nerezová ocel 321 8*1,2 vinutá trubka pro výměník tepla

Kapilární trubice

Děkujeme, že jste navštívili Nature.com.Používáte verzi prohlížeče s omezenou podporou CSS.Chcete-li dosáhnout nejlepšího výsledku, doporučujeme použít aktualizovaný prohlížeč (nebo vypnout režim kompatibility v aplikaci Internet Explorer).Abychom zajistili trvalou podporu, zobrazujeme web bez stylů a JavaScriptu.
Zobrazí karusel tří snímků najednou.Pomocí tlačítek Předchozí a Další můžete procházet třemi snímky najednou nebo pomocí tlačítek posuvníku na konci procházet třemi snímky najednou.
Byl vyvinut ultrakompaktní (54 × 58 × 8,5 mm) a širokoúhlý (1 × 7 mm) devítibarevný spektrometr, „rozdělený na dvě části“ polem deseti dichroických zrcadel, který byl použit pro okamžité spektrální zobrazování.Dopadající světelný tok s průřezem menším než je velikost apertury je rozdělen na souvislý pás široký 20 nm a devět barevných toků s centrálními vlnovými délkami 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 a 690 nm.Obrazový snímač současně efektivně měří obrazy devíti barevných proudů.Na rozdíl od konvenčních dichroických zrcadlových polí má vyvinuté dichroické zrcadlové pole unikátní dvoudílnou konfiguraci, která nejen zvyšuje počet barev, které lze měřit současně, ale také zlepšuje rozlišení obrazu pro každý barevný proud.Vyvinutý devítibarevný spektrometr se používá pro čtyřkapilární elektroforézu.Simultánní kvantitativní analýza osmi barviv migrujících současně v každé kapiláře pomocí devítibarevné laserem indukované fluorescence.Vzhledem k tomu, že devítibarevný spektrometr je nejen ultra malý a levný, ale má také vysoký světelný tok a dostatečné spektrální rozlišení pro většinu aplikací spektrálního zobrazování, může být široce používán v různých oblastech.
Hyperspektrální a multispektrální zobrazování se stalo důležitou součástí astronomie2, dálkového průzkumu Země pro pozorování Země3,4, kontroly kvality potravin a vody5,6, konzervace umění a archeologie7, forenzní vědy8, chirurgie9, biomedicínské analýzy a diagnostiky10,11 atd. Obor 1 Nepostradatelná technologie ,12,13.Metody měření spektra světla vyzařovaného každým bodem vyzařování v zorném poli se dělí na (1) bodové skenování („koště“)14,15, (2) lineární skenování („panicle“)16,17,18 , (3) délka skenuje vlny19,20,21 a (4) obrazy22,23,24,25.V případě všech těchto metod mají prostorové rozlišení, spektrální rozlišení a časové rozlišení kompromisní vztah9,10,12,26.Kromě toho má světelný výkon významný vliv na citlivost, tj. poměr signálu k šumu při spektrálním zobrazování26.Světelný tok, tedy účinnost využití světla, je přímo úměrná poměru skutečně naměřeného množství světla každého světelného bodu za jednotku času k celkovému množství světla měřeného rozsahu vlnových délek.Kategorie (4) je vhodnou metodou, když se intenzita nebo spektrum světla vyzařovaného každým vyzařovacím bodem mění s časem nebo když se poloha každého vyzařovacího bodu mění s časem, protože spektrum světla vyzařovaného všemi vyzařovacími body se měří současně.24.
Většina výše uvedených metod je kombinována s velkými, složitými a/nebo drahými spektrometry používajícími 18 mřížek nebo 14, 16, 22, 23 hranolů pro třídy (1), (2) a (4) nebo 20, 21 filtračních kotoučů, kapalinové filtry .Krystalické laditelné filtry (LCTF)25 nebo akusticko-optické laditelné filtry (AOTF)19 kategorie (3).Naproti tomu multizrcadlové spektrometry kategorie (4) jsou malé a levné díky jejich jednoduché konfiguraci27,28,29,30.Navíc mají vysoký světelný tok, protože světlo sdílené každým dichroickým zrcadlem (tedy procházející a odražené světlo dopadajícího světla na každé dichroické zrcadlo) je plně a nepřetržitě využíváno.Počet pásem vlnové délky (tj. barev), které je nutné měřit současně, je však omezen na přibližně čtyři.
Spektrální zobrazování založené na fluorescenční detekci se běžně používá pro multiplexní analýzu v biomedicínské detekci a diagnostice 10, 13 .Při multiplexování, protože více analytů (např. specifická DNA nebo proteiny) je značeno různými fluorescenčními barvivy, je každý analyt přítomný v každém emisním bodě v zorném poli kvantifikován pomocí vícesložkové analýzy.32 rozkládá detekované fluorescenční spektrum emitované každým emisním bodem.Během tohoto procesu se mohou různá barviva, z nichž každé vyzařuje jinou fluorescenci, kolokalizovat, to znamená koexistovat v prostoru a čase.V současné době je maximální počet barviv, která lze vybudit jediným laserovým paprskem, osm33.Tato horní hranice není určena spektrálním rozlišením (tj. počtem barev), ale šířkou fluorescenčního spektra (≥50 nm) a množstvím Stokesova posunu barviva (≤200 nm) při FRET (pomocí FRET)10 .Počet barev však musí být větší nebo roven počtu barviv, aby se eliminovalo spektrální překrývání směsných barviv31,32.Proto je nutné zvýšit počet současně měřených barev na osm a více.
Nedávno byl vyvinut ultrakompaktní heptachroický spektrometr (využívající pole heptychroických zrcadel a obrazový senzor k měření čtyř fluorescenčních toků).Spektrometr je o dva až tři řády menší než běžné spektrometry využívající mřížky nebo hranoly34,35.Je však obtížné umístit do spektrometru více než sedm dichroických zrcadel a současně měřit více než sedm barev36,37.S nárůstem počtu dichroických zrcadel se zvyšuje maximální rozdíl v délkách optických drah dichroických světelných toků a je obtížné zobrazit všechny světelné toky na jedné senzorické rovině.Také se zvětšuje nejdelší délka optické dráhy světelného toku, takže se zmenšuje šířka otvoru spektrometru (tj. maximální šířka světla analyzovaného spektrometrem).
V reakci na výše uvedené problémy byl vyvinut ultrakompaktní devítibarevný spektrometr s dvouvrstvým „dichroickým“ dekachromatickým zrcadlovým polem a obrazovým snímačem pro okamžité spektrální zobrazování [kategorie (4)].Oproti předchozím spektrometrům má vyvinutý spektrometr menší rozdíl v maximální délce optické dráhy a menší maximální délku optické dráhy.Byla aplikována na čtyřkapilární elektroforézu k detekci laserem indukované devítibarevné fluorescence a ke kvantifikaci současné migrace osmi barviv v každé kapiláře.Vzhledem k tomu, že vyvinutý spektrometr je nejen ultra malý a levný, ale má také vysoký světelný tok a dostatečné spektrální rozlišení pro většinu aplikací spektrálního zobrazování, může být široce používán v různých oblastech.
Tradiční devítibarevný spektrometr je znázorněn na Obr.1a.Jeho konstrukce navazuje na předchozí ultramalý sedmibarevný spektrometr 31. Skládá se z devíti dichroických zrcadel uspořádaných horizontálně pod úhlem 45° doprava a obrazový snímač (S) je umístěn nad devíti dichroickými zrcadly.Světlo vstupující zespodu (C0) je rozděleno polem devíti dichroických zrcadel do devíti světelných toků směřujících nahoru (C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 a C9).Všech devět barevných proudů je přiváděno přímo do obrazového snímače a jsou detekovány současně.V této studii jsou C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 a C9 v pořadí podle vlnových délek a jsou reprezentovány purpurovou, fialovou, modrou, azurovou, zelenou, žlutou, oranžovou, červeno-oranžovou a červená, resp.Ačkoli jsou tato barevná označení v tomto dokumentu použita, jak je znázorněno na obrázku 3, protože se liší od skutečných barev, které vidí lidské oko.
Schématická schémata konvenčních a nových devítibarevných spektrometrů.(a) Konvenční devítibarevný spektrometr s polem devíti dichroických zrcadel.(b) Nový devítibarevný spektrometr s dvouvrstvým dichroickým zrcadlovým polem.Dopadající světelný tok C0 je rozdělen do devíti barevných světelných toků C1-C9 a detekován obrazovým snímačem S.
Vyvinutý nový devítibarevný spektrometr má dvouvrstvou dichroickou zrcadlovou mřížku a obrazový snímač, jak je znázorněno na obr. 1b.Ve spodní vrstvě je pět dichroických zrcadel nakloněných o 45° doprava, zarovnaných doprava od středu pole dekamerů.V nejvyšší úrovni je pět přídavných dichroických zrcátek sklopných o 45° doleva a umístěných od středu doleva.Dichroické zrcadlo nejvíce vlevo spodní vrstvy a pravé dichroické zrcadlo horní vrstvy se navzájem překrývají.Dopadající světelný tok (C0) je zespodu rozdělen na čtyři vycházející chromatické toky (C1-C4) pěti dichroickými zrcadly vpravo a pět vycházejících chromatických toků (C5-C4) pěti dichroickými zrcadly vlevo C9).Stejně jako běžné devítibarevné spektrometry je všech devět barevných proudů přímo vstřikováno do obrazového snímače (S) a detekováno současně.Porovnáním obrázků 1a a 1b je vidět, že v případě nového devítibarevného spektrometru je maximální rozdíl i nejdelší délka optické dráhy devíti barevných toků poloviční.
Detailní konstrukce ultra-malého dvouvrstvého dichroického pole zrcadel 29 mm (šířka) × 31 mm (hloubka) × 6 mm (výška) je znázorněna na obrázku 2. Pole decimálních dichroických zrcadel se skládá z pěti dichroických zrcadel vpravo (M1-M5) a pět dichroických zrcadel vlevo (M6-M9 a další M5), každé dichroické zrcadlo je upevněno v horní hliníkové konzole.Všechna dichroická zrcadla jsou uspořádána tak, aby kompenzovala paralelní posun v důsledku lomu toku přes zrcadla.Pod M1 je pevná pásmová propust (BP).Rozměry M1 a BP jsou 10 mm (dlouhá strana) x 1,9 mm (krátká strana) x 0,5 mm (tloušťka).Rozměry zbývajících dichroických zrcadel jsou 15 mm × 1,9 mm × 0,5 mm.Rozteč matrice mezi M1 a M2 je 1,7 mm, zatímco rozteč matrice ostatních dichroických zrcadel je 1,6 mm.Na Obr.2c kombinuje dopadající světelný tok C0 a devět barevných světelných toků C1-C9, oddělených dekomorovou matricí zrcadel.
Konstrukce dvouvrstvé dichroické zrcadlové matrice.(a) Perspektivní pohled a (b) pohled v řezu na dvouvrstvé dichroické pole zrcadel (rozměry 29 mm x 31 mm x 6 mm).Skládá se z pěti dichroických zrcadel (M1-M5) umístěných ve spodní vrstvě, pěti dichroických zrcadel (M6-M9 a další M5) umístěných v horní vrstvě a pásmového filtru (BP) umístěného pod M1.(c) Pohled v řezu ve vertikálním směru s překrytím C0 a C1-C9.
Šířka otvoru ve vodorovném směru, označená šířkou C0 na obr. 2, c, je 1 mm a ve směru kolmém k rovině obr. 2, c, daná konstrukcí hliníkového držáku, – 7 mm.To znamená, že nový devítibarevný spektrometr má velkou velikost otvoru 1 mm × 7 mm.Optická dráha C4 je nejdelší mezi C1-C9 a optická dráha C4 uvnitř dichroického zrcadlového pole je díky výše uvedené ultra malé velikosti (29 mm × 31 mm × 6 mm) 12 mm.Zároveň je délka optické dráhy C5 nejkratší mezi C1-C9 a délka optické dráhy C5 je 5,7 mm.Proto je maximální rozdíl v délce optické dráhy 6,3 mm.Výše uvedené délky optické dráhy jsou korigovány na délku optické dráhy pro optický přenos M1-M9 a BP (z křemene).
Spektrální vlastnosti М1−М9 a VR jsou vypočteny tak, že toky С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8 a С9 jsou v rozsahu vlnových délek 520–540, 540–560, 580,560. –600 , 600–620, 620–640, 640–660, 660–680 a 680–700 nm.
Fotografie vyrobené matrice dekachromatických zrcadel je na obr. 3a.M1-M9 a BP jsou přilepeny k 45° sklonu a horizontální rovině hliníkové podpěry, zatímco M1 a BP jsou skryty na zadní straně obrázku.
Výroba řady dekanových zrcadel a její demonstrace.(a) Pole vyrobených dekachromatických zrcadel.b) devítibarevný rozdělený obraz o rozměrech 1 mm × 7 mm promítnutý na list papíru umístěný před polem dekachromatických zrcadel a podsvícený bílým světlem.(c) Pole dekochromatických zrcadel osvětlených zezadu bílým světlem.(d) Devítibarevný dělící proud vycházející z dekanového zrcadlového pole, pozorovaný umístěním kouřem naplněného akrylového kanystru před dekanové zrcadlové pole v c a zatemněním místnosti.
Naměřená transmisní spektra M1-M9 C0 při úhlu dopadu 45° a naměřená transmisní spektrum BP C0 při úhlu dopadu 0° jsou na Obr.4a.Transmisní spektra C1-C9 vzhledem k CO jsou znázorněna na Obr.4b.Tato spektra byla vypočtena ze spekter na Obr.4a v souladu s optickou cestou Cl-C9 na obr. 4a.lb a 2c.Například 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)] jsou transmisní a reflexní spektra X.Jak je znázorněno na obrázku 4b, šířky pásma (šířka pásma ≥50 %) C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 a C9 jsou 521-540, 541-562, 563-580, 581-602, 603 -623, 624-641, 642-657, 659-680 a 682-699 nm.Tyto výsledky jsou v souladu s vyvinutými rozsahy.Kromě toho je účinnost využití světla C0 vysoká, to znamená, že průměrná maximální propustnost světla C1-C9 je 92 %.
Transmisní spektra dichroického zrcadla a rozděleného devítibarevného toku.(a) Naměřená transmisní spektra M1-M9 při dopadu 45° a BP při dopadu 0°.(b) Transmisní spektra C1–C9 vzhledem k C0 vypočtená z (a).
Na Obr.3c je pole dichroických zrcadel umístěno vertikálně, takže jeho pravá strana na obr. 3a je horní strana a bílý paprsek kolimované LED (C0) je podsvícen.Pole dekachromatických zrcadel znázorněné na obrázku 3a je namontováno v adaptéru 54 mm (výška) × 58 mm (hloubka) × 8,5 mm (tloušťka).Na Obr.3d, kromě stavu znázorněného na Obr.3c byla akrylová nádrž naplněná kouřem umístěna před řadu dekochromatických zrcadel, přičemž světla v místnosti byla zhasnutá.Výsledkem je, že v nádrži je viditelných devět dichroických proudů, které vycházejí z řady dekachromatických zrcadel.Každý dělený proud má obdélníkový průřez o rozměrech 1 × 7 mm, což odpovídá velikosti otvoru nového devítibarevného spektrometru.Na obrázku 3b je list papíru umístěn před polem dichroických zrcadel na obrázku 3c a ze směru pohybu papíru je pozorován obraz 1 x 7 mm devíti dichroických proudů promítnutých na papír.proudy.Devět barevných separačních proudů na Obr.3b a d jsou C4, C3, C2, C1, C5, C6, C7, C8 a C9 shora dolů, což lze také vidět na obrázcích 1 a 2. lb a 2c.Jsou pozorovány v barvách odpovídajících jejich vlnovým délkám.Vzhledem k nízké intenzitě bílého světla LED (viz doplňkový obr. S3) a citlivosti barevné kamery použité k zachycení C9 (682–699 nm) na obr. jsou ostatní dělicí toky slabé.Podobně byla C9 slabě viditelná pouhým okem.Mezitím C2 (druhý proud shora) vypadá na obrázku 3 zeleně, ale pouhým okem vypadá žlutěji.
Přechod z obrázku 3c do d je znázorněn v doplňkovém videu 1. Ihned poté, co bílé světlo z LED projde dekachromatickým polem zrcadel, rozdělí se současně do devíti barevných proudů.Nakonec se kouř v kádi postupně rozptýlil odshora dolů, takže shora dolů zmizelo i devět barevných prášků.Naproti tomu v doplňkovém videu 2, kdy byla vlnová délka světelného toku dopadajícího na pole dekachromatických zrcadel změněna z dlouhé na krátkou v řádu 690, 671, 650, 632, 610, 589, 568, 550 a 532 nm ., Zobrazí se pouze odpovídající rozdělené toky devíti rozdělených toků v pořadí C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 a C1.Akrylátový zásobník je nahrazen křemenným bazénem a vločky každého posunutého toku lze jasně pozorovat ze svažujícího se směru nahoru.Kromě toho se dílčí video 3 upraví tak, že se část dílčího videa 2 se změnou vlnové délky přehraje.Toto je nejvýmluvnější vyjádření vlastností dekochromatického pole zrcadel.
Výše uvedené výsledky ukazují, že vyrobené dekachromatické pole zrcadel nebo nový devítibarevný spektrometr funguje tak, jak bylo zamýšleno.Nový devítibarevný spektrometr je tvořen montáží řady dekachromatických zrcadel s adaptéry přímo na desku obrazového snímače.
Světelný tok s rozsahem vlnových délek od 400 do 750 nm, vyzařovaný čtyřmi radiačními body φ50 μm, umístěnými v 1mm intervalech ve směru kolmém k rovině obr. 2c, respektive Researches 31, 34. Čtyřčočkové pole se skládá z čtyři čočky φ1 mm s ohniskovou vzdáleností 1,4 mm a roztečí 1 mm.Čtyři kolimované proudy (čtyři C0) dopadají na DP nového devítibarevného spektrometru, rozmístěné v intervalech 1 mm.Pole dichroických zrcadel rozděluje každý proud (C0) do devíti barevných proudů (C1-C9).Výsledných 36 toků (čtyři sady C1-C9) je pak vstřikováno přímo do obrazového snímače CMOS (S) přímo připojeného k poli dichroických zrcadel.V důsledku toho, jak je znázorněno na obr. 5a, v důsledku malého rozdílu maximální optické dráhy a krátké maximální optické dráhy byly obrazy všech 36 proudů detekovány současně a jasně se stejnou velikostí.Podle následných spekter (viz doplňkový obrázek S4) je intenzita obrazu čtyř skupin C1, C2 a C3 relativně nízká.Třicet šest snímků mělo velikost 0,57 ± 0,05 mm (průměr ± SD).Zvětšení obrazu tedy bylo v průměru 11,4.Vertikální vzdálenost mezi obrazy je v průměru 1 mm (stejná vzdálenost jako pole čoček) a horizontální vzdálenost je v průměru 1,6 mm (stejná vzdálenost jako u pole dichroických zrcadel).Protože je velikost obrazu mnohem menší než vzdálenost mezi obrazy, lze každý obraz měřit nezávisle (s nízkým přeslechem).Mezitím snímky dvaceti osmi proudů zaznamenaných konvenčním sedmibarevným spektrometrem použitým v naší předchozí studii jsou zobrazeny na obr. 5 B. Pole sedmi dichroických zrcadel bylo vytvořeno odstraněním dvou nejpravějších dichroických zrcadel z pole devíti dichroických zrcadel. zrcadla na obrázku 1a.Ne všechny snímky jsou ostré, velikost snímku se zvyšuje z C1 na C7.Dvacet osm snímků má velikost 0,70 ± 0,19 mm.Je tedy obtížné udržet vysoké rozlišení u všech snímků.Variační koeficient (CV) pro velikost obrázku 28 na obrázku 5b byl 28 %, zatímco CV pro velikost obrázku 36 na obrázku 5a se snížil na 9 %.Výše uvedené výsledky ukazují, že nový devítibarevný spektrometr nejen zvyšuje počet současně měřených barev ze sedmi na devět, ale má také vysoké rozlišení obrazu pro každou barvu.
Porovnání kvality děleného obrazu tvořeného konvenčními a novými spektrometry.(a) Čtyři skupiny devítibarevně oddělených snímků (C1-C9) generovaných novým devítibarevným spektrometrem.(b) Čtyři sady sedmibarevně oddělených snímků (C1-C7) vytvořených konvenčním sedmibarevným spektrometrem.Toky (C0) s vlnovými délkami od 400 do 750 nm ze čtyř emisních bodů jsou kolimovány a dopadají na každý spektrometr.
Spektrální charakteristiky devítibarevného spektrometru byly vyhodnoceny experimentálně a výsledky vyhodnocení jsou uvedeny na obrázku 6. Všimněte si, že obrázek 6a ukazuje stejné výsledky jako obrázek 5a, tj. při vlnových délkách 4 C0 400–750 nm je detekováno všech 36 snímků (4 skupiny C1–C9).Naopak, jak je znázorněno na obr. 6b–j, když má každý C0 specifickou vlnovou délku 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 nebo 690 nm, existují téměř pouze čtyři odpovídající obrázky (čtyři detekované skupiny C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 nebo C9).Některé ze snímků sousedících se čtyřmi odpovídajícími snímky jsou však detekovány velmi slabě, protože transmisní spektra C1–C9 znázorněná na obr. 4b se mírně překrývají a každý C0 má pásmo 10 nm na specifické vlnové délce, jak je popsáno v metodě.Tyto výsledky jsou v souladu se spektry přenosu C1-C9 ukázanými na Obr.4b a doplňková videa 2 a 3. Jinými slovy, devítibarevný spektrometr pracuje podle očekávání na základě výsledků uvedených na Obr.4b.Proto se dospělo k závěru, že distribuce intenzity obrazu C1-C9 je spektrem každého CO.
Spektrální charakteristiky devítibarevného spektrometru.Nový devítibarevný spektrometr generuje čtyři sady devítibarevně oddělených snímků (C1-C9), když dopadající světlo (čtyři C0) má vlnovou délku (a) 400-750 nm (jak je znázorněno 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, respektive.
Vyvinutý devítibarevný spektrometr byl použit pro čtyřkapilární elektroforézu (podrobnosti viz Doplňkové materiály)31,34,35.Čtyřkapilární matrice se skládá ze čtyř kapilár (vnější průměr 360 μm a vnitřní průměr 50 μm) umístěných v 1 mm intervalech v místě laserového ozařování.Vzorky obsahující fragmenty DNA značené 8 barvivy, konkrétně FL-6C (barvivo 1), JOE-6C (barvivo 2), dR6G (barvivo 3), TMR-6C (barvivo 4), CXR-6C (barvivo 5), TOM- 6C (barvivo 6), LIZ (barvivo 7) a WEN (barvivo 8) ve vzestupném pořadí podle fluorescenční vlnové délky, oddělené v každé ze čtyř kapilár (dále označované jako Capl, Cap2, Cap3 a Cap4).Laserem indukovaná fluorescence z Cap1-Cap4 byla kolimována polem čtyř čoček a současně zaznamenána devítibarevným spektrometrem.Dynamika intenzity devítibarevné (C1-C9) fluorescence během elektroforézy, tj. devítibarevného elektroforegramu každé kapiláry, je znázorněna na obr. 7a.Ekvivalentní devítibarevný elektroforegram se získá v Cap1-Cap4.Jak je naznačeno šipkami Cap1 na obrázku 7a, osm píku na každém devítibarevném elektroforegramu ukazuje jednu fluorescenční emisi z Dye1-Dye8, v daném pořadí.
Současná kvantifikace osmi barviv pomocí devítibarevného čtyřkapilárního elektroforetického spektrometru.(a) Devítibarevný (C1-C9) elektroforegram každé kapiláry.Osm píku označených šipkami Cap1 ukazuje jednotlivé fluorescenční emise osmi barviv (Dye1-Dye8).Barvy šipek odpovídají barvám (b) a (c).(b) Fluorescenční spektra osmi barviv (Dye1-Dye8) na kapiláru.c Elektroferogramy osmi barviv (Dye1-Dye8) na kapiláru.Vrcholy fragmentů DNA značených Dye7 jsou označeny šipkami a jsou označeny délky jejich bází Cap4.
Distribuce intenzity C1–C9 na osmi vrcholech jsou znázorněny na Obr.7b.Protože C1-C9 i Dye1-Dye8 jsou v pořadí vlnových délek, osm distribucí na obr. 7b ukazuje fluorescenční spektra Dye1-Dye8 postupně zleva doprava.V této studii se Dye1, Dye2, Dye3, Dye4, Dye5, Dye6, Dye7 a Dye8 objevují v purpurové, fialové, modré, azurové, zelené, žluté, oranžové a červené barvě.Všimněte si, že barvy šipek na obr. 7a odpovídají barvám barviva na obr. 7b.Intenzity fluorescence C1-C9 pro každé spektrum na obrázku 7b byly normalizovány tak, že jejich součet je roven jedné.Osm ekvivalentních fluorescenčních spekter bylo získáno z Cap1-Cap4.Lze jasně pozorovat spektrální překrytí fluorescence mezi barvivem 1-barvivem 8.
Jak je znázorněno na obrázku 7c, pro každou kapiláru byl devítibarevný elektroforegram na obrázku 7a převeden na elektroforegram s osmi barvivy pomocí vícesložkové analýzy založené na osmi fluorescenčních spektrech na obrázku 7b (podrobnosti viz doplňkové materiály).Protože spektrální překrytí fluorescence na obrázku 7a není zobrazeno na obrázku 7c, Dye1-Dye8 lze identifikovat a kvantifikovat individuálně v každém časovém bodě, i když různá množství Dye1-Dye8 fluoreskují ve stejnou dobu.Toho nelze dosáhnout tradiční sedmibarevnou detekcí31, ale lze toho dosáhnout vyvinutou devítibarevnou detekcí.Jak ukazují šipky Cap1 na obr. 7c, pouze fluorescenční emisní singlety Dye3 (modrá), Dye8 (červená), Dye5 (zelená), Dye4 (azurová), Dye2 (fialová), Dye1 (purpurová) a Dye6 (žlutá). ) jsou sledovány v očekávaném chronologickém pořadí.Pro fluorescenční emisi barviva 7 (oranžová) bylo kromě jediného píku označeného oranžovou šipkou pozorováno několik dalších jednotlivých píku.Tento výsledek je způsoben tím, že vzorky obsahovaly velikostní standardy, Dye7 značené fragmenty DNA s různými délkami bází.Jak je znázorněno na obrázku 7c, pro Cap4 jsou tyto základní délky 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214 a 220 základních délek.
Hlavními rysy devítibarevného spektrometru, vyvinutého pomocí matice dvouvrstvých dichroických zrcadel, jsou malé rozměry a jednoduchý design.Protože pole dekachromatických zrcadel uvnitř adaptéru znázorněného na obr.3c namontovaný přímo na desce obrazového snímače (viz obr. S1 a S2), devítibarevný spektrometr má stejné rozměry jako adaptér, tedy 54 × 58 × 8,5 mm.(tloušťka) .Tato ultra malá velikost je o dva až tři řády menší než běžné spektrometry, které používají mřížky nebo hranoly.Navíc, protože devítibarevný spektrometr je konfigurován tak, že světlo dopadá na povrch obrazového snímače kolmo, lze pro devítibarevný spektrometr snadno přidělit prostor v systémech, jako jsou mikroskopy, průtokové cytometry nebo analyzátory.Analyzátor elektroforézy s kapilární mřížkou pro ještě větší miniaturizaci systému.Přitom velikost deseti dichroických zrcadel a pásmových filtrů použitých v devítibarevném spektrometru je pouze 10×1,9×0,5 mm nebo 15×1,9×0,5 mm.Tedy více než 100 takových malých dichroických zrcadel a pásmových filtrů, v tomto pořadí, může být vyříznuto z dichroického zrcadla a 60 mm2 pásmového filtru.Proto lze pole dekachromatických zrcadel vyrobit s nízkými náklady.
Další vlastností devítibarevného spektrometru jsou jeho vynikající spektrální charakteristiky.Umožňuje zejména pořizování spektrálních snímků snímků, tedy současné pořizování snímků se spektrální informací.Pro každý snímek bylo získáno spojité spektrum s rozsahem vlnových délek od 520 do 700 nm a rozlišením 20 nm.Jinými slovy, pro každý snímek je detekováno devět barevných intenzit světla, tj. devět pásem 20 nm rovnoměrně rozdělujících rozsah vlnových délek od 520 do 700 nm.Změnou spektrálních charakteristik dichroického zrcadla a pásmového filtru lze upravit rozsah vlnových délek devíti pásem a šířku každého pásma.Detekce devíti barev může být použita nejen pro fluorescenční měření se spektrálním zobrazováním (jak je popsáno v této zprávě), ale také pro mnoho dalších běžných aplikací využívajících spektrální zobrazování.Přestože hyperspektrální zobrazování dokáže detekovat stovky barev, bylo zjištěno, že i při výrazném snížení počtu detekovatelných barev lze identifikovat více objektů v zorném poli s dostatečnou přesností pro mnoho aplikací38,39,40.Protože prostorové rozlišení, spektrální rozlišení a časové rozlišení mají kompromis ve spektrálním zobrazování, snížení počtu barev může zlepšit prostorové rozlišení a časové rozlišení.Může také používat jednoduché spektrometry, jako je ten vyvinutý v této studii, a dále snížit množství výpočtů.
V této studii bylo kvantifikováno osm barviv současně spektrální separací jejich překrývajících se fluorescenčních spekter na základě detekce devíti barev.Současně lze kvantifikovat až devět barviv koexistujících v čase a prostoru.Zvláštní předností devítibarevného spektrometru je vysoký světelný tok a velká apertura (1 × 7 mm).Dekanové pole zrcadel má maximální propustnost 92 % světla z apertury v každém z devíti rozsahů vlnových délek.Účinnost využití dopadajícího světla v rozsahu vlnových délek od 520 do 700 nm je téměř 100 %.V tak širokém rozsahu vlnových délek nemůže žádná difrakční mřížka poskytnout tak vysokou účinnost použití.I když difrakční účinnost difrakční mřížky překročí 90 % při určité vlnové délce, s rostoucím rozdílem mezi touto vlnovou délkou a konkrétní vlnovou délkou se účinnost difrakce na jiné vlnové délce snižuje41.Šířka otvoru kolmá ke směru roviny na obr. 2c může být rozšířena ze 7 mm na šířku obrazového snímače, jako je tomu v případě obrazového snímače použitého v této studii, mírnou úpravou dekamerového pole.
Devítibarevný spektrometr lze použít nejen pro kapilární elektroforézu, jak ukazuje tato studie, ale také pro různé další účely.Například, jak je znázorněno na obrázku níže, devítibarevný spektrometr může být aplikován na fluorescenční mikroskop.Rovina vzorku je zobrazena na obrazovém snímači devítibarevného spektrometru přes 10x objektiv.Optická vzdálenost mezi čočkou objektivu a obrazovým snímačem je 200 mm, zatímco optická vzdálenost mezi dopadajícím povrchem devítibarevného spektrometru a obrazovým snímačem je pouze 12 mm.Proto byl snímek v rovině dopadu oříznut přibližně na velikost otvoru (1 × 7 mm) a rozdělen do devíti barevných snímků.To znamená, že spektrální snímek devítibarevného snímku lze pořídit na ploše 0,1 × 0,7 mm v rovině vzorku.Kromě toho je možné získat devítibarevný spektrální obraz větší oblasti na rovině vzorku skenováním vzorku vzhledem k objektivu v horizontálním směru na obr. 2c.
Komponenty dekachromatického pole zrcadel, jmenovitě M1-M9 a BP, byly vyrobeny na zakázku společností Asahi Spectra Co., Ltd. pomocí standardních precipitačních metod.Vícevrstvé dielektrické materiály byly naneseny jednotlivě na deset křemenných desek o velikosti 60 × 60 mm a tloušťce 0,5 mm, splňující následující požadavky: M1: IA = 45°, R ≥ 90 % při 520–590 nm, Tave ≥ 90 % při 610– 610 nm.700 nm, M2: IA = 45°, R ≥ 90 % při 520–530 nm, Tave ≥ 90 % při 550–600 nm, M3: IA = 45°, R ≥ 90 % při 540–550 nm, Tave ≥ 9 % při 570–600 nm, M4: IA = 45°, R ≥ 90 % při 560–570 nm, Tave ≥ 90 % při 590–600 nm, M5: IA = 45°, R ≥ 98 % při 580–600 nm , R ≥ 98 % při 680–700 nm, M6: IA = 45°, Tave ≥ 90 % při 600–610 nm, R ≥ 90 % při 630–700 nm, M7: IA = 45°, R ≥ 90 % při 620–630 nm, Taw ≥ 90 % při 650–700 nm, M8: IA = 45°, R ≥ 90 % při 640–650 nm, Taw ≥ 90 % při 670–700 nm, M9: IA = 45°, R ≥ 90 % při 650-670 nm, Tave ≥ 90 % při 690-700 nm, BP: IA = 0°, T ≤ 0,01 % při 505 nm, Tave ≥ 95 % při 530-690 nm při 5309 nm ≥ 9 % T při -690 nm a T < 1 % při 725-750 nm, kde IA, T, Tave a R jsou úhel dopadu, propustnost, průměrná propustnost a odrazivost nepolarizovaného světla.
Bílé světlo (C0) s rozsahem vlnových délek 400–750 nm emitované světelným zdrojem LED (AS 3000, AS ONE CORPORATION) bylo kolimováno a dopadlo vertikálně na DP pole dichroických zrcadel.Spektrum bílého světla LED je znázorněno na doplňkovém obrázku S3.Umístěte akrylovou nádrž (rozměry 150 × 150 × 30 mm) přímo před pole zrcadel dekamera, naproti PSU.Kouř vzniklý při ponoření suchého ledu do vody byl poté nalit do akrylové nádrže, aby bylo možné pozorovat devítibarevné rozdělené proudy C1-C9 vycházející z pole dekachromatických zrcadel.
Alternativně kolimované bílé světlo (C0) prochází filtrem před vstupem do DP.Filtry byly původně neutrální filtry s optickou hustotou 0,6.Poté použijte motorizovaný filtr (FW212C, FW212C, Thorlabs).Nakonec ND filtr znovu zapněte.Šířky pásma devíti pásmových filtrů odpovídají C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 a C1.Křemenná cela s vnitřními rozměry 40 (optická délka) x 42,5 (výška) x 10 mm (šířka) byla umístěna před polem dekochromatických zrcadel naproti BP.Kouř je pak přiváděn trubicí do křemenné cely, aby se udržela koncentrace kouře v křemenné cele pro vizualizaci devítibarevných rozdělených proudů C1-C9 vycházejících z dekachromatického pole zrcadel.
Video devítibarevného rozděleného světelného proudu vycházejícího z řady dekanických zrcadel bylo zachyceno v režimu časosběrného snímání na iPhone XS.Zachyťte snímky scény rychlostí 1 sn./s a zkompilujte snímky pro vytvoření videa s frekvencí 30 sn./s (pro volitelné video 1) nebo 24 sn./s (pro volitelná videa 2 a 3).
Umístěte 50 µm silnou desku z nerezové oceli (se čtyřmi otvory o průměru 50 µm v 1 mm intervalech) na difuzní desku.Světlo o vlnové délce 400-750 nm je ozařováno na desku difuzéru, získané průchodem světla z halogenové lampy přes krátký transmisní filtr s mezní vlnovou délkou 700 nm.Světelné spektrum je znázorněno na doplňkovém obrázku S4.Alternativně světlo také prochází jedním z 10 nm pásmových filtrů se středem na 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 a 690 nm a dopadá na desku difuzéru.V důsledku toho se na desce z nerezové oceli naproti desce difuzoru vytvořily čtyři body záření o průměru φ50 μm a různých vlnových délkách.
Čtyřkapilární pole se čtyřmi čočkami je namontováno na devítibarevném spektrometru, jak je znázorněno na obrázcích 1 a 2. C1 a C2.Čtyři kapiláry a čtyři čočky byly stejné jako v předchozích studiích31,34.Laserový paprsek o vlnové délce 505 nm a výkonu 15 mW je ozařován současně a rovnoměrně ze strany do emisních bodů čtyř kapilár.Fluorescence emitovaná každým emisním bodem je kolimována odpovídající čočkou a rozdělena do devíti barevných proudů polem dekachromatických zrcadel.Výsledných 36 proudů bylo poté přímo injektováno do obrazového snímače CMOS (C11440–52U, Hamamatsu Photonics K·K.) a jejich snímky byly současně zaznamenávány.
ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit (Applied Biosystems), 4 µl barviva GeneScan™ 600 LIZ™ byly smíchány pro každou kapiláru smícháním 1 µl standardu PowerPlex® 6C Matrix Standard (Promega Corporation), 1 µl standardu velikosti směsi.v2.0 (Thermo Fisher Scientific) a 14 µl vody.PowerPlex® 6C Matrix Standard se skládá ze šesti fragmentů DNA značených šesti barvivy: FL-6C, JOE-6C, TMR-6C, CXR-6C, TOM-6C a WEN, v pořadí podle maximální vlnové délky.Délky bází těchto fragmentů DNA nejsou popsány, ale je známa sekvence délky bází fragmentů DNA značených WEN, CXR-6C, TMR-6C, JOE-6C, FL-6C a TOM-6C.Směs v ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit obsahuje fragment DNA značený barvivem dR6G.Délky bází fragmentů DNA také nejsou popsány.GeneScan™ 600 LIZ™ Dye Size Standard v2.0 obsahuje 36 fragmentů DNA značených LIZ.Délky bází těchto fragmentů DNA jsou 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 báze.Vzorky byly denaturovány při 94 °C po dobu 3 minut, poté ochlazeny na ledu po dobu 5 minut.Vzorky byly injikovány do každé kapiláry při 26 V/cm po dobu 9 s a separovány v každé kapiláře naplněné roztokem polymeru POP-7™ (Thermo Fisher Scientific) s efektivní délkou 36 cm a napětím 181 V/cm a úhel 60°.Z.
Všechna data získaná nebo analyzovaná v průběhu této studie jsou zahrnuta v tomto publikovaném článku a jeho dalších informacích.Další údaje relevantní pro tuto studii jsou k dispozici od příslušných autorů na základě přiměřené žádosti.
Khan, MJ, Khan, HS, Yousaf, A., Khurshid, K. a Abbas, A. Současné trendy v analýze hyperspektrálního zobrazování: přehled.Přístup k IEEE 6, 14118–14129.https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2812999 (2018).
Vaughan, AH Astronomická interferometrická Fabry-Perotova spektroskopie.Nainstalujte.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. Fúze hyperspektrálních a multispektrálních dat: srovnávací přehled nedávných publikací.IEEE vědy o Zemi.Žurnál dálkového průzkumu Země.5:29–56.https://doi.org/10.1109/MGRS.2016.2637824 (2017).
Gowen, AA, O'Donnell, SP, Cullen, PJ, Downey, G. a Frias, JM Hyperspektrální zobrazování je nový analytický nástroj pro kontrolu kvality a bezpečnost potravin.Trendy v potravinářství.technika.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. Nedávné aplikace multispektrálního zobrazování pro monitorování fenotypu a kvality semen – přehled.Senzory 19, 1090 (2019).
Liang, H. Pokroky v multispektrálním a hyperspektrálním zobrazování pro archeologii a ochranu umění.Požádejte o fyzické číslo 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 Hyperspektrální zobrazování pro bezkontaktní analýzu forenzních stop.Kriminalistika.vnitřní 223, 28-39.https://doi.org/10.1016/j.forsciint.2012.09.012 (2012).