Terima kasih kerana melawat Nature.com.Anda menggunakan versi penyemak imbas dengan sokongan CSS terhad.Untuk pengalaman terbaik, kami mengesyorkan agar anda menggunakan penyemak imbas yang dikemas kini (atau lumpuhkan Mod Keserasian dalam Internet Explorer).Di samping itu, untuk memastikan sokongan berterusan, kami menunjukkan tapak tanpa gaya dan JavaScript.
Memaparkan karusel tiga slaid serentak.Gunakan butang Sebelum dan Seterusnya untuk bergerak melalui tiga slaid pada satu masa, atau gunakan butang gelangsar pada penghujung untuk bergerak melalui tiga slaid pada satu masa.
Spektrometer sembilan warna ultra-kompak (54 × 58 × 8.5 mm) dan bukaan lebar (1 × 7 mm) telah dibangunkan, "dibelah dua" oleh susunan sepuluh cermin dichroic, yang digunakan untuk pengimejan spektrum serta-merta.Fluks cahaya kejadian dengan keratan rentas yang lebih kecil daripada saiz apertur dibahagikan kepada jalur berterusan 20 nm lebar dan sembilan fluks warna dengan panjang gelombang pusat 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 dan 690 nm.Imej sembilan aliran warna secara serentak diukur dengan cekap oleh penderia imej.Tidak seperti tatasusunan cermin dichroic konvensional, tatasusunan cermin dichroic yang dibangunkan mempunyai konfigurasi dua keping yang unik, yang bukan sahaja meningkatkan bilangan warna yang boleh diukur secara serentak, tetapi juga meningkatkan resolusi imej untuk setiap aliran warna.Spektrometer sembilan warna yang dibangunkan digunakan untuk elektroforesis empat kapilari.Analisis kuantitatif serentak lapan pewarna berhijrah serentak dalam setiap kapilari menggunakan pendarfluor akibat laser sembilan warna.Oleh kerana spektrometer sembilan warna bukan sahaja sangat kecil dan murah, tetapi juga mempunyai fluks bercahaya tinggi dan resolusi spektrum yang mencukupi untuk kebanyakan aplikasi pengimejan spektrum, ia boleh digunakan secara meluas dalam pelbagai bidang.
Pengimejan hiperspektral dan pelbagai spektrum telah menjadi bahagian penting dalam astronomi2, penderiaan jauh untuk pemerhatian Bumi3,4, kawalan kualiti makanan dan air5,6, pemuliharaan seni dan arkeologi7, forensik8, pembedahan9, analisis bioperubatan dan diagnostik10,11 dsb. Bidang 1 Teknologi yang sangat diperlukan ,12,13.Kaedah untuk mengukur spektrum cahaya yang dipancarkan oleh setiap titik pancaran dalam bidang pandangan dibahagikan kepada (1) pengimbasan titik (“penyapu”)14,15, (2) pengimbasan linear (“panicle”)16,17,18 , (3) panjang mengimbas gelombang19,20,21 dan (4) imej22,23,24,25.Dalam kes semua kaedah ini, resolusi spatial, resolusi spektrum dan resolusi temporal mempunyai hubungan trade-off9,10,12,26.Di samping itu, output cahaya mempunyai kesan yang ketara ke atas sensitiviti, iaitu nisbah isyarat-kepada-bunyi dalam pengimejan spektrum26.Fluks bercahaya, iaitu kecekapan menggunakan cahaya, adalah berkadar terus dengan nisbah jumlah cahaya yang diukur sebenar setiap titik bercahaya seunit masa kepada jumlah cahaya julat panjang gelombang yang diukur.Kategori (4) ialah kaedah yang sesuai apabila keamatan atau spektrum cahaya yang dipancarkan oleh setiap titik pemancar berubah mengikut masa atau apabila kedudukan setiap titik pemancar berubah mengikut masa kerana spektrum cahaya yang dipancarkan oleh semua titik pemancar diukur secara serentak.24.
Kebanyakan kaedah di atas digabungkan dengan spektrometer besar, kompleks dan/atau mahal menggunakan 18 grating atau 14, 16, 22, 23 prisma untuk kelas (1), (2) dan (4) atau 20, 21 cakera penapis, penapis cecair .Penapis boleh tala kristal (LCTF)25 atau penapis boleh tala optik (AOTF)19 kategori (3).Sebaliknya, spektrometer berbilang cermin kategori (4) adalah kecil dan murah kerana konfigurasi mudahnya27,28,29,30.Di samping itu, ia mempunyai fluks bercahaya yang tinggi kerana cahaya yang dikongsi oleh setiap cermin dichroic (iaitu, cahaya yang dipancarkan dan dipantulkan cahaya kejadian pada setiap cermin dichroic) digunakan sepenuhnya dan berterusan.Walau bagaimanapun, bilangan jalur panjang gelombang (iaitu warna) yang mesti diukur secara serentak dihadkan kepada kira-kira empat.
Pengimejan spektrum berdasarkan pengesanan pendarfluor biasanya digunakan untuk analisis multipleks dalam pengesanan dan diagnostik bioperubatan 10, 13 .Dalam pemultipleksan, memandangkan berbilang analit (cth, DNA atau protein tertentu) dilabelkan dengan pewarna pendarfluor yang berbeza, setiap analit yang hadir pada setiap titik pancaran dalam bidang pandangan dikira menggunakan analisis multikomponen.32 memecahkan spektrum pendarfluor yang dikesan yang dipancarkan oleh setiap titik pancaran.Semasa proses ini, pewarna yang berbeza, masing-masing mengeluarkan pendarfluor yang berbeza, boleh berkolokalisasi, iaitu, wujud bersama dalam ruang dan masa.Pada masa ini, bilangan maksimum pewarna yang boleh diuja oleh pancaran laser tunggal ialah lapan33.Had atas ini tidak ditentukan oleh resolusi spektrum (iaitu, bilangan warna), tetapi oleh lebar spektrum pendarfluor (≥50 nm) dan jumlah anjakan Stokes pewarna (≤200 nm) pada FRET (menggunakan FRET)10 .Walau bagaimanapun, bilangan warna mestilah lebih besar daripada atau sama dengan bilangan pewarna untuk menghapuskan pertindihan spektrum pewarna campuran31,32.Oleh itu, adalah perlu untuk meningkatkan bilangan warna yang diukur secara serentak kepada lapan atau lebih.
Baru-baru ini, spektrometer heptachroic ultra-kompak (menggunakan susunan cermin heptychroic dan sensor imej untuk mengukur empat fluks pendarfluor) telah dibangunkan.Spektrometer adalah dua hingga tiga urutan magnitud lebih kecil daripada spektrometer konvensional menggunakan grating atau prisma34,35.Walau bagaimanapun, adalah sukar untuk meletakkan lebih daripada tujuh cermin dikroik dalam spektrometer dan pada masa yang sama mengukur lebih daripada tujuh warna36,37.Dengan peningkatan dalam bilangan cermin dichroic, perbezaan maksimum dalam panjang laluan optik fluks cahaya dichroic meningkat, dan menjadi sukar untuk memaparkan semua fluks cahaya pada satu satah deria.Panjang laluan optik terpanjang bagi fluks cahaya juga meningkat, jadi lebar apertur spektrometer (iaitu lebar maksimum cahaya yang dianalisis oleh spektrometer) berkurangan.
Sebagai tindak balas kepada masalah di atas, spektrometer sembilan warna ultra padat dengan tatasusunan cermin dekachromatik "dichroic" dua lapisan dan sensor imej untuk pengimejan spektrum segera [kategori (4)] telah dibangunkan.Berbanding dengan spektrometer sebelumnya, spektrometer yang dibangunkan mempunyai perbezaan yang lebih kecil dalam panjang laluan optik maksimum dan panjang laluan optik maksimum yang lebih kecil.Ia telah digunakan pada elektroforesis empat kapilari untuk mengesan pendarfluor sembilan warna yang disebabkan oleh laser dan untuk mengukur penghijrahan serentak lapan pewarna dalam setiap kapilari.Memandangkan spektrometer yang dibangunkan bukan sahaja sangat kecil dan murah, tetapi juga mempunyai fluks bercahaya yang tinggi dan resolusi spektrum yang mencukupi untuk kebanyakan aplikasi pengimejan spektrum, ia boleh digunakan secara meluas dalam pelbagai bidang.
Spektrometer sembilan warna tradisional ditunjukkan dalam rajah.1a.Reka bentuknya mengikuti spektrometer tujuh warna ultra-kecil sebelumnya 31. Ia terdiri daripada sembilan cermin dichroic yang disusun secara mendatar pada sudut 45° ke kanan, dan penderia imej (S) terletak di atas sembilan cermin dichroic.Cahaya yang masuk dari bawah (C0) dibahagikan dengan susunan sembilan cermin dikroik kepada sembilan aliran cahaya naik (C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 dan C9).Kesemua sembilan aliran warna disalurkan terus ke penderia imej dan dikesan serentak.Dalam kajian ini, C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, dan C9 adalah mengikut urutan panjang gelombang dan diwakili oleh magenta, ungu, biru, cyan, hijau, kuning, oren, merah-oren, dan merah, masing-masing.Walaupun sebutan warna ini digunakan dalam dokumen ini, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3, kerana ia berbeza daripada warna sebenar yang dilihat oleh mata manusia.
Gambar rajah skema spektrometer sembilan warna konvensional dan baharu.(a) Spektrometer sembilan warna konvensional dengan susunan sembilan cermin dikroik.(b) Spektrometer sembilan warna baharu dengan susunan cermin dikroik dua lapisan.Fluks cahaya kejadian C0 dibahagikan kepada sembilan fluks cahaya berwarna C1-C9 dan dikesan oleh sensor imej S.
Spektrometer sembilan warna baharu yang dibangunkan mempunyai parut cermin dikroik dua lapisan dan penderia imej, seperti ditunjukkan dalam Rajah 1b.Di tingkat bawah, lima cermin dikroik dicondongkan 45° ke kanan, dijajarkan ke kanan dari tengah susunan dekamer.Di peringkat atas, lima cermin dichroic tambahan dicondongkan 45° ke kiri dan terletak dari tengah ke kiri.Cermin dikroik paling kiri pada lapisan bawah dan cermin dikroik paling kanan pada lapisan atas bertindih antara satu sama lain.Fluks cahaya kejadian (C0) dibahagikan dari bawah kepada empat fluks kromatik keluar (C1-C4) oleh lima cermin dikroik di sebelah kanan dan lima fluks kromatik keluar (C5-C4) oleh lima cermin dikroik di sebelah kiri C9).Seperti spektrometer sembilan warna konvensional, kesemua sembilan aliran warna disuntik terus ke dalam penderia imej (S) dan dikesan serentak.Membandingkan Rajah 1a dan 1b, seseorang boleh melihat bahawa dalam kes spektrometer sembilan warna baharu, kedua-dua perbezaan maksimum dan panjang laluan optik terpanjang bagi sembilan fluks warna dibahagi dua.
Pembinaan terperinci tatasusunan cermin dikroik dua lapisan ultra-kecil 29 mm (lebar) × 31 mm (kedalaman) × 6 mm (tinggi) ditunjukkan dalam Rajah 2. Tatasusunan cermin dikroik perpuluhan terdiri daripada lima cermin dikroik di sebelah kanan (M1-M5) dan lima cermin dikroik di sebelah kiri ( M6-M9 dan satu lagi M5), setiap cermin dikroik dipasang pada pendakap aluminium atas.Semua cermin dikroik berperingkat untuk mengimbangi anjakan selari akibat pembiasan aliran melalui cermin.Di bawah M1, penapis laluan jalur (BP) ditetapkan.Dimensi M1 dan BP ialah 10mm (sebelah panjang) x 1.9mm (sebelah pendek) x 0.5mm (tebal).Dimensi cermin dichroic yang tinggal ialah 15 mm × 1.9 mm × 0.5 mm.Pic matriks antara M1 dan M2 ialah 1.7 mm, manakala pic matriks cermin dikroik lain ialah 1.6 mm.Pada rajah.2c menggabungkan fluks cahaya kejadian C0 dan sembilan fluks cahaya berwarna C1-C9, dipisahkan oleh matriks de-ruang cermin.
Pembinaan matriks cermin dikroik dua lapisan.(a) Pandangan perspektif dan (b) pandangan keratan rentas tatasusunan cermin dikroik dua lapisan (dimensi 29 mm x 31 mm x 6 mm).Ia terdiri daripada lima cermin dichroic (M1-M5) yang terletak di lapisan bawah, lima cermin dichroic (M6-M9 dan satu lagi M5) terletak di lapisan atas, dan penapis laluan jalur (BP) terletak di bawah M1.(c) Pandangan keratan rentas dalam arah menegak, dengan pertindihan C0 dan C1-C9.
Lebar apertur dalam arah mendatar, yang ditunjukkan oleh lebar C0 dalam Rajah 2, c, ialah 1 mm, dan dalam arah berserenjang dengan satah Rajah 2, c, diberikan oleh reka bentuk pendakap aluminium, – 7 mm.Iaitu, spektrometer sembilan warna baharu mempunyai saiz apertur besar 1 mm × 7 mm.Laluan optikal C4 adalah yang terpanjang antara C1-C9, dan laluan optikal C4 di dalam tatasusunan cermin dichroic, disebabkan saiz ultra-kecil di atas (29 mm × 31 mm × 6 mm), ialah 12 mm.Pada masa yang sama, panjang laluan optik C5 adalah yang paling pendek antara C1-C9, dan panjang laluan optik C5 ialah 5.7mm.Oleh itu, perbezaan maksimum dalam panjang laluan optik ialah 6.3 mm.Panjang laluan optik di atas diperbetulkan untuk panjang laluan optik untuk penghantaran optik M1-M9 dan BP (daripada kuarza).
Sifat spektrum М1−М9 dan VR dikira supaya fluks С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8 dan С9 berada dalam julat panjang gelombang 520–540, 540–560, 560–5080, 560–5080 –600 , 600–620, 620–640, 640–660, 660–680, dan 680–700 nm, masing-masing.
Gambar bagi matriks terhasil bagi cermin dekachromatik ditunjukkan dalam Rajah 3a.M1-M9 dan BP masing-masing dilekatkan pada cerun 45 darjah dan satah mendatar sokongan aluminium, manakala M1 dan BP disembunyikan di belakang rajah.
Pengeluaran pelbagai cermin dekan dan demonstrasinya.(a) Susunan cermin dekachromatik yang direka.(b) Imej belah sembilan warna bersaiz 1 mm × 7 mm ditayangkan pada helaian kertas yang diletakkan di hadapan susunan cermin dekachromatik dan bercahaya belakang dengan cahaya putih.(c) Satu susunan cermin dekochromatik yang diterangi dengan cahaya putih dari belakang.(d) Aliran membelah sembilan warna yang terpancar daripada susunan cermin decan, diperhatikan dengan meletakkan kanister akrilik yang dipenuhi asap di hadapan tatasusunan cermin decan di c dan menggelapkan bilik.
Spektrum penghantaran terukur M1-M9 C0 pada sudut tuju 45° dan spektrum penghantaran terukur BP C0 pada sudut tuju 0° ditunjukkan dalam Rajah.4a.Spektrum penghantaran C1-C9 berbanding C0 ditunjukkan dalam Rajah.4b.Spektrum ini dikira daripada spektrum dalam Rajah.4a mengikut laluan optik C1-C9 dalam Rajah 4a.1b dan 2c.Contohnya, 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)], di mana TS(X) dan [ 1 − TS(X)] ialah spektrum penghantaran dan pantulan bagi X, masing-masing.Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4b, lebar jalur (lebar jalur ≥50%) C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 dan C9 ialah 521-540, 541-562, 563-580, 581-602, 603 -623, 624-641, 642-657, 659-680 dan 682-699 nm.Keputusan ini konsisten dengan julat yang dibangunkan.Di samping itu, kecekapan penggunaan cahaya C0 adalah tinggi, iaitu purata penghantaran cahaya maksimum C1-C9 ialah 92%.
Spektrum penghantaran cermin dichroic dan fluks sembilan warna terbelah.(a) Spektrum penghantaran diukur M1-M9 pada kejadian 45° dan BP pada kejadian 0°.(b) Spektrum penghantaran C1-C9 berbanding dengan C0 dikira dari (a).
Pada rajah.3c, susunan cermin dikroik terletak secara menegak, supaya bahagian kanannya dalam Rajah 3a ialah bahagian atas dan rasuk putih LED yang dikolimasikan (C0) adalah bercahaya belakang.Susunan cermin dekachromatik yang ditunjukkan dalam Rajah 3a dipasang dalam penyesuai 54 mm (tinggi) × 58 mm (dalam) × 8.5 mm (tebal).Pada rajah.3d, sebagai tambahan kepada keadaan yang ditunjukkan dalam rajah.3c, tangki akrilik yang dipenuhi asap diletakkan di hadapan pelbagai cermin dekochromatik, dengan lampu di dalam bilik ditutup.Akibatnya, sembilan aliran dichroic kelihatan di dalam tangki, yang terpancar daripada pelbagai cermin dekatroik.Setiap aliran berpecah mempunyai keratan rentas segi empat tepat dengan dimensi 1 × 7 mm, yang sepadan dengan saiz apertur spektrometer sembilan warna baharu.Dalam Rajah 3b, sehelai kertas diletakkan di hadapan susunan cermin dikroik dalam Rajah 3c, dan imej 1 x 7 mm bagi sembilan aliran dikroik yang ditayangkan ke atas kertas diperhatikan dari arah pergerakan kertas.aliran.Sembilan aliran pemisahan warna dalam rajah.3b dan d ialah C4, C3, C2, C1, C5, C6, C7, C8 dan C9 dari atas ke bawah, yang juga boleh dilihat dalam rajah 1 dan 2. 1b dan 2c.Mereka diperhatikan dalam warna yang sepadan dengan panjang gelombangnya.Disebabkan oleh keamatan cahaya putih rendah LED (lihat Rajah Tambahan S3) dan kepekaan kamera warna yang digunakan untuk menangkap C9 (682–699 nm) dalam Rajah. Aliran pemisahan lain adalah lemah.Begitu juga, C9 kelihatan samar-samar dengan mata kasar.Sementara itu, C2 (aliran kedua dari atas) kelihatan hijau dalam Rajah 3, tetapi kelihatan lebih kuning pada mata kasar.
Peralihan dari Rajah 3c ke d ditunjukkan dalam Video Tambahan 1. Sejurus selepas cahaya putih dari LED melalui susunan cermin dekachromatik, ia berpecah secara serentak kepada sembilan aliran warna.Akhirnya, asap dalam tong itu beransur-ansur hilang dari atas ke bawah, sehingga sembilan serbuk berwarna itu juga hilang dari atas ke bawah.Sebaliknya, dalam Video Tambahan 2, apabila panjang gelombang kejadian fluks cahaya pada susunan cermin dekachromatik ditukar daripada panjang kepada pendek dalam susunan 690, 671, 650, 632, 610, 589, 568, 550 dan 532 nm ., Hanya aliran pisah yang sepadan bagi sembilan aliran pisah dalam susunan C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 dan C1 dipaparkan.Takungan akrilik digantikan dengan kolam kuarza, dan serpihan setiap aliran terpesong boleh diperhatikan dengan jelas dari arah condong ke atas.Selain itu, sub-video 3 disunting supaya bahagian perubahan panjang gelombang sub-video 2 dimainkan semula.Ini adalah ungkapan yang paling fasih bagi ciri-ciri susunan cermin dekochromatik.
Keputusan di atas menunjukkan bahawa tatasusunan cermin decachromatic yang dihasilkan atau spektrometer sembilan warna baharu berfungsi seperti yang dimaksudkan.Spektrometer sembilan warna baharu dibentuk dengan memasang pelbagai cermin dekachromatik dengan penyesuai terus ke papan penderia imej.
Fluks bercahaya dengan julat panjang gelombang dari 400 hingga 750 nm, dipancarkan oleh empat titik sinaran φ50 μm, terletak pada selang 1 mm dalam arah yang berserenjang dengan satah Rajah 2c, masing-masing Penyelidikan 31, 34. Tatasusunan empat kanta terdiri daripada empat kanta φ1 mm dengan jarak fokus 1.4 mm dan pic 1 mm.Empat aliran berkolimasi (empat C0) adalah kejadian pada DP spektrometer sembilan warna baharu, dijarakkan pada selang 1 mm.Susunan cermin dikroik membahagikan setiap aliran (C0) kepada sembilan aliran warna (C1-C9).36 strim yang terhasil (empat set C1-C9) kemudian disuntik terus ke dalam penderia imej CMOS (S) yang disambungkan terus kepada susunan cermin dichroic.Akibatnya, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5a, disebabkan oleh perbezaan laluan optik maksimum yang kecil dan laluan optik maksimum yang pendek, imej semua 36 aliran telah dikesan serentak dan jelas dengan saiz yang sama.Menurut spektrum hiliran (lihat Rajah Tambahan S4), keamatan imej bagi empat kumpulan C1, C2 dan C3 adalah agak rendah.Tiga puluh enam imej bersaiz 0.57 ± 0.05 mm (min ± SD).Oleh itu, pembesaran imej purata 11.4.Jarak menegak antara imej purata 1 mm (jarak yang sama dengan tatasusunan kanta) dan jarak mendatar purata 1.6 mm (jarak yang sama dengan tatasusunan cermin dikroik).Oleh kerana saiz imej jauh lebih kecil daripada jarak antara imej, setiap imej boleh diukur secara bebas (dengan crosstalk rendah).Sementara itu, imej dua puluh lapan aliran yang direkodkan oleh spektrometer tujuh warna konvensional yang digunakan dalam kajian kami sebelum ini ditunjukkan dalam Rajah 5 B. Susunan tujuh cermin dichroic dicipta dengan mengeluarkan dua cermin dichroic paling kanan daripada susunan sembilan dichroic cermin dalam Rajah 1a.Tidak semua imej tajam, saiz imej meningkat daripada C1 kepada C7.Dua puluh lapan imej bersaiz 0.70 ± 0.19 mm.Oleh itu, sukar untuk mengekalkan resolusi imej yang tinggi dalam semua imej.Pekali variasi (CV) untuk saiz imej 28 dalam Rajah 5b ialah 28%, manakala CV untuk saiz imej 36 dalam Rajah 5a menurun kepada 9%.Keputusan di atas menunjukkan bahawa spektrometer sembilan warna baharu bukan sahaja meningkatkan bilangan warna yang diukur secara serentak daripada tujuh kepada sembilan, tetapi juga mempunyai resolusi imej yang tinggi untuk setiap warna.
Perbandingan kualiti imej belah yang dibentuk oleh spektrometer konvensional dan baharu.(a) Empat kumpulan imej dipisahkan sembilan warna (C1-C9) yang dihasilkan oleh spektrometer sembilan warna baharu.(b) Empat set imej dipisahkan tujuh warna (C1-C7) dibentuk dengan spektrometer tujuh warna konvensional.Fluks (C0) dengan panjang gelombang dari 400 hingga 750 nm dari empat titik pelepasan disatukan dan kejadian pada setiap spektrometer, masing-masing.
Ciri-ciri spektrum spektrometer sembilan warna telah dinilai secara eksperimen dan keputusan penilaian ditunjukkan dalam Rajah 6. Perhatikan bahawa Rajah 6a menunjukkan keputusan yang sama seperti Rajah 5a, iaitu pada panjang gelombang 4 C0 400–750 nm, kesemua 36 imej dikesan (4 kumpulan C1–C9).Sebaliknya, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6b–j, apabila setiap C0 mempunyai panjang gelombang tertentu 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670, atau 690 nm, terdapat hampir hanya empat imej yang sepadan (empat kumpulan dikesan C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 atau C9).Walau bagaimanapun, beberapa imej yang bersebelahan dengan empat imej yang sepadan sangat lemah dikesan kerana spektrum penghantaran C1-C9 yang ditunjukkan dalam Rajah 4b bertindih sedikit dan setiap C0 mempunyai jalur 10 nm pada panjang gelombang tertentu seperti yang diterangkan dalam kaedah.Keputusan ini konsisten dengan spektrum penghantaran C1-C9 yang ditunjukkan dalam Rajah.4b dan video tambahan 2 dan 3. Dengan kata lain, spektrometer sembilan warna berfungsi seperti yang diharapkan berdasarkan keputusan yang ditunjukkan dalam rajah.4b.Oleh itu, disimpulkan bahawa taburan keamatan imej C1-C9 adalah spektrum setiap C0.
Ciri spektrum spektrometer sembilan warna.Spektrometer sembilan warna baharu menjana empat set imej dipisahkan sembilan warna (C1-C9) apabila cahaya kejadian (empat C0) mempunyai panjang gelombang (a) 400-750 nm (seperti ditunjukkan dalam Rajah 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, masing-masing.
Spektrometer sembilan warna yang dibangunkan telah digunakan untuk elektroforesis empat kapilari (untuk butiran, lihat Bahan Tambahan)31,34,35.Matriks empat kapilari terdiri daripada empat kapilari (diameter luar 360 μm dan diameter dalam 50 μm) terletak pada selang 1 mm di tapak penyinaran laser.Sampel yang mengandungi serpihan DNA yang dilabelkan dengan 8 pewarna iaitu FL-6C (pewarna 1), JOE-6C (pewarna 2), dR6G (pewarna 3), TMR-6C (pewarna 4), CXR-6C (pewarna 5), TOM- 6C (pewarna 6), LIZ (pewarna 7), dan WEN (pewarna 8) dalam susunan menaik panjang gelombang pendarfluor, dipisahkan dalam setiap empat kapilari (selepas ini dirujuk sebagai Cap1, Cap2, Cap3, dan Cap4).Pendarfluor akibat laser daripada Cap1-Cap4 disatukan dengan susunan empat kanta dan serentak dirakam dengan spektrometer sembilan warna.Dinamik keamatan bagi pendarfluor sembilan warna (C1-C9) semasa elektroforesis, iaitu, elektroforegram sembilan warna bagi setiap kapilari, ditunjukkan dalam Rajah 7a.Elektroforegram sembilan warna yang setara diperoleh dalam Cap1-Cap4.Seperti yang ditunjukkan oleh anak panah Cap1 dalam Rajah 7a, lapan puncak pada setiap elektroforegram sembilan warna menunjukkan satu pelepasan pendarfluor dari Dye1-Dye8, masing-masing.
Kuantifikasi serentak lapan pewarna menggunakan spektrometer elektroforesis empat kapilari sembilan warna.(a) Elektroforegram sembilan warna (C1-C9) bagi setiap kapilari.Lapan puncak yang ditunjukkan oleh anak panah Cap1 menunjukkan pelepasan pendarfluor individu lapan pewarna (Dye1-Dye8).Warna anak panah sepadan dengan warna (b) dan (c).(b) Spektrum pendarfluor lapan pewarna (Dye1-Dye8) setiap kapilari.c Elektroferogram lapan pewarna (Dye1-Dye8) setiap kapilari.Puncak serpihan DNA berlabel Dye7 ditunjukkan oleh anak panah, dan panjang asas Cap4 mereka ditunjukkan.
Taburan intensiti C1-C9 pada lapan puncak ditunjukkan dalam Rajah.7b, masing-masing.Oleh kerana kedua-dua C1-C9 dan Dye1-Dye8 berada dalam susunan panjang gelombang, lapan taburan dalam Rajah 7b menunjukkan spektrum pendarfluor Dye1-Dye8 secara berurutan dari kiri ke kanan.Dalam kajian ini, Dye1, Dye2, Dye3, Dye4, Dye5, Dye6, Dye7 dan Dye8 masing-masing muncul dalam warna magenta, violet, biru, cyan, hijau, kuning, oren dan merah.Perhatikan bahawa warna anak panah dalam Rajah 7a sepadan dengan warna pewarna dalam Rajah 7b.Keamatan pendarfluor C1-C9 untuk setiap spektrum dalam Rajah 7b telah dinormalkan supaya jumlahnya sama dengan satu.Lapan spektrum pendarfluor setara diperoleh daripada Cap1-Cap4.Seseorang boleh melihat dengan jelas pertindihan spektrum pendarfluor antara pewarna 1-pewarna 8.
Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7c, untuk setiap kapilari, elektroforegram sembilan warna dalam Rajah 7a telah ditukar kepada elektroferogram lapan pewarna oleh analisis berbilang komponen berdasarkan lapan spektrum pendarfluor dalam Rajah 7b (lihat Bahan Tambahan untuk butiran).Oleh kerana pertindihan spektrum pendarfluor dalam Rajah 7a tidak dipaparkan dalam Rajah 7c, Dye1-Dye8 boleh dikenal pasti dan dikira secara individu pada setiap titik masa, walaupun jumlah Dye1-Dye8 yang berbeza pada masa yang sama.Ini tidak boleh dilakukan dengan pengesanan tujuh warna tradisional31, tetapi boleh dicapai dengan pengesanan sembilan warna yang dibangunkan.Seperti yang ditunjukkan oleh anak panah Cap1 dalam Rajah 7c, hanya singlet pelepasan pendarfluor Dye3 (biru), Dye8 (merah), Dye5 (hijau), Dye4 (cyan), Dye2 (ungu), Dye1 (magenta) dan Dye6 (Kuning). ) diperhatikan dalam susunan kronologi yang dijangkakan.Untuk pelepasan pendarfluor pewarna 7 (oren), sebagai tambahan kepada puncak tunggal yang ditunjukkan oleh anak panah oren, beberapa puncak tunggal lain diperhatikan.Keputusan ini disebabkan oleh fakta bahawa sampel mengandungi piawaian saiz, Dye7 melabelkan serpihan DNA dengan panjang asas yang berbeza.Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7c, untuk Cap4 panjang tapak ini ialah 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214 dan 220 panjang tapak.
Ciri-ciri utama spektrometer sembilan warna, dibangunkan menggunakan matriks cermin dikroik dua lapisan, adalah saiz kecil dan reka bentuk yang ringkas.Oleh kerana susunan cermin dekachromatik di dalam penyesuai ditunjukkan dalam rajah.3c dipasang terus pada papan penderia imej (lihat Rajah S1 dan S2), spektrometer sembilan warna mempunyai dimensi yang sama seperti penyesuai, iaitu 54 × 58 × 8.5 mm.(ketebalan).Saiz ultra-kecil ini adalah dua hingga tiga urutan magnitud lebih kecil daripada spektrometer konvensional yang menggunakan jeriji atau prisma.Selain itu, memandangkan spektrometer sembilan warna dikonfigurasikan supaya cahaya mengenai permukaan penderia imej secara berserenjang, ruang boleh diperuntukkan dengan mudah untuk spektrometer sembilan warna dalam sistem seperti mikroskop, sitometer aliran atau penganalisis.Penganalisis elektroforesis parut kapilari untuk pengecilan sistem yang lebih besar.Pada masa yang sama, saiz sepuluh cermin dichroic dan penapis laluan jalur yang digunakan dalam spektrometer sembilan warna hanyalah 10×1.9×0.5 mm atau 15×1.9×0.5 mm.Oleh itu, lebih daripada 100 cermin dichroic kecil dan penapis laluan jalur, masing-masing, boleh dipotong daripada cermin dichroic dan penapis laluan jalur 60 mm2.Oleh itu, pelbagai cermin decachromatic boleh dihasilkan dengan kos yang rendah.
Satu lagi ciri spektrometer sembilan warna ialah ciri spektrumnya yang sangat baik.Khususnya, ia membolehkan pemerolehan imej spektrum syot kilat, iaitu, pemerolehan serentak imej dengan maklumat spektrum.Bagi setiap imej, spektrum berterusan diperolehi dengan julat panjang gelombang dari 520 hingga 700 nm dan resolusi 20 nm.Dalam erti kata lain, sembilan keamatan warna cahaya dikesan untuk setiap imej, iaitu sembilan jalur 20 nm yang sama membahagikan julat panjang gelombang dari 520 hingga 700 nm.Dengan menukar ciri spektrum cermin dichroic dan penapis laluan jalur, julat panjang gelombang sembilan jalur dan lebar setiap jalur boleh dilaraskan.Pengesanan sembilan warna boleh digunakan bukan sahaja untuk pengukuran pendarfluor dengan pengimejan spektrum (seperti yang diterangkan dalam laporan ini), tetapi juga untuk banyak aplikasi biasa lain yang menggunakan pengimejan spektrum.Walaupun pengimejan hiperspektral boleh mengesan beratus-ratus warna, didapati bahawa walaupun dengan pengurangan ketara dalam bilangan warna yang boleh dikesan, pelbagai objek dalam bidang pandangan boleh dikenal pasti dengan ketepatan yang mencukupi untuk banyak aplikasi38,39,40.Oleh kerana resolusi spatial, resolusi spektrum dan resolusi temporal mempunyai pertukaran dalam pengimejan spektrum, mengurangkan bilangan warna boleh meningkatkan resolusi spatial dan resolusi temporal.Ia juga boleh menggunakan spektrometer mudah seperti yang dibangunkan dalam kajian ini dan seterusnya mengurangkan jumlah pengiraan.
Dalam kajian ini, lapan pewarna dikira secara serentak dengan pemisahan spektrum spektrum pendarfluor bertindih berdasarkan pengesanan sembilan warna.Sehingga sembilan pewarna boleh dikira secara serentak, wujud bersama dalam masa dan ruang.Kelebihan istimewa spektrometer sembilan warna ialah fluks bercahaya tinggi dan apertur besar (1 × 7 mm).Tatasusunan cermin decane mempunyai penghantaran maksimum 92% cahaya dari apertur dalam setiap sembilan julat panjang gelombang.Kecekapan menggunakan cahaya kejadian dalam julat panjang gelombang dari 520 hingga 700 nm adalah hampir 100%.Dalam julat panjang gelombang yang begitu luas, tiada grating pembelauan boleh memberikan kecekapan penggunaan yang begitu tinggi.Walaupun kecekapan pembelauan parut pembelauan melebihi 90% pada panjang gelombang tertentu, apabila perbezaan antara panjang gelombang dan panjang gelombang tertentu bertambah, kecekapan pembelauan pada panjang gelombang lain berkurang41.Lebar apertur berserenjang dengan arah satah dalam Rajah 2c boleh dilanjutkan daripada 7 mm kepada lebar penderia imej, seperti dalam kes penderia imej yang digunakan dalam kajian ini, dengan mengubah sedikit tatasusunan dekamer.
Spektrometer sembilan warna boleh digunakan bukan sahaja untuk elektroforesis kapilari, seperti yang ditunjukkan dalam kajian ini, tetapi juga untuk pelbagai tujuan lain.Sebagai contoh, seperti yang ditunjukkan dalam rajah di bawah, spektrometer sembilan warna boleh digunakan pada mikroskop pendarfluor.Satah sampel dipaparkan pada penderia imej spektrometer sembilan warna melalui objektif 10x.Jarak optik antara kanta objektif dan penderia imej ialah 200 mm, manakala jarak optik antara permukaan kejadian spektrometer sembilan warna dan penderia imej hanya 12 mm.Oleh itu, imej telah dipotong kepada kira-kira saiz apertur (1 × 7 mm) dalam satah kejadian dan dibahagikan kepada sembilan imej berwarna.Iaitu, imej spektrum syot kilat sembilan warna boleh diambil pada kawasan 0.1×0.7 mm dalam satah sampel.Di samping itu, adalah mungkin untuk mendapatkan imej spektrum sembilan warna bagi kawasan yang lebih besar pada satah sampel dengan mengimbas sampel secara relatif kepada objektif dalam arah mendatar dalam Rajah 2c.
Komponen tatasusunan cermin decachromatic, iaitu M1-M9 dan BP, dibuat khas oleh Asahi Spectra Co., Ltd. menggunakan kaedah pemendakan standard.Bahan dielektrik berbilang lapis digunakan secara individu pada sepuluh plat kuarza bersaiz 60 × 60 mm dan tebal 0.5 mm, memenuhi keperluan berikut: M1: IA = 45°, R ≥ 90% pada 520–590 nm, Tave ≥ 90% pada 610– 610 nm.700 nm, M2: IA = 45°, R ≥ 90% pada 520–530 nm, Tave ≥ 90% pada 550–600 nm, M3: IA = 45°, R ≥ 90% pada 540–550 nm, Tave ≥ 90 % pada 570–600 nm, M4: IA = 45°, R ≥ 90% pada 560–570 nm, Tave ≥ 90% pada 590–600 nm, M5: IA = 45°, R ≥ 98% pada 580–600 nm , R ≥ 98% pada 680–700 nm, M6: IA = 45°, Tave ≥ 90% pada 600–610 nm, R ≥ 90% pada 630–700 nm, M7: IA = 45°, R ≥ 90% pada 620–630 nm, Taw ≥ 90% pada 650–700 nm, M8: IA = 45°, R ≥ 90% pada 640–650 nm, Taw ≥ 90% pada 670–700 nm, M9: IA = 45°, R ≥ 90% pada 650-670 nm, Tave ≥ 90% pada 690-700 nm, BP: IA = 0°, T ≤ 0.01% pada 505 nm, Tave ≥ 95% pada 530-690 nm pada 530 nm 90 % pada -690 nm dan T ≤ 1% pada 725-750 nm, di mana IA, T, Tave, dan R ialah sudut tuju, ketransmisian, ketransmisian purata, dan pemantulan cahaya tidak berkutub.
Cahaya putih (C0) dengan julat panjang gelombang 400–750 nm yang dipancarkan oleh sumber cahaya LED (AS 3000, AS ONE CORPORATION) telah disatukan dan berlaku secara menegak pada DP bagi susunan cermin dikroik.Spektrum cahaya putih LED ditunjukkan dalam Rajah Tambahan S3.Letakkan tangki akrilik (dimensi 150 × 150 × 30 mm) terus di hadapan susunan cermin dekamera, bertentangan dengan PSU.Asap yang terhasil apabila ais kering direndam dalam air kemudiannya dituangkan ke dalam tangki akrilik untuk melihat aliran belah sembilan warna C1-C9 yang terpancar daripada susunan cermin dekachromatik.
Sebagai alternatif, cahaya putih berkolimasi (C0) disalurkan melalui penapis sebelum memasuki DP.Penapis pada asalnya adalah penapis ketumpatan neutral dengan ketumpatan optik 0.6.Kemudian gunakan penapis bermotor (FW212C, FW212C, Thorlabs).Akhir sekali, hidupkan semula penapis ND.Lebar jalur sembilan penapis laluan jalur sepadan dengan C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 dan C1, masing-masing.Sel kuarza dengan dimensi dalaman 40 (panjang optik) x 42.5 (tinggi) x 10 mm (lebar) diletakkan di hadapan susunan cermin dekochromatik, bertentangan dengan BP.Asap kemudiannya disalurkan melalui tiub ke dalam sel kuarza untuk mengekalkan kepekatan asap dalam sel kuarza untuk menggambarkan aliran pemisahan sembilan warna C1-C9 yang terpancar daripada susunan cermin dekachromatik.
Video aliran cahaya belah sembilan warna yang terpancar daripada pelbagai cermin dekanik telah ditangkap dalam mod selang masa pada iPhone XS.Tangkap imej adegan pada 1 fps dan kumpulkan imej untuk mencipta video pada 30 fps (untuk video pilihan 1) atau 24 fps (untuk video pilihan 2 dan 3).
Letakkan plat keluli tahan karat setebal 50 µm (dengan empat lubang diameter 50 µm pada selang 1 mm) pada plat resapan.Cahaya dengan panjang gelombang 400-750 nm disinari ke plat peresap, diperoleh dengan menghantar cahaya dari lampu halogen melalui penapis penghantaran pendek dengan panjang gelombang cutoff 700 nm.Spektrum cahaya ditunjukkan dalam Rajah Tambahan S4.Sebagai alternatif, cahaya juga melalui salah satu penapis laluan jalur 10 nm yang berpusat pada 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 dan 690 nm dan mengenai plat peresap.Akibatnya, empat titik sinaran dengan diameter φ50 μm dan panjang gelombang yang berbeza telah terbentuk pada plat keluli tahan karat bertentangan dengan plat peresap.
Susunan empat kapilari dengan empat kanta dipasang pada spektrometer sembilan warna seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1 dan 2. C1 dan C2.Empat kapilari dan empat kanta adalah sama seperti dalam kajian terdahulu31,34.Pancaran laser dengan panjang gelombang 505 nm dan kuasa 15 mW disinari secara serentak dan sama rata dari sisi ke titik pelepasan empat kapilari.Pendarfluor yang dipancarkan oleh setiap titik pancaran disatukan oleh kanta yang sepadan dan dipisahkan kepada sembilan aliran warna oleh susunan cermin decachromatic.36 aliran yang terhasil kemudiannya disuntik terus ke dalam penderia imej CMOS (C11440–52U, Hamamatsu Photonics K·K.), dan imejnya direkodkan secara serentak.
Kit Tindak Balas Sedia Penjujukan Kitaran Primer ABI PRISM® BigDye® (Biosistem Gunaan), 4 µl pewarna GeneScan™ 600 LIZ™ dicampur untuk setiap kapilari dengan mencampurkan 1 µl PowerPlex® 6C Matrix Standard (Promega Corporation), 1 µl saiz campuran standard.v2.0 (Thermo Fisher Scientific) dan 14 µl air.Standard Matriks PowerPlex® 6C terdiri daripada enam serpihan DNA yang dilabelkan dengan enam pewarna: FL-6C, JOE-6C, TMR-6C, CXR-6C, TOM-6C dan WEN, mengikut urutan panjang gelombang maksimum.Panjang asas serpihan DNA ini tidak didedahkan, tetapi urutan panjang asas serpihan DNA yang dilabelkan dengan WEN, CXR-6C, TMR-6C, JOE-6C, FL-6C dan TOM-6C diketahui.Campuran dalam Kit Reaksi Sedia Penjujukan Kitaran Primer ABI PRISM® BigDye® mengandungi serpihan DNA yang dilabelkan dengan pewarna dR6G.Panjang tapak serpihan DNA juga tidak didedahkan.GeneScan™ 600 LIZ™ Dye Size Standard v2.0 termasuk 36 serpihan DNA berlabel LIZ.Panjang asas serpihan DNA ini ialah 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214, 220, 240, 250, 260, 280, 30, 4, 3 360, 380, 400, 414, 420, 440, 460, 480, 500, 514, 520, 540, 560, 580 dan 600 asas.Sampel telah dinyahtutur pada 94°C selama 3 minit, kemudian disejukkan di atas ais selama 5 minit.Sampel disuntik ke dalam setiap kapilari pada 26 V/cm selama 9 saat dan diasingkan dalam setiap kapilari yang diisi dengan larutan polimer POP-7™ (Thermo Fisher Scientific) dengan panjang berkesan 36 cm dan voltan 181 V/cm dan sudut 60°.DARI.
Semua data yang diperoleh atau dianalisis semasa kajian ini disertakan dalam artikel yang diterbitkan ini dan maklumat tambahannya.Data lain yang berkaitan dengan kajian ini boleh didapati daripada pengarang masing-masing atas permintaan yang munasabah.
Khan, MJ, Khan, HS, Yousaf, A., Khurshid, K., dan Abbas, A. Trend semasa dalam analisis pengimejan hiperspektral: ulasan.Akses IEEE 6, 14118–14129.https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2812999 (2018).
Vaughan, AH Astronomi Interferometrik Fabry-Perot Spektroskopi.pasang.Yang Berhormat Astron.astrofizik.5, 139-167.https://doi.org/10.1146/annurev.aa.05.090167.001035 (1967).
Goetz, AFH, Wein, G., Solomon, JE dan Rock, imej penderiaan jauh Spektroskopi BN Bumi.Sains 228, 1147–1153.https://doi.org/10.1126/science.228.4704.1147 (1985).
Yokoya, N., Grohnfeldt, C., dan Chanussot, J. Gabungan data hiperspektral dan multispektral: kajian perbandingan penerbitan terkini.IEEE Sains Bumi.Jurnal penderiaan jauh.5:29–56.https://doi.org/10.1109/MGRS.2016.2637824 (2017).
Gowen, AA, O'Donnell, SP, Cullen, PJ, Downey, G. dan Frias, JM Hyperspectral pengimejan ialah alat analisis baharu untuk kawalan kualiti dan keselamatan makanan.Trend dalam sains makanan.teknologi.18, 590-598.https://doi.org/10.1016/j.tifs.2007.06.001 (2007).
ElMasri, G., Mandour, N., Al-Rejaye, S., Belin, E. dan Rousseau, D. Aplikasi terkini pengimejan berbilang spektrum untuk memantau fenotip dan kualiti benih - ulasan.Penderia 19, 1090 (2019).
Liang, H. Kemajuan dalam Pengimejan Multispektral dan Hiperspektral untuk Arkeologi dan Pemeliharaan Seni.Mohon 106 fizikal, 309–323.https://doi.org/10.1007/s00339-011-6689-1 (2012).
Edelman GJ, Gaston E., van Leeuwen TG, Cullen PJ dan Alders MKG Pengimejan hiperspektral untuk analisis bukan hubungan jejak forensik.Kriminalistik.dalaman 223, 28-39.https://doi.org/10.1016/j.forsciint.2012.09.012 (2012).
Masa siaran: Jan-10-2023