צינור מפותל מנירוסטה 316L למחליף חום

תודה שביקרת ב-Nature.com.אתה משתמש בגרסת דפדפן עם תמיכת CSS מוגבלת.לקבלת החוויה הטובה ביותר, אנו ממליצים להשתמש בדפדפן מעודכן (או להשבית את מצב תאימות ב-Internet Explorer).בנוסף, כדי להבטיח תמיכה שוטפת, אנו מציגים את האתר ללא סגנונות ו-JavaScript.
מציג קרוסלה של שלוש שקופיות בבת אחת.השתמש בלחצנים 'הקודם' וה'הבא' כדי לעבור בין שלוש שקופיות בכל פעם, או השתמש בלחצני המחוון שבקצה כדי לעבור בין שלוש שקופיות בכל פעם.
פותח ספקטרומטר אולטרה-קומפקטי (54 × 58 × 8.5 מ"מ) וצמצם רחב (1 × 7 מ"מ) בתשעה צבעים, "מפוצל לשניים" על ידי מערך של עשר מראות דיכרואיות, ששימש להדמיה ספקטרלית מיידית.שטף האור הנכנס עם חתך קטן מגודל הצמצם מחולק לרצועה רציפה ברוחב 20 ננומטר ותשעה שטפי צבע עם אורכי גל מרכזיים של 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 ו-690 ננומטר.תמונות של תשעה זרמי צבע נמדדות בו זמנית ביעילות על ידי חיישן התמונה.בניגוד למערכי מראות דיכרואיות קונבנציונליות, למערך המראות הדיכרואי שפותח יש תצורה ייחודית של שני חלקים, אשר לא רק מגדילה את מספר הצבעים שניתן למדוד בו זמנית, אלא גם משפרת את רזולוציית התמונה עבור כל זרם צבע.הספקטרומטר המפותח בעל תשעה צבעים משמש לאלקטרופורזה של ארבע נימיות.ניתוח כמותי בו-זמני של שמונה צבעים הנודדים בו-זמנית בכל נימי באמצעות קרינה הנגרמת על ידי לייזר בתשעה צבעים.מכיוון שהספקטרומטר בעל תשעה צבעים הוא לא רק קטן במיוחד וזול, אלא גם בעל שטף אור גבוה ורזולוציה ספקטרלית מספקת עבור רוב יישומי ההדמיה הספקטרלית, ניתן להשתמש בו באופן נרחב בתחומים שונים.
הדמיה היפר-ספקטרלית ורב-ספקטרלית הפכה לחלק חשוב באסטרונומיה2, חישה מרחוק לתצפית על כדור הארץ3,4, בקרת איכות מזון ומים5,6, שימור אמנות וארכיאולוגיה7, משפטים8, ניתוחים9, ניתוח ואבחון ביו-רפואי10,11 וכו'. תחום 1 טכנולוגיה הכרחית ,12,13.שיטות למדידת ספקטרום האור הנפלט מכל נקודת פליטה בשדה הראייה מחולקות ל-(1) סריקה נקודתית ("מטאטא")14,15, (2) סריקה ליניארית ("פאניקה")16,17,18 , (3) אורך סורק גלים19,20,21 ו-(4) תמונות22,23,24,25.במקרה של כל השיטות הללו, לרזולוציה מרחבית, רזולוציה ספקטרלית ורזולוציה זמנית יש קשר סחר-אוף9,10,12,26.בנוסף, לתפוקת האור יש השפעה משמעותית על הרגישות, כלומר יחס האות לרעש בהדמיה ספקטרלית26.שטף האור, כלומר יעילות השימוש באור, עומד ביחס ישר ליחס בין כמות האור הנמדדת בפועל של כל נקודת אור ליחידת זמן לבין כמות האור הכוללת של טווח אורכי הגל הנמדדים.קטגוריה (4) היא שיטה מתאימה כאשר עוצמת האור או ספקטרום האור הנפלט על ידי כל נקודת פליטה משתנה עם הזמן או כאשר המיקום של כל נקודת פליטה משתנה עם הזמן מכיוון שספקטרום האור הנפלט על ידי כל נקודות הפליטה נמדד בו זמנית.24.
רוב השיטות הנ"ל משולבות עם ספקטרומטרים גדולים, מורכבים ו/או יקרים באמצעות 18 רשתות או 14, 16, 22, 23 מנסרות עבור מחלקות (1), (2) ו-(4) או 20, 21 דיסקיות סינון, מסנני נוזלים .מסננים מתכווננים גבישיים (LCTF)25 או מסננים מתכווננים אקוסטו-אופטיים (AOTF)19 מקטגוריה (3).לעומת זאת, ספקטרומטרים מרובי מראה בקטגוריה (4) הם קטנים וזולים בשל התצורה הפשוטה שלהם27,28,29,30.בנוסף, יש להם שטף אור גבוה מכיוון שהאור המשותף לכל מראה דיכרואית (כלומר, האור המשודר והמוחזר של האור הנכנס על כל מראה דיכרואית) נמצא בשימוש מלא ורציף.עם זאת, מספר פסי אורך הגל (כלומר צבעים) שיש למדוד בו זמנית מוגבל לכארבעה.
הדמיה ספקטרלית המבוססת על זיהוי הקרינה משמשת בדרך כלל לניתוח מולטיפלקס בזיהוי ביו-רפואי ואבחון 10, 13.בריבוי, מכיוון שמספר אנליטים (לדוגמה, DNA או חלבונים ספציפיים) מסומנים בצבעים פלורסנטים שונים, כל אנליט הקיים בכל נקודת פליטה בשדה הראייה מכומת באמצעות אנליזה מרובת רכיבים.32 מפרק את ספקטרום הקרינה שזוהה הנפלט על ידי כל נקודת פליטה.במהלך תהליך זה, צבעים שונים, כל אחד פולט פלואורסצנטי שונה, יכולים להתכנס, כלומר להתקיים במקביל במרחב ובזמן.נכון לעכשיו, המספר המרבי של צבעים שניתן לעורר על ידי קרן לייזר בודדת הוא 833.גבול עליון זה אינו נקבע על ידי הרזולוציה הספקטרלית (כלומר, מספר הצבעים), אלא על ידי רוחב ספקטרום הקרינה (≥50 ננומטר) וכמות הסטת הסטוקס של הצבע (≤200 ננומטר) ב-FRET (באמצעות FRET)10 .עם זאת, מספר הצבעים חייב להיות גדול או שווה למספר הצבעים כדי לבטל את החפיפה הספקטרלית של צבעים מעורבים31,32.לכן, יש צורך להגדיל את מספר הצבעים הנמדדים בו זמנית לשמונה או יותר.
לאחרונה פותח ספקטרומטר הפטכרואי קומפקטי במיוחד (באמצעות מערך של מראות הפטכרואיות וחיישן תמונה למדידת ארבעה שטפים ניאון).הספקטרומטר קטן בשניים עד שלושה סדרי גודל מספקטרומטרים קונבנציונליים המשתמשים בסורגים או במנסרות34,35.עם זאת, קשה להציב יותר משבע מראות דיכרואיות בספקטרומטר ולמדוד בו זמנית יותר משבעה צבעים36,37.עם עלייה במספר המראות הדיכרואיות, ההבדל המקסימלי באורכי הנתיבים האופטיים של שטפי האור הדיכרואיים גדל, ומתקשה להציג את כל שטפי האור במישור חושי אחד.אורך הנתיב האופטי הארוך ביותר של שטף האור גם גדל, כך שרוחב פתח הספקטרומטר (כלומר הרוחב המרבי של האור המנותח על ידי הספקטרומטר) יורד.
בתגובה לבעיות הנ"ל, פותח ספקטרומטר אולטרה-קומפקטי בעל תשעה צבעים עם מערך מראות דככרומטי דו-שכבתי וחיישן תמונה להדמיה ספקטרלית מיידית [קטגוריה (4)].בהשוואה לספקטרומטרים קודמים, לספקטרומטר שפותח יש הבדל קטן יותר באורך הנתיב האופטי המרבי ואורך הנתיב האופטי המרבי קטן יותר.זה הוחל על אלקטרופורזה של ארבע נימיות כדי לזהות קרינה של תשעה צבעים הנגרמת על ידי לייזר וכדי לכמת את ההגירה בו זמנית של שמונה צבעים בכל נימי.מכיוון שהספקטרומטר שפותח הוא לא רק קטן במיוחד וזול, אלא גם בעל שטף אור גבוה ורזולוציה ספקטרלית מספקת עבור רוב יישומי ההדמיה הספקטרלית, ניתן להשתמש בו באופן נרחב בתחומים שונים.
הספקטרומטר המסורתי של תשעה צבעים מוצג באיור.1א.העיצוב שלו עוקב אחר זה של ספקטרומטר שבעה צבעים קטן במיוחד 31. הוא מורכב מתשע מראות דיכרואיות המסודרות אופקית בזווית של 45° ימינה, וחיישן התמונה (S) ממוקם מעל תשע המראות הדיכרואיות.האור הנכנס מלמטה (C0) מחולק על ידי מערך של תשע מראות דיכרואיות לתשע זרימות אור העולה למעלה (C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 ו-C9).כל תשעת זרמי הצבע מוזנים ישירות לחיישן התמונה ומזוהים בו זמנית.במחקר זה, C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 ו-C9 הם בסדר אורך הגל ומיוצגים על ידי מגנטה, סגול, כחול, ציאן, ירוק, צהוב, כתום, אדום-כתום, ו אדום, בהתאמה.אמנם ייעודי צבע אלה משמשים במסמך זה, כפי שמוצג באיור 3, מכיוון שהם שונים מהצבעים האמיתיים הנראים על ידי העין האנושית.
דיאגרמות סכמטיות של ספקטרומטרים קונבנציונליים וחדשים של תשעה צבעים.(א) ספקטרומטר קונבנציונלי של תשעה צבעים עם מערך של תשע מראות דיכרואיות.(ב) ספקטרומטר חדש בן תשעה צבעים עם מערך מראות דו-שכבתי.שטף האור הנכנס C0 מחולק לתשעה שטפי אור צבעוניים C1-C9 ומזוהים על ידי חיישן התמונה S.
הספקטרומטר החדש של תשעה צבעים שפותח כולל סורג מראה דו-שכבתי וחיישן תמונה, כפי שמוצג באיור 1b.בשכבה התחתונה, חמש מראות דיכרואיות מוטות ב-45° ימינה, מיושרות ימינה ממרכז מערך ה-decamers.במפלס העליון, חמש מראות דיכרואיות נוספות מוטות 45° שמאלה וממוקמות מהמרכז לשמאל.המראה הדיכרוית השמאלית ביותר של השכבה התחתונה והמראה הדיכרוית הימנית ביותר של השכבה העליונה חופפות זו לזו.שטף האור הנכנס (C0) מחולק מלמטה לארבעה שטפים אכרומטיים יוצאים (C1-C4) על ידי חמש מראות דיכרואיות מימין וחמישה שטפים אכרומטיים יוצאים (C5-C4) על ידי חמש מראות דיכרומטיות בצד שמאל.כמו ספקטרומטרים רגילים של תשעה צבעים, כל תשעת זרמי הצבע מוזרקים ישירות לחיישן התמונה (S) ומזוהים בו-זמנית.בהשוואת איורים 1a ו-1b, ניתן לראות שבמקרה של הספקטרומטר החדש של תשעת הצבעים, גם ההפרש המקסימלי וגם אורך הנתיב האופטי הארוך ביותר של תשעת שטפי הצבע מצטמצמים לחצי.
הבנייה המפורטת של מערך מראות דיכרואיות דו-שכבתי קטן במיוחד 29 מ"מ (רוחב) × 31 מ"מ (עומק) × 6 מ"מ (גובה) מוצגת באיור 2. מערך המראות הדיכרואיות העשרוניות מורכב מחמש מראות דיכרואיות בצד ימין (M1-M5) וחמש מראות דיכרואיות בצד שמאל (M6-M9 ועוד M5), כל מראה דיכרואית קבועה בתושבת האלומיניום העליונה.כל המראות הדיכרואיות מסודרות כדי לפצות על תזוזה מקבילה עקב שבירה של הזרימה דרך המראות.מתחת ל-M1, מסנן מעבר פס (BP) קבוע.מידות M1 ו-BP הן 10 מ"מ (צד ארוך) x 1.9 מ"מ (צד קצר) x 0.5 מ"מ (עובי).מידות המראות הדיכרואיות הנותרות הן 15 מ"מ × 1.9 מ"מ × 0.5 מ"מ.גובה המטריצה ​​בין M1 ל-M2 הוא 1.7 מ"מ, בעוד שגובה המטריצה ​​של מראות דיכרואיות אחרות הוא 1.6 מ"מ.על איור.2c משלב את שטף האור הנכנס C0 ותשעה שטפי אור צבעוניים C1-C9, מופרדים על ידי מטריצת מראות של מראות.
בניית מטריצת מראה דו-שכבתית דו-שכבתית.(א) מבט פרספקטיבי ו-(ב) מבט חתך של מערך מראות דו-שכבתי (מידות 29 מ"מ על 31 מ"מ על 6 מ"מ).הוא מורכב מחמש מראות דיכרואיות (M1-M5) הממוקמות בשכבה התחתונה, חמש מראות דיכרואיות (M6-M9 ועוד M5) הממוקמות בשכבה העליונה, ומסנן פס-פס (BP) הממוקם מתחת ל-M1.(ג) מבט חתך בכיוון אנכי, עם חפיפה של C0 ו-C1-C9.
רוחב הצמצם בכיוון האופקי, המצוין ברוחב C0 באיור 2, c, הוא 1 מ"מ, ובכיוון הניצב למישור של איור 2, c, הניתן על ידי עיצוב תושבת האלומיניום, – 7 מ"מ.כלומר, הספקטרומטר החדש בעל תשעת הצבעים הוא בעל גודל צמצם גדול של 1 מ"מ × 7 מ"מ.הנתיב האופטי של C4 הוא הארוך ביותר מבין C1-C9, והנתיב האופטי של C4 בתוך מערך המראה הדיכרואי, בשל הגודל הקטן ביותר לעיל (29 מ"מ × 31 מ"מ × 6 מ"מ), הוא 12 מ"מ.יחד עם זאת, אורך הנתיב האופטי של C5 הוא הקצר ביותר מבין C1-C9, ואורך הנתיב האופטי של C5 הוא 5.7 מ"מ.לכן, ההבדל המקסימלי באורך הנתיב האופטי הוא 6.3 מ"מ.אורכי הנתיב האופטי לעיל מתוקנים עבור אורך הנתיב האופטי עבור שידור אופטי של M1-M9 ו-BP (מקוורץ).
המאפיינים הספקטרליים של М1−М9 ו-VR מחושבים כך שהשטפים С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8 ו- С9 נמצאים בטווח אורך הגל 520–540, 540–560, 560–58080, –600, 600–620, 620–640, 640–660, 660–680 ו-680–700 ננומטר, בהתאמה.
תצלום של המטריצה ​​המיוצרת של מראות דככרומטיות מוצג באיור 3a.M1-M9 ו-BP מודבקים בשיפוע של 45 מעלות ובמישור האופקי של תומך האלומיניום, בהתאמה, בעוד M1 ו-BP מוסתרים בחלק האחורי של הדמות.
ייצור מערך מראות דקן והדגמתו.(א) מערך של מראות דככרומטיות מפוברקות.(ב) תמונה מפוצלת בתשעה צבעים בגודל 1 מ"מ × 7 מ"מ המוקרנת על דף נייר המוצב מול מערך של מראות דכרומטית ומוארת אחורית באור לבן.(ג) מערך של מראות דקוכרומטיות מוארות באור לבן מאחור.(ד) זרם פיצול של תשעה צבעים הנובע ממערך מראות הדקאן, נצפה על ידי הנחת מיכל אקרילי מלא עשן מול מערך מראות הדקאן ב-c והחשכת החדר.
ספקטרום השידור הנמדד של M1-M9 C0 בזווית נפילה של 45° וספקטרום השידור הנמדד של BP C0 בזווית שפע של 0° מוצגים באיורים.4א.ספקטרום השידור של C1-C9 ביחס ל-C0 מוצגים באיורים.4ב.ספקטרום אלו חושבו מהספקטרום באיורים.4a בהתאם לנתיב האופטי C1-C9 באיור 4a.1b ו-2c.לדוגמה, TS(C4) = TS (BP) × [1 − TS (M1)] × TS (M2) × TS (M3) × TS (M4) × [1 − TS (M5)], TS(C9 ) = TS (BP) × TS (M1) × [1 - TS (M6)] × TS (M7) × TS (M8) × TS (M9) × [1 - TS (M5)], כאשר TS(X) ו- [ 1 − TS(X)] הם ספקטרום השידור וההשתקפות של X, בהתאמה.כפי שמוצג באיור 4b, רוחב הפס (רוחב פס ≥50%) של C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 ו-C9 הם 521-540, 541-562, 563-580, 581-602, 603 -623, 624-641, 642-657, 659-680 ו-682-699 ננומטר.תוצאות אלו תואמות את הטווחים שפותחו.בנוסף, יעילות הניצול של אור C0 גבוהה, כלומר, העברת האור המקסימלית הממוצעת של C1-C9 היא 92%.
ספקטרום שידור של מראה דיכרואית ושטף מפוצל של תשעה צבעים.(א) ספקטרום שידור נמדד של M1-M9 בשכיחות של 45° ו-BP בשכיחות של 0°.(ב) ספקטרום העברה של C1-C9 ביחס ל-C0 מחושב מ-(א).
על איור.3c, מערך המראות הדיכרואיות ממוקם בצורה אנכית, כך שהצד הימני שלו באיור 3a הוא הצד העליון והקרן הלבנה של נורת ה-LED המאוחדת (C0) מוארת אחורית.מערך המראות הדקאכרומטיות המוצג באיור 3a מותקן במתאם של 54 מ"מ (גובה) × 58 מ"מ (עומק) × 8.5 מ"מ (עובי).על איור.3d, בנוסף למצב המוצג באיור.3c, מיכל אקרילי מלא עשן הוצב מול מערך של מראות דקוכרומטיות, כשהאורות בחדר כבויים.כתוצאה מכך, תשעה זרמים דיכרואיים נראים במיכל, הנובעים ממערך של מראות דקטרואיות.לכל זרם מפוצל יש חתך מלבני במידות של 1 × 7 מ"מ, התואם את גודל הצמצם של הספקטרומטר החדש בעל תשעה הצבעים.באיור 3b, גיליון נייר ממוקם מול מערך המראות הדיכרואיות באיור 3c, ותמונה בגודל 1X7 מ"מ של תשעה זרמים דיכרואיים המוקרנים על הנייר נצפית מכיוון תנועת הנייר.זרמים.תשעת זרמי הפרדת הצבעים באיור.3b ו-d הם C4, C3, C2, C1, C5, C6, C7, C8 ו-C9 מלמעלה למטה, שניתן לראות גם באיורים 1 ו-2. 1b ו-2c.הם נצפים בצבעים התואמים את אורכי הגל שלהם.בשל עוצמת האור הלבן הנמוכה של ה-LED (ראה איור משלים. S3) והרגישות של מצלמת הצבע המשמשת ללכידת C9 (682–699 ננומטר) באיור. זרימות פיצול אחרות חלשות.באופן דומה, C9 היה נראה קלוש בעין בלתי מזוינת.בינתיים, C2 (הזרם השני מלמעלה) נראה ירוק באיור 3, אבל נראה צהוב יותר בעין בלתי מזוינת.
המעבר מאיור 3c ל-d מוצג בסרטון משלים 1. מיד לאחר שהאור הלבן מה-LED עובר דרך מערך המראות הדקאכרומטי, הוא מתפצל בו זמנית לתשעה זרמי צבע.בסופו של דבר, העשן בבור התפזר מלמעלה למטה בהדרגה, כך שגם תשע האבקות הצבעוניות נעלמו מלמעלה למטה.לעומת זאת, בסרטון משלים 2, כאשר אורך הגל של שטף האור המתרחש על מערך המראות הדקאכרומטיות שונה מאורך לקצר בסדר גודל של 690, 671, 650, 632, 610, 589, 568, 550 ו-532 ננומטר. ., מוצגים רק הזרמים המפוצלים המתאימים של תשעת הזרמים המפוצלים בסדר גודל של C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 ו-C1.המאגר האקרילי מוחלף בבריכת קוורץ, וניתן לראות בבירור את הפתיתים של כל זרימה משוטטת מהכיוון המשופע כלפי מעלה.בנוסף, תת-סרטון 3 נערך כך שחלק השינוי באורך הגל של תת-סרטון 2 מושמע מחדש.זהו הביטוי הרהוטה ביותר למאפיינים של מערך דקוכרומטי של מראות.
התוצאות לעיל מראות שמערך המראות הדקאכרומטי המיוצר או ספקטרומטר תשעת הצבעים החדש פועל כמתוכנן.הספקטרומטר החדש בן תשעת הצבעים נוצר על ידי הרכבה של מערך של מראות ד-קכרומטיות עם מתאמים ישירות על לוח חיישן התמונה.
שטף אור עם טווח אורך גל מ-400 עד 750 ננומטר, הנפלט מארבע נקודות קרינה φ50 מיקרומטר, הממוקמות במרווחים של 1 מ"מ בכיוון הניצב למישור של איור 2c, בהתאמה מחקר 31, 34. מערך ארבע העדשות מורכב מ- ארבע עדשות φ1 מ"מ עם אורך מוקד של 1.4 מ"מ וגובה של 1 מ"מ.ארבעה זרמים מאוחדים (ארבעה C0) מתרחשים ב-DP של ספקטרומטר חדש בעל תשעה צבעים, המרווחים במרווחים של 1 מ"מ.מערך של מראות דיכרואיות מחלק כל זרם (C0) לתשעה זרמי צבע (C1-C9).36 הזרמים המתקבלים (ארבעה סטים של C1-C9) מוזרקים לאחר מכן ישירות לחיישן תמונה CMOS (S) המחובר ישירות למערך של מראות דיכרואיות.כתוצאה מכך, כפי שמוצג באיור 5a, בשל הפרש הנתיב האופטי המרבי הקטן והנתיב האופטי המקסימלי הקצר, התמונות של כל 36 הזרמים זוהו בו-זמנית וברורה באותו גודל.על פי הספקטרום במורד הזרם (ראה איור משלים S4), עוצמת התמונה של ארבע הקבוצות C1, C2 ו-C3 נמוכה יחסית.שלושים ושש תמונות היו בגודל של 0.57 ± 0.05 מ"מ (ממוצע ± SD).לפיכך, הגדלה של התמונה הייתה ממוצעת של 11.4.המרווח האנכי בין תמונות הוא ממוצע של 1 מ"מ (מרווח זהה למערך עדשות) והמרווח האופקי הוא ממוצע של 1.6 מ"מ (מרווח זהה למערך מראה דיכרואי).מכיוון שגודל התמונה קטן בהרבה מהמרחק בין תמונות, ניתן למדוד כל תמונה באופן עצמאי (עם דיבור נמוך).בינתיים, תמונות של עשרים ושמונה זרמים שתועדו על ידי ספקטרומטר שבעה צבעים קונבנציונלי ששימש במחקר הקודם שלנו מוצגות באיור 5 ב'. המערך של שבע מראות דיכרואיות נוצר על ידי הסרת שתי המראות הדיכרואיות הימניות ביותר מהמערך של תשע דיכרואיות. מראות באיור 1a.לא כל התמונות חדות, גודל התמונה גדל מ-C1 ל-C7.עשרים ושמונה תמונות בגודל של 0.70 ± 0.19 מ"מ.לכן, קשה לשמור על רזולוציית תמונה גבוהה בכל התמונות.מקדם הווריאציה (CV) עבור גודל תמונה 28 באיור 5b היה 28%, בעוד שה-CV עבור גודל תמונה 36 באיור 5a ירד ל-9%.התוצאות שלעיל מראות שהספקטרומטר החדש בעל תשעת הצבעים לא רק מגדיל את מספר הצבעים הנמדדים בו זמנית משבעה לתשעה, אלא גם בעל רזולוציית תמונה גבוהה עבור כל צבע.
השוואה של איכות התמונה המפוצלת שנוצרת על ידי ספקטרומטרים קונבנציונליים וחדשים.(א) ארבע קבוצות של תמונות מופרדות בתשעה צבעים (C1-C9) שנוצרו על ידי הספקטרומטר החדש של תשעה צבעים.(ב) ארבע קבוצות של תמונות מופרדות בשבעה צבעים (C1-C7) שנוצרו עם ספקטרומטר קונבנציונלי של שבעה צבעים.שטפים (C0) עם אורכי גל מ-400 עד 750 ננומטר מארבע נקודות פליטה נאספים ונכנסים לכל ספקטרומטר, בהתאמה.
המאפיינים הספקטרליים של הספקטרומטר בעל תשעת הצבעים הוערכו בניסוי ותוצאות ההערכה מוצגות באיור 6. שימו לב שאיור 6a מציג את אותן תוצאות כמו איור 5a, כלומר באורכי גל של 4 C0 400-750 ננומטר, כל 36 התמונות מזוהות (4 קבוצות C1–C9).להיפך, כפי שמוצג באיור 6b–j, כאשר לכל C0 יש אורך גל ספציפי של 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 או 690 ננומטר, יש כמעט רק ארבע תמונות מתאימות (ארבע קבוצות שזוהו C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 או C9).עם זאת, חלק מהתמונות הסמוכות לארבע התמונות המתאימות מזוהות בצורה חלשה מאוד מכיוון שספקטרום השידור של C1–C9 המוצג באיור 4b חופפות מעט ולכל C0 יש פס של 10 ננומטר באורך גל מסוים כמתואר בשיטה.תוצאות אלו תואמות את ספקטרום השידור C1-C9 המוצג באיורים.4b וסרטונים משלימים 2 ו-3. במילים אחרות, ספקטרומטר תשעת הצבעים פועל כצפוי בהתבסס על התוצאות המוצגות באיור.4ב.לכן, המסקנה היא שהתפלגות עוצמת התמונה C1-C9 היא הספקטרום של כל C0.
מאפיינים ספקטרליים של ספקטרומטר בן תשעה צבעים.הספקטרומטר החדש של תשעת הצבעים יוצר ארבע קבוצות של תמונות מופרדות בתשעה צבעים (C1-C9) כאשר לאור הנכנס (ארבעה C0) יש אורך גל של (א) 400-750 ננומטר (כמתואר באיור 5a), (ב) 530 ננומטר.ננומטר, (ג) 550 ננומטר, (ד) 570 ננומטר, (ה) 590 ננומטר, (ו) 610 ננומטר, (ג) 630 ננומטר, (ח) 650 ננומטר, (i) 670 ננומטר, (י) 690 ננומטר, בהתאמה.
הספקטרומטר המפותח של תשעה צבעים שימש לאלקטרופורזה של ארבע נימיות (לפרטים, ראה חומרים משלימים)31,34,35.המטריצה ​​הארבעה נימית מורכבת מארבעה נימים (קוטר חיצוני 360 מיקרומטר וקוטר פנימי 50 מיקרומטר) הממוקמות במרווחים של 1 מ"מ באתר הקרנת הלייזר.דגימות המכילות שברי DNA המסומנים ב-8 צבעים, כלומר FL-6C (צבע 1), JOE-6C (צבע 2), dR6G (צבע 3), TMR-6C (צבע 4), CXR-6C (צבע 5), TOM- 6C (צבע 6), LIZ (צבע 7) ו-WEN (צבע 8) בסדר עולה של אורך גל ניאון, מופרדים בכל אחת מארבעה נימים (להלן: Cap1, Cap2, Cap3 ו- Cap4).הקרינה המושרה על ידי לייזר מ-Cap1-Cap4 נקלטה במערך של ארבע עדשות ותועדה בו-זמנית עם ספקטרומטר של תשעה צבעים.הדינמיקה של עוצמת הקרינה של תשעה צבעים (C1-C9) במהלך אלקטרופורזה, כלומר אלקטרופורגרמה של תשעה צבעים של כל נימי, מוצגת באיור 7a.אלקטרופורגרמה מקבילה של תשעה צבעים מתקבלת ב-Cap1-Cap4.כפי שמצוין על ידי החצים Cap1 באיור 7a, שמונה הפסגות בכל אלקטרופורגרמה של תשעה צבעים מציגות פליטת פלואורסצנציה אחת מ-Dye1-Dye8, בהתאמה.
כימות סימולטני של שמונה צבעים באמצעות ספקטרומטר אלקטרופורזה בעל תשעה צבעים ארבעה נימיים.(א) אלקטרופורגרמה של תשעה צבעים (C1-C9) של כל נימי.שמונה הפסגות המצוינות בחצים Cap1 מציגות פליטות פלואורסצנטי בודדות של שמונה צבעים (Dye1-Dye8).צבעי החצים תואמים את הצבעים (ב) ו-(ג).(ב) ספקטרום פלואורסצנטי של שמונה צבעים (Dye1-Dye8) לכל נימי.ג אלקטרופרוגרמות של שמונה צבעים (Dye1-Dye8) לכל נימי.הפסגות של שברי DNA המסומנים ב-Dye7 מסומנים בחצים, ואורכי הבסיס שלהם Cap4 מסומנים.
התפלגויות העוצמה של C1-C9 על שמונה פסגות מוצגות באיורים.7ב, בהתאמה.מכיוון שגם C1-C9 וגם Dye1-Dye8 נמצאים בסדר אורך גל, שמונה ההתפלגויות באיור 7b מציגות את ספקטרום הקרינה של Dye1-Dye8 ברצף משמאל לימין.במחקר זה, Dye1, Dye2, Dye3, Dye4, Dye5, Dye6, Dye7 ו-Dye8 מופיעים במג'נטה, סגול, כחול, ציאן, ירוק, צהוב, כתום ואדום, בהתאמה.שימו לב שצבעי החצים באיור 7א תואמים לצבעי הצבע באיור 7ב.עוצמות הקרינה C1-C9 עבור כל ספקטרום באיור 7b נורמלו כך שהסכום שלהם שווה לאחד.שמונה ספקטרום פלואורסצנטי שוות התקבלו מ-Cap1-Cap4.ניתן לראות בבירור את החפיפה הספקטרלית של הקרינה בין צבע 1-צבע 8.
כפי שמוצג באיור 7c, עבור כל נימי, האלקטרופורגרמה של תשעה צבעים באיור 7a הומרה לאלקטרופרוגרמה של שמונה צבעים על ידי ניתוח רב-רכיבים המבוסס על שמונה ספקטרום הקרינה באיור 7b (ראה חומרים משלימים לפרטים).מכיוון שהחפיפה הספקטרלית של הקרינה באיור 7a אינה מוצגת באיור 7c, ניתן לזהות ולכמת את Dye1-Dye8 בנפרד בכל נקודת זמן, גם אם כמויות שונות של Dye1-Dye8 זורחות בו-זמנית.לא ניתן לעשות זאת עם זיהוי שבעה צבעים מסורתי31, אך ניתן להשיג זאת עם זיהוי תשעה צבעים שפותח.כפי שמוצג על ידי החצים Cap1 באיור 7c, רק נקודות פליטת הפלורסנט Dye3 (כחול), Dye8 (אדום), Dye5 (ירוק), Dye4 (ציאן), Dye2 (סגול), Dye1 (מגנטה) ו-Dye6 (צהוב). ) נצפים בסדר הכרונולוגי הצפוי.עבור פליטת פלורסנט של צבע 7 (כתום), בנוסף לשיא הבודד המצוין על ידי החץ הכתום, נצפו עוד כמה פסגות בודדות.תוצאה זו נובעת מהעובדה שהדגימות הכילו תקני גודל, עם Dye7 שברי DNA עם אורכי בסיס שונים.כפי שמוצג באיור 7c, עבור Cap4 אורכי בסיס אלה הם 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214 ו-220 אורכי בסיס.
התכונות העיקריות של הספקטרומטר בעל תשעה הצבעים, שפותח באמצעות מטריצה ​​של מראות דו-שכבתיות, הן גודל קטן ועיצוב פשוט.מאחר ומערך המראות הד-קכרומטיות בתוך המתאם המוצג באיור.3c המותקן ישירות על לוח חיישן התמונה (ראה איור S1 ו-S2), לספקטרומטר תשעה צבעים יש את אותם ממדים כמו המתאם, כלומר 54 × 58 × 8.5 מ"מ.(עובי).גודל קטן במיוחד זה קטן בשניים עד שלושה סדרי גודל מאשר ספקטרומטרים קונבנציונליים המשתמשים בסורגים או מנסרות.בנוסף, מכיוון שספקטרומטר תשעה צבעים מוגדר כך שאור פוגע במשטח של חיישן התמונה בניצב, ניתן להקצות מקום בקלות לספקטרומטר תשעה צבעים במערכות כגון מיקרוסקופים, ציטומטרי זרימה או מנתחים.מנתח אלקטרופורזה סורג נימי למזעור גדול עוד יותר של המערכת.יחד עם זאת, הגודל של עשר מראות דיכרואיות ומסנני פס פס המשמשים בספקטרומטר של תשעת הצבעים הוא רק 10×1.9×0.5 מ"מ או 15×1.9×0.5 מ"מ.לפיכך, ניתן לחתוך יותר מ-100 מראות דיכרואיות קטנות ומסנני פס פס, בהתאמה, ממראה דיכרואית וממסנן פס פס של 60 מ"מ, בהתאמה.לכן, ניתן לייצר מערך של מראות דככרומטיות בעלות נמוכה.
תכונה נוספת של הספקטרומטר בעל תשעה צבעים היא המאפיינים הספקטרליים המצוינים שלו.בפרט, הוא מאפשר רכישה של תמונות ספקטרליות של צילומי מצב, כלומר, רכישה בו-זמנית של תמונות עם מידע ספקטרלי.עבור כל תמונה התקבל ספקטרום רציף בטווח אורכי גל של 520 עד 700 ננומטר ורזולוציה של 20 ננומטר.במילים אחרות, תשע עוצמות צבע של אור מזוהות עבור כל תמונה, כלומר תשע פסים של 20 ננומטר המחלקים באופן שווה את טווח אורך הגל בין 520 ל-700 ננומטר.על ידי שינוי המאפיינים הספקטרליים של המראה הדיכרואית ומסנן הפס-פס, ניתן להתאים את טווח אורך הגל של תשע הרצועות ואת הרוחב של כל פס.זיהוי תשעה צבעים יכול לשמש לא רק עבור מדידות פלואורסצנטיות עם הדמיה ספקטרלית (כמתואר בדוח זה), אלא גם עבור יישומים נפוצים רבים אחרים המשתמשים בהדמיה ספקטרלית.למרות שהדמיה היפרספקטרלית יכולה לזהות מאות צבעים, נמצא שגם עם הפחתה משמעותית במספר הצבעים הניתנים לזיהוי, ניתן לזהות אובייקטים מרובים בשדה הראייה בדיוק מספיק עבור יישומים רבים38,39,40.מכיוון שלרזולוציה המרחבית, הרזולוציה הספקטרלית והרזולוציה הזמנית יש פשרות בהדמיה ספקטרלית, הפחתת מספר הצבעים יכולה לשפר את הרזולוציה המרחבית והרזולוציה הזמנית.הוא יכול גם להשתמש בספקטרומטרים פשוטים כמו זה שפותח במחקר זה ולהפחית עוד יותר את כמות החישוב.
במחקר זה, שמונה צבעים כומתו בו-זמנית על ידי הפרדה ספקטרלית של ספקטרום הקרינה החופפים שלהם על בסיס זיהוי של תשעה צבעים.ניתן לכמת עד תשעה צבעים בו-זמנית, המתקיימים במקביל בזמן ובמרחב.יתרון מיוחד של הספקטרומטר בעל תשעה הצבעים הוא שטף האור הגבוה והצמצם הגדול שלו (1 × 7 מ"מ).למערך מראות decane יש שידור מקסימלי של 92% מהאור מהפתח בכל אחד מתשעת טווחי אורכי הגל.היעילות של שימוש באור חודר בטווח אורכי גל שבין 520 ל-700 ננומטר היא כמעט 100%.בטווח כה רחב של אורכי גל, אף סורג עקיפה לא יכול לספק יעילות כה גבוהה של שימוש.גם אם יעילות העקיפה של סורג עקיפה עולה על 90% באורך גל מסוים, ככל שההבדל בין אורך גל זה לבין אורך גל מסוים גדל, יעילות העקיפה באורך גל אחר יורדת41.ניתן להרחיב את רוחב הצמצם בניצב לכיוון המישור באיור 2c מ-7 מ"מ לרוחב חיישן התמונה, כמו במקרה של חיישן התמונה המשמש במחקר זה, על ידי שינוי קל של מערך הדקאמר.
הספקטרומטר בעל תשעת הצבעים יכול לשמש לא רק לאלקטרופורזה נימית, כפי שמוצג במחקר זה, אלא גם למטרות שונות אחרות.לדוגמה, כפי שמוצג באיור למטה, ספקטרומטר בעל תשעה צבעים יכול להיות מיושם על מיקרוסקופ פלואורסצנטי.מישור הדגימה מוצג על חיישן התמונה של הספקטרומטר בעל תשעה צבעים דרך אובייקט פי 10.המרחק האופטי בין עדשת המטרה לחיישן התמונה הוא 200 מ"מ, בעוד שהמרחק האופטי בין פני השטח של הספקטרומטר בעל תשעה הצבעים לחיישן התמונה הוא 12 מ"מ בלבד.לכן, התמונה נחתכה לגודל הצמצם בקירוב (1 × 7 מ"מ) במישור הפגיעה וחולקה לתשע תמונות צבעוניות.כלומר, ניתן לצלם תמונה ספקטרלית של תמונת מצב בת תשעה צבעים על שטח של 0.1×0.7 מ"מ במישור המדגם.בנוסף, ניתן לקבל תמונה ספקטרלית בת תשעה צבעים של שטח גדול יותר במישור המדגם על ידי סריקת המדגם ביחס לאובייקטיב בכיוון האופקי באיור 2c.
רכיבי מערך המראות הדקאכרומטיים, כלומר M1-M9 ו-BP, נעשו בהתאמה אישית על ידי Asahi Spectra Co., Ltd בשיטות משקעים סטנדרטיות.חומרים דיאלקטריים רב-שכבתיים יושמו בנפרד על עשר לוחות קוורץ בגודל 60 × 60 מ"מ ובעובי 0.5 מ"מ, ועומדים בדרישות הבאות: M1: IA = 45°, R ≥ 90% ב-520-590 ננומטר, Tave ≥ 90% ב-610- 610 ננומטר.700 ננומטר, M2: IA = 45°, R ≥ 90% ב-520-530 ננומטר, Tave ≥ 90% ב-550-600 ננומטר, M3: IA = 45°, R ≥ 90% ב-540-550 ננומטר, Tave ≥ 550 ננומטר. % ב-570-600 ננומטר, M4: IA = 45°, R ≥ 90% ב-560-570 ננומטר, Tave ≥ 90% ב-590-600 ננומטר, M5: IA = 45°, R ≥ 98% ב-000nm , R ≥ 98% ב-680-700 ננומטר, M6: IA = 45°, Tave ≥ 90% ב-600-610 ננומטר, R ≥ 90% ב-630-700 ננומטר, M7: IA = 45°, R ≥ 620–630 ננומטר, Taw ≥ 90% ב-650–700 ננומטר, M8: IA = 45°, R ≥ 90% ב-640–650 ננומטר, Taw ≥ 90% ב-670–700 ננומטר, M45: IA, R = 45: IA ≥ 90% ב-650-670 ננומטר, Tave ≥ 90% ב-690-700 ננומטר, BP: IA = 0°, T ≤ 0.01% ב-505 ננומטר, Tave ≥ 95% ב-530-690% ≥ nm ב-9. ב-690 ננומטר ו-T ≤ 1% ב-725-750 ננומטר, כאשר IA, T, Tave ו-R הם זווית ההתרחשות, השידור, השידור הממוצע והחזרת האור הלא מקוטב.
אור לבן (C0) עם טווח אורכי גל של 400-750 ננומטר שנפלט ממקור אור LED (AS 3000, AS ONE CORPORATION) נאסף ונפל אנכית על ה-DP של מערך של מראות דיכרואיות.ספקטרום האור הלבן של נוריות הלד מוצג באיור משלים S3.הנח מיכל אקרילי (מידות 150 × 150 × 30 מ"מ) ישירות מול מערך מראות הדקאמרה, מול ה-PSU.העשן שנוצר כאשר קרח יבש הוטבל במים, נשפך לאחר מכן לתוך מיכל אקרילי כדי לראות את הזרמים המפוצלים של תשעה צבעים C1-C9 הבוקעים ממערך המראות הד-קכרומטיות.
לחלופין, האור הלבן המאוחסן (C0) מועבר דרך מסנן לפני הכניסה ל-DP.המסננים היו במקור מסנני צפיפות ניטרליים עם צפיפות אופטית של 0.6.לאחר מכן השתמש במסנן ממונע (FW212C, FW212C, Thorlabs).לבסוף, הפעל מחדש את מסנן ה-ND.רוחבי הפס של תשעת מסנני הפס-פס תואמים ל-C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 ו-C1, בהתאמה.תא קוורץ במידות פנימיות של 40 (אורך אופטי) על 42.5 (גובה) על 10 מ"מ (רוחב) הוצב מול מערך של מראות דקוכרומטיות, מול ה-BP.לאחר מכן, העשן מוזרם דרך צינור לתוך תא הקוורץ כדי לשמור על ריכוז העשן בתא הקוורץ כדי להמחיש את הזרמים המפוצלים של תשעה צבעים C1-C9 היוצאים ממערך המראות הדכרומטית.
סרטון וידאו של זרם האור המפוצל בתשעה צבעים הנובע ממערך של מראות דקאניות צולם במצב זמן-lapse באייפון XS.צלם תמונות של הסצנה במהירות 1 פריימים לשנייה והרכב את התמונות ליצירת וידאו במהירות 30 פריימים לשנייה (עבור וידאו 1 אופציונלי) או 24 פריימים לשנייה (עבור סרטונים אופציונליים 2 ו-3).
הנח צלחת נירוסטה בעובי 50 מיקרומטר (עם ארבעה חורים בקוטר 50 מיקרומטר במרווחים של 1 מ"מ) על לוח הדיפוזיה.אור עם אורך גל של 400-750 ננומטר מוקרן על לוח המפזר, המתקבל על ידי העברת אור ממנורת הלוגן דרך מסנן שידור קצר עם אורך גל חיתוך של 700 ננומטר.ספקטרום האור מוצג באיור משלים S4.לחלופין, האור גם עובר דרך אחד ממסנני הפס-פס של 10 ננומטר שמרכזם ב-530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 ו-690 ננומטר ופוגע בצלחת המפזר.כתוצאה מכך נוצרו ארבע נקודות קרינה בקוטר φ50 מיקרומטר ואורכי גל שונים על לוחית נירוסטה מול לוח המפזר.
מערך ארבע נימי עם ארבע עדשות מותקן על ספקטרומטר בעל תשעה צבעים כפי שמוצג באיורים 1 ו-2. C1 ו-C2.ארבעת הנימים וארבע העדשות היו זהות למחקרים הקודמים31,34.קרן לייזר עם אורך גל של 505 ננומטר והספק של 15 mW מוקרנת בו זמנית ובאופן שווה מהצד לנקודות הפליטה של ​​ארבע נימים.הקרינה הנפלטת על ידי כל נקודת פליטה נאספת על ידי העדשה המתאימה ומופרדת לתשעה זרמי צבע על ידי מערך של מראות דכרומטית.לאחר מכן, 36 הזרמים שהתקבלו הוזרקו ישירות לחיישן תמונה CMOS (C11440–52U, Hamamatsu Photonics K·K.), והתמונות שלהם תועדו בו זמנית.
ערכת תגובה מוכנה לרצף מחזור ABI PRISM® BigDye® Primer (Applied Biosystems), 4 µl צבע GeneScan™ 600 LIZ™ מעורבב עבור כל נימי על ידי ערבוב 1 µl PowerPlex® 6C Matrix Standard (Promega Corporation), תקן גודל תערובת של 1 µl.v2.0 (Thermo Fisher Scientific) ו-14 µl מים.PowerPlex® 6C Matrix Standard מורכב משישה שברי DNA המסומנים בשישה צבעים: FL-6C, JOE-6C, TMR-6C, CXR-6C, TOM-6C ו-WEN, לפי סדר אורך הגל המרבי.אורכי הבסיס של קטעי ה-DNA הללו אינם נחשפים, אך רצף אורך הבסיס של קטעי ה-DNA המסומנים ב-WEN, CXR-6C, TMR-6C, JOE-6C, FL-6C ו-TOM-6C ידוע.התערובת בערכת ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit מכילה שבר DNA המסומן בצבע dR6G.גם אורכי הבסיסים של שברי ה-DNA אינם נחשפים.GeneScan™ 600 LIZ™ Dye Size Standard v2.0 כולל 36 שברי DNA המסומנים על ידי LIZ.אורכי הבסיס של קטעי DNA אלה הם 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214, 220, 240, 250, 260, 280, 300, 40, 300, 40 בסיס 360, 380, 400, 414, 420, 440, 460, 480, 500, 514, 520, 540, 560, 580 ו-600.הדגימות עברו דנטורציה ב-94 מעלות צלזיוס למשך 3 דקות, ולאחר מכן צוננו על קרח למשך 5 דקות.דגימות הוזרקו לכל נימי ב-26 וולט/ס"מ למשך 9 שניות והופרדו בכל נימי מלא בתמיסת פולימר POP-7™ (Thermo Fisher Scientific) באורך יעיל של 36 ס"מ ומתח של 181 וולט/ס"מ ו- זווית של 60 מעלות.מ.
כל הנתונים שהושגו או נותחו במהלך מחקר זה נכללים במאמר שפורסם ובמידע הנוסף שלו.נתונים אחרים הרלוונטיים למחקר זה זמינים מהמחברים המתאימים לפי בקשה סבירה.
Khan, MJ, Khan, HS, Yousaf, A., Khurshid, K., and Abbas, A. מגמות נוכחיות בניתוח הדמיה היפרספקטרלית: סקירה.גישה ל-IEEE 6, 14118–14129.https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2812999 (2018).
Vaughan, AH ספקטרוסקופיה אסטרונומית אינטרפרומטרית Fabry-Perot.להתקין.הכומר אסטרון.אסטרופיזיקה.5, 139-167.https://doi.org/10.1146/annurev.aa.05.090167.001035 (1967).
Goetz, AFH, Wein, G., Solomon, JE and Rock, BN Spectroscopy of Earth תמונות חישה מרחוק.מדע 228, 1147–1153.https://doi.org/10.1126/science.228.4704.1147 (1985).
Yokoya, N., Grohnfeldt, C., and Chanussot, J. Fusion of hyperspectral and multispectral data: סקירה השוואתית של פרסומים אחרונים.IEEE מדעי כדור הארץ.כתב עת לחישה מרחוק.5:29–56.https://doi.org/10.1109/MGRS.2016.2637824 (2017).
Gowen, AA, O'Donnell, SP, Cullen, PJ, Downey, G. and Frias, JM Hyperspectral imaging הוא כלי אנליטי חדש לבקרת איכות ובטיחות מזון.מגמות במדעי המזון.טֶכנוֹלוֹגִיָה.18, 590-598.https://doi.org/10.1016/j.tifs.2007.06.001 (2007).
ElMasri, G., Mandour, N., Al-Rejaye, S., Belin, E. and Rousseau, D. יישומים אחרונים של הדמיה רב-ספקטרלית לניטור פנוטיפ ואיכות זרעים - סקירה.חיישנים 19, 1090 (2019).
Liang, H. התקדמות בהדמיה רב-ספקטרלית והיפר-ספקטרלית לארכיאולוגיה ושימור אמנות.הגש בקשה פיזית 106, 309–323.https://doi.org/10.1007/s00339-011-6689-1 (2012).
Edelman GJ, Gaston E., van Leeuwen TG, Cullen PJ ו-Alders MKG הדמיה היפרספקטרלית לניתוח ללא מגע של עקבות משפטיות.קרימינליסטיות.פנימי 223, 28-39.https://doi.org/10.1016/j.forsciint.2012.09.012 (2012).