Imaging chimico iperspettrale non lineare multimodale mediante microscopia a scansione lineare con generazione di somma-frequenza vibrazionale

Riepilogo

È stato sviluppato un quadro di imaging iperspettrale rapido e multimodale per ottenere immagini di generazione di somma e frequenza vibrazionale a banda larga (VSFG), insieme a modalità di imaging in campo chiaro, generazione di seconda armonica (SHG). A causa della risonanza della frequenza infrarossa con le vibrazioni molecolari, viene rivelata la conoscenza della morfologia strutturale e mesoscopica microscopica dei campioni consentiti dalla simmetria.

Abstract

La generazione di somma-frequenza vibrazionale (VSFG), un segnale ottico non lineare del secondo ordine, è stata tradizionalmente utilizzata per studiare le molecole alle interfacce come tecnica di spettroscopia con una risoluzione spaziale di ~100 μm. Tuttavia, la spettroscopia non è sensibile all'eterogeneità di un campione. Per studiare campioni mesoscopicamente eterogenei, noi, insieme ad altri, abbiamo spinto il limite di risoluzione della spettroscopia VSFG fino al livello di ~1 μm e abbiamo costruito il microscopio VSFG. Questa tecnica di imaging non solo è in grado di risolvere le morfologie del campione attraverso l'imaging, ma anche di registrare uno spettro VSFG a banda larga in ogni pixel delle immagini. Essendo una tecnica ottica non lineare del secondo ordine, la sua regola di selezione consente la visualizzazione di strutture autoassemblate non centrosimmetriche o chirali che si trovano comunemente in biologia, scienza dei materiali e bioingegneria, tra gli altri. In questo articolo, il pubblico sarà guidato attraverso un design di trasmissione invertita che consente l'imaging di campioni non fissi. Questo lavoro mostra anche che la microscopia VSFG può risolvere informazioni geometriche specifiche per la chimica di singoli fogli autoassemblati combinandola con un risolutore di funzioni di rete neurale. Infine, le immagini ottenute in configurazioni in campo chiaro, SHG e VSFG di vari campioni discutono brevemente le informazioni uniche rivelate dall'imaging VSFG.

Introduzione

La generazione di somma-frequenza vibrazionale (VSFG), una tecnica ottica non lineare del secondo ordine ^1,2, è stata ampiamente utilizzata come strumento di spettroscopia per profilare chimicamente campioni simmetrici^consentiti 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13....

Protocollo

1. Microscopio VSFG a scansione lineare iperspettrale

1. Sistema laser
   1. Utilizzare un sistema laser pulsato (vedi Tabella dei materiali) centrato a 1025 nm ± 5 nm. Il laser è impostato a 40 W, 200 kHz (200 μJ/impulso) con un'ampiezza di impulso di ~290 fs.
      NOTA: L'esatta frequenza di ripetizione può variare e un laser ad alta frequenza di ripetizione generalmente funziona meglio per questo microscopio VSFG.
   2. Guidare l'uscita del laser a semina in un amplificatore parametrico ottico (OPA) commerciale per generare un fascio nel medio infrarosso (MIR) (vedere la tabella dei materiali). Regolare il MIR sulla freq....

Discussione

I passaggi più critici vanno da 1,42 a 1,44. È fondamentale allineare bene la lente dell'obiettivo per una risoluzione spaziale ottica. È anche importante raccogliere il segnale emesso, il relè e proiettare il raggio di scansione come una linea nelle fessure di ingresso. Allineamenti corretti garantirebbero la migliore risoluzione e il miglior rapporto segnale/rumore. Per un campione tipico, come i fogli SDS@2 β-CD da 100 μm per 100 μm, un'immagine a buona risoluzione (risoluzione ~1 μm) con un elevato rapporto s.......

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
1x Camera Por	Thorlabs	WFA4100	connect a camera to a microscope or optical system
25.0 mm Right-Angle Prism Mirror, Protected Gold	Thorlabs	MRA25-M01	reflect light and produce retroreflection, redirecting light back along its original path
3” Universal Post Holder-5 Pack	Thorlabs	UPH3-P5	hold and support posts of various sizes and configurations
30 mm to 60 mm Cage Plate, 4 mm Thick	Thorlabs	LCP4S	convert between a 30 mm cage system and a 60 mm cage system
500 mm Tall Cerna Body with Epi Arm	Thorlabs	CEA1500	provide the function of enabling top illumination techniques in microscopy
60 mm Cage Mounted Ø50.0 mm Iris	Thorlabs	LCP50S	control the amount of light passing through an optical system
60 mm Cage Mounting Bracket	Thorlabs	LCP01B	mount and position a 60 mm cage system in optical setups
Air spaced Etalon	SLS Optics Ltd.	Customized	generate narrow-band 1030 nm light
Cage Plate Mounting Bracket	Thorlabs	KCB2	hold and adjust mirrors at a precise angle
CCD	Andor Technologies	Newton	2D CCD for frequency and spatial resolution
Collinear Optical Parametric Amplifier	Light Conversion	Orpheus-One-HP	Tunable MID light generator
Copper Chloride	Thermo Fischer Scientific	A16064.30	Self-assembly component
Customized Dichroic Mirror	Newport	Customized	selectively reflects or transmits light based on its wavelength or polarization
Ext to M32 Int Adapter	Thorlabs	SM1A34	provide compatibility and facilitating the connection between components with different thread types
Infinity Corrected Refractive Objective	Zeiss	420150-9900-000	Refractive Objective
Infinity Corrected Schwarzschild Objective	Pike Technologies Inc.	891-0007	Reflective objective
Laser	Carbide, Light-Conversion	C18212	Laser source
M32x0.75 External to Internal RMS	Thorlabs	M32RMSS	adapt or convert the threading size or type of microscope objectives
M32x0.75 External to M27x0.75 Internal Engraving	Thorlabs	M32M27S	adapt or convert the threading size or type of microscope objectives
Manual Mid-Height Condenser Focus Module	Thorlabs	ZFM1030	adjust the focus of an optical element
Monochromator	Andor Technologies	Shamrock 500i	Provides frequency resolution for each line scan
Motorized module with 1" Travel for Edge-Mounted Arms	Thorlabs	ZFM2020	control the vertical positon of the imaging objective
Nanopositioner	Mad City Labs Inc.	MMP3	3D sample stage
Resonant Scanner	EOPC	SC-25	325Hz resonant beam scanner
RGB Color CCD Camera	Thorlabs	DCU224C	Brightfield camera, discontinued but other cameras will work just as well
RGB tube lens	Thorlabs	ITL200	white light collection
Right Angle Kinematic Breadboard	Thorlabs	OPX2400	incorporate a sliding mechanism with two fixed positions
Right Angle Kinematic Mirror Mount, 30 mm	Thorlabs	KCB1	hold and adjust mirrors at a precise angle
Right Angle Kinematic Mirror Mount, 60 mm	Thorlabs	KCB2	hold and adjust mirrors at a precise angle
SM2, 60 mm Cage Arm for Cerna Focusing Stage	Thorlabs	CSA2100	securely mount and position condensers
Snap on Cage Cover for 60 mm Cage, 24 in Long,	Thorlabs	C60L24	enclose and protect the components inside the cage
Sodium dodecyl sulfate	Thermo Fischer Scientific	J63394.AK	Self-assembly component
Three-Chnnale Controller and Knob Box for 1" Cerna Travel Stages	Thorlabs	MCM3001	control ZFM2020
Tube lens	Thorlabs	LA1380-AB - N-BK7	SFG signal collection
Visible LED Set	Thorlabs	WFA1010	provide illumination in imaging setup
Whitelight Source	Thorlabs	WFA1010	Whitelight illumination source for brightfield imaging
WPH05M-1030 - Ø1/2" Zero-Order Half-Wave Plate, Ø1" Mount, 1030 nm	Thorlabs	WPH05M-1030	alter the polarization state of light passing through it
WPLQ05M-3500 - Ø1/2" Mounted Low-Order Quarter-Wave Plate, 3.5 µm	Thorlabs	WPLQ05M-3500	alter the polarization state of light passing through it
X axis Long Travel Steel Extended Contact Slide Stages	Optosigma	TSD-65122CUU	positioning stages that offer extended travel in the horizontal (X) direction
XT95 4in Rail Carrier	Thorlabs	XT95RC4	mount and position optical components
X-Y Axis Translation Stage w/ 360 deg. Rotation	Thorlabs	XYR1	precise movement and positioning of objects in two dimensions, along with the ability to rotate the platform
XY(1/2") Linear Translator with Central SM1 Thru Hole	Thorlabs	XYT1	provide precise movement and positioning in two dimensions
Yb doped Solid State Laser	Light Conversion	CB3-40W	Seed laser
β-Cyclodextrin	Thermo Fischer Scientific	J63161.22	Self-assembly component