라인 스캐닝 진동 합계-주파수 생성 현미경을 사용한 다중 모드 비선형 초분광 화학 이미징

요약

명시야, 2차 고조파 생성(SHG) 이미징 방식과 함께 광대역 진동 합-주파수 생성(VSFG) 이미지를 얻기 위해 다중 모드의 빠른 초분광 이미징 프레임워크가 개발되었습니다. 적외선 주파수가 분자 진동과 공명하기 때문에 대칭 허용 샘플에 대한 미세한 구조 및 중경 형태 지식이 드러납니다.

초록

2차 비선형 광학 신호인 VSFG(Vibrational Sum-Frequency Generation)는 전통적으로 ~100μm의 공간 분해능을 가진 분광학 기술로 계면에서 분자를 연구하는 데 사용되었습니다. 그러나 분광법은 샘플의 이질성에 민감하지 않습니다. 메조스코프적으로 이질적인 샘플을 연구하기 위해 우리는 다른 사람들과 함께 VSFG 분광법의 해상도 한계를 ~1μm 수준으로 낮추고 VSFG 현미경을 구성했습니다. 이 이미징 기술은 이미징을 통해 샘플 형태를 분석할 수 있을 뿐만 아니라 이미지의 모든 픽셀에서 광대역 VSFG 스펙트럼을 기록할 수 있습니다. 2차 비선형 광학 기술인 이 선택 규칙은 생물학, 재료 과학 및 생명 공학 등에서 흔히 볼 수 있는 비중심대칭 또는 키랄 자체 조립 구조를 시각화할 수 있습니다. 이 기사에서 청중은 고정되지 않은 샘플을 이미징할 수 있는 반전된 투과 설계를 안내합니다. 이 연구는 또한 VSFG 현미경이 신경망 함수 솔버와 결합하여 개별 자체 조립 시트의 화학 물질별 기하학적 정보를 해결할 수 있음을 보여줍니다. 마지막으로, 다양한 샘플의 명시야, SHG 및 VSFG 구성에서 얻은 이미지는 VSFG 이미징에서 드러나는 고유한 정보에 대해 간략하게 설명합니다.

서문

2차 비선형 광학 기법^1,2인 VSFG(Vibrational Sum-Frequency Generation)는 대칭 허용 시료 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13^, 14,15,16,17,18,19,20,21,22입니다.

프로토콜

1. 초분광 라인 스캐닝 VSFG 현미경

1. 레이저 시스템
   1. 1025nm ± 5nm를 중심으로 하는 펄스 레이저 시스템( 재료 표 참조)을 사용하십시오. 레이저는 ~290fs의 펄스 폭으로 40W, 200kHz(200μJ/펄스)로 설정됩니다.
      알림: 정확한 반복률은 다를 수 있으며 일반적으로 이 VSFG 현미경에는 반복률이 높은 레이저가 더 잘 작동합니다.
   2. 시드 레이저의 출력을 상용 OPA(Optical Parametric Amplifier)로 안내하여 중적외선(MIR) 빔을 생성합니다( 재료 표 참조). MIR을 관심 주파수에 맞게 조정합니다(그림 1A).
      참고: 본 연구에서 MIR은 3450nm ± 85nm(~2900 ± 72cm-1)에 중심을 두고 있으며 펄스 지속 시간은 ~290fs이고 펄스 에너지는 ~6μJ이며 ^-CH_x 작용기 영역의 일부를 포함합니다.
2. 상향 변환 빔
   1. OPA의 잔류 1025nm 빔을 Fabry-Perot 에탈론(재료 표 참조)을 통과시켜 FWHM이 ~4.75cm-1인 스펙트럼적으로....

토론

가장 중요한 단계는 1.42에서 1.44까지입니다. 광학 공간 해상도를 위해 대물 렌즈를 잘 정렬하는 것이 중요합니다. 방출된 신호를 수집하고, 릴레이하고, 스캐닝 빔을 입구 슬릿에 선으로 투사하는 것도 중요합니다. 적절한 정렬은 최상의 해상도와 신호 대 잡음비를 보장합니다. SDS@2 β-CD 100μm x 100μm 시트와 같은 일반적인 샘플의 경우 신호 대 노이즈 비율이 높은 양호한 해상도 이미지(~1μm 해상도).......

자료

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