rostfritt stål 321 8*1,2 lindat rör för värmeväxlare

Kapillärrör

Tack för att du besöker Nature.com.Du använder en webbläsarversion med begränsat CSS-stöd.För bästa upplevelse rekommenderar vi att du använder en uppdaterad webbläsare (eller inaktiverar kompatibilitetsläge i Internet Explorer).Dessutom, för att säkerställa löpande support, visar vi webbplatsen utan stilar och JavaScript.
Visar en karusell med tre bilder samtidigt.Använd knapparna Föregående och Nästa för att gå igenom tre bilder åt gången, eller använd skjutknapparna i slutet för att gå igenom tre bilder åt gången.
En ultrakompakt (54 × 58 × 8,5 mm) och bred öppning (1 × 7 mm) niofärgsspektrometer utvecklades, "delad i två" av en uppsättning av tio dikroiska speglar, som användes för momentan spektral avbildning.Det infallande ljusflödet med ett tvärsnitt som är mindre än bländarstorleken är uppdelat i en kontinuerlig remsa 20 nm bred och nio färgflöden med centrala våglängder på 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 och 690 nm.Bilder av nio färgströmmar mäts samtidigt effektivt av bildsensorn.Till skillnad från konventionella dikroiska spegelmatriser har den utvecklade dikroiska spegelmatrisen en unik tvådelad konfiguration, som inte bara ökar antalet färger som kan mätas samtidigt, utan också förbättrar bildupplösningen för varje färgström.Den utvecklade niofärgsspektrometern används för fyra-kapillär elektrofores.Samtidig kvantitativ analys av åtta färgämnen som migrerar samtidigt i varje kapillär med hjälp av niofärgs laserinducerad fluorescens.Eftersom niofärgsspektrometern inte bara är ultraliten och billig, utan också har högt ljusflöde och tillräcklig spektral upplösning för de flesta spektrala avbildningstillämpningar, kan den användas i stor utsträckning inom olika områden.
Hyperspektral och multispektral avbildning har blivit en viktig del av astronomi2, fjärranalys för jordobservation3,4, livsmedels- och vattenkvalitetskontroll5,6, konstbevarande och arkeologi7, kriminalteknik8, kirurgi9, biomedicinsk analys och diagnostik10,11 etc. Fält 1 En oumbärlig teknik ,12,13.Metoder för att mäta spektrumet av ljus som emitteras av varje emissionspunkt i synfältet är uppdelade i (1) punktskanning ("kvast")14,15, (2) linjär skanning ("panicle")16,17,18 , (3) längd skannar vågor 19,20,21 och (4) bilder 22,23,24,25.I fallet med alla dessa metoder har rumslig upplösning, spektral upplösning och tidsupplösning ett avvägningsförhållande9,10,12,26.Dessutom har ljuseffekten en betydande inverkan på känsligheten, dvs signal-brusförhållandet vid spektral avbildning26.Ljusflödet, det vill säga effektiviteten av att använda ljus, är direkt proportionell mot förhållandet mellan den faktiska uppmätta mängden ljus för varje ljuspunkt per tidsenhet och den totala mängden ljus i det uppmätta våglängdsområdet.Kategori (4) är en lämplig metod när intensiteten eller spektrumet av ljus som emitteras av varje emitterande punkt ändras med tiden eller när positionen för varje emitterande punkt ändras med tiden eftersom ljusspektrumet som emitteras av alla emitterande punkter mäts samtidigt.24.
De flesta av ovanstående metoder kombineras med stora, komplexa och/eller dyra spektrometrar med 18 gitter eller 14, 16, 22, 23 prismor för klasserna (1), (2) och (4) eller 20, 21 filterskivor, vätskefilter .Kristallina avstämbara filter (LCTF)25 eller akustooptiska avstämbara filter (AOTF)19 av kategori (3).Däremot är flerspegelspektrometrar i kategori (4) små och billiga på grund av sin enkla konfiguration27,28,29,30.Dessutom har de ett högt ljusflöde eftersom ljuset som delas av varje dikroisk spegel (det vill säga det transmitterade och reflekterade ljuset från det infallande ljuset på varje dikroisk spegel) används fullt ut och kontinuerligt.Antalet våglängdsband (dvs färger) som måste mätas samtidigt är dock begränsat till cirka fyra.
Spektralavbildning baserad på fluorescensdetektion används ofta för multiplexanalys inom biomedicinsk detektion och diagnostik 10, 13 .Vid multiplexering, eftersom flera analyter (t.ex. specifikt DNA eller proteiner) är märkta med olika fluorescerande färgämnen, kvantifieras varje analyt närvarande vid varje emissionspunkt i synfältet med hjälp av multikomponentanalys.32 bryter ner det detekterade fluorescensspektrumet som emitteras av varje emissionspunkt.Under denna process kan olika färgämnen, var och en avger olika fluorescens, samlokalisera, det vill säga samexistera i rum och tid.För närvarande är det maximala antalet färgämnen som kan exciteras av en enda laserstråle åtta33.Denna övre gräns bestäms inte av den spektrala upplösningen (dvs. antalet färger), utan av bredden på fluorescensspektrumet (≥50 nm) och mängden färgämnes Stokes shift (≤200 nm) vid FRET (med FRET)10 .Antalet färger måste dock vara större än eller lika med antalet färgämnen för att eliminera den spektrala överlappningen av blandade färgämnen31,32.Därför är det nödvändigt att öka antalet samtidigt uppmätta färger till åtta eller fler.
Nyligen har en ultrakompakt heptykroisk spektrometer (som använder en rad heptykroiska speglar och en bildsensor för att mäta fyra fluorescerande flöden) utvecklats.Spektrometern är två till tre storleksordningar mindre än konventionella spektrometrar som använder gitter eller prismor34,35.Det är dock svårt att placera fler än sju dikroiska speglar i en spektrometer och samtidigt mäta mer än sju färger36,37.Med en ökning av antalet dikroiska speglar ökar den maximala skillnaden i längderna på de optiska vägarna för dikroiska ljusflöden, och det blir svårt att visa alla ljusflöden på ett sensoriskt plan.Ljusflödets längsta optiska väglängd ökar också, så bredden på spektrometeröppningen (dvs. den maximala bredden på ljuset som analyseras av spektrometern) minskar.
Som svar på ovanstående problem utvecklades en ultrakompakt niofärgsspektrometer med en tvålagers "dikroisk" dekakromatisk spegeluppsättning och en bildsensor för momentan spektral avbildning [kategori (4)].Jämfört med tidigare spektrometrar har den utvecklade spektrometern en mindre skillnad i den maximala optiska väglängden och en mindre maximal optisk väglängd.Den har applicerats på fyrakapillärelektrofores för att detektera laserinducerad niofärgsfluorescens och för att kvantifiera den samtidiga migreringen av åtta färgämnen i varje kapillär.Eftersom den utvecklade spektrometern inte bara är ultraliten och billig, utan också har ett högt ljusflöde och tillräcklig spektral upplösning för de flesta spektrala avbildningstillämpningar, kan den användas i stor utsträckning inom olika områden.
Den traditionella niofärgsspektrometern visas i fig.1a.Dess design följer den för den tidigare ultralilla sjufärgsspektrometern 31. Den består av nio dikroiska speglar anordnade horisontellt i en vinkel på 45° till höger, och bildsensorn (S) är placerad ovanför de nio dikroiska speglarna.Ljuset som kommer in underifrån (C0) delas av en grupp av nio dikroiska speglar i nio ljusflöden som går uppåt (C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 och C9).Alla nio färgströmmar matas direkt till bildsensorn och detekteras samtidigt.I denna studie är C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 och C9 i våglängdsordning och representeras av magenta, violett, blått, cyan, grönt, gult, orange, röd-orange och rött, respektive.Även om dessa färgbeteckningar används i detta dokument, som visas i figur 3, eftersom de skiljer sig från de faktiska färgerna som det mänskliga ögat ser.
Schematiska diagram av konventionella och nya niofärgsspektrometrar.(a) Konventionell niofärgsspektrometer med en uppsättning av nio dikroiska speglar.(b) Ny niofärgsspektrometer med en tvålagers dikroisk spegeluppsättning.Det infallande ljusflödet C0 är uppdelat i nio färgade ljusflöden C1-C9 och detekteras av bildsensorn S.
Den utvecklade nya niofärgsspektrometern har ett tvålagers dikroiskt spegelgitter och en bildsensor, som visas i fig. 1b.I den nedre nivån är fem dikroiska speglar lutade 45° åt höger, justerade åt höger från mitten av uppsättningen av dekamerrar.På den översta nivån är ytterligare fem dikroiska speglar lutade 45° åt vänster och placerade från mitten till vänster.Den dikroiska spegeln längst till vänster i det nedre lagret och den högra dikroiska spegeln i det övre lagret överlappar varandra.Det infallande ljusflödet (C0) är uppdelat underifrån i fyra utgående kromatiska flöden (C1-C4) med fem dikroiska speglar till höger och fem utgående kromatiska flöden (C5-C4) med fem dikroiska speglar på vänster C9).Liksom konventionella niofärgsspektrometrar injiceras alla nio färgströmmarna direkt i bildsensorn (S) och detekteras samtidigt.Genom att jämföra figurerna la och Ib kan man se att i fallet med den nya niofärgsspektrometern halveras både den maximala skillnaden och den längsta optiska väglängden för de nio färgflödena.
Den detaljerade konstruktionen av en ultraliten tvålagers dikroisk spegeluppsättning 29 mm (bredd) × 31 mm (djup) × 6 mm (höjd) visas i figur 2. Den decimala dikroiska spegeluppsättningen består av fem dikroiska speglar till höger (M1-M5) och fem dikroiska speglar till vänster (M6-M9 och en annan M5), varje dikroisk spegel är fixerad i det övre aluminiumfästet.Alla dikroiska speglar är förskjutna för att kompensera för parallellförskjutning på grund av brytning av flödet genom speglarna.Under M1 är ett bandpassfilter (BP) fixerat.Måtten M1 och BP är 10 mm (långsida) x 1,9 mm (kortsida) x 0,5 mm (tjocklek).Måtten på de återstående dikroiska speglarna är 15 mm × 1,9 mm × 0,5 mm.Matrisdelningen mellan M1 och M2 är 1,7 mm, medan matrisdelningen för andra dikroiska speglar är 1,6 mm.På fig.2c kombinerar det infallande ljusflödet CO och nio färgade ljusflöden C1-C9, åtskilda av en avkammarmatris av speglar.
Konstruktion av en tvålagers dikroisk spegelmatris.(a) En perspektivvy och (b) en tvärsnittsvy av en tvålagers dikroisk spegeluppsättning (mått 29 mm x 31 mm x 6 mm).Den består av fem dikroiska speglar (M1-M5) placerade i det nedre lagret, fem dikroiska speglar (M6-M9 och ytterligare en M5) placerade i det övre lagret, och ett bandpassfilter (BP) placerat under M1.(c) Tvärsnittsvy i vertikal riktning, med C0 och C1-C9 överlappning.
Öppningens bredd i horisontell riktning, indikerad av bredden C0 i fig. 2, c, är 1 mm, och i riktningen vinkelrät mot planet i fig. 2, c, givet av aluminiumfästets utformning, – 7 mm.Det vill säga, den nya niofärgade spektrometern har en stor bländarstorlek på 1 mm × 7 mm.Den optiska vägen för C4 är den längsta bland C1-C9, och den optiska vägen för C4 inuti den dikroiska spegeluppsättningen, på grund av ovanstående extremt lilla storlek (29 mm × 31 mm × 6 mm), är 12 mm.Samtidigt är den optiska väglängden för C5 den kortaste bland C1-C9, och den optiska väglängden för C5 är 5,7 mm.Därför är den maximala skillnaden i optisk väglängd 6,3 mm.Ovanstående optiska väglängder är korrigerade för den optiska väglängden för optisk överföring av M1-M9 och BP (från kvarts).
Spektralegenskaperna för М1−М9 och VR beräknas så att flödena С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8 och С9 är i våglängdsområdet 520–540, 540–560, 560–58080, 580 –600, 600–620, 620–640, 640–660, 660–680 respektive 680–700 nm.
Ett fotografi av den tillverkade matrisen av dekakromatiska speglar visas i fig. 3a.M1-M9 och BP är limmade på 45°-lutningen respektive horisontalplanet på aluminiumstödet, medan M1 och BP är dolda på baksidan av figuren.
Produktion av en rad dekanspeglar och dess demonstration.(a) En rad tillverkade dekakromatiska speglar.(b) En 1 mm × 7 mm niofärgad delad bild projicerad på ett pappersark placerat framför en rad dekakromatiska speglar och bakgrundsbelyst med vitt ljus.(c) En rad dekokromatiska speglar som är upplysta med vitt ljus bakifrån.(d) Niofärgad splittande ström som utgår från dekanspegeluppsättningen, observerad genom att placera en rökfylld akrylkapsel framför dekanspegeluppsättningen vid c och göra rummet mörkare.
De uppmätta transmissionsspektra för M1-M9 CO vid en infallsvinkel av 45° och det uppmätta transmissionsspektrumet för BP CO vid en infallsvinkel av 0° visas i Fig.4a.Transmissionsspektra för Cl-C9 i förhållande till CO visas i Fig.4b.Dessa spektra beräknades från spektra i Fig.4a i enlighet med den optiska vägen Cl-C9 i fig. 4a.Ib och 2c.Till exempel, 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)], där TS(X) och [ 1 − TS(X)] är transmissions- och reflektionsspektra för X, respektive.Som visas i figur 4b är bandbredderna (bandbredd ≥50%) för C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 och C9 521-540, 541-562, 563-580, 581-602, 603 -623, 624-641, 642-657, 659-680 och 682-699 nm.Dessa resultat överensstämmer med de utvecklade intervallen.Dessutom är utnyttjandeeffektiviteten för C0-ljus hög, det vill säga den genomsnittliga maximala C1-C9-ljustransmittansen är 92%.
Transmissionsspektra av en dikroisk spegel och ett delat niofärgsflöde.(a) Uppmätta transmissionsspektra av M1-M9 vid 45° incidens och BP vid 0° incidens.(b) Transmissionsspektra för C1–C9 i förhållande till CO beräknat från (a).
På fig.I figur 3c är uppsättningen av dikroiska speglar placerad vertikalt, så att dess högra sida i figur 3a är ovansidan och den vita strålen från den kollimerade lysdioden (CO) är bakgrundsbelyst.Uppsättningen av dekakromatiska speglar som visas i figur 3a är monterade i en 54 mm (höjd) × 58 mm (djup) × 8,5 mm (tjocklek) adapter.På fig.3d, förutom tillståndet visat i fig. 3d.3c placerades en rökfylld akryltank framför en rad dekokromatiska speglar, med lamporna i rummet avstängda.Som ett resultat är nio dikroiska strömmar synliga i tanken, som kommer från en rad dekakromatiska speglar.Varje delad ström har ett rektangulärt tvärsnitt med dimensionerna 1 × 7 mm, vilket motsvarar bländarstorleken på den nya niofärgade spektrometern.I figur 3b placeras ett pappersark framför raden av dikroiska speglar i figur 3c, och en 1 x 7 mm bild av nio dikroiska strömmar som projiceras på papperet observeras från pappersrörelsens riktning.strömmar.De nio färgseparationsströmmarna i fig.3b och d är C4, C3, C2, Cl, C5, C6, C7, C8 och C9 uppifrån och ned, vilket också kan ses i figurerna 1 och 2. Ib och 2c.De observeras i färger som motsvarar deras våglängder.På grund av den låga vita ljusintensiteten hos lysdioden (se tilläggsbild S3) och känsligheten hos färgkameran som används för att fånga C9 (682–699 nm) i figur. Andra klyvningsflöden är svaga.På samma sätt var C9 svagt synlig för blotta ögat.Samtidigt ser C2 (den andra strömmen från toppen) grön ut i figur 3, men ser mer gul ut med blotta ögat.
Övergången från figur 3c till d visas i tilläggsvideo 1. Omedelbart efter att det vita ljuset från lysdioden passerar genom den dekakromatiska spegeluppsättningen delas det samtidigt i nio färgströmmar.Till slut försvann röken i karet gradvis uppifrån och ner, så att de nio färgade pulvren också försvann uppifrån och ner.Däremot i tilläggsvideo 2, när våglängden för ljusflödet som infaller på arrayen av dekakromatiska speglar ändrades från lång till kort i storleksordningen 690, 671, 650, 632, 610, 589, 568, 550 och 532 nm ., Endast motsvarande delade strömmar av de nio delade strömmarna i storleksordningen C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 och C1 visas.Akrylreservoaren ersätts av en kvartspool, och flingorna i varje shuntat flöde kan tydligt observeras från den lutande riktningen uppåt.Dessutom redigeras undervideon 3 så att våglängdsändringsdelen av undervideon 2 spelas upp igen.Detta är det mest vältaliga uttrycket för egenskaperna hos en dekokromatisk uppsättning speglar.
Ovanstående resultat visar att den tillverkade dekakromatiska spegeluppsättningen eller den nya niofärgsspektrometern fungerar som avsett.Den nya niofärgade spektrometern bildas genom att montera en rad dekakromatiska speglar med adaptrar direkt på bildsensorkortet.
Ljusflöde med ett våglängdsområde från 400 till 750 nm, emitterat av fyra strålningspunkter φ50 μm, belägna med 1 mm intervall i riktningen vinkelrät mot planet i fig. 2c, respektive Forskar 31, 34. Fyrlinsarrayen består av fyra linser φ1 mm med en brännvidd på 1,4 mm och en stigning på 1 mm.Fyra kollimerade strömmar (fyra C0) faller in på DP av en ny niofärgsspektrometer, fördelade med 1 mm intervall.En uppsättning dikroiska speglar delar upp varje ström (C0) i nio färgströmmar (C1-C9).De resulterande 36 strömmarna (fyra uppsättningar av C1-C9) injiceras sedan direkt i en CMOS (S) bildsensor direkt ansluten till en uppsättning dikroiska speglar.Som ett resultat, som visas i fig. 5a, på grund av den lilla maximala optiska vägskillnaden och den korta maximala optiska vägen, detekterades bilderna av alla 36 strömmar samtidigt och tydligt med samma storlek.Enligt nedströmsspektra (se kompletterande figur S4) är bildintensiteten för de fyra grupperna C1, C2 och C3 relativt låg.Trettiosex bilder var 0,57 ± 0,05 mm i storlek (medelvärde ± SD).Således var bildförstoringen i genomsnitt 11,4.Det vertikala avståndet mellan bilder är i genomsnitt 1 mm (samma avstånd som en linsmatris) och det horisontella avståndet är i genomsnitt 1,6 mm (samma avstånd som en dikroisk spegelmatris).Eftersom bildstorleken är mycket mindre än avståndet mellan bilderna kan varje bild mätas oberoende (med låg överhörning).Samtidigt visas bilder av tjugoåtta strömmar inspelade av den konventionella sjufärgsspektrometern som användes i vår tidigare studie i fig. 5 B. Arrayen med sju dikroiska speglar skapades genom att ta bort de två dikroiska speglarna längst till höger från gruppen med nio dikroiska speglar. speglar i figur 1a.Alla bilder är inte skarpa, bildstorleken ökar från C1 till C7.Tjugoåtta bilder är 0,70 ± 0,19 mm i storlek.Det är alltså svårt att hålla hög upplösning i alla bilder.Variationskoefficienten (CV) för bildstorlek 28 i figur 5b var 28 %, medan CV för bildstorlek 36 i figur 5a minskade till 9 %.Ovanstående resultat visar att den nya niofärgsspektrometern inte bara ökar antalet samtidigt uppmätta färger från sju till nio, utan också har en hög bildupplösning för varje färg.
Jämförelse av kvaliteten på den delade bilden som bildas av konventionella och nya spektrometrar.(a) Fyra grupper med niofärgsseparerade bilder (C1-C9) genererade av den nya niofärgsspektrometern.(b) Fyra uppsättningar av sjufärgsseparerade bilder (C1-C7) bildade med en konventionell sjufärgsspektrometer.Flux (CO) med våglängder från 400 till 750 nm från fyra emissionspunkter kollimeras och infaller på varje spektrometer.
De spektrala egenskaperna hos niofärgsspektrometern utvärderades experimentellt och utvärderingsresultaten visas i figur 6. Observera att figur 6a visar samma resultat som figur 5a, dvs vid våglängder på 4 C0 400–750 nm detekteras alla 36 bilderna (4 grupper C1–C9).Tvärtom, som visas i Fig. 6b–j, när varje CO har en specifik våglängd på 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 eller 690 nm, finns det nästan bara fyra motsvarande bilder (fyra grupper detekterade C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 eller C9).Vissa av bilderna intill de fyra motsvarande bilderna detekteras dock mycket svagt eftersom C1–C9-överföringsspektra som visas i fig. 4b överlappar något och varje CO har ett 10 nm-band vid en specifik våglängd som beskrivs i metoden.Dessa resultat överensstämmer med C1-C9 transmissionsspektra som visas i fig.4b och kompletterande videor 2 och 3. Med andra ord fungerar niofärgsspektrometern som förväntat baserat på resultaten som visas i fig.4b.Därför dras slutsatsen att bildintensitetsfördelningen C1-C9 är spektrumet för varje CO.
Spektrala egenskaper hos en niofärgsspektrometer.Den nya niofärgsspektrometern genererar fyra uppsättningar av niofärgsseparerade bilder (C1-C9) när det infallande ljuset (fyra C0) har en våglängd på (a) 400-750 nm (som visas 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, respektive.
Den utvecklade niofärgsspektrometern användes för fyra-kapillärelektrofores (för detaljer, se tilläggsmaterial)31,34,35.Fyrkapillärmatrisen består av fyra kapillärer (ytterdiameter 360 μm och innerdiameter 50 μm) placerade med 1 mm intervall vid laserbestrålningsplatsen.Prover som innehåller DNA-fragment märkta med 8 färgämnen, nämligen FL-6C (färgämne 1), JOE-6C (färgämne 2), dR6G (färgämne 3), TMR-6C (färgämne 4), CXR-6C (färgämne 5), TOM- 6C (färgämne 6), LIZ (färgämne 7) och WEN (färgämne 8) i stigande ordning av fluorescerande våglängder, separerade i var och en av fyra kapillärer (hädanefter kallade Cap1, Cap2, Cap3 och Cap4).Laserinducerad fluorescens från Cap1-Cap4 kollimerades med en uppsättning av fyra linser och registrerades samtidigt med en niofärgsspektrometer.Intensitetsdynamiken för niofärgs (C1-C9) fluorescens under elektrofores, det vill säga ett niofärgselektroforegram för varje kapillär, visas i fig. 7a.Ett ekvivalent elektroforegram i nio färger erhålls i Cap1-Cap4.Som indikeras av Cap1-pilarna i figur 7a visar de åtta topparna på varje elektroforegram med nio färger en fluorescensemission från Dye1-Dye8, respektive.
Samtidig kvantifiering av åtta färgämnen med hjälp av en niofärgad fyrkapillär elektroforesspektrometer.(a) Niofärgs (C1-C9) elektroforegram av varje kapillär.De åtta topparna indikerade med pilarna Cap1 visar individuella fluorescensemissioner av åtta färgämnen (Dye1-Dye8).Färgerna på pilarna motsvarar färgerna (b) och (c).(b) Fluorescensspektra av åtta färgämnen (Dye1-Dye8) per kapillär.c Elektroferogram av åtta färgämnen (Dye1-Dye8) per kapillär.Topparna för Dye7-märkta DNA-fragment indikeras med pilar och deras Cap4-baslängder indikeras.
Intensitetsfördelningarna för C1–C9 på åtta toppar visas i Fig.7b.Eftersom både C1-C9 och Dye1-Dye8 är i våglängdsordning, visar de åtta fördelningarna i Fig. 7b fluorescensspektra för Dye1-Dye8 sekventiellt från vänster till höger.I denna studie visas Dye1, Dye2, Dye3, Dye4, Dye5, Dye6, Dye7 och Dye8 i magenta, violett, blått, cyan, grönt, gult, orange respektive rött.Observera att färgerna på pilarna i fig. 7a motsvarar färgämnesfärgerna i fig. 7b.C1-C9-fluorescensintensiteterna för varje spektrum i figur 7b normaliserades så att deras summa är lika med ett.Åtta ekvivalenta fluorescensspektra erhölls från Cap1-Cap4.Man kan tydligt observera den spektrala överlappningen av fluorescens mellan färgämne 1-färgämne 8.
Som visas i figur 7c, för varje kapillär, omvandlades niofärgselektroforegrammet i figur 7a till ett elektroferogram med åtta färgämnen genom multikomponentanalys baserat på de åtta fluorescensspektra i figur 7b (se tilläggsmaterial för detaljer).Eftersom den spektrala överlappningen av fluorescens i figur 7a inte visas i figur 7c, kan Dye1-Dye8 identifieras och kvantifieras individuellt vid varje tidpunkt, även om olika mängder Dye1-Dye8 fluorescerar samtidigt.Detta kan inte göras med traditionell sjufärgsdetektion31, men kan uppnås med den utvecklade niofärgsdetekteringen.Som visas av pilarna Cap1 i Fig. 7c, är endast de fluorescerande emissionssinglarna Dye3 (blå), Dye8 (röd), Dye5 (grön), Dye4 (cyan), Dye2 (lila), Dye1 (magenta) och Dye6 (Gul) ) observeras i förväntad kronologisk ordning.För den fluorescerande emissionen av färgämne 7 (orange) observerades, förutom den enda toppen som indikeras av den orange pilen, flera andra enstaka toppar.Detta resultat beror på det faktum att proverna innehöll storleksstandarder, Dye7-märkta DNA-fragment med olika baslängder.Som visas i figur 7c är dessa baslängder för Cap4 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214 och 220 baslängder.
Huvuddragen hos niofärgsspektrometern, utvecklad med hjälp av en matris av tvålagers dikroiska speglar, är liten storlek och enkel design.Eftersom uppsättningen av dekakromatiska speglar inuti adaptern som visas i fig.3c monterad direkt på bildsensorkortet (se fig. S1 och S2), har niofärgsspektrometern samma dimensioner som adaptern, dvs 54 × 58 × 8,5 mm.(tjocklek).Denna extremt lilla storlek är två till tre storleksordningar mindre än konventionella spektrometrar som använder gitter eller prismor.Dessutom, eftersom niofärgsspektrometern är konfigurerad så att ljus träffar bildsensorns yta vinkelrätt, kan utrymme lätt allokeras för niofärgsspektrometern i system som mikroskop, flödescytometrar eller analysatorer.Kapillärgitterelektroforesanalysator för ännu större miniatyrisering av systemet.Samtidigt är storleken på tio dikroiska speglar och bandpassfilter som används i niofärgsspektrometern endast 10×1,9×0,5 mm eller 15×1,9×0,5 mm.Således kan mer än 100 sådana små dikroiska speglar respektive bandpassfilter skäras från en dikroisk spegel respektive ett 60 mm2 bandpassfilter.Därför kan en rad dekakromatiska speglar tillverkas till en låg kostnad.
En annan egenskap hos niofärgsspektrometern är dess utmärkta spektrala egenskaper.I synnerhet tillåter det förvärvet av spektrala bilder av ögonblicksbilder, det vill säga det samtidiga förvärvet av bilder med spektral information.För varje bild erhölls ett kontinuerligt spektrum med ett våglängdsområde från 520 till 700 nm och en upplösning på 20 nm.Med andra ord detekteras nio färgintensiteter av ljus för varje bild, dvs nio 20 nm-band som delar våglängdsområdet lika mycket från 520 till 700 nm.Genom att ändra de spektrala egenskaperna för den dikroiska spegeln och bandpassfiltret kan våglängdsområdet för de nio banden och bredden på varje band justeras.Nio färgdetektering kan användas inte bara för fluorescensmätningar med spektral avbildning (som beskrivs i denna rapport), utan också för många andra vanliga tillämpningar som använder spektral avbildning.Även om hyperspektral avbildning kan detektera hundratals färger, har det visat sig att även med en betydande minskning av antalet detekterbara färger kan flera objekt i synfältet identifieras med tillräcklig noggrannhet för många tillämpningar38,39,40.Eftersom rumslig upplösning, spektral upplösning och tidsupplösning har en avvägning i spektral avbildning, kan en minskning av antalet färger förbättra rumslig upplösning och tidsupplösning.Den kan också använda enkla spektrometrar som den som utvecklats i denna studie och ytterligare minska mängden beräkningar.
I denna studie kvantifierades åtta färgämnen samtidigt genom spektral separation av deras överlappande fluorescensspektra baserat på detektering av nio färger.Upp till nio färgämnen kan kvantifieras samtidigt, samexisterande i tid och rum.En speciell fördel med niofärgsspektrometern är dess höga ljusflöde och stora bländare (1 × 7 mm).Dekanspegeluppsättningen har en maximal transmission av 92 % av ljuset från bländaren i vart och ett av de nio våglängdsområdena.Effektiviteten för att använda infallande ljus i våglängdsområdet från 520 till 700 nm är nästan 100 %.I ett så brett intervall av våglängder kan inget diffraktionsgitter ge en så hög användningseffektivitet.Även om diffraktionseffektiviteten för ett diffraktionsgitter överstiger 90 % vid en viss våglängd, när skillnaden mellan den våglängden och en viss våglängd ökar, minskar diffraktionseffektiviteten vid en annan våglängd41.Bländarbredden vinkelrät mot riktningen av planet i fig. 2c kan utökas från 7 mm till bildsensorns bredd, såsom i fallet med bildsensorn som används i denna studie, genom att något modifiera decamer-arrayen.
Niofärgsspektrometern kan användas inte bara för kapillärelektrofores, som visas i denna studie, utan också för olika andra ändamål.Till exempel, som visas i figuren nedan, kan en niofärgsspektrometer appliceras på ett fluorescensmikroskop.Planet för provet visas på bildsensorn på niofärgsspektrometern genom ett 10x objektiv.Det optiska avståndet mellan objektivlinsen och bildsensorn är 200 mm, medan det optiska avståndet mellan den infallande ytan på niofärgsspektrometern och bildsensorn endast är 12 mm.Därför skars bilden till ungefär samma storlek som bländaren (1 × 7 mm) i infallsplanet och delades upp i nio färgbilder.Det vill säga, en spektralbild av en niofärgs ögonblicksbild kan tas på ett 0,1×0,7 mm område i provplanet.Dessutom är det möjligt att erhålla en niofärgsspektralbild av ett större område på provplanet genom att skanna provet relativt objektivet i horisontell riktning i fig. 2c.
Komponenterna för dekakromatiska spegelgrupperna, nämligen M1-M9 och BP, skräddarsyddes av Asahi Spectra Co., Ltd. med användning av standardutfällningsmetoder.Dielektriska flerskiktsmaterial applicerades individuellt på tio kvartsplattor 60 × 60 mm i storlek och 0,5 mm tjocka, vilket uppfyller följande krav: M1: IA = 45°, R ≥ 90% vid 520–590 nm, Tave ≥ 90% vid 610– 610 nm.700 nm, M2: IA = 45°, R ≥ 90 % vid 520–530 nm, Tave ≥ 90 % vid 550–600 nm, M3: IA = 45°, R ≥ 90 % vid 540–550 nm, Tave ≥ % vid 570–600 nm, M4: IA = 45°, R ≥ 90 % vid 560–570 nm, Tave ≥ 90 % vid 590–600 nm, M5: IA = 45°, R ≥ 98 % vid 580–6 , R ≥ 98 % vid 680–700 nm, M6: IA = 45°, Tave ≥ 90 % vid 600–610 nm, R ≥ 90 % vid 630–700 nm, M7: IA = 45°, R ≥ 9 620–630 nm, Taw ≥ 90 % vid 650–700 nm, M8: IA = 45°, R ≥ 90 % vid 640–650 nm, Taw ≥ 90 % vid 670–700 nm, M 45: IA = ≥ 90 % vid 650-670 nm, Tave ≥ 90 % vid 690-700 nm, BP: IA = 0°, T ≤ 0,01 % vid 505 nm, Tave ≥ 95 % vid 530-690 % ≥n T 0 nm vid -690 nm och T ≤ 1 % vid 725-750 nm, där IA, T, Tave och R är infallsvinkeln, transmittansen, medeltransmittansen och opolariserad ljusreflektans.
Vitt ljus (C0) med ett våglängdsområde på 400–750 nm som sänds ut av en LED-ljuskälla (AS 3000, AS ONE CORPORATION) kollimerades och inföll vertikalt på DP av en rad dikroiska speglar.Det vita ljusspektrumet för lysdioder visas i tilläggsbild S3.Placera en akryltank (mått 150 × 150 × 30 mm) direkt framför decamera spegeluppsättningen, mittemot PSU.Röken som genererades när torris nedsänktes i vatten hälldes sedan i en akryltank för att observera de niofärgade C1-C9-delade strömmarna som emanerade från uppsättningen av dekakromatiska speglar.
Alternativt passerar det kollimerade vita ljuset (CO) genom ett filter innan det kommer in i DP.Filtren var ursprungligen filter med neutral densitet med en optisk densitet på 0,6.Använd sedan ett motoriserat filter (FW212C, FW212C, Thorlabs).Sätt slutligen på ND-filtret igen.Bandbredderna för de nio bandpassfiltren motsvarar C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 respektive C1.En kvartscell med inre dimensioner på 40 (optisk längd) x 42,5 (höjd) x 10 mm (bredd) placerades framför en uppsättning av dekokromatiska speglar, mittemot BP.Röken matas sedan genom ett rör in i kvartscellen för att upprätthålla koncentrationen av rök i kvartscellen för att visualisera de niofärgade C1-C9 delade strömmarna som kommer från den dekakromatiska spegeluppsättningen.
En video av den niofärgade delade ljusströmmen som kommer från en rad dekaniska speglar fångades i time-lapse-läge på iPhone XS.Ta bilder av scenen med 1 fps och kompilera bilderna för att skapa video med 30 fps (för valfri video 1) eller 24 fps (för valfria videor 2 och 3).
Placera en 50 µm tjock platta av rostfritt stål (med fyra hål med 50 µm diameter med 1 mm intervall) på diffusionsplattan.Ljus med en våglängd på 400-750 nm bestrålas på diffusorplattan, som erhålls genom att leda ljus från en halogenlampa genom ett kort transmissionsfilter med en gränsvåglängd på 700 nm.Ljusspektrumet visas i tilläggsbild S4.Alternativt passerar ljuset också genom ett av 10 nm bandpassfiltren centrerat vid 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 och 690 nm och träffar diffusorplattan.Som ett resultat bildades fyra strålningspunkter med en diameter på φ50 μm och olika våglängder på en rostfri platta mittemot diffusorplattan.
En fyra-kapillär array med fyra linser är monterad på en niofärgsspektrometer som visas i figurerna 1 och 2. Cl och C2.De fyra kapillärerna och de fyra linserna var desamma som i tidigare studier31,34.En laserstråle med en våglängd på 505 nm och en effekt på 15 mW bestrålas samtidigt och jämnt från sidan till emissionspunkterna för fyra kapillärer.Fluorescensen som emitteras av varje emissionspunkt kollimeras av motsvarande lins och separeras i nio färgströmmar av en rad dekakromatiska speglar.De resulterande 36 strömmarna injicerades sedan direkt i en CMOS-bildsensor (C11440–52U, Hamamatsu Photonics K·K.), och deras bilder spelades in samtidigt.
ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit (Applied Biosystems), 4 µl GeneScan™ 600 LIZ™ färgämne blandades för varje kapillär genom att blanda 1 µl PowerPlex® 6C Matrix Standard (Promega Corporation), 1 µl blandningsstorleksstandard.v2.0 (Thermo Fisher Scientific) och 14 µl vatten.PowerPlex® 6C Matrix Standard består av sex DNA-fragment märkta med sex färgämnen: FL-6C, JOE-6C, TMR-6C, CXR-6C, TOM-6C och WEN, i ordning efter maximal våglängd.Baslängderna för dessa DNA-fragment avslöjas inte, men baslängdssekvensen för DNA-fragment märkta med WEN, CXR-6C, TMR-6C, JOE-6C, FL-6C och TOM-6C är känd.Blandningen i ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit innehåller ett DNA-fragment märkt med dR6G-färgämne.Längden på baserna för DNA-fragmenten avslöjas inte heller.GeneScan™ 600 LIZ™ Dye Size Standard v2.0 inkluderar 36 LIZ-märkta DNA-fragment.Baslängderna för dessa DNA-fragment är 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214, 220, 240, 250, 260, 280, 300, 300, 280, 300, 300, 3, 3, 2 360, 380, 400, 414, 420, 440, 460, 480, 500, 514, 520, 540, 560, 580 och 600 bas.Proverna denaturerades vid 94°C under 3 minuter, kyldes sedan på is under 5 minuter.Prover injicerades i varje kapillär med 26 V/cm i 9 s och separerades i varje kapillär fylld med en POP-7™ polymerlösning (Thermo Fisher Scientific) med en effektiv längd på 36 cm och en spänning på 181 V/cm och en vinkel på 60°.FRÅN.
All data som erhållits eller analyserats under denna studie ingår i denna publicerade artikel och dess ytterligare information.Andra data som är relevanta för denna studie är tillgängliga från respektive författare på rimlig begäran.
Khan, MJ, Khan, HS, Yousaf, A., Khurshid, K. och Abbas, A. Aktuella trender inom hyperspektral bildanalys: en översyn.Få åtkomst till IEEE 6, 14118–14129.https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2812999 (2018).
Vaughan, AH Astronomisk interferometrisk Fabry-Perot-spektroskopi.Installera.Pastor Astron.astrofysik.5, 139-167.https://doi.org/10.1146/annurev.aa.05.090167.001035 (1967).
Goetz, AFH, Wein, G., Solomon, JE och Rock, BN Spectroscopy of Earth fjärranalysbilder.Science 228, 1147–1153.https://doi.org/10.1126/science.228.4704.1147 (1985).
Yokoya, N., Grohnfeldt, C. och Chanussot, J. Fusion av hyperspektrala och multispektrala data: en jämförande granskning av nyare publikationer.IEEE geovetenskaper.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. och Frias, JM Hyperspektral avbildning är ett nytt analysverktyg för kvalitetskontroll och livsmedelssäkerhet.Trender inom matvetenskap.teknologi.18, 590-598.https://doi.org/10.1016/j.tifs.2007.06.001 (2007).
ElMasri, G., Mandour, N., Al-Rejaye, S., Belin, E. och Rousseau, D. Nya tillämpningar av multispektral avbildning för övervakning av fröfenotyp och kvalitet – en översyn.Sensorer 19, 1090 (2019).
Liang, H. Framsteg inom multispektral och hyperspektral avbildning för arkeologi och konstbevarande.Ansök om ett fysiskt 106, 309–323.https://doi.org/10.1007/s00339-011-6689-1 (2012).
Edelman GJ, Gaston E., van Leeuwen TG, Cullen PJ och Alders MKG Hyperspektral avbildning för beröringsfri analys av kriminaltekniska spår.Kriminalistik.intern 223, 28-39.https://doi.org/10.1016/j.forsciint.2012.09.012 (2012).