roestvrij staal 321 8*1.2 opgerolde buis voor warmtewisselaar

Capillaire buizen

Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com.U gebruikt een browserversie met beperkte CSS-ondersteuning.Voor de beste ervaring raden wij u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen).Om voortdurende ondersteuning te garanderen, tonen we de site bovendien zonder stijlen en JavaScript.
Geeft een carrousel van drie dia's tegelijk weer.Gebruik de knoppen Vorige en Volgende om door drie dia's tegelijk te bladeren, of gebruik de schuifknoppen aan het einde om door drie dia's tegelijk te bladeren.
Er werd een ultracompacte (54 x 58 x 8,5 mm) en een negenkleurenspectrometer met grote opening (1 x 7 mm) ontwikkeld, "in tweeën gedeeld" door een reeks van tien dichroïsche spiegels, die werd gebruikt voor onmiddellijke spectrale beeldvorming.De invallende lichtstroom met een dwarsdoorsnede kleiner dan de openingsgrootte wordt verdeeld in een continue strook van 20 nm breed en negen kleurstromen met centrale golflengten van 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 en 690 nm.Beelden van negen kleurstromen worden tegelijkertijd efficiënt gemeten door de beeldsensor.In tegenstelling tot conventionele dichroïsche spiegelarrays heeft de ontwikkelde dichroïsche spiegelarray een unieke tweedelige configuratie, die niet alleen het aantal kleuren vergroot dat tegelijkertijd kan worden gemeten, maar ook de beeldresolutie voor elke kleurstroom verbetert.De ontwikkelde negenkleurenspectrometer wordt gebruikt voor viercapillaire elektroforese.Gelijktijdige kwantitatieve analyse van acht kleurstoffen die gelijktijdig in elk capillair migreren met behulp van negenkleurenlaser-geïnduceerde fluorescentie.Omdat de negenkleurenspectrometer niet alleen ultraklein en goedkoop is, maar ook een hoge lichtstroom en voldoende spectrale resolutie heeft voor de meeste spectrale beeldvormingstoepassingen, kan hij op grote schaal op verschillende gebieden worden gebruikt.
Hyperspectrale en multispectrale beeldvorming is een belangrijk onderdeel geworden van astronomie2, teledetectie voor aardobservatie3,4, controle van de voedsel- en waterkwaliteit5,6, kunstbehoud en archeologie7, forensisch onderzoek8, chirurgie9, biomedische analyse en diagnostiek10,11 enz. Veld 1 Een onmisbare technologie ,12,13.Methoden voor het meten van het lichtspectrum dat wordt uitgezonden door elk emissiepunt in het gezichtsveld zijn onderverdeeld in (1) puntscannen (“bezem”)14,15, (2) lineair scannen (“panicle”)16,17,18 , (3) lengtescansgolven19,20,21 en (4) afbeeldingen22,23,24,25.In het geval van al deze methoden hebben ruimtelijke resolutie, spectrale resolutie en temporele resolutie een wisselwerkingsrelatie9,10,12,26.Bovendien heeft de lichtopbrengst een aanzienlijke invloed op de gevoeligheid, dat wil zeggen de signaal-ruisverhouding bij spectrale beeldvorming26.De lichtstroom, dat wil zeggen de efficiëntie van het gebruik van licht, is direct evenredig met de verhouding van de feitelijk gemeten hoeveelheid licht van elk lichtpunt per tijdseenheid tot de totale hoeveelheid licht in het gemeten golflengtebereik.Categorie (4) is een geschikte methode wanneer de intensiteit of het spectrum van het licht dat door elk emitterend punt wordt uitgezonden in de loop van de tijd verandert, of wanneer de positie van elk emitterend punt in de loop van de tijd verandert omdat het spectrum van het door alle emitterende punten uitgezonden licht gelijktijdig wordt gemeten.24.
De meeste van bovenstaande methoden worden gecombineerd met grote, complexe en/of dure spectrometers die gebruik maken van 18 roosters of 14, 16, 22, 23 prisma's voor de klassen (1), (2) en (4) of 20, 21 filterschijven, vloeistoffilters .Kristallijne afstembare filters (LCTF)25 of akoestisch-optische afstembare filters (AOTF)19 van categorie (3).Multi-spiegelspectrometers van categorie (4) zijn daarentegen klein en goedkoop vanwege hun eenvoudige configuratie .Bovendien hebben ze een hoge lichtstroom omdat het licht dat door elke dichroïsche spiegel wordt gedeeld (dat wil zeggen het doorgelaten en gereflecteerde licht van het invallende licht op elke dichroïsche spiegel) volledig en continu wordt gebruikt.Het aantal golflengtebanden (dwz kleuren) dat tegelijkertijd moet worden gemeten, is echter beperkt tot ongeveer vier.
Spectrale beeldvorming op basis van fluorescentiedetectie wordt vaak gebruikt voor multiplexanalyse in de biomedische detectie en diagnostiek 10, 13 .Omdat bij multiplexing meerdere analyten (bijvoorbeeld specifiek DNA of eiwitten) worden gelabeld met verschillende fluorescerende kleurstoffen, wordt elke analyt die aanwezig is op elk emissiepunt in het gezichtsveld gekwantificeerd met behulp van multicomponentanalyse.32 breekt het gedetecteerde fluorescentiespectrum af dat door elk emissiepunt wordt uitgezonden.Tijdens dit proces kunnen verschillende kleurstoffen, die elk een andere fluorescentie uitstralen, colocaliseren, dat wil zeggen naast elkaar bestaan ​​in ruimte en tijd.Momenteel is het maximale aantal kleurstoffen dat kan worden geëxciteerd door een enkele laserstraal acht33.Deze bovengrens wordt niet bepaald door de spectrale resolutie (dat wil zeggen het aantal kleuren), maar door de breedte van het fluorescentiespectrum (≥50 nm) en de hoeveelheid kleurstof-Stokes-shift (≤200 nm) bij FRET (met behulp van FRET)10 .Het aantal kleuren moet echter groter zijn dan of gelijk zijn aan het aantal kleurstoffen om de spectrale overlap van gemengde kleurstoffen te elimineren31,32.Daarom is het noodzakelijk om het aantal gelijktijdig gemeten kleuren te verhogen tot acht of meer.
Onlangs is een ultracompacte heptachroïsche spectrometer ontwikkeld (die een reeks heptychroïsche spiegels en een beeldsensor gebruikt om vier fluorescentiefluxen te meten).De spectrometer is twee tot drie ordes van grootte kleiner dan conventionele spectrometers die gebruik maken van roosters of prisma's34,35.Het is echter moeilijk om meer dan zeven dichroïsche spiegels in een spectrometer te plaatsen en tegelijkertijd meer dan zeven kleuren te meten36,37.Met een toename van het aantal dichroïsche spiegels neemt het maximale verschil in de lengte van de optische paden van dichroïsche lichtstromen toe, en wordt het moeilijk om alle lichtstromen op één sensorisch vlak weer te geven.De langste optische weglengte van de lichtstroom neemt ook toe, waardoor de breedte van de opening van de spectrometer (dat wil zeggen de maximale breedte van het door de spectrometer geanalyseerde licht) afneemt.
Als reactie op de bovenstaande problemen werd een ultracompacte negenkleurenspectrometer met een tweelaagse “dichroïsche” decachromatische spiegelarray en een beeldsensor voor onmiddellijke spectrale beeldvorming [categorie (4)] ontwikkeld.Vergeleken met eerdere spectrometers heeft de ontwikkelde spectrometer een kleiner verschil in de maximale optische padlengte en een kleinere maximale optische padlengte.Het is toegepast op vier-capillaire elektroforese om door laser geïnduceerde negenkleurenfluorescentie te detecteren en om de gelijktijdige migratie van acht kleurstoffen in elk capillair te kwantificeren.Omdat de ontwikkelde spectrometer niet alleen ultraklein en goedkoop is, maar ook een hoge lichtstroom en voldoende spectrale resolutie heeft voor de meeste spectrale beeldvormingstoepassingen, kan deze op verschillende gebieden breed worden gebruikt.
De traditionele negenkleurenspectrometer wordt getoond in Fig.1a.Het ontwerp volgt dat van de vorige ultrakleine zevenkleurenspectrometer 31. Hij bestaat uit negen dichroïsche spiegels die horizontaal onder een hoek van 45° naar rechts zijn opgesteld, en de beeldsensor (S) bevindt zich boven de negen dichroïsche spiegels.Het licht dat van onderaf binnenkomt (C0) wordt door een reeks van negen dichroïsche spiegels verdeeld in negen lichtstromen die omhoog gaan (C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 en C9).Alle negen kleurstromen worden rechtstreeks naar de beeldsensor gevoerd en tegelijkertijd gedetecteerd.In dit onderzoek zijn C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 en C9 in volgorde van golflengte en worden weergegeven door magenta, violet, blauw, cyaan, groen, geel, oranje, roodoranje en rood, respectievelijk.Hoewel deze kleuraanduidingen in dit document worden gebruikt, zoals weergegeven in Figuur 3, omdat ze verschillen van de werkelijke kleuren die door het menselijk oog worden waargenomen.
Schematische diagrammen van conventionele en nieuwe negenkleurenspectrometers.(a) Conventionele negenkleurenspectrometer met een reeks van negen dichroïsche spiegels.(b) Nieuwe negenkleurenspectrometer met een tweelaagse dichroïsche spiegelarray.De invallende lichtstroom C0 wordt verdeeld in negen gekleurde lichtstromen C1-C9 en gedetecteerd door de beeldsensor S.
De ontwikkelde nieuwe negenkleurenspectrometer heeft een tweelaags dichroïsch spiegelrooster en een beeldsensor, zoals weergegeven in figuur 1b.In de onderste laag zijn vijf dichroïsche spiegels 45 ° naar rechts gekanteld, naar rechts uitgelijnd vanuit het midden van de reeks decamers.Op het hoogste niveau zijn vijf extra dichroïsche spiegels 45° naar links gekanteld en van het midden naar links geplaatst.De meest linkse dichroïsche spiegel van de onderste laag en de meest rechtse dichroïsche spiegel van de bovenste laag overlappen elkaar.De invallende lichtstroom (C0) wordt van onderaf verdeeld in vier uitgaande chromatische fluxen (C1-C4) door vijf dichroïsche spiegels aan de rechterkant en vijf uitgaande chromatische fluxen (C5-C4) door vijf dichroïsche spiegels aan de linkerkant (C9).Net als conventionele negenkleurenspectrometers worden alle negen kleurenstromen rechtstreeks in de beeldsensor (S) geïnjecteerd en tegelijkertijd gedetecteerd.Als we de figuren la en 1b vergelijken, kan men zien dat in het geval van de nieuwe negenkleurenspectrometer zowel het maximale verschil als de langste optische weglengte van de negen kleurenfluxen zijn gehalveerd.
De gedetailleerde constructie van een ultrakleine tweelaagse dichroïsche spiegelarray van 29 mm (breedte) x 31 mm (diepte) x 6 mm (hoogte) wordt weergegeven in figuur 2. De decimale dichroïsche spiegelarray bestaat uit vijf dichroïsche spiegels aan de rechterkant (M1-M5) en vijf dichroïsche spiegels aan de linkerkant (M6-M9 en nog een M5), elke dichroïsche spiegel is bevestigd in de bovenste aluminium beugel.Alle dichroïsche spiegels zijn verspringend geplaatst om parallelle verplaatsing als gevolg van breking van de stroming door de spiegels te compenseren.Onder M1 is een banddoorlaatfilter (BP) vastgezet.De afmetingen van M1 en BP zijn 10 mm (lange zijde) x 1,9 mm (korte zijde) x 0,5 mm (dikte).De afmetingen van de overige dichroïsche spiegels zijn 15 mm x 1,9 mm x 0,5 mm.De matrixafstand tussen M1 en M2 is 1,7 mm, terwijl de matrixafstand van andere dichroïsche spiegels 1,6 mm is.Op afb.2c combineert de invallende lichtstroom CO en negen gekleurde lichtstromen C1-C9, gescheiden door een dekamermatrix van spiegels.
Constructie van een tweelaagse dichroïsche spiegelmatrix.(a) Een perspectiefaanzicht en (b) een dwarsdoorsnede van een tweelaagse dichroïsche spiegelarray (afmetingen 29 mm x 31 mm x 6 mm).Het bestaat uit vijf dichroïsche spiegels (M1-M5) in de onderste laag, vijf dichroïsche spiegels (M6-M9 en nog een M5) in de bovenste laag, en een banddoorlaatfilter (BP) onder M1.(c) Dwarsdoorsnede in verticale richting, met overlap van C0 en C1-C9.
De breedte van de opening in horizontale richting, aangegeven door de breedte CO in figuur 2, c, is 1 mm, en in de richting loodrecht op het vlak van figuur 2, c, gegeven door het ontwerp van de aluminium beugel, – 7 mm.Dat wil zeggen dat de nieuwe negenkleurenspectrometer een grote opening heeft van 1 mm x 7 mm.Het optische pad van C4 is het langste van C1-C9, en het optische pad van C4 binnen de dichroïsche spiegelarray is, vanwege het bovengenoemde ultrakleine formaat (29 mm x 31 mm x 6 mm), 12 mm.Tegelijkertijd is de optische padlengte van C5 de kortste van C1-C9 en is de optische padlengte van C5 5,7 mm.Daarom is het maximale verschil in optische padlengte 6,3 mm.Bovenstaande optische weglengtes zijn gecorrigeerd voor de optische weglengte voor optische transmissie van M1-M9 en BP (uit kwarts).
De spectrale eigenschappen van М1−М9 en VR worden zo berekend dat de fluxen С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8 en С9 zich in het golflengtebereik 520–540, 540–560, 560–580, 580 bevinden. –600, 600–620, 620–640, 640–660, 660–680 en 680–700 nm, respectievelijk.
Een foto van de vervaardigde matrix van decachromatische spiegels wordt getoond in figuur 3a.M1-M9 en BP zijn respectievelijk op de helling van 45° en het horizontale vlak van de aluminium steun gelijmd, terwijl M1 en BP aan de achterkant van de figuur verborgen zijn.
Productie van een reeks decanspiegels en de demonstratie ervan.(a) Een reeks gefabriceerde decachromatische spiegels.(b) Een gesplitst beeld van 1 mm x 7 mm in negen kleuren, geprojecteerd op een vel papier dat voor een reeks decachromatische spiegels is geplaatst en van achteren wordt verlicht met wit licht.(c) Een reeks decochromatische spiegels die van achteren worden verlicht met wit licht.(d) Negenkleuren splitsende stroom afkomstig van de decaanspiegelreeks, waargenomen door een met rook gevulde acrylbus voor de decaanspiegelreeks bij c te plaatsen en de kamer te verduisteren.
De gemeten transmissiespectra van M1-M9 CO bij een invalshoek van 45° en het gemeten transmissiespectrum van BP CO bij een invalshoek van 0° worden getoond in Fig.4a.De transmissiespectra van C1-C9 ten opzichte van CO worden getoond in Fig.4b.Deze spectra werden berekend uit de spectra in Fig.4a in overeenstemming met het optische pad C1-C9 in figuur 4a.1b en 2c.Bijvoorbeeld 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)], waarbij TS(X) en [ 1 − TS(X)] zijn respectievelijk de transmissie- en reflectiespectra van X.Zoals weergegeven in figuur 4b zijn de bandbreedtes (bandbreedte ≥50%) van C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 en C9 521-540, 541-562, 563-580, 581-602, 603 -623, 624-641, 642-657, 659-680 en 682-699 nm.Deze resultaten komen overeen met de ontwikkelde bereiken.Bovendien is de benuttingsefficiëntie van CO-licht hoog, dat wil zeggen dat de gemiddelde maximale C1-C9-lichttransmissie 92% is.
Transmissiespectra van een dichroïsche spiegel en een gesplitste negenkleurenflux.(a) Gemeten transmissiespectra van M1-M9 bij een incidentie van 45 ° en BP bij een incidentie van 0 °.(b) Transmissiespectra van C1-C9 ten opzichte van C0 berekend uit (a).
Op afb.In figuur 3c is de reeks dichroïsche spiegels verticaal geplaatst, zodat de rechterkant in figuur 3a de bovenkant is en de witte straal van de gecollimeerde LED (CO) van achteren verlicht is.De reeks decachromatische spiegels, weergegeven in figuur 3a, is gemonteerd in een adapter van 54 mm (hoogte) x 58 mm (diepte) x 8,5 mm (dikte).Op afb.3d, naast de toestand getoond in Fig.3c werd een met rook gevulde acryltank voor een reeks decochromatische spiegels geplaatst, waarbij de lichten in de kamer waren uitgeschakeld.Als resultaat zijn er negen dichroïsche stromen zichtbaar in de tank, afkomstig van een reeks decachromatische spiegels.Elke gesplitste stroom heeft een rechthoekige dwarsdoorsnede met afmetingen van 1 × 7 mm, wat overeenkomt met de openingsgrootte van de nieuwe negenkleurenspectrometer.In figuur 3b wordt een vel papier voor de reeks dichroïsche spiegels in figuur 3c geplaatst en wordt een beeld van 1 x 7 mm van negen dichroïsche stromen, geprojecteerd op het papier, bekeken vanuit de bewegingsrichting van het papier.stromen.De negen kleurscheidingsstromen in Fig.3b en d zijn C4, C3, C2, C1, C5, C6, C7, C8 en C9 van boven naar beneden, wat ook te zien is in figuren 1 en 2. 1b en 2c.Ze worden waargenomen in kleuren die overeenkomen met hun golflengten.Vanwege de lage intensiteit van het witte licht van de LED (zie aanvullende afbeelding S3) en de gevoeligheid van de kleurencamera die wordt gebruikt om C9 (682-699 nm) vast te leggen in afbeelding. Andere splitsstromen zijn zwak.Op dezelfde manier was C9 vaag zichtbaar met het blote oog.Ondertussen ziet C2 (de tweede stroom van boven) er groen uit in Figuur 3, maar ziet er met het blote oog geler uit.
De overgang van figuur 3c naar d wordt getoond in aanvullende video 1. Onmiddellijk nadat het witte licht van de LED door de decachromatische spiegelarray is gegaan, splitst het zich tegelijkertijd in negen kleurstromen.Uiteindelijk verdween de rook in het vat geleidelijk van boven naar beneden, waardoor de negen gekleurde poeders ook van boven naar beneden verdwenen.Daarentegen werd in aanvullende video 2 de golflengte van de lichtstroom die op de reeks decachromatische spiegels viel, veranderd van lang naar kort in de orde van 690, 671, 650, 632, 610, 589, 568, 550 en 532 nm ., Alleen de overeenkomstige gesplitste streams van de negen gesplitste streams in de volgorde C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 en C1 worden weergegeven.Het acrylreservoir is vervangen door een kwartsbad en de vlokken van elke shuntstroom kunnen duidelijk worden waargenomen vanuit de schuine opwaartse richting.Bovendien wordt de subvideo 3 zodanig bewerkt dat het golflengteveranderingsgedeelte van de subvideo 2 opnieuw wordt afgespeeld.Dit is de meest welsprekende uitdrukking van de kenmerken van een decochromatische reeks spiegels.
De bovenstaande resultaten laten zien dat de vervaardigde decachromatische spiegelarray of de nieuwe negenkleurenspectrometer werkt zoals bedoeld.De nieuwe negenkleurenspectrometer wordt gevormd door een reeks decachromatische spiegels met adapters rechtstreeks op de beeldsensorkaart te monteren.
Lichtstroom met een golflengtebereik van 400 tot 750 nm, uitgezonden door vier stralingspunten φ50 μm, gelegen op intervallen van 1 mm in de richting loodrecht op het vlak van respectievelijk figuur 2c, Onderzoeken 31, 34. De array met vier lenzen bestaat uit vier lenzen φ1 mm met een brandpuntsafstand van 1,4 mm en een steek van 1 mm.Vier gecollimeerde stromen (vier C0) vallen in op de DP van een nieuwe negenkleurenspectrometer, op een onderlinge afstand van 1 mm.Een reeks dichroïsche spiegels verdeelt elke stroom (C0) in negen kleurstromen (C1-C9).De resulterende 36 stromen (vier sets C1-C9) worden vervolgens rechtstreeks in een CMOS (S)-beeldsensor geïnjecteerd die rechtstreeks is aangesloten op een reeks dichroïsche spiegels.Als gevolg hiervan werden, zoals weergegeven in figuur 5a, vanwege het kleine maximale optische padverschil en het korte maximale optische pad, de beelden van alle 36 stromen tegelijkertijd en duidelijk met dezelfde grootte gedetecteerd.Volgens de stroomafwaartse spectra (zie aanvullende figuur S4) is de beeldintensiteit van de vier groepen C1, C2 en C3 relatief laag.Zesendertig afbeeldingen hadden een grootte van 0,57 ± 0,05 mm (gemiddelde ± SD).De beeldvergroting bedroeg dus gemiddeld 11,4.De verticale afstand tussen afbeeldingen is gemiddeld 1 mm (dezelfde afstand als een lenzenreeks) en de horizontale afstand is gemiddeld 1,6 mm (dezelfde afstand als een dichroïsche spiegelreeks).Omdat het beeldformaat veel kleiner is dan de afstand tussen de beelden, kan elk beeld afzonderlijk worden gemeten (met weinig overspraak).Ondertussen worden beelden van achtentwintig stromen opgenomen door de conventionele zevenkleurenspectrometer die in onze vorige studie werd gebruikt, getoond in figuur 5B. De reeks van zeven dichroïsche spiegels werd gecreëerd door de twee meest rechtse dichroïsche spiegels te verwijderen uit de reeks van negen dichroïsche spiegels. spiegels in figuur 1a.Niet alle beelden zijn scherp, het beeldformaat neemt toe van C1 naar C7.Achtentwintig afbeeldingen zijn 0,70 ± 0,19 mm groot.Het is dus moeilijk om in alle afbeeldingen een hoge resolutie te behouden.De variatiecoëfficiënt (CV) voor beeldformaat 28 in figuur 5b was 28%, terwijl de CV voor beeldformaat 36 in figuur 5a daalde tot 9%.Uit bovenstaande resultaten blijkt dat de nieuwe negenkleurenspectrometer niet alleen het aantal gelijktijdig gemeten kleuren verhoogt van zeven naar negen, maar ook voor elke kleur een hoge beeldresolutie heeft.
Vergelijking van de kwaliteit van het gesplitste beeld gevormd door conventionele en nieuwe spectrometers.(a) Vier groepen van negen kleuren gescheiden afbeeldingen (C1-C9) gegenereerd door de nieuwe negenkleurenspectrometer.(b) Vier sets van zeven kleuren gescheiden afbeeldingen (C1-C7) gevormd met een conventionele zevenkleurenspectrometer.Fluxen (C0) met golflengten van 400 tot 750 nm vanaf vier emissiepunten worden respectievelijk gecollimeerd en invallend op elke spectrometer.
De spectrale kenmerken van de negenkleurenspectrometer werden experimenteel geëvalueerd en de evaluatieresultaten worden getoond in Figuur 6. Merk op dat Figuur 6a dezelfde resultaten toont als Figuur 5a, dat wil zeggen dat bij golflengten van 4 C0 400–750 nm alle 36 beelden worden gedetecteerd. (4 groepen C1-C9).Integendeel, zoals weergegeven in figuur 6b-j, wanneer elke C0 een specifieke golflengte heeft van 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 of 690 nm, zijn er bijna slechts vier overeenkomstige afbeeldingen (vier gedetecteerde groepen C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 of C9).Sommige van de afbeeldingen grenzend aan de vier overeenkomstige afbeeldingen worden echter zeer zwak gedetecteerd omdat de C1-C9-transmissiespectra getoond in figuur 4b elkaar enigszins overlappen en elke C0 een band van 10 nm heeft bij een specifieke golflengte, zoals beschreven in de methode.Deze resultaten komen overeen met de C1-C9-transmissiespectra getoond in Fig.4b en aanvullende video's 2 en 3. Met andere woorden, de negenkleurenspectrometer werkt zoals verwacht op basis van de resultaten getoond in Fig.4b.Daarom wordt geconcludeerd dat de beeldintensiteitsverdeling C1-C9 het spectrum van elke CO is.
Spectrale kenmerken van een negenkleurenspectrometer.De nieuwe negenkleurenspectrometer genereert vier sets van negen kleuren gescheiden beelden (C1-C9) wanneer het invallende licht (vier C0) een golflengte heeft van (a) 400-750 nm (zoals weergegeven in figuur 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, respectievelijk.
De ontwikkelde negenkleurenspectrometer werd gebruikt voor viercapillaire elektroforese (voor details, zie aanvullende materialen).De matrix met vier capillairen bestaat uit vier capillairen (buitendiameter 360 μm en binnendiameter 50 μm) die zich op intervallen van 1 mm op de laserbestralingsplaats bevinden.Monsters die DNA-fragmenten bevatten die zijn gelabeld met 8 kleurstoffen, namelijk FL-6C (kleurstof 1), JOE-6C (kleurstof 2), dR6G (kleurstof 3), TMR-6C (kleurstof 4), CXR-6C (kleurstof 5), TOM- 6C (kleurstof 6), LIZ (kleurstof 7) en WEN (kleurstof 8) in oplopende volgorde van fluorescentiegolflengte, gescheiden in elk van de vier capillairen (hierna Cap1, Cap2, Cap3 en Cap4 genoemd).Door laser geïnduceerde fluorescentie van Cap1-Cap4 werd gecollimeerd met een reeks van vier lenzen en gelijktijdig opgenomen met een negenkleurenspectrometer.De intensiteitsdynamiek van negenkleuren (C1-C9) fluorescentie tijdens elektroforese, dat wil zeggen een negenkleurenelektroforegram van elk capillair, wordt getoond in figuur 7a.Een equivalent negenkleurenelektroforegram wordt verkregen in Cap1-Cap4.Zoals aangegeven door de Cap1-pijlen in Figuur 7a, vertonen de acht pieken op elk negenkleurenelektroforegram respectievelijk één fluorescentie-emissie van Dye1-Dye8.
Gelijktijdige kwantificering van acht kleurstoffen met behulp van een negenkleuren viercapillaire elektroforesespectrometer.(a) Negenkleuren (C1-C9) elektroforegram van elk capillair.De acht pieken aangegeven door pijlen Cap1 tonen individuele fluorescentie-emissies van acht kleurstoffen (Dye1-Dye8).De kleuren van de pijlen komen overeen met de kleuren (b) en (c).(b) Fluorescentiespectra van acht kleurstoffen (Dye1-Dye8) per capillair.c Elektroferogrammen van acht kleurstoffen (Dye1-Dye8) per capillair.De pieken van Dye7-gelabelde DNA-fragmenten worden aangegeven door pijlen, en hun Cap4-baselengten worden aangegeven.
De intensiteitsverdelingen van C1-C9 op acht pieken worden getoond in Fig.7b, respectievelijk.Omdat zowel C1-C9 als Dye1-Dye8 in golflengtevolgorde zijn, tonen de acht verdelingen in figuur 7b de fluorescentiespectra van Dye1-Dye8 opeenvolgend van links naar rechts.In deze studie verschijnen Dye1, Dye2, Dye3, Dye4, Dye5, Dye6, Dye7 en Dye8 in respectievelijk magenta, violet, blauw, cyaan, groen, geel, oranje en rood.Merk op dat de kleuren van de pijlen in figuur 7a overeenkomen met de kleurstofkleuren in figuur 7b.De C1-C9-fluorescentie-intensiteiten voor elk spectrum in Figuur 7b werden genormaliseerd zodat hun som gelijk is aan één.Er werden acht equivalente fluorescentiespectra verkregen van Cap1-Cap4.Men kan duidelijk de spectrale overlap van fluorescentie tussen kleurstof 1 en kleurstof 8 waarnemen.
Zoals weergegeven in figuur 7c werd voor elk capillair het negenkleurenelektroforegram in figuur 7a omgezet in een elektroferogram met acht kleurstoffen door multicomponentanalyse op basis van de acht fluorescentiespectra in figuur 7b (zie aanvullende materialen voor details).Omdat de spectrale overlap van fluorescentie in figuur 7a niet wordt weergegeven in figuur 7c, kan Dye1-Dye8 op elk tijdstip afzonderlijk worden geïdentificeerd en gekwantificeerd, zelfs als verschillende hoeveelheden Dye1-Dye8 tegelijkertijd fluoresceren.Dit kan niet met de traditionele zevenkleurendetectie31, maar wel met de ontwikkelde negenkleurendetectie.Zoals weergegeven door de pijlen Cap1 in figuur 7c, zijn alleen de fluorescentie-emissie-singlets Dye3 (blauw), Dye8 (rood), Dye5 (groen), Dye4 (cyaan), Dye2 (paars), Dye1 (magenta) en Dye6 (geel) ) worden waargenomen in de verwachte chronologische volgorde.Voor de fluorescentie-emissie van kleurstof 7 (oranje) werden, naast de enkele piek aangegeven door de oranje pijl, verschillende andere enkele pieken waargenomen.Dit resultaat is te wijten aan het feit dat de monsters maatstandaarden bevatten, Dye7-gelabelde DNA-fragmenten met verschillende baselengtes.Zoals weergegeven in figuur 7c zijn deze basislengtes voor Cap4 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214 en 220 basislengtes.
De belangrijkste kenmerken van de negenkleurenspectrometer, ontwikkeld met behulp van een matrix van tweelaagse dichroïsche spiegels, zijn het kleine formaat en het eenvoudige ontwerp.Omdat de reeks decachromatische spiegels in de adapter, getoond in Fig.3c, rechtstreeks op de beeldsensorkaart gemonteerd (zie Fig. S1 en S2), heeft de negenkleurenspectrometer dezelfde afmetingen als de adapter, namelijk 54 × 58 × 8,5 mm.(dikte).Dit ultrakleine formaat is twee tot drie ordes van grootte kleiner dan conventionele spectrometers die gebruik maken van roosters of prisma's.Omdat de negenkleurenspectrometer zo is geconfigureerd dat licht loodrecht op het oppervlak van de beeldsensor valt, kan bovendien gemakkelijk ruimte worden toegewezen voor de negenkleurenspectrometer in systemen zoals microscopen, flowcytometers of analysatoren.Capillaire rooster-elektroforese-analysator voor een nog grotere miniaturisatie van het systeem.Tegelijkertijd is de grootte van de tien dichroïsche spiegels en banddoorlaatfilters die in de negenkleurenspectrometer worden gebruikt slechts 10×1,9×0,5 mm of 15×1,9×0,5 mm.Er kunnen dus respectievelijk meer dan 100 van dergelijke kleine dichroïsche spiegels en banddoorlaatfilters worden gesneden uit respectievelijk een dichroïsche spiegel en een banddoorlaatfilter van 60 mm2.Daarom kan tegen lage kosten een reeks decachromatische spiegels worden vervaardigd.
Een ander kenmerk van de negenkleurenspectrometer zijn de uitstekende spectrale eigenschappen.Het maakt in het bijzonder de verwerving van spectrale beelden van momentopnamen mogelijk, dat wil zeggen de gelijktijdige verwerving van beelden met spectrale informatie.Voor elk beeld werd een continu spectrum verkregen met een golflengtebereik van 520 tot 700 nm en een resolutie van 20 nm.Met andere woorden: voor elk beeld worden negen kleurintensiteiten van licht gedetecteerd, dat wil zeggen negen banden van 20 nm die het golflengtebereik van 520 tot 700 nm gelijkmatig verdelen.Door de spectrale kenmerken van de dichroïsche spiegel en het banddoorlaatfilter te veranderen, kan het golflengtebereik van de negen banden en de breedte van elke band worden aangepast.Negenkleurendetectie kan niet alleen worden gebruikt voor fluorescentiemetingen met spectrale beeldvorming (zoals beschreven in dit rapport), maar ook voor vele andere veel voorkomende toepassingen waarbij gebruik wordt gemaakt van spectrale beeldvorming.Hoewel hyperspectrale beeldvorming honderden kleuren kan detecteren, is gebleken dat zelfs met een aanzienlijke vermindering van het aantal detecteerbare kleuren meerdere objecten in het gezichtsveld voor veel toepassingen met voldoende nauwkeurigheid kunnen worden geïdentificeerd38,39,40.Omdat ruimtelijke resolutie, spectrale resolutie en temporele resolutie een wisselwerking hebben bij spectrale beeldvorming, kan het verminderen van het aantal kleuren de ruimtelijke resolutie en de temporele resolutie verbeteren.Het kan ook eenvoudige spectrometers gebruiken, zoals degene die in dit onderzoek is ontwikkeld, en de hoeveelheid berekeningen verder verminderen.
In deze studie werden acht kleurstoffen tegelijkertijd gekwantificeerd door spectrale scheiding van hun overlappende fluorescentiespectra op basis van de detectie van negen kleuren.Er kunnen maximaal negen kleurstoffen tegelijkertijd worden gekwantificeerd, die naast elkaar bestaan ​​in tijd en ruimte.Een bijzonder voordeel van de negenkleurenspectrometer is de hoge lichtstroom en het grote diafragma (1 x 7 mm).De decaanspiegelarray heeft een maximale transmissie van 92% van het licht uit de opening in elk van de negen golflengtebereiken.De efficiëntie van het gebruik van invallend licht in het golflengtebereik van 520 tot 700 nm is bijna 100%.In zo'n breed bereik aan golflengten kan geen enkel diffractierooster zo'n hoge gebruiksefficiëntie opleveren.Zelfs als de diffractie-efficiëntie van een diffractierooster groter is dan 90% bij een bepaalde golflengte, neemt de diffractie-efficiëntie bij een andere golflengte af naarmate het verschil tussen die golflengte en een bepaalde golflengte toeneemt.De openingsbreedte loodrecht op de richting van het vlak in figuur 2c kan worden uitgebreid van 7 mm naar de breedte van de beeldsensor, zoals in het geval van de beeldsensor die in dit onderzoek wordt gebruikt, door de decamer-array enigszins te wijzigen.
De negenkleurenspectrometer kan niet alleen worden gebruikt voor capillaire elektroforese, zoals blijkt uit dit onderzoek, maar ook voor diverse andere doeleinden.Zoals je in de onderstaande figuur kunt zien, kan bijvoorbeeld een negenkleurenspectrometer op een fluorescentiemicroscoop worden toegepast.Het vlak van het monster wordt weergegeven op de beeldsensor van de negenkleurenspectrometer via een 10x objectief.De optische afstand tussen de objectieflens en de beeldsensor bedraagt ​​200 mm, terwijl de optische afstand tussen het invalsoppervlak van de negenkleurenspectrometer en de beeldsensor slechts 12 mm bedraagt.Daarom werd het beeld gesneden tot ongeveer de grootte van de opening (1 x 7 mm) in het invalsvlak en verdeeld in negen kleurenafbeeldingen.Dat wil zeggen dat een spectraal beeld van een negenkleurenmomentopname kan worden gemaakt op een gebied van 0,1 x 0,7 mm in het monstervlak.Bovendien is het mogelijk om een ​​spectraal beeld met negen kleuren te verkrijgen van een groter gebied op het monstervlak door het monster ten opzichte van het objectief in de horizontale richting in figuur 2c te scannen.
De decachromatische spiegelarraycomponenten, namelijk M1-M9 en BP, werden op maat gemaakt door Asahi Spectra Co., Ltd. met behulp van standaardprecipitatiemethoden.Meerlaagse diëlektrische materialen werden afzonderlijk aangebracht op tien kwartsplaten met een afmeting van 60 x 60 mm en een dikte van 0,5 mm, die aan de volgende vereisten voldeden: M1: IA = 45 °, R ≥ 90% bij 520–590 nm, Tave ≥ 90% bij 610– 610 nm.700 nm, M2: IA = 45°, R ≥ 90% bij 520–530 nm, Tave ≥ 90% bij 550–600 nm, M3: IA = 45°, R ≥ 90% bij 540–550 nm, Tave ≥ 90 % bij 570–600 nm, M4: IA = 45°, R ≥ 90% bij 560–570 nm, Tave ≥ 90% bij 590–600 nm, M5: IA = 45°, R ≥ 98% bij 580–600 nm , R ≥ 98% bij 680–700 nm, M6: IA = 45°, Tave ≥ 90% bij 600–610 nm, R ≥ 90% bij 630–700 nm, M7: IA = 45°, R ≥ 90% bij 620–630 nm, Taw ≥ 90% bij 650–700 nm, M8: IA = 45°, R ≥ 90% bij 640–650 nm, Taw ≥ 90% bij 670–700 nm, M9: IA = 45°, R ≥ 90% bij 650-670 nm, Tave ≥ 90% bij 690-700 nm, BP: IA = 0°, T ≤ 0,01% bij 505 nm, Tave ≥ 95% bij 530-690 nm bij 530 nm T ≥ 90% bij -690 nm en T ≤ 1% bij 725-750 nm, waarbij IA, T, Tave en R de invalshoek, transmissie, gemiddelde transmissie en ongepolariseerde lichtreflectie zijn.
Wit licht (C0) met een golflengtebereik van 400–750 nm uitgezonden door een LED-lichtbron (AS 3000, AS ONE CORPORATION) werd gecollimeerd en verticaal invallend op de DP van een reeks dichroïsche spiegels.Het witte lichtspectrum van LED's wordt weergegeven in aanvullende figuur S3.Plaats een acryltank (afmetingen 150 × 150 × 30 mm) direct voor de decamera-spiegelarray, tegenover de PSU.De rook die ontstond toen droogijs in water werd ondergedompeld, werd vervolgens in een acryltank gegoten om de negenkleurige C1-C9-gesplitste stromen te observeren die uit de reeks decachromatische spiegels kwamen.
Als alternatief wordt het gecollimeerde witte licht (CO) door een filter geleid voordat het de DP binnengaat.De filters waren oorspronkelijk filters met neutrale dichtheid en een optische dichtheid van 0,6.Gebruik dan een gemotoriseerd filter (FW212C, FW212C, Thorlabs).Schakel ten slotte het ND-filter weer in.De bandbreedtes van de negen banddoorlaatfilters komen respectievelijk overeen met C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 en C1.Een kwartscel met interne afmetingen van 40 (optische lengte) x 42,5 (hoogte) x 10 mm (breedte) werd voor een reeks decochromatische spiegels geplaatst, tegenover de BP.De rook wordt vervolgens door een buis naar de kwartscel geleid om de rookconcentratie in de kwartscel op peil te houden en de negenkleurige C1-C9 gesplitste stromen te visualiseren die uit de decachromatische spiegelreeks komen.
Een video van de negenkleurige gesplitste lichtstroom afkomstig van een reeks decanische spiegels werd vastgelegd in time-lapse-modus op de iPhone XS.Leg beelden van de scène vast met 1 fps en compileer de beelden om video te maken met 30 fps (voor optionele video 1) of 24 fps (voor optionele video's 2 en 3).
Plaats een roestvrijstalen plaat van 50 µm dik (met vier gaten met een diameter van 50 µm op een afstand van 1 mm) op de diffusieplaat.Licht met een golflengte van 400-750 nm wordt op de diffusorplaat gestraald, verkregen door licht van een halogeenlamp door een kort transmissiefilter met een afsnijgolflengte van 700 nm te laten gaan.Het lichtspectrum wordt getoond in aanvullende figuur S4.Als alternatief gaat het licht ook door een van de 10 nm-banddoorlaatfilters gecentreerd op 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 en 690 nm en raakt het de diffusorplaat.Als resultaat werden vier stralingspunten met een diameter van φ50 μm en verschillende golflengten gevormd op een roestvrijstalen plaat tegenover de diffusorplaat.
Een array met vier capillaire elementen en vier lenzen is op een negenkleurenspectrometer gemonteerd, zoals weergegeven in de figuren 1 en 2. C1 en C2.De vier haarvaten en vier lenzen waren dezelfde als in eerdere onderzoeken31,34.Een laserstraal met een golflengte van 505 nm en een vermogen van 15 mW wordt gelijktijdig en gelijkmatig vanaf de zijkant naar de emissiepunten van vier capillairen gestuurd.De door elk emissiepunt uitgezonden fluorescentie wordt gecollimeerd door de overeenkomstige lens en door een reeks decachromatische spiegels in negen kleurstromen gescheiden.De resulterende 36 stromen werden vervolgens rechtstreeks in een CMOS-beeldsensor (C11440–52U, Hamamatsu Photonics K·K.) geïnjecteerd en hun beelden werden gelijktijdig opgenomen.
ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit (Applied Biosystems), 4 µl GeneScan™ 600 LIZ™ kleurstof werd voor elk capillair gemengd door 1 µl PowerPlex® 6C Matrix Standard (Promega Corporation), 1 µl mixgroottestandaard te mengen.v2.0 (Thermo Fisher Scientific) en 14 µl water.De PowerPlex® 6C Matrix Standaard bestaat uit zes DNA-fragmenten gelabeld met zes kleurstoffen: FL-6C, JOE-6C, TMR-6C, CXR-6C, TOM-6C en WEN, in volgorde van maximale golflengte.De baselengten van deze DNA-fragmenten worden niet beschreven, maar de baselengtesequentie van DNA-fragmenten gelabeld met WEN, CXR-6C, TMR-6C, JOE-6C, FL-6C en TOM-6C is bekend.Het mengsel in de ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit bevat een DNA-fragment dat is gelabeld met dR6G-kleurstof.De lengtes van de basen van de DNA-fragmenten worden eveneens niet vermeld.GeneScan™ 600 LIZ™ Dye Size Standard v2.0 bevat 36 LIZ-gelabelde DNA-fragmenten.De baselengten van deze DNA-fragmenten zijn 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214, 220, 240, 250, 260, 280, 300, 314, 320, 340, 360, 380, 400, 414, 420, 440, 460, 480, 500, 514, 520, 540, 560, 580 en 600 basis.De monsters werden gedurende 3 minuten bij 94°C gedenatureerd en vervolgens gedurende 5 minuten op ijs gekoeld.Monsters werden gedurende 9 seconden bij 26 V/cm in elk capillair geïnjecteerd en gescheiden in elk capillair gevuld met een POP-7™-polymeeroplossing (Thermo Fisher Scientific) met een effectieve lengte van 36 cm en een spanning van 181 V/cm en een hoek van 60°.VAN.
Alle gegevens die in de loop van dit onderzoek zijn verkregen of geanalyseerd, zijn opgenomen in dit gepubliceerde artikel en de bijbehorende aanvullende informatie.Andere gegevens die relevant zijn voor dit onderzoek zijn op redelijk verzoek verkrijgbaar bij de respectieve auteurs.
Khan, MJ, Khan, HS, Yousaf, A., Khurshid, K., en Abbas, A. Huidige trends in hyperspectrale beeldanalyse: een overzicht.Toegang tot IEEE 6, 14118–14129.https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2812999 (2018).
Vaughan, AH Astronomische interferometrische Fabry-Perot-spectroscopie.installeren.Eerwaarde Astron.astrofysica.5, 139-167.https://doi.org/10.1146/annurev.aa.05.090167.001035 (1967).
Goetz, AFH, Wein, G., Solomon, JE en Rock, BN Spectroscopie van aardse teledetectiebeelden.Wetenschap 228, 1147–1153.https://doi.org/10.1126/science.228.4704.1147 (1985).
Yokoya, N., Grohnfeldt, C., en Chanussot, J. Fusie van hyperspectrale en multispectrale gegevens: een vergelijkend overzicht van recente publicaties.IEEE Aardwetenschappen.Tijdschrift voor teledetectie.5: 29–56.https://doi.org/10.1109/MGRS.2016.2637824 (2017).
Gowen, AA, O'Donnell, SP, Cullen, PJ, Downey, G. en Frias, JM Hyperspectrale beeldvorming is een nieuw analytisch hulpmiddel voor kwaliteitscontrole en voedselveiligheid.Trends in de voedingswetenschap.technologie.18, 590-598.https://doi.org/10.1016/j.tifs.2007.06.001 (2007).
ElMasri, G., Mandour, N., Al-Rejaye, S., Belin, E. en Rousseau, D. Recente toepassingen van multispectrale beeldvorming voor het monitoren van het fenotype en de kwaliteit van zaden - een overzicht.Sensoren 19, 1090 (2019).
Liang, H. Vooruitgang in multispectrale en hyperspectrale beeldvorming voor archeologie en kunstbehoud.Vraag een fysiek nummer 106, 309–323 aan.https://doi.org/10.1007/s00339-011-6689-1 (2012).
Edelman GJ, Gaston E., van Leeuwen TG, Cullen PJ en Alders MKG Hyperspectrale beeldvorming voor contactloze analyse van forensische sporen.Criminalistiek.intern 223, 28-39.https://doi.org/10.1016/j.forsciint.2012.09.012 (2012).