nehrđajući čelik 321 8*1.2 spiralna cijev za izmjenjivač topline

Kapilarne cijevi

Hvala što ste posjetili Nature.com.Koristite verziju preglednika s ograničenom CSS podrškom.Za najbolje iskustvo preporučujemo da koristite ažurirani preglednik (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru).Osim toga, kako bismo osigurali stalnu podršku, web stranicu prikazujemo bez stilova i JavaScripta.
Prikazuje vrtuljak od tri slajda odjednom.Koristite gumbe Prethodno i Sljedeće za pomicanje kroz tri slajda istovremeno ili koristite gumbe klizača na kraju za kretanje kroz tri slajda odjednom.
Razvijen je ultrakompaktni (54 × 58 × 8,5 mm) i širokootvorni (1 × 7 mm) devetobojni spektrometar, "podijeljen na dva dijela" s nizom od deset dikroičnih zrcala, koji je korišten za trenutno spektralno snimanje.Upadni svjetlosni tok s presjekom manjim od veličine otvora podijeljen je na kontinuiranu traku širine 20 nm i devet tokova u boji sa središnjim valnim duljinama od 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 i 690 nm.Senzor slike istovremeno učinkovito mjeri slike devet tokova boja.Za razliku od konvencionalnih nizova dikroičnog zrcala, razvijeni niz dikroičnog zrcala ima jedinstvenu dvodijelnu konfiguraciju, koja ne samo da povećava broj boja koje se mogu mjeriti istovremeno, već također poboljšava razlučivost slike za svaki tok boja.Razvijeni devetobojni spektrometar koristi se za četverokapilarnu elektroforezu.Simultana kvantitativna analiza osam boja koje simultano migriraju u svakoj kapilari pomoću laserski inducirane fluorescencije u devet boja.Budući da spektrometar s devet boja nije samo ultra-malen i jeftin, nego također ima visok svjetlosni tok i dovoljnu spektralnu rezoluciju za većinu spektralnih primjena slika, može se široko koristiti u raznim područjima.
Hiperspektralno i multispektralno snimanje postalo je važan dio astronomije2, daljinskog istraživanja za promatranje Zemlje3,4, kontrole kvalitete hrane i vode5,6, očuvanja umjetnina i arheologije7, forenzike8, kirurgije9, biomedicinske analize i dijagnostike10,11 itd. Polje 1 Nezamjenjiva tehnologija ,12,13.Metode za mjerenje spektra svjetlosti koju emitira svaka točka emisije u vidnom polju dijele se na (1) točkasto skeniranje (“metla”)14,15, (2) linearno skeniranje (“metlica”)16,17,18 , (3) valovi skeniranja dužine19,20,21 i (4) slike22,23,24,25.U slučaju svih ovih metoda, prostorna razlučivost, spektralna razlučivost i vremenska razlučivost imaju odnos kompromisa9,10,12,26.Osim toga, svjetlosni izlaz ima značajan utjecaj na osjetljivost, tj. omjer signala i šuma u spektralnom snimanju26.Svjetlosni tok, odnosno učinkovitost korištenja svjetlosti, izravno je proporcionalan omjeru stvarno izmjerene količine svjetlosti svake svjetlosne točke u jedinici vremena prema ukupnoj količini svjetlosti izmjerenog raspona valnih duljina.Kategorija (4) je odgovarajuća metoda kada se intenzitet ili spektar svjetlosti koju emitira svaka točka emitiranja mijenja s vremenom ili kada se položaj svake točke emitiranja mijenja s vremenom jer se spektar svjetlosti koju emitiraju sve točke emitiranja mjeri istovremeno.24.
Većina gore navedenih metoda kombinira se s velikim, složenim i/ili skupim spektrometrima koji koriste 18 rešetki ili 14, 16, 22, 23 prizme za klase (1), (2) i (4) ili 20, 21 filter disk, tekući filteri .Kristalni podesivi filtri (LCTF)25 ili akusto-optički podešljivi filtri (AOTF)19 kategorije (3).Nasuprot tome, spektrometri s više zrcala kategorije (4) mali su i jeftini zbog svoje jednostavne konfiguracije27,28,29,30.Osim toga, imaju visok svjetlosni tok jer se svjetlost koju dijeli svako dikroično zrcalo (to jest, propuštena i reflektirana svjetlost upadne svjetlosti na svakom dikroičkom zrcalu) u potpunosti i kontinuirano koristi.Međutim, broj pojaseva valnih duljina (tj. boja) koji se moraju mjeriti istovremeno ograničen je na otprilike četiri.
Spektralno oslikavanje temeljeno na detekciji fluorescencije obično se koristi za multipleks analizu u biomedicinskoj detekciji i dijagnostici 10, 13 .U multipleksiranju, budući da su višestruki analiti (npr. specifična DNK ili proteini) obilježeni različitim fluorescentnim bojama, svaki analit prisutan na svakoj emisijskoj točki u vidnom polju kvantificira se korištenjem višekomponentne analize.32 rastavlja detektirani spektar fluorescencije koji emitira svaka točka emisije.Tijekom ovog procesa, različite boje, od kojih svaka emitira različitu fluorescenciju, mogu se kolokalizirati, to jest koegzistirati u prostoru i vremenu.Trenutačno je najveći broj boja koje se mogu pobuditi jednom laserskom zrakom osam33.Ova gornja granica nije određena spektralnom rezolucijom (tj. brojem boja), već širinom spektra fluorescencije (≥50 nm) i količinom Stokesovog pomaka boje (≤200 nm) na FRET (koristeći FRET)10 .Međutim, broj boja mora biti veći ili jednak broju boja kako bi se eliminiralo spektralno preklapanje miješanih boja31,32.Stoga je potrebno povećati broj istovremeno mjerenih boja na osam ili više.
Nedavno je razvijen ultrakompaktni heptihroični spektrometar (koji koristi niz heptihroičnih zrcala i senzor slike za mjerenje četiri fluorescentna toka).Spektrometar je dva do tri reda veličine manji od konvencionalnih spektrometara koji koriste rešetke ili prizme34,35.Međutim, teško je smjestiti više od sedam dikroičnih zrcala u spektrometar i istovremeno mjeriti više od sedam boja36,37.S povećanjem broja dikroičnih zrcala povećava se maksimalna razlika u duljinama optičkih puteva dikroičnih svjetlosnih tokova, te postaje teško prikazati sve svjetlosne tokove na jednoj osjetilnoj ravnini.Povećava se i najduži optički put svjetlosnog toka, pa se smanjuje širina otvora spektrometra (tj. maksimalna širina svjetlosti koju analizira spektrometar).
Kao odgovor na gore navedene probleme, razvijen je ultrakompaktni spektrometar s devet boja s dvoslojnim "dihroičnim" nizom dekakromatskih zrcala i senzorom slike za trenutno spektralno oslikavanje [kategorija (4)].U odnosu na prethodne spektrometre, razvijeni spektrometar ima manju razliku u maksimalnoj duljini optičkog puta i manju maksimalnu duljinu optičkog puta.Primijenjen je na elektroforezu s četiri kapilare za otkrivanje laserski inducirane fluorescencije s devet boja i za kvantificiranje istovremene migracije osam boja u svakoj kapilari.Budući da razvijeni spektrometar nije samo ultra-malen i jeftin, već također ima visok svjetlosni tok i dovoljnu spektralnu razlučivost za većinu spektralnih primjena slika, može se široko koristiti u raznim područjima.
Tradicionalni spektrometar s devet boja prikazan je na sl.1a.Njegov dizajn slijedi onaj prethodnog ultra-malog spektrometra sa sedam boja 31. Sastoji se od devet dikroičnih zrcala postavljenih vodoravno pod kutom od 45° udesno, a senzor slike (S) nalazi se iznad devet dikroičnih zrcala.Svjetlost koja ulazi odozdo (C0) podijeljena je nizom od devet dihroičnih zrcala u devet svjetlosnih tokova koji idu prema gore (C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 i C9).Svih devet tokova boja dovodi se izravno u senzor slike i detektira se istovremeno.U ovoj studiji C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 i C9 poredani su prema valnim duljinama i predstavljeni su magentom, ljubičastom, plavom, cijan, zelenom, žutom, narančastom, crveno-narančastom i crvena, odnosno.Iako se ove oznake boja koriste u ovom dokumentu, kao što je prikazano na slici 3, jer se razlikuju od stvarnih boja koje vidi ljudsko oko.
Shematski dijagrami konvencionalnih i novih devetobojnih spektrometara.(a) Konvencionalni spektrometar s devet boja s nizom od devet dikroičnih zrcala.(b) Novi devetobojni spektrometar s dvoslojnim nizom dikroičnih zrcala.Upadni svjetlosni tok C0 podijeljen je u devet obojenih svjetlosnih tokova C1-C9 i detektiran slikovnim senzorom S.
Razvijeni novi spektrometar s devet boja ima dvoslojnu dikroičnu zrcalnu rešetku i senzor slike, kao što je prikazano na slici 1b.U donjem sloju, pet dikroičnih zrcala nagnuto je 45° udesno, poravnato udesno od središta niza dekamera.Na gornjoj razini, pet dodatnih dikroičnih zrcala nagnuto je 45° ulijevo i smješteno od središta ulijevo.Krajnje lijevo dikroično zrcalo donjeg sloja i krajnje desno dikroično zrcalo gornjeg sloja međusobno se preklapaju.Upadni svjetlosni tok (C0) podijeljen je odozdo na četiri izlazna kromatska toka (C1-C4) s pet dikroičnih zrcala s desne strane i pet izlaznih kromatskih tokova (C5-C4) s pet dikroičnih zrcala s lijeve strane C9).Poput konvencionalnih spektrometara s devet boja, svih devet tokova boja izravno se ubrizgava u senzor slike (S) i detektira se istovremeno.Uspoređujući slike 1a i 1b, može se vidjeti da su u slučaju novog spektrometra s devet boja i najveća razlika i najduža duljina optičkog puta devet tokova boja prepolovljene.
Detaljna konstrukcija ultramalog niza dvoslojnih dikroičnih zrcala 29 mm (širina) × 31 mm (dubina) × 6 mm (visina) prikazana je na slici 2. Niz decimalnih dikroičnih zrcala sastoji se od pet dikroičnih zrcala na desnoj strani (M1-M5) i pet dikroičnih zrcala na lijevoj strani (M6-M9 i još jedno M5), svako dikroično zrcalo pričvršćeno je u gornjem aluminijskom nosaču.Sva dikroična zrcala su raspoređena kako bi se kompenzirao paralelni pomak zbog loma toka kroz zrcala.Ispod M1, pojasni filtar (BP) je fiksiran.M1 i BP dimenzije su 10 mm (duga strana) x 1,9 mm (kratka strana) x 0,5 mm (debljina).Dimenzije preostalih dikroičnih zrcala su 15 mm × 1,9 mm × 0,5 mm.Korak matrice između M1 i M2 je 1,7 mm, dok je korak matrice ostalih dikroičnih zrcala 1,6 mm.Na sl.Slika 2c kombinira upadni svjetlosni tok C0 i devet obojenih svjetlosnih tokova C1-C9, odvojenih dekomornom matricom zrcala.
Konstrukcija dvoslojne dikroične zrcalne matrice.(a) Pogled u perspektivi i (b) pogled na presjek dvoslojnog niza dikroičnog zrcala (dimenzije 29 mm x 31 mm x 6 mm).Sastoji se od pet dikroičnih zrcala (M1-M5) smještenih u donjem sloju, pet dikroičnih zrcala (M6-M9 i još jedno M5) smještenih u gornjem sloju i pojasnog filtra (BP) smještenog ispod M1.(c) Pogled na presjek u okomitom smjeru, s preklapanjem C0 i C1-C9.
Širina otvora u vodoravnom smjeru, označena širinom C0 na sl. 2, c, iznosi 1 mm, a u smjeru okomitom na ravninu sl. 2, c, zadana konstrukcijom aluminijskog nosača, – 7 mm.Naime, novi devetobojni spektrometar ima veliki otvor blende od 1 mm × 7 mm.Optički put C4 najduži je među C1-C9, a optički put C4 unutar niza dikroičnog zrcala, zbog gornje ultra male veličine (29 mm × 31 mm × 6 mm), iznosi 12 mm.U isto vrijeme, duljina optičkog puta C5 je najkraća među C1-C9, a duljina optičkog puta C5 je 5,7 mm.Stoga je najveća razlika u duljini optičkog puta 6,3 mm.Gore navedene duljine optičkog puta korigirane su za duljinu optičkog puta za optički prijenos M1-M9 i BP (od kvarca).
Spektralna svojstva M1−M9 i VR izračunata su tako da su fluksevi S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8 i S9 u rasponu valnih duljina 520–540, 540–560, 560–580, 580 –600 nm, 600–620, 620–640, 640–660, 660–680 i 680–700 nm.
Fotografija proizvedene matrice dekakromatskih zrcala prikazana je na sl. 3a.M1-M9 i BP zalijepljeni su na nagib od 45° odnosno vodoravnu ravninu aluminijskog nosača, dok su M1 i BP skriveni na stražnjoj strani figure.
Proizvodnja niza dekanskih ogledala i demonstracija.(a) Niz proizvedenih dekakromatskih zrcala.(b) Razdijeljena slika od 1 mm × 7 mm u devet boja projicirana na list papira postavljen ispred niza dekakromatskih zrcala i osvijetljen bijelim svjetlom.(c) Niz dekokromatskih zrcala osvijetljenih bijelim svjetlom odostraga.(d) Mlaz od devet boja koji se cijepa iz niza dekanskih zrcala, opažen postavljanjem dimom ispunjenog akrilnog spremnika ispred niza dekanskih zrcala na c i zamračivanjem prostorije.
Izmjereni transmisijski spektar M1-M9 C0 pri upadnom kutu od 45° i izmjereni transmisijski spektar BP C0 pri upadnom kutu od 0° prikazani su na sl.4a.Transmisijski spektri C1-C9 u odnosu na C0 prikazani su na sl.4b.Ovi spektri su izračunati iz spektara na sl.4a u skladu s optičkim putem C1-C9 na sl. 4a.1b i 2c.Na primjer, 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)], gdje su TS(X) i [ 1 − TS(X)] su spektri transmisije i refleksije X-a.Kao što je prikazano na slici 4b, propusnosti (propusnost ≥50%) za C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 i C9 su 521-540, 541-562, 563-580, 581-602, 603 -623, 624-641, 642-657, 659-680 i 682-699 nm.Ovi rezultati su u skladu s razvijenim rasponima.Osim toga, učinkovitost iskorištenja C0 svjetlosti je visoka, odnosno prosječna maksimalna C1-C9 propusnost svjetlosti je 92%.
Transmisijski spektri dikroičnog zrcala i rascijepljenog devetobojnog toka.(a) Izmjereni spektri transmisije M1-M9 pri upadu od 45° i BP pri upadu od 0°.(b) Transmisijski spektri C1–C9 u odnosu na C0 izračunati iz (a).
Na sl.3c, niz dikroičnih zrcala smješten je okomito, tako da je njegova desna strana na slici 3a gornja strana, a bijela zraka kolimiranog LED-a (C0) osvijetljena je pozadi.Niz dekakromatskih zrcala prikazan na slici 3a montiran je u adapter dimenzija 54 mm (visina) × 58 mm (dubina) × 8,5 mm (debljina).Na sl.3d, uz stanje prikazano na sl.3c, akrilni spremnik ispunjen dimom postavljen je ispred niza dekokromatskih zrcala, sa ugašenim svjetlima u sobi.Kao rezultat toga, u spremniku je vidljivo devet dikroičnih tokova koji izviru iz niza dekakromatskih zrcala.Svaki podijeljeni tok ima pravokutni presjek dimenzija 1 × 7 mm, što odgovara veličini otvora novog spektrometra s devet boja.Na slici 3b, list papira postavljen je ispred niza dikroičnih zrcala na slici 3c, a slika 1 x 7 mm od devet dikroičnih struja projiciranih na papir promatrana je iz smjera kretanja papira.potoci.Devet tokova odvajanja boja na sl.3b i d su C4, C3, C2, C1, C5, C6, C7, C8 i C9 odozgo prema dolje, što se također može vidjeti na slikama 1 i 2. 1b i 2c.Promatraju se u bojama koje odgovaraju njihovim valnim duljinama.Zbog niskog intenziteta bijele svjetlosti LED-a (vidi dodatnu sliku S3) i osjetljivosti kamere u boji koja se koristi za snimanje C9 (682–699 nm) na slici. Drugi tokovi razdvajanja su slabi.Slično, C9 je bio slabo vidljiv golim okom.U međuvremenu, C2 (drugi tok od vrha) izgleda zeleno na slici 3, ali izgleda više žuto golim okom.
Prijelaz sa slike 3c na d prikazan je u dodatnom videu 1. Odmah nakon što bijelo svjetlo iz LED-a prođe kroz niz dekakromatskih zrcala, ono se simultano dijeli u devet tokova boja.Na kraju se dim u bačvi postupno razišao od vrha prema dolje, tako da je i devet obojenih prahova nestalo od vrha prema dolje.Nasuprot tome, u dodatnom videu 2, kada je valna duljina svjetlosnog toka koji pada na niz dekakromatskih zrcala promijenjena iz duge u kratku u redoslijedu od 690, 671, 650, 632, 610, 589, 568, 550 i 532 nm ., Prikazuju se samo odgovarajući podijeljeni tokovi od devet podijeljenih tokova u redoslijedu C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 i C1.Akrilni spremnik zamijenjen je kvarcnim bazenom, a pahuljice svakog usmjerenog toka mogu se jasno promatrati iz nagnutog smjera prema gore.Dodatno, sub-video 3 se montira tako da se dio s promjenom valne duljine sub-video 2 ponovno reproducira.Ovo je najelokventniji izraz karakteristika dekokromatskog niza zrcala.
Gore navedeni rezultati pokazuju da proizvedeni niz dekakromatskih zrcala ili novi spektrometar s devet boja radi kako treba.Novi spektrometar s devet boja formiran je postavljanjem niza dekakromatskih zrcala s adapterima izravno na ploču senzora slike.
Svjetlosni tok s rasponom valne duljine od 400 do 750 nm, koji emitiraju četiri točke zračenja φ50 μm, smještene u intervalima od 1 mm u smjeru okomitom na ravninu slike 2c, odnosno istraživanja 31, 34. Niz od četiri leće sastoji se od četiri leće φ1 mm sa žarišnom duljinom od 1,4 mm i korakom od 1 mm.Četiri kolimirane struje (četiri C0) padaju na DP novog spektrometra s devet boja, raspoređenih u intervalima od 1 mm.Niz dikroičnih zrcala dijeli svaki tok (C0) u devet tokova boja (C1-C9).Rezultirajućih 36 struja (četiri seta C1-C9) zatim se ubrizgavaju izravno u CMOS (S) senzor slike izravno povezan s nizom dikroičnih zrcala.Kao rezultat toga, kao što je prikazano na slici 5a, zbog male maksimalne razlike optičkog puta i kratkog maksimalnog optičkog puta, slike svih 36 potoka detektirane su istovremeno i jasno iste veličine.Prema spektrima nizvodno (vidi dodatnu sliku S4), intenzitet slike četiri skupine C1, C2 i C3 relativno je nizak.Trideset i šest slika bilo je veličine 0,57 ± 0,05 mm (srednja vrijednost ± SD).Tako je povećanje slike u prosjeku iznosilo 11,4.Okomiti razmak između slika u prosjeku je 1 mm (isti razmak kao kod niza leća), a vodoravni razmak u prosjeku 1,6 mm (isti razmak kao kod niza dikroičnog zrcala).Budući da je veličina slike puno manja od udaljenosti između slika, svaka se slika može mjeriti neovisno (s niskim preslušavanjem).U međuvremenu, slike dvadeset i osam tokova snimljenih konvencionalnim spektrometrom sa sedam boja korištenim u našoj prethodnoj studiji prikazane su na slici 5 B. Niz od sedam dikroičnih zrcala stvoren je uklanjanjem dva krajnja desna dikroična zrcala iz niza od devet dikroičnih zrcala. ogledala na slici 1a.Nisu sve slike oštre, veličina slike se povećava od C1 do C7.Dvadeset osam slika veličine je 0,70 ± 0,19 mm.Stoga je teško održati visoku rezoluciju na svim slikama.Koeficijent varijacije (CV) za veličinu slike 28 na slici 5b bio je 28%, dok je CV za veličinu slike 36 na slici 5a smanjen na 9%.Gore navedeni rezultati pokazuju da novi spektrometar s devet boja ne samo da povećava broj istovremeno mjerenih boja sa sedam na devet, već ima i visoku rezoluciju slike za svaku boju.
Usporedba kvalitete razdvojene slike dobivene konvencionalnim i novim spektrometrima.(a) Četiri skupine slika odvojenih u devet boja (C1-C9) generiranih novim spektrometrom u devet boja.(b) Četiri seta slika odvojenih u sedam boja (C1-C7) formiranih konvencionalnim spektrometrom u sedam boja.Fluksevi (C0) s valnim duljinama od 400 do 750 nm iz četiri točke emisije kolimiraju se i padaju na svaki spektrometar.
Spektralne karakteristike spektrometra s devet boja procijenjene su eksperimentalno, a rezultati procjene prikazani su na slici 6. Imajte na umu da slika 6a prikazuje iste rezultate kao i slika 5a, tj. na valnim duljinama od 4 C0 400–750 nm detektirano je svih 36 slika. (4 skupine C1–C9).Naprotiv, kao što je prikazano na sl. 6b–j, kada svaki C0 ima određenu valnu duljinu od 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 ili 690 nm, postoje gotovo samo četiri odgovarajuće slike (četiri otkrivene skupine C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 ili C9).Međutim, neke od slika uz četiri odgovarajuće slike vrlo su slabo detektirane jer se spektri prijenosa C1–C9 prikazani na slici 4b malo preklapaju i svaki C0 ima pojas od 10 nm na specifičnoj valnoj duljini kako je opisano u metodi.Ovi rezultati su u skladu s C1-C9 transmisijskim spektrom prikazanim na sl.4b i dodatne videozapise 2 i 3. Drugim riječima, spektrometar s devet boja radi kako se očekuje na temelju rezultata prikazanih na sl.4b.Stoga se zaključuje da je distribucija intenziteta slike C1-C9 spektar svakog C0.
Spektralne karakteristike spektrometra s devet boja.Novi spektrometar s devet boja generira četiri seta slika odvojenih s devet boja (C1-C9) kada upadna svjetlost (četiri C0) ima valnu duljinu od (a) 400-750 nm (kao što je prikazano na slici 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, odnosno.
Razvijeni spektrometar s devet boja korišten je za četverokapilarnu elektroforezu (za detalje, vidi dopunske materijale)31,34,35.Matrica od četiri kapilare sastoji se od četiri kapilare (vanjski promjer 360 μm i unutarnji promjer 50 μm) smještene u intervalima od 1 mm na mjestu laserskog zračenja.Uzorci koji sadrže fragmente DNA obilježene s 8 boja, naime FL-6C (boja 1), JOE-6C (boja 2), dR6G (boja 3), TMR-6C (boja 4), CXR-6C (boja 5), ​​TOM- 6C (boja 6), LIZ (boja 7) i WEN (boja 8) u rastućem redoslijedu fluorescentne valne duljine, odvojene u svakoj od četiri kapilare (u daljnjem tekstu Cap1, Cap2, Cap3 i Cap4).Laserski inducirana fluorescencija iz Cap1-Cap4 je kolimirana s nizom od četiri leće i istovremeno snimljena spektrometrom s devet boja.Dinamika intenziteta devetobojne (C1-C9) fluorescencije tijekom elektroforeze, odnosno devetobojni elektroforegram svake kapilare, prikazan je na slici 7a.Ekvivalentni elektroforegram od devet boja dobiva se u Cap1-Cap4.Kao što je naznačeno strelicama Cap1 na slici 7a, osam vrhova na svakom elektroforegramu od devet boja prikazuje jednu fluorescentnu emisiju iz Dye1-Dye8.
Simultana kvantifikacija osam boja korištenjem spektrometra za elektroforezu s devet boja i četiri kapilare.(a) Elektroforegram svake kapilare u devet boja (C1-C9).Osam vrhova označenih strelicama Cap1 prikazuje pojedinačne fluorescencijske emisije osam boja (Dye1-Dye8).Boje strelica odgovaraju bojama (b) i (c).(b) Spektri fluorescencije osam boja (Boja1-Boja8) po kapilari.c Elektroferogrami osam boja (Boja1-Boja8) po kapilari.Vrhovi fragmenata DNA obilježenih Dye7 označeni su strelicama, a njihove duljine baza Cap4 su naznačene.
Distribucije intenziteta C1-C9 na osam vrhova prikazane su na sl.7b, odnosno.Budući da su i C1-C9 i Dye1-Dye8 poredani po valnim duljinama, osam distribucija na slici 7b prikazuje spektre fluorescencije Dye1-Dye8 slijeva nadesno.U ovoj studiji Dye1, Dye2, Dye3, Dye4, Dye5, Dye6, Dye7 i Dye8 pojavljuju se redom u magenta, ljubičastoj, plavoj, cijan, zelenoj, žutoj, narančastoj i crvenoj boji.Imajte na umu da boje strelica na slici 7a odgovaraju bojama boje na slici 7b.Intenziteti C1-C9 fluorescencije za svaki spektar na slici 7b normalizirani su tako da je njihov zbroj jednak jedan.Osam ekvivalentnih fluorescentnih spektara dobiveno je iz Cap1-Cap4.Može se jasno uočiti spektralno preklapanje fluorescencije između boje 1 i boje 8.
Kao što je prikazano na slici 7c, za svaku kapilaru, elektroforegram s devet boja na slici 7a pretvoren je u elektroferogram s osam boja višekomponentnom analizom na temelju osam fluorescentnih spektara na slici 7b (pogledajte dodatne materijale za detalje).Budući da spektralno preklapanje fluorescencije na slici 7a nije prikazano na slici 7c, Dye1-Dye8 može se identificirati i kvantificirati pojedinačno u svakoj vremenskoj točki, čak i ako različite količine Dye1-Dye8 fluoresciraju u isto vrijeme.To se ne može učiniti tradicionalnom detekcijom sedam boja31, ali se može postići razvijenom detekcijom devet boja.Kao što je prikazano strelicama Cap1 na slici 7c, samo fluorescentne emisije pojedinačnih Dye3 (plavo), Dye8 (crveno), Dye5 (zeleno), Dye4 (cijan), Dye2 (ljubičasto), Dye1 (magenta) i Dye6 (žuto) ) promatraju se očekivanim kronološkim redom.Za fluorescentnu emisiju boje 7 (narančasto), osim jednog vrha označenog narančastom strelicom, uočeno je nekoliko drugih pojedinačnih vrhova.Ovaj rezultat je rezultat činjenice da su uzorci sadržavali standarde veličine, Dye7 označene fragmente DNK s različitim duljinama baza.Kao što je prikazano na slici 7c, za Cap4 ove duljine baze su 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214 i 220 duljine baze.
Glavne značajke devetobojnog spektrometra, razvijenog korištenjem matrice dvoslojnih dikroičnih zrcala, su mala veličina i jednostavan dizajn.Budući da je niz dekakromatskih zrcala unutar adaptera prikazan na sl.3c montiran izravno na ploču senzora slike (vidi sl. S1 i S2), devetobojni spektrometar ima iste dimenzije kao adapter, tj. 54 × 58 × 8,5 mm.(debljina) .Ova ultra-mala veličina je dva do tri reda veličine manja od konvencionalnih spektrometara koji koriste rešetke ili prizme.Osim toga, budući da je spektrometar s devet boja konfiguriran tako da svjetlost pada na površinu senzora slike okomito, prostor se može lako dodijeliti za spektrometar s devet boja u sustavima kao što su mikroskopi, protočni citometri ili analizatori.Analizator elektroforeze s kapilarnom rešetkom za još veću minijaturizaciju sustava.U isto vrijeme, veličina deset dikroičnih zrcala i pojasnih filtara koji se koriste u spektrometru s devet boja je samo 10×1,9×0,5 mm ili 15×1,9×0,5 mm.Stoga se više od 100 takvih malih dikroičnih zrcala odnosno pojasnih filtara može izrezati iz dikroičnog zrcala odnosno 60 mm2 pojasnog filtra.Stoga se niz dekakromatskih zrcala može proizvesti po niskoj cijeni.
Još jedna značajka spektrometra s devet boja su njegove izvrsne spektralne karakteristike.Konkretno, omogućuje dobivanje spektralnih slika snimaka, odnosno istovremeno dobivanje slika sa spektralnim informacijama.Za svaku sliku dobiven je kontinuirani spektar s rasponom valnih duljina od 520 do 700 nm i rezolucijom od 20 nm.Drugim riječima, devet intenziteta boje svjetlosti detektira se za svaku sliku, tj. devet vrpci od 20 nm koje jednako dijele raspon valnih duljina od 520 do 700 nm.Promjenom spektralnih karakteristika dikroičnog zrcala i pojasnog filtra, može se podesiti raspon valne duljine od devet vrpci i širina svake vrpce.Detekcija devet boja može se koristiti ne samo za mjerenja fluorescencije pomoću spektralnog snimanja (kao što je opisano u ovom izvješću), već i za mnoge druge uobičajene primjene pomoću spektralnog snimanja.Iako hiperspektralno snimanje može detektirati stotine boja, utvrđeno je da čak i uz značajno smanjenje broja boja koje se mogu detektirati, višestruki objekti u vidnom polju mogu se identificirati s dovoljnom točnošću za mnoge primjene38,39,40.Budući da prostorna razlučivost, spektralna razlučivost i vremenska razlučivost imaju kompromis u spektralnom prikazu slike, smanjenje broja boja može poboljšati prostornu i vremensku razlučivost.Također može koristiti jednostavne spektrometre poput onog razvijenog u ovoj studiji i dodatno smanjiti količinu računanja.
U ovoj studiji, osam boja je kvantificirano istovremeno spektralnim odvajanjem njihovih preklapajućih fluorescentnih spektara na temelju detekcije devet boja.Istovremeno se može kvantificirati do devet boja koje koegzistiraju u vremenu i prostoru.Posebna prednost spektrometra s devet boja je njegov veliki svjetlosni tok i veliki otvor blende (1 × 7 mm).Niz dekanskih zrcala ima maksimalni prijenos od 92% svjetlosti iz otvora blende u svakom od devet raspona valnih duljina.Učinkovitost korištenja upadne svjetlosti u rasponu valnih duljina od 520 do 700 nm je gotovo 100%.U tako širokom rasponu valnih duljina niti jedna difrakcijska rešetka ne može pružiti tako visoku učinkovitost korištenja.Čak i ako difrakcijska učinkovitost difrakcijske rešetke prelazi 90% na određenoj valnoj duljini, kako se razlika između te valne duljine i određene valne duljine povećava, difrakcijska učinkovitost na drugoj valnoj duljini opada41.Širina otvora blende okomita na smjer ravnine na slici 2c može se proširiti sa 7 mm na širinu senzora slike, kao u slučaju senzora slike korištenog u ovoj studiji, laganom modificiranjem niza dekamera.
Spektrometar s devet boja može se koristiti ne samo za kapilarnu elektroforezu, kao što je prikazano u ovoj studiji, već i za razne druge svrhe.Na primjer, kao što je prikazano na donjoj slici, spektrometar s devet boja može se primijeniti na fluorescentni mikroskop.Ravnina uzorka prikazuje se na senzoru slike spektrometra s devet boja kroz objektiv 10x.Optička udaljenost između leće objektiva i senzora slike je 200 mm, dok je optička udaljenost između upadne površine spektrometra s devet boja i senzora slike samo 12 mm.Stoga je slika izrezana približno na veličinu otvora (1 × 7 mm) u ravnini upada i podijeljena na devet slika u boji.To jest, spektralna slika snimke od devet boja može se snimiti na površini od 0,1×0,7 mm u ravnini uzorka.Osim toga, moguće je dobiti spektralnu sliku u devet boja većeg područja na ravnini uzorka skeniranjem uzorka u odnosu na objektiv u vodoravnom smjeru na slici 2c.
Komponente dekakromatskog niza zrcala, naime M1-M9 i BP, izradio je po narudžbi Asahi Spectra Co., Ltd. koristeći standardne metode taloženja.Višeslojni dielektrični materijali naneseni su pojedinačno na deset kvarcnih ploča veličine 60 × 60 mm i debljine 0,5 mm, ispunjavajući sljedeće zahtjeve: M1: IA = 45°, R ≥ 90% na 520–590 nm, Tave ≥ 90% na 610– 610 nm.700 nm, M2: IA = 45°, R ≥ 90% na 520-530 nm, Tave ≥ 90% na 550-600 nm, M3: IA = 45°, R ≥ 90% na 540-550 nm, Tave ≥ 90 % na 570–600 nm, M4: IA = 45°, R ≥ 90 % na 560–570 nm, Tave ≥ 90 % na 590–600 nm, M5: IA = 45 °, R ≥ 98 % na 580–600 nm , R ≥ 98% na 680–700 nm, M6: IA = 45°, Tave ≥ 90% na 600–610 nm, R ≥ 90% na 630–700 nm, M7: IA = 45°, R ≥ 90% na 620–630 nm, Taw ≥ 90% na 650–700 nm, M8: IA = 45°, R ≥ 90% na 640–650 nm, Taw ≥ 90% na 670–700 nm, M9: IA = 45°, R ≥ 90% na 650-670 nm, Tave ≥ 90% na 690-700 nm, BP: IA = 0°, T ≤ 0,01% na 505 nm, Tave ≥ 95% na 530-690 nm na 530 nm T ≥ 90% na -690 nm i T ≤ 1% na 725-750 nm, gdje su IA, T, Tave i R upadni kut, propusnost, prosječna propusnost i refleksija nepolarizirane svjetlosti.
Bijelo svjetlo (C0) s rasponom valnih duljina od 400-750 nm koje emitira LED izvor svjetlosti (AS 3000, AS ONE CORPORATION) je kolimirano i upada okomito na DP niza dikroičnih zrcala.Spektar bijele svjetlosti LED dioda prikazan je na dodatnoj slici S3.Postavite akrilni spremnik (dimenzija 150 × 150 × 30 mm) izravno ispred zrcalnog niza dekamera, nasuprot PSU.Dim nastao kad je suhi led uronjen u vodu zatim je izliven u akrilni spremnik kako bi se promatrali razdvojeni tokovi od devet boja C1-C9 koji izviru iz niza dekakromatskih zrcala.
Alternativno, kolimirana bijela svjetlost (C0) prolazi kroz filtar prije ulaska u DP.Filtri su izvorno bili filtri neutralne gustoće s optičkom gustoćom od 0,6.Zatim upotrijebite motorizirani filtar (FW212C, FW212C, Thorlabs).Na kraju ponovno uključite ND filter.Propusi devet pojasnih filtara odgovaraju redom C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 i C1.Kvarcna ćelija s unutarnjim dimenzijama 40 (optička duljina) x 42,5 (visina) x 10 mm (širina) postavljena je ispred niza dekokromatskih zrcala, nasuprot BP.Dim se zatim dovodi kroz cijev u kvarcnu ćeliju kako bi se održala koncentracija dima u kvarcnoj ćeliji kako bi se vizualizirali razdvojeni tokovi od devet boja C1-C9 koji izviru iz niza dekakromatskih zrcala.
Video devetobojnog razdvojenog svjetlosnog toka koji izvire iz niza dekanskih zrcala snimljen je u režimu ubrzanog snimanja na iPhoneu XS.Snimite slike scene brzinom od 1 fps i kompajlirajte slike za izradu videozapisa pri 30 fps (za izborni video 1) ili 24 fps (za izborne videozapise 2 i 3).
Stavite ploču od nehrđajućeg čelika debljine 50 µm (s četiri rupe promjera 50 µm u razmacima od 1 mm) na difuzijsku ploču.Svjetlost valne duljine od 400-750 nm zrači se na ploču difuzora, dobivenu propuštanjem svjetlosti halogene žarulje kroz kratki prijenosni filtar s graničnom valnom duljinom od 700 nm.Spektar svjetlosti prikazan je na dodatnoj slici S4.Alternativno, svjetlost također prolazi kroz jedan od 10 nm bandpass filtara centriran na 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 i 690 nm i pogađa ploču difuzora.Kao rezultat toga, četiri točke zračenja promjera φ50 μm i različitih valnih duljina formirane su na ploči od nehrđajućeg čelika nasuprot ploče difuzora.
Niz od četiri kapilare s četiri leće postavljen je na spektrometar s devet boja kao što je prikazano na slikama 1 i 2. C1 i C2.Četiri kapilare i četiri leće bile su iste kao u prethodnim studijama31,34.Laserska zraka valne duljine 505 nm i snage 15 mW istovremeno se i ravnomjerno zrači sa strane na točke emisije četiriju kapilara.Fluorescencija koju emitira svaka emisijska točka je kolimirana odgovarajućom lećom i odvojena u devet tokova boja nizom dekakromatskih zrcala.Rezultirajućih 36 struja je zatim izravno ubrizgano u CMOS senzor slike (C11440–52U, Hamamatsu Photonics K·K.), a njihove slike su istovremeno snimljene.
ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit (Applied Biosystems), 4 µl GeneScan™ 600 LIZ™ boje pomiješano je za svaku kapilaru miješanjem 1 µl PowerPlex® 6C Matrix Standard (Promega Corporation), 1 µl standarda veličine mješavine.v2.0 (Thermo Fisher Scientific) i 14 µl vode.PowerPlex® 6C Matrix Standard sastoji se od šest fragmenata DNA označenih sa šest boja: FL-6C, JOE-6C, TMR-6C, CXR-6C, TOM-6C i WEN, redoslijedom maksimalne valne duljine.Duljine baza ovih fragmenata DNK nisu otkrivene, ali je poznata sekvenca dužine baza fragmenata DNK označenih s WEN, CXR-6C, TMR-6C, JOE-6C, FL-6C i TOM-6C.Smjesa u ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kitu sadrži fragment DNK označen dR6G bojom.Duljine baza fragmenata DNK također nisu otkrivene.GeneScan™ 600 LIZ™ Dye Size Standard v2.0 uključuje 36 LIZ-označenih DNA fragmenata.Duljine baza ovih fragmenata DNK su 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 i 600 baza.Uzorci su denaturirani na 94°C 3 minute, zatim ohlađeni na ledu 5 minuta.Uzorci su ubrizgani u svaku kapilaru pri 26 V/cm tijekom 9 s i odvojeni u svakoj kapilari ispunjenoj otopinom polimera POP-7™ (Thermo Fisher Scientific) s efektivnom duljinom od 36 cm i naponom od 181 V/cm i kut od 60°.IZ.
Svi podaci dobiveni ili analizirani tijekom ove studije uključeni su u ovaj objavljeni članak i njegove dodatne informacije.Ostali podaci relevantni za ovu studiju dostupni su od dotičnih autora na opravdan zahtjev.
Khan, MJ, Khan, HS, Yousaf, A., Khurshid, K. i Abbas, A. Trenutačni trendovi u analizi hiperspektralne slike: pregled.Pristup IEEE 6, 14118–14129.https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2812999 (2018).
Vaughan, AH Astronomska interferometrijska Fabry-Perot spektroskopija.instalirati.Velečasni Astron.astrofizika.5, 139-167.https://doi.org/10.1146/annurev.aa.05.090167.001035 (1967).
Goetz, AFH, Wein, G., Solomon, JE i Rock, BN Spektroskopija slika Zemlje daljinskim očitavanjem.Znanost 228, 1147–1153.https://doi.org/10.1126/science.228.4704.1147 (1985).
Yokoya, N., Grohnfeldt, C. i Chanussot, J. Fuzija hiperspektralnih i multispektralnih podataka: usporedni pregled novijih publikacija.IEEE znanosti o Zemlji.Časopis za daljinska istraživanja.5:29–56.https://doi.org/10.1109/MGRS.2016.2637824 (2017).
Gowen, AA, O'Donnell, SP, Cullen, PJ, Downey, G. i Frias, JM Hiperspektralno snimanje novi je analitički alat za kontrolu kvalitete i sigurnosti hrane.Trendovi u znanosti o hrani.tehnologija.18, 590-598.https://doi.org/10.1016/j.tifs.2007.06.001 (2007).
ElMasri, G., Mandour, N., Al-Rejaye, S., Belin, E. i Rousseau, D. Nedavne primjene multispektralnog snimanja za praćenje fenotipa i kvalitete sjemena – pregled.Senzori 19, 1090 (2019).
Liang, H. Napredak u multispektralnom i hiperspektralnom slikanju za arheologiju i očuvanje umjetnina.Prijavite se za fizički 106, 309–323.https://doi.org/10.1007/s00339-011-6689-1 (2012).
Edelman GJ, Gaston E., van Leeuwen TG, Cullen PJ i Alders MKG Hiperspektralna slika za beskontaktnu analizu forenzičkih tragova.Kriminalistika.unutarnje 223, 28-39.https://doi.org/10.1016/j.forsciint.2012.09.012 (2012).