Çizgi Taramalı Titreşimli Toplam Frekans Oluşturma Mikroskobu Kullanılarak Multimodal Doğrusal Olmayan Hiperspektral Kimyasal Görüntüleme

Özet

Geniş bantlı titreşimsel toplam frekans üretimi (VSFG) görüntülerinin yanı sıra parlak alan, ikinci harmonik üretim (SHG) görüntüleme modaliteleri elde etmek için çok modlu, hızlı bir hiperspektral görüntüleme çerçevesi geliştirilmiştir. Kızılötesi frekansın moleküler titreşimlerle rezonans olması nedeniyle, simetriye izin verilen numunelerin mikroskobik yapısal ve mezoskopik morfoloji bilgisi ortaya çıkar.

Özet

İkinci dereceden doğrusal olmayan bir optik sinyal olan titreşimsel toplam frekans üretimi (VSFG), geleneksel olarak ~100 μm uzamsal çözünürlüğe sahip bir spektroskopi tekniği olarak arayüzlerdeki molekülleri incelemek için kullanılmıştır. Bununla birlikte, spektroskopi bir numunenin heterojenliğine duyarlı değildir. Mezoskopik olarak heterojen örnekleri incelemek için, diğerleriyle birlikte, VSFG spektroskopisinin çözünürlük sınırını ~ 1 μm seviyesine kadar zorladık ve VSFG mikroskobunu oluşturduk. Bu görüntüleme tekniği, yalnızca görüntüleme yoluyla örnek morfolojileri çözmekle kalmaz, aynı zamanda görüntülerin her pikselinde geniş bantlı bir VSFG spektrumu kaydeder. İkinci dereceden doğrusal olmayan bir optik teknik olan seçim kuralı, diğerlerinin yanı sıra biyoloji, malzeme bilimi ve biyomühendislikte yaygın olarak bulunan sentrosimetrik olmayan veya kiral kendinden montajlı yapıların görselleştirilmesini sağlar. Bu makalede, izleyiciler, sabitlenmemiş örneklerin görüntülenmesine izin veren ters çevrilmiş bir iletim tasarımı aracılığıyla yönlendirilecektir. Bu çalışma aynı zamanda VSFG mikroskobunun kendi kendine monte edilmiş tabakaların kimyasala özgü geometrik bilgilerini, bir sinir ağı fonksiyon çözücüsü ile birleştirerek çözebileceğini göstermektedir. Son olarak, çeşitli örneklerin parlak alan, SHG ve VSFG konfigürasyonları altında elde edilen görüntüler, VSFG görüntülemenin ortaya çıkardığı benzersiz bilgileri kısaca tartışmaktadır.

Giriş

İkinci dereceden doğrusal olmayan bir optik teknik^{olan titreşimsel} toplam frekans üretimi (VSFG) ^1,2, simetriye izin verilen numuneleri kimyasal olarak profillemek için bir spektroskopi aracı olarak yaygın bir şekilde kullanılmıştır 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13^, 14,15,16,17,18,19,20,21,22. Geleneksel olarak, VSFG, VSFG aktivitesi için bir gereklilik olan ters çevirme simetrisinden yoksun^{olan arayüzey} sistemleri ^8,9,10,11'e (yani gaz-sıvı, sıvı-sıvı, gaz-katı^, katı-sıvı) uygulanmıştır. VSFG'nin bu uygulaması, gömülü arayüzlerin 12,13, arayüzlerde su moleküllerinin konfigürasyonları, 14,15,16,17,18 arayüzlerinde ve 19,20,21,22 arayüzlerinde kimyasal türlerin çok sayıda moleküler detayını sağlamıştır.

VSFG, arayüzlerdeki moleküler türleri ve konfigürasyonları belirlemede güçlü olmasına rağmen, inversiyon merkezleri olmayan malzemelerin moleküler yapılarını ölçme potansiyeli yerine getirilmemiştir. Bunun nedeni kısmen, malzemelerin kimyasal ortamlarında, bileşimlerinde ve geometrik düzenlemelerinde heterojen olabilmesi ve geleneksel bir VSFG spektrometresinin 100^μm2 mertebesinde geniş bir aydınlatma alanına sahip olmasıdır. Bu nedenle, geleneksel VSFG spektroskopisi, tipik bir 100^μm2 aydınlatma alanı üzerinden numunenin topluluk ortalaması alınmış bilgileri hakkında rapor verir. Bu topluluk ortalaması, zıt yönelimlere sahip iyi düzenlenmiş alanlar arasında sinyal iptallerine ve yerel heterojenliklerin yanlış karakterizasyonuna yol açabilir 15,20,23,24.

Neredeyse renk sapmalarından arınmış olan yüksek sayısal açıklık (NA), yansıtıcı tabanlı mikroskop objektiflerindeki (Schwarzschild ve Cassegrain geometrileri) ilerlemelerle, VSFG deneylerinde iki ışının odak boyutu 100 μm 2'den 1-2 μm^2'ye ve bazı durumlarda mikron ^25'in altına düşürülebilir. Bu teknolojik ilerlemeyi de içeren grubumuz ve diğerleri, VSFG'yi 20,23,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36 mikroskopi platformuna dönüştürdü. Son zamanlarda, çok modlu görüntülerin (VSFG, ikinci harmonik üretim (SHG) ve parlak alan optik) sorunsuz bir şekilde toplanmasını sağlayan ters çevrilmiş bir optik düzen ve geniş bant algılama şeması³⁷ uyguladık. Çok modaliteli görüntüleme, optik görüntüleme kullanarak numunelerin hızlı bir şekilde incelenmesine, çeşitli görüntü türlerinin birbiriyle ilişkilendirilmesine ve numune görüntülerindeki sinyal konumlarının bulunmasına olanak tanır. Akromatik aydınlatma optikleri ve darbeli lazer aydınlatma kaynağı seçimi ile bu optik platform, diğerlerinin yanı sıra Floresan mikroskobu³⁸ ve Raman mikroskobu gibi ek tekniklerin gelecekte sorunsuz entegrasyonuna olanak tanır.

Bu yeni düzenlemede, hiyerarşik organizasyonlar ve bir moleküler kendi kendine montaj sınıfı (MSA'lar) gibi örnekler incelenmiştir. Bu malzemeler, hem kimyasal bileşimin hem de geometrik organizasyonun malzemenin nihai işlevi için önemli olduğu kolajen ve biyomimetikleri içerir. VSFG ikinci dereceden doğrusal olmayan bir optik sinyal olduğundan, moleküller arası mesafe veya bükülme açıları gibi moleküller arası düzenlemelere^39,40 özellikle duyarlıdır^, bu da onu hem kimyasal bileşimleri hem de moleküler düzenlemeleri ortaya çıkarmak için ideal bir araç haline getirir. Bu çalışma, bir optik parametrik amplifikatörü (OPA) pompalayan iterbiyum katkılı boşluklu katı hal lazeri, ev yapımı çok modlu ters çevrilmiş mikroskop ve iki boyutlu yüklü birleştirilmiş cihaz (CCD) dedektörüne bağlı monokromatör frekans analizöründen oluşan çekirdek cihazın VSFG, SHG ve parlak alan modalitelerini açıklamaktadır²⁷. Adım adım yapım ve hizalama prosedürleri ve kurulumun tam bir parça listesi sağlanır. Temel moleküler alt birimi, bir molekül sodyum-dodesil sülfat (SDS), ortak bir yüzey aktif madde ve iki molekül β-siklodekstrin (β-CD) içeren bir MSA'nın derinlemesine analizi, burada SDS@2 β-CD olarak bilinen, VSFG'nin organize maddenin moleküle özgü geometrik ayrıntılarını nasıl ortaya çıkarabileceğini göstermek için bir örnek olarak verilmiştir. MSA'nın kimyasala özgü geometrik detaylarının bir sinir ağı fonksiyon çözücü yaklaşımı ile belirlenebileceği de gösterilmiştir.

Protokol

1. Hiperspektral çizgi taramalı VSFG mikroskobu

1. Lazer sistemi
   1. 1025 nm ± 5 nm'de ortalanmış darbeli bir lazer sistemi ( Malzeme Tablosuna bakın) kullanın. Lazer, ~290 fs darbe genişliğiyle 40 W, 200 kHz (200 μJ/darbe) olarak ayarlanmıştır.
      NOT: Tam tekrarlama oranı değişebilir ve yüksek tekrarlama oranlı bir lazer genellikle bu VSFG mikroskobu için daha iyi çalışır.
   2. Bir orta kızılötesi (MIR) ışını oluşturmak için tohum lazerinin çıkışını ticari bir optik parametrik amplifikatöre (OPA) yönlendirin (bkz. MIR'yi ilgi alanlarının sıklığına göre ayarlayın (Şekil 1A).
      NOT: Bu çalışmada, MIR 3450 nm ± 85 nm'de (~2900 ± 72 ^cm-1) ~290 fs darbe süresi ve ~6 μJ darbe enerjisi ile ortalanmıştır, bu da -CH_x fonksiyonel grup bölgesinin bir kısmını kapsar.
2. Yukarı dönüşüm ışını
   1. ~4.75 ^cm-1'lik bir FWHM ile spektral olarak daraltılmış bir yukarı dönüşüm ışını üretmek için OPA'dan kalan 1025 nm ışını bir Fabry-Perot etalonundan (Malzeme Tablosuna bakınız) geçirin.
   2. Daralmış 1025 nm ışını 8 μm safir iğne deliği ile uzamsal olarak filtreleyin.
      NOT: 1025 nm ışın, bir NIR kartı kullanılarak görselleştirilebilir.
   3. 1025 nm darbenin polarizasyonunu bir λ/2 dalga plakası ile kontrol edin (bkz.
3. MIR ışını
   1. Zamansal örtüşmenin hassas kontrolü için MIR ışınını bir gecikme aşaması boyunca yönlendirin.
   2. MIR'in polarizasyonunu bir λ/2 dalga plakası ile kontrol edin.
4. VSFG mikroskobu
   1. MIR'ye geçirgen ve NIR'ye yansıtıcı olan özelleştirilmiş bir dikroik aynada (DM, Şekil 1B) hem yukarı dönüşüm hem de MIR ışınlarını uzamsal olarak üst üste bindirin (bkz. Hizalamayı yönlendirmek için iki iris kullanın: biri DM'den hemen sonra, diğeri en uçta. MIR'nin ortalanıp ortalanmadığını belirlemek için iristen sonra bir güç ölçer kullanın ve NIR konumlarını bulmak için bir NIR kartı kullanın.
      NOT: Örtüşmeden sonra, NIR ışını her iki ışını da yönlendirmek için kullanılabilir.
   2. Üst üste binen ışınları, entegre bir 325 Hz tek eksenli rezonans ışın tarayıcı (entegre iki konumlu tarayıcıya (I2PS) monte edilmiş, Şekil 1B) ile ters çevrilmiş bir mikroskoba yönlendirin (bkz.
      NOT: Rezonans tarayıcı, üst üste binen iki ışından oluşan bir çizgiyi kondansatör objektifinin arka açıklığına yansıtır. VSFG/SHG ve parlak alan modaliteleri arasında sorunsuz yeniden yapılandırmayı sağlayan bir kaydırıcıya monte edilmiştir.
   3. Uzamsal olarak üst üste binen iki ışını, tamamen yansıtıcı bir Schwarzschild objektifi ile numuneye odaklayın (SO, Şekil 1B,D) (bkz.
   4. Numune tarafından üretilen VSFG sinyalini sonsuz düzeltmeli bir kırılma objektifi ile toplayın (RO, Şekil 1B,D) (bkz.
   5. Kolimasyonlu çıkış VSFG sinyalini doğrusal bir polarizör ve ardından iki f = 60 mm odak merceğinden (TL1 ve TL2, Şekil 1B,C) oluşan bir telesentrik tüp lens sistemi aracılığıyla yönlendirin (bkz.
      NOT: Tüp lenslerden gelen büyütülmüş görüntü, monokromatörün giriş yarığında oluşturulur (MC, Şekil 1B,C) ve uzamsal/frekans çözümlü veriler iki boyutlu bir CCD dedektöründe algılanır (CCD, Şekil 1B).
5. SHG modu
   1. SHG görüntülemeye geçmek için, IR ışınını bloke edin ve SHG sinyalini görüntülemek için spektrografın ızgarasını 501.5 nm'ye döndürün.
6. Parlak alan modu
   1. Parlak alan optik görüntülemeye geçmek için beyaz ışık kaynağını açın (bkz. Görüntüleme objektifi (RO) kondansatör ve kondansatör objektifi (SO) görüntüleme objektifi olacak şekilde ters yayılma yönünde parlak alan görüntüleri toplamak için entegre kaydırıcıyı (I2PS, Şekil 1B) hareket ettirin.
   2. Piyasada bulunan bir tüp lens sistemi kullanarak bir RGB parlak alan kamerasının sensör düzleminde kırılma objektifinin kolimasyonlu çıkışının bir görüntüsünü oluşturun (bkz.

Şekil 1: Multimodal hiperspektral VSFG mikroskobu. (Bir) Çekirdek kurulumun üstten görünümü. Ayarlanabilir bir orta IR darbesi oluşturmak için bir OPA'ya 1025 nm'lik bir pompa lazeri gönderildi. Kalan 1025 nm, sıklıkla bir etalon (E) tarafından daraltıldı ve bir uzamsal filtre (SFG) ile uzamsal olarak bir Gauss ışınına filtrelendi. Mid-IR ve 1025 nm ışınlar, özelleştirilmiş bir dikroik aynada (DM) uzamsal olarak üst üste bindirilir ve ters mikroskopta ( A'da kutulu bölge) yönlendirilir. (B) İki ışın, entegre 2 konumlu bir kaydırıcıya (I2PS) monte edilmiş 325 Hz rezonans ışın tarayıcısına gönderilir ve parlak alan ve doğrusal olmayan optik modaliteler arasında sorunsuz geçiş sağlar. Mikroskop platformu, bir kondansatör görevi gören yansıtıcı tabanlı sonsuzluk düzeltmeli bir Schwarzschild objektifi (SO) ve dikey nano konumlandırma (VNP) z ekseni aşamasına monte edilmiş bir kırılma tabanlı sonsuzluk düzeltmeli görüntüleme objektifi (RO) ile donatılmıştır. SO, rezonans ışın tarayıcısının numuneye yansıttığı gelen ışın çizgisine odaklanırken, RO sinyallerin VSFG çizgi bölümünü toplar. Numunenin yüksek kaliteli görüntüleme için en iyi odak durumunda olmasını sağlamak için RO'nun z ekseni konumunu 1 μm hassasiyetle hassas bir şekilde kontrol etmek önemlidir. VSFG sinyalinin kolimasyonlu hattı daha sonra 2 küvet merceğinden (TL1 ve TL2) oluşan bir tüp lens sistemine yönlendirilir ve monokromatörün (MC) giriş yarığında büyütülmüş bir görüntü oluşturur. Frekansla çözülen spektrum çizgisi daha sonra bir şarj bağlantılı cihazda (CCD) hiperspektral olarak görüntülenir. Her bir hiperspektral çizgi toplandıktan sonra, numune, NP kullanılarak rezonans ışın tarayıcı tarama eksenine dik eksende taranır. Örneğin parlak alan görüntülerini toplamak için, I2PS parlak alan konumuna getirilir ve beyaz ışık kaynağını (WLS) yakalayan bir ayna kurulur. Işık daha sonra RO tarafından odaklanır ve SO tarafından görüntülenir. Daha sonra ters çevrilmiş mikroskobun tepesindeki parlak alan kamerasının (BC) sensör düzleminde bir görüntü oluşturulur. (C) Tüp lens alanından MC ve CCD'ye giden optik yolun ayrıntılı görünümü. (D) SO ve RO arasındaki örnek alanın ayrıntılı görünümü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

2. Hiperspektral mikroskop hizalaması ve dikey CCD ekseni uzamsal kalibrasyonu

1. 15 mm x 15 mm x 0,170 mm ± 0,005 mm lamel kaplanmış standart bir ZnO (1 μm kalınlığında) desen püskürtme numunesi kullanarak numune düzleminin (nano konumlandırıcı z ekseni) konumunu kabaca optimize edin ve parlak alan görüntüleme yöntemini kullanarak parlak alan odağına getirin.
   NOT: RO'nun z konumunun yanı sıra beyaz ışığın hizalanmasının gerektiği gibi ayarlanması gerekebilir. Hizalama kalibrasyonu için kullanılan cam desen üzerindeki ZnO'nun temsili bir görüntüsü Şekil 2'de gösterilmektedir.
2. I2PS'yi doğrusal olmayan aydınlatma koluna geri taşıyın ve CCD kamerada gözlemlenen ZnO bölgeleri tarafından üretilen maksimum rezonanssız VSFG yoğunluğu için örnek yüksekliğini optimize edin.
   NOT: RO'nun z konumu maksimum yoğunluk için ayarlanmalıdır. Numunenin optimum yüksekliğine ve RO'ya ulaşılmadan önce 2.1 ve 2.2 adımlarının birkaç kez yinelenmesi gerekebilir.
3. Rezonans ışın tarayıcısını açın ve görüntülerin bir satırını toplayın.
4. Numuneyi ışın tarayıcı yönüne dik olarak tarayarak rezonans olmayan yoğunlukta görüntüler toplayın. Görüntü verilerinin dikey dilimlerini alın ve piksel:mikron oranını belirleyin. ( Şekil 3'e ve açıklamasına bakın).
   NOT: Bu çizgi bölümlerinin türevi, gelecekteki görüntüler için kullanılacak dikey CCD ekseni piksel:mikron oranını üretmek için analiz edilir.

Şekil 2: Bir ZnO modelinin parlak alan görüntüleme modalitesinin kaba hizalaması için temsili görüntü kalitesi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3: Dikey eksen kalibrasyonu iş akışı. Bu şekil, CCD piksellerinin μm biriminde dikey uzamsal boyutlara nasıl dönüştürüleceğini göstermektedir. (A) ZnO desenli lamel bir görüntü toplanır ve yeniden oluşturulur. Ardından, desenin bir kenarından diğer kenarlarına piksel mesafesi ( A'daki küçük dikey çubuk). ZnO desen çaprazı 25 μm genişliğe sahip olacak şekilde tasarlandığından, fiziksel/piksel boyut oranını hesaplamak için burada fiziksel genişliğin piksel genişliğine oranı kullanılabilir. Temsili, dikey eksen kalibre edilmiş bir görüntü (B)'de gösterilmiştir. (C) Son olarak, kırmızı çizgi ile gösterildiği gibi dikey bir dilim alınır. (D) Uzamsal çözünürlüğü elde etmek için dikey dilimin türevi alınır. Uzamsal çözünürlüğü elde etmek için dikey dilimin türevi kullanılır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

3. Hiperspektral veri toplama

1. Spektrumları yatay eksen boyunca dağılmış ve uzamsal konumlar CCD'nin dikey ekseninde kaydedilen CCD'deki VSFG sinyallerinin dikey bir çizgisinin spektrumlarını toplayın.
   NOT: Bu, tek satırlık bir bölüm için iki boyutlu bir veri kümesiyle sonuçlanır.
2. Numunenin çizgi kesiti hiperspektral olarak görüntülendikten sonra, üç boyutlu nano konumlandırıcıyı kullanarak çizgi tarama eksenine dik eksende numuneyi tarayın (NP, Şekil 1).
   NOT: 3D nano konumlandırıcı, numune bölgelerinin (xy düzlemi) konumlandırılmasında ve numunenin odağa getirilmesinde (z ekseni) yüksek hassasiyet ve tekrarlanabilirlik için önemlidir.
3. VSFG hiperspektral görüntüsü toplamak için adım 3.1 ile adım 3.2 arasında yineleyin.

4. Hiperspektral veri analizi

1. MatLab görüntüleme araç kutusu hiperspektral görüntüleme kitaplığı iş akışını kullanarak verileri spektral olarak çözün⁴¹.
   NOT: Spektral karıştırma, uzamsal konumları benzersiz spektrumlarla ilişkilendirir. Hiperspektral veri analizi için Matlab kodu Ek Dosya 1'de verilmiştir.
   1. Matlab görüntü işleme araç kutusu hiperspektral görüntüleme kitaplığı^41'deki hiperküp işlevini kullanarak 4 boyutlu bir hiperküp (x = uzamsal, y = uzamsal, z = frekansa bağlı yoğunluk, ω = frekans) oluşturun.
   2. Yanlış alarm olasılığı (PFA) değeri ^10-7 olan countEndmembersHFC işleviyle benzersiz spektrum sayısını belirleyin.
   3. nfindr spektral karıştırma işlevini kullanarak benzersiz spektrumları tanımlayın.
   4. Son olarak, sid işlevini kullanarak, her pikseli önceki adımda tanımlanan benzersiz spektrumlardan biriyle ilişkilendirin.
      NOT: MatLab Hiperspektral Görüntüleme Kütüphanesi^41'de sunulan alternatif fonksiyonlar/algoritmalar ile ek spektral karıştırma ve eşleştirme yöntemleri yapılabilir.
2. İzole edilmiş her sayfa için toplam verileri Voigt işlevine⁴² (Ek Dosya 1) sığdırın.
   NOT: Lorentz fonksiyonu saf homojen çizgi şekli sınırını temsil ederken, Gauss fonksiyonu homojen olmayan sınırlardan kaynaklanır. Gerçekte, sistemler homojen ve homojen olmayan sınırların bir kombinasyonunda olabilir, bu da VSFG dahil olmak üzere yoğunlaştırılmış faz spektroskopisi için yaygın bir uygulama olan bir Voigt işlevi gerektirir.

5. Numunenin geometrik analizi

1. Adım 5.2-5.3'te belirtilen prosedürü izleyerek numunelerin geometrisini belirleyin. Bu çalışmada SDS@2 β-CD örnek olarak kullanılmıştır. SDS@2 β-CD mezo-yaprak örneğinin moleküler alt biriminin_C7 simetrisine dayalı olarak χ^(2)'nin simetriye izin verilen tensör elemanlarını türetin.
   NOT: χ^(2)' ye izin verilen simetri simetriye bağlıdır. Herhangi bir simetrinin izin verilen doğrusal olmayan duyarlılığını hesaplamak için referans^43'e bakın.
2. Laboratuvar çerçevesi ölçümlerini moleküler çerçeveyle ilişkilendirmek için Euler rotasyonunu²⁷ uygulayın.
   NOT: SDS@2 β-CD durumunda,_C7 simetrisi, 8 çıkışla (laboratuvar çerçevesi χ(2)) 8 girişle (6 bağımsız hiperpolarize edilebilirlik β(2) ve iki açı: Θ, tüm tabakaların numune düzlemine göre eğim açısı ve φ, tabakanın düzlem içi dönüşü ⁽Şekil 4⁾). İki tabakanın ortak moleküler hizalamalarını çıkarmak için iki tabaka kullanılır. _{φ 1} ve φ₂ arasındaki ilişkiler (iki yaprağın düzlem içi dönüş açısı) parlak alan görüntülerinden çıkarılabilir. Geçerli örnekte, φ₂ =_{φ 1} + 60°. Tüm moleküler birimlerin aynı açıda olduğu varsayılır, bu nedenle Θ₁ = Θ₂. Bu, 11 bilinmeyenle sonuçlanır (9 bağımsız olan, 6 bağımsız hiperpolarize edilebilirlik β(2), Θ 1 ve φ₁ ve N tabakaları ile_φ 2 ve Θ₂ olan iki bağımlı açı arasındaki bağıl kapsama oranı) 16 bilinen için ⁽yaprak başına 8 laboratuvar çerçevesi polarizasyonu ve iki yaprak).
3. Polarizasyonla çözülmüş laboratuvar çerçevesi χ(2) ve moleküler çerçeve hiperpolarize edilebilirlik β^(2)'yi bir sinir ağı işlev çözücüsü ile ilişkilendirin.
   NOT: Bu yaklaşımın ayrıntılı bir özeti referans^27'de bulunabilir.
   1. Python^44'te200-100-50 düğüm yapısından ve hiperbolik bir teğet aktivasyon fonksiyonundan oluşan Keras'ı kullanarak katmanlı bir sinir ağı modeli oluşturun.
   2. β⁽²⁾, Θ 1, Θ₂, φ₁, φ 2 ve N değerlerinden oluşan rastgele oluşturulmuş 100000 x 11 matris oluşturun. Euler dönüşleri ile 5.2'de belirlenen denklemi kullanarak karşılık gelen laboratuvar çerçevesi 16 χ^(2)'yi hesaplayın.
   3. Hesaplanan χ(2) değerlerini (toplam 100.000 x 16 değer) girdi olarak kullanın ve 16 ^χ(2) değeri sağlandığında 11 değeri (β⁽2), Θ 1, Θ 2, φ₁, φ₂ ve N⁾ tahmin etmeyi öğrenin.
   4. Eğitildikten sonra, eğitilen modeli test etmek için hem giriş hem de çıkışlarla birlikte başka bir 1000 giriş kümesi kullanın. Tahmin edilen çıktı ve gerçek çıktı, eğimi 1 olan doğrusal bir ilişki göstermelidir.
   5. Son olarak, deneysel olarak ölçülen χ(2)'yi iki sayfadan sağlayın (her sayfada 8 χ⁽² ) ölçülmüştür⁾ ve diğer özelliklerle birlikte eğim açısını Θ tahmin etmek için eğitilmiş modeli kullanın.

Şekil 4: Euler dönüşümünün gösterimi. (A) Laboratuvar koordinatları (XYZ) ikinci dereceden duyarlılık χ(2) ve moleküler koordinatlar (xyz⁾ hiperpolarize edilebilirlik_{β ijk} arasındaki Euler dönüşümünün gösterimi. z-y'-z'' Euler dönüşü, düzlem içi dönüş açısı olarak φ, eğim açısı olarak θ ve büküm açısı olarak ψ olmak üzere moleküler koordinatlarda gerçekleştirilir. ψ, moleküler eksen etrafında rastgele bükülme açıları için entegre edilmiştir. φ entegre değildir, çünkü tüm moleküller kendi kendine monte edilmiş tabakaları oluşturmak için laboratuvar çerçevesine göre belirli bir açıda döner. N, iki yaprağın nispi yüzey kaplamasıdır. (B) Sinir ağı sonuçları tarafından belirlenen bir tabaka oluşturan eğik alt birimlerin görselleştirilmesi. Bu rakam Wagner ve ^ark.27'den değiştirilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Sonuçlar

Şekil 5: SDS@β-CD'nin moleküler yapısı, morfolojisi ve potansiyel oryantasyonu. (A) SDS@β-CD'nin üstten görünüş ve (B) yandan görünüş kimyasal yapısı. (C) Numune düzlemi üzerinde orta ölçekli tabakaların temsili heterojen numune dağılımı. Moleküler alt birim, substrat üze...

Tartışmalar

En kritik adımlar 1.42 ile 1.44 arasındadır. Optik uzamsal çözünürlük için objektif merceği iyi hizalamak çok önemlidir. Yayılan sinyalin toplanması, iletilmesi ve tarama ışınının giriş yarıklarında bir çizgi olarak yansıtılması da önemlidir. Doğru hizalamalar, en iyi çözünürlüğü ve sinyal-gürültü oranını garanti eder. SDS@2 β-CD 100 μm x 100 μm yaprak gibi tipik bir örnek için, yüksek sinyal-gürültü oranına sahip iyi çözünürlüklü bir görüntü (~1 μm çözünürl...

Malzemeler

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