rustfritt stål 321 8*1,2 kveilrør for varmeveksler

Kapillærrør

Takk for at du besøker Nature.com.Du bruker en nettleserversjon med begrenset CSS-støtte.For den beste opplevelsen anbefaler vi at du bruker en oppdatert nettleser (eller deaktiverer kompatibilitetsmodus i Internet Explorer).I tillegg, for å sikre kontinuerlig støtte, viser vi nettstedet uten stiler og JavaScript.
Viser en karusell med tre lysbilder samtidig.Bruk Forrige og Neste-knappene for å gå gjennom tre lysbilder om gangen, eller bruk skyveknappene på slutten for å gå gjennom tre lysbilder om gangen.
Et ultrakompakt (54 × 58 × 8,5 mm) og ni-farget spektrometer med bred åpning (1 × 7 mm) ble utviklet, "delt i to" av en rekke av ti dikroiske speil, som ble brukt til øyeblikkelig spektral avbildning.Den innfallende lysfluksen med et tverrsnitt mindre enn blenderstørrelsen er delt inn i en kontinuerlig stripe 20 nm bred og ni fargeflukser med sentrale bølgelengder på 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 og 690 nm.Bilder av ni fargestrømmer måles effektivt av bildesensoren samtidig.I motsetning til konvensjonelle dikroiske speilmatriser, har den utviklede dikroiske speilmatrisen en unik todelt konfigurasjon, som ikke bare øker antallet farger som kan måles samtidig, men også forbedrer bildeoppløsningen for hver fargestrøm.Det utviklede ni-fargespektrometeret brukes til fire-kapillær elektroforese.Samtidig kvantitativ analyse av åtte fargestoffer som migrerer samtidig i hver kapillær ved bruk av ni-farger laserindusert fluorescens.Siden ni-fargespektrometeret ikke bare er ultralitent og billig, men også har høy lysstrøm og tilstrekkelig spektral oppløsning for de fleste spektrale avbildningsapplikasjoner, kan det brukes mye på forskjellige felt.
Hyperspektral og multispektral avbildning har blitt en viktig del av astronomi2, fjernmåling for jordobservasjon3,4, kvalitetskontroll av mat og vann5,6, kunstbevaring og arkeologi7, rettsmedisin8, kirurgi9, biomedisinsk analyse og diagnostikk10,11 osv. Felt 1 En uunnværlig teknologi ,12,13.Metoder for måling av lysspekteret som sendes ut av hvert emisjonspunkt i synsfeltet er delt inn i (1) punktskanning ("kost")14,15, (2) lineær skanning ("panikk")16,17,18 , (3) lengde skanner bølger19,20,21 og (4) bilder22,23,24,25.For alle disse metodene har romlig oppløsning, spektral oppløsning og tidsoppløsning et avveiningsforhold9,10,12,26.I tillegg har lyseffekten en betydelig innvirkning på sensitiviteten, dvs. signal-til-støy-forholdet i spektral avbildning26.Lysstrømmen, det vil si effektiviteten ved bruk av lys, er direkte proporsjonal med forholdet mellom den faktisk målte lysmengden for hvert lyspunkt per tidsenhet og den totale lysmengden i det målte bølgelengdeområdet.Kategori (4) er en hensiktsmessig metode når intensiteten eller spekteret av lys som sendes ut av hvert emitterende punkt endres med tiden eller når posisjonen til hvert emitterende punkt endres med tiden fordi lysspekteret som sendes ut av alle emitterende punkter måles samtidig.24.
De fleste av metodene ovenfor er kombinert med store, komplekse og/eller dyre spektrometre som bruker 18 gitter eller 14, 16, 22, 23 prismer for klassene (1), (2) og (4) eller 20, 21 filterskiver, væskefiltre .Krystallinske avstembare filtre (LCTF)25 eller akusto-optiske avstembare filtre (AOTF)19 av kategori (3).Derimot er kategori (4) multi-speilspektrometre små og rimelige på grunn av deres enkle konfigurasjon27,28,29,30.I tillegg har de en høy lysstrøm fordi lyset som deles av hvert dikroisk speil (det vil si det transmitterte og reflekterte lyset fra det innfallende lyset på hvert dikroisk speil) brukes fullt ut og kontinuerlig.Imidlertid er antallet bølgelengdebånd (dvs. farger) som må måles samtidig begrenset til omtrent fire.
Spektral avbildning basert på fluorescensdeteksjon er ofte brukt for multipleksanalyse i biomedisinsk deteksjon og diagnostikk 10, 13.Ved multipleksing, siden flere analytter (f.eks. spesifikke DNA eller proteiner) er merket med forskjellige fluorescerende fargestoffer, kvantifiseres hver analytt som er tilstede ved hvert emisjonspunkt i synsfeltet ved hjelp av multikomponentanalyse.32 bryter ned det detekterte fluorescensspekteret som sendes ut av hvert emisjonspunkt.Under denne prosessen kan forskjellige fargestoffer, som hver avgir en annen fluorescens, kolokalisere, det vil si sameksistere i rom og tid.For øyeblikket er det maksimale antallet fargestoffer som kan eksiteres av en enkelt laserstråle åtte33.Denne øvre grensen bestemmes ikke av den spektrale oppløsningen (dvs. antall farger), men av bredden på fluorescensspekteret (≥50 nm) og mengden av fargestoff Stokes shift (≤200 nm) ved FRET (ved bruk av FRET)10 .Imidlertid må antall farger være større enn eller lik antall fargestoffer for å eliminere den spektrale overlappingen av blandede fargestoffer31,32.Derfor er det nødvendig å øke antall samtidig målte farger til åtte eller flere.
Nylig er det utviklet et ultrakompakt heptykroisk spektrometer (som bruker en rekke heptykroiske speil og en bildesensor for å måle fire fluorescerende flukser).Spektrometret er to til tre størrelsesordener mindre enn konvensjonelle spektrometre som bruker gitter eller prismer34,35.Det er imidlertid vanskelig å plassere mer enn syv dikroiske speil i et spektrometer og samtidig måle mer enn syv farger36,37.Med en økning i antall dikroiske speil øker den maksimale forskjellen i lengdene til de optiske banene til dikroiske lysstrømmer, og det blir vanskelig å vise alle lysstrømmene på ett sanseplan.Den lengste optiske veilengden til lysfluksen øker også, slik at bredden på spektrometeråpningen (dvs. den maksimale bredden på lyset analysert av spektrometeret) avtar.
Som svar på problemene ovenfor ble det utviklet et ultrakompakt spektrometer med ni farger med en to-lags "dikroisk" dekakromatisk speilarray og en bildesensor for øyeblikkelig spektral avbildning [kategori (4)].Sammenlignet med tidligere spektrometre har det utviklede spektrometeret en mindre forskjell i maksimal optisk veilengde og en mindre maksimal optisk veilengde.Det har blitt brukt på fire-kapillær elektroforese for å oppdage laserindusert ni-farget fluorescens og for å kvantifisere den samtidige migreringen av åtte fargestoffer i hver kapillær.Siden det utviklede spektrometeret ikke bare er ultralite og rimelige, men også har en høy lysstrøm og tilstrekkelig spektral oppløsning for de fleste spektrale avbildningsapplikasjoner, kan det brukes mye på forskjellige felt.
Det tradisjonelle ni-fargespektrometeret er vist i fig.1a.Designet følger det til det forrige ultralille syvfargespektrometeret 31. Det består av ni dikroiske speil arrangert horisontalt i en vinkel på 45° til høyre, og bildesensoren (S) er plassert over de ni dikroiske speilene.Lyset som kommer inn nedenfra (C0) er delt av en rekke av ni dikroiske speil i ni lysstrømmer som går opp (C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 og C9).Alle de ni fargestrømmene mates direkte til bildesensoren og detekteres samtidig.I denne studien er C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 og C9 i rekkefølge etter bølgelengde og er representert av magenta, fiolett, blå, cyan, grønn, gul, oransje, rød-oransje og henholdsvis rødt.Selv om disse fargebetegnelsene brukes i dette dokumentet, som vist i figur 3, fordi de skiller seg fra de faktiske fargene sett av det menneskelige øyet.
Skjematiske diagrammer av konvensjonelle og nye ni-fargespektrometre.(a) Konvensjonelt ni-fargespektrometer med en rekke av ni dikroiske speil.(b) Nytt nifarget spektrometer med en to-lags dikroisk speilgruppe.Den innfallende lysstrømmen C0 er delt inn i ni fargede lysstrømmer C1-C9 og detekteres av bildesensoren S.
Det utviklede nye nifargespektrometeret har et to-lags dikroisk speilgitter og en bildesensor, som vist i fig. 1b.I det nedre sjiktet er fem dikroiske speil vippet 45° til høyre, justert til høyre fra midten av rekken av decamere.På øverste nivå er fem ekstra dikroiske speil vippet 45° til venstre og plassert fra midten til venstre.Det dikroiske speilet lengst til venstre i det nedre laget og det dikroiske speilet lengst til høyre i det øvre laget overlapper hverandre.Den innfallende lysfluksen (C0) er delt nedenfra i fire utgående kromatiske flukser (C1-C4) med fem dikroiske speil til høyre og fem utgående kromatiske flukser (C5-C4) med fem dikroiske speil på venstre C9).Som konvensjonelle ni-fargespektrometre, injiseres alle ni fargestrømmene direkte inn i bildesensoren (S) og detekteres samtidig.Ved å sammenligne figur 1a og 1b kan man se at i tilfellet med det nye ni-fargespektrometeret er både den maksimale forskjellen og den lengste optiske veilengden til de ni fargefluksene halvert.
Den detaljerte konstruksjonen av en ultraliten to-lags dikroisk speilgruppe 29 mm (bredde) × 31 mm (dybde) × 6 mm (høyde) er vist i figur 2. Den desimale dikroiske speilgruppen består av fem dikroiske speil til høyre (M1-M5) og fem dikroiske speil til venstre ( M6-M9 og en annen M5), hvert dikroisk speil er festet i den øvre aluminiumsbraketten.Alle dikroiske speil er forskjøvet for å kompensere for parallellforskyvning på grunn av refraksjon av strømmen gjennom speilene.Under M1 er et båndpassfilter (BP) festet.M1 og BP dimensjoner er 10 mm (langside) x 1,9 mm (kortside) x 0,5 mm (tykkelse).Dimensjonene til de gjenværende dikroiske speilene er 15 mm × 1,9 mm × 0,5 mm.Matrisestigningen mellom M1 og M2 er 1,7 mm, mens matrisestigningen til andre dikroiske speil er 1,6 mm.På fig.2c kombinerer den innfallende lysstrømmen C0 og ni fargede lysstrømmer C1-C9, atskilt av en de-kammermatrise av speil.
Konstruksjon av en to-lags dikroisk speilmatrise.(a) Et perspektivbilde og (b) et tverrsnitt av en to-lags dikroisk speilgruppe (dimensjoner 29 mm x 31 mm x 6 mm).Den består av fem dikroiske speil (M1-M5) plassert i det nedre laget, fem dikroiske speil (M6-M9 og en annen M5) plassert i det øvre laget, og et båndpassfilter (BP) plassert under M1.(c) Tverrsnitt i vertikal retning, med C0 og C1-C9 overlapping.
Bredden på åpningen i horisontal retning, indikert med bredden C0 i fig. 2, c, er 1 mm, og i retningen vinkelrett på planet i fig. 2, c, gitt av utformingen av aluminiumsbraketten, – 7 mm.Det vil si at det nye nifargespektrometeret har en stor blenderåpning på 1 mm × 7 mm.Den optiske banen til C4 er den lengste blant C1-C9, og den optiske banen til C4 inne i den dikroiske speilarrayen, på grunn av ovennevnte ultra-lite størrelse (29 mm × 31 mm × 6 mm), er 12 mm.Samtidig er den optiske veilengden til C5 den korteste blant C1-C9, og den optiske veilengden til C5 er 5,7 mm.Derfor er den maksimale forskjellen i optisk veilengde 6,3 mm.De optiske veilengdene ovenfor er korrigert for den optiske veilengden for optisk overføring av M1-M9 og BP (fra kvarts).
Spektralegenskapene til М1−М9 og VR er beregnet slik at fluksene С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8 og С9 er i bølgelengdeområdet 520–540, 540–560, 560–58080, 5 henholdsvis –600, 600–620, 620–640, 640–660, 660–680 og 680–700 nm.
Et fotografi av den produserte matrisen av dekakromatiske speil er vist i fig. 3a.M1-M9 og BP er limt til henholdsvis 45° skråning og horisontalplan på aluminiumsstøtten, mens M1 og BP er skjult på baksiden av figuren.
Produksjon av en rekke dekanspeil og demonstrasjon av det.(a) En rekke fabrikkerte dekakromatiske speil.(b) Et 1 mm × 7 mm ni-farget delt bilde projisert på et papirark plassert foran en rekke dekakromatiske speil og bakgrunnsbelyst med hvitt lys.(c) En rekke dekokromatiske speil opplyst med hvitt lys bakfra.(d) Ni-farget splittende strøm som kommer fra dekanspeilarrayen, observert ved å plassere en røykfylt akrylbeholder foran dekanspeilarrayen ved c og gjøre rommet mørkere.
De målte transmisjonsspektrene til M1-M9 CO ved en innfallsvinkel på 45° og det målte transmisjonsspekteret til BP CO ved en innfallsvinkel på 0° er vist i fig.4a.Transmisjonsspektrene til C1-C9 i forhold til CO er vist i fig.4b.Disse spektrene ble beregnet fra spektrene i fig.4a i samsvar med den optiske banen Cl-C9 i fig. 4a.1b og 2c.For eksempel, 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)], hvor TS(X) og [ 1 − TS(X)] er henholdsvis transmisjons- og refleksjonsspektra til X.Som vist i figur 4b er båndbreddene (båndbredde ≥50 %) til C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 og C9 521-540, 541-562, 563-580, 581-602, 603 -623, 624-641, 642-657, 659-680 og 682-699 nm.Disse resultatene stemmer overens med de utviklede områdene.I tillegg er utnyttelseseffektiviteten til C0-lys høy, det vil si at den gjennomsnittlige maksimale C1-C9-lystransmittansen er 92%.
Overføringsspektra av et dikroisk speil og en delt ni-fargers fluks.(a) Målte transmisjonsspektra av M1-M9 ved 45° insidens og BP ved 0° insidens.(b) Transmisjonsspektra for C1–C9 i forhold til C0 beregnet fra (a).
På fig.3c, er rekken av dikroiske speil plassert vertikalt, slik at dens høyre side i fig. 3a er oversiden og den hvite strålen til den kollimerte LED (CO) er bakgrunnsbelyst.Utvalget av dekakromatiske speil vist i figur 3a er montert i en 54 mm (høyde) × 58 mm (dybde) × 8,5 mm (tykkelse) adapter.På fig.3d, i tillegg til tilstanden vist i fig.3c ble en røykfylt akryltank plassert foran en rekke dekokromatiske speil, med lysene i rommet slått av.Som et resultat er ni dikroiske strømmer synlige i tanken, som kommer fra en rekke dekakromatiske speil.Hver delt strøm har et rektangulært tverrsnitt med dimensjoner på 1 × 7 mm, som tilsvarer blenderstørrelsen til det nye nifargespektrometeret.I figur 3b er et papirark plassert foran rekken av dikroiske speil i figur 3c, og et 1 x 7 mm bilde av ni dikroiske strømmer projisert på papiret observeres fra papirbevegelsesretningen.bekker.De ni fargeseparasjonsstrømmene i fig.3b og d er C4, C3, C2, C1, C5, C6, C7, C8 og C9 fra topp til bunn, som også kan sees i figurene 1 og 2. Ib og 2c.De observeres i farger som tilsvarer deres bølgelengder.På grunn av den lave hvite lysintensiteten til LED-en (se tilleggsfig. S3) og følsomheten til fargekameraet som brukes til å fange C9 (682–699 nm) i fig. Andre spaltningsstrømmer er svake.På samme måte var C9 svakt synlig for det blotte øye.I mellomtiden ser C2 (den andre strømmen fra toppen) grønn ut i figur 3, men ser mer gul ut med det blotte øye.
Overgangen fra figur 3c til d er vist i tilleggsvideo 1. Umiddelbart etter at det hvite lyset fra LED-en passerer gjennom den dekakromatiske speil-arrayen, deler den seg samtidig i ni fargestrømmer.Til slutt forsvant røyken i karet gradvis fra topp til bunn, slik at de ni fargede pulverene også forsvant fra topp til bunn.I motsetning til dette, i tilleggsvideo 2, da bølgelengden til lysfluksen som inntraff på rekken av dekakromatiske speil ble endret fra lange til korte i størrelsesorden 690, 671, 650, 632, 610, 589, 568, 550 og 532 nm ., Bare de tilsvarende delte strømmene av de ni delte strømmene i rekkefølgen C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 og C1 vises.Akrylreservoaret er erstattet av et kvartsbasseng, og flakene til hver shuntet strømning kan tydelig observeres fra skrånende oppadgående retning.I tillegg blir undervideoen 3 redigert slik at bølgelengdeforandringsdelen av undervideoen 2 avspilles på nytt.Dette er det mest veltalende uttrykket for egenskapene til et dekokromatisk utvalg av speil.
Resultatene ovenfor viser at den produserte dekakromatiske speilgruppen eller det nye nifargespektrometeret fungerer etter hensikten.Det nye nifargespektrometeret er dannet ved å montere en rekke dekakromatiske speil med adaptere direkte på bildesensorkortet.
Lysstrøm med et bølgelengdeområde fra 400 til 750 nm, utsendt av fire strålingspunkter φ50 μm, plassert med 1 mm intervaller i retningen vinkelrett på planet i fig. 2c, henholdsvis Forsker 31, 34. Fire-linse arrayen består av fire linser φ1 mm med en brennvidde på 1,4 mm og en pitch på 1 mm.Fire kollimerte bekker (fire C0) faller inn på DP-en til et nytt nifarget spektrometer, fordelt med 1 mm-intervaller.En rekke dikroiske speil deler hver strøm (C0) i ni fargestrømmer (C1-C9).De resulterende 36 strømmene (fire sett med C1-C9) injiseres deretter direkte inn i en CMOS (S) bildesensor direkte koblet til en rekke dikroiske speil.Som et resultat, som vist i fig. 5a, på grunn av den lille maksimale optiske veiforskjellen og den korte maksimale optiske banen, ble bildene av alle 36 strømmer detektert samtidig og tydelig med samme størrelse.I følge nedstrømsspektrene (se tilleggsfigur S4) er bildeintensiteten til de fire gruppene C1, C2 og C3 relativt lav.Trettiseks bilder var 0,57 ± 0,05 mm i størrelse (gjennomsnitt ± SD).Dermed var bildeforstørrelsen i gjennomsnitt 11,4.Den vertikale avstanden mellom bildene er gjennomsnittlig 1 mm (samme avstand som en linsematrise) og den horisontale avstanden er gjennomsnittlig 1,6 mm (samme avstand som en dikroisk speilmatrise).Fordi bildestørrelsen er mye mindre enn avstanden mellom bildene, kan hvert bilde måles uavhengig (med lav krysstale).I mellomtiden er bilder av tjueåtte strømmer tatt opp av det konvensjonelle syvfargespektrometeret brukt i vår forrige studie vist i fig. 5 B. Arrayen med syv dikroiske speil ble opprettet ved å fjerne de to dikroiske speilene lengst til høyre fra rekken av ni dikroiske speil. speil i figur 1a.Ikke alle bilder er skarpe, bildestørrelsen øker fra C1 til C7.Tjueåtte bilder er 0,70 ± 0,19 mm i størrelse.Dermed er det vanskelig å opprettholde høy oppløsning i alle bilder.Variasjonskoeffisienten (CV) for bildestørrelse 28 i figur 5b var 28 %, mens CV for bildestørrelse 36 i figur 5a sank til 9 %.Resultatene ovenfor viser at det nye ni-fargespektrometeret ikke bare øker antall samtidig målte farger fra syv til ni, men har også en høy bildeoppløsning for hver farge.
Sammenligning av kvaliteten på det delte bildet dannet av konvensjonelle og nye spektrometre.(a) Fire grupper med ni-fargeseparerte bilder (C1-C9) generert av det nye ni-fargespektrometeret.(b) Fire sett med syvfargeseparerte bilder (C1-C7) dannet med et konvensjonelt syvfarget spektrometer.Flukser (C0) med bølgelengder fra 400 til 750 nm fra fire emisjonspunkter kollimeres og faller inn på hvert spektrometer, henholdsvis.
Spektralegenskapene til nifargespektrometeret ble evaluert eksperimentelt og evalueringsresultatene er vist i figur 6. Merk at figur 6a viser de samme resultatene som figur 5a, dvs. ved bølgelengder på 4 C0 400–750 nm, blir alle 36 bildene oppdaget (4 grupper C1–C9).Tvert imot, som vist i fig. 6b–j, når hver CO har en spesifikk bølgelengde på 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 eller 690 nm, er det nesten bare fire tilsvarende bilder (fire grupper påvist C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 eller C9).Noen av bildene ved siden av de fire korresponderende bildene er imidlertid svært svakt detektert fordi C1–C9-overføringsspektrene vist i figur 4b overlapper litt og hver C0 har et 10 nm-bånd ved en spesifikk bølgelengde som beskrevet i metoden.Disse resultatene stemmer overens med C1-C9 transmisjonsspektra vist i fig.4b og tilleggsvideo 2 og 3. Med andre ord fungerer nifargespektrometeret som forventet basert på resultatene vist i fig.4b.Derfor konkluderes det med at bildeintensitetsfordelingen C1-C9 er spekteret til hver C0.
Spektralegenskaper til et ni-farget spektrometer.Det nye nifargespektrometeret genererer fire sett med nifargeseparerte bilder (C1-C9) når det innfallende lyset (fire C0) har en bølgelengde på (a) 400-750 nm (som vist i figur 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, hhv.
Det utviklede ni-fargespektrometeret ble brukt for fire-kapillær elektroforese (for detaljer, se tilleggsmaterialer)31,34,35.Fire-kapillærmatrisen består av fire kapillærer (ytre diameter 360 μm og indre diameter 50 μm) plassert med 1 mm intervaller på laserbestrålingsstedet.Prøver som inneholder DNA-fragmenter merket med 8 fargestoffer, nemlig FL-6C (farge 1), JOE-6C (farge 2), dR6G (farge 3), TMR-6C (farge 4), CXR-6C (farge 5), TOM- 6C (farge 6), LIZ (farge 7) og WEN (farge 8) i stigende rekkefølge av fluorescerende bølgelengde, separert i hver av fire kapillærer (heretter referert til som Cap1, Cap2, Cap3 og Cap4).Laserindusert fluorescens fra Cap1-Cap4 ble kollimert med en rekke av fire linser og registrert samtidig med et nifarget spektrometer.Intensitetsdynamikken til ni-farge (C1-C9) fluorescens under elektroforese, det vil si et ni-farget elektroforegram av hver kapillær, er vist i fig. 7a.Et ekvivalent elektroforegram i ni farger oppnås i Cap1-Cap4.Som indikert av Cap1-pilene i figur 7a, viser de åtte toppene på hvert ni-farget elektroforegram en fluorescensemisjon fra henholdsvis Dye1-Dye8.
Samtidig kvantifisering av åtte fargestoffer ved bruk av et ni-farget fire-kapillært elektroforesespektrometer.(a) Ni-farget (C1-C9) elektroforegram av hver kapillær.De åtte toppene indikert med piler Cap1 viser individuelle fluorescensutslipp av åtte fargestoffer (Dye1-Dye8).Fargene på pilene tilsvarer fargene (b) og (c).(b) Fluorescensspektra på åtte fargestoffer (Dye1-Dye8) per kapillær.c Elektroferogrammer av åtte fargestoffer (Dye1-Dye8) per kapillær.Toppene til Dye7-merkede DNA-fragmenter er indikert med piler, og deres Cap4-baselengder er indikert.
Intensitetsfordelingene til C1–C9 på åtte topper er vist i fig.7b, henholdsvis.Fordi både C1-C9 og Dye1-Dye8 er i bølgelengderekkefølge, viser de åtte fordelingene i fig. 7b fluorescensspektrene til Dye1-Dye8 sekvensielt fra venstre til høyre.I denne studien vises Dye1, Dye2, Dye3, Dye4, Dye5, Dye6, Dye7 og Dye8 i henholdsvis magenta, fiolett, blått, cyan, grønt, gult, oransje og rødt.Legg merke til at fargene på pilene i fig. 7a tilsvarer fargestofffargene i fig. 7b.C1-C9 fluorescensintensitetene for hvert spektrum i figur 7b ble normalisert slik at summen deres tilsvarer én.Åtte ekvivalente fluorescensspektra ble oppnådd fra Cap1-Cap4.Man kan tydelig observere den spektrale overlappingen av fluorescens mellom fargestoff 1-fargestoff 8.
Som vist i figur 7c, for hver kapillær, ble ni-fargeelektroforegrammet i figur 7a konvertert til et elektroferogram med åtte fargestoffer ved multikomponentanalyse basert på de åtte fluorescensspektrene i figur 7b (se tilleggsmaterialer for detaljer).Siden den spektrale overlappingen av fluorescens i figur 7a ikke vises i figur 7c, kan Dye1-Dye8 identifiseres og kvantifiseres individuelt på hvert tidspunkt, selv om forskjellige mengder Dye1-Dye8 fluorescerer samtidig.Dette kan ikke gjøres med tradisjonell syvfargers deteksjon31, men kan oppnås med den utviklede nifargersdeteksjonen.Som vist med pilene Cap1 i fig. 7c, er det bare de fluorescerende emisjonssinglene Dye3 (blå), Dye8 (rød), Dye5 (grønn), Dye4 (cyan), Dye2 (lilla), Dye1 (magenta) og Dye6 (Yellow). ) observeres i forventet kronologisk rekkefølge.For den fluorescerende emisjonen av fargestoff 7 (oransje), i tillegg til den enkle toppen indikert med den oransje pilen, ble flere andre enkelttopper observert.Dette resultatet skyldes det faktum at prøvene inneholdt størrelsesstandarder, Dye7-merkede DNA-fragmenter med forskjellige baselengder.Som vist i figur 7c, for Cap4 er disse baselengdene 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214 og 220 baselengder.
Hovedtrekkene til ni-fargespektrometeret, utviklet ved hjelp av en matrise av to-lags dikroiske speil, er liten størrelse og enkel design.Siden utvalget av dekakromatiske speil inne i adapteren vist i fig.3c montert direkte på bildesensorkortet (se fig. S1 og S2), har nifargespektrometeret samme dimensjoner som adapteren, dvs. 54 × 58 × 8,5 mm.(tykkelse).Denne ultra-lille størrelsen er to til tre størrelsesordener mindre enn konvensjonelle spektrometre som bruker gitter eller prismer.I tillegg, siden ni-fargespektrometeret er konfigurert slik at lys treffer overflaten av bildesensoren vinkelrett, kan det enkelt tildeles plass til ni-fargespektrometeret i systemer som mikroskoper, flowcytometre eller analysatorer.Kapillærgitter elektroforeseanalysator for enda større miniatyrisering av systemet.Samtidig er størrelsen på ti dikroiske speil og båndpassfiltre som brukes i ni-fargespektrometeret bare 10×1,9×0,5 mm eller 15×1,9×0,5 mm.Dermed kan mer enn 100 slike små dikroiske speil og båndpassfiltre henholdsvis kuttes fra et dikroisk speil og et 60 mm2 båndpassfilter.Derfor kan en rekke dekakromatiske speil produseres til en lav pris.
En annen funksjon ved ni-fargespektrometeret er dets utmerkede spektrale egenskaper.Spesielt tillater den innhenting av spektrale bilder av øyeblikksbilder, det vil si samtidig innhenting av bilder med spektral informasjon.For hvert bilde ble det oppnådd et kontinuerlig spektrum med et bølgelengdeområde fra 520 til 700 nm og en oppløsning på 20 nm.Med andre ord, ni fargeintensiteter av lys detekteres for hvert bilde, dvs. ni 20 nm-bånd som deler bølgelengdeområdet likt fra 520 til 700 nm.Ved å endre spektralkarakteristikkene til det dikroiske speilet og båndpassfilteret, kan bølgelengdeområdet til de ni båndene og bredden til hvert bånd justeres.Ni fargedeteksjon kan brukes ikke bare for fluorescensmålinger med spektral avbildning (som beskrevet i denne rapporten), men også for mange andre vanlige applikasjoner som bruker spektral avbildning.Selv om hyperspektral avbildning kan oppdage hundrevis av farger, har det blitt funnet at selv med en betydelig reduksjon i antall detekterbare farger, kan flere objekter i synsfeltet identifiseres med tilstrekkelig nøyaktighet for mange applikasjoner38,39,40.Fordi romlig oppløsning, spektral oppløsning og tidsoppløsning har en avveining i spektral avbildning, kan reduksjon av antall farger forbedre romoppløsning og tidsoppløsning.Den kan også bruke enkle spektrometre som den som er utviklet i denne studien og ytterligere redusere mengden av beregninger.
I denne studien ble åtte fargestoffer kvantifisert samtidig ved spektral separasjon av deres overlappende fluorescensspektre basert på påvisning av ni farger.Opptil ni fargestoffer kan kvantifiseres samtidig, sameksisterende i tid og rom.En spesiell fordel med ni-fargespektrometeret er dens høye lysstrøm og store blenderåpning (1 × 7 mm).Dekanspeilarrayen har en maksimal transmisjon på 92 % av lyset fra blenderåpningen i hvert av de ni bølgelengdeområdene.Effektiviteten av å bruke innfallende lys i bølgelengdeområdet fra 520 til 700 nm er nesten 100 %.I et så bredt område av bølgelengder kan intet diffraksjonsgitter gi en så høy brukseffektivitet.Selv om diffraksjonseffektiviteten til et diffraksjonsgitter overstiger 90 % ved en viss bølgelengde, ettersom forskjellen mellom den bølgelengden og en bestemt bølgelengde øker, reduseres diffraksjonseffektiviteten ved en annen bølgelengde41.Blenderbredden vinkelrett på retningen til planet i fig. 2c kan utvides fra 7 mm til bredden av bildesensoren, slik som i tilfellet med bildesensoren som brukes i denne studien, ved å modifisere decamer-arrayen litt.
Det ni-farge spektrometeret kan brukes ikke bare til kapillærelektroforese, som vist i denne studien, men også til forskjellige andre formål.For eksempel, som vist i figuren nedenfor, kan et ni-farget spektrometer brukes på et fluorescensmikroskop.Planet til prøven vises på bildesensoren til ni-fargespektrometeret gjennom et 10x objektiv.Den optiske avstanden mellom objektivlinsen og bildesensoren er 200 mm, mens den optiske avstanden mellom den innfallende overflaten til ni-fargespektrometeret og bildesensoren kun er 12 mm.Derfor ble bildet kuttet til omtrentlig størrelse med blenderåpningen (1 × 7 mm) i innfallsplanet og delt inn i ni fargebilder.Det vil si at et spektralbilde av et ni-farget øyeblikksbilde kan tas på et 0,1×0,7 mm område i prøveplanet.I tillegg er det mulig å oppnå et ni-farget spektralbilde av et større område på prøveplanet ved å skanne prøven i forhold til objektivet i horisontal retning i fig. 2c.
De dekakromatiske speilarray-komponentene, nemlig M1-M9 og BP, ble spesiallaget av Asahi Spectra Co., Ltd. ved bruk av standard utfellingsmetoder.Flerlags dielektriske materialer ble påført individuelt på ti kvartsplater 60 × 60 mm i størrelse og 0,5 mm tykke, og oppfyller følgende krav: M1: IA = 45°, R ≥ 90 % ved 520–590 nm, Tave ≥ 90 % ved 610– 610 nm.700 nm, M2: IA = 45°, R ≥ 90 % ved 520–530 nm, Tave ≥ 90 % ved 550–600 nm, M3: IA = 45°, R ≥ 90 % ved 540–590 nm, Tave ≥ % ved 570–600 nm, M4: IA = 45°, R ≥ 90 % ved 560–570 nm, Tave ≥ 90 % ved 590–600 nm, M5: IA = 45°, R ≥ 98 % ved 580–6 , R ≥ 98 % ved 680–700 nm, M6: IA = 45°, Tave ≥ 90 % ved 600–610 nm, R ≥ 90 % ved 630–700 nm, M7: IA = 45°, R ≥ ≥ 620–630 nm, Taw ≥ 90 % ved 650–700 nm, M8: IA = 45°, R ≥ 90 % ved 640–650 nm, Taw ≥ 90 % ved 670–700 nm, M 45:°, R = ≥ 90 % ved 650–670 nm, Tave ≥ 90 % ved 690–700 nm, BP: IA = 0°, T ≤ 0,01 % ved 505 nm, Tave ≥ 95 % ved 530–690 % ≥n ved 9 ved -690 nm og T ≤ 1 % ved 725-750 nm, hvor IA, T, Tave og R er innfallsvinkel, transmittans, gjennomsnittlig transmittans og upolarisert lysreflektans.
Hvitt lys (C0) med et bølgelengdeområde på 400–750 nm sendt ut av en LED-lyskilde (AS 3000, AS ONE CORPORATION) ble kollimert og falt vertikalt inn på DP-en til en rekke dikroiske speil.Det hvite lysspekteret til lysdioder er vist i tilleggsfigur S3.Plasser en akryltank (dimensjoner 150 × 150 × 30 mm) rett foran dekameraspeilarrayen, motsatt PSU.Røyken som ble generert når tørris ble nedsenket i vann, ble deretter helt over i en akryltank for å observere de nifargede C1-C9-delte strømmene som strømmet ut fra rekken av dekakromatiske speil.
Alternativt føres det kollimerte hvite lyset (C0) gjennom et filter før det kommer inn i DP.Filtrene var opprinnelig nøytrale tetthetsfiltre med en optisk tetthet på 0,6.Bruk deretter et motorisert filter (FW212C, FW212C, Thorlabs).Slå til slutt på ND-filteret igjen.Båndbreddene til de ni båndpassfiltrene tilsvarer henholdsvis C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 og C1.En kvartscelle med indre dimensjoner på 40 (optisk lengde) x 42,5 (høyde) x 10 mm (bredde) ble plassert foran en rekke dekokromatiske speil, motsatt BP.Røyken mates deretter gjennom et rør inn i kvartscellen for å opprettholde konsentrasjonen av røyk i kvartscellen for å visualisere de ni-fargede C1-C9-delte strømmene som kommer fra den dekakromatiske speilgruppen.
En video av den nifargede delte lysstrømmen som kommer fra en rekke dekaniske speil ble tatt opp i time-lapse-modus på iPhone XS.Ta bilder av scenen med 1 fps og kompiler bildene for å lage video med 30 fps (for valgfri video 1) eller 24 fps (for valgfrie videoer 2 og 3).
Plasser en 50 µm tykk rustfri stålplate (med fire 50 µm diameter hull med 1 mm intervaller) på diffusjonsplaten.Lys med en bølgelengde på 400-750 nm bestråles på diffusorplaten, oppnådd ved å føre lys fra en halogenlampe gjennom et kort transmisjonsfilter med en cutoff-bølgelengde på 700 nm.Lysspekteret er vist i tilleggsfigur S4.Alternativt passerer lyset også gjennom et av 10 nm båndpassfiltrene sentrert ved 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 og 690 nm og treffer diffusorplaten.Som et resultat ble det dannet fire strålingspunkter med en diameter på φ50 μm og forskjellige bølgelengder på en rustfri stålplate overfor diffusorplaten.
En fire-kapillær array med fire linser er montert på et ni-farget spektrometer som vist i figur 1 og 2. C1 og C2.De fire kapillærene og de fire linsene var de samme som i tidligere studier31,34.En laserstråle med en bølgelengde på 505 nm og en effekt på 15 mW bestråles samtidig og jevnt fra siden til emisjonspunktene til fire kapillærer.Fluorescensen som sendes ut av hvert emisjonspunkt kollimeres av den tilsvarende linsen og separeres i ni fargestrømmer av en rekke dekakromatiske speil.De resulterende 36 strømmene ble deretter direkte injisert i en CMOS-bildesensor (C11440–52U, Hamamatsu Photonics K·K.), og bildene deres ble tatt opp samtidig.
ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit (Applied Biosystems), 4 µl GeneScan™ 600 LIZ™ fargestoff ble blandet for hver kapillær ved å blande 1 µl PowerPlex® 6C Matrix Standard (Promega Corporation), 1 µl blandingsstørrelse standard.v2.0 (Thermo Fisher Scientific) og 14 µl vann.PowerPlex® 6C Matrix Standard består av seks DNA-fragmenter merket med seks fargestoffer: FL-6C, JOE-6C, TMR-6C, CXR-6C, TOM-6C og WEN, i rekkefølge etter maksimal bølgelengde.Baselengdene til disse DNA-fragmentene er ikke beskrevet, men baselengdesekvensen til DNA-fragmenter merket med WEN, CXR-6C, TMR-6C, JOE-6C, FL-6C og TOM-6C er kjent.Blandingen i ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit inneholder et DNA-fragment merket med dR6G-fargestoff.Lengden på basene til DNA-fragmentene er heller ikke beskrevet.GeneScan™ 600 LIZ™ Dye Size Standard v2.0 inkluderer 36 LIZ-merkede DNA-fragmenter.Baselengdene til disse DNA-fragmentene er 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214, 220, 240, 250, 260, 280, 300, 300, 300, 3, 4 360, 380, 400, 414, 420, 440, 460, 480, 500, 514, 520, 540, 560, 580 og 600 base.Prøvene ble denaturert ved 94°C i 3 minutter, deretter avkjølt på is i 5 minutter.Prøver ble injisert i hver kapillær ved 26 V/cm i 9 s og separert i hver kapillær fylt med en POP-7™ polymerløsning (Thermo Fisher Scientific) med en effektiv lengde på 36 cm og en spenning på 181 V/cm og en vinkel på 60°.FRA.
Alle data innhentet eller analysert i løpet av denne studien er inkludert i denne publiserte artikkelen og tilleggsinformasjonen.Andre data som er relevante for denne studien er tilgjengelige fra de respektive forfatterne på rimelig forespørsel.
Khan, MJ, Khan, HS, Yousaf, A., Khurshid, K., og Abbas, A. Nåværende trender innen hyperspektral avbildningsanalyse: en gjennomgang.Få tilgang til IEEE 6, 14118–14129.https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2812999 (2018).
Vaughan, AH Astronomisk interferometrisk Fabry-Perot-spektroskopi.installere.Pastor Astron.astrofysikk.5, 139-167.https://doi.org/10.1146/annurev.aa.05.090167.001035 (1967).
Goetz, AFH, Wein, G., Solomon, JE og Rock, BN Spectroscopy of Earth fjernmålingsbilder.Science 228, 1147–1153.https://doi.org/10.1126/science.228.4704.1147 (1985).
Yokoya, N., Grohnfeldt, C., og Chanussot, J. Fusjon av hyperspektrale og multispektrale data: en komparativ gjennomgang av nyere publikasjoner.IEEE geovitenskap.Journal of remote sensing.5:29–56.https://doi.org/10.1109/MGRS.2016.2637824 (2017).
Gowen, AA, O'Donnell, SP, Cullen, PJ, Downey, G. og Frias, JM Hyperspektral avbildning er et nytt analytisk verktøy for kvalitetskontroll og mattrygghet.Trender innen matvitenskap.teknologi.18, 590-598.https://doi.org/10.1016/j.tifs.2007.06.001 (2007).
ElMasri, G., Mandour, N., Al-Rejaye, S., Belin, E. og Rousseau, D. Nylige anvendelser av multispektral avbildning for overvåking av frøfenotype og kvalitet – en gjennomgang.Sensorer 19, 1090 (2019).
Liang, H. Fremskritt innen multispektral og hyperspektral bildebehandling for arkeologi og kunstbevaring.Søk om en fysisk 106, 309–323.https://doi.org/10.1007/s00339-011-6689-1 (2012).
Edelman GJ, Gaston E., van Leeuwen TG, Cullen PJ og Alders MKG Hyperspektral avbildning for ikke-kontaktanalyse av rettsmedisinske spor.Kriminalitet.intern 223, 28-39.https://doi.org/10.1016/j.forsciint.2012.09.012 (2012).