трубка з нержавіючої сталі 321 8*1,2 для теплообмінника

Капілярні трубки

Дякуємо, що відвідали Nature.com.Ви використовуєте версію браузера з обмеженою підтримкою CSS.Для найкращої роботи радимо використовувати оновлений браузер (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer).Крім того, щоб забезпечити постійну підтримку, ми показуємо сайт без стилів і JavaScript.
Відображає карусель із трьох слайдів одночасно.Використовуйте кнопки «Попередній» і «Наступний», щоб переходити по трьох слайдах одночасно, або використовуйте кнопки повзунка в кінці, щоб переходити по трьох слайдах одночасно.
Розроблено ультракомпактний (54 × 58 × 8,5 мм) і широкоапертурний (1 × 7 мм) дев'ятиколірний спектрометр, «розбитий надвоє» масивом із десяти дихроїчних дзеркал, який використовувався для миттєвого спектрального зображення.Падаючий світловий потік з поперечним перерізом, меншим розміру апертури, ділиться на суцільну смугу шириною 20 нм і дев'ять кольорових потоків з центральними довжинами хвиль 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 і 690 нм.Зображення дев'яти кольорових потоків одночасно ефективно вимірюються датчиком зображення.На відміну від звичайних матриць дихроїчного дзеркала, розроблена матриця дихроїчного дзеркала має унікальну двокомпонентну конфігурацію, яка не тільки збільшує кількість кольорів, які можна вимірювати одночасно, але й покращує роздільну здатність зображення для кожного потоку кольорів.Розроблений дев'ятиколірний спектрометр використовується для чотирикапілярного електрофорезу.Одночасний кількісний аналіз восьми барвників, що мігрують одночасно в кожному капілярі, з використанням дев'ятиколірної лазерної флуоресценції.Оскільки дев’ятиколірний спектрометр є не тільки надмалим і недорогим, але також має високий світловий потік і достатню спектральну роздільну здатність для більшості застосувань спектральних зображень, його можна широко використовувати в різних областях.
Гіперспектральне та мультиспектральне зображення стало важливою частиною астрономії2, дистанційного зондування для спостереження Землі3,4, контролю якості їжі та води5,6, збереження мистецтва та археології7, криміналістики8, хірургії9, біомедичного аналізу та діагностики10,11 тощо. Поле 1 Незамінна технологія ,12,13.Методи вимірювання спектру світла, випромінюваного кожною точкою випромінювання в полі зору, поділяються на (1) точкове сканування («віник»)14,15, (2) лінійне сканування («волоть»)16,17,18 , (3) хвилі сканування довжини19,20,21 і (4) зображення22,23,24,25.У випадку всіх цих методів просторова роздільна здатність, спектральна роздільна здатність і часова роздільна здатність мають компромісне співвідношення9,10,12,26.Крім того, вихід світла має значний вплив на чутливість, тобто співвідношення сигнал/шум у спектральному зображенні26.Світловий потік, тобто ефективність використання світла, прямо пропорційна відношенню фактично виміряної кількості світла кожної світної точки в одиницю часу до загальної кількості світла вимірюваного діапазону довжин хвиль.Категорія (4) є відповідним методом, коли інтенсивність або спектр світла, випромінюваного кожною точкою випромінювання, змінюється з часом або коли положення кожної точки випромінювання змінюється з часом, оскільки спектр світла, випромінюваного всіма точками випромінювання, вимірюється одночасно.24.
Більшість вищевказаних методів поєднується з великими, складними та/або дорогими спектрометрами, що використовують 18 граток або 14, 16, 22, 23 призми для класів (1), (2) і (4) або 20, 21 дисковий фільтр, рідинні фільтри .Кристалічні регульовані фільтри (LCTF)25 або акустооптичні регульовані фільтри (AOTF)19 категорії (3).Навпаки, багатодзеркальні спектрометри категорії (4) є невеликими та недорогими через їхню просту конфігурацію27,28,29,30.Крім того, вони мають високий світловий потік, оскільки світло, спільне для кожного дихроїчного дзеркала (тобто пропущене та відбите світло падаючого світла на кожне дихроїчне дзеркало) використовується повністю та постійно.Однак кількість діапазонів довжин хвиль (тобто кольорів), які необхідно вимірювати одночасно, обмежена приблизно чотирма.
Спектральне зображення на основі флуоресцентного детектування зазвичай використовується для мультиплексного аналізу в біомедичному виявленні та діагностиці 10, 13 .У мультиплексуванні, оскільки кілька аналітів (наприклад, специфічна ДНК або білки) мічені різними флуоресцентними барвниками, кожен аналіт, присутній у кожній точці випромінювання в полі зору, кількісно визначається за допомогою багатокомпонентного аналізу.32 розбиває виявлений спектр флуоресценції, випромінюваний кожною точкою випромінювання.Під час цього процесу різні барвники, кожен з яких випромінює різну флуоресценцію, можуть колокалізуватися, тобто співіснувати в просторі та часі.В даний час максимальна кількість барвників, які можна збуджувати одним лазерним променем, становить вісім33.Ця верхня межа визначається не спектральною роздільною здатністю (тобто кількістю кольорів), а шириною спектра флуоресценції (≥50 нм) і величиною стоксового зсуву барвника (≤200 нм) при FRET (з використанням FRET)10 .Однак кількість кольорів повинна бути більшою або дорівнювати кількості барвників, щоб усунути спектральне перекривання змішаних барвників31,32.Тому необхідно збільшити кількість одночасно вимірюваних кольорів до восьми і більше.
Нещодавно був розроблений надкомпактний гептахроїчний спектрометр (використовує масив гептихроїчних дзеркал і датчик зображення для вимірювання чотирьох флуоресцентних потоків).Спектрометр на два-три порядки менший, ніж звичайні спектрометри, що використовують решітки або призми34,35.Однак важко розмістити більше семи дихроїчних дзеркал у спектрометрі й одночасно вимірювати більше семи кольорів36,37.Зі збільшенням числа дихроїчних дзеркал максимальна різниця довжин оптичних шляхів дихроїчних світлових потоків збільшується, і стає важко відобразити всі світлові потоки на одній сенсорній площині.Найбільша довжина оптичного шляху світлового потоку також збільшується, тому ширина апертури спектрометра (тобто максимальна ширина світла, аналізованого спектрометром) зменшується.
У відповідь на вищезазначені проблеми був розроблений надкомпактний дев’ятиколірний спектрометр із двошаровим «дихроїчним» декахроматичним дзеркалом і датчиком зображення для миттєвого спектрального зображення [категорія (4)].У порівнянні з попередніми спектрометрами розроблений спектрометр має меншу різницю в максимальній довжині оптичного шляху і меншу максимальну довжину оптичного шляху.Він був застосований до електрофорезу з чотирма капілярами для виявлення спричиненої лазером дев’ятиколірної флуоресценції та кількісної оцінки одночасної міграції восьми барвників у кожному капілярі.Оскільки розроблений спектрометр є не тільки надмалим і недорогим, але також має високий світловий потік і достатню спектральну роздільну здатність для більшості застосувань спектральних зображень, його можна широко використовувати в різних областях.
Традиційний дев'ятиколірний спектрометр показаний на рис.1а.Його конструкція повторює дизайн попереднього надмалого семиколірного спектрометра 31. Він складається з дев’яти дихроїчних дзеркал, розташованих горизонтально під кутом 45° вправо, а датчик зображення (S) розташований над дев’ятьма дихроїчними дзеркалами.Світло, що надходить знизу (C0), ділиться масивом з дев’яти дихроїчних дзеркал на дев’ять світлових потоків, що йдуть вгору (C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 і C9).Усі дев'ять кольорових потоків подаються безпосередньо на датчик зображення та виявляються одночасно.У цьому дослідженні C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 і C9 розташовані в порядку довжини хвилі і представлені пурпуровим, фіолетовим, синім, блакитним, зеленим, жовтим, оранжевим, червоно-помаранчевим і червоний, відповідно.Хоча ці позначення кольорів використовуються в цьому документі, як показано на малюнку 3, оскільки вони відрізняються від фактичних кольорів, які бачить людське око.
Принципові схеми традиційних і нових дев'ятиколірних спектрометрів.(a) Звичайний дев'ятиколірний спектрометр з масивом з дев'яти дихроїчних дзеркал.(b) Новий дев'ятиколірний спектрометр з двошаровим дихроїчним дзеркалом.Падаючий світловий потік C0 ділиться на дев'ять кольорових світлових потоків C1-C9 і виявляється датчиком зображення S.
Розроблений новий дев'ятикольоровий спектрометр має двошарову дихроїчну дзеркальну решітку та датчик зображення, як показано на рис. 1В.У нижньому рівні п'ять дихроїчних дзеркал нахилені 45 ° праворуч, вирівняні праворуч від центру масиву декамерів.На верхньому рівні п’ять додаткових дихроїчних дзеркал нахилені 45 ° ліворуч і розташовані від центру зліва.Найбільш ліве дихроїчне дзеркало нижнього шару і праве дихроїчне дзеркало верхнього шару перекриваються один з одним.Падаючий світловий потік (C0) ділиться знизу на чотири вихідні хроматичні потоки (C1-C4) п'ятьма дихроїчними дзеркалами праворуч і п'ять вихідних хроматичних потоків (C5-C4) п'ятьма дихроїчними дзеркалами зліва C9).Як і звичайні дев'ятикольорові спектрометри, усі дев'ять кольорових потоків безпосередньо вводять у датчик (-и) зображення та виявляються одночасно.Порівнюючи малюнки 1a та 1b, можна побачити, що у випадку нового дев'ятикольорового спектрометра як максимальна різниця, так і найдовша довжина оптичного шляху дев'яти кольорових потоків зменшуються вдвічі.
Детальна конструкція надмалої двошарової матриці дихроїчного дзеркала 29 мм (ширина) × 31 мм (глибина) × 6 мм (висота) показана на малюнку 2. Десяткова матриця дихроїчного дзеркала складається з п’яти дихроїчних дзеркал праворуч (M1-M5) та п’ять дихроїчних дзеркал зліва (M6-M9 та інший M5), кожне дихроїчне дзеркало закріплене у верхній кронштейні алюмінію.Усі дихроїчні дзеркала пошкоджені, щоб компенсувати паралельне переміщення через заломлення потоку через дзеркала.Нижче M1 закріплений смуговий фільтр (BP).Розміри M1 і BP - 10 мм (довга сторона) х 1,9 мм (коротка сторона) х 0,5 мм (товщина).Розміри решти дихроїчних дзеркал - 15 мм × 1,9 мм × 0,5 мм.Крок матриці між M1 і M2 становить 1,7 мм, тоді як матричний крок інших дихроїчних дзеркал - 1,6 мм.На рис.2C поєднує в собі падаючу світлому потоці C0 та дев'ять кольорових світлових потоків C1-C9, розділених де-камерною матрицею дзеркал.
Побудова двошарової матриці дихроичного дзеркала.(a) Вид у перспективі та (b) вид у поперечному перерізі двошарового масиву дихроїчного дзеркала (розміри 29 мм x 31 мм x 6 мм).Він складається з п'яти дихроїчних дзеркал (M1-M5), розташованих у нижньому шарі, п'яти дихроїчних дзеркал (M6-M9 і ще M5), розташованих у верхньому шарі, і смугового фільтра (BP), розташованого під M1.(c) Поперечний переріз у вертикальному напрямку, з перекриттям C0 і C1-C9.
Ширина отвору в горизонтальному напрямку, позначена шириною С0 на рис. 2, в, становить 1 мм, а в напрямку, перпендикулярному до площини рис. 2, в, задана конструкцією алюмінієвого кронштейна, – 7 мм.Тобто новий дев'ятиколірний спектрометр має великий розмір апертури 1 мм × 7 мм.Оптичний шлях C4 є найдовшим серед C1-C9, а оптичний шлях C4 всередині матриці дихроїчного дзеркала через вищевказаний надмалий розмір (29 мм × 31 мм × 6 мм) становить 12 мм.При цьому довжина оптичного шляху C5 є найкоротшою серед C1-C9, а довжина оптичного шляху C5 становить 5,7 мм.Тому максимальна різниця довжини оптичного шляху становить 6,3 мм.Наведені вище довжини оптичного шляху виправляються для оптичної довжини шляху для оптичної передачі M1-M9 та BP (від кварцу).
Спектральні властивості М1−М9 та ВР розраховано таким чином, щоб потоки С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8 та С9 були в діапазоні довжин хвиль 520–540, 540–560, 560–580, 580. –600, 600–620, 620–640, 640–660, 660–680 і 680–700 нм відповідно.
Фотографію виготовленої матриці декахроматичних дзеркал наведено на рис. 3а.M1-M9 і BP приклеєні відповідно до схилу 45° і горизонтальної площини алюмінієвої опори, а M1 і BP заховані на зворотному боці фігури.
Виготовлення масиву деканових дзеркал та його демонстрація.(a) Масив виготовлених декахроматичних дзеркал.(b) 1 мм × 7 мм дев'ятикольорове розділене зображення, спроектоване на аркуш паперу, розміщений перед безліччю декахахромних дзеркал та зсюк з білим світлом.(c) Ряд декохроматичних дзеркал, освітлених білим світлом ззаду.(d) дев'ятикольоровий потік розщеплення, що випливає з дзеркального масиву Decane, що спостерігається шляхом розміщення наповненого димом акрилову каністру перед деканним дзеркальним масивом при С і затемнює приміщення.
Виміряні спектри пропускання M1-M9 C0 при куті падіння 45° та виміряний спектр пропускання BP C0 при куті падіння 0° показані на рис.4а.Спектри передачі C1-C9 відносно C0 показані на рис.4б.Ці спектри обчислювались із спектрів на рис.4а відповідно до оптичного шляху C1-C9 на рис. 4а.1b і 2c.Наприклад, 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)], де TS(X) і [ 1 − TS(X)] – спектри пропускання та відбиття X відповідно.Як показано на малюнку 4b, смуги пропускання (пропускна здатність ≥50%) C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 і C9 становлять 521-540, 541-562, 563-580, 581-602, 603 -623, 624-641, 642-657, 659-680 і 682-699 нм.Ці результати узгоджуються з розробленими діапазонами.Крім того, ефективність використання світла C0 висока, тобто середній максимальний коефіцієнт пропускання світла C1-C9 становить 92%.
Спектри пропускання дихроичного дзеркала та розщепленого дев'ятиколірного потоку.(a) Виміряні спектри пропускання M1-M9 під кутом падіння 45° та BP під кутом падіння 0°.(b) Спектри пропускання C1–C9 відносно C0, розраховані за (a).
На рис.3C, масив дихроїчних дзеркал розташований вертикально, так що його правий бік на рис. 3а є верхньою стороною, а білий промінь коліматового світлодіода (C0) - це підсвічування.Масив декахроматичних дзеркал, показаний на малюнку 3a, встановлено в адаптері 54 мм (висота) × 58 мм (глибина) × 8,5 мм (товщина).На рис.3d, на додаток до стану, показаного на рис.3c, наповнений димом акриловий резервуар був розміщений перед набором декохроматичних дзеркал, а світло в кімнаті було вимкнено.В результаті в резервуарі видно дев'ять дихроїчних потоків, що виходять із ряду декахроматичних дзеркал.Кожен розділений потік має прямокутний переріз з розмірами 1 × 7 мм, що відповідає розміру діафрагми нового дев'ятикольорового спектрометра.На малюнку 3b на малюнку 3C розміщується аркуш паперу перед масивом дихроїчних дзеркал, а зображення 1 х 7 мм дев'яти дихроїчних потоків, що проектуються на папір, спостерігається з напрямку руху паперу.потоки.Дев'ять потоків поділу кольорів на рис.3b і d - C4, C3, C2, C1, C5, C6, C7, C8 і C9 зверху вниз, які також можна побачити на малюнках 1 і 2. 1b і 2c.Вони спостерігаються в кольорах, що відповідають їхнім довжинам хвиль.Через низьку інтенсивність білого світла світлодіода (див. Додатковий рис. S3) та чутливість кольорової камери, що використовується для зйомки C9 (682–699 нм) на рис. Інші потоки розщеплення слабкі.Подібним чином C9 був слабко помітний неозброєним оком.Тим часом C2 (другий потік зверху) виглядає зеленим на малюнку 3, але неозброєним оком виглядає більш жовтим.
Перехід від малюнка 3c до d показаний у додатковому відео 1. Одразу після того, як біле світло від світлодіода проходить через матрицю декахроматичного дзеркала, воно розщеплюється одночасно на дев’ять кольорових потоків.Зрештою, дим у чані поступово розсіювався зверху вниз, так що дев'ять кольорових порошків також зникли зверху вниз.Навпаки, у додатковому відео 2, коли довжина хвилі світлового потоку, що падає на масив декахроматичних дзеркал, змінювалася з довгої на коротку в порядку 690, 671, 650, 632, 610, 589, 568, 550 і 532 нм. ., Відображаються лише відповідні розділені потоки з дев’яти розділених потоків у порядку C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 і C1.Акриловий резервуар замінюється кварцовим басейном, і пластівці кожного шунтованого потоку можна чітко спостерігати під нахилом вгору.Крім того, субвідео 3 редагується таким чином, що частина субвідео 2 зі зміною довжини хвилі відтворюється повторно.Це найбільш красномовне вираження характеристик декохроматичного масиву дзеркал.
Наведені вище результати показують, що виготовлений декахроматичний дзеркальний масив або новий дев’ятиколірний спектрометр працює належним чином.Новий дев'ятиколірний спектрометр формується шляхом встановлення масиву декахроматичних дзеркал із адаптерами безпосередньо на плату датчика зображення.
Світловий потік з діапазоном довжини хвилі від 400 до 750 нм, випромінюваного чотирма точками випромінювання φ50 мкм, розташованими з інтервалом 1 мм у напрямку, перпендикулярним до площини рис. 2С, відповідно досліджується 31, 34. Чотиримінний масив складається з чотири лінзи φ1 мм з фокусною відстанню 1,4 мм і кроком 1 мм.Чотири колімовані потоки (чотири C0) падають на DP нового дев'ятиколірного спектрометра з інтервалом 1 мм.Ряд дихроїчних дзеркал розділяє кожен потік (C0) на дев'ять кольорових потоків (C1-C9).Отримані 36 потоків (чотири набори C1-C9) потім вводять безпосередньо в датчик зображення CMOS (S), безпосередньо підключений до масиву дихроїчних дзеркал.Як результат, як показано на фіг. 5А, через невелику максимальну різницю оптичного шляху та короткий максимальний оптичний шлях, зображення всіх 36 потоків були виявлені одночасно та чітко з однаковим розміром.Відповідно до низхідних спектрів (див. Додатковий малюнок S4), інтенсивність зображення чотирьох груп C1, C2 і C3 є відносно низькою.Тридцять шість зображень мали розмір 0,57 ± 0,05 мм (середнє ± SD).Таким чином, збільшення зображення в середньому склало 11,4.Вертикальний інтервал між зображеннями в середньому становить 1 мм (однаковий відстань, як масив об'єктивів) та горизонтальний відстань в середньому 1,6 мм (той же відстань, як дихроїчний дзеркальний масив).Оскільки розмір зображення набагато менший за відстань між зображеннями, кожне зображення можна виміряти окремо (з низькими перехресними перешкодами).Тим часом зображення двадцяти вісім потоків, записані звичайним семиколірним спектрометром, використовуваним у нашому попередньому дослідженні, показані на рис. 5 B. масив семи дихроїчних дзеркал був створений шляхом видалення двох правих дихроїчних дзеркал із масиву дев'яти дихроїчних дзеркала на малюнку 1а.Не всі зображення чіткі, розмір зображення збільшується від C1 до C7.Двадцять вісім зображень мають розмір 0,70 ± 0,19 мм.Таким чином, важко підтримувати високу роздільну здатність усіх зображень.Коефіцієнт варіації (CV) для розміру зображення 28 на малюнку 5b становив 28%, тоді як CV для розміру зображення 36 на малюнку 5a знизився до 9%.Наведені вище результати показують, що новий дев'ятикольоровий спектрометр не тільки збільшує кількість одночасно виміряних кольорів від семи до дев'яти, але й має високу роздільну здатність зображення для кожного кольору.
Порівняння якості розділеного зображення, сформованого звичайним і новим спектрометрами.(a) Чотири групи дев'ятиколірних розділених зображень (C1-C9), створених новим дев'ятиколірним спектрометром.(b) Чотири набори розділених семи кольорів зображень (C1-C7), сформованих за допомогою звичайного семиколірного спектрометра.Потоки (C0) з довжинами хвиль від 400 до 750 нм з чотирьох точок випромінювання колімуються та падають на кожен спектрометр відповідно.
Спектральні характеристики дев’ятиколірного спектрометра були оцінені експериментально, і результати оцінки показані на малюнку 6. Зверніть увагу, що на малюнку 6а показані ті самі результати, що і на малюнку 5а, тобто на довжинах хвиль 4 C0 400–750 нм детектуються всі 36 зображень. (4 групи C1–C9).Навпаки, як показано на рис. 6b–j, коли кожен C0 має певну довжину хвилі 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 або 690 нм, існує майже лише чотири відповідних зображення (чотири виявлені групи C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 або C9).Однак деякі із зображень, суміжних із чотирма відповідними зображеннями, виявляються дуже слабо, оскільки спектри пропускання C1–C9, показані на рис. 4b, трохи перекриваються, і кожен C0 має смугу 10 нм на певній довжині хвилі, як описано в методі.Ці результати узгоджуються зі спектрами пропускання C1-C9, показаними на рис.4b і додаткові відео 2 і 3. Іншими словами, дев'ятиколірний спектрометр працює, як очікувалося, виходячи з результатів, показаних на рис.4б.Таким чином, зроблено висновок, що розподіл інтенсивності зображення C1-C9 є спектром кожного C0.
Спектральні характеристики дев'ятиколірного спектрометра.Новий дев’ятиколірний спектрометр генерує чотири набори зображень із дев’ятьма кольорами (C1-C9), коли падаюче світло (чотири C0) має довжину хвилі (а) 400–750 нм (як показано на рисунку 5а), (б) 530 нм.нм, (c) 550 нм, (d) 570 нм, (e) 590 нм, (f) 610 нм, (g) 630 нм, (h) 650 нм, (i) 670 нм, (j) 690 нм, відповідно.
Розроблений дев’ятиколірний спектрометр використовувався для чотирикапілярного електрофорезу (докладніше див. Додаткові матеріали)31,34,35.Чотирьохкапілярна матриця складається з чотирьох капілярів (зовнішній діаметр 360 мкм і внутрішній діаметр 50 мкм), розташованих з інтервалом 1 мм у місці лазерного опромінення.Зразки, що містять фрагменти ДНК, позначені 8 барвниками, а саме FL-6C (барвник 1), Joe-6C (барвник 2), DR6G (барвник 3), TMR-6C (барвник 4), CXR-6C (барвник 5), Том- 6C (барвник 6), LIZ (барвник 7) і WEN (барвник 8) у порядку зростання довжини флуоресцентної хвилі, розділені в кожному з чотирьох капілярів (надалі Cap1, Cap2, Cap3 і Cap4).Індукована лазером флуоресценція від Cap1-Cap4 була колімована за допомогою масиву з чотирьох лінз і одночасно записана дев'ятиколірним спектрометром.Динаміка інтенсивності дев'ятиколірної (С1-С9) флуоресценції під час електрофорезу, тобто дев'ятиколірна електрофореграма кожного капіляра, наведена на рис. 7а.Еквівалентна дев'ятикольорова електрофорграма отримується в CAP1-CAP4.Як показано стрілками Cap1 на малюнку 7a, вісім піків на кожній дев’ятиколірній електрофореграмі показують одне флуоресцентне випромінювання від Dye1-Dye8 відповідно.
Одночасне кількісне визначення восьми барвників за допомогою дев'ятикольорового чотирикапільного електрофорезу.(a) Дев'ятиколірна (C1-C9) електрофорграма кожного капіляра.Вісім піків, позначених стрілками CAP1, показують окремі викиди флуоресценції восьми барвників (барвник Dye8).Кольори стрілок відповідають кольорам (B) та (C).(b) Флуоресцентні спектри восьми барвників (барвник-барвник) на капіляр.C Електроферограми восьми барвників (барвник-барвник) на капіляр.Піки фрагментів ДНК, позначених барвником, позначені стрілками, і вказані їх довжини основи CAP4.
Розподіл інтенсивності C1–C9 на восьми піках показано на рис.7б відповідно.Оскільки і C1-C9, і Dye1-Dye8 розташовані в порядку довжин хвиль, вісім розподілів на рис. 7b показують спектри флуоресценції Dye1-Dye8 послідовно зліва направо.У цьому дослідженні Dye1, Dye2, Dye3, Dye4, Dye5, Dye6, Dye7 і Dye8 відображаються відповідно в пурпуровому, фіолетовому, синьому, блакитному, зеленому, жовтому, оранжевому та червоному кольорах.Зверніть увагу, що кольори стрілок на рис. 7а відповідають кольорам барвників на рис. 7b.Інтенсивності флуоресценції C1-C9 для кожного спектра на малюнку 7b були нормалізовані таким чином, щоб їх сума дорівнювала одиниці.Для Cap1-Cap4 було отримано вісім еквівалентних спектрів флуоресценції.Можна чітко спостерігати спектральне перекриття флуоресценції між барвником 1 і барвником 8.
Як показано на малюнку 7c, для кожного капіляра дев’ятиколірна електрофореграма на малюнку 7a була перетворена в електрофореграму з вісьмома барвниками за допомогою багатокомпонентного аналізу на основі восьми спектрів флуоресценції на малюнку 7b (див. Додаткові матеріали для отримання додаткової інформації).Оскільки спектральне перекриття флуоресценції на малюнку 7a не відображається на малюнку 7c, Dye1-Dye8 можна ідентифікувати та кількісно визначити окремо в кожну часову точку, навіть якщо різні кількості Dye1-Dye8 флуоресцують одночасно.Цього неможливо зробити за допомогою традиційного визначення семи кольорів31, але можна досягти за допомогою розробленого виявлення дев’яти кольорів.Як показано стрілками Cap1 на рис. 7c, лише флуоресцентні синглети Dye3 (синій), Dye8 (червоний), Dye5 (зелений), Dye4 (блакитний), Dye2 (фіолетовий), Dye1 (пурпурний) і Dye6 (жовтий) ) дотримуються в очікуваному хронологічному порядку.Для флуоресцентного випромінювання барвника 7 (помаранчевий), крім єдиного піку, позначеного помаранчевою стрілкою, спостерігалося кілька інших окремих піків.Цей результат пояснюється тим, що зразки містили стандарти розміру, мічені Dye7 фрагменти ДНК з різною довжиною основи.Як показано на малюнку 7c, для Cap4 ці базові довжини становлять 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214 і 220 базових довжин.
Основними особливостями дев'ятиколірного спектрометра, розробленого з використанням матриці двошарових дихроїчних дзеркал, є малі розміри та проста конструкція.Оскільки масив декахроматичних дзеркал всередині адаптера, показаного на рис.3c, встановлений безпосередньо на платі датчика зображення (див. рис. S1 і S2), дев'ятиколірний спектрометр має такі ж розміри, як і адаптер, тобто 54 × 58 × 8,5 мм.(товщина) .Цей надмалий розмір на два-три порядки менший, ніж звичайні спектрометри, які використовують решітки або призми.Крім того, оскільки дев’ятиколірний спектрометр налаштований таким чином, що світло падає на поверхню датчика зображення перпендикулярно, можна легко виділити місце для дев’ятиколірного спектрометра в таких системах, як мікроскопи, проточні цитометри або аналізатори.Аналізатор електрофорезу з капілярною решіткою для ще більшої мініатюризації системи.У той же час розмір десяти дихроїчних дзеркал і смугових фільтрів, які використовуються в дев'ятиколірному спектрометрі, становить лише 10×1,9×0,5 мм або 15×1,9×0,5 мм.Таким чином, більше 100 таких маленьких дихроїчних дзеркал і смугових фільтрів, відповідно, можна вирізати з дихроїчного дзеркала і 60 мм2 смугового фільтра, відповідно.Таким чином, масив декахроматичних дзеркал можна виготовити з низькою ціною.
Ще однією особливістю дев'ятиколірного спектрометра є відмінні спектральні характеристики.Зокрема, це дозволяє отримувати спектральні зображення моментальних знімків, тобто одночасне отримання зображень із спектральною інформацією.Для кожного зображення був отриманий безперервний спектр з діапазоном довжин хвиль від 520 до 700 нм і роздільною здатністю 20 нм.Іншими словами, дев'ять інтенсивностей кольорів світла виявляються для кожного зображення, тобто дев'ять смуг 20 нм, що порівну розділяють діапазон довжин хвиль від 520 до 700 нм.Змінюючи спектральні характеристики дихроїчного дзеркала та смугового фільтра, можна регулювати діапазон довжин хвиль дев’яти смуг і ширину кожної смуги.Виявлення дев'яти кольорів можна використовувати не лише для вимірювань флуоресценції за допомогою спектрального зображення (як описано в цьому звіті), але й для багатьох інших поширених застосувань із використанням спектрального зображення.Незважаючи на те, що гіперспектральне зображення може виявляти сотні кольорів, було виявлено, що навіть при значному зменшенні кількості виявлених кольорів, численні об’єкти в полі зору можна ідентифікувати з достатньою точністю для багатьох застосувань38,39,40.Оскільки просторова роздільна здатність, спектральна роздільна здатність і часова роздільна здатність мають компроміс у спектральному зображенні, зменшення кількості кольорів може покращити просторову та часову роздільну здатність.Він також може використовувати прості спектрометри, подібні до розробленого в цьому дослідженні, і ще більше зменшити обсяг обчислень.
У цьому дослідженні вісім барвників були кількісно визначені одночасно шляхом спектрального розділення їхніх спектрів флуоресценції, що перекриваються, на основі виявлення дев’яти кольорів.Одночасно можна кількісно визначити до дев’яти барвників, які співіснують у часі та просторі.Особливою перевагою дев'ятиколірного спектрометра є високий світловий потік і велика апертура (1 × 7 мм).Декановий дзеркальний масив має максимальне пропускання 92% світла від діафрагми в кожному з дев’яти діапазонів довжин хвиль.Ефективність використання падаючого світла в діапазоні довжин хвиль від 520 до 700 нм становить майже 100%.У такому широкому діапазоні довжин хвиль жодна дифракційна решітка не може забезпечити таку високу ефективність використання.Навіть якщо дифракційна ефективність дифракційної решітки перевищує 90% на певній довжині хвилі, оскільки різниця між цією довжиною хвилі та певною довжиною хвилі збільшується, дифракційна ефективність на іншій довжині хвилі зменшується41.Ширина апертури, перпендикулярної до напрямку площини на рис. 2c, може бути розширена з 7 мм до ширини датчика зображення, як у випадку датчика зображення, який використовується в цьому дослідженні, шляхом незначної зміни масиву декамер.
Дев'ять кольорів спектрометр можна використовувати не тільки для капілярного електрофорезу, як показано в цьому дослідженні, але і для різних інших цілей.Наприклад, як показано на малюнку нижче, до флуоресцентного мікроскопа може бути нанесений дев'ять кольорів.Площина зразка відображається на датчику зображення дев'ятикольорового спектрометра через 10-кратну мету.Оптична відстань між лінзою об'єктива і датчиком зображення становить 200 мм, тоді як оптична відстань між поверхнею падіння дев'ятиколірного спектрометра і датчиком зображення становить лише 12 мм.Тому зображення було вирізано приблизно до розміру діафрагми (1 × 7 мм) у площині падіння і розділили на дев'ять кольорових зображень.Тобто спектральне зображення дев'ятикольорового знімка може бути зроблено на площині 0,1 × 0,7 мм у площині зразка.Крім того, можна отримати дев'ятиколірне спектральне зображення більшої площі на площині зразка шляхом сканування зразка відносно об'єктива в горизонтальному напрямку на рис. 2c.
Компоненти декахроматичної матриці дзеркал, а саме M1-M9 і BP, були виготовлені на замовлення компанією Asahi Spectra Co., Ltd. із застосуванням стандартних методів осадження.Багатошарові діелектричні матеріали наносили індивідуально на десять кварцових пластин розміром 60 × 60 мм і товщиною 0,5 мм, що відповідають таким вимогам: M1: IA = 45°, R ≥ 90% при 520–590 нм, Tave ≥ 90% при 610– 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, М8: ІА = 45 °, r ≥ 90% при 640–650 нм, TAW ≥ 90% при 670–700 нм, М9: IA = 45 °, r ≥ 90% при 650-670 нм, Таве ≥ 90% при 690-700 нм, ВР: IA = 0 °, t ≤ 0,01% при 505 нм, Таве ≥ 95% при 530-690 нм при 530 нм t ≥ 90% при -690 нм і T ≤ 1% при 725-750 нм, де IA, T, Tave і R – кут падіння, коефіцієнт пропускання, середній коефіцієнт пропускання та коефіцієнт відбиття неполяризованого світла.
Біле світло (C0) з діапазоном довжин хвиль 400–750 нм, випромінюване світлодіодним джерелом світла (AS 3000, AS ONE CORPORATION), було колімовано та падало вертикально на DP масиву дихроїчних дзеркал.Спектр білого світла світлодіодів показано на додатковому малюнку S3.Розмістіть акриловий резервуар (розміри 150 × 150 × 30 мм) безпосередньо перед системою дзеркал декамери, навпроти блоку живлення.Дим, який утворювався під час занурення сухого льоду у воду, потім виливали в акриловий резервуар, щоб спостерігати за дев’ятикольоровими розділеними потоками C1-C9, що виходять із масиву декахроматичних дзеркал.
Крім того, колімований білий світло (C0) пропускається через фільтр перед входом в DP.Фільтри спочатку були фільтрами нейтральної щільності з оптичною щільністю 0,6.Потім використовуйте моторизований фільтр (FW212C, FW212C, Thorlabs).Нарешті знову ввімкніть фільтр ND.Смуги пропускання дев'яти смугових фільтрів відповідають C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 і C1 відповідно.Кварцова комірка з внутрішніми розмірами 40 (оптична довжина) х 42,5 (висота) х 10 мм (ширина) була розміщена перед масивом декохроматичних дзеркал, навпроти BP.Потім дим подається через трубку в кварцову комірку, щоб підтримувати концентрацію диму в кварцовій комірці, щоб візуалізувати дев’ятиколірні розділені потоки C1-C9, що виходять із декахроматичного масиву дзеркал.
Відео дев’ятиколірного розділеного світлового потоку, що виходить із масиву деканових дзеркал, було знято в режимі сповільненої зйомки на iPhone XS.Робіть знімки сцени зі швидкістю 1 кадр/с і компілюйте зображення для створення відео зі швидкістю 30 кадрів/с (для додаткового відео 1) або 24 кадр/с (для додаткових відео 2 і 3).
Розмістіть пластину з нержавіючої сталі товщиною 50 мкм (чотири отвори діаметром 50 мкм з інтервалом 1 мм) на дифузійну пластину.На пластину розсіювача випромінюється світло з довжиною хвилі 400-750 нм, отримане пропусканням світла від галогенної лампи через фільтр короткого пропускання з довжиною хвилі зрізу 700 нм.Спектр світла показано на додатковому малюнку S4.Крім того, світло також проходить через один із смугових фільтрів 10 нм із центром на 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 і 690 нм і потрапляє на пластину розсіювача.У результаті на пластині з нержавіючої сталі навпроти пластини розсіювача утворилися чотири точки випромінювання діаметром φ50 мкм і різними довжинами хвиль.
Матриця з чотирьох капілярів із чотирма лінзами встановлена ​​на дев’ятиколірному спектрометрі, як показано на малюнках 1 і 2. C1 і C2.Чотири капіляри та чотири лінзи були такими ж, як і в попередніх дослідженнях31,34.Лазерний промінь з довжиною хвилі 505 нм і потужністю 15 мВт опромінюється одночасно і рівномірно збоку на точки випромінювання чотирьох капілярів.Флуоресценція, що випромінюється кожною точкою випромінювання, колімується відповідною лінзою та розділяється на дев’ять кольорових потоків масивом декахроматичних дзеркал.Отримані 36 потоків потім безпосередньо вводили в датчик зображення CMOS (C11440–52U, Hamamatsu Photonics K·K.), і їхні зображення одночасно записували.
ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit (Applied Biosystems), 4 мкл барвника GeneScan™ 600 LIZ™ змішували для кожного капіляра шляхом змішування 1 мкл PowerPlex® 6C Matrix Standard (Promega Corporation), 1 мкл стандарту розміру суміші.v2.0 (Thermo Fisher Scientific) та 14 мкл води.Матричний стандарт PowerPlex® 6C складається з шести фрагментів ДНК, помічених шістьма барвниками: FL-6C, JOE-6C, TMR-6C, CXR-6C, TOM-6C і WEN, у порядку максимальної довжини хвилі.Довжина основи цих фрагментів ДНК не розголошується, але відома послідовність довжини основи фрагментів ДНК, помічених WEN, CXR-6C, TMR-6C, JOE-6C, FL-6C і TOM-6C.Суміш в циклі Primer Cycle Bigdye® Sequencing Rocket Reaping Rooth -Rocking містить фрагмент ДНК, позначений барвником DR6G.Довжини основ фрагментів ДНК також не розкриваються.Genescan ™ 600 Liz ™ Size Standard V2.0 включає 36 фрагментів ДНК, позначених LIZ.Основна довжина цих фрагментів ДНК становить 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 та 600 бази.Зразки денатурували при 94 ° С протягом 3 хвилин, потім охолоджували на льоду протягом 5 хвилин.Зразки вводили в кожен капіляр при 26 В/см протягом 9 с і розділяли в кожному капілярі, заповненому полімерним розчином POP-7™ (Thermo Fisher Scientific) з ефективною довжиною 36 см і напругою 181 В/см і кут 60°.ВІД.
Усі дані, отримані або проаналізовані в ході цього дослідження, включаються до цієї опублікованої статті та її додаткової інформації.Інші дані, що стосуються цього дослідження, доступні у відповідних авторів за розумним запитом.
Khan, MJ, Khan, HS, Yousaf, A., Khurshid, K. та Abbas, A. Поточні тенденції в аналізі гіперспектральної візуалізації: огляд.Доступ до IEEE 6, 14118–14129.https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2812999 (2018).
Вуган, Ах астрономічна інтерферометрична спектроскопія Фабрі-перо.встановити.Преподобний Астрон.астрофізика.5, 139-167.https://doi.org/10.1146/annurev.aa.05.090167.001035 (1967).
Гетц, А. Ф., Вайн, Г., Соломон, Д. Е. і Рок, Б. Н. Спектроскопія зображень дистанційного зондування Землі.Наука 228, 1147–1153.https://doi.org/10.1126/science.228.4704.1147 (1985).
Yokoya, N., Grohnfeldt, C., and Chanussot, J. Fusion of hyperspectral and multispectral data: comparative review of recent publications.IEEE Науки про Землю.Журнал ДЗЗ.5:29–56.https://doi.org/10.1109/MGRS.2016.2637824 (2017).
Gowen, AA, O'Donnell, SP, Cullen, PJ, Downey, G. та Frias, JM. Гіперспектральне зображення є новим аналітичним інструментом для контролю якості та безпеки харчових продуктів.Тенденції харчової науки.технології.18, 590-598.https://doi.org/10.1016/j.tifs.2007.06.001 (2007).
ElMasri, G., Mandour, N., Al-Rejaye, S., Belin, E. and Rousseau, D. Останні застосування мультиспектральної візуалізації для моніторингу фенотипу та якості насіння – огляд.Датчики 19, 1090 (2019).
Ліанг, Х. Досягнення мультиспектральних і гіперспектральних зображень для археології та збереження мистецтва.Подайте заявку на медичний огляд 106, 309–323.https://doi.org/10.1007/s00339-011-6689-1 (2012).
Edelman GJ, Gaston E., van Leeuwen TG, Cullen PJ та Alders MKG. Гіперспектральне зображення для безконтактного аналізу судово-медичних слідів.Криміналістика.внутрішні 223, 28-39.https://doi.org/10.1016/j.forsciint.2012.09.012 (2012).