Multimodale nichtlineare hyperspektrale chemische Bildgebung mit Line-Scanning-Schwingungssummen-Frequenz-Generierungsmikroskopie

Summary

Es wurde ein multimodales, schnelles hyperspektrales Bildgebungssystem entwickelt, um breitbandige VSFG-Bilder (Vibrational Sum-Frequency Generation) zusammen mit Hellfeld-Bildgebungsmodalitäten der zweiten harmonischen Erzeugung (SHG) zu erhalten. Da die Infrarotfrequenz mit molekularen Schwingungen in Resonanz steht, werden mikroskopische strukturelle und mesoskopische morphologische Erkenntnisse über symmetriefähige Proben enthüllt.

Abstract

Die Erzeugung von Schwingungssummen (VSFG), ein nichtlineares optisches Signal zweiter Ordnung, wurde traditionell zur Untersuchung von Molekülen an Grenzflächen als Spektroskopietechnik mit einer räumlichen Auflösung von ~100 μm verwendet. Die Spektroskopie ist jedoch nicht empfindlich gegenüber der Heterogenität einer Probe. Um mesoskopisch heterogene Proben zu untersuchen, haben wir zusammen mit anderen die Auflösungsgrenze der VSFG-Spektroskopie auf ~1 μm gesenkt und das VSFG-Mikroskop konstruiert. Diese Bildgebungstechnik kann nicht nur die Morphologien der Proben durch Bildgebung auflösen, sondern auch ein breitbandiges VSFG-Spektrum an jedem Pixel der Bilder aufzeichnen. Da es sich um ein nichtlineares optisches Verfahren zweiter Ordnung handelt, ermöglicht seine Auswahlregel die Visualisierung nicht-zentrometrischer oder chiraler selbstorganisierter Strukturen, die unter anderem in der Biologie, den Materialwissenschaften und dem Bioingenieurwesen zu finden sind. In diesem Artikel wird das Publikum durch ein invertiertes Übertragungsdesign geführt, das die Abbildung nicht fixierter Proben ermöglicht. Diese Arbeit zeigt auch, dass die VSFG-Mikroskopie chemikalienspezifische geometrische Informationen einzelner selbstorganisierter Schichten auflösen kann, indem sie mit einem neuronalen Netzwerkfunktionslöser kombiniert wird. Schließlich werden die Bilder, die unter Hellfeld-, SHG- und VSFG-Konfigurationen verschiedener Proben aufgenommen wurden, kurz auf die einzigartigen Informationen eingehen, die durch die VSFG-Bildgebung enthüllt werden.

Introduction

Die Erzeugung von Schwingungssummen (VSFG), eine nichtlineare optische Technik zweiter Ordnung^1,2, wurde ausgiebig als Spektroskopiewerkzeug eingesetzt, um symmetriefähige^Proben 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 chemisch zu profilieren^.

Protocol

1. Hyperspektrales Zeilen-Scanning-VSFG-Mikroskop

1. Lasersystem
   1. Verwenden Sie ein gepulstes Lasersystem (siehe Materialtabelle), zentriert bei 1025 nm ± 5 nm. Der Laser ist auf 40 W, 200 kHz (200 μJ/Puls) mit einer Pulsbreite von ~290 fs eingestellt.
      HINWEIS: Die genaue Wiederholrate kann variieren, und ein Laser mit hoher Wiederholrate eignet sich im Allgemeinen besser für dieses VSFG-Mikroskop.
   2. Leiten Sie den Ausgang des Seed-Lasers in einen handelsüblichen optisch-parametrischen Verstärker (OPA), um einen Strahl im mittleren Infrarotbereich (MIR) zu erzeugen (siehe Materialtabelle). Passen Sie die MIR a....

Discussion

Die kritischsten Schritte sind von 1,42 bis 1,44. Es ist wichtig, die Objektivlinse gut auszurichten, um eine optische räumliche Auflösung zu erzielen. Es ist auch wichtig, das emittierte Signal zu sammeln, weiterzuleiten und den Abtaststrahl als Linie an den Eingangsschlitzen zu projizieren. Die richtige Ausrichtung würde die beste Auflösung und das beste Signal-Rausch-Verhältnis garantieren. Für eine typische Probe, wie z. B. SDS@2 β-CD 100 μm x 100 μm Blätter, würde ein Bild mit guter Auflösung (~1 μm Auf.......

Materials

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