Dankie dat jy Nature.com besoek het.Jy gebruik 'n blaaierweergawe met beperkte CSS-ondersteuning.Vir die beste ervaring, beveel ons aan dat jy 'n opgedateerde blaaier gebruik (of versoenbaarheidsmodus in Internet Explorer deaktiveer).Daarbenewens, om deurlopende ondersteuning te verseker, wys ons die webwerf sonder style en JavaScript.
Vertoon 'n karrousel van drie skyfies gelyktydig.Gebruik die Vorige en Volgende-knoppies om deur drie skyfies op 'n slag te beweeg, of gebruik die skuifknoppies aan die einde om deur drie skyfies op 'n slag te beweeg.
'n Ultrakompakte (54 × 58 × 8,5 mm) en wye-opening (1 × 7 mm) negekleurspektrometer is ontwikkel, "in twee verdeel" deur 'n reeks van tien digroïese spieëls, wat gebruik is vir oombliklike spektrale beelding.Die invallende ligvloed met 'n deursnit kleiner as die diafragmagrootte word verdeel in 'n aaneenlopende strook 20 nm breed en nege kleurvloede met sentrale golflengtes van 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 en 690 nm.Beelde van nege kleurstrome word gelyktydig doeltreffend deur die beeldsensor gemeet.Anders as konvensionele dichroïese spieëlskikkings, het die ontwikkelde dichroïese spieëlskikking 'n unieke tweedelige konfigurasie, wat nie net die aantal kleure wat gelyktydig gemeet kan word, verhoog nie, maar ook beeldresolusie vir elke kleurstroom verbeter.Die ontwikkelde nege-kleur spektrometer word gebruik vir vier-kapillêre elektroforese.Gelyktydige kwantitatiewe analise van agt kleurstowwe wat gelyktydig in elke kapillêre migreer met behulp van nege-kleur laser-geïnduseerde fluoressensie.Aangesien die nege-kleur spektrometer nie net ultra-klein en goedkoop is nie, maar ook hoë ligvloed en voldoende spektrale resolusie het vir die meeste spektrale beeldtoepassings, kan dit wyd gebruik word in verskeie velde.
Hiperspektrale en multispektrale beelding het 'n belangrike deel van sterrekunde2 geword, afstandwaarneming vir Aardewaarneming3,4, voedsel- en watergehaltebeheer5,6, kunsbewaring en argeologie7, forensika8, chirurgie9, biomediese analise en diagnostiek10,11 ens. Veld 1 'n Onmisbare tegnologie ,12,13.Metodes vir die meting van die spektrum van lig wat deur elke emissiepunt in die gesigsveld uitgestraal word, word verdeel in (1) puntskandering ("besem")14,15, (2) lineêre skandering ("panicle")16,17,18 , (3) lengte skanderings golwe19,20,21 en (4) beelde22,23,24,25.In die geval van al hierdie metodes het ruimtelike resolusie, spektrale resolusie en temporele resolusie 'n afruilverhouding9,10,12,26.Daarbenewens het liguitset 'n beduidende impak op sensitiwiteit, dit wil sê die sein-tot-geraas-verhouding in spektrale beelding26.Die ligvloed, dit wil sê die doeltreffendheid van die gebruik van lig, is direk eweredig aan die verhouding van die werklike gemete hoeveelheid lig van elke ligpunt per tydseenheid tot die totale hoeveelheid lig van die gemete golflengtereeks.Kategorie (4) is 'n gepaste metode wanneer die intensiteit of spektrum van lig wat deur elke emitterende punt uitgestraal word met tyd verander of wanneer die posisie van elke emitterende punt met tyd verander omdat die spektrum van lig wat deur alle emitterende punte uitgestraal word gelyktydig gemeet word.24.
Die meeste van die bogenoemde metodes word gekombineer met groot, komplekse en/of duur spektrometers wat 18 roosters of 14, 16, 22, 23 prismas gebruik vir klasse (1), (2) en (4) of 20, 21 filterskywe, vloeistoffilters .Kristallyn verstelbare filters (LCTF)25 of akoesto-optiese verstelbare filters (AOTF)19 van kategorie (3).Daarteenoor is kategorie (4) multispieëlspektrometers klein en goedkoop as gevolg van hul eenvoudige konfigurasie27,28,29,30.Boonop het hulle 'n hoë ligvloed omdat die lig wat deur elke dichroïese spieël gedeel word (dit wil sê die oorgedra en gereflekteerde lig van die invallende lig op elke dichroïese spieël) volledig en deurlopend gebruik word.Die aantal golflengtebande (dws kleure) wat gelyktydig gemeet moet word, is egter beperk tot ongeveer vier.
Spektralbeelding gebaseer op fluoressensie-opsporing word algemeen gebruik vir multipleks-analise in biomediese opsporing en diagnostiek 10, 13.In multipleksing, aangesien veelvuldige analiete (bv. spesifieke DNA of proteïene) met verskillende fluoresserende kleurstowwe gemerk is, word elke analiet wat by elke emissiepunt in die gesigsveld teenwoordig is, gekwantifiseer met behulp van multikomponent-analise.32 breek die bespeurde fluoressensiespektrum af wat deur elke emissiepunt uitgestraal word.Tydens hierdie proses kan verskillende kleurstowwe, wat elkeen 'n ander fluoressensie uitstraal, kolokaliseer, dit wil sê, saambestaan in ruimte en tyd.Tans is die maksimum aantal kleurstowwe wat deur 'n enkele laserstraal opgewek kan word agt33.Hierdie boonste limiet word nie bepaal deur die spektrale resolusie (dws aantal kleure) nie, maar deur die breedte van die fluoressensiespektrum (≥50 nm) en die hoeveelheid kleurstof Stokes skuif (≤200 nm) by FRET (met FRET)10 .Die aantal kleure moet egter groter as of gelyk aan die aantal kleurstowwe wees om die spektrale oorvleueling van gemengde kleurstowwe uit te skakel31,32.Daarom is dit nodig om die aantal gelyktydig gemeet kleure tot agt of meer te verhoog.
Onlangs is 'n ultra-kompakte heptachroïese spektrometer (wat 'n reeks heptychroïese spieëls en 'n beeldsensor gebruik om vier fluoresserende vloede te meet) ontwikkel.Die spektrometer is twee tot drie ordes van grootte kleiner as konvensionele spektrometers wat roosters of prismas gebruik34,35.Dit is egter moeilik om meer as sewe digroïese spieëls in 'n spektrometer te plaas en terselfdertyd meer as sewe kleure te meet36,37.Met 'n toename in die aantal dichroïese spieëls neem die maksimum verskil in die lengtes van die optiese paaie van dichroïese ligvloede toe, en word dit moeilik om alle ligvloede op een sensoriese vlak te vertoon.Die langste optiese padlengte van die ligvloed neem ook toe, dus neem die breedte van die spektrometeropening (dws die maksimum breedte van die lig wat deur die spektrometer ontleed word) af.
In reaksie op bogenoemde probleme is 'n ultrakompakte negekleurspektrometer met 'n tweelaag "dichroïese" dekachromatiese spieëlskikking en 'n beeldsensor vir oombliklike spektrale beeldvorming [kategorie (4)] ontwikkel.In vergelyking met vorige spektrometers het die ontwikkelde spektrometer 'n kleiner verskil in die maksimum optiese padlengte en 'n kleiner maksimum optiese padlengte.Dit is toegepas op vier-kapillêre elektroforese om laser-geïnduseerde nege-kleur fluoressensie op te spoor en om die gelyktydige migrasie van agt kleurstowwe in elke kapillêre te kwantifiseer.Aangesien die ontwikkelde spektrometer nie net ultra-klein en goedkoop is nie, maar ook 'n hoë ligvloed en voldoende spektrale resolusie het vir die meeste spektrale beeldtoepassings, kan dit wyd gebruik word in verskeie velde.
Die tradisionele nege-kleur spektrometer word in fig.1a.Die ontwerp volg dié van die vorige ultraklein sewekleurspektrometer 31. Dit bestaan uit nege dichroïese spieëls wat horisontaal teen 'n hoek van 45° na regs gerangskik is, en die beeldsensor (S) is bo die nege dichroïese spieëls geleë.Die lig wat van onder af inkom (C0) word deur 'n reeks van nege dichroïese spieëls in nege ligvloeie wat opgaan (C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 en C9) verdeel.Al nege kleurstrome word direk na die beeldsensor gevoer en word gelyktydig opgespoor.In hierdie studie is C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 en C9 in volgorde van golflengte en word voorgestel deur magenta, violet, blou, siaan, groen, geel, oranje, rooi-oranje en rooi, onderskeidelik.Alhoewel hierdie kleurbenamings in hierdie dokument gebruik word, soos getoon in Figuur 3, omdat hulle verskil van die werklike kleure wat deur die menslike oog gesien word.
Skematiese diagramme van konvensionele en nuwe nege-kleur spektrometers.(a) Konvensionele nege-kleur spektrometer met 'n reeks van nege dichroïese spieëls.(b) Nuwe nege-kleur spektrometer met 'n twee-laag dichroïese spieël skikking.Die invallende ligvloed C0 word in nege gekleurde ligvloede C1-C9 verdeel en deur die beeldsensor S bespeur.
Die ontwikkelde nuwe nege-kleur spektrometer het 'n twee-laag dichroïese spieël rooster en 'n beeld sensor, soos getoon in Fig. 1b.In die onderste vlak is vyf dichroïese spieëls 45° na regs gekantel, na regs in lyn vanaf die middel van die reeks decamers.Op die boonste vlak is vyf bykomende dichroïese spieëls 45° na links gekantel en van die middel na links geleë.Die mees linkse dichroïese spieël van die onderste laag en die regterste dichroïese spieël van die boonste laag oorvleuel mekaar.Die invallende ligvloed (C0) word van onder in vier uitgaande chromatiese vloede (C1-C4) deur vyf dichroïese spieëls aan die regterkant en vyf uitgaande chromatiese vloede (C5-C4) deur vyf dichroïese spieëls aan die linkerkant C9 verdeel.Soos konvensionele negekleurspektrometers, word al nege kleurstrome direk in die beeldsensor (S) ingespuit en gelyktydig opgespoor.Deur Figuur 1a en 1b te vergelyk, kan 'n mens sien dat in die geval van die nuwe negekleurspektrometer, beide die maksimum verskil en die langste optiese padlengte van die nege kleurvloede gehalveer word.
Die gedetailleerde konstruksie van 'n ultraklein tweelaag dichroïese spieëlskikking 29 mm (breedte) × 31 mm (diepte) × 6 mm (hoogte) word in Figuur 2 getoon. Die desimale dichroïese spieëlskikking bestaan uit vyf dichroïese spieëls aan die regterkant (M1-M5) en vyf dichroïese spieëls aan die linkerkant (M6-M9 en nog 'n M5), elke dichroïese spieël is in die boonste aluminiumbeugel vasgemaak.Alle dichroïese spieëls is verskuif om te kompenseer vir parallelle verplasing as gevolg van breking van die vloei deur die spieëls.Onder M1 is 'n banddeurlaatfilter (BP) vasgestel.M1 en BP afmetings is 10 mm (lang kant) x 1,9 mm (kort kant) x 0,5 mm (dikte).Die afmetings van die oorblywende dichroïese spieëls is 15 mm × 1,9 mm × 0,5 mm.Die matrikssteek tussen M1 en M2 is 1,7 mm, terwyl die matrikssteek van ander dichroïese spieëls 1,6 mm is.Op fig.2c kombineer die invallende ligvloed C0 en nege gekleurde ligvloede C1-C9, geskei deur 'n de-kamer matriks van spieëls.
Konstruksie van 'n twee-laag dichroïese spieëlmatriks.(a) 'n Perspektief-aansig en (b) 'n deursnee-aansig van 'n twee-laag dichroïese spieël-skikking (afmetings 29 mm x 31 mm x 6 mm).Dit bestaan uit vyf dichroïese spieëls (M1-M5) geleë in die onderste laag, vyf dichroïese spieëls (M6-M9 en nog 'n M5) geleë in die boonste laag, en 'n banddeurlaatfilter (BP) geleë onder M1.(c) Dwarsdeursnee-aansig in vertikale rigting, met C0 en C1-C9 oorvleuel.
Die breedte van die opening in die horisontale rigting, aangedui deur die breedte C0 in Fig. 2, c, is 1 mm, en in die rigting loodreg op die vlak van Fig. 2, c, gegee deur die ontwerp van die aluminiumbeugel, – 7 mm.Dit wil sê, die nuwe nege-kleur spektrometer het 'n groot lensopening van 1 mm × 7 mm.Die optiese pad van C4 is die langste onder C1-C9, en die optiese pad van C4 binne die dichroïese spieëlskikking, as gevolg van die bogenoemde ultraklein grootte (29 mm × 31 mm × 6 mm), is 12 mm.Terselfdertyd is die optiese padlengte van C5 die kortste onder C1-C9, en die optiese padlengte van C5 is 5.7mm.Daarom is die maksimum verskil in optiese padlengte 6,3 mm.Bogenoemde optiese padlengtes word gekorrigeer vir die optiese padlengte vir optiese transmissie van M1-M9 en BP (vanaf kwarts).
Die spektrale eienskappe van М1−М9 en VR word so bereken dat die vloede С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8 en С9 in die golflengtereeks 520–540, 540–560, 560–58080, 560–580 is. –600, 600–620, 620–640, 640–660, 660–680 en 680–700 nm, onderskeidelik.
'n Foto van die vervaardigde matriks van dekachromatiese spieëls word in Fig. 3a getoon.M1-M9 en BP is onderskeidelik aan die 45-grade helling en horisontale vlak van die aluminiumsteun vasgeplak, terwyl M1 en BP op die agterkant van die figuur versteek is.
Produksie van 'n verskeidenheid dekanspieëls en die demonstrasie daarvan.(a) 'n Reeks vervaardigde dekachromatiese spieëls.(b) 'n 1 mm × 7 mm negekleur gesplete beeld geprojekteer op 'n vel papier wat voor 'n reeks dekachromatiese spieëls geplaas is en met wit lig verlig is.(c) 'n Verskeidenheid dekochromatiese spieëls wat met wit lig van agter verlig word.(d) Nege-kleur splitsende stroom wat uit die dekaan-spieël-skikking spruit, waargeneem deur 'n rookgevulde akrielhouer voor die dekaan-spieëlskikking by c te plaas en die kamer te verdonker.
Die gemete transmissiespektra van M1-M9 C0 by 'n invalshoek van 45° en die gemete transmissiespektrum van BP C0 by 'n invalshoek van 0° word in Fig.4a.Die transmissiespektra van C1-C9 relatief tot C0 word in Fig.4b.Hierdie spektra is bereken vanaf die spektra in Fig.4a in ooreenstemming met die optiese pad C1-C9 in Fig. 4a.1b en 2c.Byvoorbeeld, 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)], waar TS(X) en [ 1 − TS(X)] is onderskeidelik die transmissie- en refleksiespektra van X.Soos in Figuur 4b getoon, is die bandwydtes (bandwydte ≥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.Hierdie resultate stem ooreen met die ontwikkelde reekse.Daarbenewens is die gebruiksdoeltreffendheid van C0-lig hoog, dit wil sê die gemiddelde maksimum C1-C9-ligoordrag is 92%.
Transmissiespektra van 'n dichroïese spieël en 'n gesplete nege-kleur vloed.(a) Gemeet transmissiespektra van M1-M9 by 45° inval en BP by 0° inval.(b) Transmissiespektra van C1–C9 relatief tot C0 bereken vanaf (a).
Op fig.3c, is die reeks dichroïese spieëls vertikaal geleë, sodat sy regterkant in Fig. 3a die bokant is en die wit straal van die gekollimeerde LED (C0) verlig is.Die reeks dekachromatiese spieëls wat in Figuur 3a getoon word, is in 'n 54 mm (hoogte) × 58 mm (diepte) × 8.5 mm (dikte) adapter gemonteer.Op fig.3d, benewens die toestand wat in fig.3c, is 'n rookgevulde akrieltenk voor 'n reeks dekochromatiese spieëls geplaas, met die ligte in die kamer afgeskakel.Gevolglik is nege digroïese strome sigbaar in die tenk, wat uit 'n verskeidenheid dekatroiese spieëls voortspruit.Elke gesplete stroom het 'n reghoekige deursnit met afmetings van 1 × 7 mm, wat ooreenstem met die openinggrootte van die nuwe negekleurspektrometer.In Figuur 3b word 'n vel papier voor die reeks dichroïese spieëls in Figuur 3c geplaas, en 'n 1 x 7 mm beeld van nege dichroïese strome wat op die papier geprojekteer word, word vanuit die rigting van papierbeweging waargeneem.strome.Die nege kleurskeidingstrome in fig.3b en d is C4, C3, C2, C1, C5, C6, C7, C8 en C9 van bo na onder, wat ook in figure 1 en 2 gesien kan word. 1b en 2c.Hulle word waargeneem in kleure wat ooreenstem met hul golflengtes.As gevolg van die lae wit ligintensiteit van die LED (sien Aanvullende Fig. S3) en die sensitiwiteit van die kleurkamera wat gebruik word om C9 (682–699 nm) in Fig vas te vang. Ander splitstrome is swak.Net so was C9 effens met die blote oog sigbaar.Intussen lyk C2 (die tweede stroom van bo af) groen in Figuur 3, maar lyk meer geel met die blote oog.
Die oorgang van Figuur 3c na d word in Aanvullende Video 1 getoon. Onmiddellik nadat die wit lig van die LED deur die dekachromatiese spieëlskikking gaan, verdeel dit gelyktydig in nege kleurstrome.Op die ou end het die rook in die vat geleidelik van bo na onder verdwyn, sodat die nege gekleurde poeiers ook van bo na onder verdwyn het.Daarteenoor, in Aanvullende Video 2, toe die golflengte van die ligvloei wat inval op die reeks dekachromatiese spieëls verander is van lank na kort in die orde van 690, 671, 650, 632, 610, 589, 568, 550 en 532 nm ., Slegs die ooreenstemmende gesplete strome van die nege verdeelde strome in die volgorde van C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 en C1 word vertoon.Die akrielreservoir word deur 'n kwartspoel vervang, en die vlokkies van elke geshunteerde vloei kan duidelik vanaf die skuins opwaartse rigting waargeneem word.Boonop word die subvideo 3 so geredigeer dat die golflengteveranderingsgedeelte van die subvideo 2 weer gespeel word.Dit is die mees welsprekende uitdrukking van die kenmerke van 'n dekochromatiese reeks spieëls.
Bogenoemde resultate toon dat die vervaardigde dekachromatiese spieëlskikking of die nuwe negekleurspektrometer werk soos bedoel.Die nuwe nege-kleur spektrometer word gevorm deur 'n reeks dekachromatiese spieëls met adapters direk op die beeldsensorbord te monteer.
Ligvloed met 'n golflengtereeks van 400 tot 750 nm, uitgestraal deur vier stralingspunte φ50 μm, geleë met 1 mm-intervalle in die rigting loodreg op die vlak van Fig. 2c, onderskeidelik Navorsing 31, 34. Die vier-lens-skikking bestaan uit vier lense φ1 mm met 'n brandpuntsafstand van 1,4 mm en 'n spoed van 1 mm.Vier gekollimeerde strome (vier C0) val op die DP van 'n nuwe nege-kleur spektrometer, gespasieer met 1 mm intervalle.'n Verskeidenheid dichroïese spieëls verdeel elke stroom (C0) in nege kleurstrome (C1-C9).Die gevolglike 36 strome (vier stelle C1-C9) word dan direk in 'n CMOS (S) beeldsensor ingespuit wat direk gekoppel is aan 'n verskeidenheid dichroïese spieëls.As gevolg hiervan, soos getoon in Fig. 5a, as gevolg van die klein maksimum optiese pad verskil en die kort maksimum optiese pad, is die beelde van al 36 strome gelyktydig en duidelik met dieselfde grootte opgespoor.Volgens die stroomaf-spektra (sien Aanvullende Figuur S4) is die beeldintensiteit van die vier groepe C1, C2 en C3 relatief laag.Ses-en-dertig beelde was 0.57 ± 0.05 mm groot (gemiddeld ± SD).Die beeldvergroting was dus gemiddeld 11,4.Die vertikale spasiëring tussen beelde is gemiddeld 1 mm (dieselfde spasiëring as 'n lensskikking) en die horisontale spasiëring is gemiddeld 1,6 mm (dieselfde spasiëring as 'n dichroïese spieëlskikking).Omdat die beeldgrootte baie kleiner is as die afstand tussen beelde, kan elke beeld onafhanklik gemeet word (met lae oorspraak).Intussen word beelde van agt-en-twintig strome aangeteken deur die konvensionele sewe-kleur spektrometer wat in ons vorige studie gebruik is, getoon in Fig. 5 B. Die skikking van sewe dichroïese spieëls is geskep deur die twee mees regs dichroïese spieëls uit die skikking van nege dichroïese spieëls te verwyder spieëls in Figuur 1a.Nie alle beelde is skerp nie, die beeldgrootte neem toe van C1 na C7.Agt-en-twintig beelde is 0,70 ± 0,19 mm groot.Daarom is dit moeilik om 'n hoë beeldresolusie in alle beelde te handhaaf.Die variasiekoëffisiënt (CV) vir beeldgrootte 28 in Figuur 5b was 28%, terwyl die CV vir beeldgrootte 36 in Figuur 5a afgeneem het tot 9%.Bogenoemde resultate toon dat die nuwe negekleurspektrometer nie net die aantal gelyktydig gemeet kleure van sewe tot nege verhoog nie, maar ook 'n hoë beeldresolusie vir elke kleur het.
Vergelyking van die kwaliteit van die gesplete beeld wat deur konvensionele en nuwe spektrometers gevorm word.(a) Vier groepe van nege-kleur geskeide beelde (C1-C9) gegenereer deur die nuwe nege-kleur spektrometer.(b) Vier stelle sewe-kleur geskeide beelde (C1-C7) gevorm met 'n konvensionele sewe-kleur spektrometer.Vloede (C0) met golflengtes van 400 tot 750 nm vanaf vier emissiepunte word onderskeidelik gekollimeer en inval op elke spektrometer.
Die spektrale eienskappe van die nege-kleur spektrometer is eksperimenteel geëvalueer en die evalueringsresultate word in Figuur 6 getoon. Let daarop dat Figuur 6a dieselfde resultate as Figuur 5a toon, maw by golflengtes van 4 C0 400–750 nm word al 36 beelde opgespoor (4 groepe C1–C9).Inteendeel, soos getoon in Fig. 6b–j, wanneer elke CO 'n spesifieke golflengte van 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 of 690 nm het, is daar amper net vier ooreenstemmende beelde (vier groepe bespeur C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 of C9).Sommige van die beelde langs die vier ooreenstemmende beelde word egter baie swak bespeur omdat die C1-C9 transmissiespektra wat in Fig. 4b getoon word effens oorvleuel en elke C0 het 'n 10 nm band by 'n spesifieke golflengte soos beskryf in die metode.Hierdie resultate stem ooreen met die C1-C9 transmissiespektra wat in Fig.4b en aanvullende video's 2 en 3. Met ander woorde, die nege kleurspektrometer werk soos verwag gebaseer op die resultate wat in fig.4b.Daarom word die gevolgtrekking gemaak dat die beeldintensiteitsverspreiding C1-C9 die spektrum van elke C0 is.
Spektrale eienskappe van 'n nege-kleur spektrometer.Die nuwe nege-kleur spektrometer genereer vier stelle nege-kleur geskeide beelde (C1-C9) wanneer die invallende lig (vier C0) 'n golflengte van (a) 400-750 nm het (soos getoon 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, onderskeidelik.
Die ontwikkelde nege-kleur spektrometer is gebruik vir vier-kapillêre elektroforese (vir besonderhede, sien Aanvullende Materiale)31,34,35.Die vier-kapillêre matriks bestaan uit vier kapillêre (buitenste deursnee 360 μm en binnedeursnee 50 μm) geleë op 1 mm intervalle by die laserbestralingsplek.Monsters wat DNA-fragmente bevat gemerk met 8 kleurstowwe, naamlik 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 stygende volgorde van fluoresserende golflengte, geskei in elk van vier kapillêre (hierna verwys as Cap1, Cap2, Cap3 en Cap4).Laser-geïnduseerde fluoressensie van Cap1-Cap4 is gekollimeer met 'n reeks van vier lense en gelyktydig aangeteken met 'n nege-kleur spektrometer.Die intensiteitsdinamika van nege-kleur (C1-C9) fluoressensie tydens elektroforese, dit wil sê 'n nege-kleur elektroforegram van elke kapillêre, word in Fig. 7a getoon.'n Ekwivalente nege-kleur elektroforegram word in Cap1-Cap4 verkry.Soos aangedui deur die Cap1-pyle in Figuur 7a, toon die agt pieke op elke nege-kleur elektroforegram een fluoressensie emissie van Dye1-Dye8, onderskeidelik.
Gelyktydige kwantifisering van agt kleurstowwe met behulp van 'n nege-kleur vier-kapillêre elektroforese spektrometer.(a) Nege-kleur (C1-C9) elektroforegram van elke kapillêre.Die agt pieke wat deur pyle Cap1 aangedui word, toon individuele fluoressensie-emissies van agt kleurstowwe (Dye1-Dye8).Die kleure van die pyle stem ooreen met die kleure (b) en (c).(b) Fluoresensiespektra van agt kleurstowwe (Dye1-Dye8) per kapillêre.c Elektroferogramme van agt kleurstowwe (Dye1-Dye8) per kapillêre.Die pieke van Dye7-gemerkte DNA-fragmente word deur pyle aangedui, en hul Cap4-basislengtes word aangedui.
Die intensiteitsverspreidings van C1-C9 op agt pieke word in Fig.7b, onderskeidelik.Omdat beide C1-C9 en Dye1-Dye8 in golflengte-orde is, toon die agt verdelings in Fig. 7b die fluoressensiespektra van Dye1-Dye8 opeenvolgend van links na regs.In hierdie studie verskyn Dye1, Dye2, Dye3, Dye4, Dye5, Dye6, Dye7 en Dye8 onderskeidelik in magenta, violet, blou, siaan, groen, geel, oranje en rooi.Let daarop dat die kleure van die pyle in Fig. 7a ooreenstem met die kleurstofkleure in Fig. 7b.Die C1-C9 fluoressensie intensiteite vir elke spektrum in Figuur 7b is genormaliseer sodat hul som gelyk is aan een.Agt ekwivalente fluoressensiespektra is verkry vanaf Cap1-Cap4.Mens kan die spektrale oorvleueling van fluoressensie tussen kleurstof 1-kleurstof 8 duidelik waarneem.
Soos getoon in Figuur 7c, vir elke kapillêre, is die nege-kleur elektroforegram in Figuur 7a omgeskakel na 'n agt-kleur elektroferogram deur multi-komponent analise gebaseer op die agt fluoressensie spektra in Figuur 7b (sien Aanvullende Materiale vir besonderhede).Aangesien die spektrale oorvleueling van fluoressensie in Figuur 7a nie in Figuur 7c vertoon word nie, kan Dye1-Dye8 op elke tydstip individueel geïdentifiseer en gekwantifiseer word, selfs al fluoressieer verskillende hoeveelhede Dye1-Dye8 op dieselfde tyd.Dit kan nie met tradisionele sewekleurdeteksie31 gedoen word nie, maar kan bereik word met die ontwikkelde negekleurbespeuring.Soos getoon deur die pyle Cap1 in Fig. 7c, is slegs die fluoresserende emissie-singlets Dye3 (blou), Dye8 (rooi), Dye5 (groen), Dye4 (sian), Dye2 (pers), Dye1 (magenta) en Dye6 (Geel) ) word in die verwagte chronologiese volgorde waargeneem.Vir die fluoresserende emissie van kleurstof 7 (oranje), bykomend tot die enkele piek wat deur die oranje pyl aangedui word, is verskeie ander enkele pieke waargeneem.Hierdie resultaat is te wyte aan die feit dat die monsters groottestandaarde bevat het, Dye7-gemerkte DNA-fragmente met verskillende basislengtes.Soos getoon in Figuur 7c, vir Cap4 is hierdie basislengtes 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214 en 220 basislengtes.
Die belangrikste kenmerke van die nege-kleur spektrometer, ontwikkel met behulp van 'n matriks van twee-laag dichroïese spieëls, is klein grootte en eenvoudige ontwerp.Aangesien die reeks dekachromatiese spieëls binne die adapter wat in fig.3c direk op die beeldsensorbord gemonteer (sien Fig. S1 en S2), het die negekleurspektrometer dieselfde afmetings as die adapter, dit wil sê 54 × 58 × 8,5 mm.(dikte).Hierdie ultraklein grootte is twee tot drie ordes van grootte kleiner as konvensionele spektrometers wat roosters of prismas gebruik.Daarbenewens, aangesien die nege-kleur spektrometer so opgestel is dat lig die oppervlak van die beeldsensor loodreg tref, kan spasie maklik toegeken word vir die nege-kleur spektrometer in stelsels soos mikroskope, vloeisitometers of ontleders.Kapillêre rooster elektroforese ontleder vir nog groter miniaturisering van die stelsel.Terselfdertyd is die grootte van tien digroïese spieëls en banddeurlaatfilters wat in die negekleurspektrometer gebruik word, slegs 10×1,9×0,5 mm of 15×1,9×0,5 mm.Dus kan meer as 100 sulke klein dichroïese spieëls en banddeurlaatfilters onderskeidelik uit 'n dichroïese spieël en 'n 60 mm2-banddeurlaatfilter gesny word.Daarom kan 'n verskeidenheid dekachromatiese spieëls teen 'n lae koste vervaardig word.
Nog 'n kenmerk van die nege-kleur spektrometer is sy uitstekende spektrale eienskappe.Dit laat veral die verkryging van spektrale beelde van momentopnames toe, dit wil sê die gelyktydige verkryging van beelde met spektrale inligting.Vir elke beeld is 'n kontinue spektrum verkry met 'n golflengtereeks van 520 tot 700 nm en 'n resolusie van 20 nm.Met ander woorde, nege kleurintensiteite van lig word vir elke beeld waargeneem, dit wil sê nege 20 nm-bande wat die golflengte-reeks van 520 tot 700 nm eweredig verdeel.Deur die spektrale eienskappe van die dichroïese spieël en die banddeurlaatfilter te verander, kan die golflengtereeks van die nege bande en die breedte van elke band aangepas word.Nege kleuropsporing kan nie net vir fluoressensiemetings met spektrale beelding gebruik word nie (soos beskryf in hierdie verslag), maar ook vir baie ander algemene toepassings wat spektrale beelding gebruik.Alhoewel hiperspektrale beelding honderde kleure kan opspoor, is daar gevind dat selfs met 'n aansienlike vermindering in die aantal waarneembare kleure, veelvuldige voorwerpe in die gesigsveld met voldoende akkuraatheid vir baie toepassings geïdentifiseer kan word38,39,40.Omdat ruimtelike resolusie, spektrale resolusie en temporele resolusie 'n kompromis in spektrale beelding het, kan die vermindering van die aantal kleure ruimtelike resolusie en tydelike resolusie verbeter.Dit kan ook eenvoudige spektrometers gebruik soos die een wat in hierdie studie ontwikkel is en die hoeveelheid berekening verder verminder.
In hierdie studie is agt kleurstowwe gelyktydig gekwantifiseer deur spektrale skeiding van hul oorvleuelende fluoressensiespektra gebaseer op die opsporing van nege kleure.Tot nege kleurstowwe kan gelyktydig gekwantifiseer word, wat saam in tyd en ruimte bestaan.’n Spesiale voordeel van die negekleurspektrometer is sy hoë ligvloed en groot diafragma (1 × 7 mm).Die dekaanspieëlskikking het 'n maksimum transmissie van 92% van die lig vanaf die opening in elk van die nege golflengtereekse.Die doeltreffendheid van die gebruik van invallende lig in die golflengtereeks van 520 tot 700 nm is byna 100%.In so 'n wye reeks golflengtes kan geen diffraksierooster so 'n hoë doeltreffendheid van gebruik verskaf nie.Selfs as die diffraksiedoeltreffendheid van 'n diffraksierooster 90% by 'n sekere golflengte oorskry, namate die verskil tussen daardie golflengte en 'n spesifieke golflengte toeneem, verminder die diffraksiedoeltreffendheid by 'n ander golflengte41.Die diafragma wydte loodreg op die rigting van die vlak in Fig. 2c kan verleng word van 7 mm na die breedte van die beeldsensor, soos in die geval van die beeldsensor wat in hierdie studie gebruik word, deur die dekamera-skikking effens te wysig.
Die nege-kleur spektrometer kan nie net vir kapillêre elektroforese gebruik word nie, soos in hierdie studie getoon, maar ook vir verskeie ander doeleindes.Byvoorbeeld, soos in die figuur hieronder getoon, kan 'n nege-kleur spektrometer op 'n fluoressensie mikroskoop toegepas word.Die vlak van die monster word op die beeldsensor van die nege-kleur spektrometer deur 'n 10x objektief vertoon.Die optiese afstand tussen die objektieflens en die beeldsensor is 200 mm, terwyl die optiese afstand tussen die invaloppervlak van die negekleurspektrometer en die beeldsensor slegs 12 mm is.Daarom is die beeld tot ongeveer die grootte van die diafragma (1 × 7 mm) in die invalsvlak gesny en in nege kleurbeelde verdeel.Dit wil sê, 'n spektrale beeld van 'n nege-kleur momentopname kan geneem word op 'n 0.1×0.7 mm area in die monstervlak.Daarbenewens is dit moontlik om 'n negekleur spektrale beeld van 'n groter area op die monstervlak te verkry deur die monster relatief tot die objektief in die horisontale rigting in Fig. 2c te skandeer.
Die dekachromatiese spieël-skikking komponente, naamlik M1-M9 en BP, is op maat gemaak deur Asahi Spectra Co., Ltd. deur gebruik te maak van standaard neerslagmetodes.Meerlaagse diëlektriese materiale is individueel op tien kwartsplate van 60 × 60 mm groot en 0,5 mm dik aangebring, wat aan die volgende vereistes voldoen: M1: IA = 45°, R ≥ 90% by 520–590 nm, Tave ≥ 90% by 610– 610 nm.700 nm, M2: IA = 45°, R ≥ 90% by 520–530 nm, Tave ≥ 90% by 550–600 nm, M3: IA = 45°, R ≥ 90% by 540–550 nm, Tave ≥ % by 570–600 nm, M4: IA = 45°, R ≥ 90% by 560–570 nm, Tave ≥ 90% by 590–600 nm, M5: IA = 45°, R ≥ 98% by 580–6 , R ≥ 98% by 680–700 nm, M6: IA = 45°, Tave ≥ 90% by 600–610 nm, R ≥ 90% by 630–700 nm, M7: IA = 45°, R ≥ 9 620–630 nm, Taw ≥ 90% by 650–700 nm, M8: IA = 45°, R ≥ 90% by 640–650 nm, Taw ≥ 90% by 670–700 nm, M 45°, R = ≥ 90% by 650-670 nm, Tave ≥ 90% by 690-700 nm, BP: IA = 0°, T ≤ 0.01% by 505 nm, Tave ≥ 95% by 530-690 nm ≥ nm by 9 by -690 nm en T ≤ 1% by 725-750 nm, waar IA, T, Tave en R die invalshoek, transmissie, gemiddelde deurlaatbaarheid en ongepolariseerde ligweerkaatsing is.
Wit lig (C0) met 'n golflengtereeks van 400–750 nm wat deur 'n LED-ligbron (AS 3000, AS EEN KORPORASIE) uitgestraal is, is gekollimeer en vertikaal op die DP van 'n reeks dikroiese spieëls ingeval.Die wit ligspektrum van LED's word in Aanvullende Figuur S3 getoon.Plaas 'n akrieltenk (afmetings 150 × 150 × 30 mm) direk voor die decamera-spieëlskikking, oorkant die PSU.Die rook wat gegenereer is wanneer droë ys in water gedompel is, is dan in 'n akrieltenk gegooi om die nege-kleur C1-C9 gesplete strome waar te neem wat uit die reeks dekachromatiese spieëls voortspruit.
Alternatiewelik word die gekollimeerde wit lig (C0) deur 'n filter gevoer voordat dit die DP binnegaan.Die filters was oorspronklik neutrale digtheid filters met 'n optiese digtheid van 0,6.Gebruik dan 'n gemotoriseerde filter (FW212C, FW212C, Thorlabs).Laastens, skakel die ND-filter weer aan.Die bandwydtes van die nege banddeurlaatfilters stem ooreen met onderskeidelik C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 en C1.'n Kwartsel met interne afmetings van 40 (optiese lengte) x 42.5 (hoogte) x 10 mm (breedte) is voor 'n reeks dekochromatiese spieëls, oorkant die BP, geplaas.Die rook word dan deur 'n buis in die kwartsel ingevoer om die konsentrasie van rook in die kwartsel te handhaaf om die nege-kleur C1-C9 gesplete strome wat uit die dekachromatiese spieëlreeks voortspruit, te visualiseer.
'n Video van die nege-kleur gesplete ligstroom wat uit 'n reeks dekaniese spieëls voortspruit, is in tydsverloopmodus op die iPhone XS vasgelê.Neem beelde van die toneel vas teen 1 fps en stel die beelde saam om video teen 30 fps (vir opsionele video 1) of 24 fps (vir opsionele video's 2 en 3) te skep.
Plaas 'n 50 µm dik vlekvrye staal plaat (met vier 50 µm deursnee gate met 1 mm intervalle) op die diffusie plaat.Lig met 'n golflengte van 400-750 nm word op die verspreiderplaat bestraal, verkry deur lig van 'n halogeenlamp deur 'n kort transmissiefilter met 'n afsnygolflengte van 700 nm te laat beweeg.Die ligspektrum word in Aanvullende Figuur S4 getoon.Alternatiewelik gaan die lig ook deur een van die 10 nm-banddeurlaatfilters wat gesentreer is op 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 en 690 nm en tref die diffuserplaat.As gevolg hiervan is vier bestralingspunte met 'n deursnee van φ50 μm en verskillende golflengtes op 'n vlekvrye staalplaat oorkant die diffuserplaat gevorm.
'n Vier-kapillêre skikking met vier lense is op 'n nege-kleur spektrometer gemonteer soos getoon in Figure 1 en 2. C1 en C2.Die vier kapillêre en vier lense was dieselfde as in vorige studies31,34.'n Laserstraal met 'n golflengte van 505 nm en 'n drywing van 15 mW word gelyktydig en eweredig van die kant na die emissiepunte van vier kapillêre bestraal.Die fluoressensie wat deur elke emissiepunt uitgestraal word, word deur die ooreenstemmende lens gekollimeer en in nege kleurstrome geskei deur 'n reeks dekachromatiese spieëls.Die gevolglike 36 strome is dan direk in 'n CMOS-beeldsensor (C11440–52U, Hamamatsu Photonics K·K.) ingespuit en hul beelde is gelyktydig opgeneem.
ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit (Applied Biosystems), 4 µl GeneScan™ 600 LIZ™ kleurstof is vir elke kapillêre gemeng deur 1 µl PowerPlex® 6C Matrix Standard (Promega Corporation), 1 µl menggrootte standaard te meng.v2.0 (Thermo Fisher Scientific) en 14 µl water.Die PowerPlex® 6C Matrix Standard bestaan uit ses DNA-fragmente gemerk met ses kleurstowwe: FL-6C, JOE-6C, TMR-6C, CXR-6C, TOM-6C en WEN, in volgorde van maksimum golflengte.Die basislengtes van hierdie DNS-fragmente word nie geopenbaar nie, maar die basislengtevolgorde van DNS-fragmente gemerk met WEN, CXR-6C, TMR-6C, JOE-6C, FL-6C en TOM-6C is bekend.Die mengsel in die ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit bevat 'n DNA-fragment gemerk met dR6G kleurstof.Die lengtes van die basisse van die DNA-fragmente word ook nie geopenbaar nie.GeneScan™ 600 LIZ™ Dye Size Standard v2.0 sluit 36 LIZ-gemerkte DNA-fragmente in.Die basislengtes van hierdie DNS-fragmente is 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214, 220, 240, 250, 260, 280, 300, 40, 30, 30, 4 360, 380, 400, 414, 420, 440, 460, 480, 500, 514, 520, 540, 560, 580 en 600 basis.Die monsters is gedenatureer by 94°C vir 3 minute, en dan vir 5 minute op ys afgekoel.Monsters is in elke kapillêre ingespuit teen 26 V/cm vir 9 s en geskei in elke kapillêre gevul met 'n POP-7™ polimeeroplossing (Thermo Fisher Scientific) met 'n effektiewe lengte van 36 cm en 'n spanning van 181 V/cm en 'n hoek van 60°.VAN.
Alle data wat in die loop van hierdie studie verkry of ontleed is, is ingesluit in hierdie gepubliseerde artikel en sy bykomende inligting.Ander data relevant tot hierdie studie is beskikbaar by die onderskeie outeurs op redelike versoek.
Khan, MJ, Khan, HS, Yousaf, A., Khurshid, K., en Abbas, A. Huidige tendense in hiperspektrale beeldanalise: 'n oorsig.Toegang tot IEEE 6, 14118–14129.https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2812999 (2018).
Vaughan, AH Astronomiese Interferometriese Fabry-Perot-spektroskopie.installeer.Eerwaarde Astron.astrofisika.5, 139-167.https://doi.org/10.1146/annurev.aa.05.090167.001035 (1967).
Goetz, AFH, Wein, G., Solomon, JE en Rock, BN Spectroscopy of Earth remote sensing beelde.Wetenskap 228, 1147–1153.https://doi.org/10.1126/science.228.4704.1147 (1985).
Yokoya, N., Grohnfeldt, C., en Chanussot, J. Fusion of hiperspektrale en multispektrale data: 'n vergelykende oorsig van onlangse publikasies.IEEE Aardwetenskappe.Tydskrif vir afstandwaarneming.5:29–56.https://doi.org/10.1109/MGRS.2016.2637824 (2017).
Gowen, AA, O'Donnell, SP, Cullen, PJ, Downey, G. en Frias, JM Hiperspektrale beeldvorming is 'n nuwe analitiese hulpmiddel vir kwaliteitbeheer en voedselveiligheid.Tendense in voedselwetenskap.tegnologie.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. Onlangse toepassings van multispektrale beelding vir die monitering van saadfenotipe en kwaliteit – 'n oorsig.Sensors 19, 1090 (2019).
Liang, H. Vooruitgang in multispektrale en hiperspektrale beelding vir argeologie en kunsbewaring.Doen aansoek vir 'n fisiese 106, 309–323.https://doi.org/10.1007/s00339-011-6689-1 (2012).
Edelman GJ, Gaston E., van Leeuwen TG, Cullen PJ en Alders MKG Hiperspektrale beelding vir nie-kontakanalise van forensiese spore.Kriminalisties.interne 223, 28-39.https://doi.org/10.1016/j.forsciint.2012.09.012 (2012).
Postyd: Jan-10-2023