Merci fir besicht Nature.com.Dir benotzt eng Browser Versioun mat limitéierter CSS Ënnerstëtzung.Fir déi bescht Erfahrung empfeelen mir Iech en aktualiséierte Browser ze benotzen (oder de Kompatibilitéitsmodus am Internet Explorer auszeschalten).Zousätzlech, fir weider Ënnerstëtzung ze garantéieren, weisen mir de Site ouni Stiler a JavaScript.
Weist e Karussell vun dräi Rutschen op eemol.Benotzt d'Previous an Next Knäppercher fir duerch dräi Rutschen gläichzäiteg ze réckelen, oder benotzt d'Slider Knäppercher um Enn fir duerch dräi Rutschen gläichzäiteg ze réckelen.
En ultra-kompakt (54 × 58 × 8,5 mm) a breet Apertur (1 × 7 mm) néngfaarweg Spektrometer gouf entwéckelt, "an zwee gespléckt" vun enger Array vun zéng dichroesche Spigelen, déi fir instantan Spektralbildung benotzt gouf.Den Tëschefall Liichtfluss mat engem Querschnitt méi kleng wéi d'Blendgréisst ass an e kontinuéierleche Sträif 20 nm breet an néng Faarfflux mat zentrale Wellelängte vu 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 a 690 nm opgedeelt.Biller vun néng Faarfstroum gi gläichzäiteg effizient vum Bildsensor gemooss.Am Géigesaz zu konventionelle dichroesche Spigelarrays huet déi entwéckelt dichroesch Spigelarray eng eenzegaarteg zwee-Stéck Konfiguratioun, déi net nëmmen d'Zuel vu Faarwen erhéicht, déi gläichzäiteg gemooss kënne ginn, awer och d'Bildopléisung fir all Faarfstroum verbessert.Den entwéckelte néngfaarwege Spektrometer gëtt fir véier-Kapillär Elektrophorese benotzt.Simultan quantitativ Analyse vun aacht Faarfstoffer, déi gläichzäiteg an all Kapillar migréieren mat néng-Faarf Laser-induzéierter Fluoreszenz.Zënter datt den néng-Faarf Spektrometer net nëmmen ultra-kleng a preiswert ass, awer och en héije Liichtflux a genuch Spektralopléisung fir déi meescht Spektralbildungsapplikatiounen huet, kann et vill a verschiddene Beräicher benotzt ginn.
Hyperspektral a multispektral Imaging ass e wichtege Bestanddeel vun der Astronomie ginn2, Fernsensing fir Äerdobservatioun3,4, Liewensmëttel- a Waasserqualitéitskontroll5,6, Konschtkonservatioun an Archeologie7, Forensik8, Chirurgie9, biomedizinesch Analyse an Diagnostik10,11 etc. Feld 1 Eng onverzichtbar Technologie ,12,13.Methoden fir d'Messung vum Spektrum vum Liicht, deen vun all Emissiounspunkt am Gesiichtsfeld emittéiert gëtt, ginn opgedeelt an (1) Punktscannen ("Biesem") 14,15, (2) linear Scannen ("Panik")16,17,18 , (3) Längt scannt Wellen19,20,21 an (4) Biller22,23,24,25.Am Fall vun all dëse Methoden, raimlech Resolutioun, Spektral Resolutioun an temporär Resolutioun hunn eng Ofhandlung Relatioun9,10,12,26.Zousätzlech huet d'Liichtausgang e wesentlechen Impakt op d'Sensibilitéit, also d'Signal-to-Geräusch Verhältnis an der Spektralbildung26.De Liichtflux, dat heescht d'Effizienz vun der Benotzung vum Liicht, ass direkt proportional zum Verhältnis vun der aktueller gemoosser Quantitéit u Liicht vun all Liichtpunkt pro Zäitunitéit zum Gesamtbetrag vum Liicht vum gemoossene Wellelängteberäich.Kategorie (4) ass eng adequat Method wann d'Intensitéit oder Spektrum vum Liicht, dat vun all Emissiounspunkt emittéiert gëtt, mat der Zäit ännert oder wann d'Positioun vun all Emissiounspunkt mat der Zäit ännert, well de Spektrum vum Liicht, dee vun all Emissiounspunkte emittéiert gëtt, gläichzäiteg gemooss gëtt.24.
Déi meescht vun den uewe genannte Methoden si mat groussen, komplexen an / oder deiere Spektrometer kombinéiert mat 18 Gitter oder 14, 16, 22, 23 Prisme fir Klassen (1), (2) an (4) oder 20, 21 Filterscheiwen, Flëssegkeetsfilter .Kristallin tunable Filtere (LCTF) 25 oder akusto-optesch tunable Filtere (AOTF) 19 vun Kategorie (3).Am Géigesaz, Kategorie (4) Multi-Spigel Spektrometer si kleng a bëlleg wéinst hirer einfacher Konfiguratioun27,28,29,30.Ausserdeem hunn se en héije Liichtflux, well d'Liicht, déi vun all dichroesche Spigel gedeelt gëtt (dat heescht dat iwwerdroen a reflektéiert Liicht vum Infalllicht op all dichroesche Spigel) voll a kontinuéierlech benotzt gëtt.Wéi och ëmmer, d'Zuel vun de Wellelängtebänner (dh Faarwen) déi gläichzäiteg gemooss musse ginn ass op ongeféier véier limitéiert.
Spektral Imaging baséiert op Fluoreszenz Detektioun gëtt allgemeng fir Multiplex Analyse an der biomedizinescher Detektioun an der Diagnostik benotzt 10, 13.Beim Multiplexing, well verschidde Analyten (zB spezifesch DNA oder Proteinen) mat verschiddene fluoreszent Faarfstoffer markéiert sinn, gëtt all Analyt, déi op all Emissiounspunkt am Siichtfeld präsent ass, mat Multikomponent Analyse quantifizéiert.32 brécht den detektéierten Fluoreszenzspektrum of, deen vun all Emissiounspunkt emittéiert gëtt.Wärend dësem Prozess kënne verschidde Faarfstoffer, déi all eng aner Fluoreszenz emittéieren, kolokaliséieren, dat heescht, a Raum an Zäit zesumme existéieren.De Moment ass déi maximal Unzuel u Faarfstoffer, déi vun engem eenzege Laserstrahl opgereegt kënne ginn, aacht33.Dës iewescht Limit gëtt net duerch d'Spektralresolutioun (dh Zuel vu Faarwen) bestëmmt, mee duerch d'Breet vum Fluoreszenzspektrum (≥50 nm) an d'Quantitéit u Faarf Stokes Verréckelung (≤200 nm) bei FRET (mat FRET)10 .Wéi och ëmmer, d'Zuel vu Faarwen muss méi grouss sinn wéi oder gläich wéi d'Zuel vun de Faarwen fir d'spektral Iwwerlappung vu gemëschte Faarwen ze eliminéieren31,32.Dofir ass et néideg d'Zuel vu gläichzäiteg gemoossene Faarwen op aacht oder méi ze erhéijen.
Viru kuerzem ass en ultra-kompakte heptachroesche Spektrometer (mat enger Rei vun heptychroesche Spigelen an engem Bildsensor fir véier fluoreszent Flux ze moossen) entwéckelt.De Spektrometer ass zwee bis dräi Gréisstenuerden méi kleng wéi konventionell Spektrometer mat Gitter oder Prismen34,35.Wéi och ëmmer, et ass schwéier méi wéi siwen dichroesch Spigelen an engem Spektrometer ze placéieren a gläichzäiteg méi wéi siwe Faarwen ze moossen36,37.Mat enger Erhéijung vun der Unzuel vun dichroesche Spigelen klëmmt de maximalen Ënnerscheed an der Längt vun den opteschen Weeër vun dichroesche Liichtfluxen, an et gëtt schwéier all Liichtflux op engem sensoresche Plang ze weisen.Déi längsten optesch Bunnlängt vum Liichtfluss geet och erop, sou datt d'Breet vun der Spektrometer-Blend (also déi maximal Breet vum Liicht, dat vum Spektrometer analyséiert gëtt) erofgeet.
Als Äntwert op déi uewe genannte Probleemer gouf en ultrakompakten néngfaarwege Spektrometer mat engem zweeschichtege "dichroesche" dekachromatesche Spigelarray an engem Bildsensor fir momentan Spektralbildung [Kategorie (4)] entwéckelt.Am Verglach mat fréiere Spektrometer huet den entwéckelte Spektrometer e méi klengen Ënnerscheed an der maximaler optescher Weelängt an eng méi kleng maximal optesch Weelängt.Et gouf op véier-Kapillär Elektrophorese applizéiert fir Laser-induzéiert néng-Faarf Fluoreszenz z'entdecken an déi simultan Migratioun vun aacht Faarfstoffer an all Kapillar ze quantifizéieren.Well den entwéckelte Spektrometer net nëmmen ultra-kleng a preiswert ass, awer och en héije Liichtflux a genuch Spektralopléisung fir déi meescht Spektralbildungsapplikatiounen huet, kann et vill a verschiddene Beräicher benotzt ginn.
Den traditionelle néngfaarwege Spektrometer gëtt an der Fig.1a.Säin Design follegt deem vum fréiere ultra-klenge siwenfaarwege Spektrometer 31. Et besteet aus néng dichroesche Spigelen, déi horizontal an engem Winkel vu 45° no riets arrangéiert sinn, an de Bildsensor (S) läit iwwer den néng dichroesche Spigelen.D'Liicht, déi vun ënnen erakënnt (C0), gëtt duerch eng Rei vun néng dichroesche Spigelen an néng Liichtflëss opgedeelt (C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 an C9).All néng Faarfstroum ginn direkt un de Bildsensor gefüttert a gi gläichzäiteg festgestallt.An dëser Etude sinn C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, an C9 an der Uerdnung vun der Wellelängt a gi representéiert vu Magenta, Violett, Blo, Cyan, Gréng, Giel, Orange, rout-orange, an rout, respektiv.Obwuel dës Faarfbezeechnungen an dësem Dokument benotzt ginn, wéi an der Figur 3, well se ënnerscheeden vun den eigentleche Faarwen, déi vum mënschlechen Auge gesi ginn.
Schematesch Diagrammer vu konventionellen an neie néngfaarwege Spektrometer.(a) Konventionell néng-Faarf Spektrometer mat enger Rei vun néng dichroic Spigelen.(b) Neien néng-Faarf Spektrometer mat enger zwee-Schicht dichroic Spigel Array.Den Tëschefall Liichtflux C0 gëtt an néng faarweg Liichtfluxen C1-C9 opgedeelt a vum Bildsensor S erkannt.
Den entwéckelten neien néngfaarwege Spektrometer huet eng zwee-Schicht dichroesch Spigelgitter an e Bildsensor, wéi an der Bild 1b.Am ënneschten Tier sinn fënnef dichroesch Spigelen 45° no riets gekippt, aus dem Zentrum vun der Array vun Decameren no riets ausgeriicht.Um ieweschten Niveau si fënnef zousätzlech dichroesch Spigelen 45° no lénks gekippt a vun der Mëtt no lénks geluecht.De lénkste dichroesche Spigel vun der ënneschter Schicht an de rietste dichroesche Spigel vun der ieweschter Schicht iwwerlappen sech.Den Incident Liichtflux (C0) gëtt vun ënnen a véier erausgaang chromatesch Fluxen (C1-C4) duerch fënnef dichroesch Spigelen op der rietser a fënnef erausgaang chromatesch Fluxen (C5-C4) duerch fënnef dichroesch Spigelen op der lénkser C9 opgedeelt.Wéi konventionell néng Faarfspektrometer ginn all néng Faarfstroum direkt an de Bildsensor (S) injizéiert a gläichzäiteg festgestallt.Wann een d'Figuren 1a an 1b vergläicht, gesäit een datt am Fall vum neien néngfaarwege Spektrometer souwuel de maximalen Ënnerscheed an déi längsten opteschen Weelängt vun den néng Faarffluxen halbéiert sinn.
Déi detailléiert Konstruktioun vun engem ultra-klengen zwee-Schicht dichroesche Spigelarray 29 mm (Breet) × 31 mm (Déift) × 6 mm (Héicht) gëtt an der Figur 2. D'Dezimal dichroesch Spigelarray besteet aus fënnef dichroesche Spigelen op der rietser Säit. (M1-M5) a fënnef dichroesch Spigelen op der lénker Säit (M6-M9 an eng aner M5), all dichroesche Spigel ass an der ieweschter Aluminiumklammer fixéiert.All dichroesch Spigelen sinn verstoppt fir d'Parallelverschiebung ze kompenséieren wéinst der Refraktioun vum Stroum duerch d'Spigel.Ënner M1 ass e Bandpassfilter (BP) fixéiert.M1 an BP Dimensiounen sinn 10 mm (laang Säit) x 1,9 mm (kuerz Säit) x 0,5 mm (Dicke).D'Dimensiounen vun de verbleiwen dichroesche Spigelen sinn 15 mm × 1,9 mm × 0,5 mm.D'Matrixentgasung tëscht M1 an M2 ass 1,7 mm, während d'Matrix-Pitch vun aneren dichroesche Spigelen 1,6 mm ass.Op Fig.2c kombinéiert den Tëschefall Liicht Flux C0 an néng faarweg Liichtjoer Flux C1-C9, getrennt vun enger de-Chamber Matrixentgasung vun Spigel.
Bau vun enger zwee-Schicht dichroic Spigel Matrixentgasung.(a) Eng Perspektiv Vue an (b) eng Querschnitt Vue vun engem zwee-Schicht dichroic Spigel Array (Dimensiounen 29 mm x 31 mm x 6 mm).Et besteet aus fënnef dichroic Spigelen (M1-M5) an der ënneschter Schicht, fënnef dichroic Spigelen (M6-M9 an aner M5) an der ieweschter Schicht, an e Bandpassfilter (BP) ënner M1.(c) Querschnitt Vue a vertikal Richtung, mat C0 an C1-C9 iwwerlappt.
D'Breet vun der Ouverture an der horizontaler Richtung, déi duerch d'Breet C0 an der Fig. -7 mm.Dat heescht, den neien néngfaarwege Spektrometer huet eng grouss Ouverture vun 1 mm × 7 mm.Den opteschen Wee vum C4 ass de längsten tëscht C1-C9, an den opteschen Wee vum C4 am dichroesche Spigelarray, wéinst der uewe genannter ultrakleng Gréisst (29 mm × 31 mm × 6 mm), ass 12 mm.Zur selwechter Zäit ass d'optesch Weelängt vum C5 déi kuerst tëscht C1-C9, an déi optesch Weelängt vum C5 ass 5.7mm.Dofir ass de maximalen Ënnerscheed an der optescher Weelängt 6,3 mm.D'uewen opteschen Wee Längt sinn korrigéiert fir opteschen Wee Längt fir opteschen Transmissioun vun M1-M9 an BP (aus Quarz).
D'Spektraleigenschaften vun М1−М9 a VR gi berechent sou datt d'Fluxe С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8 an С9 am Wellelängteberäich 520–540, 540–560, 560–58080, 560–580 sinn. -600, 600-620, 620-640, 640-660, 660-680, respektiv 680-700 nm.
Eng Foto vun der fabrizéierter Matrix vun dekachromatesche Spigelen gëtt an der Fig. 3a gewisen.M1-M9 a BP sinn op den 45-Grad Hang an den horizontalen Plang vun der Aluminiumstützung respektiv gekollt, während M1 a BP op der Récksäit vun der Figur verstoppt sinn.
Produktioun vun enger Rei vun Decan Spigelen a seng Demonstratioun.(a) Eng Rei vu fabrizéierten decachromatesche Spigelen.(b) En 1 mm × 7 mm néng-faarweg gespléckt Bild op e Blat Pabeier projizéiert virun enger Array vun dekachromatesche Spigelen a mat wäissem Liicht zréckbeliicht.(c) Eng Array vun decochromatesche Spigelen, déi mat wäissem Liicht vun hannen beliicht sinn.(d) Néng-Faarf opzedeelen Baach aus dem Decane Spigel Array, observéiert vun engem Rauch-gefëllt acrylic canister virun der Decane Spigel Array op c an däischter de Sall.
Déi gemoossene Iwwerdroungsspektre vu M1-M9 C0 bei engem Inzidenzwénkel vun 45° an de gemoossene Transmissiounsspektrum vu BP C0 bei engem Inzidenzwénkel vun 0° ginn an de Fig.4a.D'Transmissioun Spektrum vun C1-C9 relativ zu C0 sinn an Fig.4b vun.Dës Spektrum goufen aus de Spektre an Fig.4a am Aklang mat der opteschen Wee C1-C9 an der Figur 4a.1b an 2c.Zum Beispill, 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)], wou TS(X) an [1 - TS(X)] sinn d'Transmissiouns- a Reflexiounsspektre vum X, respektiv.Wéi an der Figur 4b gewisen, sinn d'Bandbreedungen (Bandbreedung ≥50%) vu C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 an C9 521-540, 541-562, 563-580, 581-602, 603 -623, 624-641, 642-657, 659-680 an 682-699 nm.Dës Resultater sinn konsequent mat den entwéckelte Beräicher.Zousätzlech ass d'Notzungseffizienz vum C0 Liicht héich, dat heescht, déi duerchschnëttlech maximal C1-C9 Liichttransmittance ass 92%.
Iwwerdroungsspektre vun engem dichroesche Spigel an engem gesplécktem néngfaarwege Flux.(a) Gemoossene Transmissiounsspektre vu M1-M9 bei 45° Heefegkeet a BP bei 0° Heefegkeet.(b) Iwwerdroungsspektre vu C1-C9 relativ zu C0 berechent aus (a).
Op Fig.3c ass d'Array vun dichroesche Spigelen vertikal lokaliséiert, sou datt seng riets Säit an der Fig.D'Array vun decachromatesche Spigelen, déi an der Figur 3a gewisen sinn, ass an engem 54 mm (Héicht) × 58 mm (Déift) × 8,5 mm (Dicke) Adapter montéiert.Op Fig.3d, nieft dem Staat an der Fig.3c, e Rauchgefüllten Acryltank gouf virun enger Rei vun decochromatesche Spigelen gesat, mat de Luuchten am Raum ausgeschalt.Als Resultat sinn néng dichroesch Stréimunge am Tank siichtbar, déi aus enger Rei vun dekatroesche Spigelen entstinn.All gesplécktem Stroum huet e rechteckege Querschnitt mat Dimensiounen vun 1 × 7 mm, wat der Aperturgréisst vum neien néngfaarwege Spektrometer entsprécht.An der Figur 3b gëtt e Blat Pabeier virun der Array vun dichroesche Spigelen an der Figur 3c gesat, an en 1 x 7 mm Bild vun néng dichroesche Stréimunge projizéiert op de Pabeier gëtt aus der Richtung vun der Pabeierbewegung observéiert.Baachen.Déi néng Faarftrennungsstroum an der Fig.3b an d sinn C4, C3, C2, C1, C5, C6, C7, C8 an C9 vun uewe bis ënnen, wat kann och an der Figur gesi ginn 1 an 2. 1b an 2c.Si ginn a Faarwen observéiert, déi hir Wellelängten entspriechen.Wéinst der gerénger wäisser Liichtintensitéit vun der LED (kuckt Zousazbild S3) an d'Sensibilitéit vun der Faarfkamera, déi benotzt gëtt fir C9 (682-699 nm) an der Fig.Ähnlech war C9 mat bloussem A schwaach ze gesinn.Mëttlerweil gesäit C2 (déi zweet Baach vun uewen) gréng an der Figur 3, mee gesäit méi giel mat bloussem A.
Den Iwwergank vun der Figur 3c op d gëtt am Ergänzungsvideo 1 gewisen. Direkt nodeems de wäisse Liicht vun der LED duerch d'dekachromatesch Spigelarray passéiert, trennt se gläichzäiteg an néng Faarfstroum.Um Enn huet sech den Damp am Behälter lues a lues vun uewe bis ënnen opgeléist, sou datt déi néng faarweg Puder och vun uewe bis ënnen verschwonnen sinn.Am Géigesaz, am Ergänzungsvideo 2, wann d'Wellelängt vum Liichtflux Tëschefall op der Array vun decachromatesche Spigelen vu laang op kuerz geännert gouf an der Reiefolleg vu 690, 671, 650, 632, 610, 589, 568, 550 an 532 nm ., Nëmmen déi entspriechend Split Streams vun den néng Split Streams an der Reiefolleg vun C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 an C1 ginn ugewisen.Den Acryl-Reservoir gëtt duerch e Quarz-Pool ersat, an d'Flakelen vun all shuntéierte Floss kënne kloer aus der schrägender Richtung erop beobachtet ginn.Zousätzlech gëtt den Ënner-Video 3 sou geännert datt de Wellelängtännerungsdeel vum Ënner-Video 2 erëmgespillt gëtt.Dëst ass deen eloquentsten Ausdrock vun de Charakteristike vun enger decochromatescher Array vu Spigelen.
Déi uewe genannte Resultater weisen datt de fabrizéierte dekachromatesche Spigelarray oder den neien néngfaarwege Spektrometer funktionnéiert wéi virgesinn.Den neien néng-faarwege Spektrometer gëtt geformt andeems en Array vun dekachromatesche Spigelen mat Adapter direkt op de Bildsensorboard montéiert gëtt.
Luminous Flux mat engem Wellelängtberäich vu 400 bis 750 nm, emittéiert vu véier Stralungspunkte φ50 μm, mat 1 mm Intervalle an der Richtung senkrecht zum Plang vun der Fig. véier Lënse φ1 mm mat enger Brennwäit vun 1,4 mm an engem Pitch vun 1 mm.Véier kolliméiert Stréimunge (véier C0) sinn op der DP vun engem neien néng-faarwege Spektrometer, op 1 mm Intervalle opgedeelt.Eng Array vun dichroesche Spigelen trennt all Stroum (C0) an néng Faarfstroum (C1-C9).Déi resultéierend 36 Streamen (véier Sätz vu C1-C9) ginn dann direkt an e CMOS (S) Bildsensor injizéiert, direkt mat enger Array vun dichroesche Spigelen verbonnen.Als Resultat, wéi an der Fig.Laut den Downstream Spektren (kuckt Ergänzungsbild S4) ass d'Bildintensitéit vun de véier Gruppen C1, C2 an C3 relativ niddereg.Drësseg-sechs Biller waren 0,57 ± 0,05 mm an der Gréisst (Moyenne ± SD).Sou war d'Bildvergréisserung duerchschnëttlech 11,4.De vertikalen Ofstand tëscht de Biller ass duerchschnëttlech 1 mm (selwecht Abstand wéi e Lensarray) an den horizontalen Abstand ass duerchschnëttlech 1,6 mm (selwecht Abstand wéi en dichroesche Spigelarray).Well d'Bildgréisst vill méi kleng ass wéi d'Distanz tëscht de Biller, kann all Bild onofhängeg gemooss ginn (mat niddereger Crosstalk).Mëttlerweil, Biller vun zwanzeg-aacht Baachen opgeholl vun der konventionell siwen-Faarf spektrometer benotzt an eiser viregter Etude sinn an Lalumi gewisen. Spigelen an der Figur 1a.Net all Biller si scharf, d'Bildgréisst klëmmt vu C1 op C7.Aachtanzwanzeg Biller sinn 0,70 ± 0,19 mm grouss.Dofir ass et schwéier eng héich Bildopléisung an all Biller ze halen.De Koeffizient vun der Variatioun (CV) fir Bildgréisst 28 an der Figur 5b war 28%, während de CV fir Bildgréisst 36 an der Figur 5a op 9% erofgaang ass.Déi uewe genannte Resultater weisen datt den neien néngfaarwege Spektrometer net nëmmen d'Zuel vu gläichzäiteg gemoossene Faarwen vu siwen op néng erhéicht, mee och eng héich Bildopléisung fir all Faarf huet.
Verglach vun der Qualitéit vum gesplécktem Bild geformt vu konventionellen an neie Spektrometer.(a) Véier Gruppe vun néng-faarweg getrennte Biller (C1-C9) generéiert vun der neier néng-Faarf Spektrometer.(b) Véier Sätz vu siwen-faarweg getrennte Biller (C1-C7) geformt mat engem konventionelle siwen-faarwege Spektrometer.Fluxen (C0) mat Wellelängten vu 400 bis 750 nm vu véier Emissiounspunkte gi kolliméiert an op all Spektrometer resp.
D'Spektral Charakteristiken vun der néng-Faarf spektrometer goufen experimentally évaluéieren an d'Evaluatioun Resultater sinn an Dorënner gewisen 6. Bedenkt datt Dorënner 6a déi selwecht Resultater wéi Dorënner 5a weist, dh bei Wellelängten vun 4 C0 400-750 nm, sinn all 36 Biller entdeckt. (4 Gruppen C1-C9).Am Géigendeel, wéi an der Fig. Gruppen entdeckt C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 oder C9).Wéi och ëmmer, e puer vun de Biller niewent de véier entspriechende Biller si ganz schwaach festgestallt, well d'C1-C9 Transmissiounsspektre, déi an der Fig.Dës Resultater si konsequent mat den C1-C9 Iwwerdroungsspektre, déi a Fig.4b an Ergänzungsvideoen 2 an 3. An anere Wierder, déi néng Faarfspektrometer funktionnéieren wéi erwaart op Basis vun de Resultater an der Fig.4b vun.Dofir gëtt ofgeschloss datt d'Bildintensitéit Verdeelung C1-C9 de Spektrum vun all C0 ass.
Spektral Charakteristiken vun engem néng Faarf Spektrometer.Den neien néng-faarwege Spektrometer generéiert véier Sätz vun néng-faarweg getrennte Biller (C1-C9) wann d'Infallsliicht (véier C0) eng Wellelängt vun (a) 400-750 nm huet (wéi an der 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, respektiv.
Den entwéckelte néng-Faarf Spektrometer gouf fir véier-Kapillär Elektrophorese benotzt (fir Detailer, kuckt Ergänzungsmaterial)31,34,35.Déi véier-Kapillär Matrix besteet aus véier Kapillaren (äusseren Duerchmiesser 360 μm an bannenzegen Duerchmiesser 50 μm) mat 1 mm Intervalle op der Laserbestralungsplaz.Proben enthalen DNA Fragmenter markéiert mat 8 Faarfstoffer, nämlech FL-6C (Faarf 1), JOE-6C (Faarf 2), dR6G (Faarf 3), TMR-6C (Faarf 4), CXR-6C (Faarf 5), TOM- 6C (Faarf 6), LIZ (Faarf 7) a WEN (Faarf 8) an opsteigend Uerdnung vun der fluoreszenter Wellelängt, getrennt an jiddereng vun de véier Kapillaren (nodréiglech Cap1, Cap2, Cap3 a Cap4 bezeechent).Laser-induzéiert Fluoreszenz vu Cap1-Cap4 gouf mat enger Array vu véier Lënsen kolliméiert a gläichzäiteg mat engem néngfaarwege Spektrometer opgeholl.D'Intensitéit Dynamik vun néng-Faarf (C1-C9) fluorescence während electrophoresis, dat ass, eng néng-Faarf electrophoregram vun all capillary, ass an Lalumi 7a gewisen.En gläichwäerteg néngfaarweg Elektrophoregramm gëtt am Cap1-Cap4 kritt.Wéi vun de Cap1 Pfeile an der Figur 7a uginn, weisen déi aacht Peaks op all néngfaarweg Elektrophoregramm eng Fluoreszenz Emissioun vum Dye1-Dye8 respektiv.
Simultan Quantifikatioun vun aacht Faarfstoffer mat engem néng-faarwege véier-kapilläre Elektrophoresespektrometer.(a) Néng-Faarf (C1-C9) electrophoregram vun all capillary.Déi aacht Peaks, déi mat Pfeile Cap1 uginn, weisen individuell Fluoreszenz Emissioune vun aacht Faarfstoffer (Dye1-Dye8).D'Faarwen vun de Pfeile entspriechen de Faarwen (b) an (c).(b) Fluoreszenz Spektrum vun aacht Faarfstoffer (Dye1-Dye8) pro Kapillar.c Elektropherogramme vun aacht Faarfstoffer (Dye1-Dye8) pro Kapillar.D'Spëtze vun Dye7-Label DNA Fragmenter sinn duerch Pfeile uginn, an hir Cap4 Base Längt sinn uginn.
D'Intensitéitsverdeelunge vu C1-C9 op aacht Peaks ginn an de Fig.7b respektiv.Well souwuel C1-C9 an Dye1-Dye8 sinn an Wellelängt Uerdnung, weisen déi aacht distributions zu Lalumi 7b der fluorescence Spektrum vun Dye1-Dye8 sequenziell vu lénks op riets.An dëser Etude erschéngen Dye1, Dye2, Dye3, Dye4, Dye5, Dye6, Dye7, an Dye8 a Magenta, violett, blo, Cyan, gréng, giel, orange a rout, respektiv.Bedenkt datt d'Faarwen vun de Pfeile an der Figur 7a mat de Faarffaarwen an der Figur 7b entspriechen.D'C1-C9 fluorescence Intensitéiten fir all Spektrum an Dorënner 7b sech normaliséiert sou datt hir Zomm eent ass.Aacht gläichwäerteg fluorescence Spektrum sech aus Cap1-Cap4 kritt.Et kann d'spektral Iwwerlappung vun der Fluoreszenz tëscht Faarf 1-Faarf 8 kloer beobachten.
Wéi an Dorënner 7c gewisen, fir all capillary, der néng-Faarf electrophoregram an Dorënner 7a war zu engem aacht-Faarf electropherogram ëmgerechent duerch Multi-Komponent Analyse baséiert op der aacht fluorescence Spektrum an Dorënner 7b (kuckt Zousaz Material fir Detailer).Zënter datt d'spektral Iwwerlappung vun der Fluoreszenz an der Figur 7a net an der Figur 7c ugewisen ass, kann Dye1-Dye8 zu all Zäitpunkt individuell identifizéiert a quantifizéiert ginn, och wa verschidde Quantitéiten vun Dye1-Dye8 zur selwechter Zäit fluoreszen.Dëst kann net mat traditionell siwen-Faarf Detektioun gemaach ginn31, mee kann mat der entwéckelt néng-Faarf Detektioun erreecht ginn.Wéi d'Pfeile Cap1 an der Fig. ) ginn an der erwaarter chronologescher Uerdnung observéiert.Fir d'fluoreszent Emissioun vun Faarf 7 (orange), Nieft der eenzeger Héichpunkt vun der orange Pfeil uginn, goufen e puer aner eenzel Peaks observéiert.Dëst Resultat ass wéinst der Tatsaach, datt d'Proben Gréisst Standarden enthalen, Dye7 Label DNA Fragmenter mat verschiddene Basis Längt.Wéi an der Figur 7c gewisen, fir Cap4 sinn dës Basislängten 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214 an 220 Basislängten.
D'Haaptmerkmale vum néngfaarwege Spektrometer, entwéckelt mat enger Matrix vun zwee-Schicht dichroesche Spigelen, si kleng Gréisst an einfachen Design.Zënter der Array vun decachromatesche Spigelen am Adapter, deen an der Fig.3c direkt op der Bild Sensor Bord montéiert (kuckt Fig. S1 an S2), der néng-Faarf Spektrometer huet déi selwecht Dimensiounen wéi den Adapter, dh 54 × 58 × 8,5 mm.(Dicke).Dës ultra-kleng Gréisst ass zwee bis dräi Uerderen vun der Gréisst méi kleng wéi konventionell Spektrometer déi Gitter oder Prisme benotzen.Zousätzlech, well den néngfaarwege Spektrometer sou konfiguréiert ass datt d'Liicht d'Uewerfläch vum Bildsensor senkrecht schloen, kann Plaz fir den néng-Faarwe Spektrometer a Systemer wéi Mikroskopen, Flowzytometer oder Analysatoren einfach zougewisen ginn.Kapillargitter Elektrophoreseanalysator fir nach méi grouss Miniaturiséierung vum System.Zur selwechter Zäit ass d'Gréisst vun zéng dichroesche Spigelen a Bandpassfilter, déi am néngfaarwege Spektrometer benotzt ginn, nëmmen 10 × 1,9 × 0,5 mm oder 15 × 1,9 × 0,5 mm.Sou kënne méi wéi 100 esou kleng dichroesch Spigelen respektiv Bandpassfilter aus engem dichroesche Spigel respektiv aus engem 60 mm2 Bandpassfilter ofgeschnidden ginn.Dofir kann eng Rei vun decachromatesche Spigelen zu niddrege Käschten hiergestallt ginn.
Eng aner Feature vum néngfaarwege Spektrometer ass seng exzellent Spektraleigenschaften.Besonnesch erlaabt et d'Acquisitioun vu Spektralbilder vu Schnappschëss, dat heescht d'simultan Acquisitioun vu Biller mat Spektralinformatioun.Fir all Bild gouf e kontinuéierleche Spektrum mat engem Wellelängteberäich vu 520 bis 700 nm an enger Opléisung vun 20 nm kritt.An anere Wierder, néng Faarfintensitéite vum Liicht gi fir all Bild festgestallt, also néng 20 nm Bands, déi d'Wellenlängteberäich vu 520 bis 700 nm gläich deelen.Duerch d'Verännerung vun de Spektraleigenschaften vum dichroesche Spigel an dem Bandpassfilter kann d'Wellenlängtberäich vun den néng Bands an d'Breet vun all Band ugepasst ginn.Néng Faarferkennung kann net nëmme fir Fluoreszenzmiessunge mat Spektralbildung benotzt ginn (wéi an dësem Bericht beschriwwen), awer och fir vill aner gemeinsam Uwendungen mat Spektralbildung.Obwuel hyperspektral Imaging kann honnerte vu Faarwen entdecken, et gouf fonnt, datt och mat enger bedeitend Reduktioun vun der Zuel vun detektéieren Faarwen, Multiple Objeten am Beräich vun Vue kann mat genuch Genauegkeet fir vill Applikatiounen identifizéiert ginn38,39,40.Well raimlech Opléisung, Spektralopléisung an temporär Opléisung e Ofwiesselung an der Spektralbildung hunn, kann d'Reduktioun vun der Unzuel vu Faarwen d'raimlech Opléisung an d'Zäitopléisung verbesseren.Et kann och einfach Spektrometer benotzen wéi deen an dëser Etude entwéckelt gouf an d'Quantitéit vun der Berechnung weider reduzéieren.
An dëser Etude goufen aacht Faarfstoffer gläichzäiteg quantifizéiert duerch spektral Trennung vun hiren iwwerlappende Fluoreszenzspektre baséiert op der Detektioun vun néng Faarwen.Bis zu néng Faarfstoffer kënne gläichzäiteg quantifizéiert ginn, zesumme mat Zäit a Raum.E spezielle Virdeel vum néngfaarwege Spektrometer ass säin héije Liichtflux a grousser Apertur (1 × 7 mm).D'Decane Spigelarray huet eng maximal Iwwerdroung vun 92% vum Liicht vun der Apertur an jiddereng vun den néng Wellelängteberäicher.D'Effizienz fir d'Infallslicht am Wellelängteberäich vu 520 bis 700 nm ze benotzen ass bal 100%.An esou enger breet Palette vu Wellelängten kann keen Diffraktiounsgitter sou eng héich Effizienz vum Gebrauch ubidden.Och wann d'Diffraktiounseffizienz vun engem Diffraktiounsgitter 90% bei enger bestëmmter Wellelängt iwwerschreift, wéi den Ënnerscheed tëscht där Wellelängt an enger bestëmmter Wellelängt eropgeet, fällt d'Diffraktiounseffizienz bei enger anerer Wellelängt erof41.D'Ouverture Breet senkrecht op d'Richtung vum Fliger an der Fig.
Den néngfaarwege Spektrometer kann net nëmme fir d'Kapillarelektrophorese benotzt ginn, wéi an dëser Etude gewisen, awer och fir verschidden aner Zwecker.Zum Beispill, wéi an der Figur hei ënnen gewisen, kann en néng-Faarf Spektrometer op e Fluoreszenzmikroskop applizéiert ginn.De Fliger vun der Probe gëtt um Bildsensor vum néngfaarwege Spektrometer duerch en 10x Objektiv ugewisen.Déi optesch Distanz tëscht der Objektivobjektiv an dem Bildsensor ass 200 mm, während d'optesch Distanz tëscht der Zwëschenfläch vum néngfaarwege Spektrometer an dem Bildsensor nëmmen 12 mm ass.Dofir gouf d'Bild op ongeféier d'Gréisst vun der Ouverture (1 × 7 mm) am Inzidenzplang geschnidden an an néng Faarfbiller opgedeelt.Dat ass, e Spektralbild vun engem néng-faarwege Schnappschëss kann op engem 0,1 × 0,7 mm Gebitt am Probeplan geholl ginn.Zousätzlech ass et méiglech en néngfaarwege Spektralbild vun engem gréissere Gebitt op der Probefläch ze kréien andeems d'Probe relativ zum Objektiv an der horizontaler Richtung an der Fig. 2c gescannt gëtt.
D'decachromatesch Spigelarraykomponenten, nämlech M1-M9 a BP, goufen personaliséiert vun Asahi Spectra Co., Ltd.Multilayer dielektresch Materialien goufen individuell op zéng Quarzplacke 60 × 60 mm grouss an 0,5 mm déck applizéiert, déi folgend Ufuerderunge entspriechen: M1: IA = 45°, R ≥ 90% bei 520-590 nm, Tave ≥ 90% bei 610- 610 nm.700 nm, M2: IA = 45°, R ≥ 90% bei 520–530 nm, Tave ≥ 90% bei 550–600 nm, M3: IA = 45°, R ≥ 90% bei 540–550 nm, Tave ≥ % bei 570-600 nm, M4: IA = 45°, R ≥ 90% bei 560-570 nm, Tave ≥ 90% bei 590-600 nm, M5: IA = 45°, R ≥ 98% bei 00 nm , R ≥ 98% bei 680–700 nm, M6: IA = 45°, Tave ≥ 90% bei 600–610 nm, R ≥ 90% bei 630–700 nm, M7: IA = 45°, R ≥ ≥ 620–630 nm, Taw ≥ 90% bei 650–700 nm, M8: IA = 45°, R ≥ 90% bei 640–650 nm, Taw ≥ 90% bei 670–700 nm, M 45: IA ≥ 90% bei 650-670 nm, Tave ≥ 90% bei 690-700 nm, BP: IA = 0°, T ≤ 0,01% bei 505 nm, Tave ≥ 95% bei 530-690% 0 nm op 9 bei -690 nm an T ≤ 1% bei 725-750 nm, wou IA, T, Tave, a R de Wénkel vun der Inzidenz, Iwwerdroung, Duerchschnëttsiwwerdroung an onpolariséierter Liichtreflektioun sinn.
Wäiss Liicht (C0) mat engem Wellelängteberäich vu 400–750 nm, emittéiert vun enger LED-Liichtquell (AS 3000, AS ONE CORPORATION) gouf kolliméiert a vertikal op der DP vun enger Array vun dichroesche Spigelen agefall.De wäisse Liichtspektrum vun den LEDs gëtt an der Supplementary Figur S3 gewisen.Setzt en Acryltank (Dimensiounen 150 × 150 × 30 mm) direkt virun der Decamera Spigelarray, vis-à-vis vun der PSU.Den Damp entsteet wann dréchen Äis a Waasser taucht ass, gouf dann an en Acryltank gegoss fir déi néng-faarweg C1-C9 gespléckt Stréimunge vun der Array vun decachromatesche Spigelen ze observéieren.
Alternativ gëtt dat kolliméiert wäiss Liicht (C0) duerch e Filter gefouert ier se an d'DP erakënnt.D'Filtere waren ursprénglech neutral Dichtfilter mat enger optescher Dicht vun 0,6.Benotzt dann e motoriséierte Filter (FW212C, FW212C, Thorlabs).Endlech, schalt den ND-Filter erëm un.D'Bandbreedung vun den néng Bandpassfilter entsprécht C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 an C1, respektiv.Eng Quarzzelle mat internen Dimensiounen vun 40 (optesch Längt) x 42,5 (Héicht) x 10 mm (Breet) gouf virun enger Rei vun decochromatesche Spigelen, vis-à-vis vum BP gesat.Den Damp gëtt dann duerch e Rouer an d'Quarzzelle gefüttert fir d'Konzentratioun vum Damp an der Quarzzell z'erhalen fir déi néng-faarweg C1-C9 gespléckt Stréimunge vun der dekachromatescher Spigelarray ze visualiséieren.
E Video vum néng-faarwege gesplécktem Liichtstroum, deen aus enger Rei vun dekanesche Spigelen entsteet, gouf am Time-lapse Modus um iPhone XS ageholl.Fang Biller vun der Szen mat 1 fps a kompiléiert d'Biller fir Video mat 30 fps (fir optional Video 1) oder 24 fps (fir optional Videoen 2 an 3) ze kreéieren.
Plaz eng 50 µm déck Edelstahlplack (mat véier 50 µm Duerchmiesser Lächer mat 1 mm Intervalle) op der Diffusiounsplack.Liicht mat enger Wellelängt vu 400-750 nm gëtt op d'Diffusorplack bestraht, kritt andeems d'Liicht vun enger Halogenlampe duerch e kuerzen Iwwerdroungsfilter mat enger ofgeschniddener Wellelängt vu 700 nm passéiert.D'Liichtspektrum gëtt an der Zousazbild S4 gewisen.Alternativ passéiert d'Liicht och duerch ee vun den 10 nm Bandpassfilter, déi op 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 an 690 nm zentréiert sinn an op d'Diffusorplack schloen.Als Resultat goufen véier Stralungspunkte mat engem Duerchmiesser vu φ50 μm a verschiddene Wellelängten op enger Edelstahlplack vis-à-vis vun der Diffusorplack geformt.
A véier-capillary Array mat véier Lënsen ass op engem néng-Faarf spektrometer montéiert wéi an der Figur 1 an 2. C1 an C2.Déi véier Kapillaren a véier Lënse waren d'selwecht wéi an de fréiere Studien31,34.E Laserstrahl mat enger Wellelängt vu 505 nm an enger Kraaft vu 15 mW gëtt gläichzäiteg a gläichméisseg vun der Säit op d'Emissiounspunkte vu véier Kapillaren bestraalt.D'Fluoreszenz, déi vun all Emissiounspunkt emittéiert gëtt, gëtt vun der entspriechender Lens kolliméiert an an néng Faarfstroum duerch eng Rei vun dekachromatesche Spigelen getrennt.Déi resultéierend 36 Stréimunge goufen dann direkt an e CMOS Bildsensor (C11440–52U, Hamamatsu Photonics K·K.) injizéiert, an hir Biller goufen gläichzäiteg opgeholl.
ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit (Applied Biosystems), 4 µl GeneScan ™ 600 LIZ ™ Faarfstoff gouf fir all Kapillar gemëscht andeems 1 µl PowerPlex® 6C Matrix Standard (Promega Corporation), 1 µl Mix Gréisst Standard vermëschen.v2.0 (Thermo Fisher Scientific) a 14 µl Waasser.De PowerPlex® 6C Matrix Standard besteet aus sechs DNA Fragmenter markéiert mat sechs Faarfstoffer: FL-6C, JOE-6C, TMR-6C, CXR-6C, TOM-6C, a WEN, an Uerdnung vu maximaler Wellelängt.D'Basislänge vun dësen DNA Fragmenter ginn net opgedeckt, awer d'Basislängt Sequenz vun DNA Fragmenter markéiert mat WEN, CXR-6C, TMR-6C, JOE-6C, FL-6C an TOM-6C ass bekannt.D'Mëschung am ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit enthält en DNA Fragment markéiert mat dR6G Dye.D'Längt vun de Basen vun den DNA Fragmenter ginn och net opgedeckt.GeneScan™ 600 LIZ™ Dye Size Standard v2.0 enthält 36 LIZ-labeléiert DNA Fragmenter.D'Basislänge vun dësen DNA Fragmenter sinn 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214, 220, 240, 250, 260, 280, 300, 300, 2, 30, 30, 2, 30 360, 380, 400, 414, 420, 440, 460, 480, 500, 514, 520, 540, 560, 580 an 600 Basis.D'Probe goufen bei 94 ° C fir 3 Minutten denaturéiert, duerno op Äis fir 5 Minutten ofgekillt.Echantillon goufen an all Kapillare bei 26 V / cm fir 9 s injizéiert an an all Kapillar getrennt mat enger POP-7 ™ Polymer Léisung (Thermo Fisher Scientific) mat enger effektiver Längt vun 36 cm an enger Spannung vun 181 V / cm an engem Wénkel vun 60 °.VUN.
All Daten, déi am Laf vun dëser Etude kritt oder analyséiert goufen, sinn an dësem publizéierten Artikel a seng zousätzlech Informatioun abegraff.Aner Donnéeën relevant fir dës Etude sinn aus de jeeweileg Autoren op raisonnabel Ufro sinn.
Khan, MJ, Khan, HS, Yousaf, A., Khurshid, K., an Abbas, A. Aktuell Trends an hyperspektral Imaging Analyse: eng Iwwerpréiwung.Zougang IEEE 6, 14118–14129.https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2812999 (2018).
Vaughan, AH Astronomesch Interferometric Fabry-Perot Spektroskopie.installéieren.Reverend Astron.Astrophysik.5, 139-167.https://doi.org/10.1146/annurev.aa.05.090167.001035 (1967).
Goetz, AFH, Wein, G., Solomon, JE, and Rock, BN.Science 228, 1147-1153.https://doi.org/10.1126/science.228.4704.1147 (1985).
Yokoya, N., Grohnfeldt, C., a Chanussot, J. Fusioun vun hyperspektralen a multispektralen Donnéeën: eng vergläichend Iwwerpréiwung vun de rezenten Publikatiounen.IEEE Äerdwëssenschaften.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. a Frias, JM Hyperspectral Imaging ass en neit analytescht Tool fir Qualitéitskontroll a Liewensmëttelsécherheet.Trends an der Liewensmëttelwëssenschaft.Technologie.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.Sensoren 19, 1090 (2019).
Liang, H. Fortschrëtter an der Multispektral an Hyperspektral Imaging fir Archeologie a Konschtkonservatioun.Gëlle fir eng kierperlech 106, 309-323.https://doi.org/10.1007/s00339-011-6689-1 (2012).
Edelman GJ, Gaston E, van Leeuwen TG, Cullen PJ, Alders MKG Hyperspectral Imaging for non-contact analysis of forensic traces.Criminalistics.intern 223, 28-39.https://doi.org/10.1016/j.forsciint.2012.09.012 (2012).
Post Zäit: Jan-10-2023