rustfrit stål 321 8*1,2 spiralrør til varmeveksler

Kapillærrør

Tak fordi du besøgte Nature.com.Du bruger en browserversion med begrænset CSS-understøttelse.For den bedste oplevelse anbefaler vi, at du bruger en opdateret browser (eller deaktiverer kompatibilitetstilstand i Internet Explorer).For at sikre løbende support viser vi desuden siden uden styles og JavaScript.
Viser en karrusel med tre dias på én gang.Brug knapperne Forrige og Næste til at flytte gennem tre dias ad gangen, eller brug skyderknapperne i slutningen til at flytte gennem tre dias ad gangen.
Et ultrakompakt (54 × 58 × 8,5 mm) og nifarvet spektrometer med bred åbning (1 × 7 mm) blev udviklet, "delt i to" af en række af ti dikroiske spejle, som blev brugt til øjeblikkelig spektral billeddannelse.Den indfaldende lysflux med et tværsnit mindre end blændestørrelsen er opdelt i en kontinuerlig strimmel 20 nm bred og ni farvefluxer med centrale bølgelængder på 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 og 690 nm.Billeder af ni farvestrømme måles effektivt af billedsensoren samtidigt.I modsætning til konventionelle dichroic spejl arrays, har det udviklede dichroic spejl array en unik todelt konfiguration, som ikke kun øger antallet af farver, der kan måles samtidigt, men også forbedrer billedopløsningen for hver farvestrøm.Det udviklede ni-farve spektrometer bruges til fire-kapillær elektroforese.Samtidig kvantitativ analyse af otte farvestoffer, der migrerer samtidigt i hver kapillær ved hjælp af ni-farvet laser-induceret fluorescens.Da ni-farvespektrometeret ikke kun er ultralille og billigt, men også har høj lysstrøm og tilstrækkelig spektral opløsning til de fleste spektrale billedbehandlingsapplikationer, kan det bruges i vid udstrækning inden for forskellige områder.
Hyperspektral og multispektral billeddannelse er blevet en vigtig del af astronomi2, fjernmåling til jordobservation3,4, fødevare- og vandkvalitetskontrol5,6, kunstbevaring og arkæologi7, retsmedicin8, kirurgi9, biomedicinsk analyse og diagnostik10,11 osv. Felt 1 En uundværlig teknologi ,12,13.Metoder til måling af lysspektret, der udsendes af hvert emissionspunkt i synsfeltet, er opdelt i (1) punktscanning ("kost")14,15, (2) lineær scanning ("panicle")16,17,18 , (3) længdescanner bølger19,20,21 og (4) billeder22,23,24,25.I tilfælde af alle disse metoder har rumlig opløsning, spektral opløsning og tidsmæssig opløsning et afvejningsforhold9,10,12,26.Derudover har lysoutput en væsentlig indflydelse på følsomheden, dvs. signal-støj-forholdet i spektral billeddannelse26.Lysstrømmen, det vil sige effektiviteten af ​​at bruge lys, er direkte proportional med forholdet mellem den faktisk målte mængde lys af hvert lyspunkt pr. tidsenhed og den samlede mængde lys i det målte bølgelængdeområde.Kategori (4) er en passende metode, når intensiteten eller spektret af lys, der udsendes af hvert emitterende punkt, ændres med tiden, eller når positionen af ​​hvert emitterende punkt ændres med tiden, fordi lysspektret, der udsendes af alle emitterende punkter, måles samtidigt.24.
De fleste af de ovennævnte metoder er kombineret med store, komplekse og/eller dyre spektrometre ved hjælp af 18 gitre eller 14, 16, 22, 23 prismer til klasse (1), (2) og (4) eller 20, 21 filterskiver, væskefiltre .Krystallinske afstembare filtre (LCTF)25 eller akusto-optiske afstembare filtre (AOTF)19 af kategori (3).I modsætning hertil er kategori (4) multi-spejlspektrometre små og billige på grund af deres enkle konfiguration27,28,29,30.Derudover har de en høj lysstrøm, fordi lyset, der deles af hvert dikroisk spejl (det vil sige det transmitterede og reflekterede lys fra det indfaldende lys på hvert dikroisk spejl) bruges fuldt ud og kontinuerligt.Imidlertid er antallet af bølgelængdebånd (dvs. farver), der skal måles samtidigt, begrænset til omkring fire.
Spektral billeddannelse baseret på fluorescensdetektion bruges almindeligvis til multipleksanalyse i biomedicinsk detektion og diagnostik 10, 13 .Ved multipleksing, da flere analytter (f.eks. specifikt DNA eller proteiner) er mærket med forskellige fluorescerende farvestoffer, kvantificeres hver analyt til stede ved hvert emissionspunkt i synsfeltet ved hjælp af multikomponentanalyse.32 nedbryder det detekterede fluorescensspektrum, der udsendes af hvert emissionspunkt.Under denne proces kan forskellige farvestoffer, der hver udsender en forskellig fluorescens, colokalisere sig, det vil sige sameksistere i rum og tid.I øjeblikket er det maksimale antal farvestoffer, der kan exciteres af en enkelt laserstråle, 833.Denne øvre grænse bestemmes ikke af den spektrale opløsning (dvs. antallet af farver), men af ​​bredden af ​​fluorescensspektret (≥50 nm) og mængden af ​​farvestof Stokes shift (≤200 nm) ved FRET (ved brug af FRET)10 .Antallet af farver skal dog være større end eller lig med antallet af farvestoffer for at eliminere den spektrale overlapning af blandede farvestoffer31,32.Derfor er det nødvendigt at øge antallet af samtidigt målte farver til otte eller flere.
For nylig er der udviklet et ultrakompakt heptykroisk spektrometer (ved hjælp af en række heptykroiske spejle og en billedsensor til at måle fire fluorescerende fluxer).Spektrometret er to til tre størrelsesordener mindre end konventionelle spektrometre, der bruger gitre eller prismer34,35.Det er dog svært at placere mere end syv dikroiske spejle i et spektrometer og samtidig måle mere end syv farver36,37.Med en stigning i antallet af dikroiske spejle øges den maksimale forskel i længderne af de optiske baner af dikroiske lysfluxer, og det bliver vanskeligt at vise alle lysfluxer på ét sensorisk plan.Den længste optiske vejlængde af lysfluxen øges også, så bredden af ​​spektrometeråbningen (dvs. den maksimale bredde af lyset analyseret af spektrometeret) falder.
Som svar på ovenstående problemer blev der udviklet et ultrakompakt ni-farvet spektrometer med et to-lags "dichroic" dekakromatisk spejlarray og en billedsensor til øjeblikkelig spektral billeddannelse [kategori (4)].Sammenlignet med tidligere spektrometre har det udviklede spektrometer en mindre forskel i den maksimale optiske vejlængde og en mindre maksimal optisk vejlængde.Det er blevet anvendt til fire-kapillær elektroforese for at detektere laser-induceret ni-farve fluorescens og for at kvantificere den samtidige migration af otte farvestoffer i hver kapillær.Da det udviklede spektrometer ikke kun er ultra-lille og billigt, men også har en høj lysstrøm og tilstrækkelig spektral opløsning til de fleste spektrale billedbehandlingsapplikationer, kan det bruges bredt inden for forskellige områder.
Det traditionelle ni-farvespektrometer er vist i fig.1a.Dens design følger det tidligere ultralille syvfarvespektrometer 31. Det består af ni dikroiske spejle arrangeret vandret i en vinkel på 45° til højre, og billedsensoren (S) er placeret over de ni dikroiske spejle.Lyset, der kommer nedefra (C0), er opdelt af en række af ni dikroiske spejle i ni lysstrømme, der går op (C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 og C9).Alle ni farvestrømme føres direkte til billedsensoren og detekteres samtidigt.I denne undersøgelse er C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 og C9 i rækkefølge efter bølgelængde og er repræsenteret af magenta, violet, blå, cyan, grøn, gul, orange, rød-orange og henholdsvis rød.Selvom disse farvebetegnelser er brugt i dette dokument, som vist i figur 3, fordi de adskiller sig fra de faktiske farver set af det menneskelige øje.
Skematiske diagrammer af konventionelle og nye ni-farvespektrometre.(a) Konventionelt ni-farvespektrometer med en række af ni dikroiske spejle.(b) Nyt nifarvet spektrometer med et to-lags dikroisk spejlarray.Den indfaldende lysstrøm C0 er opdelt i ni farvede lysstrømme C1-C9 og detekteres af billedsensoren S.
Det udviklede nye ni-farvespektrometer har et to-lags dikroisk spejlgitter og en billedsensor, som vist i fig. 1b.I det nederste lag er fem dikroiske spejle vippet 45° til højre, justeret til højre fra midten af ​​rækken af ​​decamere.På øverste niveau er fem ekstra dikroiske spejle vippet 45° til venstre og placeret fra midten til venstre.Det dikroiske spejl længst til venstre i det nederste lag og det dikroiske spejl længst til højre i det øverste lag overlapper hinanden.Den indfaldende lysflux (C0) er opdelt nedefra i fire udgående kromatiske fluxer (C1-C4) af fem dikroiske spejle til højre og fem udgående kromatiske fluxer (C5-C4) af fem dikroiske spejle til venstre C9).Ligesom konventionelle ni-farvespektrometre injiceres alle ni farvestrømme direkte i billedsensoren (S) og detekteres samtidigt.Ved at sammenligne figur 1a og 1b kan man se, at i tilfældet med det nye ni-farvespektrometer er både den maksimale forskel og den længste optiske vejlængde af de ni farvefluxer halveret.
Den detaljerede konstruktion af et ultralille to-lags dikroisk spejlarray 29 mm (bredde) × 31 mm (dybde) × 6 mm (højde) er vist i figur 2. Det decimale dikroiske spejlarray består af fem dikroiske spejle til højre (M1-M5) og fem dikroiske spejle til venstre (M6-M9 og en anden M5), hvert dikroisk spejl er fastgjort i det øverste aluminiumsbeslag.Alle dikroiske spejle er forskudt for at kompensere for parallel forskydning på grund af brydning af strømmen gennem spejlene.Under M1 er et båndpasfilter (BP) fastgjort.M1 og BP dimensioner er 10 mm (lang side) x 1,9 mm (kort side) x 0,5 mm (tykkelse).Dimensionerne af de resterende dikroiske spejle er 15 mm × 1,9 mm × 0,5 mm.Matrixpitch mellem M1 og M2 er 1,7 mm, mens matrixpitch for andre dikroiske spejle er 1,6 mm.På fig.2c kombinerer den indfaldende lysstrøm C0 og ni farvede lysstrømme C1-C9, adskilt af en afkammermatrix af spejle.
Konstruktion af en to-lags dikroisk spejlmatrix.(a) Et perspektivbillede og (b) et tværsnitsbillede af et to-lags dikroisk spejlarray (dimensioner 29 mm x 31 mm x 6 mm).Den består af fem dikroiske spejle (M1-M5) placeret i det nederste lag, fem dikroiske spejle (M6-M9 og en anden M5) placeret i det øverste lag, og et båndpasfilter (BP) placeret under M1.(c) Tværsnitsbillede i lodret retning med C0 og C1-C9 overlapning.
Bredden af ​​åbningen i vandret retning, angivet med bredden C0 i fig. 2, c, er 1 mm, og i retningen vinkelret på planet i fig. 2, c, givet ved udformningen af ​​aluminiumsbeslaget, – 7 mm.Det vil sige, at det nye ni-farvespektrometer har en stor blændestørrelse på 1 mm × 7 mm.Den optiske vej for C4 er den længste blandt C1-C9, og den optiske vej for C4 inde i det dikroiske spejlarray, på grund af ovenstående ultra-lille størrelse (29 mm × 31 mm × 6 mm), er 12 mm.Samtidig er den optiske vejlængde for C5 den korteste blandt C1-C9, og den optiske vejlængde for C5 er 5,7 mm.Derfor er den maksimale forskel i optisk vejlængde 6,3 mm.Ovenstående optiske vejlængder er korrigeret for den optiske vejlængde for optisk transmission af M1-M9 og BP (fra kvarts).
De spektrale egenskaber for М1−М9 og VR er beregnet således, at fluxerne С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8 og С9 er i bølgelængdeområdet 520–540, 540–560, 560–58080, 580 henholdsvis –600, 600-620, 620-640, 640-660, 660-680 og 680-700 nm.
Et fotografi af den fremstillede matrix af dekakromatiske spejle er vist i fig. 3a.M1-M9 og BP er limet til henholdsvis 45° hældning og vandret plan af aluminiumsstøtten, mens M1 og BP er skjult på bagsiden af ​​figuren.
Produktion af en række decan-spejle og demonstration heraf.(a) En række fremstillede dekakromatiske spejle.(b) Et 1 mm × 7 mm ni-farvet delt billede projiceret på et ark papir placeret foran en række dekakromatiske spejle og baggrundsbelyst med hvidt lys.(c) En række dekokromatiske spejle belyst med hvidt lys bagfra.(d) Ni-farvet spaltningsstrøm, der udgår fra dekan-spejl-arrayet, observeret ved at placere en røgfyldt akrylbeholder foran decan-spejl-arrayet ved c og gøre rummet mørkere.
De målte transmissionsspektre for M1-M9 CO ved en indfaldsvinkel på 45° og det målte transmissionsspektrum for BP CO ved en indfaldsvinkel på 0° er vist i fig.4a.Transmissionsspektrene for C1-C9 i forhold til CO er vist i fig.4b.Disse spektre blev beregnet ud fra spektrene i fig.4a i overensstemmelse med den optiske vej C1-C9 i fig. 4a.1b og 2c.For eksempel, 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)], hvor TS(X) og [ 1 − TS(X)] er henholdsvis transmissions- og reflektionsspektrene for X.Som vist i figur 4b er båndbredderne (båndbredde ≥50%) af C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 og C9 521-540, 541-562, 563-580, 581-602, 603 -623, 624-641, 642-657, 659-680 og 682-699 nm.Disse resultater stemmer overens med de udviklede intervaller.Derudover er udnyttelseseffektiviteten af ​​C0-lys høj, det vil sige, at den gennemsnitlige maksimale C1-C9-lystransmittans er 92%.
Transmissionsspektre af et dikroisk spejl og en splittet ni-farvet flux.(a) Målte transmissionsspektre af M1-M9 ved 45° incidens og BP ved 0° incidens.(b) Transmissionsspektre for C1-C9 i forhold til C0 beregnet ud fra (a).
På fig.3c er rækken af ​​dikroiske spejle placeret lodret, således at dens højre side i fig. 3a er oversiden, og den hvide stråle af den kollimerede LED (CO) er baggrundsbelyst.Arrayet af dekakromatiske spejle vist i figur 3a er monteret i en 54 mm (højde) × 58 mm (dybde) × 8,5 mm (tykkelse) adapter.På fig.3d, ud over tilstanden vist i fig.3c blev en røgfyldt akryltank placeret foran en række dekokromatiske spejle, med lyset i rummet slukket.Som et resultat er ni dikroiske strømme synlige i tanken, der udgår fra en række dekakromatiske spejle.Hver delt strøm har et rektangulært tværsnit med dimensioner på 1 × 7 mm, hvilket svarer til blændestørrelsen på det nye ni-farvespektrometer.I figur 3b er et ark papir placeret foran rækken af ​​dikroiske spejle i figur 3c, og et 1 x 7 mm billede af ni dikroiske strømme projiceret på papiret observeres fra papirets bevægelsesretning.vandløb.De ni farveseparationsstrømme i fig.3b og d er C4, C3, C2, C1, C5, C6, C7, C8 og C9 fra top til bund, hvilket også kan ses i figur 1 og 2. 1b og 2c.De observeres i farver svarende til deres bølgelængder.På grund af LED'ens lave hvide lysintensitet (se Supplerende Fig. S3) og følsomheden af ​​farvekameraet, der bruges til at fange C9 (682-699 nm) i Fig. Andre spaltningsstrømme er svage.På samme måde var C9 svagt synlig for det blotte øje.I mellemtiden ser C2 (den anden strøm fra toppen) grøn ud i figur 3, men ser mere gul ud med det blotte øje.
Overgangen fra figur 3c til d er vist i Supplerende video 1. Umiddelbart efter det hvide lys fra LED'en passerer gennem det dekakromatiske spejlarray, opdeles det samtidigt i ni farvestrømme.Til sidst forsvandt røgen i karret gradvist fra top til bund, så de ni farvede pulvere også forsvandt fra top til bund.I modsætning hertil, i Supplerende Video 2, hvor bølgelængden af ​​lysstrømmen, der falder ind på rækken af ​​dekakromatiske spejle, blev ændret fra lange til korte i størrelsesordenen 690, 671, 650, 632, 610, 589, 568, 550 og 532 nm ., Kun de tilsvarende opdelte strømme af de ni opdelte strømme i størrelsesordenen C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 og C1 vises.Akrylreservoiret er erstattet af en kvartspool, og flagerne af hver shuntet strømning kan tydeligt observeres fra den skrånende opadgående retning.Derudover redigeres undervideoen 3 således, at bølgelængdeændringsdelen af ​​undervideoen 2 afspilles igen.Dette er det mest veltalende udtryk for egenskaberne ved en dekokromatisk række af spejle.
Ovenstående resultater viser, at det fremstillede dekakromatiske spejlarray eller det nye nifarvespektrometer fungerer efter hensigten.Det nye ni-farvespektrometer er dannet ved at montere en række dekakromatiske spejle med adaptere direkte på billedsensorkortet.
Lysstrøm med et bølgelængdeområde fra 400 til 750 nm, udsendt af fire strålingspunkter φ50 μm, placeret med 1 mm intervaller i retningen vinkelret på planet i fig. 2c, henholdsvis Researches 31, 34. Fire-linse arrayet består af bl.a. fire linser φ1 mm med en brændvidde på 1,4 mm og en pitch på 1 mm.Fire kollimerede strømme (fire C0) falder ind på DP'et af et nyt nifarvet spektrometer, fordelt med 1 mm intervaller.En række dikroiske spejle opdeler hver strøm (C0) i ni farvestrømme (C1-C9).De resulterende 36 strømme (fire sæt C1-C9) injiceres derefter direkte i en CMOS (S) billedsensor direkte forbundet til en række dikroiske spejle.Som et resultat, som vist i fig. 5a, på grund af den lille maksimale optiske vejforskel og den korte maksimale optiske vej, blev billederne af alle 36 strømme detekteret samtidigt og klart med samme størrelse.Ifølge nedstrømsspektrene (se supplerende figur S4) er billedintensiteten af ​​de fire grupper C1, C2 og C3 relativt lav.Seksogtredive billeder var 0,57 ± 0,05 mm i størrelse (gennemsnit ± SD).Billedforstørrelsen var således i gennemsnit 11,4.Den lodrette afstand mellem billeder er i gennemsnit 1 mm (samme afstand som et linsearray) og den vandrette afstand er i gennemsnit 1,6 mm (samme afstand som et dikroisk spejlarray).Fordi billedstørrelsen er meget mindre end afstanden mellem billederne, kan hvert billede måles uafhængigt (med lav krydstale).I mellemtiden er billeder af otteogtyve strømme optaget af det konventionelle syvfarvespektrometer brugt i vores tidligere undersøgelse vist i fig. 5 B. Arrayet af syv dichroiske spejle blev skabt ved at fjerne de to dichroiske spejle længst til højre fra arrayet af ni dichroiske spejle spejle i figur 1a.Ikke alle billeder er skarpe, billedstørrelsen øges fra C1 til C7.Otteogtyve billeder er 0,70 ± 0,19 mm i størrelse.Det er således svært at opretholde høj opløsning på alle billeder.Variationskoefficienten (CV) for billedstørrelse 28 i figur 5b var 28 %, mens CV for billedstørrelse 36 i figur 5a faldt til 9 %.Ovenstående resultater viser, at det nye ni-farvespektrometer ikke kun øger antallet af samtidigt målte farver fra syv til ni, men også har en høj billedopløsning for hver farve.
Sammenligning af kvaliteten af ​​det delte billede dannet af konventionelle og nye spektrometre.(a) Fire grupper af ni-farve adskilte billeder (C1-C9) genereret af det nye ni-farve spektrometer.(b) Fire sæt af syv-farve adskilte billeder (C1-C7) dannet med et konventionelt syv-farve spektrometer.Fluxer (CO) med bølgelængder fra 400 til 750 nm fra fire emissionspunkter er henholdsvis kollimeret og indfaldende på hvert spektrometer.
De spektrale karakteristika af ni-farvespektrometeret blev evalueret eksperimentelt, og evalueringsresultaterne er vist i figur 6. Bemærk, at figur 6a viser de samme resultater som figur 5a, dvs. ved bølgelængder på 4 C0 400–750 nm, detekteres alle 36 billeder (4 grupper C1-C9).Tværtimod, som vist i fig. 6b-j, når hver CO har en specifik bølgelængde på 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 eller 690 nm, er der næsten kun fire tilsvarende billeder (fire grupper påvist C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 eller C9).Nogle af billederne ved siden af ​​de fire tilsvarende billeder er dog meget svagt detekteret, fordi C1-C9 transmissionsspektrene vist i fig. 4b overlapper lidt, og hver C0 har et 10 nm bånd ved en specifik bølgelængde som beskrevet i metoden.Disse resultater er i overensstemmelse med C1-C9 transmissionsspektrene vist i fig.4b og supplerende video 2 og 3. Med andre ord fungerer ni-farvespektrometeret som forventet baseret på resultaterne vist i fig.4b.Derfor konkluderes det, at billedintensitetsfordelingen C1-C9 er spektret af hver C0.
Spektralegenskaber for et ni-farvet spektrometer.Det nye ni-farvespektrometer genererer fire sæt ni-farve adskilte billeder (C1-C9), når det indfaldende lys (fire C0) har en bølgelængde på (a) 400-750 nm (som vist i figur 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, henholdsvis.
Det udviklede ni-farve spektrometer blev brugt til fire-kapillær elektroforese (for detaljer, se Supplerende materialer)31,34,35.Den fire-kapillære matrix består af fire kapillærer (ydre diameter 360 μm og indre diameter 50 μm) placeret med 1 mm intervaller på laserbestrålingsstedet.Prøver indeholdende DNA-fragmenter mærket med 8 farvestoffer, nemlig FL-6C (farvestof 1), JOE-6C (farvestof 2), dR6G (farvestof 3), TMR-6C (farvestof 4), CXR-6C (farvestof 5), TOM- 6C (farvestof 6), LIZ (farvestof 7) og WEN (farvestof 8) i stigende rækkefølge af fluorescerende bølgelængde, adskilt i hver af fire kapillærer (herefter omtalt som Cap1, Cap2, Cap3 og Cap4).Laser-induceret fluorescens fra Cap1-Cap4 blev kollimeret med en række af fire linser og samtidig optaget med et ni-farvet spektrometer.Intensitetsdynamikken af ​​ni-farvet (C1-C9) fluorescens under elektroforese, det vil sige et ni-farvet elektroforegram af hver kapillær, er vist i fig. 7a.Et tilsvarende ni-farvet elektroforegram opnås i Cap1-Cap4.Som angivet af Cap1-pilene i figur 7a viser de otte toppe på hvert ni-farvet elektroforegram en fluorescensemission fra henholdsvis Dye1-Dye8.
Samtidig kvantificering af otte farvestoffer ved hjælp af et ni-farvet fire-kapillært elektroforesespektrometer.(a) Ni-farvet (C1-C9) elektroforegram af hver kapillær.De otte toppe angivet med pile Cap1 viser individuelle fluorescensemissioner af otte farvestoffer (Dye1-Dye8).Farverne på pilene svarer til farverne (b) og (c).(b) Fluorescensspektre på otte farvestoffer (Dye1-Dye8) pr. kapillar.c Elektroferogrammer af otte farvestoffer (Dye1-Dye8) pr. kapillar.Toppene af Dye7-mærkede DNA-fragmenter er angivet med pile, og deres Cap4-baselængder er angivet.
Intensitetsfordelingerne af C1-C9 på otte toppe er vist i fig.7b, hhv.Fordi både C1-C9 og Dye1-Dye8 er i bølgelængderækkefølge, viser de otte fordelinger i fig. 7b fluorescensspektrene for Dye1-Dye8 sekventielt fra venstre mod højre.I denne undersøgelse vises Dye1, Dye2, Dye3, Dye4, Dye5, Dye6, Dye7 og Dye8 i henholdsvis magenta, violet, blå, cyan, grøn, gul, orange og rød.Bemærk, at farverne på pilene i fig. 7a svarer til farvestoffarverne i fig. 7b.C1-C9 fluorescensintensiteterne for hvert spektrum i figur 7b blev normaliseret, således at deres sum er lig med én.Otte ækvivalente fluorescensspektre blev opnået fra Cap1-Cap4.Man kan tydeligt observere den spektrale overlapning af fluorescens mellem farvestof 1-farvestof 8.
Som vist i figur 7c blev ni-farveelektroforegrammet i figur 7a for hver kapillær omdannet til et elektroferogram med otte farvestoffer ved multikomponentanalyse baseret på de otte fluorescensspektre i figur 7b (se Supplerende materialer for detaljer).Da den spektrale overlapning af fluorescens i figur 7a ikke vises i figur 7c, kan Dye1-Dye8 identificeres og kvantificeres individuelt på hvert tidspunkt, selvom forskellige mængder Dye1-Dye8 fluorescerer på samme tid.Dette kan ikke gøres med traditionel syvfarvet detektering31, men kan opnås med den udviklede nifarvedetektering.Som vist med pilene Cap1 i fig. 7c er det kun de fluorescerende emissionssingletter Dye3 (blå), Dye8 (rød), Dye5 (grøn), Dye4 (cyan), Dye2 (lilla), Dye1 (magenta) og Dye6 (Gul). ) observeres i den forventede kronologiske rækkefølge.For den fluorescerende emission af farvestof 7 (orange) blev der ud over den enkelte top vist med den orange pil observeret adskillige andre enkelte toppe.Dette resultat skyldes det faktum, at prøverne indeholdt størrelsesstandarder, Dye7-mærkede DNA-fragmenter med forskellige baselængder.Som vist i figur 7c er disse basislængder for Cap4 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214 og 220 basislængder.
Hovedegenskaberne ved ni-farvespektrometeret, udviklet ved hjælp af en matrix af to-lags dikroiske spejle, er lille størrelse og enkelt design.Da rækken af ​​dekakromatiske spejle inde i adapteren vist i fig.3c monteret direkte på billedsensorkortet (se fig. S1 og S2), har ni-farvespektrometeret samme dimensioner som adapteren, dvs. 54 × 58 × 8,5 mm.(tykkelse) .Denne ultra-lille størrelse er to til tre størrelsesordener mindre end konventionelle spektrometre, der bruger gitre eller prismer.Da ni-farvespektrometeret er konfigureret således, at lys rammer billedsensorens overflade vinkelret, kan der desuden nemt tildeles plads til ni-farvespektrometeret i systemer som mikroskoper, flowcytometre eller analysatorer.Kapillærgitter elektroforeseanalysator for endnu større miniaturisering af systemet.Samtidig er størrelsen af ​​ti dikroiske spejle og båndpasfiltre, der bruges i ni-farvespektrometeret, kun 10×1,9×0,5 mm eller 15×1,9×0,5 mm.Mere end 100 sådanne små dikroiske spejle og båndpasfiltre kan således skæres fra henholdsvis et dikroisk spejl og et 60 mm2 båndpasfilter.Derfor kan en række dekakromatiske spejle fremstilles til en lav pris.
Et andet træk ved ni-farvespektrometeret er dets fremragende spektrale egenskaber.Især tillader det erhvervelse af spektrale billeder af snapshots, det vil sige den samtidige erhvervelse af billeder med spektral information.For hvert billede blev der opnået et kontinuerligt spektrum med et bølgelængdeområde fra 520 til 700 nm og en opløsning på 20 nm.Med andre ord detekteres ni farveintensiteter af lys for hvert billede, dvs. ni 20 nm bånd, der ligeligt deler bølgelængdeområdet fra 520 til 700 nm.Ved at ændre de spektrale karakteristika for det dikroiske spejl og båndpasfilteret kan bølgelængdeområdet for de ni bånd og bredden af ​​hvert bånd justeres.Ni farvedetektion kan bruges ikke kun til fluorescensmålinger med spektral billeddannelse (som beskrevet i denne rapport), men også til mange andre almindelige applikationer, der bruger spektral billeddannelse.Selvom hyperspektral billeddannelse kan detektere hundredvis af farver, har det vist sig, at selv med en betydelig reduktion i antallet af detekterbare farver, kan flere objekter i synsfeltet identificeres med tilstrækkelig nøjagtighed til mange applikationer38,39,40.Fordi rumlig opløsning, spektral opløsning og tidsmæssig opløsning har en afvejning i spektral billeddannelse, kan en reduktion af antallet af farver forbedre den rumlige opløsning og den tidsmæssige opløsning.Det kan også bruge simple spektrometre som det, der er udviklet i denne undersøgelse og yderligere reducere mængden af ​​beregninger.
I denne undersøgelse blev otte farvestoffer kvantificeret samtidigt ved spektral adskillelse af deres overlappende fluorescensspektre baseret på påvisning af ni farver.Op til ni farvestoffer kan kvantificeres samtidigt, der sameksisterer i tid og rum.En særlig fordel ved ni-farvespektrometeret er dets høje lysstrøm og store blændeåbning (1 × 7 mm).Decan-spejlarrayet har en maksimal transmission på 92% af lyset fra blænden i hvert af de ni bølgelængdeområder.Effektiviteten af ​​at bruge indfaldende lys i bølgelængdeområdet fra 520 til 700 nm er næsten 100 %.I et så bredt område af bølgelængder kan intet diffraktionsgitter give en så høj anvendelseseffektivitet.Selvom diffraktionseffektiviteten af ​​et diffraktionsgitter overstiger 90 % ved en bestemt bølgelængde, falder diffraktionseffektiviteten ved en anden bølgelængde, efterhånden som forskellen mellem den bølgelængde og en bestemt bølgelængde øges41.Blændebredden vinkelret på retningen af ​​planet i fig. 2c kan udvides fra 7 mm til bredden af ​​billedsensoren, såsom i tilfældet med billedsensoren anvendt i denne undersøgelse, ved let at modificere decamer-arrayet.
Det ni-farvede spektrometer kan bruges ikke kun til kapillærelektroforese, som vist i denne undersøgelse, men også til forskellige andre formål.For eksempel, som vist i figuren nedenfor, kan et ni-farvet spektrometer anvendes på et fluorescensmikroskop.Prøvens plan vises på billedsensoren på ni-farvespektrometeret gennem et 10x objektiv.Den optiske afstand mellem objektivlinsen og billedsensoren er 200 mm, mens den optiske afstand mellem den indfaldende overflade af ni-farvespektrometeret og billedsensoren kun er 12 mm.Derfor blev billedet skåret til ca. størrelsen af ​​blænden (1 × 7 mm) i indfaldsplanet og opdelt i ni farvebilleder.Det vil sige, at et spektralbillede af et ni-farvet snapshot kan tages på et 0,1×0,7 mm område i prøveplanet.Derudover er det muligt at opnå et ni-farvet spektralbillede af et større område på prøveplanet ved at scanne prøven i forhold til objektivet i vandret retning i fig. 2c.
De dekakromatiske spejlarray-komponenter, nemlig M1-M9 og BP, blev specialfremstillet af Asahi Spectra Co., Ltd. ved brug af standardudfældningsmetoder.Flerlags dielektriske materialer blev påført individuelt på ti kvartsplader 60 × 60 mm i størrelse og 0,5 mm tykke, hvilket opfylder følgende krav: M1: IA = 45°, R ≥ 90% ved 520-590 nm, Tave ≥ 90% ved 610- 610 nm.700 nm, M2: IA = 45°, R ≥ 90% ved 520-530 nm, Tave ≥ 90% ved 550-600 nm, M3: IA = 45°, R ≥ 90% ved 540-550 nm, Tave ≥ % ved 570-600 nm, M4: IA = 45°, R ≥ 90% ved 560-570 nm, Tave ≥ 90% ved 590-600 nm, M5: IA = 45°, R ≥ 98% ved 580-6 , R ≥ 98 % ved 680–700 nm, M6: IA = 45°, Tave ≥ 90 % ved 600–610 nm, R ≥ 90 % ved 630–700 nm, M7: IA = 45°, R ≥ 90 % ved 620–630 nm, Taw ≥ 90 % ved 650–700 nm, M8: IA = 45°, R ≥ 90 % ved 640–650 nm, Taw ≥ 90 % ved 670–700 nm, M 45: °, R = IA ≥ 90 % ved 650-670 nm, Tave ≥ 90 % ved 690-700 nm, BP: IA = 0°, T ≤ 0,01 % ved 505 nm, Tave ≥ 95 % ved 530-690 % ≥ nm ved 9 ved -690 nm og T ≤ 1 % ved 725-750 nm, hvor IA, T, Tave og R er indfaldsvinklen, transmittans, gennemsnitlig transmittans og upolariseret lysreflektans.
Hvidt lys (C0) med et bølgelængdeområde på 400-750 nm udsendt af en LED-lyskilde (AS 3000, AS ONE CORPORATION) blev kollimeret og indfaldet lodret på DP af en række dikroiske spejle.Det hvide lysspektrum af LED'er er vist i Supplerende Figur S3.Placer en akrylbeholder (mål 150 × 150 × 30 mm) direkte foran decamera-spejlet, overfor PSU'en.Røgen, der dannedes, når tøris blev nedsænket i vand, blev derefter hældt i en akryltank for at observere de ni-farvede C1-C9 opdelte strømme, der udgår fra rækken af ​​dekakromatiske spejle.
Alternativt føres det kollimerede hvide lys (C0) gennem et filter, før det kommer ind i DP.Filtrene var oprindeligt neutrale densitetsfiltre med en optisk tæthed på 0,6.Brug derefter et motoriseret filter (FW212C, FW212C, Thorlabs).Tænd til sidst ND-filteret igen.Båndbredderne af de ni båndpasfiltre svarer til henholdsvis C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 og C1.En kvartscelle med indvendige dimensioner på 40 (optisk længde) x 42,5 (højde) x 10 mm (bredde) blev placeret foran en række dekokromatiske spejle modsat BP.Røgen føres derefter gennem et rør ind i kvartscellen for at opretholde koncentrationen af ​​røg i kvartscellen for at visualisere de ni-farvede C1-C9 splitstrømme, der udgår fra det dekakromatiske spejlarray.
En video af den ni-farvede opdelte lysstrøm, der udgår fra en række dekaniske spejle, blev optaget i time-lapse-tilstand på iPhone XS.Tag billeder af scenen med 1 fps, og kompilér billederne for at skabe video ved 30 fps (til valgfri video 1) eller 24 fps (til valgfri video 2 og 3).
Placer en 50 µm tyk rustfri stålplade (med fire 50 µm diameter huller med 1 mm intervaller) på diffusionspladen.Lys med en bølgelængde på 400-750 nm bestråles på diffusorpladen, opnået ved at lede lys fra en halogenlampe gennem et kort transmissionsfilter med en afskæringsbølgelængde på 700 nm.Lysspektret er vist i Supplerende Figur S4.Alternativt passerer lyset også gennem et af 10 nm båndpasfiltrene centreret ved 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 og 690 nm og rammer diffusorpladen.Som et resultat blev fire strålingspunkter med en diameter på φ50 μm og forskellige bølgelængder dannet på en rustfri stålplade overfor diffusorpladen.
Et fire-kapillær array med fire linser er monteret på et ni-farvet spektrometer som vist i figur 1 og 2. C1 og C2.De fire kapillærer og fire linser var de samme som i tidligere undersøgelser31,34.En laserstråle med en bølgelængde på 505 nm og en effekt på 15 mW bestråles samtidigt og jævnt fra siden til emissionspunkterne på fire kapillærer.Fluorescensen, der udsendes af hvert emissionspunkt, kollimeres af den tilsvarende linse og adskilles i ni farvestrømme af en række dekakromatiske spejle.De resulterende 36 strømme blev derefter direkte injiceret i en CMOS-billedsensor (C11440–52U, Hamamatsu Photonics K·K.), og deres billeder blev optaget samtidigt.
ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit (Applied Biosystems), 4 µl GeneScan™ 600 LIZ™ farvestof blev blandet for hver kapillær ved at blande 1 µl PowerPlex® 6C Matrix Standard (Promega Corporation), 1 µl blandingsstørrelsesstandard.v2.0 (Thermo Fisher Scientific) og 14 µl vand.PowerPlex® 6C Matrix Standard består af seks DNA-fragmenter mærket med seks farvestoffer: FL-6C, JOE-6C, TMR-6C, CXR-6C, TOM-6C og WEN, i rækkefølge efter maksimal bølgelængde.Baselængderne af disse DNA-fragmenter er ikke beskrevet, men baselængdesekvensen af ​​DNA-fragmenter mærket med WEN, CXR-6C, TMR-6C, JOE-6C, FL-6C og TOM-6C er kendt.Blandingen i ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit indeholder et DNA-fragment mærket med dR6G-farvestof.Længderne af baserne af DNA-fragmenterne er heller ikke beskrevet.GeneScan™ 600 LIZ™ Dye Size Standard v2.0 inkluderer 36 LIZ-mærkede DNA-fragmenter.Baselængderne af disse DNA-fragmenter er 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214, 220, 240, 250, 260, 280, 300, 300, 4, 3, 4 360, 380, 400, 414, 420, 440, 460, 480, 500, 514, 520, 540, 560, 580 og 600 base.Prøverne blev denatureret ved 94°C i 3 minutter og derefter afkølet på is i 5 minutter.Prøver blev injiceret i hver kapillar ved 26 V/cm i 9 s og adskilt i hver kapillar fyldt med en POP-7™ polymeropløsning (Thermo Fisher Scientific) med en effektiv længde på 36 cm og en spænding på 181 V/cm og en vinkel på 60°.FRA.
Alle data opnået eller analyseret i løbet af denne undersøgelse er inkluderet i denne publicerede artikel og dens yderligere information.Andre data, der er relevante for denne undersøgelse, er tilgængelige fra de respektive forfattere efter rimelig anmodning.
Khan, MJ, Khan, HS, Yousaf, A., Khurshid, K., og Abbas, A. Aktuelle tendenser i hyperspektral billeddannelsesanalyse: en gennemgang.Få adgang til IEEE 6, 14118–14129.https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2812999 (2018).
Vaughan, AH Astronomisk interferometrisk Fabry-Perot spektroskopi.installere.Pastor Astron.astrofysik.5, 139-167.https://doi.org/10.1146/annurev.aa.05.090167.001035 (1967).
Goetz, AFH, Wein, G., Solomon, JE og Rock, BN Spectroscopy of Earth remote sensing billeder.Science 228, 1147-1153.https://doi.org/10.1126/science.228.4704.1147 (1985).
Yokoya, N., Grohnfeldt, C., og Chanussot, J. Fusion af hyperspektrale og multispektrale data: en sammenlignende gennemgang af nyere publikationer.IEEE Earth Sciences.Journal of remote sensing.5:29-56.https://doi.org/10.1109/MGRS.2016.2637824 (2017).
Gowen, AA, O'Donnell, SP, Cullen, PJ, Downey, G. og Frias, JM Hyperspektral billeddannelse er et nyt analytisk værktøj til kvalitetskontrol og fødevaresikkerhed.Tendenser inden for fødevarevidenskab.teknologi.18, 590-598.https://doi.org/10.1016/j.tifs.2007.06.001 (2007).
ElMasri, G., Mandour, N., Al-Rejaye, S., Belin, E. og Rousseau, D. Nylige anvendelser af multispektral billeddannelse til overvågning af frøfænotype og -kvalitet – en gennemgang.Sensorer 19, 1090 (2019).
Liang, H. Fremskridt inden for multispektral og hyperspektral billeddannelse til arkæologi og kunstbevarelse.Ansøg om en fysisk 106, 309-323.https://doi.org/10.1007/s00339-011-6689-1 (2012).
Edelman GJ, Gaston E., van Leeuwen TG, Cullen PJ og Alders MKG Hyperspektral billeddannelse til ikke-kontakt analyse af retsmedicinske spor.Kriminalistik.indre 223, 28-39.https://doi.org/10.1016/j.forsciint.2012.09.012 (2012).