спиральная трубка из нержавеющей стали 321 8*1,2 для теплообменника

Капиллярные трубки

Благодарим вас за посещение Nature.com.Вы используете версию браузера с ограниченной поддержкой CSS.Для оптимальной работы мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer).Кроме того, для обеспечения постоянной поддержки мы показываем сайт без стилей и JavaScript.
Отображает карусель из трех слайдов одновременно.Используйте кнопки «Предыдущий» и «Далее» для перемещения по трем слайдам одновременно или используйте кнопки ползунка в конце для перемещения по трем слайдам одновременно.
Был разработан сверхкомпактный (54×58×8,5 мм) и широкоапертурный (1×7 мм) девятицветный спектрометр, «разделенный надвое» массивом из десяти дихроичных зеркал, который использовался для мгновенной спектральной визуализации.Падающий световой поток с сечением меньшим размера апертуры разделяется на сплошную полосу шириной 20 нм и девять цветовых потоков с центральными длинами волн 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 и 690 нм.Изображения девяти цветовых потоков одновременно эффективно измеряются датчиком изображения.В отличие от обычных матриц дихроичных зеркал, разработанная матрица дихроичных зеркал имеет уникальную конфигурацию, состоящую из двух частей, что не только увеличивает количество цветов, которые могут быть измерены одновременно, но и улучшает разрешение изображения для каждого цветового потока.Разработанный девятицветный спектрометр используется для четырехкапиллярного электрофореза.Одновременный количественный анализ восьми красителей, мигрирующих одновременно в каждом капилляре, с использованием девятицветной лазерно-индуцированной флуоресценции.Поскольку девятицветный спектрометр не только сверхмаленький и недорогой, но также имеет высокий световой поток и достаточное спектральное разрешение для большинства приложений спектральной визуализации, он может широко использоваться в различных областях.
Гиперспектральные и мультиспектральные изображения стали важной частью астрономии2, дистанционного зондирования Земли3,4, контроля качества продуктов питания и воды5,6, консервации произведений искусства и археологии7, криминалистики8, хирургии9, биомедицинского анализа и диагностики10,11 и т. д. Область 1 Незаменимая технология ,12,13.Методы измерения спектра света, излучаемого каждой точкой излучения в поле зрения, делятся на (1) точечное сканирование («метла»)14,15, (2) линейное сканирование («метелка»)16,17,18 , (3) длина сканирует волны 19,20,21 и (4) изображения22,23,24,25.В случае всех этих методов пространственное разрешение, спектральное разрешение и временное разрешение имеют компромиссные отношения9,10,12,26.Кроме того, светоотдача оказывает существенное влияние на чувствительность, то есть на соотношение сигнал/шум при спектральной визуализации26.Световой поток, то есть эффективность использования света, прямо пропорционален отношению фактического измеренного количества света каждой светящейся точки в единицу времени к общему количеству света измеряемого диапазона длин волн.Категория (4) является подходящим методом, когда интенсивность или спектр света, излучаемого каждой излучающей точкой, изменяется со временем или когда положение каждой излучающей точки изменяется со временем, поскольку спектр света, излучаемого всеми излучающими точками, измеряется одновременно.24.
Большинство вышеперечисленных методов сочетаются с большими, сложными и/или дорогими спектрометрами, использующими 18 решеток или 14, 16, 22, 23 призмы для классов (1), (2) и (4) или 20, 21 фильтрующих дисков, жидкостных фильтров. .Кристаллические перестраиваемые фильтры (LCTF)25 или акустооптические перестраиваемые фильтры (AOTF)19 категории (3).Напротив, многозеркальные спектрометры категории (4) небольшие и недорогие из-за своей простой конфигурации27,28,29,30.Кроме того, они имеют высокий световой поток, поскольку свет, разделяемый каждым дихроичным зеркалом (то есть проходящий и отраженный свет падающего света на каждое дихроичное зеркало), используется полностью и непрерывно.Однако количество диапазонов длин волн (т.е. цветов), которые необходимо измерять одновременно, ограничено примерно четырьмя.
Спектральная визуализация, основанная на обнаружении флуоресценции, обычно используется для мультиплексного анализа в биомедицинском обнаружении и диагностике 10, 13 .При мультиплексировании, поскольку несколько аналитов (например, специфическая ДНК или белки) помечены разными флуоресцентными красителями, каждый аналит, присутствующий в каждой точке излучения в поле зрения, количественно оценивается с использованием многокомпонентного анализа.32 разбивает обнаруженный спектр флуоресценции, излучаемый каждой точкой излучения.В ходе этого процесса разные красители, излучающие разную флуоресценцию, могут колокализоваться, то есть сосуществовать в пространстве и времени.В настоящее время максимальное количество красителей, которые можно возбудить одним лазерным лучом, составляет восемь33.Этот верхний предел определяется не спектральным разрешением (т.е. количеством цветов), а шириной спектра флуоресценции (≥50 нм) и величиной стоксова сдвига красителя (≤200 нм) при FRET (с использованием FRET)10. .Однако количество цветов должно быть больше или равно количеству красителей, чтобы исключить спектральное перекрытие смешанных красителей31,32.Поэтому необходимо увеличить количество одновременно измеряемых цветов до восьми и более.
Недавно был разработан ультракомпактный гептахроичный спектрометр (с использованием массива гептихроичных зеркал и датчика изображения для измерения четырех флуоресцентных потоков).Спектрометр на два-три порядка меньше, чем обычные спектрометры, использующие решетки или призмы34,35.Однако в спектрометре трудно разместить более семи дихроичных зеркал и одновременно измерить более семи цветов36,37.С увеличением числа дихроичных зеркал увеличивается максимальная разница в длинах оптических путей дихроичных световых потоков, и отображение всех световых потоков на одной сенсорной плоскости становится затруднительным.Наибольшая длина оптического пути светового потока также увеличивается, поэтому ширина апертуры спектрометра (т.е. максимальная ширина света, анализируемого спектрометром) уменьшается.
В ответ на вышеуказанные проблемы был разработан сверхкомпактный девятицветный спектрометр с двухслойной «дихроичной» декахроматической зеркальной решеткой и датчиком изображения для мгновенной спектральной визуализации [категория (4)].По сравнению с предыдущими спектрометрами разработанный спектрометр имеет меньшую разницу в максимальной длине оптического пути и меньшую максимальную длину оптического пути.Он был применен к четырехкапиллярному электрофорезу для обнаружения девятицветной флуоресценции, индуцированной лазером, и для количественной оценки одновременной миграции восьми красителей в каждом капилляре.Поскольку разработанный спектрометр не только сверхмаленький и недорогой, но также обладает высоким световым потоком и достаточным спектральным разрешением для большинства задач спектральной визуализации, он может найти широкое применение в различных областях.
Традиционный девятицветный спектрометр показан на рис.1а.Его конструкция повторяет конструкцию предыдущего сверхмалого семицветного спектрометра 31. Он состоит из девяти дихроичных зеркал, расположенных горизонтально под углом 45° вправо, а датчик изображения (S) расположен над девятью дихроичными зеркалами.Свет, поступающий снизу (С0), разделяется массивом из девяти дихроичных зеркал на девять световых потоков, идущих вверх (С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8 и С9).Все девять цветовых потоков подаются непосредственно на датчик изображения и распознаются одновременно.В этом исследовании C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 и C9 расположены в порядке длины волны и представлены пурпурным, фиолетовым, синим, голубым, зеленым, желтым, оранжевым, красно-оранжевым и красный соответственно.Хотя в этом документе используются именно эти цветовые обозначения, как показано на рисунке 3, поскольку они отличаются от реальных цветов, видимых человеческим глазом.
Принципиальные схемы традиционных и новых девятицветных спектрометров.(а) Обычный девятицветный спектрометр с матрицей из девяти дихроичных зеркал.(б) Новый девятицветный спектрометр с двухслойной дихроичной зеркальной решеткой.Падающий световой поток C0 делится на девять цветных световых потоков C1-C9 и детектируется датчиком изображения S.
Разработанный новый девятицветный спектрометр имеет двухслойную дихроичную зеркальную решетку и датчик изображения, как показано на рис. 1б.В нижнем ярусе пять дихроичных зеркал наклонены на 45° вправо и выровнены вправо от центра решетки декамеров.На верхнем уровне пять дополнительных дихроичных зеркал наклонены на 45° влево и расположены от центра слева.Крайнее левое дихроичное зеркало нижнего слоя и крайнее правое дихроичное зеркало верхнего слоя перекрывают друг друга.Падающий световой поток (С0) разделяется снизу на четыре выходящих хроматических потока (С1-С4) пятью дихроичными зеркалами справа и на пять выходящих хроматических потоков (С5-С4) пятью дихроичными зеркалами слева С9).Как и в обычных девятицветных спектрометрах, все девять цветовых потоков вводятся непосредственно в датчик изображения (S) и распознаются одновременно.Сравнивая рисунки 1а и 1б, можно видеть, что в случае нового девятицветного спектрометра как максимальная разность, так и наибольшая длина оптического пути девяти цветовых потоков уменьшены вдвое.
Детальная конструкция сверхмалой двухслойной матрицы дихроичных зеркал размером 29 мм (ширина) × 31 мм (глубина) × 6 мм (высота) показана на рисунке 2. Десятичная матрица дихроичных зеркал состоит из пяти дихроичных зеркал справа. (М1-М5) и пять дихроичных зеркал слева (М6-М9 и еще одно М5), каждое дихроичное зеркало закреплено в верхнем алюминиевом кронштейне.Все дихроичные зеркала расположены в шахматном порядке, чтобы компенсировать параллельное смещение из-за преломления потока через зеркала.Ниже М1 закреплен полосовой фильтр (БП).Размеры M1 и BP составляют 10 мм (длинная сторона) x 1,9 мм (короткая сторона) x 0,5 мм (толщина).Размеры остальных дихроичных зеркал составляют 15×1,9×0,5 мм.Шаг матрицы между М1 и М2 составляет 1,7 мм, тогда как шаг матрицы других дихроичных зеркал составляет 1,6 мм.На рис.2в объединяет падающий световой поток С0 и девять цветных световых потоков С1-С9, разделенных декамерной матрицей зеркал.
Построение двухслойной матрицы дихроичного зеркала.(а) вид в перспективе и (б) поперечное сечение двухслойной матрицы дихроичных зеркал (размеры 29 мм х 31 мм х 6 мм).Он состоит из пяти дихроичных зеркал (М1-М5), расположенных в нижнем слое, пяти дихроичных зеркал (М6-М9 и еще одного М5), расположенных в верхнем слое, и полосового фильтра (БП), расположенного ниже М1.(c) Вид поперечного сечения в вертикальном направлении с перекрытием C0 и C1-C9.
Ширина проема в горизонтальном направлении, обозначенная шириной С0 на рис. 2, в, равна 1 мм, а в направлении, перпендикулярном плоскости рис. 2, в, заданном конструкцией алюминиевого кронштейна, – 7 мм.То есть новый девятицветный спектрометр имеет большой размер апертуры 1×7 мм.Оптический путь C4 является самым длинным среди C1-C9, а оптический путь C4 внутри массива дихроичных зеркал из-за вышеуказанного сверхмалого размера (29 мм × 31 мм × 6 мм) составляет 12 мм.В то же время длина оптического пути C5 является самой короткой среди C1-C9, а длина оптического пути C5 составляет 5,7 мм.Таким образом, максимальная разница в длине оптического пути составляет 6,3 мм.Приведенные выше длины оптического пути скорректированы на длину оптического пути оптической передачи М1-М9 и БП (от кварца).
Спектральные свойства М1-М9 и VR рассчитаны так, чтобы потоки С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8 и С9 находились в диапазоне длин волн 520–540, 540–560, 560–580, 580. –600, 600–620, 620–640, 640–660, 660–680 и 680–700 нм соответственно.
Фотография изготовленной матрицы декахроматических зеркал представлена ​​на рис. 3а.М1-М9 и БП приклеены к наклону 45° и горизонтальной плоскости алюминиевой опоры соответственно, а М1 и БП спрятаны на обратной стороне фигуры.
Изготовление массива декановых зеркал и его демонстрация.(а) Набор изготовленных декахроматических зеркал.(б) Девятицветное разделенное изображение размером 1 мм × 7 мм, проецируемое на лист бумаги, помещенный перед множеством декахроматических зеркал и подсвеченный белым светом.(c) Множество декохроматических зеркал, подсвеченных белым светом сзади.(d) Девятицветный расщепляющийся поток, исходящий из массива декановых зеркал, наблюдаемый, если поместить заполненный дымом акриловый баллон перед массивом декановых зеркал в точке c и затемнить комнату.
Измеренные спектры пропускания М1-М9 С0 при угле падения 45° и измеренный спектр пропускания БП С0 при угле падения 0° показаны на рис.4а.Спектры пропускания С1-С9 относительно С0 показаны на рис.4б.Эти спектры были рассчитаны на основе спектров рис.4а в соответствии с оптическим путем C1-C9 на фиг. 4а.1б и 2в.Например, 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)], где TS(X) и [ 1 − TS(X)] — спектры пропускания и отражения X соответственно.Как показано на рисунке 4b, полосы пропускания (пропускная способность ≥50%) C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 и C9 составляют 521–540, 541–562, 563–580, 581–602, 603. -623, 624-641, 642-657, 659-680 и 682-699 нм.Эти результаты согласуются с разработанными диапазонами.Кроме того, эффективность использования света C0 высока, то есть средний максимальный коэффициент пропускания света C1-C9 составляет 92%.
Спектры пропускания дихроичного зеркала и расщепленного девятицветного потока.( а ) Измеренные спектры пропускания M1-M9 при падении 45 ° и BP при падении 0 °.(б) Спектры пропускания C1–C9 относительно C0, рассчитанные по (а).
На рис.3в массив дихроичных зеркал расположен вертикально, так что его правая сторона на рис. 3а является верхней стороной и белый луч коллимированного светодиода (С0) подсвечивается сзади.Матрица декахроматических зеркал, показанная на рисунке 3а, установлена ​​в адаптере размером 54 мм (высота) × 58 мм (глубина) × 8,5 мм (толщина).На рис.3г, помимо состояния, показанного на рис.3c, заполненный дымом акриловый резервуар был помещен перед множеством декохроматических зеркал, при этом свет в комнате был выключен.В результате в резервуаре видны девять дихроичных потоков, исходящих из массива декахроматических зеркал.Каждый разделенный поток имеет прямоугольное сечение размером 1 × 7 мм, что соответствует размеру апертуры нового девятицветного спектрометра.На рисунке 3b лист бумаги помещен перед массивом дихроичных зеркал на рисунке 3c, и изображение девяти дихроичных потоков размером 1 x 7 мм, проецируемых на бумагу, наблюдается со стороны движения бумаги.потоки.Девять потоков цветоделения на рис.3б и г — С4, С3, С2, С1, С5, С6, С7, С8 и С9 сверху вниз, что также можно увидеть на рисунках 1 и 2. 1б и 2в.Они наблюдаются в цветах, соответствующих их длинам волн.Из-за низкой интенсивности белого света светодиода (см. дополнительный рисунок S3) и чувствительности цветной камеры, используемой для захвата C9 (682–699 нм) на рис., другие потоки расщепления слабы.Точно так же C9 был слабо виден невооруженным глазом.Между тем, C2 (второй поток сверху) на рисунке 3 выглядит зеленым, но невооруженным глазом выглядит более желтым.
Переход от рисунка 3c к рисунку d показан в дополнительном видео 1. Сразу после того, как белый свет от светодиода проходит через решетку декахроматических зеркал, он разделяется одновременно на девять цветных потоков.В конце концов дым в чане постепенно рассеялся сверху вниз, так что девять цветных порошков тоже исчезли сверху вниз.Напротив, в дополнительном видео 2, когда длина волны светового потока, падающего на массив декахроматических зеркал, была изменена с длинной на короткую, порядка 690, 671, 650, 632, 610, 589, 568, 550 и 532 нм. ., Отображаются только соответствующие разделенные потоки из девяти разделенных потоков в порядке C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 и C1.Акриловый резервуар заменен кварцевым бассейном, и хлопья каждого шунтированного потока отчетливо наблюдаются со стороны наклона вверх.Кроме того, субвидео 3 монтируется так, что воспроизводится часть изменения длины волны субвидео 2.Это наиболее красноречивое выражение характеристик декохроматического массива зеркал.
Приведенные выше результаты показывают, что изготовленная декахроматическая зеркальная решетка или новый девятицветный спектрометр работают по назначению.Новый девятицветный спектрометр создан путем установки массива декахроматических зеркал с адаптерами непосредственно на плату датчика изображения.
Световой поток с диапазоном длин волн от 400 до 750 нм, излучаемый четырьмя точками излучения φ50 мкм, расположенными с интервалом 1 мм в направлении, перпендикулярном плоскости рис. 2в, соответственно Исследования 31, 34. Четырехлинзовая решетка состоит из четыре линзы φ1 мм с фокусным расстоянием 1,4 мм и шагом 1 мм.На ДП нового девятицветного спектрометра, расположенные с интервалом 1 мм, падают четыре коллимированных потока (четыре СО).Массив дихроичных зеркал делит каждый поток (C0) на девять цветовых потоков (C1-C9).Полученные 36 потоков (четыре набора C1-C9) затем вводятся непосредственно в датчик изображения CMOS (S), напрямую подключенный к массиву дихроичных зеркал.В результате, как показано на рис. 5а, благодаря небольшой максимальной разности оптических путей и короткому максимальному оптическому пути изображения всех 36 потоков были обнаружены одновременно и четко с одинаковым размером.Согласно нисходящим спектрам (см. дополнительный рисунок S4), интенсивность изображения четырех групп C1, C2 и C3 относительно низкая.Тридцать шесть изображений имели размер 0,57 ± 0,05 мм (среднее значение ± стандартное отклонение).Таким образом, увеличение изображения в среднем составило 11,4.Расстояние между изображениями по вертикали в среднем составляет 1 мм (такое же расстояние, как у массива линз), а расстояние по горизонтали в среднем составляет 1,6 мм (то же расстояние, что и у массива дихроичных зеркал).Поскольку размер изображения намного меньше расстояния между изображениями, каждое изображение можно измерить независимо (с низкими перекрестными помехами).Между тем изображения двадцати восьми потоков, записанные обычным семицветным спектрометром, использованным в нашем предыдущем исследовании, показаны на рис. 5Б. Массив из семи дихроичных зеркал был создан путем удаления двух крайних правых дихроичных зеркал из массива из девяти дихроичных зеркал. зеркала на рисунке 1а.Не все изображения резкие, размер изображения увеличивается с C1 до C7.Двадцать восемь изображений имеют размер 0,70 ± 0,19 мм.Таким образом, трудно поддерживать высокое разрешение на всех изображениях.Коэффициент вариации (CV) для изображения размера 28 на рисунке 5b составил 28%, тогда как коэффициент вариации для изображения размера 36 на рисунке 5a снизился до 9%.Приведенные выше результаты показывают, что новый девятицветный спектрометр не только увеличивает количество одновременно измеряемых цветов с семи до девяти, но и имеет высокое разрешение изображения для каждого цвета.
Сравнение качества разделенного изображения, формируемого традиционными и новыми спектрометрами.(а) Четыре группы девятицветных разделенных изображений (C1-C9), созданных новым девятицветным спектрометром.(б) Четыре набора семицветных разделенных изображений (C1-C7), полученных с помощью обычного семицветного спектрометра.Потоки (С0) с длинами волн от 400 до 750 нм от четырех точек излучения коллимируются и падают на каждый спектрометр соответственно.
Спектральные характеристики девятицветного спектрометра были оценены экспериментально, и результаты оценки показаны на рисунке 6. Обратите внимание, что на рисунке 6а показаны те же результаты, что и на рисунке 5а, т.е. на длинах волн 4 C0 400–750 нм детектируются все 36 изображений. (4 группы С1–С9).Напротив, как показано на рис. 6б–к, когда каждый C0 имеет определенную длину волны 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 или 690 нм, существует почти только четыре соответствующих изображения (четыре обнаружены группы C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 или C9).Однако некоторые изображения, соседние с четырьмя соответствующими изображениями, обнаруживаются очень слабо, поскольку спектры пропускания C1–C9, показанные на рис. 4b, слегка перекрываются, и каждый C0 имеет полосу шириной 10 нм на определенной длине волны, как описано в методе.Эти результаты согласуются со спектрами пропускания C1-C9, показанными на рис.4б и дополнительные видеоролики 2 и 3. Другими словами, девятицветный спектрометр работает так, как и ожидалось, исходя из результатов, показанных на рис.4б.Таким образом, делается вывод, что распределение интенсивности изображения C1-C9 представляет собой спектр каждого C0.
Спектральные характеристики девятицветного спектрометра.Новый девятицветный спектрометр генерирует четыре набора разделенных по девять цветов изображений (C1-C9), когда падающий свет (четыре C0) имеет длину волны (а) 400–750 нм (как показано на рисунке 5а), (б) 530 нм.нм, (в) 550 нм, (г) 570 нм, (д) ​​590 нм, (е) 610 нм, (ж) 630 нм, (з) 650 нм, (и) 670 нм, (к) 690 нм, соответственно.
Разработанный девятицветный спектрометр использовали для четырехкапиллярного электрофореза (подробнее см. в дополнительных материалах)31,34,35.Четырехкапиллярная матрица состоит из четырех капилляров (внешний диаметр 360 мкм и внутренний диаметр 50 мкм), расположенных с интервалом 1 мм в месте лазерного воздействия.Образцы, содержащие фрагменты ДНК, меченные 8 красителями, а именно FL-6C (краситель 1), JOE-6C (краситель 2), dR6G (краситель 3), TMR-6C (краситель 4), CXR-6C (краситель 5), TOM- 6C (краситель 6), LIZ (краситель 7) и WEN (краситель 8) в порядке возрастания длины волны флуоресценции, разделенных в каждом из четырех капилляров (далее именуемых Cap1, Cap2, Cap3 и Cap4).Лазерно-индуцированная флуоресценция Cap1-Cap4 коллимировалась с помощью массива из четырех линз и одновременно регистрировалась с помощью девятицветного спектрометра.Динамика интенсивности девятицветной (С1-С9) флуоресценции при электрофорезе, то есть девятицветной электрофореграммы каждого капилляра, представлена ​​на рис. 7а.Эквивалентная девятицветная электрофореграмма получается в Cap1-Cap4.Как указано стрелками Cap1 на рисунке 7a, восемь пиков на каждой девятицветной электрофореграмме показывают одну эмиссию флуоресценции от Dye1-Dye8 соответственно.
Одновременная количественная оценка восьми красителей с использованием девятицветного четырехкапиллярного электрофорезного спектрометра.(а) Девятицветная (C1-C9) электрофореграмма каждого капилляра.Восемь пиков, обозначенных стрелками Cap1, показывают отдельные эмиссии флуоресценции восьми красителей (Dye1-Dye8).Цвета стрелок соответствуют цветам (б) и (в).(б) Спектры флуоресценции восьми красителей (Dye1-Dye8) на капилляр.в Электрофореграммы восьми красителей (Dye1-Dye8) на капилляр.Пики меченных Dye7 фрагментов ДНК указаны стрелками, а также указаны длины их оснований Cap4.
Распределения интенсивности С1–С9 на восьми пиках показаны на рис.7б соответственно.Поскольку и C1-C9, и Dye1-Dye8 расположены в порядке длины волны, восемь распределений на рис. 7b показывают спектры флуоресценции Dye1-Dye8 последовательно слева направо.В этом исследовании Dye1, Dye2, Dye3, Dye4, Dye5, Dye6, Dye7 и Dye8 отображаются в пурпурном, фиолетовом, синем, голубом, зеленом, желтом, оранжевом и красном цветах соответственно.Обратите внимание, что цвета стрелок на рис. 7а соответствуют цветам красителя на рис. 7б.Интенсивности флуоресценции C1-C9 для каждого спектра на рисунке 7b были нормализованы так, чтобы их сумма равнялась единице.Восемь эквивалентных спектров флуоресценции были получены для Cap1-Cap4.Отчетливо можно наблюдать спектральное перекрытие флуоресценции красителя 1-красителя 8.
Как показано на рисунке 7c, для каждого капилляра девятицветная электрофореграмма на рисунке 7a была преобразована в восьмикрасочную электрофореграмму с помощью многокомпонентного анализа на основе восьми спектров флуоресценции на рисунке 7b (подробнее см. в дополнительных материалах).Поскольку спектральное перекрытие флуоресценции на рисунке 7a не отображается на рисунке 7c, Dye1-Dye8 можно идентифицировать и количественно оценить индивидуально в каждый момент времени, даже если разные количества Dye1-Dye8 флуоресцируют одновременно.Этого невозможно сделать с помощью традиционного семицветного обнаружения31, но можно достичь с помощью разработанного девятицветного обнаружения.Как показано стрелками Cap1 на рис. 7c, только синглеты флуоресцентной эмиссии Dye3 (синий), Dye8 (красный), Dye5 (зеленый), Dye4 (голубой), Dye2 (фиолетовый), Dye1 (пурпурный) и Dye6 (желтый) ) наблюдаются в ожидаемом хронологическом порядке.Для флуоресцентного излучения красителя 7 (оранжевого) помимо одиночного пика, указанного оранжевой стрелкой, наблюдалось еще несколько одиночных пиков.Такой результат обусловлен тем, что образцы содержали стандарты размера, меченные красителем Dye7 фрагменты ДНК с разной длиной оснований.Как показано на рисунке 7c, для Cap4 эти базовые длины составляют 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214 и 220 базовых длин.
Основными особенностями девятицветного спектрометра, разработанного на основе матрицы двухслойных дихроичных зеркал, являются малые размеры и простая конструкция.Поскольку массив декахроматических зеркал внутри адаптера, показанного на рис.3в, установленный непосредственно на плате датчика изображения (см. рис. S1 и S2), девятицветный спектрометр имеет те же размеры, что и адаптер, т.е. 54 × 58 × 8,5 мм.(толщина) .Этот сверхмалый размер на два-три порядка меньше, чем у обычных спектрометров, в которых используются решетки или призмы.Кроме того, поскольку девятицветный спектрометр сконфигурирован таким образом, что свет падает на поверхность датчика изображения перпендикулярно, для девятицветного спектрометра можно легко выделить место в таких системах, как микроскопы, проточные цитометры или анализаторы.Анализатор электрофореза с капиллярной решеткой для еще большей миниатюризации системы.В то же время размер десяти дихроичных зеркал и полосовых фильтров, используемых в девятицветном спектрометре, составляет всего 10×1,9×0,5 мм или 15×1,9×0,5 мм.Таким образом, из дихроичного зеркала и полосового фильтра площадью 60 мм2 соответственно можно вырезать более 100 таких небольших дихроичных зеркал и полосовых фильтров соответственно.Следовательно, массив декахроматических зеркал может быть изготовлен по низкой цене.
Еще одной особенностью девятицветного спектрометра являются его превосходные спектральные характеристики.В частности, он позволяет получать спектральные изображения снимков, то есть одновременное получение изображений со спектральной информацией.Для каждого изображения был получен непрерывный спектр с диапазоном длин волн от 520 до 700 нм и разрешением 20 нм.Другими словами, для каждого изображения детектируются девять цветовых интенсивностей света, т.е. девять полос шириной 20 нм, поровну разделяющих диапазон длин волн от 520 до 700 нм.Изменяя спектральные характеристики дихроичного зеркала и полосового фильтра, можно регулировать диапазон длин волн девяти полос и ширину каждой полосы.Детектирование девяти цветов можно использовать не только для измерений флуоресценции со спектральной визуализацией (как описано в этом отчете), но также и для многих других распространенных приложений с использованием спектральной визуализации.Хотя гиперспектральная визуализация может обнаруживать сотни цветов, было обнаружено, что даже при значительном уменьшении количества обнаруживаемых цветов несколько объектов в поле зрения могут быть идентифицированы с достаточной точностью для многих приложений38,39,40.Поскольку пространственное разрешение, спектральное разрешение и временное разрешение имеют компромисс при спектральном изображении, уменьшение количества цветов может улучшить пространственное разрешение и временное разрешение.Он также может использовать простые спектрометры, подобные тому, который разработан в этом исследовании, и еще больше сократить объем вычислений.
В этом исследовании восемь красителей были количественно оценены одновременно путем спектрального разделения их перекрывающихся спектров флуоресценции на основе обнаружения девяти цветов.Одновременно можно количественно определить до девяти красителей, сосуществующих во времени и пространстве.Особым преимуществом девятицветного спектрометра является его высокий световой поток и большая апертура (1 × 7 мм).Массив декановых зеркал обеспечивает максимальное пропускание 92% света от апертуры в каждом из девяти диапазонов длин волн.Эффективность использования падающего света в диапазоне длин волн от 520 до 700 нм составляет почти 100%.В таком широком диапазоне длин волн ни одна дифракционная решетка не сможет обеспечить столь высокую эффективность использования.Даже если дифракционная эффективность дифракционной решетки превышает 90% на определенной длине волны, по мере увеличения разницы между этой длиной волны и определенной длиной волны эффективность дифракции на другой длине волны снижается41.Ширина апертуры, перпендикулярная направлению плоскости на рис. 2в, может быть увеличена с 7 мм до ширины датчика изображения, как, например, в случае датчика изображения, используемого в этом исследовании, путем небольшой модификации матрицы декамера.
Девятицветный спектрометр можно использовать не только для капиллярного электрофореза, как показано в этом исследовании, но и для различных других целей.Например, как показано на рисунке ниже, девятицветный спектрометр можно применить к флуоресцентному микроскопу.Плоскость образца отображается на датчике изображения девятицветного спектрометра через объектив с 10-кратным увеличением.Оптическое расстояние между объективом и датчиком изображения составляет 200 мм, тогда как оптическое расстояние между падающей поверхностью девятицветного спектрометра и датчиком изображения составляет всего 12 мм.Поэтому изображение разрезалось примерно до размера апертуры (1 × 7 мм) в плоскости падения и разделялось на девять цветных изображений.То есть спектральное изображение девятицветного снимка можно получить на участке размером 0,1×0,7 мм в плоскости образца.Кроме того, можно получить девятицветное спектральное изображение большей площади на плоскости образца, сканируя образец относительно объектива в горизонтальном направлении на рис. 2в.
Компоненты декахроматической зеркальной матрицы, а именно M1-M9 и BP, были изготовлены по индивидуальному заказу компанией Asahi Spectra Co., Ltd. с использованием стандартных методов осаждения.Многослойные диэлектрические материалы наносились индивидуально на десять кварцевых пластин размером 60 × 60 мм и толщиной 0,5 мм, отвечающих следующим требованиям: M1: IA = 45°, R ≥ 90 % при 520–590 нм, Tave ≥ 90 % при 610–590 нм. 610 нм.700 нм, M2: IA = 45°, R ≥ 90% при 520–530 нм, Tave ≥ 90% при 550–600 нм, M3: IA = 45°, R ≥ 90% при 540–550 нм, Tave ≥ 90 % при 570–600 нм, M4: IA = 45°, R ≥ 90% при 560–570 нм, Tave ≥ 90% при 590–600 нм, M5: IA = 45°, R ≥ 98% при 580–600 нм , R ≥ 98% при 680–700 нм, M6: IA = 45°, Tave ≥ 90% при 600–610 нм, R ≥ 90% при 630–700 нм, M7: IA = 45°, R ≥ 90% при 620–630 нм, Taw ≥ 90% при 650–700 нм, M8: IA = 45°, R ≥ 90% при 640–650 нм, Taw ≥ 90% при 670–700 нм, M9: IA = 45°, R ≥ 90% при 650–670 нм, Tave ≥ 90% при 690–700 нм, BP: IA = 0°, T ≤ 0,01% при 505 нм, Tave ≥ 95% при 530–690 нм при 530 нм T ≥ 90% при -690 нм и T ≤ 1% при 725–750 нм, где IA, T, Tave и R — угол падения, коэффициент пропускания, средний коэффициент пропускания и коэффициент отражения неполяризованного света.
Белый свет (C0) с диапазоном длин волн 400–750 нм, излучаемый светодиодным источником света (AS 3000, AS ONE CORPORATION), коллимировался и падал вертикально на ДП массива дихроичных зеркал.Спектр белого света светодиодов показан на дополнительном рисунке S3.Поместите акриловый резервуар (размерами 150×150×30 мм) непосредственно перед зеркальной решеткой декамеры, напротив блока питания.Дым, образующийся при погружении сухого льда в воду, затем выливали в акриловый резервуар, чтобы наблюдать разделенные потоки девяти цветов C1-C9, исходящие из массива декахроматических зеркал.
Альтернативно, коллимированный белый свет (C0) перед входом в DP проходит через фильтр.Первоначально фильтры представляли собой фильтры нейтральной плотности с оптической плотностью 0,6.Тогда используйте моторизованный фильтр (FW212C, FW212C, Thorlabs).Наконец, снова включите ND-фильтр.Полоса пропускания девяти полосовых фильтров соответствует C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 и C1 соответственно.Кварцевая кювета с внутренними размерами 40 (оптическая длина) х 42,5 (высота) х 10 мм (ширина) располагалась перед решеткой декохроматических зеркал, напротив БП.Затем дым подается через трубку в кварцевую ячейку для поддержания концентрации дыма в кварцевой ячейке и визуализации девятицветных разделенных потоков C1-C9, исходящих из декахроматической зеркальной матрицы.
Видео девятицветного разделенного светового потока, исходящего от множества декановых зеркал, было снято в режиме замедленной съемки на iPhone XS.Захватывайте изображения сцены со скоростью 1 кадр/с и компилируйте изображения для создания видео с частотой 30 кадров в секунду (для дополнительного видео 1) или 24 кадров в секунду (для дополнительных видео 2 и 3).
Поместите пластину из нержавеющей стали толщиной 50 мкм (с четырьмя отверстиями диаметром 50 мкм с интервалом 1 мм) на диффузионную пластину.На пластину рассеивателя облучается свет с длиной волны 400-750 нм, полученный путем пропускания света галогенной лампы через фильтр короткого пропускания с длиной волны отсечки 700 нм.Спектр света показан на дополнительном рисунке S4.Альтернативно, свет также проходит через один из полосовых фильтров 10 нм с центрами 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 и 690 нм и попадает на пластину рассеивателя.В результате на пластине из нержавеющей стали напротив пластины рассеивателя были сформированы четыре точки излучения диаметром φ50 мкм и разными длинами волн.
Четырехкапиллярная матрица с четырьмя линзами установлена ​​на девятицветном спектрометре, как показано на рисунках 1 и 2. C1 и C2.Четыре капилляра и четыре линзы были такими же, как и в предыдущих исследованиях31,34.Лазерный луч длиной волны 505 нм и мощностью 15 мВт облучается одновременно и равномерно сбоку на точки излучения четырех капилляров.Флуоресценция, излучаемая каждой точкой излучения, коллимируется соответствующей линзой и разделяется на девять цветовых потоков с помощью набора декахроматических зеркал.Полученные 36 потоков затем были непосредственно введены в датчик изображения CMOS (C11440–52U, Hamamatsu Photonics K·K.), и их изображения были одновременно записаны.
Готовый реакционный набор для циклического секвенирования ABI PRISM® BigDye® (Applied Biosystems), 4 мкл красителя GeneScan™ 600 LIZ™, смешивали для каждого капилляра путем смешивания 1 мкл стандарта матрицы PowerPlex® 6C (Promega Corporation) и стандартного размера смеси 1 мкл.v2.0 (Thermo Fisher Scientific) и 14 мкл воды.Стандарт матрицы PowerPlex® 6C состоит из шести фрагментов ДНК, меченных шестью красителями: FL-6C, JOE-6C, TMR-6C, CXR-6C, TOM-6C и WEN, в порядке максимальной длины волны.Длины оснований этих фрагментов ДНК не раскрыты, но известна последовательность оснований фрагментов ДНК, меченных WEN, CXR-6C, TMR-6C, JOE-6C, FL-6C и TOM-6C.Смесь в наборе готовых к циклическому секвенированию праймеров ABI PRISM® BigDye® содержит фрагмент ДНК, меченный красителем dR6G.Длины оснований фрагментов ДНК также не раскрываются.GeneScan™ 600 LIZ™ Dye Size Standard v2.0 включает 36 LIZ-меченных фрагментов ДНК.Длины оснований этих фрагментов ДНК составляют 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214, 220, 240, 250, 260, 280, 300, 314, 320, 340. База 360, 380, 400, 414, 420, 440, 460, 480, 500, 514, 520, 540, 560, 580 и 600.Образцы денатурировали при 94°С в течение 3 минут, затем охлаждали на льду в течение 5 минут.Образцы вводили в каждый капилляр при напряжении 26 В/см в течение 9 с и разделяли в каждом капилляре, заполненном раствором полимера POP-7™ (Thermo Fisher Scientific) с эффективной длиной 36 см, напряжением 181 В/см и угол 60°.ОТ.
Все данные, полученные или проанализированные в ходе данного исследования, включены в данную опубликованную статью и ее дополнительную информацию.Другие данные, имеющие отношение к данному исследованию, можно получить у соответствующих авторов по обоснованному запросу.
Хан М.Дж., Хан Х.С., Юсуф А., Хуршид К. и Аббас А. Современные тенденции в анализе гиперспектральных изображений: обзор.Доступ к IEEE 6, 14118–14129.https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2812999 (2018).
Воган, А.Х. Астрономическая интерферометрическая спектроскопия Фабри-Перо.установить.Преподобный Астрон.астрофизика.5, 139–167.https://doi.org/10.1146/annurev.aa.05.090167.001035 (1967).
Гетц, А.Ф.Х., Вейн, Г., Соломон, Дж.Э. и Рок, Б.Н. Спектроскопия изображений дистанционного зондирования Земли.Наука 228, 1147–1153.https://doi.org/10.1126/science.228.4704.1147 (1985).
Йокоя Н., Гронфельдт К. и Шануссо Дж. Объединение гиперспектральных и мультиспектральных данных: сравнительный обзор недавних публикаций.IEEE Науки о Земле.Журнал дистанционного зондирования.5:29–56.https://doi.org/10.1109/MGRS.2016.2637824 (2017).
Гоуэн А.А., О'Доннелл С.П., Каллен П.Дж., Дауни Г. и Фриас Дж.М. Гиперспектральная визуализация — это новый аналитический инструмент для контроля качества и безопасности пищевых продуктов.Тенденции пищевой науки.технологии.18, 590–598.https://doi.org/10.1016/j.tifs.2007.06.001 (2007).
ЭльМасри Г., Мандур Н., Аль-Реджайе С., Белин Э. и Руссо Д. Недавние применения мультиспектральной визуализации для мониторинга фенотипа и качества семян – обзор.Датчики 19, 1090 (2019).
Лян, Х. Достижения в области мультиспектральной и гиперспектральной визуализации для археологии и сохранения произведений искусства.Подайте заявку на получение физического номера 106, 309–323.https://doi.org/10.1007/s00339-011-6689-1 (2012).
Эдельман Г.Дж., Гастон Э., ван Леувен Т.Г., Каллен П.Дж. и Олдерс М.К.Г. Гиперспектральная визуализация для бесконтактного анализа судебно-медицинских следов.Криминалистика.внутренние 223, 28-39.https://doi.org/10.1016/j.forsciint.2012.09.012 (2012).