Grazie per visità Nature.com.Aduprate una versione di navigatore cù supportu CSS limitatu.Per a megliu sperienza, ricumandemu chì utilizate un navigatore aghjurnatu (o disattivà u Modu di Compatibilità in Internet Explorer).Inoltre, per assicurà un supportu continuu, mostramu u situ senza stili è JavaScript.
Mostra un carrusel di trè diapositive à una volta.Aduprate i buttoni Previous è Next per passà per trè slides à un tempu, o utilizate i buttoni slider à a fine per passà trè slides à u tempu.
Un spettrometru ultra-compact (54 × 58 × 8,5 mm) è di apertura larga (1 × 7 mm) hè statu sviluppatu, "split in two" da una serie di deci specchi dicroici, chì hè stata utilizata per l'imaghjini spettrali istantanei.U flussu di luce incidente cù una sezione trasversale più chjuca di a dimensione di l'apertura hè divisu in una striscia continua larga 20 nm è nove flussi di culore cù lunghezze d'onda cintrali di 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 è 690 nm.L'imaghjini di novi flussi di culore sò misurati simultaneamente in modu efficiente da u sensoru di l'imaghjini.A cuntrariu di l'array di specchi dicroici convenzionali, l'array di specchi dicroici sviluppati hà una cunfigurazione unica di dui pezzi, chì ùn solu aumenta u numeru di culori chì ponu esse misurati simultaneamente, ma ancu migliurà a risoluzione di l'imaghjini per ogni flussu di culore.U spettrometru sviluppatu di nove culori hè utilizatu per l'elettroforesi di quattru capillari.Analisi quantitativa simultanea di ottu coloranti chì migranu simultaneamente in ogni capillare utilizendu fluorescenza indotta da laser di nove culori.Siccomu u spettrometru di nove culori ùn hè micca solu ultra-picculu è prezzu, ma hà ancu un flussu luminosu elevatu è una risoluzione spettrale sufficiente per a maiò parte di l'applicazioni di imaging spettrali, pò esse largamente utilizatu in diversi campi.
L'imaghjini iperspettrali è multispettrali sò diventati una parte impurtante di l'astronomia2, telerilevazione per l'osservazione di a Terra3,4, cuntrollu di qualità di l'alimentariu è di l'acqua5,6, conservazione di l'arte è archeologia7, forensics8, chirurgia9, analisi biomedicale è diagnostichi10,11 ecc. Campu 1 Una tecnulugia indispensabile. ,12,13.I metudi per a misurazione di u spettru di luce emessa da ogni puntu d'emissione in u campu di vista sò divisi in (1) scanning point ("scopa")14,15, (2) scanning lineare ("panicule")16,17,18. , (3) lunghezza scans waves19,20,21 è (4) images22,23,24,25.In u casu di tutti questi metudi, a risuluzione spaziale, a risoluzione spettrale è a risoluzione temporale anu una relazione di scambiu9,10,12,26.Inoltre, a pruduzzione luminosa hà un impattu significativu nantu à a sensibilità, vale à dì u rapportu signal-to-noise in imaging spettrale26.U flussu luminoso, vale à dì, l'efficienza di l'usu di a luce, hè direttamente proporzionale à u rapportu di a quantità di luce misurata attuale di ogni puntu luminosu per unità di tempu à a quantità totale di luce di a gamma di lunghezza d'onda misurata.A categuria (4) hè un metudu appropritatu quandu l'intensità o u spettru di luce emessa da ogni puntu di emissione cambia cù u tempu o quandu a pusizione di ogni puntu di emissione cambia cù u tempu perchè u spettru di luce emessa da tutti i punti di emissione hè misurata simultaneamente.24.
A maiò parte di i metudi di sopra sò cumminati cù spettrometri grossi, cumplessi è / o caru chì utilizanu 18 griglie o 14, 16, 22, 23 prismi per classi (1), (2) è (4) o 20, 21 dischi di filtru, filtri liquidi. .Filtri sintonizzabili cristallini (LCTF)25 o filtri sintonizzabili acusto-ottici (AOTF)19 di categuria (3).In cuntrastu, i spettrometri multi-specchi di categuria (4) sò chjuchi è di prezzu per via di a so cunfigurazione simplice27,28,29,30.Inoltre, anu un flussu luminosu altu perchè a luce sparta da ogni specchiu dicroicu (vale à dì, a luce trasmessa è riflessa di a luce incidente nantu à ogni specchiu dicroicu) hè cumplettamente è continuamente utilizata.Tuttavia, u numeru di bande di lunghezza d'onda (vale à dì i culori) chì deve esse misurata simultaneamente hè limitatu à circa quattru.
L'imaghjini spettrali basati nantu à a deteczione di fluorescenza hè comunmente utilizatu per l'analisi multiplex in a deteczione è diagnostica biomedica 10, 13.In multiplexing, postu chì parechji analiti (per esempiu, DNA specifichi o proteini) sò marcati cù diversi coloranti fluorescenti, ogni analita presente in ogni puntu di emissione in u campu di vista hè quantificata cù l'analisi multicomponente.32 rompe u spettru di fluorescenza rilevatu emessu da ogni puntu di emissione.Duranti stu prucessu, diversi tinti, ognuna chì emette una fluoriscenza diversa, ponu colocalize, vale à dì, coexist in u spaziu è u tempu.Attualmente, u numeru massimu di tinture chì ponu esse eccitati da un unicu fasciu laser hè ottu33.Stu limitu superiore ùn hè micca determinatu da a risuluzione spettrale (vale à dì, u numeru di culori), ma da a larghezza di u spettru di fluorescenza (≥50 nm) è a quantità di colorante Stokes shift (≤200 nm) à FRET (usando FRET)10 .In ogni casu, u numeru di culori deve esse più grande o uguale à u numeru di tinture per eliminà a superposizione spettrale di tinture miste31,32.Per quessa, hè necessariu di aumentà u numeru di culori misurati simultaneamente à ottu o più.
Recentemente, hè statu sviluppatu un spettrometru eptachroicu ultra-compact (aduprendu una serie di specchi heptychroic è un sensor d'imaghjini per misurà quattru flussi fluorescenti).U spettrometru hè di dui à trè ordini di magnitudine più chjuca di spettrometri cunvinziunali chì utilizanu griglie o prismi34,35.Tuttavia, hè difficiule di mette più di sette specchi dicroici in un spettrometru è misurà simultaneamente più di sette culori36,37.Cù un incrementu di u nùmeru di specchi dicroici, a diffarenza massima in a lunghezza di i percorsi ottici di i flussi di luce dicroica aumenta, è diventa difficiuli di vede tutti i flussi di luce nantu à un pianu sensoriale.A più longa di u percorsu otticu di u flussu luminosu aumenta ancu, cusì a larghezza di l'apertura di l'espectrometru (vale à dì a larghezza massima di a luce analizata da u spettrometru) diminuisce.
In risposta à i prublemi sopra, hè statu sviluppatu un spettrometru ultra-compact di nove culori cù una matrice di specchiu decacromaticu "dicroica" di dui strati è un sensor d'imaghjini per l'imaghjini spettrali istantanei [categoria (4)].In cunfrontu cù spettrometri precedenti, u spettrometru sviluppatu hà una differenza più chjuca in a lunghezza massima di u percorsu otticu è una lunghezza massima di u percorsu otticu.Hè stata appiicata à l'elettroforesi di quattru capillari per detectà a fluorescenza di nove culori indotta da laser è per quantificà a migrazione simultanea di ottu coloranti in ogni capillare.Siccomu u spettrometru sviluppatu ùn hè micca solu ultra-picculu è prezzu, ma hà ancu un flussu luminosu elevatu è una risoluzione spettrale sufficiente per a maiò parte di l'applicazioni di imaging spettrali, pò esse largamente utilizatu in diversi campi.
U spettrometru tradiziunale di nove culori hè mostratu in a fig.1a.U so disignu seguita quellu di l'ultra-picculu spettrometru di sette culori 31. Hè custituitu di novi specchi dicroici disposti horizontalmente à un angolo di 45 ° à a diritta, è u sensoru di l'imaghjini (S) hè situatu sopra à i novi specchi dicroici.A luce chì entra da quì sottu (C0) hè divisa da una matrice di nove specchi dicroici in nove flussi di luce ascendenti (C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 è C9).Tutti i novi flussi di culore sò alimentati direttamente à u sensoru di l'imaghjini è sò rilevati simultaneamente.In questu studiu, C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 è C9 sò in ordine di lunghezza d'onda è sò rapprisentati da magenta, viola, blu, cian, verde, giallu, aranciu, rossu-aranciu, è rossu, rispettivamente.Ancu s'è sti designazioni di culore sò aduprate in stu documentu, cum'è mostra in a Figura 3, perchè sò diffirenti di i culori attuali vistu da l'ochju umanu.
Diagrammi schematici di spettrometri cunvinziunali è novi di novi culori.(a) Spettrometru convenzionale di nove culori cù una serie di nove specchi dicroici.(b) Novu spettrometru di nove culori cù una matrice di specchi dicroici di dui strati.U flussu di luce incidente C0 hè divisu in nove flussi di luce di culore C1-C9 è rilevatu da u sensoru di l'imaghjini S.
U novu spettrometru di nove culori sviluppatu hà una griglia di specchiu dicroicu di dui strati è un sensor d'imaghjini, cum'è mostra in Fig. 1b.In u livellu più bassu, cinque specchi dicroici sò inclinati 45 ° à a diritta, allinati à a diritta da u centru di l'array of decamers.À u livellu superiore, cinque specchi dicroici supplementari sò inclinati 45 ° à manca è situati da u centru à a manca.U specchiu dicroicu più à manca di a capa inferiore è u specchiu dicroicu più à destra di a capa superiore si sovrapponenu.U flussu di luce incidente (C0) hè divisu da quì sottu in quattru flussi cromatici in uscita (C1-C4) da cinque specchi dicroici à diritta è cinque flussi cromatici in uscita (C5-C4) da cinque specchi dicroici à manca C9.Cum'è spettrometri convenzionali di nove culori, tutti i novi flussi di culore sò direttamente injected in u sensoru di l'imaghjini (S) è rilevati simultaneamente.Paragunendu i Figure 1a è 1b, si pò vede chì in u casu di u novu spettrometru di nove culori, sia a diferenza massima è a più longa di u percorsu otticu di i novi flussi di culore sò dimezzati.
A custruzzione dettagliata di una matrice di specchi dicroici ultra-picculi di dui strati 29 mm (larghezza) × 31 mm (prufundità) × 6 mm (altitudine) hè mostrata in a Figura 2. L'array di specchi dicroici decimali hè custituitu da cinque specchi dicroici à a diritta. (M1-M5) è cinque specchi dicroici à manca (M6-M9 è un altru M5), ogni specchiu dicroicu hè fissatu in u supportu superiore d'aluminiu.Tutti i specchi dicroici sò staggerati per cumpensà u spustamentu parallelu per via di a rifrazione di u flussu attraversu i specchi.Sottu M1, un filtru passa-banda (BP) hè fissu.E dimensioni M1 è BP sò 10 mm (lato longu) x 1,9 mm (lato curtu) x 0,5 mm (spessore).E dimensioni di i specchi dicroici rimanenti sò 15 mm × 1,9 mm × 0,5 mm.U pitch di a matrice trà M1 è M2 hè 1,7 mm, mentri a matrice di l'altri specchi dicroici hè 1,6 mm.Nantu à fig.2c combina u flussu di luce incidente C0 è nove flussi di luce culurita C1-C9, siparati da una matrice di specchi di de-camera.
Custruzzione di una matrice di specchiu dicroica à dui strati.(a) Una vista prospettiva è (b) una vista in sezione trasversale di una matrice di specchi dicroici di dui strati (dimensioni 29 mm x 31 mm x 6 mm).Hè custituitu da cinque specchi dicroici (M1-M5) situati in a capa inferiore, cinque specchi dicroici (M6-M9 è un altru M5) situati in u stratu superiore, è un filtru passa-banda (BP) situatu sottu à M1.(c) Vista transversale in direzzione verticale, cù C0 è C1-C9 sovrapposizione.
A larghezza di l'apertura in a direzzione horizontale, indicata da a larghezza C0 in Fig. 2, c, hè 1 mm, è in a direzzione perpendicular à u pianu di Fig. 2, c, datu da u disignu di u bracket d'aluminiu, - 7 mm.Questu hè, u novu spettrometru di nove culori hà una grande apertura di 1 mm × 7 mm.U percorsu otticu di C4 hè u più longu trà C1-C9, è u percorsu otticu di C4 à l'internu di u specchiu dicroicu, per via di a dimensione ultra-piccola sopra (29 mm × 31 mm × 6 mm), hè 12 mm.À u listessu tempu, a lunghezza di u percorsu otticu di C5 hè a più corta trà C1-C9, è a lunghezza di u percorsu otticu di C5 hè 5,7 mm.Dunque, a diffarenza massima in a lunghezza di u percorsu otticu hè 6,3 mm.E lunghezze di u percorsu otticu sopra sò currette per a lunghezza di u percorsu otticu per a trasmissione ottica di M1-M9 è BP (da quartz).
E proprietà spettrali di М1−М9 è VR sò calculate in modu chì i flussi С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8 è С9 sò in a gamma di lunghezze d'onda 520–540, 540–560, 65, 60, 6 -600, 600-620, 620-640, 640-660, 660-680, è 680-700 nm, rispettivamente.
Una fotografia di a matrice fabbricata di specchi decacromatici hè mostrata in Fig. 3a.M1-M9 è BP sò pegati à a pendenza di 45 gradi è u pianu horizontale di u supportu d'aluminiu, rispettivamente, mentre chì M1 è BP sò oculati nantu à u spinu di a figura.
Pruduzzione di una serie di specchi decani è a so dimustrazione.(a) Una serie di specchi decacromatici fabbricati.(b) Una immagine divisa in nove culori di 1 mm × 7 mm proiettata nantu à una foglia di carta posta davanti à una serie di specchi decacromatici è retroilluminati cù luce bianca.(c) Una matrice di specchi decocromatici illuminati cù luce bianca da daretu.(d) Un flussu di splitting di nove culori chì emana da a matrice di specchi di decane, osservatu mettendu un canister acrilicu pienu di fumu davanti à a matrice di specchi di decane à c è scurisce a stanza.
I spettri di trasmissione misurati di M1-M9 C0 à un angolo d'incidenza di 45 ° è u spettru di trasmissione misurata di BP C0 à un angolo d'incidenza di 0 ° sò mostrati in Figs.4a.I spettri di trasmissione di C1-C9 relative à C0 sò mostrati in Figs.4b.Questi spettri sò stati calculati da i spettri in Figs.4a in cunfurmità cù u percorsu otticu C1-C9 in Fig.1b è 2c.Per esempiu, 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)], dove TS(X) e [ 1 - TS (X)] sò i spettri di trasmissione è riflessione di X, rispettivamente.Comu mostra in a Figura 4b, i bandwidths (bandwidth ≥50%) di C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 è C9 sò 521-540, 541-562, 563-580, 581-602, 603. -623, 624-641, 642-657, 659-680 è 682-699 nm.Questi risultati sò cunsistenti cù i intervalli sviluppati.Inoltre, l'efficienza di l'utilizazione di a luce C0 hè alta, vale à dì, a trasmittanza di luce C1-C9 massima media hè 92%.
Spettri di trasmissione di un specchiu dicroicu è un flussu split di nove culori.(a) Spettri di trasmissione misurati di M1-M9 à 45 ° incidenza è BP à 0 ° incidenza.(b) Spettri di trasmissione di C1-C9 relative à C0 calculati da (a).
Nantu à fig.3c, l'array di specchi dichroic hè situatu verticalmente, cusì chì u so latu drittu in Fig.L'array di specchi decacromatici mostrati in a Figura 3a hè muntatu in un adattatore di 54 mm (altezza) × 58 mm (prufundità) × 8,5 mm (spessore).Nantu à fig.3d, in più di u statu mostratu in fig.3c, una cisterna acrilica piena di fumu hè stata posta davanti à una serie di specchi decocromatici, cù i lumi in a stanza spenti.In u risultatu, nove flussi dicroici sò visibili in u tank, emanendu da una serie di specchi decatroici.Ogni flussu split hà una sezione trasversale rettangulare cù dimensioni di 1 × 7 mm, chì currisponde à a dimensione di l'apertura di u novu spettrometru di nove culori.In a Figura 3b, una foglia di carta hè posta davanti à l'array di specchi dicroici in Figura 3c, è una maghjina di 1 x 7 mm di nove flussi dicroici prughjettati nantu à a carta hè osservata da a direzzione di u muvimentu di carta.flussi.I novi flussi di separazione di culore in fig.3b è d sò C4, C3, C2, C1, C5, C6, C7, C8 è C9 da cima à fondu, chì pò ancu esse vistu in i figuri 1 è 2. 1b è 2c.Sò osservati in culori chì currispondenu à e so lunghezze d'onda.A causa di a bassa intensità di luce bianca di u LED (vede Supplementary Fig. S3) è a sensibilità di a camera di culore utilizata per catturà C9 (682-699 nm) in Fig. Altri flussi di splitting sò debuli.In listessu modu, C9 era pocu visibile à l'occhiu nudu.Intantu, C2 (u sicondu flussu da a cima) pare verde in Figura 3, ma pare più giallu à l'occhiu nudu.
A transizione da a Figura 3c à d hè mostrata in u Video Supplementary 1. Immediatamente dopu chì a luce bianca da u LED passa per l'array di specchiu decacromaticu, si divide simultaneamente in nove flussi di culore.À a fine, u fumu in a tina si dissipava gradualmente da u cima à u fondu, cusì chì i novi pulveri culurati anu ancu sparitu da cima à fondu.In cuntrastu, in u Video Supplementary 2, quandu a lunghezza d'onda di u flussu di luce incidente nantu à l'array di specchi decacromatici hè stata cambiata da longu à cortu in l'ordine di 690, 671, 650, 632, 610, 589, 568, 550 è 532 nm. ., Solu i flussi divisi currispondenti di i novi flussi split in l'ordine di C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 è C1 sò visualizati.U reservoir acrilicu hè rimpiazzatu da una piscina di quartz, è i fiocchi di ogni flussu shunted ponu esse chjaramente osservati da a direzzione in sloping upward.Inoltre, u sub-video 3 hè editatu in modu chì a porzione di cambiamentu di a lunghezza d'onda di u sub-video 2 hè riprodotta.Questa hè l'espressione più eloquente di e caratteristiche di un array decochromatic di specchi.
I risultati di sopra mostranu chì l'array di specchiu decacromaticu fabbricatu o u novu spettrometru di nove culori funziona cum'è previstu.U novu spettrometru di nove culori hè furmatu da a muntagna di una serie di specchi decacromatici cù adattatori direttamente nantu à a scheda di sensori di l'imaghjini.
Flussu luminosu cù un intervallu di lunghezza d'onda da 400 à 750 nm, emessu da quattru punti di radiazione φ50 μm, situati à intervalli di 1 mm in a direzzione perpendiculare à u pianu di Fig. quattru lenti φ1 mm cù una lunghezza focale di 1,4 mm è un pitch di 1 mm.Quattru flussi collimati (quattru C0) sò incidenti nantu à u DP di un novu spettrometru di nove culori, spaziatu à intervalli di 1 mm.Un array di specchi dicroici divide ogni flussu (C0) in nove flussi di culore (C1-C9).I 36 flussi risultanti (quattru setti di C1-C9) sò poi injectati direttamente in un sensor d'imaghjini CMOS (S) direttamente cunnessu à una serie di specchi dicroici.In u risultatu, cum'è mostra in Fig. 5a, per via di a piccula differenza di strada ottica massima è di u percorsu otticu massimu curtu, l'imaghjini di tutti i flussi 36 sò stati rilevati simultaneamente è chjaramente cù a stessa dimensione.Sicondu i spettri downstream (vede a Figura Supplementaria S4), l'intensità di l'imaghjini di i quattru gruppi C1, C2 è C3 hè relativamente bassu.Trenta-sei imagine eranu 0.57 ± 0.05 mm in size (media ± SD).Cusì, l'ingrandimentu di l'imaghjini media 11,4.A spaziatura verticale trà l'imaghjini hè in media di 1 mm (stessa spaziatura cum'è una matrice di lenti) è a spaziatura horizontale media 1,6 mm (stessa distanza cum'è una matrice di specchi dicroica).Perchè a dimensione di l'imaghjini hè assai più chjuca di a distanza trà l'imaghjini, ogni imagine pò esse misurata indipindente (cù bassa crosstalk).Intantu, l'imaghjini di vintottu flussi arregistrati da u spettrometru di sette culori cunvinziunali utilizati in u nostru studiu precedente sò mostrati in a Fig. 5 B. L'array di sette specchi dicroici hè stata creata sguassendu i dui specchi dicroici più dritti da l'array di nove specchi dicroici. specchi in Figura 1a.Micca tutte l'imaghjini sò sharp, a dimensione di l'imagine aumenta da C1 à C7.Vintottu imagine sò 0,70 ± 0,19 mm in grandezza.Dunque, hè difficiule di mantene una alta risoluzione di l'imaghjini in tutte l'imaghjini.U coefficient di variazione (CV) per a dimensione di l'imaghjini 28 in a Figura 5b era 28%, mentre chì u CV per a dimensione di l'imaghjini 36 in a Figura 5a diminuì à 9%.I risultati di sopra mostranu chì u novu spettrometru di nove culori ùn solu aumenta u numeru di culori misurati simultaneamente da sette à nove, ma hà ancu una alta risoluzione d'imaghjini per ogni culore.
Comparazione di a qualità di l'imaghjini split furmati da spettrometri cunvinziunali è novi.(a) Quattru gruppi di imaghjini separati di nove culori (C1-C9) generati da u novu spettrometru di nove culori.(b) Quattru setti d'imaghjini separati di sette culori (C1-C7) furmati cù un spettrometru convenzionale di sette culori.I flussi (C0) cù lunghezze d'onda da 400 à 750 nm da quattru punti di emissione sò collimati è incidenti in ogni spettrometru, rispettivamente.
E caratteristiche spettrali di u spettrometru di nove culori sò stati evaluati sperimentalmente è i risultati di a valutazione sò mostrati in a Figura 6. Nota chì a Figura 6a mostra i stessi risultati cum'è a Figura 5a, vale à dì à lunghezze d'onda di 4 C0 400-750 nm, tutti i 36 imagine sò rilevati. (4 gruppi C1-C9).À u cuntrariu, cum'è mostra in Fig. 6b-j, quandu ogni C0 hà una lunghezza d'onda specifica di 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670, o 690 nm, ci sò quasi solu quattru imagine currispondenti (quattru). gruppi rilevati C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 o C9).In ogni casu, alcune di l'imaghjini adiacenti à e quattru imagine currispundenti sò assai debbuli rilevati perchè l'ispettri di trasmissione C1-C9 indicati in a figura 4b si sovrapponenu ligeramente è ogni C0 hà una banda di 10 nm à una lunghezza d'onda specifica cum'è descritta in u metudu.Questi risultati sò cunsistenti cù i spettri di trasmissione C1-C9 mostrati in Figs.4b è i video supplementari 2 è 3. In altri palori, u spettrometru di nove culori travaglia cum'è previstu basatu nantu à i risultati mostrati in a fig.4b.Dunque, hè cunclusu chì a distribuzione di intensità di l'imaghjini C1-C9 hè u spettru di ogni C0.
Caratteristiche spettrali di un spettrometru di nove culori.U novu spettrometru di nove culori genera quattru setti di imaghjini separati di nove culori (C1-C9) quandu a luce incidente (quattru C0) hà una lunghezza d'onda di (a) 400-750 nm (cum'è mostra in Figura 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, rispettivamente.
U spettrometru di nove culori sviluppatu hè stata utilizata per l'elettroforesi di quattru capillari (per i dettagli, vede Materiali Supplementari)31,34,35.A matrice di quattru capillari hè custituita da quattru capillari (diametru esternu 360 μm è diametru internu 50 μm) situati à intervalli di 1 mm à u situ di irradiazione laser.Campioni contenenti frammenti di DNA etichettati con 8 coloranti, vale a dire FL-6C (colorante 1), JOE-6C (colorante 2), dR6G (colorante 3), TMR-6C (colorante 4), CXR-6C (colorante 5), TOM- 6C (colorante 6), LIZ (colorante 7) e WEN (colorante 8) in ordine crescente di lunghezza d'onda fluorescente, separati in ciascuno di quattro capillari (di seguito denominati Cap1, Cap2, Cap3 e Cap4).A fluorescenza indotta da laser da Cap1-Cap4 hè stata collimata cù una matrice di quattru lenti è registrata simultaneamente cù un spettrometru di nove culori.A dinamica di l'intensità di a fluoriscenza di nove culori (C1-C9) durante l'elettroforesi, vale à dì, un electrophoregram di nove culori di ogni capillare, hè mostratu in Fig. 7a.Un elettroforegramma equivalente di nove culori hè ottenutu in Cap1-Cap4.Comu indicatu da e frecce Cap1 in Figura 7a, l'ottu picchi nantu à ogni elettroforegramma di nove culori mostranu una emissione di fluorescenza da Dye1-Dye8, rispettivamente.
Quantificazione simultanea di ottu coloranti utilizendu un spettrometru di elettroforesi di quattru capillari di nove culori.(a) Elettroforegramma a nove culori (C1-C9) di ogni capillare.L'ottu picchi indicati da e frecce Cap1 mostranu emissioni di fluorescenza individuali di ottu coloranti (Dye1-Dye8).I culori di e frecce currispondenu à i culori (b) è (c).(b) Spettri di fluorescenza di ottu coloranti (Dye1-Dye8) per capillare.c Electropherograms di ottu coloranti (Dye1-Dye8) per capillary.I picchi di frammenti di DNA marcati Dye7 sò indicati da frecce, è e so lunghezze di basa Cap4 sò indicati.
I distribuzioni di intensità di C1-C9 nantu à ottu picchi sò mostrati in Figs.7b, rispettivamente.Perchè i dui C1-C9 è Dye1-Dye8 sò in l'ordine di lunghezza d'onda, l'ottu distribuzioni in Fig.In questu studiu, Dye1, Dye2, Dye3, Dye4, Dye5, Dye6, Dye7 è Dye8 appariscenu rispettivamente in magenta, viola, blu, cian, verde, giallu, aranciu è rossu.Nota chì i culori di e frecce in Fig. 7a currispondenu à i culori di tintura in Fig. 7b.L'intensità di fluorescenza C1-C9 per ogni spettru in a Figura 7b sò stati normalizzati in modu chì a so somma hè uguale à unu.Ottu spettri di fluorescenza equivalenti sò stati ottenuti da Cap1-Cap4.Si pò osservà chjaramente a sovrapposizione spettrale di fluorescenza trà a tinta 1-tinta 8.
Cum'è mostra in Figura 7c, per ogni capillare, l'elettroforegramma di nove culori in Figura 7a hè stata cunvertita in un elettroferogramma di ottu tinture per analisi multi-componente basatu annantu à l'ottu spettri di fluorescenza in Figura 7b (vede Materiali Supplementari per i dettagli).Siccomu a sovrapposizione spettrale di a fluorescenza in a Figura 7a ùn hè micca mostrata in a Figura 7c, Dye1-Dye8 pò esse identificata è quantificata individualmente à ogni puntu di tempu, ancu s'è diverse quantità di Dye1-Dye8 fluorescenu à u stessu tempu.Questu ùn pò micca esse fattu cù a deteczione tradiziunale di sette culori31, ma pò esse ottenuta cù a rilevazione di nove culori sviluppata.Cum'è mostratu da e frecce Cap1 in Fig. 7c, solu l'emissioni fluorescenti singlets Dye3 (blu), Dye8 (rossu), Dye5 (verde), Dye4 (cyan), Dye2 (viola), Dye1 (magenta) è Dye6 (Yellow). ) sò osservati in l'ordine cronologicu previstu.Per l'emissione fluorescente di tintura 7 (aranciu), in più di u piccu unicu indicatu da a freccia aranciu, parechji altri picchi unichi sò stati osservati.Stu risultatu hè duvuta à u fattu chì i campioni cuntenenu standard di dimensione, Dye7 etichettati frammenti di DNA cù diverse lunghezze di basa.Comu mostra in a Figura 7c, per Cap4 sti lunghezze di basa sò 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214 è 220 longhi di basi.
E caratteristiche principali di u spettrometru di nove culori, sviluppatu cù una matrice di specchi dicroici di dui strati, sò dimensioni petite è design simplice.Siccomu l'array di specchi decacromatici in l'adattatore mostratu in a fig.3c muntatu direttamente nantu à u pianu di u sensoru di l'imaghjini (vede Fig. S1 è S2), u spettrometru di nove culori hà e stesse dimensioni cum'è l'adattatore, vale à dì 54 × 58 × 8,5 mm.(spessore).Questa dimensione ultra-piccola hè di dui à trè ordini di grandezza più chjuca di spettrometri cunvinziunali chì utilizanu griglie o prismi.Inoltre, postu chì u spettrometru di nove culori hè cunfiguratu in modu chì a luce colpisce a superficia di u sensoru di l'imaghjini perpendicularmente, u spaziu pò esse facilmente attribuitu per l'espectrometru di nove culori in sistemi cum'è microscopi, citometri di flussu o analizatori.Analizzatore d'elettroforesi di reticula capillare per una miniaturizazione ancu più grande di u sistema.À u listessu tempu, a dimensione di deci specchi dicroici è filtri di banda passanti utilizati in u spettrometru di nove culori hè solu 10 × 1,9 × 0,5 mm o 15 × 1,9 × 0,5 mm.Cusì, più di 100 tali picculi specchi dicroici è filtri bandpass, rispettivamente, ponu esse tagliati da un specchiu dicroicu è un filtru bandpass 60 mm2, rispettivamente.Dunque, una serie di specchi decacromatici ponu esse fabbricati à pocu costu.
Una altra caratteristica di u spettrometru di nove culori hè e so eccellenti caratteristiche spettrali.In particulare, permette l'acquistu di l'imaghjini spettrali di i snapshots, vale à dì l'acquistu simultanea di l'imaghjini cù l'infurmazioni spettrali.Per ogni immagine, hè stata ottenuta un spettru continuu cù una gamma di lunghezze d'onda da 520 à 700 nm è una risoluzione di 20 nm.In altre parolle, nove intensità di culore di luce sò rilevate per ogni imagine, vale à dì nove bande di 20 nm chì dividenu ugualmente a gamma di lunghezze d'onda da 520 à 700 nm.Cambiendu e caratteristiche spettrali di u specchiu dicroicu è u filtru passa-banda, a gamma di lunghezza d'onda di e nove bande è a larghezza di ogni banda pò esse aghjustate.A rilevazione di nove culori pò esse aduprata micca solu per e misurazioni di fluorescenza cù l'imaghjini spettrali (cum'è descrittu in stu rapportu), ma ancu per parechje altre applicazioni cumuni chì utilizanu l'imaghjini spettrali.Ancu l'imaghjini iperspettrali ponu detectà centinaie di culori, hè statu trovu chì ancu cù una riduzzione significativa in u nùmeru di culori detectable, parechji ogetti in u campu di vista ponu esse identificati cù abbastanza precisione per parechje applicazioni38,39,40.Perchè a risoluzione spaziale, a risoluzione spettrale è a risoluzione temporale anu un tradeoff in l'imaghjini spettrali, riducendu u numeru di culori pò migliurà a risoluzione spaziale è a risoluzione temporale.Pò ancu aduprà spettrometri simplici cum'è quellu sviluppatu in stu studiu è riduce ancu a quantità di calculu.
In questu studiu, ottu tinti sò stati quantificati simultaneamente da a separazione spettrali di i so spettri di fluorescenza sovrapposti basati nantu à a rilevazione di nove culori.Finu à novi tinti ponu esse quantificati simultaneamente, coexisting in tempu è spaziu.Un vantaghju particulari di u spettrometru di nove culori hè u so flussu luminosu altu è a grande apertura (1 × 7 mm).L'array di specchi di decane hà una trasmissione massima di 92% di a luce da l'apertura in ognuna di e nove intervalli di lunghezza d'onda.L'efficienza di l'usu di a luce incidente in a gamma di lunghezze d'onda da 520 à 700 nm hè quasi 100%.In una larga gamma di lunghezze d'onda, nessuna rete di diffrazione pò furnisce una tale alta efficienza di usu.Ancu se l'efficienza di diffrazione di una rete di diffrazione supera u 90% à una certa lunghezza d'onda, cum'è a differenza trà quella lunghezza d'onda è una certa lunghezza d'onda aumenta, l'efficienza di diffrazione à un'altra lunghezza d'onda diminuisce41.A larghezza di l'apertura perpendiculare à a direzzione di u pianu in a figura 2c pò esse allargata da 7 mm à a larghezza di u sensoru di l'imaghjini, cum'è in u casu di u sensoru di l'imaghjini utilizatu in stu studiu, mudificà pocu l'array decamer.
U spettrometru di nove culori pò esse usatu micca solu per l'elettroforesi capillare, cum'è mostra in stu studiu, ma ancu per diversi altri scopi.Per esempiu, cum'è mostra in a figura sottu, un spettrometru di nove culori pò esse appiicatu à un microscopiu di fluorescenza.U pianu di a mostra hè visualizatu nantu à u sensoru di l'imaghjini di u spettrometru di nove culori attraversu un scopu 10x.A distanza ottica trà a lente d'ughjettu è u sensoru di l'imaghjini hè di 200 mm, mentre chì a distanza ottica trà a superficia incidente di u spettrometru di nove culori è u sensor d'imaghjini hè solu 12 mm.Per quessa, l'imaghjini hè stata tagliata à circa a dimensione di l'apertura (1 × 7 mm) in u pianu d'incidenza è divisu in nove imagine di culore.Questu hè, una maghjina spettrale di una snapshot di nove culori pò esse presa nantu à una zona di 0,1 × 0,7 mm in u pianu di mostra.Inoltre, hè pussibule di ottene una maghjina spettrale di nove culori di una zona più grande nantu à u pianu di mostra scannendu a mostra relative à l'ughjettu in a direzzione horizontale in Fig. 2c.
I cumpunenti di l'array di specchi decacromatici, à dì M1-M9 è BP, sò stati fatti apposta da Asahi Spectra Co., Ltd. cù metudi di precipitazione standard.I materiali dielettrici multistrati sò stati applicati individualmente nantu à dece lastre di quartz di 60 × 60 mm di dimensione è 0,5 mm di spessore, rispondenu à i seguenti requisiti: M1: IA = 45 °, R ≥ 90% à 520–590 nm, Tave ≥ 90% à 610– 610 nm.700 nm, M2: IA = 45°, R ≥ 90% a 520–530 nm, Tave ≥ 90% a 550–600 nm, M3: IA = 45°, R ≥ 90% a 540–550 nm, Tave ≥ 90 % a 570–600 nm, M4: IA = 45°, R ≥ 90% a 560–570 nm, Tave ≥ 90% a 590–600 nm, M5: IA = 45°, R ≥ 98% a 580–600 nm , R ≥ 98% a 680–700 nm, M6: IA = 45°, Tave ≥ 90% a 600–610 nm, R ≥ 90% a 630–700 nm, M7: IA = 45°, R ≥ 90% 620–630 nm, Taw ≥ 90% a 650–700 nm, M8: IA = 45°, R ≥ 90% a 640–650 nm, Taw ≥ 90% a 670–700 nm, M9: IA = 45°, ≥ 90% a 650-670 nm, Tave ≥ 90% a 690-700 nm, BP: IA = 0°, T ≤ 0,01% a 505 nm, Tave ≥ 95% a 530-690 nm a 530-690 nm T≥ 530 nm à -690 nm è T ≤ 1% à 725-750 nm, induve IA, T, Tave è R sò l'angolo di incidenza, transmittance, transmittance media è riflettanza di luce unpolarized.
A luce bianca (C0) cù una gamma di lunghezze d'onda di 400-750 nm emessa da una fonte di luce LED (AS 3000, AS ONE CORPORATION) hè stata collimata è incidente verticalmente nantu à u DP di una matrice di specchi dicroici.U spettru di luce bianca di i LED hè mostratu in Figura Supplementaria S3.Pone un tank acrilicu (dimensioni 150 × 150 × 30 mm) direttamente davanti à l'array di specchi decamera, di fronte à l'PSU.U fumu generatu quandu u ghjacciu seccu era immersi in l'acqua hè stata poi versata in un tank acrilicu per osservà i flussi divisi C1-C9 di nove culori chì emananu da l'array di specchi decacromatici.
In alternativa, a luce bianca collimata (C0) hè passatu per un filtru prima di entre in u DP.I filtri eranu originali filtri di densità neutra cù una densità ottica di 0,6.Allora utilizate un filtru motorizatu (FW212C, FW212C, Thorlabs).Infine, turnate u filtru ND torna.A larghezza di banda di i novi filtri passa-banda currispondenu à C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 è C1, rispettivamente.Una cellula di quartz cù dimensioni internu di 40 (lunghezza ottica) x 42,5 (altura) x 10 mm (larghezza) hè stata posta davanti à una serie di specchi decocromatici, di fronte à u BP.U fumu hè poi alimentatu à traversu un tubu in a cellula di quartz per mantene a cuncentrazione di fumu in a cellula di quartz per visualizà i flussi divisi C1-C9 di nove culori chì emananu da u specchiu decacromaticu.
Un video di u flussu di luce split di nove culori chì emana da una serie di specchi decanici hè statu catturatu in modu time-lapse in l'iPhone XS.Catturate l'imaghjini di a scena à 1 fps è compilate l'imaghjini per creà video à 30 fps (per u video opzionale 1) o 24 fps (per i video opzionali 2 è 3).
Pone una piastra d'acciaio inossidabile di 50 µm di spessore (cù quattru fori di diametru di 50 µm à intervalli di 1 mm) nantu à a piastra di diffusione.A luce cù una lunghezza d'onda di 400-750 nm hè irradiata nantu à a piastra diffusa, ottenuta da passà a luce da una lampada alogena attraversu un filtru di trasmissione corta cù una lunghezza d'onda cutoff di 700 nm.U spettru di luce hè mostratu in Figura Supplementaria S4.In alternativa, a luce passa ancu per unu di i filtri di banda di 10 nm centrati à 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 è 690 nm è colpisce a piastra diffusa.In u risultatu, quattru punti di radiazione cù un diametru di φ50 μm è diverse lunghezze d'onda sò stati furmati nantu à una piastra d'acciaio inox opposta à a piastra diffusa.
Un array di quattru capillari cù quattru lenti hè muntatu nantu à un spettrometru di novi culori cum'è mostra in i Figure 1 è 2. C1 è C2.I quattru capillari è quattru lenti eranu listessi in studii precedenti31,34.Un fasciu laser cù una lunghezza d'onda di 505 nm è una putenza di 15 mW hè irradiatu simultaneamente è uniformemente da u latu à i punti di emissione di quattru capillari.A fluoriscenza emessa da ogni puntu di emissione hè collimata da a lente currispundente è siparata in nove flussi di culore da una serie di specchi decacromatici.I flussi 36 risultanti sò stati direttamente injected in un sensor d'imaghjini CMOS (C11440-52U, Hamamatsu Photonics K·K.), è e so imagine sò stati registrati simultaneamente.
ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit (Applied Biosystems), 4 µl di colorante GeneScan™ 600 LIZ™ è stato miscelato per ogni capillare mescolando 1 µl di PowerPlex® 6C Matrix Standard (Promega Corporation), 1 µl di miscela standard.v2.0 (Thermo Fisher Scientific) è 14 µl d'acqua.Il PowerPlex® 6C Matrix Standard è costituito da sei frammenti di DNA etichettati con sei coloranti: FL-6C, JOE-6C, TMR-6C, CXR-6C, TOM-6C e WEN, in ordine di lunghezza d'onda massima.E lunghezze di basa di questi frammenti di DNA ùn sò micca divulgate, ma a sequenza di lunghezza di basa di frammenti di DNA marcati cù WEN, CXR-6C, TMR-6C, JOE-6C, FL-6C è TOM-6C hè cunnisciuta.A mistura in l'ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit cuntene un fragmentu di DNA marcatu cù colorante dR6G.I longhi di e basi di i frammenti di DNA sò ancu micca divulgati.GeneScan™ 600 LIZ™ Dye Size Standard v2.0 include 36 frammenti di DNA marcati LIZ.E lunghezze di basa di sti frammenti di DNA sò 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214, 220, 240, 250, 260, 280, 300, 4, 3, 3, 3 360, 380, 400, 414, 420, 440, 460, 480, 500, 514, 520, 540, 560, 580 è 600 basi.I campioni sò stati denaturati à 94 ° C per 3 minuti, dopu rinfriscati nantu à ghjacciu per 5 minuti.I campioni sò stati iniettati in ogni capillare à 26 V/cm per 9 s è separati in ogni capillare pienu di una soluzione polimerica POP-7™ (Thermo Fisher Scientific) cù una lunghezza effettiva di 36 cm è una tensione di 181 V/cm è un angolo di 60 °.DA.
Tutte e dati ottenuti o analizati in u cursu di stu studiu sò inclusi in questu articulu publicatu è a so infurmazione supplementaria.Altre dati pertinenti à stu studiu sò dispunibuli da i rispettivi autori nantu à dumanda ragiunate.
Khan, MJ, Khan, HS, Yousaf, A., Khurshid, K., è Abbas, A. Tendenze attuali in l'analisi di l'imaghjini iperspettrali: una rivista.Accessu IEEE 6, 14118–14129.https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2812999 (2018).
Vaughan, AH Spettroscopia Interferometrica Astronomica Fabry-Perot.stallà.Reverendu Astron.astrofisica.5, 139-167.https://doi.org/10.1146/annurev.aa.05.090167.001035 (1967).
Goetz, AFH, Wein, G., Solomon, JE è Rock, BN Spectroscopy of Earth remote sensing images.Scienza 228, 1147-1153.https://doi.org/10.1126/science.228.4704.1147 (1985).
Yokoya, N., Grohnfeldt, C., è Chanussot, J. Fusion of hyperspectral and multispectral data: una rivista comparativa di publicazioni recenti.IEEE Scienze di a Terra.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. è Frias, JM Hyperspectral imaging hè un novu strumentu analiticu per u cuntrollu di qualità è a sicurità alimentaria.Tendenze in a scienza di l'alimentariu.tecnulugia.18, 590-598.https://doi.org/10.1016/j.tifs.2007.06.001 (2007).
ElMasri, G., Mandour, N., Al-Rejaye, S., Belin, E. è Rousseau, D. Applicazioni recenti di l'imaghjini multispettrali per u seguimentu di u fenotipu è a qualità di sementi - una rivista.Sensors 19, 1090 (2019).
Liang, H. Avanzate in l'imaghjini multispettrali è iperspettrali per l'archeologia è a preservazione di l'arte.Applica per un fisicu 106, 309-323.https://doi.org/10.1007/s00339-011-6689-1 (2012).
Edelman GJ, Gaston E., van Leeuwen TG, Cullen PJ è Alders MKG Hyperspectral imaging per l'analisi senza cuntattu di tracce forensiche.Criminalistica.internu 223, 28-39.https://doi.org/10.1016/j.forsciint.2012.09.012 (2012).
Tempu di post: 10-Jan-2023