Блог

Mar 24, 2023

Ультра

Научные отчеты, том 12,

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 16518 (2022) Цитировать эту статью

840 Доступов

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Ультрамаленький (54 × 58 × 8,5 мм) и девятицветный спектрометр с большой апертурой (1 × 7 мм), в котором используется массив из десяти дихроичных зеркал, «разделенных» на два слоя, был разработан и использован для получения спектральных изображений моментальных снимков. Поток падающего света с поперечным сечением меньшим размера апертуры разделяется на девять цветовых потоков с смежными полосами длин волн шириной 20 нм и центральными длинами волн 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 и 690. нм. Изображения девяти цветовых потоков одновременно и эффективно измеряются датчиком изображения. В отличие от обычной матрицы дихроичных зеркал, разработанная матрица дихроичных зеркал имеет уникальную двудольную конфигурацию, которая не только увеличивает количество цветов, которые могут быть измерены одновременно, но и улучшает разрешение изображения каждого цветового потока. Разработанный девятицветный спектрометр использовался для четырехкапиллярного электрофореза. Восемь красителей, одновременно мигрирующих в каждом капилляре, были одновременно оценены с помощью девятицветной лазерно-индуцированной флуоресценции. Поскольку девятицветный спектрометр не только сверхмаленький и недорогой, но также обладает высокой световой пропускной способностью и достаточным спектральным разрешением для большинства приложений спектральной визуализации, он имеет потенциал для широкого использования в различных областях.

Гипер- и мультиспектральные изображения стали незаменимыми технологиями в таких областях1, как астрономия2, дистанционное зондирование Земли3,4, контроль качества продуктов питания и воды5,6, консервация произведений искусства и археология7, судебная медицина8, хирургия9, а также биомедицинские анализы и диагностика10,11. ,12,13. Методы измерения спектра света, излучаемого каждой точкой излучения в поле зрения, подразделяются на (1) точечное сканирование («метёлка»)14,15, (2) линейное сканирование («метёлка»)16. ,17,18, (3) сканирование длины волны 19,20,21 и (4) снимок 22,23,24,25. В случае всех этих методов пространственное разрешение, спектральное разрешение и временное разрешение имеют компромиссное соотношение9,10,12,26. Кроме того, светопропускание оказывает существенное влияние на чувствительность, а именно на соотношение сигнал/шум при спектральной визуализации26. Световая пропускная способность, а именно эффективность использования света, пропорциональна отношению фактически измеренного количества света к общему количеству света в измеряемом диапазоне длин волн, излучаемого из каждой точки излучения в единицу времени. Когда интенсивность или спектр света, излучаемого каждой точкой излучения, изменяется с течением времени или когда положение каждой точки излучения меняется с течением времени, подходящим методом является категория (4), поскольку измеряются спектры света, излучаемого всеми точками излучения. одновременно24.

Большинство вышеупомянутых методов сочетаются с большими, сложными и/или дорогими спектрометрами, использующими решетки18 или призмы14,16,22,23 для категорий (1), (2) и (4) или фильтрующие колеса20,21, жидкость – кристаллические перестраиваемые фильтры (LCTF)25 или акустооптические перестраиваемые фильтры (AOTF)19 для категории (3). Напротив, спектрометры, использующие несколько дихроичных зеркал категории (4), малы и недороги благодаря своей простой конфигурации27,28,29,30. Более того, они имеют высокую светопроницаемость, поскольку оба света, разделенные каждым дихроичным зеркалом (то есть проходящий свет и отраженный свет падающего света на каждом дихроичном зеркале) используются полностью и непрерывно. Однако количество диапазонов длин волн (т. е. цветов), измеряемых одновременно, ограничено примерно четырьмя26.

Спектральная визуализация, основанная на обнаружении флуоресценции, часто используется для мультиплексного анализа в биомедицинских исследованиях и диагностике10,13. В мультиплексном анализе, поскольку несколько видов аналитов (например, специфические ДНК или белки) соответственно помечены разными флуоресцентными красителями, количество каждого аналита, присутствующего в каждой точке излучения в поле зрения в каждый момент времени, количественно определяется с помощью многокомпонентного анализа, т.е. , несмешивая обнаруженный спектр флуоресценции, излучаемой из каждой точки излучения в каждый момент времени31,32. Во время этой процедуры разные красители, каждый из которых излучает разную флуоресценцию, могут совместно локализоваться, то есть сосуществовать в пространстве и во времени. В настоящее время максимальное количество красителей, которые можно возбудить одним лазерным лучом, чтобы каждый краситель отличался от других, составляет восемь33. Этот верхний предел определяется не спектральным разрешением (т.е. числом цветов), а шириной спектров флуоресценции (≥ 50 нм) и величинами стоксовых сдвигов (≤ 200 нм) красителей при резонансном переносе энергии флуоресценции ( FRET)10. Однако количество цветов должно быть больше или равно количеству красителей, чтобы исключить смешивание спектральных перекрытий красителей31,32. Поэтому необходимо увеличить количество одновременно измеряемых цветов до восьми и более.