisen dikroisen peilimatriisin rakentaminen.(a) perspektiivikuva ja (b) poikkileikkauskuva kaksikerroksisesta dikroisesta peilijärjestelmästä (mitat 29 mm x 31 mm x 6 mm).Se koostuu viidestä dikroisesta peilistä (M1-M5), jotka sijaitsevat alemmassa kerroksessa, viidestä dikroisesta peilistä (M6-M9 ja toinen M5), jotka sijaitsevat yläkerroksessa, ja kaistanpäästösuodattimesta (BP), joka sijaitsee M1:n alapuolella.(c) Poikkileikkauskuva pystysuunnassa, jossa C0 ja C1-C9 limittyvät.
Aukon leveys vaakasuunnassa, joka on ilmaistu leveydellä C0 kuvassa 2, c, on 1 mm, ja suunnassa, joka on kohtisuorassa kuvan 2 tasoon nähden, c, joka on annettu alumiinikannattimen suunnittelusta, – 7 mm.Eli uudella yhdeksän värin spektrometrillä on suuri aukkokoko 1 mm × 7 mm.C4:n optinen polku on pisin C1-C9:n joukosta, ja C4:n optinen polku dikroisen peiliryhmän sisällä on edellä mainitusta erittäin pienestä koosta (29 mm × 31 mm × 6 mm) johtuen 12 mm.Samanaikaisesti C5:n optisen reitin pituus on lyhyin C1-C9:stä ja C5:n optisen reitin pituus on 5,7 mm.Siksi optisen reitin pituuden suurin ero on 6,3 mm.Yllä olevat optisen reitin pituudet on korjattu optisen reitin pituudella M1-M9:n ja BP:n (kvartsista) optista lähetystä varten.
М1−М9 ja VR spektriominaisuudet lasketaan siten, että vuot С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8 ja С9 ovat aallonpituusalueella 520–540, 540–560, 560–58080, –600, 600–620, 620–640, 640–660, 660–680 ja 680–700 nm.
Valokuva valmistetusta dekakromaattisten peilien matriisista on esitetty kuvassa 3a.M1-M9 ja BP on liimattu alumiinituen 45 asteen kaltevuuteen ja vaakatasoon, kun taas M1 ja BP on piilotettu kuvan takaosaan.
Dekaanipeilien valmistus ja esittely.(a) Joukko valmistettuja dekakromaattisia peilejä.b) 1 mm × 7 mm:n yhdeksän värin jaettu kuva projisoituna paperiarkille, joka on sijoitettu dekakromaattisten peilien eteen ja valaistu valkoisella valolla.(c) Joukko dekokromaattisia peilejä, jotka valaistaan takaapäin valkoisella valolla.(d) Dekaanipeiliryhmästä lähtevä yhdeksänvärinen halkaiseva virta, joka havaitaan asettamalla savulla täytetty akryylisäiliö dekaanipeiliryhmän eteen kohdassa c ja pimentämällä huone.
M1-M9 CO:n mitatut läpäisyspektrit 45° tulokulmassa ja BP CO:n mitattu läpäisyspektri tulokulmassa 0° on esitetty kuvioissa 1 ja 2.4a.C1-C9:n lähetysspektrit suhteessa CO:aan on esitetty kuvioissa 1-2.4b.Nämä spektrit laskettiin kuvioiden 1 ja 2 spektreistä.4a kuvion 4a optisen polun C1-C9 mukaisesti.1b ja 2c.Esimerkiksi 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)], missä TS(X) ja [ 1 − TS(X)] ovat X:n läpäisy- ja heijastusspektrit, vastaavasti.Kuten kuvasta 4b näkyy, C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 ja C9 kaistanleveydet (kaistanleveys ≥50 %) ovat 521-540, 541-562, 563-580, 581-602, 603 -623, 624-641, 642-657, 659-680 ja 682-699 nm.Nämä tulokset ovat yhdenmukaisia kehitettyjen alueiden kanssa.Lisäksi C0-valon hyötysuhde on korkea, eli keskimääräinen maksimi C1-C9-valonläpäisevyys on 92 %.
Dikroisen peilin ja jaetun yhdeksän värin vuon siirtospektrit.(a) Mitatut M1-M9:n läpäisyspektrit 45°:n ilmaantumispisteessä ja BP:n 0°:n insidenssissä.(b) C1–C9:n lähetysspektrit suhteessa C0:aan laskettuna kohdasta (a).
KuvassaKuvassa 3c dikroististen peilien ryhmä on sijoitettu pystysuoraan siten, että sen oikea puoli kuvassa 3a on yläpuoli ja kollimoidun LEDin (C0) valkoinen säde on taustavalaistu.Kuvassa 3a esitetty dekakromaattisten peilien sarja on asennettu 54 mm (korkeus) × 58 mm (syvyys) × 8,5 mm (paksuus) sovittimeen.Kuvassa3d, kuvan 3 tilan lisäksi.Kuvassa 3c savutäytteinen akryylisäiliö asetettiin dekokromaattisten peilien eteen huoneen valot sammutettuina.Seurauksena on, että säiliössä on näkyvissä yhdeksän dikroista virtaa, jotka lähtevät joukosta dekatroisia peilejä.Jokaisella jaetulla virralla on suorakaiteen muotoinen poikkileikkaus, jonka mitat ovat 1 × 7 mm, mikä vastaa uuden yhdeksän värin spektrometrin aukon kokoa.Kuvassa 3b paperiarkki asetetaan kuvion 3c dikroisten peilien eteen, ja 1 x 7 mm:n kuva yhdeksästä dikroisesta virrasta, jotka on projisoitu paperille, tarkastellaan paperin liikkeen suunnasta.purot.Kuvan yhdeksän värierotteluvirtaa.3b ja d ovat C4, C3, C2, C1, C5, C6, C7, C8 ja C9 ylhäältä alas, mikä näkyy myös kuvissa 1 ja 2. 1b ja 2c.Niitä havaitaan niiden aallonpituuksia vastaavissa väreissä.Johtuen LEDin alhaisesta valkoisen valon intensiteetistä (katso lisäkuva S3) ja kuvassa C9:n (682–699 nm) kaappaamiseen käytetyn värikameran herkkyydestä. Muut jakovirrat ovat heikkoja.Samoin C9 oli heikosti näkyvissä paljaalla silmällä.Samaan aikaan C2 (toinen virta ylhäältä) näyttää vihreältä kuvassa 3, mutta näyttää keltaisemmalta paljaalla silmällä.
Siirtyminen kuvasta 3c d:hen on esitetty lisävideossa 1. Heti sen jälkeen, kun LEDin valkoinen valo kulkee dekakromaattisen peiliryhmän läpi, se jakautuu samanaikaisesti yhdeksään värivirtaan.Lopulta savu haihtui altaassa vähitellen ylhäältä alas, niin että myös yhdeksän värillistä jauhetta katosi ylhäältä alas.Sitä vastoin täydentävässä videossa 2, kun dekakromaattisten peilien ryhmälle tulevan valovirran aallonpituus muutettiin pitkästä lyhyeksi luokkaa 690, 671, 650, 632, 610, 589, 568, 550 ja 532 nm. ., Vain yhdeksän jaetun virran vastaavat jaetut virrat järjestyksessä C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 ja C1 näytetään.Akryylisäiliö korvataan kvartsialtaalla, ja jokaisen ohitetun virtauksen hiutaleet ovat selvästi havaittavissa kaltevasta ylöspäin.Lisäksi alivideo 3 editoidaan siten, että alivideon 2 aallonpituuden muutososa toistetaan uudelleen.Tämä on kaunopuheisin ilmaus dekokromaattisen peiliryhmän ominaisuuksista.
Yllä olevat tulokset osoittavat, että valmistettu dekakromaattinen peiliryhmä tai uusi yhdeksänvärinen spektrometri toimii tarkoitetulla tavalla.Uusi yhdeksän värin spektrometri on muodostettu asentamalla joukko dekakromaattisia peilejä sovittimilla suoraan kuvasensorilevyyn.
Valovirta, jonka aallonpituusalue on 400 - 750 nm ja jonka emittoi neljä säteilypistettä φ50 μm, jotka sijaitsevat 1 mm:n välein kuvan 2c tasoon nähden kohtisuorassa suunnassa, vastaavasti Tutkimukset 31, 34. Neljän linssin ryhmä koostuu neljä objektiivia φ1 mm, polttoväli 1,4 mm ja jakoväli 1 mm.Neljä kollimoitua virtaa (neljä CO) osuu uuden yhdeksän värin spektrometrin DP:hen 1 mm:n välein.Joukko dikroisia peilejä jakaa jokaisen virran (C0) yhdeksään värivirtaan (C1-C9).Tuloksena saadut 36 virtaa (neljä sarjaa C1-C9) injektoidaan sitten suoraan CMOS (S) -kuvakennoon, joka on kytketty suoraan dikroisiin peileihin.Tämän seurauksena, kuten kuviossa 5a esitetään, pienen optisen reitin maksimieron ja lyhyen maksimioptisen polun vuoksi kaikkien 36 virran kuvat havaittiin samanaikaisesti ja selvästi samankokoisina.Alavirran spektrien mukaan (katso lisäkuva S4) neljän ryhmän C1, C2 ja C3 kuvan intensiteetti on suhteellisen alhainen.Kolmekymmentäkuusi kuvaa oli kooltaan 0,57 ± 0,05 mm (keskiarvo ± SD).Näin kuvan suurennus oli keskimäärin 11,4.Kuvien välinen pystyetäisyys on keskimäärin 1 mm (sama etäisyys kuin linssiryhmässä) ja vaakasuora etäisyys keskimäärin 1,6 mm (sama etäisyys kuin dikroisessa peiliryhmässä).Koska kuvan koko on paljon pienempi kuin kuvien välinen etäisyys, jokainen kuva voidaan mitata itsenäisesti (pienellä ylikuulumisella).Sillä välin edellisessä tutkimuksessamme käytetyllä tavanomaisella seitsemän värin spektrometrillä tallennetut kuvat 28 virrasta on esitetty kuvassa 5 B. Seitsemän dikroisen peilin ryhmä luotiin poistamalla kaksi oikeanpuoleista dikroista peiliä yhdeksän dikroisen joukosta. peilit kuvassa 1a.Kaikki kuvat eivät ole teräviä, kuvan koko kasvaa C1:stä C7:ään.28 kuvaa ovat kooltaan 0,70 ± 0,19 mm.Siksi on vaikea ylläpitää korkeaa kuvan resoluutiota kaikissa kuvissa.Kuvakoon 28 variaatiokerroin (CV) kuvassa 5b oli 28 %, kun taas kuvakoon 36 CV kuvassa 5a laski 9 prosenttiin.Yllä olevat tulokset osoittavat, että uusi yhdeksänvärinen spektrometri ei ainoastaan lisää samanaikaisesti mitattujen värien määrää seitsemästä yhdeksään, vaan sillä on myös korkea kuvan resoluutio jokaiselle värille.
Perinteisten ja uusien spektrometrien muodostaman jaetun kuvan laadun vertailu.(a) Neljä ryhmää yhdeksän värin erotettuja kuvia (C1-C9), jotka on luotu uudella yhdeksän värin spektrometrillä.(b) Neljä sarjaa seitsemällä värillä erotettuja kuvia (C1-C7), jotka on muodostettu tavanomaisella seitsemän värin spektrometrillä.Vuot (CO), joiden aallonpituudet ovat 400 - 750 nm neljästä emissiopisteestä, kollimoidaan ja osuvat jokaiseen spektrometriin, vastaavasti.
Yhdeksänvärisen spektrometrin spektriominaisuudet arvioitiin kokeellisesti ja arviointitulokset on esitetty kuvassa 6. Huomaa, että kuvassa 6a on samat tulokset kuin kuvassa 5a, eli aallonpituuksilla 4 C0 400–750 nm kaikki 36 kuvaa havaitaan. (4 ryhmää C1–C9).Päinvastoin, kuten kuvista 6b–j näkyy, kun kullakin CO:lla on tietty aallonpituus 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 tai 690 nm, vastaavia kuvia on lähes vain neljä (neljä havaitut ryhmät C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 tai C9).Osa neljän vastaavan kuvan viereisistä kuvista on kuitenkin hyvin heikosti havaittuja, koska kuvan 4b C1–C9-läpäisyspektrit menevät hieman päällekkäin ja jokaisella CO:lla on 10 nm:n kaista tietyllä aallonpituudella menetelmässä kuvatulla tavalla.Nämä tulokset ovat yhdenmukaisia kuvissa 1 ja 2 esitettyjen C1-C9-lähetysspektrien kanssa.4b ja lisävideot 2 ja 3. Toisin sanoen yhdeksän värin spektrometri toimii odotetusti kuvan 2 tulosten perusteella.4b.Tästä syystä päätellään, että kuvan intensiteettijakauma C1-C9 on kunkin CO:n spektri.
Yhdeksänvärisen spektrometrin spektriominaisuudet.Uusi yhdeksänvärinen spektrometri tuottaa neljä sarjaa yhdeksällä värillä erotettuja kuvia (C1-C9), kun tulevan valon (neljä C0) aallonpituus on (a) 400-750 nm (kuten kuvassa 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, vastaavasti.
Kehitettyä yhdeksän värin spektrometriä käytettiin neljän kapillaarielektroforeesiin (katso lisätietoja lisämateriaalista) 31, 34, 35.Nelikapillaarimatriisi koostuu neljästä kapillaarista (ulkohalkaisija 360 μm ja sisähalkaisija 50 μm), jotka sijaitsevat 1 mm:n välein lasersäteilytyskohdassa.Näytteet, jotka sisältävät DNA-fragmentteja, jotka on leimattu kahdeksalla väriaineella, nimittäin FL-6C (väri 1), JOE-6C (väri 2), dR6G (väri 3), TMR-6C (väri 4), CXR-6C (väri 5), TOM- 6C (väriaine 6), LIZ (väriaine 7) ja WEN (väriaine 8) fluoresoivan aallonpituuden nousevassa järjestyksessä, erotettuna kussakin neljästä kapillaarista (tästä lähtien Cap1, Cap2, Cap3 ja Cap4).Laser-indusoitu fluoresenssi Cap1-Cap4:stä kollimoitiin neljän linssin ryhmällä ja rekisteröitiin samanaikaisesti yhdeksän värin spektrometrillä.Yhdeksänvärisen (C1-C9) fluoresenssin intensiteettidynamiikka elektroforeesin aikana, eli kunkin kapillaarin yhdeksän värin elektroforegrammi, on esitetty kuvassa 7a.Vastaava yhdeksän värin elektroforegrammi saadaan Cap1-Cap4:ssä.Kuten Cap1-nuolet osoittavat kuviossa 7a, kunkin yhdeksän värin elektroforegrammin kahdeksan piikkiä osoittavat vastaavasti yhden fluoresenssiemission Dye1-Dye8:sta.
Kahdeksan väriaineen samanaikainen kvantifiointi yhdeksänvärisellä neljän kapillaarielektroforeesispektrometrillä.(a) Jokaisen kapillaarin yhdeksänvärinen (C1-C9) elektroforegrammi.Nuolilla Cap1 merkityt kahdeksan huippua osoittavat kahdeksan väriaineen (Dye1-Dye8) yksittäisiä fluoresenssiemissioita.Nuolien värit vastaavat värejä (b) ja (c).(b) Kahdeksan väriaineen (Dye1-Dye8) fluoresenssispektrit kapillaaria kohti.c Elektroferogrammit kahdeksasta väriaineesta (Dye1-Dye8) kapillaaria kohti.Dye7-leimattujen DNA-fragmenttien huiput on osoitettu nuolilla ja niiden Cap4-emäspituudet on osoitettu.
C1–C9:n intensiteettijakaumat kahdeksalla huipulla on esitetty kuvissa 1 ja 2.7b, vastaavasti.Koska sekä C1-C9 että Dye1-Dye8 ovat aallonpituusjärjestyksessä, kahdeksan jakaumaa kuviossa 7b esittävät Dye1-Dye8:n fluoresenssispektrit peräkkäin vasemmalta oikealle.Tässä tutkimuksessa Dye1, Dye2, Dye3, Dye4, Dye5, Dye6, Dye7 ja Dye8 esiintyvät magentana, violettina, sinisenä, syaanina, vihreänä, keltaisena, oranssina ja punaisena.Huomaa, että nuolien värit kuviossa 7a vastaavat värin värejä kuviossa 7b.C1-C9-fluoresenssin intensiteetit kullekin spektrille kuviossa 7b normalisoitiin siten, että niiden summa on yksi.Kahdeksan ekvivalenttia fluoresenssispektriä saatiin Cap1-Cap4:stä.Voidaan selvästi havaita fluoresenssin spektraalinen päällekkäisyys väriaineen 1-värin 8 välillä.
Kuten kuvassa 7c esitetään, kunkin kapillaarin yhdeksän värin elektroforegrammi kuvassa 7a muutettiin kahdeksan värin elektroferogrammiksi monikomponenttianalyysillä, joka perustui kuvion 7b kahdeksaan fluoresenssispektriin (katso lisätietoja kohdasta Lisämateriaalit).Koska kuvion 7a fluoresenssin spektraalista päällekkäisyyttä ei näytetä kuviossa 7c, Dye1-Dye8 voidaan tunnistaa ja kvantifioida yksitellen kullakin aikapisteellä, vaikka eri määrät Dye1-Dye8 fluoresoisivat samanaikaisesti.Tätä ei voida tehdä perinteisellä seitsemän värin tunnistuksella31, mutta se voidaan saavuttaa kehitetyllä yhdeksän värin ilmaisulla.Kuten nuolet Cap1 osoittavat kuvassa 7c, vain fluoresoiva emissio singletti Dye3 (sininen), Dye8 (punainen), Dye5 (vihreä), Dye4 (syaani), Dye2 (violetti), Dye1 (magenta) ja Dye6 (keltainen) ) havaitaan odotetussa kronologisessa järjestyksessä.Väriaineen 7 (oranssi) fluoresoivalle emissiolle havaittiin oranssin nuolen osoittaman yksittäisen piikin lisäksi useita muita yksittäisiä huippuja.Tämä tulos johtuu siitä, että näytteet sisälsivät kokostandardeja, Dye7-leimattuja DNA-fragmentteja, joilla oli eri emäspituus.Kuten kuvassa 7c esitetään, Cap4:lle nämä pohjan pituudet ovat 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214 ja 220 kantaa.
Kaksikerroksisten dikroisten peilien matriisin avulla kehitetyn yhdeksän värin spektrometrin pääominaisuudet ovat pieni koko ja yksinkertainen muotoilu.Koska dekakromaattisten peilien ryhmä sovittimen sisällä, joka näkyy kuvassa3c asennettuna suoraan kuvasensorilevyyn (katso kuva S1 ja S2), yhdeksänvärisellä spektrometrillä on samat mitat kuin sovittimella, eli 54 × 58 × 8,5 mm.(paksuus).Tämä erittäin pieni koko on kahdesta kolmeen suuruusluokkaa pienempi kuin perinteiset spektrometrit, joissa käytetään ritilöitä tai prismoja.Lisäksi, koska yhdeksän värin spektrometri on konfiguroitu siten, että valo osuu kuva-anturin pintaan kohtisuorasti, yhdeksän värin spektrometrille voidaan helposti varata tilaa järjestelmissä, kuten mikroskoopeissa, virtaussytometreissä tai analysaattoreissa.Kapillaarihilaelektroforeesianalysaattori järjestelmän entistä suurempaa miniatyrisointia varten.Samaan aikaan yhdeksänvärisessä spektrometrissä käytetyn kymmenen dikroisen peilin ja kaistanpäästösuodattimen koko on vain 10×1,9×0,5 mm tai 15×1,9×0,5 mm.Siten yli 100 tällaista pientä dikroista peiliä ja vastaavasti kaistanpäästösuodatinta voidaan leikata dikroisesta peilistä ja vastaavasti 60 mm2 kaistanpäästösuodattimesta.Siksi joukko dekakromaattisia peilejä voidaan valmistaa alhaisin kustannuksin.
Toinen yhdeksänvärisen spektrometrin ominaisuus on sen erinomaiset spektriominaisuudet.Erityisesti se mahdollistaa valokuvien spektrikuvien hankinnan, toisin sanoen kuvien samanaikaisen hankinnan spektritietojen kanssa.Jokaiselle kuvalle saatiin jatkuva spektri aallonpituusalueella 520 - 700 nm ja resoluutio 20 nm.Toisin sanoen jokaiselle kuvalle havaitaan yhdeksän valon värivoimakkuutta eli yhdeksän 20 nm:n kaistaa, jotka jakavat tasaisesti aallonpituusalueen 520-700 nm.Dikroisen peilin ja kaistanpäästösuodattimen spektriominaisuuksia muuttamalla voidaan säätää yhdeksän kaistan aallonpituusaluetta ja kunkin kaistan leveyttä.Yhdeksän värin ilmaisua voidaan käyttää paitsi fluoresenssimittauksiin spektrikuvauksella (kuten tässä raportissa on kuvattu), vaan myös moniin muihin yleisiin spektrikuvausta käyttäviin sovelluksiin.Vaikka hyperspektrisellä kuvantamisella voidaan havaita satoja värejä, on havaittu, että vaikka havaittavien värien määrä vähenee merkittävästi, useita kohteita näkökentässä voidaan tunnistaa riittävällä tarkkuudella moniin sovelluksiin38,39,40.Koska spatiaalinen resoluutio, spektriresoluutio ja ajallinen resoluutio ovat kompromisseja spektrikuvauksessa, värien määrän vähentäminen voi parantaa spatiaalista ja ajallista resoluutiota.Se voi myös käyttää tässä tutkimuksessa kehitetyn kaltaisia yksinkertaisia spektrometrejä ja vähentää laskennan määrää entisestään.
Tässä tutkimuksessa kahdeksan väriainetta kvantifioitiin samanaikaisesti niiden päällekkäisten fluoresenssispektrien spektrierottelulla, joka perustuu yhdeksän värin havaitsemiseen.Jopa yhdeksän väriainetta voidaan kvantifioida samanaikaisesti, ja ne esiintyvät rinnakkain ajassa ja tilassa.Yhdeksänvärisen spektrometrin erityinen etu on sen suuri valovirta ja suuri aukko (1 × 7 mm).Dekaanipeiliryhmän maksimiläpäisy on 92 % valosta aukosta kullakin yhdeksällä aallonpituusalueella.Tulevan valon käytön tehokkuus aallonpituusalueella 520-700 nm on lähes 100 %.Näin laajalla aallonpituusalueella mikään diffraktiohila ei voi tarjota näin suurta hyötysuhdetta.Vaikka diffraktiohilan diffraktiotehokkuus ylittää 90 % tietyllä aallonpituudella, tämän aallonpituuden ja tietyn aallonpituuden välisen eron kasvaessa diffraktiotehokkuus toisella aallonpituudella pienenee41.Kuvan 2c tason suuntaan nähden kohtisuorassa olevaa aukon leveyttä voidaan pidentää 7 mm:stä kuva-anturin leveyteen, kuten tässä tutkimuksessa käytetyn kuvasensorin tapauksessa, muokkaamalla hieman dekamer-matriisia.
Yhdeksänväristä spektrometriä voidaan käyttää paitsi kapillaarielektroforeesissa, kuten tässä tutkimuksessa on esitetty, myös moniin muihin tarkoituksiin.Esimerkiksi, kuten alla olevassa kuvassa näkyy, yhdeksän värin spektrometriä voidaan soveltaa fluoresenssimikroskooppiin.Näytteen taso näytetään yhdeksänvärisen spektrometrin kuva-anturilla 10x objektiivin läpi.Objektiivin ja kuva-anturin välinen optinen etäisyys on 200 mm, kun taas yhdeksänvärisen spektrometrin ja kuva-anturin tulevan pinnan välinen optinen etäisyys on vain 12 mm.Siksi kuva leikattiin noin aukon kokoiseksi (1 × 7 mm) tulotasossa ja jaettiin yhdeksään värikuvaan.Toisin sanoen yhdeksänvärisen tilannekuvan spektrikuva voidaan ottaa 0,1 × 0,7 mm:n alueelta näytetasossa.Lisäksi on mahdollista saada yhdeksänvärinen spektrikuva suuremmalta alueelta näytetasolla skannaamalla näytettä suhteessa objektiiviin vaakasuunnassa kuvassa 2c.
Dekakromaattiset peiliryhmän komponentit, nimittäin M1-M9 ja BP, valmistivat Asahi Spectra Co., Ltd. mittatilaustyönä tavanomaisia saostusmenetelmiä käyttäen.Monikerroksisia dielektrisiä materiaaleja levitettiin yksitellen kymmenelle kooltaan 60 × 60 mm ja 0,5 mm paksulle kvartsilevylle, jotka täyttivät seuraavat vaatimukset: M1: IA = 45°, R ≥ 90 % aallonpituudella 520–590 nm, Tave ≥ 90 % aallonpituudella 610– 610 nm.700 nm, M2: IA = 45°, R ≥ 90 % aallonpituudella 520–530 nm, Tave ≥ 90 % aallonpituudella 550–600 nm, M3: IA = 45°, R ≥ 90 % aallonpituudella 540–550 nm, Tave ≥ 90 % 570–600 nm:ssä, M4: IA = 45°, R ≥ 90 % 560–570 nm:ssä, Tave ≥ 90 % aallonpituudella 590–600 nm, M5: IA = 45°, R ≥ 98 % aallonpituudella 580–600 , R ≥ 98 % aallonpituudella 680–700 nm, M6: IA = 45°, Tave ≥ 90 % aallonpituudella 600–610 nm, R ≥ 90 % aallonpituudella 630–700 nm, M7: IA = 45°, R ≥ 90 % 620–630 nm, Taw ≥ 90 % aallonpituudella 650–700 nm, M8: IA = 45°, R ≥ 90 % aallonpituudella 640–650 nm, Taw ≥ 90 % aallonpituudella 670–700 nm, M9: IA = 45°, R = . ≥ 90 % aallonpituudella 650-670 nm, Tave ≥ 90 % aallonpituudella 690-700 nm, BP: IA = 0°, T ≤ 0,01 % aallonpituudella 505 nm, Tave ≥ 95 % aallonpituudella 530-690 % nm 930 nm:ssä -690 nm:ssä ja T < 1 % aallonpituudella 725-750 nm, missä IA, T, Tave ja R ovat tulokulma, läpäisykyky, keskimääräinen läpäisykyky ja polaroimattoman valon heijastuskyky.
LED-valonlähteen (AS 3000, AS ONE CORPORATION) lähettämä valkoinen valo (C0), jonka aallonpituusalue on 400–750 nm, kollimoitui ja osui pystysuoraan dikroisten peilien DP:hen.LEDien valkoisen valon spektri on esitetty lisäkuvassa S3.Aseta akryylisäiliö (mitat 150 × 150 × 30 mm) suoraan kameran peilijärjestelmän eteen, virtalähdettä vastapäätä.Savu, joka muodostui, kun kuivajää upotettiin veteen, kaadettiin akryylisäiliöön tarkkailemaan yhdeksänvärisiä C1-C9-halkeamia virtoja, jotka tulevat dekakromaattisten peilien ryhmästä.
Vaihtoehtoisesti kollimoitu valkoinen valo (CO) johdetaan suodattimen läpi ennen kuin se menee DP:hen.Suodattimet olivat alun perin neutraalitiheyssuodattimia, joiden optinen tiheys oli 0,6.Käytä sitten moottoroitua suodatinta (FW212C, FW212C, Thorlabs).Kytke lopuksi ND-suodatin takaisin päälle.Yhdeksän kaistanpäästösuodattimen kaistanleveydet vastaavat vastaavasti C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 ja C1.Kvartsikenno, jonka sisäiset mitat olivat 40 (optinen pituus) x 42,5 (korkeus) x 10 mm (leveys), asetettiin dekokromaattisten peilien eteen, vastapäätä BP:tä.Savu syötetään sitten putken kautta kvartsikennoon savun pitoisuuden ylläpitämiseksi kvartsikennossa, jotta voidaan visualisoida yhdeksänväriset C1-C9-jaetut virrat, jotka tulevat dekakromaattisesta peiliryhmästä.
Video yhdeksänvärisestä jaetusta valovirrasta, joka lähtee joukosta dekaanisia peilejä, tallennettiin time-lapse-tilassa iPhone XS:llä.Ota kuvia kohtauksesta nopeudella 1 fps ja kokoa kuvat videon luomiseksi nopeudella 30 fps (valinnainen video 1) tai 24 fps (valinnainen video 2 ja 3).
Aseta 50 µm paksu ruostumaton teräslevy (jossa on neljä halkaisijaltaan 50 µm reikää 1 mm välein) diffuusiolevylle.Valoa, jonka aallonpituus on 400-750 nm, säteilytetään diffuusorilevylle, joka saadaan johtamalla valo halogeenilampusta lyhyen läpäisysuodattimen läpi, jonka aallonpituus on 700 nm.Valospektri on esitetty lisäkuvassa S4.Vaihtoehtoisesti valo kulkee myös yhden 10 nm:n kaistanpäästösuodattimista, joiden keskipiste on 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 ja 690 nm, ja osuu diffuusorilevyyn.Tuloksena neljä säteilypistettä, joiden halkaisija oli φ50 μm ja eri aallonpituudet, muodostui ruostumattomasta teräslevystä diffuusorilevyä vastapäätä.
Neljän kapillaarin ryhmä, jossa on neljä linssiä, on asennettu yhdeksänväriseen spektrometriin kuvien 1 ja 2 mukaisesti. C1 ja C2.Neljä kapillaaria ja neljä linssiä olivat samat kuin aiemmissa tutkimuksissa31,34.Lasersäde, jonka aallonpituus on 505 nm ja teho 15 mW, säteilytetään samanaikaisesti ja tasaisesti sivulta neljän kapillaarin emissiopisteisiin.Kunkin emissiopisteen lähettämä fluoresenssi kollimoidaan vastaavalla linssillä ja erotetaan yhdeksään värivirtaan joukolla dekakromaattisia peilejä.Tuloksena saadut 36 virtaa injektoitiin sitten suoraan CMOS-kuvakennoon (C11440–52U, Hamamatsu Photonics K·K.), ja niiden kuvat tallennettiin samanaikaisesti.
ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit (Applied Biosystems), 4 µl GeneScan™ 600 LIZ™ -väriainetta sekoitettiin jokaista kapillaaria varten sekoittamalla 1 µl PowerPlex® 6C Matrix Standardia (Promega Corporation), 1 µl sekoituskokostandardia.v2.0 (Thermo Fisher Scientific) ja 14 µl vettä.PowerPlex® 6C Matrix Standard koostuu kuudesta DNA-fragmentista, jotka on leimattu kuudella väriaineella: FL-6C, JOE-6C, TMR-6C, CXR-6C, TOM-6C ja WEN, maksimiaallonpituuden mukaisessa järjestyksessä.Näiden DNA-fragmenttien emäspituuksia ei julkisteta, mutta WEN-, CXR-6C-, TMR-6C-, JOE-6C-, FL-6C- ja TOM-6C-leimattujen DNA-fragmenttien emäspituussekvenssi tunnetaan.ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kitin seos sisältää DNA-fragmentin, joka on leimattu dR6G-väriaineella.DNA-fragmenttien emästen pituuksia ei myöskään julkisteta.GeneScan™ 600 LIZ™ Dye Size Standard v2.0 sisältää 36 LIZ-leimattua DNA-fragmenttia.Näiden DNA-fragmenttien emäspituudet ovat 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214, 220, 240, 250, 260, 280, 300, 331400. 360, 380, 400, 414, 420, 440, 460, 480, 500, 514, 520, 540, 560, 580 ja 600.Näytteitä denaturoitiin 94 °C:ssa 3 minuuttia, sitten jäähdytettiin jäillä 5 minuuttia.Näytteet injektoitiin kuhunkin kapillaariin 26 V/cm 9 sekunnin ajan ja erotettiin jokaiseen kapillaariin, joka oli täytetty POP-7™-polymeeriliuoksella (Thermo Fisher Scientific), jonka tehollinen pituus oli 36 cm ja jännite 181 V/cm ja kulma 60°.FROM.
Kaikki tämän tutkimuksen aikana saadut tai analysoidut tiedot sisältyvät tähän julkaistuun artikkeliin ja sen lisätietoihin.Muut tähän tutkimukseen liittyvät tiedot ovat saatavilla vastaavilta kirjoittajilta kohtuullisesta pyynnöstä.
Khan, MJ, Khan, HS, Yousaf, A., Khurshid, K. ja Abbas, A. Nykyiset suuntaukset hyperspektrisessä kuvantamisanalyysissä: katsaus.Käytä IEEE 6, 14118–14129.https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2812999 (2018).
Vaughan, AH Astronomical Interferometric Fabry-Perot Spectroscopy.Asentaa.Pastori Astron.astrofysiikka.5, 139-167.https://doi.org/10.1146/annurev.aa.05.090167.001035 (1967).
Goetz, AFH, Wein, G., Solomon, JE ja Rock, BN Spektroskopia Maan kaukokartoituskuvista.Science 228, 1147–1153.https://doi.org/10.1126/science.228.4704.1147 (1985).
Yokoya, N., Grohnfeldt, C. ja Chanussot, J. Hyperspektrisen ja multispektrisen datan fuusio: viimeaikaisten julkaisujen vertaileva katsaus.IEEE Earth Sciences.Kaukokartoituksen päiväkirja.5:29–56.https://doi.org/10.1109/MGRS.2016.2637824 (2017).
Gowen, AA, O'Donnell, SP, Cullen, PJ, Downey, G. ja Frias, JM Hyperspektraalinen kuvantaminen on uusi analyyttinen työkalu laadunvalvontaan ja elintarviketurvallisuuteen.Ruokatieteen trendit.teknologiaa.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. Viimeaikaiset monispektrisen kuvantamisen sovellukset siementen fenotyypin ja laadun seurantaan – katsaus.Anturit 19, 1090 (2019).
Liang, H. Advances in Multispectral and Hyperspectral Imaging for Archeology and Art Preservation.Hae fyysistä numeroa 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 Hyperspektrikuvaus rikosteknisten jälkien kosketuksettomaan analysointiin.Kriminalistiikka.sisäinen 223, 28-39.https://doi.org/10.1016/j.forscint.2012.09.012 (2012).
Postitusaika: 10.1.2023