nerūsējošā tērauda 321 8*1.2 tinuma caurule siltummainim

Kapilārās caurules

Paldies, ka apmeklējāt vietni Nature.com.Jūs izmantojat pārlūkprogrammas versiju ar ierobežotu CSS atbalstu.Lai nodrošinātu vislabāko pieredzi, ieteicams izmantot atjauninātu pārlūkprogrammu (vai atspējot saderības režīmu pārlūkprogrammā Internet Explorer).Turklāt, lai nodrošinātu pastāvīgu atbalstu, mēs rādām vietni bez stiliem un JavaScript.
Vienlaicīgi parāda trīs slaidu karuseli.Izmantojiet pogas Iepriekšējais un Nākamais, lai pārvietotos pa trim slaidiem vienlaikus, vai izmantojiet slīdņa pogas, kas atrodas beigās, lai pārvietotos pa trim slaidiem vienlaikus.
Tika izstrādāts īpaši kompakts (54 × 58 × 8, 5 mm) un platas diafragmas (1 × 7 mm) deviņu krāsu spektrometrs, kas tika “sadalīts divās daļās” ar desmit dihromisku spoguļu masīvu, ko izmantoja momentānai spektrālai attēlveidošanai.Krītošā gaismas plūsma, kuras šķērsgriezums ir mazāks par apertūras izmēru, ir sadalīta nepārtrauktā 20 nm platā joslā un deviņās krāsu plūsmās ar centrālajiem viļņu garumiem 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 un 690 nm.Attēla sensors vienlaikus efektīvi mēra deviņu krāsu plūsmu attēlus.Atšķirībā no parastajiem dihroisko spoguļu blokiem izstrādātajam dihromiskajam spoguļu masīvam ir unikāla divdaļīga konfigurācija, kas ne tikai palielina vienlaicīgi izmērāmo krāsu skaitu, bet arī uzlabo attēla izšķirtspēju katrai krāsu straumei.Izstrādātais deviņu krāsu spektrometrs tiek izmantots četru kapilāru elektroforēzei.Vienlaicīga astoņu krāsvielu, kas migrē katrā kapilārā, kvantitatīvā analīze, izmantojot deviņu krāsu lāzera izraisītu fluorescenci.Tā kā deviņu krāsu spektrometrs ir ne tikai īpaši mazs un lēts, bet arī tam ir liela gaismas plūsma un pietiekama spektrālā izšķirtspēja lielākajai daļai spektrālās attēlveidošanas lietojumu, to var plaši izmantot dažādās jomās.
Hiperspektrālā un multispektrālā attēlveidošana ir kļuvusi par svarīgu astronomijas2, attālās izpētes Zemes novērošanas3,4, pārtikas un ūdens kvalitātes kontroles5,6, mākslas saglabāšanas un arheoloģijas7, kriminālistikas8, ķirurģijas9, biomedicīnas analīzes un diagnostikas10,11 uc daļu. 1. lauks Neaizstājams tehnoloģija ,12,13.Katra starojuma punkta izstarotās gaismas spektra mērīšanas metodes redzes laukā ir sadalītas (1) punktu skenēšanā (“slota”)14,15, (2) lineārajā skenēšanā (“panicle”)16,17,18. , (3) garums skenē viļņus19,20,21 un (4) attēlus22,23,24,25.Visu šo metožu gadījumā telpiskajai izšķirtspējai, spektrālajai izšķirtspējai un laika izšķirtspējai ir kompromisa attiecība9, 10, 12, 26.Turklāt gaismas jaudai ir būtiska ietekme uz jutību, ti, signāla un trokšņa attiecību spektrālajā attēlveidošanā26.Gaismas plūsma, tas ir, gaismas izmantošanas efektivitāte, ir tieši proporcionāla katra gaismas punkta faktiskā izmērītā gaismas daudzuma attiecībai laika vienībā pret kopējo izmērītā viļņa garuma diapazona gaismas daudzumu.Kategorija (4) ir piemērota metode, ja katra izstarojošā punkta izstarotās gaismas intensitāte vai spektrs laika gaitā mainās vai katra izstarojošā punkta pozīcija laika gaitā mainās, jo visu izstarojošo punktu izstarotās gaismas spektru mēra vienlaicīgi.24.
Lielākā daļa no iepriekšminētajām metodēm tiek kombinētas ar lieliem, sarežģītiem un/vai dārgiem spektrometriem, izmantojot 18 režģus vai 14, 16, 22, 23 prizmas (1), (2) un (4) klasēm vai 20, 21 filtru disku, šķidruma filtrus. .(3) kategorijas kristāliski noskaņojami filtri (LCTF)25 vai akustiski-optiski noskaņojami filtri (AOTF)19.Turpretim (4) kategorijas vairāku spoguļu spektrometri ir mazi un lēti to vienkāršās konfigurācijas dēļ27,28,29,30.Turklāt tiem ir liela gaismas plūsma, jo gaisma, ko dala katrs dihromiskais spogulis (tas ir, uz katra dihromiskā spoguļa krītošās gaismas pārraidītā un atstarotā gaisma) tiek pilnībā un nepārtraukti izmantota.Tomēr viļņu garuma joslu (ti, krāsu) skaits, kas jāmēra vienlaicīgi, ir ierobežots līdz aptuveni četrām.
Spektrālā attēlveidošana, kuras pamatā ir fluorescences noteikšana, parasti tiek izmantota multipleksai analīzei biomedicīnas noteikšanā un diagnostikā 10, 13 .Multipleksēšanā, tā kā vairākas analizējamās vielas (piemēram, specifiskas DNS vai olbaltumvielas) ir marķētas ar dažādām fluorescējošām krāsvielām, katra analīta, kas atrodas katrā emisijas punktā redzes laukā, tiek kvantificēta, izmantojot daudzkomponentu analīzi.32 sadala noteikto fluorescences spektru, ko emitē katrs emisijas punkts.Šī procesa laikā dažādas krāsvielas, no kurām katra izstaro atšķirīgu fluorescenci, var kolokalizēties, tas ir, līdzāspastāvēt telpā un laikā.Pašlaik maksimālais krāsvielu skaits, ko var ierosināt ar vienu lāzera staru, ir astoņas33.Šo augšējo robežu nenosaka spektrālā izšķirtspēja (ti, krāsu skaits), bet gan fluorescences spektra platums (≥50 nm) un krāsas Stoksa nobīdes daudzums (≤200 nm) pie FRET (izmantojot FRET)10. .Tomēr krāsu skaitam jābūt lielākam vai vienādam ar krāsvielu skaitu, lai novērstu jaukto krāsvielu spektrālo pārklāšanos31,32.Tādēļ ir nepieciešams palielināt vienlaicīgi izmērīto krāsu skaitu līdz astoņām vai vairāk.
Nesen tika izstrādāts īpaši kompakts heptakroiskais spektrometrs (izmantojot virkni heptihrisko spoguļu un attēla sensoru četru fluorescējošu plūsmu mērīšanai).Spektrometrs ir par divām līdz trim kārtām mazāks nekā parastie spektrometri, kuros izmanto režģus vai prizmas34,35.Tomēr ir grūti spektrometrā ievietot vairāk nekā septiņus dihromos spoguļus un vienlaikus izmērīt vairāk nekā septiņas krāsas36,37.Palielinoties dihroisko spoguļu skaitam, palielinās dihromisko gaismas plūsmu optisko ceļu garumu maksimālā atšķirība, un kļūst grūti attēlot visas gaismas plūsmas vienā maņu plaknē.Palielinās arī gaismas plūsmas garākā optiskā ceļa garums, līdz ar to spektrometra apertūras platums (ti, spektrometra analizētās gaismas maksimālais platums) samazinās.
Reaģējot uz iepriekš minētajām problēmām, tika izstrādāts īpaši kompakts deviņu krāsu spektrometrs ar divu slāņu “dihroisko” dekahromatisko spoguļu bloku un attēla sensoru momentānai spektrālai attēlveidošanai [kategorija (4)].Salīdzinot ar iepriekšējiem spektrometriem, izstrādātajam spektrometram ir mazāka maksimālā optiskā ceļa garuma atšķirība un mazāks maksimālais optiskā ceļa garums.Tas ir izmantots četru kapilāru elektroforēzei, lai noteiktu lāzera izraisītu deviņu krāsu fluorescenci un kvantitatīvi noteiktu astoņu krāsvielu vienlaicīgu migrāciju katrā kapilārā.Tā kā izstrādātais spektrometrs ir ne tikai īpaši mazs un lēts, bet arī ar lielu gaismas plūsmu un pietiekamu spektrālo izšķirtspēju lielākajai daļai spektrālās attēlveidošanas lietojumu, to var plaši izmantot dažādās jomās.
Tradicionālais deviņu krāsu spektrometrs ir parādīts attēlā.1.a.Tā dizains atbilst iepriekšējam īpaši mazajam septiņkrāsu spektrometram 31. Tas sastāv no deviņiem dihromiskiem spoguļiem, kas izvietoti horizontāli 45° leņķī pa labi, un attēla sensors (S) atrodas virs deviņiem dihromiskajiem spoguļiem.Gaisma, kas ienāk no apakšas (C0), tiek sadalīta ar deviņu dihromisku spoguļu masīvu deviņās gaismas plūsmās, kas iet uz augšu (C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 un C9).Visas deviņas krāsu plūsmas tiek padotas tieši uz attēla sensoru un tiek noteiktas vienlaicīgi.Šajā pētījumā C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 un C9 ir sakārtoti pēc viļņa garuma, un tos attēlo fuksīna, violeta, zila, ciāna, zaļa, dzeltena, oranža, sarkani oranža un attiecīgi sarkans.Lai gan šie krāsu apzīmējumi ir izmantoti šajā dokumentā, kā parādīts 3. attēlā, jo tie atšķiras no faktiskajām krāsām, ko redz cilvēka acs.
Parasto un jauno deviņu krāsu spektrometru shematiskās diagrammas.a) parasts deviņu krāsu spektrometrs ar deviņu dihromisko spoguļu kopumu.b) Jauns deviņu krāsu spektrometrs ar divu slāņu dihromisko spoguļu bloku.Krītošā gaismas plūsma C0 ir sadalīta deviņās krāsainās gaismas plūsmās C1-C9, un to nosaka attēla sensors S.
Izstrādātajam jaunajam deviņu krāsu spektrometram ir divslāņu dihromiskais spoguļrežģis un attēla sensors, kā parādīts 1.b attēlā.Apakšējā līmenī pieci dihromiski spoguļi ir noliekti par 45° pa labi, izlīdzināti pa labi no dekameru masīva centra.Augšējā līmenī pieci papildu dihromiski spoguļi ir noliekti par 45° pa kreisi un atrodas no centra uz kreiso pusi.Kreisākais apakšējā slāņa dihromiskais spogulis un augšējā slāņa galējais dihromiskais spogulis pārklājas viens ar otru.Krītošā gaismas plūsma (C0) no apakšas ir sadalīta četrās izejošās hromatiskās plūsmās (C1-C4) ar pieciem dihromiskajiem spoguļiem labajā pusē un piecos izejošās hromatiskās plūsmās (C5-C4) ar pieciem dihromiskajiem spoguļiem kreisajā pusē C9).Tāpat kā parastie deviņu krāsu spektrometri, visas deviņas krāsu plūsmas tiek tieši ievadītas attēla sensorā (S) un tiek noteiktas vienlaicīgi.Salīdzinot 1.a un 1.b attēlu, redzams, ka jaunā deviņu krāsu spektrometra gadījumā deviņu krāsu plūsmu maksimālā starpība un garākā optiskā ceļa garums ir samazināts uz pusi.
Īpaši maza divslāņu dihromiskā spoguļa bloka 29 mm (platums) × 31 mm (dziļums) × 6 mm (augstums) detalizēta konstrukcija ir parādīta 2. attēlā. Decimāldaļas dihromisko spoguļu bloks sastāv no pieciem dihromiskiem spoguļiem labajā pusē. (M1-M5) un pieci dihromiskie spoguļi kreisajā pusē (M6-M9 un vēl viens M5), katrs dihromiskais spogulis ir fiksēts augšējā alumīnija kronšteinā.Visi dihromiskie spoguļi ir sakārtoti, lai kompensētu paralēlo nobīdi plūsmas lūzuma dēļ caur spoguļiem.Zem M1 ir fiksēts joslas caurlaides filtrs (BP).M1 un BP izmēri ir 10 mm (garā puse) x 1,9 mm (īsā puse) x 0,5 mm (biezums).Atlikušo dihromisko spoguļu izmēri ir 15 mm × 1,9 mm × 0,5 mm.Matricas solis starp M1 un M2 ir 1,7 mm, savukārt citu dihromisko spoguļu matricas solis ir 1,6 mm.Uz att.2c apvieno krītošo gaismas plūsmu C0 un deviņas krāsainas gaismas plūsmas C1-C9, kas atdalītas ar atdalītu spoguļu matricu.
Divslāņu dihromiskā spoguļa matricas uzbūve.a) perspektīvas skats un b) šķērsgriezuma skats uz divslāņu dihromisku spoguļu bloku (izmēri 29 mm x 31 mm x 6 mm).Tas sastāv no pieciem dihromiskiem spoguļiem (M1-M5), kas atrodas apakšējā slānī, pieciem dihromiskiem spoguļiem (M6-M9 un vēl viens M5), kas atrodas augšējā slānī, un joslas caurlaides filtra (BP), kas atrodas zem M1.(c) Šķērsgriezuma skats vertikālā virzienā ar C0 un C1-C9 pārklāšanos.
Diafragmas platums horizontālā virzienā, kas norādīts ar platumu C0 2. attēlā, c, ir 1 mm, un virzienā, kas ir perpendikulārs 2. attēla plaknei, c, ko nosaka alumīnija kronšteina konstrukcija, - 7 mm.Tas ir, jaunajam deviņu krāsu spektrometram ir liels diafragmas izmērs 1 mm × 7 mm.C4 optiskais ceļš ir garākais starp C1-C9, un C4 optiskais ceļš dihromiskā spoguļu blokā iepriekš minētā īpaši mazā izmēra (29 mm × 31 mm × 6 mm) dēļ ir 12 mm.Tajā pašā laikā C5 optiskā ceļa garums ir īsākais starp C1-C9, un C5 optiskā ceļa garums ir 5,7 mm.Tāpēc maksimālā optiskā ceļa garuma atšķirība ir 6,3 mm.Iepriekš minētie optiskā ceļa garumi ir koriģēti atbilstoši optiskā ceļa garumam M1-M9 un BP (no kvarca) optiskajai pārraidei.
М1−М9 un VR spektrālās īpašības ir aprēķinātas tā, lai plūsmas С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8 un С9 būtu viļņu garuma diapazonā 520–540, 540–560, 560–58080, attiecīgi –600, 600–620, 620–640, 640–660, 660–680 un 680–700 nm.
Izgatavotās dekahromatisko spoguļu matricas fotogrāfija ir parādīta 3.a attēlā.M1-M9 un BP ir pielīmēti attiecīgi alumīnija atbalsta 45° slīpumā un horizontālajā plaknē, savukārt M1 un BP ir paslēpti figūras aizmugurē.
Dekana spoguļu masīva izgatavošana un demonstrēšana.a) izgatavotu dekahromatisko spoguļu klāsts.b) 1 mm × 7 mm deviņu krāsu dalīts attēls, kas projicēts uz papīra lapas, kas novietots dekahromatisko spoguļu bloka priekšā un apgaismots ar baltu gaismu.c) Dekohromatisku spoguļu kopums, kas no aizmugures apgaismots ar baltu gaismu.d) deviņu krāsu šķelšanās plūsma, kas izplūst no dekāna spoguļu bloka, ko novēro, novietojot dūmu piepildītu akrila tvertni dekāna spoguļu bloka priekšā pie c un padarot telpu tumšāku.
M1-M9 C0 izmērītie pārraides spektri 45° krišanas leņķī un BP C0 izmērītais pārraides spektrs 0° krišanas leņķī ir parādīti 1.4a.C1-C9 pārraides spektri attiecībā pret C0 ir parādīti Fig.4b.Šie spektri tika aprēķināti no spektriem Fig.4a saskaņā ar optisko ceļu C1-C9 4.a attēlā.1.b un 2.c.Piemēram, 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)], kur TS (X) un [ 1 − TS(X)] ir attiecīgi X pārraides un atstarošanas spektri.Kā parādīts 4.b attēlā, C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 un C9 joslas platumi (joslas platums ≥50%) ir 521-540, 541-562, 563-580, 581-602, 603. -623, 624-641, 642-657, 659-680 un 682-699 nm.Šie rezultāti atbilst izstrādātajiem diapazoniem.Turklāt C0 gaismas izmantošanas efektivitāte ir augsta, tas ir, vidējā maksimālā C1-C9 gaismas caurlaidība ir 92%.
Dihromiskā spoguļa un dalītas deviņu krāsu plūsmas pārraides spektri.(a) M1-M9 izmērītie pārraides spektri pie 45° biežuma un BP pie 0° biežuma.(b) C1–C9 pārraides spektri attiecībā pret C0, kas aprēķināti pēc a) apakšpunkta.
Uz att.3c, dihromisko spoguļu masīvs atrodas vertikāli tā, ka tā labā puse 3.a attēlā ir augšējā puse un kolimētās gaismas diodes (C0) baltais stars ir aizmugurgaismots.3.a attēlā parādītais dekahromatisko spoguļu bloks ir uzstādīts 54 mm (augstums) × 58 mm (dziļums) × 8,5 mm (biezums) adapterī.Uz att.3d, papildus stāvoklim, kas parādīts attēlā.3c, ar dūmiem piepildīta akrila tvertne tika novietota dekohromatisko spoguļu klāsta priekšā ar izslēgtu apgaismojumu telpā.Rezultātā tvertnē ir redzamas deviņas dihromiskas plūsmas, kas izplūst no dekahromatisko spoguļu klāsta.Katrai sadalītajai straumei ir taisnstūra šķērsgriezums ar izmēriem 1 × 7 mm, kas atbilst jaunā deviņu krāsu spektrometra atvēruma izmēram.3.b attēlā papīra loksne ir novietota 3.c attēlā redzamo dihromisko spoguļu masīva priekšā, un no papīra kustības virziena tiek novērots uz papīra projicēts deviņu dihromisko plūsmu 1 x 7 mm attēls.straumes.Deviņas krāsu atdalīšanas plūsmas attēlā.3b un d ir C4, C3, C2, C1, C5, C6, C7, C8 un C9 no augšas uz leju, ko var redzēt arī 1. un 2. attēlā. 1b un 2c.Tie tiek novēroti krāsās, kas atbilst to viļņu garumiem.Sakarā ar gaismas diodes zemo baltās gaismas intensitāti (sk. Papildu att. S3) un krāsu kameras jutību, ko izmanto, lai uzņemtu C9 (682–699 nm) attēlā. Citas sadalīšanas plūsmas ir vājas.Tāpat C9 bija vāji redzams ar neapbruņotu aci.Tikmēr C2 (otra straume no augšas) 3. attēlā izskatās zaļa, bet ar neapbruņotu aci izskatās dzeltenāka.
Pāreja no 3.c attēla uz d ir parādīta papildu video 1. Tūlīt pēc tam, kad gaismas diodes baltā gaisma iziet cauri dekahromatiskajam spoguļu blokam, tā vienlaikus sadalās deviņās krāsu plūsmās.Beigās dūmi tvertnē pamazām izklīda no augšas uz leju, tā ka deviņi krāsainie pulveri arī pazuda no augšas uz leju.Turpretim 2. papildu video, kad gaismas plūsmas viļņa garums, kas krīt uz dekahromatisko spoguļu masīvu, tika mainīts no gara uz īsu 690, 671, 650, 632, 610, 589, 568, 550 un 532 nm secībā. ., Tiek rādītas tikai atbilstošās sadalītās straumes no deviņām sadalītajām straumēm C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 un C1 secībā.Akrila rezervuārs tiek aizstāts ar kvarca baseinu, un katras manevrētās plūsmas pārslas var skaidri novērot no slīpā augšupejošā virziena.Turklāt 3. apakšvideoklips tiek rediģēts tā, lai 2. apakšvideoklipa viļņa garuma maiņas daļa tiktu atskaņota atkārtoti.Šī ir visdaiļrunīgākā dekohromatiskā spoguļu masīva īpašību izpausme.
Iepriekš minētie rezultāti liecina, ka izgatavotais dekahromatiskais spoguļu bloks vai jaunais deviņu krāsu spektrometrs darbojas, kā paredzēts.Jaunais deviņu krāsu spektrometrs ir izveidots, montējot dekahromatisko spoguļu masīvu ar adapteriem tieši uz attēla sensora paneļa.
Gaismas plūsma ar viļņa garuma diapazonu no 400 līdz 750 nm, ko izstaro četri starojuma punkti φ50 μm, kas atrodas ar 1 mm intervālu virzienā, kas ir perpendikulārs 2.c attēla plaknei, attiecīgi Pētījumi 31, 34. Četru lēcu masīvs sastāv no četri objektīvi φ1 mm ar fokusa attālumu 1,4 mm un soli 1 mm.Četras kolimētas plūsmas (četras C0) krīt uz jauna deviņu krāsu spektrometra DP, kas izvietotas ar 1 mm intervālu.Dihroisko spoguļu masīvs katru straumi (C0) sadala deviņās krāsu plūsmās (C1-C9).Iegūtās 36 straumes (četri C1-C9 komplekti) pēc tam tiek ievadītas tieši CMOS (S) attēla sensorā, kas ir tieši savienots ar dihromisku spoguļu masīvu.Rezultātā, kā parādīts 5.a attēlā, mazās maksimālās optiskā ceļa atšķirības un īsā maksimālā optiskā ceļa dēļ visu 36 straumju attēli tika atklāti vienlaicīgi un skaidri ar vienādu izmēru.Saskaņā ar pakārtotajiem spektriem (skatīt S4 papildu attēlu) četru grupu C1, C2 un C3 attēla intensitāte ir salīdzinoši zema.Trīsdesmit seši attēli bija 0,57 ± 0,05 mm lieli (vidējais ± SD).Tādējādi attēla palielinājums vidēji bija 11,4.Vertikālais atstatums starp attēliem ir vidēji 1 mm (tāds pats atstatums kā objektīvu masīvam), un horizontālais atstatums ir vidēji 1,6 mm (tāds pats attālums kā dihromiskam spoguļu blokam).Tā kā attēla izmērs ir daudz mazāks nekā attālums starp attēliem, katru attēlu var izmērīt neatkarīgi (ar zemu šķērsrunu).Tikmēr divdesmit astoņu plūsmu attēli, kas ierakstīti ar parasto septiņu krāsu spektrometru, ko izmantojām mūsu iepriekšējā pētījumā, ir parādīti 5. attēlā B. Septiņu dihromisko spoguļu masīvs tika izveidots, no deviņu dihromu masīva noņemot divus galējos dihromos spoguļus. spoguļi 1.a attēlā.Ne visi attēli ir asi, attēla izmērs palielinās no C1 līdz C7.Divdesmit astoņi attēli ir 0,70 ± 0,19 mm lieli.Tādējādi visos attēlos ir grūti uzturēt augstu izšķirtspēju.Variācijas koeficients (CV) 28. attēla izmēram 5.b attēlā bija 28%, savukārt 36. attēla CV 5.a attēlā samazinājās līdz 9%.Iepriekš minētie rezultāti liecina, ka jaunais deviņu krāsu spektrometrs ne tikai palielina vienlaicīgi izmērīto krāsu skaitu no septiņām līdz deviņām, bet arī nodrošina augstu attēla izšķirtspēju katrai krāsai.
Tradicionālo un jauno spektrometru veidotā dalītā attēla kvalitātes salīdzinājums.(a) Četras deviņu krāsu atdalītu attēlu grupas (C1-C9), ko ģenerē jaunais deviņu krāsu spektrometrs.b) četras septiņu krāsu atdalītu attēlu kopas (C1-C7), kas izveidotas ar parasto septiņu krāsu spektrometru.Plūsmas (C0) ar viļņu garumu no 400 līdz 750 nm no četriem emisijas punktiem tiek kolimētas un krītas attiecīgi katrā spektrometrā.
Deviņu krāsu spektrometra spektrālie raksturlielumi tika novērtēti eksperimentāli, un novērtējuma rezultāti ir parādīti 6. attēlā. Ņemiet vērā, ka 6.a attēlā parādīti tādi paši rezultāti kā 5.a attēlā, ti, pie viļņa garuma 4 C0 400–750 nm, tiek atklāti visi 36 attēli. (4 grupas C1–C9).Gluži pretēji, kā parādīts 6.b–j attēlā, kad katram C0 ir noteikts viļņa garums 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 vai 690 nm, ir gandrīz tikai četri atbilstoši attēli (četri C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 vai C9).Tomēr daži attēli, kas atrodas blakus četriem atbilstošajiem attēliem, ir ļoti vāji atklāti, jo 4.b attēlā parādītie C1–C9 pārraides spektri nedaudz pārklājas un katram C0 ir 10 nm josla noteiktā viļņa garumā, kā aprakstīts metodē.Šie rezultāti saskan ar C1-C9 pārraides spektriem, kas parādīti Fig.4.b un papildu video 2. un 3. Citiem vārdiem sakot, deviņu krāsu spektrometrs darbojas, kā paredzēts, pamatojoties uz rezultātiem, kas parādīti attēlā.4b.Līdz ar to tiek secināts, ka attēla intensitātes sadalījums C1-C9 ir katra C0 spektrs.
Deviņu krāsu spektrometra spektrālie raksturlielumi.Jaunais deviņu krāsu spektrometrs ģenerē četras ar deviņām krāsām atdalītu attēlu kopas (C1-C9), ja krītošās gaismas (četri C0) viļņa garums ir (a) 400–750 nm (kā parādīts 5.a), (b) attēlā. 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, attiecīgi.
Izstrādātais deviņu krāsu spektrometrs tika izmantots četru kapilāru elektroforēzei (sīkāku informāciju skatīt Papildu materiālos) 31, 34, 35.Četru kapilāru matrica sastāv no četriem kapilāriem (ārējais diametrs 360 μm un iekšējais diametrs 50 μm), kas atrodas ar 1 mm intervālu lāzera apstarošanas vietā.Paraugi, kas satur DNS fragmentus, kas marķēti ar 8 krāsvielām, proti, FL-6C (krāsviela 1), JOE-6C (krāsviela 2), dR6G (krāsviela 3), TMR-6C (krāsviela 4), CXR-6C (krāsviela 5), ​​TOM- 6C (6. krāsviela), LIZ (7. krāsviela) un WEN (8. krāsviela) fluorescējošā viļņa garuma augošā secībā, kas ir atdalīti katrā no četriem kapilāriem (turpmāk — Cap1, Cap2, Cap3 un Cap4).Lāzera izraisītā fluorescence no Cap1-Cap4 tika kolimēta ar četru lēcu masīvu un vienlaikus reģistrēta ar deviņu krāsu spektrometru.Deviņu krāsu (C1-C9) fluorescences intensitātes dinamika elektroforēzes laikā, tas ir, katra kapilāra deviņu krāsu elektroforegramma, ir parādīta 7.a attēlā.Līdzvērtīga deviņu krāsu elektroforegramma tiek iegūta Cap1-Cap4.Kā norādīts ar Cap1 bultiņām 7.a attēlā, astoņi pīķi katrā deviņu krāsu elektroforegrammā parāda vienu fluorescences emisiju no Dye1-Dye8, attiecīgi.
Vienlaicīga astoņu krāsvielu kvantitatīva noteikšana, izmantojot deviņu krāsu četru kapilāru elektroforēzes spektrometru.a) Katra kapilāra deviņu krāsu (C1-C9) elektroforegramma.Astoņi maksimumi, kas apzīmēti ar bultiņām Cap1, parāda astoņu krāsvielu individuālās fluorescences emisijas (Dye1-Dye8).Bultu krāsas atbilst krāsām (b) un (c).b) astoņu krāsvielu (Dye1-Dye8) fluorescences spektri uz vienu kapilāru.c Astoņu krāsvielu (Dye1-Dye8) elektroferogrammas katrā kapilārā.Ar Dye7 iezīmēto DNS fragmentu virsotnes ir norādītas ar bultiņām, un ir norādīts to Cap4 bāzes garums.
C1–C9 intensitātes sadalījums astoņos pīķos ir parādīts 3.7b, attiecīgi.Tā kā gan C1-C9, gan Dye1-Dye8 ir viļņa garuma secībā, astoņi sadalījumi 7.b attēlā parāda Dye1-Dye8 fluorescences spektrus secīgi no kreisās uz labo pusi.Šajā pētījumā Dye1, Dye2, Dye3, Dye4, Dye5, Dye6, Dye7 un Dye8 parādās attiecīgi purpursarkanā, violetā, zilā, ciānā, zaļā, dzeltenā, oranžā un sarkanā krāsā.Ņemiet vērā, ka bultu krāsas 7.a attēlā atbilst krāsvielu krāsām 7.b attēlā.C1-C9 fluorescences intensitātes katram spektram 7.b attēlā tika normalizētas tā, lai to summa būtu vienāda ar vienu.No Cap1-Cap4 tika iegūti astoņi ekvivalenti fluorescences spektri.Var skaidri novērot fluorescences spektrālo pārklāšanos starp krāsvielu 1-krāsu 8.
Kā parādīts 7.c attēlā, katram kapilāram deviņu krāsu elektroforegramma 7.a attēlā tika pārveidota par astoņu krāsu elektroferogrammu, izmantojot daudzkomponentu analīzi, pamatojoties uz astoņiem fluorescences spektriem 7.b attēlā (sīkāku informāciju skatiet sadaļā Papildu materiāli).Tā kā fluorescences spektrālā pārklāšanās 7.a attēlā nav parādīta 7.c attēlā, Dye1-Dye8 var identificēt un kvantitatīvi noteikt atsevišķi katrā laika punktā, pat ja vienlaikus fluorescē dažādi Dye1-Dye8 daudzumi.To nevar izdarīt ar tradicionālo septiņu krāsu noteikšanu31, bet to var panākt ar izstrādāto deviņu krāsu noteikšanu.Kā parādīts ar bultiņām Cap1 7.c attēlā, tikai fluorescējošās emisijas viengabali ir Dye3 (zils), Dye8 (sarkans), Dye5 (zaļš), Dye4 (ciāna), Dye2 (purpursarkans), Dye1 (purpursarkans) un Dye6 (dzeltens). ) tiek ievēroti paredzētajā hronoloģiskā secībā.Krāsvielas 7 (oranža) fluorescējošajai emisijai papildus vienai virsotnei, kas norādīta ar oranžo bultiņu, tika novēroti vairāki citi atsevišķi maksimumi.Šis rezultāts ir saistīts ar faktu, ka paraugos bija lieluma standarti, Dye7 marķēti DNS fragmenti ar dažādu bāzes garumu.Kā parādīts 7.c attēlā, Cap4 šie pamatnes garumi ir 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214 un 220.
Deviņu krāsu spektrometra, kas izstrādāts, izmantojot divu slāņu dihromisko spoguļu matricu, galvenās iezīmes ir mazs izmērs un vienkāršs dizains.Tā kā dekahromatisko spoguļu masīvs adaptera iekšpusē, kas parādīts attēlā.3c, kas uzstādīts tieši uz attēla sensora plates (sk. S1 un S2 attēlu), deviņu krāsu spektrometram ir tādi paši izmēri kā adapterim, ti, 54 × 58 × 8,5 mm.(biezums).Šis īpaši mazais izmērs ir par divām līdz trim kārtām mazāks nekā parastie spektrometri, kuros izmanto režģus vai prizmas.Turklāt, tā kā deviņu krāsu spektrometrs ir konfigurēts tā, ka gaisma saskaras ar attēla sensora virsmu perpendikulāri, deviņu krāsu spektrometram var viegli piešķirt vietu tādās sistēmās kā mikroskopi, plūsmas citometri vai analizatori.Kapilārā režģa elektroforēzes analizators vēl lielākai sistēmas miniaturizācijai.Tajā pašā laikā deviņu krāsu spektrometrā izmantoto desmit dihromisko spoguļu un frekvenču joslas filtru izmērs ir tikai 10 × 1,9 × 0,5 mm vai 15 × 1,9 × 0,5 mm.Tādējādi no dihromiskā spoguļa un 60 mm2 frekvenču joslas filtra var izgriezt attiecīgi vairāk nekā 100 šādus mazus dihromus spoguļus un frekvenču joslas filtrus.Tāpēc dekahromatisko spoguļu klāstu var izgatavot par zemām izmaksām.
Vēl viena deviņu krāsu spektrometra iezīme ir tā izcilās spektrālās īpašības.Jo īpaši tas ļauj iegūt momentuzņēmumu spektrālos attēlus, tas ir, vienlaikus iegūt attēlus ar spektrālo informāciju.Katram attēlam tika iegūts nepārtraukts spektrs ar viļņa garuma diapazonu no 520 līdz 700 nm un izšķirtspēju 20 nm.Citiem vārdiem sakot, katram attēlam tiek noteiktas deviņas krāsu intensitātes gaismas, ti, deviņas 20 nm joslas, kas vienādi sadala viļņa garuma diapazonu no 520 līdz 700 nm.Mainot dihromiskā spoguļa un joslas caurlaides filtra spektrālos raksturlielumus, var regulēt deviņu joslu viļņu garuma diapazonu un katras joslas platumu.Deviņu krāsu noteikšanu var izmantot ne tikai fluorescences mērījumiem ar spektrālo attēlveidošanu (kā aprakstīts šajā ziņojumā), bet arī daudziem citiem izplatītiem lietojumiem, izmantojot spektrālo attēlveidošanu.Lai gan hiperspektrālā attēlveidošana var noteikt simtiem krāsu, ir konstatēts, ka pat ievērojami samazinot nosakāmo krāsu skaitu, vairākus objektus redzes laukā var identificēt ar pietiekamu precizitāti daudziem lietojumiem38, 39, 40.Tā kā telpiskajai izšķirtspējai, spektrālajai izšķirtspējai un laika izšķirtspējai ir kompromiss spektrālās attēlveidošanas jomā, krāsu skaita samazināšana var uzlabot telpisko izšķirtspēju un laika izšķirtspēju.Tas var arī izmantot vienkāršus spektrometrus, piemēram, šajā pētījumā izstrādāto, un vēl vairāk samazināt aprēķinu apjomu.
Šajā pētījumā astoņas krāsvielas tika kvantitatīvi noteiktas vienlaicīgi, spektrāli atdalot to pārklājošos fluorescences spektrus, pamatojoties uz deviņu krāsu noteikšanu.Vienlaicīgi var kvantitatīvi noteikt līdz pat deviņām krāsvielām, kas pastāv līdzās laikā un telpā.Īpaša deviņu krāsu spektrometra priekšrocība ir tā lielā gaismas plūsma un liela diafragma (1 × 7 mm).Dekāna spoguļu bloka maksimālā caurlaidība ir 92% gaismas no apertūras katrā no deviņiem viļņu garuma diapazoniem.Krītošās gaismas izmantošanas efektivitāte viļņu garuma diapazonā no 520 līdz 700 nm ir gandrīz 100%.Tik plašā viļņu garuma diapazonā neviens difrakcijas režģis nevar nodrošināt tik augstu lietošanas efektivitāti.Pat ja difrakcijas režģa difrakcijas efektivitāte noteiktā viļņa garumā pārsniedz 90%, palielinoties starpībai starp šo viļņa garumu un noteiktu viļņa garumu, difrakcijas efektivitāte pie cita viļņa garuma samazinās41.Diafragmas atvēruma platumu, kas ir perpendikulārs plaknes virzienam 2.c attēlā, var pagarināt no 7 mm līdz attēla sensora platumam, piemēram, šajā pētījumā izmantotā attēla sensora gadījumā, nedaudz pārveidojot dekameru masīvu.
Deviņu krāsu spektrometru var izmantot ne tikai kapilārajai elektroforēzei, kā parādīts šajā pētījumā, bet arī dažādiem citiem mērķiem.Piemēram, kā parādīts attēlā zemāk, deviņu krāsu spektrometru var pielietot fluorescences mikroskopam.Parauga plakne tiek parādīta deviņu krāsu spektrometra attēla sensorā caur 10x objektīvu.Optiskais attālums starp objektīvu un attēla sensoru ir 200 mm, savukārt optiskais attālums starp deviņu krāsu spektrometra krītošo virsmu un attēla sensoru ir tikai 12 mm.Tāpēc attēls tika sagriezts aptuveni līdz diafragmas izmēram (1 × 7 mm) biežuma plaknē un sadalīts deviņos krāsu attēlos.Tas nozīmē, ka deviņu krāsu momentuzņēmuma spektrālo attēlu var uzņemt 0,1 × 0,7 mm laukumā parauga plaknē.Turklāt parauga plaknē ir iespējams iegūt deviņu krāsu spektrālo attēlu no lielāka laukuma, skenējot paraugu attiecībā pret objektīvu horizontālā virzienā 2.c attēlā.
Dekahromatisko spoguļu bloku komponentus, proti, M1-M9 un BP, pēc pasūtījuma izgatavoja Asahi Spectra Co., Ltd., izmantojot standarta nogulsnēšanas metodes.Daudzslāņu dielektriskie materiāli tika uzklāti atsevišķi uz desmit kvarca plāksnēm, kuru izmērs bija 60 × 60 mm un biezums 0,5 mm, atbilst šādām prasībām: M1: IA = 45°, R ≥ 90% pie 520–590 nm, Tave ≥ 90% pie 610–610 610 nm.700 nm, M2: IA = 45°, R ≥ 90% pie 520–530 nm, Tave ≥ 90% pie 550–600 nm, M3: IA = 45°, R ≥ 90% pie 540–550 nm, Tave ≥ 90% % pie 570–600 nm, M4: IA = 45°, R ≥ 90% pie 560–570 nm, Tave ≥ 90% pie 590–600 nm, M5: IA = 45°, R ≥ 98% pie 580–600 nm , R ≥ 98% pie 680–700 nm, M6: IA = 45°, Tave ≥ 90% pie 600–610 nm, R ≥ 90% pie 630–700 nm, M7: IA = 45°, R ≥ 90% 620–630 nm, Taw ≥ 90% pie 650–700 nm, M8: IA = 45°, R ≥ 90% pie 640–650 nm, Taw ≥ 90% pie 670–700 nm, M9: IA, R = 45° ≥ 90% pie 650-670 nm, Tave ≥ 90% pie 690-700 nm, BP: IA = 0°, T ≤ 0,01% pie 505 nm, Tave ≥ 95% pie 530-690 % nm pie 900 nm pie -690 nm un T ≤ 1% pie 725-750 nm, kur IA, T, Tave un R ir krišanas leņķis, caurlaidība, vidējā caurlaidība un nepolarizētās gaismas atstarošana.
Baltā gaisma (C0) ar viļņa garuma diapazonu 400–750 nm, ko izstaro LED gaismas avots (AS 3000, AS ONE CORPORATION), tika kolimēta un vertikāli kritusi uz dihromisko spoguļu masīva DP.Gaismas diožu baltās gaismas spektrs ir parādīts S3 papildu attēlā.Novietojiet akrila tvertni (izmēri 150 × 150 × 30 mm) tieši kameras spoguļu bloka priekšā, pretī barošanas blokam.Dūmi, kas radušies, iegremdējot sauso ledu ūdenī, pēc tam tika ielejami akrila tvertnē, lai novērotu deviņu krāsu C1-C9 sadalītās plūsmas, kas izplūst no dekahromatisko spoguļu klāsta.
Alternatīvi, kolimēto balto gaismu (C0) pirms ievadīšanas DP izlaiž caur filtru.Filtri sākotnēji bija neitrāla blīvuma filtri ar optisko blīvumu 0,6.Pēc tam izmantojiet motorizētu filtru (FW212C, FW212C, Thorlabs).Visbeidzot, atkal ieslēdziet ND filtru.Deviņu joslas caurlaides filtru joslas platumi atbilst attiecīgi C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 un C1.Kvarca šūna ar iekšējiem izmēriem 40 (optiskais garums) x 42,5 (augstums) x 10 mm (platums) tika novietota dekohromatisko spoguļu masīva priekšā, pretī BP.Pēc tam dūmi caur caurulīti tiek ievadīti kvarca šūnā, lai uzturētu dūmu koncentrāciju kvarca šūnā, lai vizualizētu deviņu krāsu C1-C9 sadalītās plūsmas, kas izplūst no dekahromatiskā spoguļu bloka.
Videoklips ar deviņu krāsu dalītās gaismas straumi, kas izplūst no dekānisko spoguļu klāsta, tika uzņemts iPhone XS laika intervāla režīmā.Uzņemiet ainas attēlus ar ātrumu 1 kadrs/s un apkopojiet attēlus, lai izveidotu video ar ātrumu 30 kadri/s (izvēles video 1) vai 24 kadri/s (izvēles 2. un 3. video).
Uz difūzijas plāksnes novietojiet 50 µm biezu nerūsējošā tērauda plāksni (ar četriem 50 µm diametra caurumiem ar 1 mm intervālu).Gaisma ar viļņa garumu 400-750 nm tiek apstarota uz difuzora plāksnes, ko iegūst, izlaižot gaismu no halogēna lampas caur īsu caurlaidības filtru ar viļņa garumu 700 nm.Gaismas spektrs ir parādīts S4 papildu attēlā.Alternatīvi, gaisma arī iziet cauri vienam no 10 nm frekvenču joslas filtriem, kas centrēti pie 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 un 690 nm, un trāpa pret difuzora plāksni.Rezultātā uz nerūsējošā tērauda plāksnes pretī difuzora plāksnei izveidojās četri starojuma punkti ar diametru φ50 μm un dažādiem viļņu garumiem.
Četru kapilāru bloks ar četrām lēcām ir uzstādīts uz deviņu krāsu spektrometra, kā parādīts 1. un 2. attēlā. C1 un C2.Četri kapilāri un četras lēcas bija tādas pašas kā iepriekšējos pētījumos31,34.Lāzera stars ar viļņa garumu 505 nm un jaudu 15 mW tiek vienlaicīgi un vienmērīgi apstarots no sāniem uz četru kapilāru emisijas punktiem.Katra emisijas punkta izstarotā fluorescence tiek kolimēta ar atbilstošo objektīvu un sadalīta deviņās krāsu plūsmās ar dekahromatisku spoguļu masīvu.Rezultātā iegūtās 36 plūsmas tika tieši ievadītas CMOS attēla sensorā (C11440–52U, Hamamatsu Photonics K · K.), un to attēli tika vienlaikus ierakstīti.
ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Cycle Ready Reaction Kit (Applied Biosystems), 4 µl GeneScan™ 600 LIZ™ krāsvielas tika sajaukti katram kapilāram, sajaucot 1 µl PowerPlex® 6C Matrix Standard (Promega Corporation), 1 µl maisījuma lieluma standarta.v2.0 (Thermo Fisher Scientific) un 14 µl ūdens.PowerPlex® 6C Matrix Standard sastāv no sešiem DNS fragmentiem, kas marķēti ar sešām krāsvielām: FL-6C, JOE-6C, TMR-6C, CXR-6C, TOM-6C un WEN, maksimālā viļņa garuma secībā.Šo DNS fragmentu bāzes garumi netiek atklāti, taču ir zināma ar WEN, CXR-6C, TMR-6C, JOE-6C, FL-6C un TOM-6C marķēto DNS fragmentu bāzes garuma secība.Maisījums ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit satur DNS fragmentu, kas marķēts ar dR6G krāsvielu.Arī DNS fragmentu bāzu garumi netiek izpausti.GeneScan™ 600 LIZ™ Krāsas izmēra standarta v2.0 versijā ir iekļauti 36 ar LIZ iezīmēti DNS fragmenti.Šo DNS fragmentu bāzes garumi ir 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214, 220, 240, 250, 260, 280, 314,3,3 360, 380, 400, 414, 420, 440, 460, 480, 500, 514, 520, 540, 560, 580 un 600 bāzes.Paraugi tika denaturēti 94 ° C temperatūrā 3 minūtes, pēc tam atdzesēti uz ledus 5 minūtes.Paraugi tika ievadīti katrā kapilārā ar spriegumu 26 V/cm 9 sekundes un atdalīti katrā kapilārā, kas piepildīts ar POP-7™ polimēra šķīdumu (Thermo Fisher Scientific), kura efektīvais garums bija 36 cm un spriegums 181 V/cm un 60° leņķis.NO.
Visi šī pētījuma gaitā iegūtie vai analizētie dati ir iekļauti šajā publicētajā rakstā un tā papildinformācijā.Citi dati, kas attiecas uz šo pētījumu, ir pieejami no attiecīgajiem autoriem pēc pamatota pieprasījuma.
Khan, MJ, Khan, HS, Yousaf, A., Khurshid, K. un Abbas, A. Pašreizējās tendences hiperspektrālās attēlveidošanas analīzē: pārskats.Piekļūstiet IEEE 6, 14118–14129.https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2812999 (2018).
Vaughan, AH Astronomiskā interferometriskā Fabri-Perota spektroskopija.uzstādīt.Godājamais Astrons.astrofizika.5, 139-167.https://doi.org/10.1146/annurev.aa.05.090167.001035 (1967).
Goetz, AFH, Wein, G., Solomon, JE un Rock, BN Zemes attālās uzrādes attēlu spektroskopija.Zinātne 228, 1147–1153.https://doi.org/10.1126/science.228.4704.1147 (1985).
Yokoya, N., Grohnfeldt, C. un Chanussot, J. Hiperspektrālo un multispektrālo datu saplūšana: jaunāko publikāciju salīdzinošs pārskats.IEEE Zemes zinātnes.Tālvadības žurnāls.5:29–56.https://doi.org/10.1109/MGRS.2016.2637824 (2017).
Gowen, AA, O'Donnell, SP, Cullen, PJ, Downey, G. and Frias, JM Hiperspektrālā attēlveidošana ir jauns analītisks rīks kvalitātes kontrolei un pārtikas nekaitīgumam.Pārtikas zinātnes tendences.tehnoloģija.18, 590-598.https://doi.org/10.1016/j.tifs.2007.06.001 (2007).
ElMasri, G., Mandour, N., Al-Rejaye, S., Belin, E. un Rousseau, D. Jaunākie multispektrālās attēlveidošanas pielietojumi sēklu fenotipa un kvalitātes monitoringam – apskats.Sensori 19, 1090 (2019).
Liang, H. Multispektrālās un hiperspektrālās attēlveidošanas sasniegumi arheoloģijas un mākslas saglabāšanai.Piesakieties fiziskajam 106, 309–323.https://doi.org/10.1007/s00339-011-6689-1 (2012).
Edelman GJ, Gaston E., van Leeuwen TG, Cullen PJ un Alders MKG Hiperspektrālā attēlveidošana kriminālistikas pēdu bezkontakta analīzei.Kriminālistika.iekšējais 223, 28-39.https://doi.org/10.1016/j.forscint.2012.09.012 (2012).