nerezová oceľ 321 8*1,2 vinutá rúrka pre výmenník tepla

Kapilárne rúrky

Ďakujeme, že ste navštívili Nature.com.Používate verziu prehliadača s obmedzenou podporou CSS.Pre najlepší zážitok vám odporúčame použiť aktualizovaný prehliadač (alebo vypnúť režim kompatibility v programe Internet Explorer).Okrem toho, aby sme zabezpečili nepretržitú podporu, zobrazujeme stránku bez štýlov a JavaScriptu.
Zobrazuje karusel troch snímok naraz.Pomocou tlačidiel Predchádzajúci a Ďalší sa môžete pohybovať po troch snímkach naraz alebo pomocou posúvacích tlačidiel na konci môžete prechádzať tromi snímkami naraz.
Bol vyvinutý ultrakompaktný (54 × 58 × 8,5 mm) a širokouhlý (1 × 7 mm) deväťfarebný spektrometer „rozdelený na dve časti“ sústavou desiatich dichroických zrkadiel, ktorý sa používal na okamžité spektrálne zobrazovanie.Dopadajúci svetelný tok s prierezom menším ako je veľkosť otvoru je rozdelený na súvislý pás široký 20 nm a deväť farebných tokov s centrálnymi vlnovými dĺžkami 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 a 690 nm.Obrazový snímač súčasne efektívne meria obrazy deviatich farebných prúdov.Na rozdiel od konvenčných dichroických zrkadlových polí má vyvinuté dichroické zrkadlové pole jedinečnú dvojdielnu konfiguráciu, ktorá nielen zvyšuje počet farieb, ktoré je možné merať súčasne, ale tiež zlepšuje rozlíšenie obrazu pre každý farebný prúd.Vyvinutý deväťfarebný spektrometer sa používa na štvorkapilárnu elektroforézu.Simultánna kvantitatívna analýza ôsmich farbív migrujúcich súčasne v každej kapiláre pomocou deväťfarebnej laserom indukovanej fluorescencie.Keďže deväťfarebný spektrometer je nielen ultra malý a lacný, ale má aj vysoký svetelný tok a dostatočné spektrálne rozlíšenie pre väčšinu aplikácií spektrálneho zobrazovania, môže byť široko používaný v rôznych oblastiach.
Hyperspektrálne a multispektrálne zobrazovanie sa stalo dôležitou súčasťou astronómie2, diaľkového prieskumu Zeme3,4, kontroly kvality potravín a vody5,6, ochrany umenia a archeológie7, forenznej8, chirurgie9, biomedicínskej analýzy a diagnostiky10,11 atď. Oblasť 1 Nevyhnutná technológia ,12,13.Metódy merania spektra svetla vyžarovaného každým bodom vyžarovania v zornom poli sa delia na (1) bodové skenovanie („metla“)14,15, (2) lineárne skenovanie („panicle“)16,17,18 , (3) dĺžka skenuje vlny19,20,21 a (4) obrázky22,23,24,25.V prípade všetkých týchto metód majú priestorové rozlíšenie, spektrálne rozlíšenie a časové rozlíšenie kompromisný vzťah9,10,12,26.Okrem toho má svetelný výkon významný vplyv na citlivosť, tj pomer signálu k šumu pri spektrálnom zobrazovaní26.Svetelný tok, teda účinnosť využitia svetla, je priamo úmerný pomeru skutočne nameraného množstva svetla každého svetelného bodu za jednotku času k celkovému množstvu svetla meraného rozsahu vlnových dĺžok.Kategória (4) je vhodnou metódou, keď sa intenzita alebo spektrum svetla vyžarovaného každým vyžarovacím bodom mení s časom alebo ak sa poloha každého vyžarovacieho bodu mení s časom, pretože spektrum svetla vyžarovaného všetkými vyžarovacími bodmi sa meria súčasne.24.
Väčšina vyššie uvedených metód je kombinovaná s veľkými, zložitými a/alebo drahými spektrometrami s použitím 18 mriežok alebo 14, 16, 22, 23 hranolov pre triedy (1), (2) a (4) alebo 20, 21 filtračných kotúčov, kvapalinových filtrov .Kryštalické laditeľné filtre (LCTF)25 alebo akusticko-optické laditeľné filtre (AOTF)19 kategórie (3).Naproti tomu multizrkadlové spektrometre kategórie (4) sú malé a lacné vďaka svojej jednoduchej konfigurácii27,28,29,30.Okrem toho majú vysoký svetelný tok, pretože svetlo zdieľané každým dichroickým zrkadlom (teda prenesené a odrazené svetlo dopadajúceho svetla na každé dichroické zrkadlo) sa plne a nepretržite využíva.Avšak počet pásiem vlnových dĺžok (tj farieb), ktoré sa musia merať súčasne, je obmedzený na približne štyri.
Spektrálne zobrazovanie založené na fluorescenčnej detekcii sa bežne používa na multiplexnú analýzu v biomedicínskej detekcii a diagnostike 10, 13 .Pri multiplexovaní, keďže viaceré analyty (napr. špecifická DNA alebo proteíny) sú označené rôznymi fluorescenčnými farbivami, každý analyt prítomný v každom emisnom bode v zornom poli sa kvantifikuje pomocou viaczložkovej analýzy.32 rozdeľuje detekované fluorescenčné spektrum emitované každým emisným bodom.Počas tohto procesu sa môžu rôzne farbivá, z ktorých každé vyžaruje inú fluorescenciu, kolokalizovať, to znamená koexistovať v priestore a čase.V súčasnosti je maximálny počet farbív, ktoré je možné vybudiť jediným laserovým lúčom, osem33.Táto horná hranica nie je určená spektrálnym rozlíšením (tj počtom farieb), ale šírkou fluorescenčného spektra (≥50 nm) a množstvom Stokesovho posunu farbiva (≤200 nm) pri FRET (pomocou FRET)10 .Počet farieb však musí byť väčší alebo rovný počtu farbív, aby sa eliminovalo spektrálne prekrývanie zmiešaných farbív31,32.Preto je potrebné zvýšiť počet súčasne meraných farieb na osem a viac.
Nedávno bol vyvinutý ultrakompaktný heptachroický spektrometer (používajúci pole heptychroických zrkadiel a obrazový senzor na meranie štyroch fluorescenčných tokov).Spektrometer je o dva až tri rády menší ako bežné spektrometre využívajúce mriežky alebo hranoly34,35.Je však ťažké umiestniť do spektrometra viac ako sedem dichroických zrkadiel a súčasne merať viac ako sedem farieb36,37.S nárastom počtu dichroických zrkadiel sa zväčšuje maximálny rozdiel v dĺžkach optických dráh dichroických svetelných tokov a je ťažké zobraziť všetky svetelné toky na jednej zmyslovej rovine.Zväčšuje sa aj najdlhšia dĺžka optickej dráhy svetelného toku, takže sa zmenšuje šírka otvoru spektrometra (tj maximálna šírka svetla analyzovaného spektrometrom).
V reakcii na vyššie uvedené problémy bol vyvinutý ultrakompaktný deväťfarebný spektrometer s dvojvrstvovým „dichroickým“ dekachromatickým zrkadlovým poľom a obrazovým snímačom na okamžité spektrálne zobrazovanie [kategória (4)].V porovnaní s predchádzajúcimi spektrometrami má vyvinutý spektrometer menší rozdiel v maximálnej dĺžke optickej dráhy a menšiu maximálnu dĺžku optickej dráhy.Bol aplikovaný na štvorkapilárnu elektroforézu na detekciu laserom indukovanej deväťfarebnej fluorescencie a na kvantifikáciu súčasnej migrácie ôsmich farbív v každej kapiláre.Keďže vyvinutý spektrometer je nielen ultra malý a lacný, ale má aj vysoký svetelný tok a dostatočné spektrálne rozlíšenie pre väčšinu aplikácií spektrálneho zobrazovania, môže byť široko používaný v rôznych oblastiach.
Tradičný deväťfarebný spektrometer je znázornený na obr.1a.Jeho dizajn nadväzuje na predchádzajúci ultramalý sedemfarebný spektrometer 31. Pozostáva z deviatich dichroických zrkadiel usporiadaných horizontálne pod uhlom 45° doprava a obrazový snímač (S) je umiestnený nad deviatimi dichroickými zrkadlami.Svetlo vstupujúce zdola (C0) je rozdelené sústavou deviatich dichroických zrkadiel do deviatich svetelných tokov smerujúcich nahor (C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 a C9).Všetkých deväť farebných prúdov je privádzaných priamo do obrazového snímača a sú detekované súčasne.V tejto štúdii sú C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 a C9 v poradí podľa vlnovej dĺžky a sú reprezentované purpurovou, fialovou, modrou, azúrovou, zelenou, žltou, oranžovou, červeno-oranžovou a červená, resp.Hoci sa tieto farebné označenia v tomto dokumente používajú, ako je znázornené na obrázku 3, pretože sa líšia od skutočných farieb, ktoré vidí ľudské oko.
Schematické diagramy konvenčných a nových deväťfarebných spektrometrov.a) Konvenčný deväťfarebný spektrometer so sústavou deviatich dichroických zrkadiel.(b) Nový deväťfarebný spektrometer s dvojvrstvovým dichroickým zrkadlovým poľom.Dopadajúci svetelný tok C0 je rozdelený do deviatich farebných svetelných tokov C1-C9 a detekovaný obrazovým snímačom S.
Vyvinutý nový deväťfarebný spektrometer má dvojvrstvovú dichroickú zrkadlovú mriežku a obrazový snímač, ako je znázornené na obr. 1b.V nižšej vrstve je päť dichroických zrkadiel naklonených o 45° doprava, zarovnaných doprava od stredu poľa dekamerov.Na najvyššej úrovni je päť prídavných dichroických zrkadiel naklonených o 45° doľava a umiestnených od stredu doľava.Najľavejšie dichroické zrkadlo spodnej vrstvy a najpravejšie dichroické zrkadlo hornej vrstvy sa navzájom prekrývajú.Dopadajúci svetelný tok (C0) je zdola rozdelený na štyri vystupujúce chromatické toky (C1-C4) piatimi dichroickými zrkadlami vpravo a päť vychádzajúcich chromatických tokov (C5-C4) piatimi dichroickými zrkadlami vľavo C9).Rovnako ako bežné deväťfarebné spektrometre sa všetkých deväť farebných prúdov priamo vstrekuje do obrazového snímača (S) a deteguje sa súčasne.Pri porovnaní obrázkov 1a a 1b je možné vidieť, že v prípade nového deväťfarebného spektrometra je maximálny rozdiel aj najdlhšia dĺžka optickej dráhy deviatich farebných tokov polovičná.
Detailná konštrukcia ultra-malého dvojvrstvového dichroického poľa zrkadiel 29 mm (šírka) × 31 mm (hĺbka) × 6 mm (výška) je znázornená na obrázku 2. Pole desiatkových dichroických zrkadiel pozostáva z piatich dichroických zrkadiel vpravo (M1-M5) a päť dichroických zrkadiel vľavo (M6-M9 a ďalšie M5), každé dichroické zrkadlo je upevnené v hornej hliníkovej konzole.Všetky dichroické zrkadlá sú usporiadané, aby sa kompenzovalo paralelné posunutie spôsobené lomom toku cez zrkadlá.Pod M1 je pevný pásmový filter (BP).Rozmery M1 a BP sú 10 mm (dlhá strana) x 1,9 mm (krátka strana) x 0,5 mm (hrúbka).Rozmery zostávajúcich dichroických zrkadiel sú 15 mm × 1,9 mm × 0,5 mm.Rozstup matrice medzi M1 a M2 je 1,7 mm, zatiaľ čo rozstup matrice ostatných dichroických zrkadiel je 1,6 mm.Na obr.2c kombinuje dopadajúci svetelný tok C0 a deväť farebných svetelných tokov C1-C9, oddelených dekomorovou matricou zrkadiel.
Konštrukcia dvojvrstvovej dichroickej zrkadlovej matrice.(a) Perspektívny pohľad a (b) pohľad v reze na dvojvrstvové dichroické zrkadlové pole (rozmery 29 mm x 31 mm x 6 mm).Pozostáva z piatich dichroických zrkadiel (M1-M5) umiestnených v spodnej vrstve, piatich dichroických zrkadiel (M6-M9 a ďalšie M5) umiestnených v hornej vrstve a pásmového filtra (BP) umiestneného pod M1.(c) Pohľad v reze vo vertikálnom smere s prekrytím C0 a C1-C9.
Šírka otvoru v horizontálnom smere, označená šírkou C0 na obr. 2, c, je 1 mm a v smere kolmom na rovinu obr. 2, c, daná konštrukciou hliníkovej konzoly, – 7 mm.To znamená, že nový deväťfarebný spektrometer má veľkú veľkosť otvoru 1 mm × 7 mm.Optická dráha C4 je najdlhšia medzi C1-C9 a optická dráha C4 vo vnútri dichroického zrkadlového poľa je vďaka vyššie uvedenej ultra malej veľkosti (29 mm × 31 mm × 6 mm) 12 mm.Zároveň je dĺžka optickej dráhy C5 najkratšia spomedzi C1-C9 a dĺžka optickej dráhy C5 je 5,7 mm.Preto je maximálny rozdiel v dĺžke optickej dráhy 6,3 mm.Vyššie uvedené dĺžky optickej dráhy sú korigované na dĺžku optickej dráhy pre optický prenos M1-M9 a BP (z kremeňa).
Spektrálne vlastnosti М1−М9 a VR sa vypočítajú tak, že toky С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8 a С9 sú v rozsahu vlnových dĺžok 520–540, 540–560, 500,560. –600 , 600–620, 620–640, 640–660, 660–680 a 680–700 nm.
Fotografia vyrobenej matrice dekachromatických zrkadiel je na obr. 3a.M1-M9 a BP sú prilepené k 45° sklonu a horizontálnej rovine hliníkovej podpery, zatiaľ čo M1 a BP sú skryté na zadnej strane obrázku.
Výroba radu dekanových zrkadiel a jej demonštrácia.a) Súbor vyrobených dekachromatických zrkadiel.b) Deväťfarebný rozdelený obraz s rozmermi 1 mm × 7 mm premietnutý na list papiera umiestnený pred radom dekachromatických zrkadiel a podsvietený bielym svetlom.c) Súbor dekochromatických zrkadiel osvetlených zozadu bielym svetlom.(d) Deväťfarebný deliaci prúd vychádzajúci z dekánového zrkadlového poľa, pozorovaný umiestnením dymom naplnenej akrylovej nádoby pred dekánové zrkadlové pole v c a zatemnením miestnosti.
Namerané transmisné spektrá M1-M9 C0 pri uhle dopadu 45° a namerané transmisné spektrum BP CO pri uhle dopadu 0° sú znázornené na obr.4a.Transmisné spektrá C1-C9 vzhľadom na CO sú znázornené na obr.4b.Tieto spektrá boli vypočítané zo spektier na obr.4a v súlade s optickou dráhou C1-C9 na obr. 4a.1b a 2c.Napríklad 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)], kde TS(X) a [ 1 − TS(X)] sú transmisné a reflexné spektrá X, v tomto poradí.Ako je znázornené na obrázku 4b, šírky pásma (šírka pásma ≥ 50 %) C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 a C9 sú 521-540, 541-562, 563-580, 581-602, 603 -623, 624-641, 642-657, 659-680 a 682-699 nm.Tieto výsledky sú v súlade s vyvinutými rozsahmi.Okrem toho je účinnosť využitia svetla C0 vysoká, to znamená, že priemerná maximálna priepustnosť svetla C1-C9 je 92%.
Prenosové spektrá dichroického zrkadla a rozdeleného deväťfarebného toku.(a) Namerané transmisné spektrá M1-M9 pri dopade 45° a BP pri dopade 0°.(b) Transmisné spektrá C1 – C9 vo vzťahu k C0 vypočítané z (a).
Na obr.3c je pole dichroických zrkadiel umiestnené vertikálne, takže jeho pravá strana na obr. 3a je horná strana a biely lúč kolimovanej LED (C0) je podsvietený.Zostava dekachromatických zrkadiel znázornená na obrázku 3a je namontovaná v adaptéri 54 mm (výška) × 58 mm (hĺbka) × 8,5 mm (hrúbka).Na obr.3d, okrem stavu znázorneného na obr.3c bola akrylová nádrž naplnená dymom umiestnená pred radom dekochromatických zrkadiel, pričom svetlá v miestnosti boli vypnuté.Výsledkom je, že v nádrži je viditeľných deväť dichroických prúdov, ktoré vychádzajú z radu dekachromatických zrkadiel.Každý delený prúd má obdĺžnikový prierez s rozmermi 1 × 7 mm, čo zodpovedá veľkosti otvoru nového deväťfarebného spektrometra.Na obrázku 3b je list papiera umiestnený pred radom dichroických zrkadiel na obrázku 3c a zo smeru pohybu papiera je pozorovaný obraz 1 x 7 mm deviatich dichroických prúdov premietaných na papier.tokov.Deväť prúdov separácie farieb na obr.3b a d sú C4, C3, C2, C1, C5, C6, C7, C8 a C9 zhora nadol, čo je tiež možné vidieť na obrázkoch 1 a 2. 1b a 2c.Sú pozorované vo farbách zodpovedajúcich ich vlnovým dĺžkam.V dôsledku nízkej intenzity bieleho svetla LED (pozri doplnkový obrázok S3) a citlivosti farebnej kamery použitej na zachytenie C9 (682–699 nm) na obr. Iné deliace toky sú slabé.Podobne C9 bol slabo viditeľný voľným okom.Medzitým C2 (druhý prúd zhora) vyzerá na obrázku 3 zelený, ale voľným okom vyzerá viac žltý.
Prechod z obrázku 3c do d je znázornený v doplnkovom videu 1. Ihneď po prechode bieleho svetla z LED cez dekachromatické zrkadlové pole sa rozdelí súčasne do deviatich farebných prúdov.Nakoniec sa dym v kade postupne rozplynul zhora nadol, takže zhora nadol zmizlo aj deväť farebných práškov.Naopak, v doplnkovom videu 2, keď sa vlnová dĺžka svetelného toku dopadajúceho na pole dekachromatických zrkadiel zmenila z dlhej na krátku v poradí 690, 671, 650, 632, 610, 589, 568, 550 a 532 nm ., Zobrazia sa len zodpovedajúce rozdelené toky deviatich rozdelených tokov v poradí C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 a C1.Akrylátový zásobník je nahradený kremenným bazénom a vločky každého posunutého toku možno jasne pozorovať zo šikmého smeru nahor.Okrem toho sa sub-video 3 upraví tak, že sa prehrá časť so zmenou vlnovej dĺžky sub-video 2.Toto je najvýrečnejšie vyjadrenie charakteristík dekochromatického poľa zrkadiel.
Vyššie uvedené výsledky ukazujú, že vyrobené dekachromatické zrkadlové pole alebo nový deväťfarebný spektrometer funguje podľa plánu.Nový deväťfarebný spektrometer je vytvorený namontovaním radu dekachromatických zrkadiel s adaptérmi priamo na dosku obrazového snímača.
Svetelný tok s rozsahom vlnových dĺžok od 400 do 750 nm, vyžarovaný štyrmi bodmi žiarenia φ50 μm, umiestnenými v 1 mm intervaloch v smere kolmom na rovinu obr. 2c, resp. Researches 31, 34. Štvoršošovkové pole pozostáva z štyri šošovky φ1 mm s ohniskovou vzdialenosťou 1,4 mm a rozstupom 1 mm.Štyri kolimované prúdy (štyri C0) dopadajú na DP nového deväťfarebného spektrometra, rozmiestnené v intervaloch 1 mm.Pole dichroických zrkadiel rozdeľuje každý prúd (C0) do deviatich farebných prúdov (C1-C9).Výsledných 36 prúdov (štyri sady C1-C9) sa potom vstrekuje priamo do obrazového snímača CMOS (S) priamo pripojeného k sústave dichroických zrkadiel.Ako výsledok, ako je znázornené na obr. 5a, v dôsledku malého rozdielu maximálnej optickej dráhy a krátkej maximálnej optickej dráhy boli obrazy všetkých 36 prúdov detegované súčasne a jasne s rovnakou veľkosťou.Podľa downstream spektier (pozri doplnkový obrázok S4) je intenzita obrazu štyroch skupín C1, C2 a C3 relatívne nízka.Tridsaťšesť obrázkov malo veľkosť 0,57 ± 0,05 mm (priemer ± SD).Zväčšenie obrazu bolo teda v priemere 11,4.Vertikálna vzdialenosť medzi obrázkami je v priemere 1 mm (rovnaká vzdialenosť ako pole šošoviek) a horizontálna vzdialenosť je v priemere 1,6 mm (rovnaká vzdialenosť ako pole dichroických zrkadiel).Pretože veľkosť obrázka je oveľa menšia ako vzdialenosť medzi obrázkami, každý obrázok možno merať nezávisle (s nízkym presluchom).Medzitým obrázky dvadsiatich ôsmich prúdov zaznamenaných konvenčným sedemfarebným spektrometrom použitým v našej predchádzajúcej štúdii sú znázornené na obr. 5 B. Pole siedmich dichroických zrkadiel bolo vytvorené odstránením dvoch dichroických zrkadiel úplne vpravo z poľa deviatich dichroických zrkadiel. zrkadlá na obrázku 1a.Nie všetky obrázky sú ostré, veľkosť obrázka sa zvyšuje z C1 na C7.Dvadsaťosem obrázkov má veľkosť 0,70 ± 0,19 mm.Preto je ťažké udržať vysoké rozlíšenie vo všetkých obrázkoch.Variačný koeficient (CV) pre veľkosť obrázka 28 na obrázku 5b bol 28 %, zatiaľ čo CV pre veľkosť obrázka 36 na obrázku 5a sa znížil na 9 %.Vyššie uvedené výsledky ukazujú, že nový deväťfarebný spektrometer nielenže zvyšuje počet súčasne meraných farieb zo siedmich na deväť, ale má aj vysoké rozlíšenie obrazu pre každú farbu.
Porovnanie kvality rozdeleného obrazu tvoreného konvenčnými a novými spektrometrami.(a) Štyri skupiny deväťfarebne oddelených obrazov (C1-C9) generovaných novým deväťfarebným spektrometrom.(b) Štyri sady sedemfarebne oddelených obrazov (C1-C7) vytvorených konvenčným sedemfarebným spektrometrom.Toky (C0) s vlnovými dĺžkami od 400 do 750 nm zo štyroch emisných bodov sú kolimované a dopadajúce na každý spektrometer.
Spektrálne charakteristiky deväťfarebného spektrometra boli vyhodnotené experimentálne a výsledky vyhodnotenia sú uvedené na obrázku 6. Všimnite si, že obrázok 6a ukazuje rovnaké výsledky ako obrázok 5a, tj pri vlnových dĺžkach 4 C0 400–750 nm je detekovaných všetkých 36 obrázkov (4 skupiny C1–C9).Naopak, ako je znázornené na obr. 6b–j, keď má každý C0 špecifickú vlnovú dĺžku 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 alebo 690 nm, existujú takmer iba štyri zodpovedajúce obrázky (štyri detegované skupiny C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 alebo C9).Niektoré zo snímok susediacich so štyrmi zodpovedajúcimi snímkami sú však detegované veľmi slabo, pretože spektrá prenosu C1–C9 zobrazené na obr. 4b sa mierne prekrývajú a každý C0 má pásmo 10 nm pri špecifickej vlnovej dĺžke, ako je opísané v metóde.Tieto výsledky sú konzistentné s C1-C9 transmisnými spektrami znázornenými na obr.4b a doplnkové videá 2 a 3. Inými slovami, deväťfarebný spektrometer funguje podľa očakávaní na základe výsledkov znázornených na obr.4b.Preto sa dospelo k záveru, že distribúcia intenzity obrazu C1-C9 je spektrum každého C0.
Spektrálne charakteristiky deväťfarebného spektrometra.Nový deväťfarebný spektrometer generuje štyri sady deväťfarebne oddelených obrazov (C1-C9), keď dopadajúce svetlo (štyri C0) má vlnovú dĺžku (a) 400-750 nm (ako je znázornené na obrázku 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, resp.
Vyvinutý deväťfarebný spektrometer sa použil na štvorkapilárnu elektroforézu (podrobnosti pozri v Doplnkových materiáloch)31,34,35.Štvorkapilárna matrica pozostáva zo štyroch kapilár (vonkajší priemer 360 μm a vnútorný priemer 50 μm) umiestnených v 1 mm intervaloch v mieste laserového ožiarenia.Vzorky obsahujúce fragmenty DNA značené 8 farbivami, a to FL-6C (farbivo 1), JOE-6C (farbivo 2), dR6G (farbivo 3), TMR-6C (farbivo 4), CXR-6C (farbivo 5), TOM- 6C (farbivo 6), LIZ (farbivo 7) a WEN (farbivo 8) vo vzostupnom poradí fluorescenčnej vlnovej dĺžky, oddelené v každej zo štyroch kapilár (ďalej označované ako Cap1, Cap2, Cap3 a Cap4).Laserom indukovaná fluorescencia z Cap1-Cap4 bola kolimovaná s radom štyroch šošoviek a súčasne zaznamenaná pomocou deväťfarebného spektrometra.Dynamika intenzity deväťfarebnej (C1-C9) fluorescencie počas elektroforézy, to znamená deväťfarebný elektroforegram každej kapiláry, je znázornená na obr. 7a.Ekvivalentný deväťfarebný elektroforegram sa získa v Cap1-Cap4.Ako je naznačené šípkami Cap1 na obrázku 7a, osem píkov na každom deväťfarebnom elektroforegrame ukazuje jednu fluorescenčnú emisiu z Dye1-Dye8.
Súčasná kvantifikácia ôsmich farbív pomocou deväťfarebného štvorkapilárneho elektroforézneho spektrometra.(a) Deväťfarebný (C1-C9) elektroforegram každej kapiláry.Osem píkov označených šípkami Cap1 ukazuje jednotlivé fluorescenčné emisie ôsmich farbív (Dye1-Dye8).Farby šípok zodpovedajú farbám (b) a (c).(b) Fluorescenčné spektrá ôsmich farbív (Dye1-Dye8) na kapiláru.c Elektroferogramy ôsmich farbív (Dye1-Dye8) na kapiláru.Vrcholy fragmentov DNA značených Dye7 sú označené šípkami a sú označené dĺžky ich báz Cap4.
Distribúcie intenzity C1 – C9 na ôsmich vrcholoch sú znázornené na obr.7b.Pretože C1-C9 aj Dye1-Dye8 sú v poradí vlnových dĺžok, osem distribúcií na Obr. 7b ukazuje fluorescenčné spektrá Dye1-Dye8 postupne zľava doprava.V tejto štúdii sa Dye1, Dye2, Dye3, Dye4, Dye5, Dye6, Dye7 a Dye8 objavujú v purpurovej, fialovej, modrej, azúrovej, zelenej, žltej, oranžovej a červenej farbe.Všimnite si, že farby šípok na obr. 7a zodpovedajú farbám farbiva na obr. 7b.Intenzity fluorescencie C1-C9 pre každé spektrum na obrázku 7b boli normalizované tak, že ich súčet sa rovná jednej.Osem ekvivalentných fluorescenčných spektier sa získalo z Cap1-Cap4.Je možné jasne pozorovať spektrálne prekrytie fluorescencie medzi farbivom 1-farbivom 8.
Ako je znázornené na obrázku 7c, pre každú kapiláru sa deväťfarebný elektroforegram na obrázku 7a previedol na elektroforeogram s ôsmimi farbami pomocou viaczložkovej analýzy založenej na ôsmich fluorescenčných spektrách na obrázku 7b (podrobnosti nájdete v doplnkových materiáloch).Pretože spektrálne prekrytie fluorescencie na obrázku 7a nie je zobrazené na obrázku 7c, Dye1-Dye8 možno identifikovať a kvantifikovať individuálne v každom časovom bode, aj keď súčasne fluoreskujú rôzne množstvá Dye1-Dye8.To sa nedá dosiahnuť tradičnou sedemfarebnou detekciou31, ale dá sa to dosiahnuť vyvinutou deväťfarebnou detekciou.Ako ukazujú šípky Cap1 na obr. 7c, iba fluorescenčné emisné singlety Dye3 (modrá), Dye8 (červená), Dye5 (zelená), Dye4 (azúrová), Dye2 (fialová), Dye1 (purpurová) a Dye6 (žltá ) sú sledované v očakávanom chronologickom poradí.Pre fluorescenčnú emisiu farbiva 7 (oranžová) sa okrem jediného vrcholu označeného oranžovou šípkou pozorovalo niekoľko ďalších jednotlivých vrcholov.Tento výsledok je spôsobený skutočnosťou, že vzorky obsahovali štandardy veľkosti, Dye7 označené fragmenty DNA s rôznymi dĺžkami báz.Ako je znázornené na obrázku 7c, pre Cap4 sú tieto dĺžky základne 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214 a 220 dĺžky základne.
Hlavnými črtami deväťfarebného spektrometra, vyvinutého pomocou matice dvojvrstvových dichroických zrkadiel, sú malé rozmery a jednoduchý dizajn.Pretože pole dekachromatických zrkadiel vo vnútri adaptéra znázorneného na obr.3c namontovaný priamo na doske obrazového snímača (pozri obr. S1 a S2), deväťfarebný spektrometer má rovnaké rozmery ako adaptér, teda 54 × 58 × 8,5 mm.(hrúbka).Táto ultra malá veľkosť je o dva až tri rády menšia ako bežné spektrometre, ktoré používajú mriežky alebo hranoly.Okrem toho, keďže deväťfarebný spektrometer je nakonfigurovaný tak, že svetlo dopadá na povrch obrazového snímača kolmo, možno pre deväťfarebný spektrometer ľahko prideliť priestor v systémoch, ako sú mikroskopy, prietokové cytometre alebo analyzátory.Analyzátor elektroforézy s kapilárnou mriežkou pre ešte väčšiu miniaturizáciu systému.Zároveň je veľkosť desiatich dichroických zrkadiel a pásmových filtrov použitých v deväťfarebnom spektrometri len 10×1,9×0,5 mm alebo 15×1,9×0,5 mm.Takto možno z dichroického zrkadla a 60 mm2 pásmového filtra vyrezať viac ako 100 takýchto malých dichroických zrkadiel a pásmových filtrov.Preto je možné vyrobiť rad dekachromatických zrkadiel s nízkymi nákladmi.
Ďalšou vlastnosťou deväťfarebného spektrometra sú jeho vynikajúce spektrálne charakteristiky.Umožňuje najmä získavanie spektrálnych snímok momentiek, teda súčasné získavanie snímok so spektrálnou informáciou.Pre každý obrázok sa získalo spojité spektrum s rozsahom vlnových dĺžok od 520 do 700 nm a rozlíšením 20 nm.Inými slovami, pre každý obrázok sa deteguje deväť farebných intenzít svetla, tj deväť 20 nm pásiem rovnomerne rozdeľujúcich rozsah vlnových dĺžok od 520 do 700 nm.Zmenou spektrálnych charakteristík dichroického zrkadla a pásmového filtra je možné nastaviť rozsah vlnových dĺžok deviatich pásiem a šírku každého pásma.Detekcia deviatich farieb môže byť použitá nielen pre fluorescenčné merania so spektrálnym zobrazovaním (ako je opísané v tejto správe), ale aj pre mnohé ďalšie bežné aplikácie využívajúce spektrálne zobrazovanie.Hoci hyperspektrálne zobrazovanie dokáže rozpoznať stovky farieb, zistilo sa, že aj pri výraznom znížení počtu detekovateľných farieb je možné identifikovať viacero objektov v zornom poli s dostatočnou presnosťou pre mnohé aplikácie38,39,40.Pretože priestorové rozlíšenie, spektrálne rozlíšenie a časové rozlíšenie majú kompromis v spektrálnom zobrazovaní, zníženie počtu farieb môže zlepšiť priestorové rozlíšenie a časové rozlíšenie.Môže tiež používať jednoduché spektrometre, ako je ten vyvinutý v tejto štúdii, a ďalej znižovať množstvo výpočtov.
V tejto štúdii bolo súčasne kvantifikovaných osem farbív spektrálnou separáciou ich prekrývajúcich sa fluorescenčných spektier na základe detekcie deviatich farieb.Súčasne je možné kvantifikovať až deväť farbív koexistujúcich v čase a priestore.Špeciálnou výhodou deväťfarebného spektrometra je jeho vysoký svetelný tok a veľká apertúra (1 × 7 mm).Dekánové zrkadlové pole má maximálny prenos 92 % svetla z otvoru v každom z deviatich rozsahov vlnových dĺžok.Účinnosť využitia dopadajúceho svetla v rozsahu vlnových dĺžok od 520 do 700 nm je takmer 100 %.V tak širokom rozsahu vlnových dĺžok nemôže žiadna difrakčná mriežka poskytnúť takú vysokú účinnosť použitia.Aj keď difrakčná účinnosť difrakčnej mriežky prekročí 90 % pri určitej vlnovej dĺžke, keď sa rozdiel medzi touto vlnovou dĺžkou a konkrétnou vlnovou dĺžkou zväčší, účinnosť difrakcie pri inej vlnovej dĺžke klesá41.Šírka otvoru kolmo na smer roviny na obr. 2c môže byť rozšírená zo 7 mm na šírku obrazového snímača, ako je to v prípade obrazového snímača použitého v tejto štúdii, miernou úpravou poľa dekamerov.
Deväťfarebný spektrometer možno použiť nielen na kapilárnu elektroforézu, ako je uvedené v tejto štúdii, ale aj na rôzne iné účely.Napríklad, ako je znázornené na obrázku nižšie, deväťfarebný spektrometer možno použiť na fluorescenčný mikroskop.Rovina vzorky je zobrazená na obrazovom snímači deväťfarebného spektrometra cez 10x objektív.Optická vzdialenosť medzi šošovkou objektívu a obrazovým snímačom je 200 mm, pričom optická vzdialenosť medzi dopadajúcou plochou deväťfarebného spektrometra a obrazovým snímačom je len 12 mm.Preto bol obraz v rovine dopadu orezaný približne na veľkosť otvoru (1 × 7 mm) a rozdelený do deviatich farebných obrázkov.To znamená, že spektrálny obraz deväťfarebnej snímky je možné nasnímať na ploche 0,1 × 0,7 mm v rovine vzorky.Okrem toho je možné získať deväťfarebný spektrálny obraz väčšej oblasti na rovine vzorky skenovaním vzorky vzhľadom k objektívu v horizontálnom smere na obr. 2c.
Dekachromatické komponenty zrkadlového poľa, menovite M1-M9 a BP, boli vyrobené na zákazku spoločnosťou Asahi Spectra Co., Ltd. s použitím štandardných precipitačných metód.Viacvrstvové dielektrické materiály boli aplikované jednotlivo na desať kremenných platní s rozmermi 60 × 60 mm a hrúbkou 0,5 mm, ktoré spĺňali nasledujúce požiadavky: M1: IA = 45°, R ≥ 90 % pri 520–590 nm, Tave ≥ 90 % pri 610– 610 nm.700 nm, M2: IA = 45°, R ≥ 90 % pri 520–530 nm, Tave ≥ 90 % pri 550–600 nm, M3: IA = 45°, R ≥ 90 % pri 540–550 nm, Tave ≥ 9 % pri 570–600 nm, M4: IA = 45°, R ≥ 90 % pri 560–570 nm, Tave ≥ 90 % pri 590–600 nm, M5: IA = 45°, R ≥ 98 % pri 580–600 nm , R ≥ 98 % pri 680–700 nm, M6: IA = 45°, Tave ≥ 90 % pri 600–610 nm, R ≥ 90 % pri 630–700 nm, M7: IA = 45°, R ≥ 90 % pri 620–630 nm, Taw ≥ 90 % pri 650–700 nm, M8: IA = 45°, R ≥ 90 % pri 640–650 nm, Taw ≥ 90 % pri 670–700 nm, M9: IA = 45°, R ≥ 90 % pri 650-670 nm, Tave ≥ 90 % pri 690-700 nm, BP: IA = 0°, T ≤ 0,01 % pri 505 nm, Tave ≥ 95 % pri 530-690 nm pri 5309 nm T0 % ≥ pri -690 nm a T ≤ 1 % pri 725-750 nm, kde IA, T, Tave a R sú uhol dopadu, priepustnosť, priemerná priepustnosť a odrazivosť nepolarizovaného svetla.
Biele svetlo (C0) s rozsahom vlnových dĺžok 400–750 nm emitované zdrojom svetla LED (AS 3000, AS ONE CORPORATION) bolo kolimované a dopadlo vertikálne na DP poľa dichroických zrkadiel.Spektrum bieleho svetla LED je znázornené na doplnkovom obrázku S3.Umiestnite akrylovú nádrž (rozmery 150 × 150 × 30 mm) priamo pred pole zrkadiel dekamera, oproti PSU.Dym vytvorený, keď bol suchý ľad ponorený do vody, sa potom nalial do akrylovej nádrže, aby sa pozorovali deväťfarebné rozdelené prúdy C1-C9 vychádzajúce z poľa dekachromatických zrkadiel.
Alternatívne kolimované biele svetlo (C0) prechádza cez filter pred vstupom do DP.Filtre boli pôvodne neutrálne filtre s optickou hustotou 0,6.Potom použite motorizovaný filter (FW212C, FW212C, Thorlabs).Nakoniec znova zapnite ND filter.Šírky pásma deviatich pásmových filtrov zodpovedajú C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 a C1.Kremenný článok s vnútornými rozmermi 40 (optická dĺžka) x 42,5 (výška) x 10 mm (šírka) bol umiestnený pred radom dekochromatických zrkadiel oproti BP.Dym je potom privádzaný cez trubicu do kremennej komory, aby sa udržala koncentrácia dymu v kremennej komore, aby sa vizualizovali deväťfarebné delené prúdy C1-C9 vychádzajúce z dekachromatického zrkadlového poľa.
Video deväťfarebného rozdeleného svetelného toku vychádzajúceho z radu dekanických zrkadiel bolo zachytené v režime časozberu na iPhone XS.Zachyťte zábery scény rýchlosťou 1 sn./s a zostavte z nich video s frekvenciou 30 sn./s (pre voliteľné video 1) alebo 24 sn./s (pre voliteľné videá 2 a 3).
Na difúznu platňu položte dosku z nehrdzavejúcej ocele s hrúbkou 50 µm (so štyrmi otvormi s priemerom 50 µm v intervaloch 1 mm).Svetlo s vlnovou dĺžkou 400-750 nm sa ožaruje na difúznu dosku, získa sa prechodom svetla z halogénovej lampy cez krátky transmisný filter s hraničnou vlnovou dĺžkou 700 nm.Svetelné spektrum je znázornené na doplnkovom obrázku S4.Alternatívne svetlo tiež prechádza cez jeden z 10 nm pásmových filtrov so stredom pri 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 a 690 nm a dopadá na dosku difúzora.V dôsledku toho sa na doske z nehrdzavejúcej ocele oproti doske difúzora vytvorili štyri body žiarenia s priemerom φ50 μm a rôznymi vlnovými dĺžkami.
Štvorkapilárne pole so štyrmi šošovkami je namontované na deväťfarebnom spektrometri, ako je znázornené na obrázkoch 1 a 2. C1 a C2.Štyri kapiláry a štyri šošovky boli rovnaké ako v predchádzajúcich štúdiách31,34.Laserový lúč s vlnovou dĺžkou 505 nm a výkonom 15 mW je ožarovaný súčasne a rovnomerne zo strany do emisných bodov štyroch kapilár.Fluorescencia emitovaná každým emisným bodom je kolimovaná zodpovedajúcou šošovkou a rozdelená do deviatich farebných prúdov pomocou poľa dekachromatických zrkadiel.Výsledných 36 prúdov sa potom priamo vstreklo do obrazového snímača CMOS (C11440–52U, Hamamatsu Photonics K·K.) a ich snímky sa súčasne zaznamenávali.
ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit (Applied Biosystems), 4 µl farbiva GeneScan™ 600 LIZ™ sa zmiešali pre každú kapiláru zmiešaním 1 µl štandardu PowerPlex® 6C Matrix Standard (Promega Corporation), 1 µl štandardu veľkosti zmesi.v2.0 (Thermo Fisher Scientific) a 14 ul vody.PowerPlex® 6C Matrix Standard pozostáva zo šiestich fragmentov DNA označených šiestimi farbivami: FL-6C, JOE-6C, TMR-6C, CXR-6C, TOM-6C a WEN, v poradí podľa maximálnej vlnovej dĺžky.Dĺžky báz týchto fragmentov DNA nie sú uvedené, ale sekvencia dĺžky báz DNA fragmentov značených WEN, CXR-6C, TMR-6C, JOE-6C, FL-6C a TOM-6C je známa.Zmes v ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit obsahuje fragment DNA označený farbivom dR6G.Dĺžky báz DNA fragmentov tiež nie sú opísané.GeneScan™ 600 LIZ™ Dye Size Standard v2.0 obsahuje 36 fragmentov DNA značených LIZ.Dĺžky báz týchto fragmentov DNA sú 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214, 220, 240, 250, 260, 280, 31403, 304,3 360, 380, 400, 414, 420, 440, 460, 480, 500, 514, 520, 540, 560, 580 a 600 základ.Vzorky sa denaturovali pri 94 °C počas 3 minút, potom sa ochladili na ľade počas 5 minút.Vzorky boli vstreknuté do každej kapiláry pri 26 V/cm počas 9 s a oddelené v každej kapiláre naplnenej roztokom POP-7™ polyméru (Thermo Fisher Scientific) s efektívnou dĺžkou 36 cm a napätím 181 V/cm a uhol 60°.OD.
Všetky údaje získané alebo analyzované v priebehu tejto štúdie sú zahrnuté v tomto publikovanom článku a jeho ďalších informáciách.Ďalšie údaje relevantné pre túto štúdiu sú dostupné od príslušných autorov na základe primeranej žiadosti.
Khan, MJ, Khan, HS, Yousaf, A., Khurshid, K. a Abbas, A. Súčasné trendy v analýze hyperspektrálneho zobrazovania: prehľad.Prístup k IEEE 6, 14118–14129.https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2812999 (2018).
Vaughan, AH Astronomická interferometrická Fabryho-Perotova spektroskopia.Inštalácia.Reverend Astron.astrofyzika.5, 139-167.https://doi.org/10.1146/annurev.aa.05.090167.001035 (1967).
Goetz, AFH, Wein, G., Solomon, JE a Rock, BN Spectroscopy of Earth remote sensing images.Science 228, 1147–1153.https://doi.org/10.1126/science.228.4704.1147 (1985).
Yokoya, N., Grohnfeldt, C. a Chanussot, J. Fúzia hyperspektrálnych a multispektrálnych údajov: porovnávací prehľad nedávnych publikácií.IEEE vedy o Zemi.Časopis diaľkového prieskumu Zeme.5:29–56.https://doi.org/10.1109/MGRS.2016.2637824 (2017).
Gowen, AA, O'Donnell, SP, Cullen, PJ, Downey, G. a Frias, JM Hyperspektrálne zobrazovanie je nový analytický nástroj pre kontrolu kvality a bezpečnosť potravín.Trendy v potravinárstve.technológie.18, 590-598.https://doi.org/10.1016/j.tifs.2007.06.001 (2007).
ElMasri, G., Mandour, N., Al-Rejaye, S., Belin, E. a Rousseau, D. Nedávne aplikácie multispektrálneho zobrazovania na monitorovanie fenotypu a kvality semien – prehľad.Senzory 19, 1090 (2019).
Liang, H. Pokroky v multispektrálnom a hyperspektrálnom zobrazovaní pre archeológiu a ochranu umenia.Požiadajte o fyzické 106, 309–323.https://doi.org/10.1007/s00339-011-6689-1 (2012).
Edelman GJ, Gaston E., van Leeuwen TG, Cullen PJ a Alders MKG Hyperspektrálne zobrazovanie na bezkontaktnú analýzu forenzných stôp.Kriminalistika.interná 223, 28-39.https://doi.org/10.1016/j.forsciint.2012.09.012 (2012).