Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com.Bạn đang sử dụng phiên bản trình duyệt có hỗ trợ CSS hạn chế.Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt đã cập nhật (hoặc tắt Chế độ tương thích trong Internet Explorer).Ngoài ra, để đảm bảo được hỗ trợ liên tục, chúng tôi hiển thị trang web không có kiểu và JavaScript.
Hiển thị băng chuyền gồm ba trang trình bày cùng một lúc.Sử dụng các nút Trước và Tiếp theo để di chuyển qua ba trang chiếu cùng một lúc hoặc sử dụng các nút trượt ở cuối để di chuyển qua ba trang chiếu cùng một lúc.
Một máy quang phổ chín màu siêu nhỏ gọn (54 × 58 × 8,5 mm) và khẩu độ rộng (1 × 7 mm) đã được phát triển, “chia đôi” bằng một dãy mười gương lưỡng sắc, được sử dụng để tạo ảnh quang phổ tức thời.Thông lượng ánh sáng tới có tiết diện nhỏ hơn kích thước khẩu độ được chia thành một dải liên tục rộng 20 nm và chín thông lượng màu có bước sóng trung tâm là 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 và 690 nm.Hình ảnh gồm chín luồng màu được đo đồng thời một cách hiệu quả bằng cảm biến hình ảnh.Không giống như mảng gương lưỡng sắc thông thường, mảng gương lưỡng sắc được phát triển có cấu hình hai mảnh độc đáo, không chỉ làm tăng số lượng màu có thể đo đồng thời mà còn cải thiện độ phân giải hình ảnh cho từng luồng màu.Máy quang phổ chín màu được phát triển được sử dụng cho điện di bốn mao quản.Phân tích định lượng đồng thời tám loại thuốc nhuộm di chuyển đồng thời trong mỗi mao quản bằng cách sử dụng huỳnh quang cảm ứng bằng laser chín màu.Vì máy quang phổ chín màu không chỉ siêu nhỏ và rẻ tiền mà còn có quang thông cao và độ phân giải quang phổ đủ cho hầu hết các ứng dụng chụp ảnh quang phổ nên nó có thể được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Hình ảnh siêu phổ và đa phổ đã trở thành một phần quan trọng của thiên văn học2, viễn thám để quan sát Trái đất3,4, kiểm soát chất lượng nước và thực phẩm5,6, bảo tồn nghệ thuật và khảo cổ học7, pháp y8, phẫu thuật9, phân tích và chẩn đoán y sinh10,11, v.v. Trường 1 Một công nghệ không thể thiếu ,12,13.Các phương pháp đo phổ ánh sáng phát ra từ mỗi điểm phát xạ trong trường quan sát được chia thành (1) quét điểm (“chổi”)14,15, (2) quét tuyến tính (“panicle”)16,17,18 , (3) chiều dài quét sóng19,20,21 và (4) hình ảnh22,23,24,25.Trong trường hợp của tất cả các phương pháp này, độ phân giải không gian, độ phân giải quang phổ và độ phân giải thời gian có mối quan hệ cân bằng9,10,12,26.Ngoài ra, lượng ánh sáng phát ra có tác động đáng kể đến độ nhạy, tức là tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm trong hình ảnh quang phổ26.Quang thông, tức là hiệu suất sử dụng ánh sáng, tỷ lệ thuận với tỷ lệ giữa lượng ánh sáng đo được thực tế của từng điểm sáng trên một đơn vị thời gian với tổng lượng ánh sáng của dải bước sóng đo được.Loại (4) là phương pháp thích hợp khi cường độ hoặc quang phổ ánh sáng phát ra từ mỗi điểm phát xạ thay đổi theo thời gian hoặc khi vị trí của từng điểm phát xạ thay đổi theo thời gian do quang phổ ánh sáng phát ra từ tất cả các điểm phát xạ được đo đồng thời.24.
Hầu hết các phương pháp trên được kết hợp với các máy quang phổ lớn, phức tạp và/hoặc đắt tiền sử dụng 18 cách tử hoặc 14, 16, 22, 23 lăng kính cho các lớp (1), (2) và (4) hoặc 20, 21 đĩa lọc, bộ lọc chất lỏng. .Bộ lọc điều chỉnh được bằng tinh thể (LCTF)25 hoặc bộ lọc điều chỉnh được bằng quang âm (AOTF)19 thuộc loại (3).Ngược lại, máy quang phổ nhiều gương loại (4) nhỏ và rẻ tiền do cấu hình đơn giản27,28,29,30.Ngoài ra, chúng có quang thông cao vì ánh sáng được chia sẻ bởi mỗi gương lưỡng sắc (tức là ánh sáng truyền qua và phản xạ của ánh sáng tới trên mỗi gương lưỡng sắc) được sử dụng đầy đủ và liên tục.Tuy nhiên, số lượng dải bước sóng (tức là màu sắc) phải được đo đồng thời bị giới hạn ở khoảng bốn.
Hình ảnh quang phổ dựa trên phát hiện huỳnh quang thường được sử dụng để phân tích ghép kênh trong phát hiện và chẩn đoán y sinh.Trong ghép kênh, do nhiều chất phân tích (ví dụ: DNA hoặc protein cụ thể) được dán nhãn bằng thuốc nhuộm huỳnh quang khác nhau, mỗi chất phân tích có mặt tại mỗi điểm phát xạ trong trường quan sát được định lượng bằng cách sử dụng phân tích đa thành phần.32 phá vỡ phổ huỳnh quang phát hiện được phát ra từ mỗi điểm phát xạ.Trong quá trình này, các loại thuốc nhuộm khác nhau, mỗi loại phát ra huỳnh quang khác nhau, có thể tập trung lại, nghĩa là cùng tồn tại trong không gian và thời gian.Hiện tại, số lượng thuốc nhuộm tối đa có thể được kích thích bằng một chùm tia laser là 833.Giới hạn trên này không được xác định bởi độ phân giải quang phổ (tức là số lượng màu), mà bởi độ rộng của phổ huỳnh quang (>50 nm) và lượng thuốc nhuộm dịch chuyển Stokes (200 nm) tại FRET (sử dụng FRET)10 .Tuy nhiên, số lượng màu phải lớn hơn hoặc bằng số lượng thuốc nhuộm để loại bỏ sự chồng chéo quang phổ của thuốc nhuộm hỗn hợp31,32.Vì vậy, cần tăng số lượng màu đo đồng thời lên 8 màu trở lên.
Gần đây, một máy quang phổ bảy sắc siêu nhỏ gọn (sử dụng một dãy gương bảy sắc và cảm biến hình ảnh để đo bốn thông lượng huỳnh quang) đã được phát triển.Máy quang phổ nhỏ hơn hai đến ba bậc độ lớn so với máy quang phổ thông thường sử dụng cách tử hoặc lăng kính34,35.Tuy nhiên, rất khó để đặt nhiều hơn bảy gương lưỡng sắc trong máy quang phổ và đo đồng thời nhiều hơn bảy màu36,37.Với sự gia tăng số lượng gương lưỡng sắc, sự khác biệt tối đa về độ dài đường quang của các luồng ánh sáng lưỡng sắc sẽ tăng lên và việc hiển thị tất cả các luồng ánh sáng trên một mặt phẳng cảm giác trở nên khó khăn.Chiều dài đường quang dài nhất của quang thông cũng tăng lên, do đó độ rộng của khẩu độ quang phổ kế (tức là độ rộng tối đa của ánh sáng được phân tích bởi quang phổ kế) giảm xuống.
Để giải quyết các vấn đề trên, một máy quang phổ chín màu siêu nhỏ gọn với mảng gương mười sắc “lưỡng sắc” hai lớp và một cảm biến hình ảnh để chụp ảnh quang phổ tức thời [loại (4)] đã được phát triển.So với các máy quang phổ trước đây, máy quang phổ được phát triển có sự khác biệt nhỏ hơn về độ dài đường quang tối đa và độ dài đường quang tối đa nhỏ hơn.Nó đã được áp dụng cho điện di bốn mao quản để phát hiện huỳnh quang chín màu do laser tạo ra và để định lượng sự di chuyển đồng thời của tám thuốc nhuộm trong mỗi mao quản.Do máy quang phổ được phát triển không chỉ siêu nhỏ và rẻ tiền mà còn có quang thông cao và độ phân giải quang phổ đủ cho hầu hết các ứng dụng chụp ảnh quang phổ nên nó có thể được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Máy quang phổ chín màu truyền thống được thể hiện trong hình.1a.Thiết kế của nó tuân theo thiết kế của máy quang phổ bảy màu siêu nhỏ 31 trước đây. Nó bao gồm chín gương lưỡng sắc được sắp xếp theo chiều ngang một góc 45° về bên phải và cảm biến hình ảnh (S) nằm phía trên chín gương lưỡng sắc.Ánh sáng đi vào từ bên dưới (C0) được chia thành một dãy gồm chín gương lưỡng sắc thành chín luồng ánh sáng đi lên (C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 và C9).Tất cả chín luồng màu được đưa trực tiếp đến cảm biến hình ảnh và được phát hiện đồng thời.Trong nghiên cứu này, C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 và C9 theo thứ tự bước sóng và được biểu thị bằng màu đỏ tươi, tím, xanh lam, lục lam, xanh lục, vàng, cam, đỏ cam và màu đỏ tương ứng.Mặc dù các ký hiệu màu này được sử dụng trong tài liệu này, như được hiển thị trong Hình 3, vì chúng khác với các màu thực tế mà mắt người nhìn thấy.
Sơ đồ của máy quang phổ chín màu thông thường và mới.(a) Máy quang phổ chín màu thông thường với một dãy chín gương lưỡng sắc.(b) Máy quang phổ chín màu mới với dãy gương lưỡng sắc hai lớp.Quang thông tới C0 được chia thành chín luồng ánh sáng màu C1-C9 và được phát hiện bởi cảm biến hình ảnh S.
Máy quang phổ chín màu mới được phát triển có cách tử gương lưỡng sắc hai lớp và cảm biến hình ảnh, như trong Hình 1b.Ở tầng dưới, năm gương lưỡng sắc được nghiêng 45° về bên phải, căn chỉnh về bên phải tính từ tâm của dãy bộ giảm âm.Ở cấp độ cao nhất, năm gương lưỡng sắc bổ sung được nghiêng 45° sang trái và nằm từ giữa sang trái.Gương lưỡng sắc ngoài cùng bên trái của lớp dưới và gương lưỡng sắc ngoài cùng bên phải của lớp trên chồng lên nhau.Thông lượng ánh sáng tới (C0) được chia từ bên dưới thành bốn thông lượng màu đi ra (C1-C4) bởi năm gương lưỡng sắc ở bên phải và năm thông lượng màu đi ra (C5-C4) bởi năm gương lưỡng sắc ở bên trái C9).Giống như máy quang phổ chín màu thông thường, tất cả chín luồng màu được đưa trực tiếp vào cảm biến hình ảnh (S) và được phát hiện đồng thời.So sánh Hình 1a và 1b, người ta có thể thấy rằng trong trường hợp máy quang phổ chín màu mới, cả chênh lệch tối đa và độ dài đường quang dài nhất của thông lượng chín màu đều giảm đi một nửa.
Cấu trúc chi tiết của mảng gương lưỡng sắc hai lớp siêu nhỏ 29 mm (rộng) × 31 mm (sâu) × 6 mm (cao) được thể hiện trên Hình 2. Mảng gương lưỡng sắc thập phân gồm năm gương lưỡng sắc ở bên phải (M1-M5) và năm gương lưỡng sắc ở bên trái ( M6-M9 và một M5 khác), mỗi gương lưỡng sắc được cố định ở khung nhôm phía trên.Tất cả các gương lưỡng sắc đều được đặt so le để bù cho sự dịch chuyển song song do khúc xạ dòng chảy qua gương.Bên dưới M1, bộ lọc thông dải (BP) được cố định.Kích thước M1 và BP là 10mm (cạnh dài) x 1,9mm (cạnh ngắn) x 0,5mm (độ dày).Kích thước của các gương lưỡng sắc còn lại là 15 mm × 1,9 mm × 0,5 mm.Khoảng cách ma trận giữa M1 và M2 là 1,7 mm, trong khi khoảng cách ma trận của các gương lưỡng sắc khác là 1,6 mm.Trên hình.2c kết hợp luồng ánh sáng tới C0 và luồng ánh sáng chín màu C1-C9, được phân tách bằng ma trận gương khử buồng.
Xây dựng ma trận gương lưỡng sắc hai lớp.(a) Chế độ xem phối cảnh và (b) chế độ xem mặt cắt ngang của mảng gương lưỡng sắc hai lớp (kích thước 29 mm x 31 mm x 6 mm).Nó bao gồm năm gương lưỡng sắc (M1-M5) nằm ở lớp dưới, năm gương lưỡng sắc (M6-M9 và một M5 khác) nằm ở lớp trên và bộ lọc thông dải (BP) nằm bên dưới M1.(c) Mặt cắt ngang theo hướng thẳng đứng, có sự chồng chéo C0 và C1-C9.
Chiều rộng của khe hở theo hướng nằm ngang, được biểu thị bằng chiều rộng C0 trong Hình 2, c, là 1 mm và theo hướng vuông góc với mặt phẳng của Hình 2, c, được cho bởi thiết kế của giá đỡ bằng nhôm, – 7mm.Nghĩa là, máy quang phổ chín màu mới có kích thước khẩu độ lớn 1 mm × 7 mm.Đường quang của C4 dài nhất trong số C1-C9 và đường quang của C4 bên trong mảng gương lưỡng sắc, do kích thước siêu nhỏ nói trên (29 mm × 31 mm × 6 mm), là 12 mm.Đồng thời, độ dài đường quang của C5 là ngắn nhất trong số C1-C9 và độ dài đường quang của C5 là 5,7mm.Do đó, chênh lệch tối đa về chiều dài đường quang là 6,3 mm.Độ dài đường quang ở trên được hiệu chỉnh theo độ dài đường quang để truyền quang M1-M9 và BP (từ thạch anh).
Đặc tính phổ của М1−М9 và VR được tính toán sao cho các thông lượng С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8 và С9 nằm trong dải bước sóng 520–540, 540–560, 560–580, 580 –600 , 600–620, 620–640, 640–660, 660–680 và 680–700 nm tương ứng.
Một bức ảnh về ma trận gương decachromatic được sản xuất được hiển thị trong Hình 3a.M1-M9 và BP lần lượt được dán vào độ dốc 45 độ và mặt phẳng nằm ngang của giá đỡ bằng nhôm, trong khi M1 và BP được ẩn ở mặt sau của hình.
Sản xuất một loạt gương decan và trình diễn nó.(a) Một dãy gương mười sắc được chế tạo.(b) Một hình ảnh chín màu có kích thước 1 mm × 7 mm được chiếu lên một tờ giấy đặt trước một dãy gương khử sắc và được chiếu sáng ngược bằng ánh sáng trắng.(c) Một dãy gương mất màu được chiếu sáng bằng ánh sáng trắng từ phía sau.(d) Luồng phân tách chín màu phát ra từ mảng gương decan, được quan sát bằng cách đặt một hộp acrylic chứa đầy khói trước mảng gương decan ở c và làm tối căn phòng.
Phổ truyền qua đo được của M1-M9 C0 ở góc tới 45° và phổ truyền qua đo được của BP C0 ở góc tới 0° được thể hiện trong Hình.4a.Phổ truyền của C1-C9 so với C0 được hiển thị trong Hình.4b.Những quang phổ này được tính toán từ quang phổ trong hình.4a theo đường quang C1-C9 trong Hình 4a.1b và 2c.Ví dụ: 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)], trong đó TS(X) và [ 1 − TS(X)] lần lượt là phổ truyền qua và phổ phản xạ của X.Như hình 4b, các băng thông (băng thông ≥50%) của C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 và C9 lần lượt là 521-540, 541-562, 563-580, 581-602, 603 -623, 624-641, 642-657, 659-680 và 682-699nm.Những kết quả này phù hợp với phạm vi phát triển.Ngoài ra, hiệu suất sử dụng ánh sáng C0 cao, tức là độ truyền ánh sáng C1-C9 tối đa trung bình là 92%.
Phổ truyền của gương lưỡng sắc và dòng chảy chín màu phân chia.( a ) Đo phổ truyền của M1-M9 ở góc tới 45° và HA ở góc tới 0°.(b) Phổ truyền của C1–C9 so với C0 được tính từ (a).
Trên hình.Trong Hình 3c, dãy gương lưỡng sắc được đặt theo chiều dọc, sao cho cạnh phải của nó trong Hình 3a là mặt trên và chùm sáng trắng của đèn LED chuẩn trực (C0) được chiếu sáng ngược.Mảng gương decachromatic được hiển thị trong Hình 3a được gắn trong bộ chuyển đổi 54 mm (chiều cao) × 58 mm (chiều sâu) × 8,5 mm (độ dày).Trên hình.3d, ngoài trạng thái hiển thị trong hình.Trong hình 3c, một bể acrylic đầy khói được đặt trước một dãy gương đổi màu, đèn trong phòng đã tắt.Kết quả là có thể nhìn thấy chín luồng lưỡng sắc trong bể, phát ra từ một loạt các gương phân cực.Mỗi luồng phân tách có tiết diện hình chữ nhật với kích thước 1 × 7 mm, tương ứng với kích thước khẩu độ của máy quang phổ chín màu mới.Trong Hình 3b, một tờ giấy được đặt phía trước dãy gương lưỡng sắc trong Hình 3c, và hình ảnh 1 x 7 mm của chín luồng lưỡng sắc chiếu lên tờ giấy được quan sát từ hướng chuyển động của tờ giấy.dòng suối.Các luồng phân tách chín màu trong hình.3b và d là C4, C3, C2, C1, C5, C6, C7, C8 và C9 từ trên xuống dưới, cũng có thể thấy trong hình 1 và 2. 1b và 2c.Chúng được quan sát bằng màu sắc tương ứng với bước sóng của chúng.Do cường độ ánh sáng trắng thấp của đèn LED (xem Hình bổ sung S3) và độ nhạy của máy ảnh màu được sử dụng để chụp C9 (682–699nm) trong Hình. Các luồng phân tách khác yếu.Tương tự, C9 có thể nhìn thấy mờ bằng mắt thường.Trong khi đó, C2 (luồng thứ hai từ trên xuống) trông có màu xanh lục trong Hình 3, nhưng nhìn bằng mắt thường lại có màu vàng hơn.
Quá trình chuyển đổi từ Hình 3c sang d được hiển thị trong Video bổ sung 1. Ngay sau khi ánh sáng trắng từ đèn LED đi qua mảng gương decachromatic, nó đồng thời phân tách thành chín luồng màu.Cuối cùng, khói trong thùng dần dần tiêu tán từ trên xuống dưới, khiến bột phấn chín màu cũng từ trên xuống dưới biến mất.Ngược lại, trong Video bổ sung 2, khi bước sóng của luồng ánh sáng tới mảng gương decachromatic được thay đổi từ dài sang ngắn theo thứ tự 690, 671, 650, 632, 610, 589, 568, 550 và 532 nm ., Chỉ hiển thị các luồng phân tách tương ứng của chín luồng phân tách theo thứ tự C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 và C1.Bể chứa acrylic được thay thế bằng bể thạch anh và có thể quan sát rõ ràng các mảnh của mỗi dòng chảy lệch hướng từ hướng dốc lên.Ngoài ra, video phụ 3 được chỉnh sửa sao cho phần thay đổi bước sóng của video phụ 2 được phát lại.Đây là sự thể hiện hùng hồn nhất về đặc điểm của mảng gương khử sắc.
Kết quả trên cho thấy mảng gương decachromatic được sản xuất hoặc máy quang phổ chín màu mới hoạt động như dự định.Máy quang phổ chín màu mới được hình thành bằng cách gắn một loạt gương decachromatic cùng với bộ chuyển đổi trực tiếp lên bảng cảm biến hình ảnh.
Quang thông có bước sóng từ 400 đến 750 nm, phát ra từ bốn điểm bức xạ φ50 μm, nằm cách nhau 1 mm theo hướng vuông góc với mặt phẳng của Hình 2c, tương ứng Nghiên cứu 31, 34. Mảng bốn thấu kính gồm có bốn thấu kính φ1 mm có tiêu cự 1,4 mm và khoảng cách 1 mm.Bốn luồng chuẩn trực (bốn C0) xuất hiện trên DP của máy quang phổ chín màu mới, cách nhau 1 mm.Một dãy gương lưỡng sắc chia mỗi luồng (C0) thành chín luồng màu (C1-C9).Sau đó, 36 luồng thu được (bốn bộ C1-C9) được đưa trực tiếp vào cảm biến hình ảnh CMOS (S) được kết nối trực tiếp với một dãy gương lưỡng sắc.Kết quả là, như trong Hình 5a, do chênh lệch đường quang tối đa nhỏ và đường quang tối đa ngắn, hình ảnh của tất cả 36 luồng được phát hiện đồng thời và rõ ràng với cùng kích thước.Theo quang phổ xuôi dòng (xem Hình bổ sung S4), cường độ hình ảnh của bốn nhóm C1, C2 và C3 tương đối thấp.Ba mươi sáu hình ảnh có kích thước 0,57 ± 0,05 mm (trung bình ± SD).Như vậy, độ phóng đại hình ảnh trung bình là 11,4.Khoảng cách dọc giữa các hình ảnh trung bình là 1 mm (cùng khoảng cách với mảng thấu kính) và khoảng cách ngang trung bình là 1,6 mm (cùng khoảng cách với mảng gương lưỡng sắc).Vì kích thước hình ảnh nhỏ hơn nhiều so với khoảng cách giữa các hình ảnh nên mỗi hình ảnh có thể được đo độc lập (với nhiễu xuyên âm thấp).Trong khi đó, hình ảnh của 28 luồng được ghi lại bằng máy quang phổ bảy màu thông thường được sử dụng trong nghiên cứu trước đây của chúng tôi được hiển thị trong Hình 5 B. Mảng bảy gương lưỡng sắc được tạo ra bằng cách loại bỏ hai gương lưỡng sắc ngoài cùng bên phải khỏi mảng chín lưỡng sắc. gương trong Hình 1a.Không phải hình ảnh nào cũng sắc nét, kích thước hình ảnh tăng từ C1 lên C7.Hai mươi tám hình ảnh có kích thước 0,70 ± 0,19 mm.Vì vậy, rất khó để duy trì độ phân giải hình ảnh cao trong tất cả các hình ảnh.Hệ số biến thiên (CV) cho kích thước hình ảnh 28 trong Hình 5b là 28%, trong khi CV cho kích thước hình ảnh 36 trong Hình 5a giảm xuống 9%.Kết quả trên cho thấy máy quang phổ 9 màu mới không chỉ tăng số lượng màu đo đồng thời từ 7 lên 9 mà còn có độ phân giải hình ảnh cao cho từng màu.
So sánh chất lượng của hình ảnh phân tách được hình thành bởi máy quang phổ thông thường và máy quang phổ mới.(a) Bốn nhóm hình ảnh chín màu riêng biệt (C1-C9) được tạo ra bởi máy quang phổ chín màu mới.(b) Bốn bộ ảnh tách biệt bảy màu (C1-C7) được hình thành bằng máy quang phổ bảy màu thông thường.Thông lượng (C0) có bước sóng từ 400 đến 750 nm từ bốn điểm phát xạ lần lượt được chuẩn trực và tới trên mỗi máy quang phổ.
Các đặc tính phổ của máy quang phổ 9 màu được đánh giá bằng thực nghiệm và kết quả đánh giá được thể hiện trên Hình 6. Lưu ý rằng Hình 6a cho kết quả tương tự như Hình 5a, tức là ở bước sóng 4 C0 400–750 nm, tất cả 36 hình ảnh đều được phát hiện (4 nhóm C1–C9).Ngược lại, như trong Hình 6b–j, khi mỗi C0 có bước sóng cụ thể là 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 hoặc 690 nm, hầu như chỉ có bốn hình ảnh tương ứng (bốn nhóm phát hiện C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 hoặc C9).Tuy nhiên, một số hình ảnh liền kề với bốn hình ảnh tương ứng được phát hiện rất yếu do phổ truyền C1–C9 hiển thị trong Hình 4b hơi trùng nhau và mỗi C0 có dải 10nm ở bước sóng cụ thể như được mô tả trong phương pháp.Những kết quả này phù hợp với phổ truyền qua C1-C9 được hiển thị trong Hình.4b và các video bổ sung 2 và 3. Nói cách khác, máy quang phổ chín màu hoạt động như mong đợi dựa trên kết quả hiển thị trong hình.4b.Do đó, người ta kết luận rằng phân bố cường độ ảnh C1-C9 là phổ của từng C0.
Đặc tính quang phổ của máy quang phổ chín màu.Máy quang phổ chín màu mới tạo ra bốn bộ ảnh chín màu riêng biệt (C1-C9) khi ánh sáng tới (bốn C0) có bước sóng (a) 400-750 nm (như trong Hình 5a), (b) 530nm.nm, (c) 550 nm, (d) 570 nm, (e) 590 nm, (f) 610 nm, (g) 630 nm, (h) 650 nm, (i) 670 nm, (j) 690 nm, tương ứng.
Máy quang phổ chín màu được phát triển được sử dụng cho điện di bốn mao quản (để biết chi tiết, xem Tài liệu bổ sung)31,34,35.Ma trận bốn mao mạch bao gồm bốn mao quản (đường kính ngoài 360 μm và đường kính trong 50 μm) nằm cách nhau 1 mm tại vị trí chiếu xạ laser.Mẫu chứa các đoạn DNA được dán nhãn bằng 8 loại thuốc nhuộm, cụ thể là FL-6C (thuốc nhuộm 1), JOE-6C (thuốc nhuộm 2), dR6G (thuốc nhuộm 3), TMR-6C (thuốc nhuộm 4), CXR-6C (thuốc nhuộm 5), TOM- 6C (thuốc nhuộm 6), LIZ (thuốc nhuộm 7) và WEN (thuốc nhuộm 8) theo thứ tự tăng dần của bước sóng huỳnh quang, được phân tách ở mỗi trong số bốn mao mạch (sau đây gọi là Cap1, Cap2, Cap3 và Cap4).Sự phát huỳnh quang do tia laser tạo ra từ Cap1-Cap4 được chuẩn trực bằng một dãy bốn thấu kính và được ghi đồng thời bằng máy quang phổ chín màu.Động lực học cường độ của huỳnh quang chín màu (C1-C9) trong quá trình điện di, nghĩa là điện di chín màu của mỗi mao quản, được thể hiện trong Hình 7a.Điện di chín màu tương đương thu được trong Cap1-Cap4.Như được chỉ ra bởi các mũi tên Cap1 trong Hình 7a, tám đỉnh trên mỗi điện di chín màu tương ứng hiển thị một phát xạ huỳnh quang từ Dye1-Dye8.
Định lượng đồng thời tám loại thuốc nhuộm bằng máy quang phổ điện di bốn mao quản chín màu.( a ) Điện di chín màu (C1-C9) của mỗi mao mạch.Tám đỉnh được biểu thị bằng mũi tên Cap1 hiển thị sự phát huỳnh quang riêng lẻ của tám loại thuốc nhuộm (Dye1-Dye8).Màu sắc của mũi tên tương ứng với màu (b) và (c).( b ) Phổ huỳnh quang của tám thuốc nhuộm (Dye1-Dye8) trên mỗi mao quản.c Điện tâm đồ của tám thuốc nhuộm (Dye1-Dye8) trên mỗi mao quản.Đỉnh của các đoạn DNA được gắn nhãn Dye7 được biểu thị bằng các mũi tên và độ dài cơ sở Cap4 của chúng được biểu thị.
Sự phân bố cường độ của C1–C9 trên tám đỉnh được thể hiện trong Hình.7b tương ứng.Do cả C1-C9 và Dye1-Dye8 đều theo thứ tự bước sóng nên tám phân bố trong Hình 7b hiển thị phổ huỳnh quang của Dye1-Dye8 theo tuần tự từ trái sang phải.Trong nghiên cứu này, Dye1, Dye2, Dye3, Dye4, Dye5, Dye6, Dye7 và Dye8 lần lượt xuất hiện với màu đỏ tươi, tím, xanh lam, lục lam, xanh lục, vàng, cam và đỏ.Lưu ý rằng màu của các mũi tên trong Hình 7a tương ứng với màu nhuộm trong Hình 7b.Cường độ huỳnh quang C1-C9 cho mỗi phổ trong Hình 7b đã được chuẩn hóa sao cho tổng của chúng bằng một.Tám quang phổ huỳnh quang tương đương thu được từ Cap1-Cap4.Người ta có thể quan sát rõ ràng sự chồng chéo quang phổ của huỳnh quang giữa thuốc nhuộm 1-thuốc nhuộm 8.
Như được hiển thị trong Hình 7c, đối với mỗi mao mạch, điện di chín màu trong Hình 7a đã được chuyển đổi thành điện tâm đồ tám màu bằng phân tích đa thành phần dựa trên tám quang phổ huỳnh quang trong Hình 7b (xem Tài liệu bổ sung để biết chi tiết).Do sự chồng lấp quang phổ của huỳnh quang trong Hình 7a không được hiển thị trong Hình 7c, nên Dye1-Dye8 có thể được xác định và định lượng riêng lẻ tại mỗi thời điểm, ngay cả khi lượng Dye1-Dye8 khác nhau phát huỳnh quang cùng một lúc.Điều này không thể thực hiện được bằng tính năng phát hiện bảy màu truyền thống31 nhưng có thể đạt được bằng tính năng phát hiện chín màu đã phát triển.Như được hiển thị bởi các mũi tên Cap1 trong Hình 7c, chỉ có các bộ đơn phát xạ huỳnh quang Dye3 (xanh dương), Dye8 (đỏ), Dye5 (xanh lá cây), Dye4 (lục lam), Dye2 (tím), Dye1 (đỏ tươi) và Dye6 (Vàng ) được quan sát theo thứ tự thời gian dự kiến.Đối với sự phát huỳnh quang của thuốc nhuộm 7 (màu cam), ngoài đỉnh đơn được biểu thị bằng mũi tên màu cam, người ta còn quan sát thấy một số đỉnh đơn khác.Kết quả này là do các mẫu chứa kích thước chuẩn, các đoạn DNA được dán nhãn Dye7 với độ dài base khác nhau.Như được hiển thị trong Hình 7c, đối với Cap4, các độ dài cơ sở này là 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214 và 220.
Các tính năng chính của máy quang phổ chín màu, được phát triển bằng cách sử dụng ma trận gương lưỡng sắc hai lớp, là kích thước nhỏ và thiết kế đơn giản.Vì mảng gương decachromatic bên trong bộ chuyển đổi được hiển thị trong hình.3c được gắn trực tiếp trên bảng cảm biến hình ảnh (xem Hình S1 và S2), máy quang phổ chín màu có cùng kích thước với bộ chuyển đổi, tức là 54 × 58 × 8,5 mm.(độ dày).Kích thước siêu nhỏ này nhỏ hơn hai đến ba bậc độ lớn so với máy quang phổ thông thường sử dụng cách tử hoặc lăng kính.Ngoài ra, do máy quang phổ chín màu được cấu hình sao cho ánh sáng chiếu thẳng góc vào bề mặt của cảm biến hình ảnh nên có thể dễ dàng phân bổ không gian cho máy quang phổ chín màu trong các hệ thống như kính hiển vi, máy đo tế bào dòng chảy hoặc máy phân tích.Máy phân tích điện di cách tử mao quản để thu nhỏ hệ thống hơn nữa.Đồng thời, kích thước của mười gương lưỡng sắc và bộ lọc thông dải được sử dụng trong máy quang phổ chín màu chỉ là 10×1,9×0,5 mm hoặc 15×1,9×0,5 mm.Do đó, hơn 100 gương lưỡng sắc nhỏ và bộ lọc thông dải tương ứng có thể được cắt từ gương lưỡng sắc và bộ lọc thông dải 60 mm2.Do đó, một loạt gương decachromatic có thể được sản xuất với chi phí thấp.
Một tính năng khác của máy quang phổ chín màu là đặc tính quang phổ tuyệt vời của nó.Đặc biệt, nó cho phép thu được hình ảnh quang phổ của ảnh chụp nhanh, nghĩa là thu được đồng thời các hình ảnh có thông tin quang phổ.Đối với mỗi hình ảnh, thu được phổ liên tục với dải bước sóng từ 520 đến 700 nm và độ phân giải 20 nm.Nói cách khác, chín cường độ ánh sáng màu được phát hiện cho mỗi hình ảnh, tức là chín dải 20 nm chia đều phạm vi bước sóng từ 520 đến 700 nm.Bằng cách thay đổi các đặc tính quang phổ của gương lưỡng sắc và bộ lọc thông dải, phạm vi bước sóng của chín dải và độ rộng của mỗi dải có thể được điều chỉnh.Phát hiện chín màu có thể được sử dụng không chỉ cho các phép đo huỳnh quang bằng hình ảnh quang phổ (như được mô tả trong báo cáo này) mà còn cho nhiều ứng dụng phổ biến khác sử dụng hình ảnh quang phổ.Mặc dù hình ảnh siêu phổ có thể phát hiện hàng trăm màu, nhưng người ta thấy rằng ngay cả khi giảm đáng kể số lượng màu có thể phát hiện, nhiều vật thể trong trường nhìn có thể được xác định với độ chính xác đủ cho nhiều ứng dụng38,39,40.Bởi vì độ phân giải không gian, độ phân giải quang phổ và độ phân giải thời gian có sự cân bằng trong hình ảnh quang phổ, việc giảm số lượng màu có thể cải thiện độ phân giải không gian và độ phân giải thời gian.Nó cũng có thể sử dụng các máy quang phổ đơn giản giống như máy được phát triển trong nghiên cứu này và giảm hơn nữa lượng tính toán.
Trong nghiên cứu này, tám loại thuốc nhuộm được định lượng đồng thời bằng cách phân tách quang phổ huỳnh quang chồng chéo của chúng dựa trên việc phát hiện chín màu.Lên đến chín loại thuốc nhuộm có thể được định lượng đồng thời, cùng tồn tại trong thời gian và không gian.Ưu điểm đặc biệt của máy quang phổ chín màu là quang thông cao và khẩu độ lớn (1 × 7 mm).Mảng gương decan có khả năng truyền tối đa 92% ánh sáng từ khẩu độ ở mỗi dải trong số chín dải bước sóng.Hiệu suất sử dụng ánh sáng tới ở dải bước sóng từ 520 đến 700 nm là gần như 100%.Trong phạm vi bước sóng rộng như vậy, không có cách tử nhiễu xạ nào có thể mang lại hiệu quả sử dụng cao như vậy.Ngay cả khi hiệu suất nhiễu xạ của cách tử nhiễu xạ vượt quá 90% ở một bước sóng nhất định, khi sự khác biệt giữa bước sóng đó và bước sóng cụ thể tăng lên thì hiệu suất nhiễu xạ ở bước sóng khác sẽ giảm41.Độ rộng khẩu độ vuông góc với hướng của mặt phẳng trong Hình 2c có thể được mở rộng từ 7 mm đến chiều rộng của cảm biến hình ảnh, chẳng hạn như trong trường hợp cảm biến hình ảnh được sử dụng trong nghiên cứu này, bằng cách sửa đổi một chút mảng bộ giải mã.
Máy quang phổ chín màu có thể được sử dụng không chỉ cho điện di mao quản, như được trình bày trong nghiên cứu này, mà còn cho nhiều mục đích khác.Ví dụ, như thể hiện trong hình bên dưới, máy quang phổ chín màu có thể được áp dụng cho kính hiển vi huỳnh quang.Mặt phẳng của mẫu được hiển thị trên cảm biến hình ảnh của máy quang phổ chín màu thông qua vật kính 10x.Khoảng cách quang học giữa vật kính và cảm biến hình ảnh là 200 mm, trong khi khoảng cách quang giữa bề mặt tới của máy quang phổ chín màu và cảm biến hình ảnh chỉ là 12 mm.Do đó, hình ảnh được cắt theo kích thước xấp xỉ khẩu độ (1 × 7 mm) trong mặt phẳng tới và được chia thành chín hình ảnh màu.Nghĩa là, một ảnh quang phổ của ảnh chụp nhanh chín màu có thể được chụp trên vùng 0,1×0,7 mm trong mặt phẳng mẫu.Ngoài ra, có thể thu được hình ảnh quang phổ chín màu của một khu vực lớn hơn trên mặt phẳng mẫu bằng cách quét mẫu so với vật kính theo hướng nằm ngang trong Hình 2c.
Các thành phần mảng gương decachromatic, cụ thể là M1-M9 và BP, được Asahi Spectra Co., Ltd. chế tạo riêng bằng các phương pháp kết tủa tiêu chuẩn.Vật liệu điện môi nhiều lớp được phủ riêng lẻ lên mười tấm thạch anh kích thước 60 × 60 mm và dày 0,5 mm, đáp ứng các yêu cầu sau: M1: IA = 45°, R ≥ 90% tại 520–590 nm, Tave ≥ 90% tại 610– 610nm.700 nm, M2: IA = 45°, R ≥ 90% tại 520–530 nm, Tave ≥ 90% tại 550–600 nm, M3: IA = 45°, R ≥ 90% tại 540–550 nm, Tave ≥ 90 % tại 570–600 nm, M4: IA = 45°, R ≥ 90% tại 560–570 nm, Tave ≥ 90% tại 590–600 nm, M5: IA = 45°, R ≥ 98% tại 580–600 nm , R ≥ 98% tại 680–700 nm, M6: IA = 45°, Tave ≥ 90% tại 600–610 nm, R ≥ 90% tại 630–700 nm, M7: IA = 45°, R ≥ 90% tại 620–630 nm, Taw ≥ 90% tại 650–700 nm, M8: IA = 45°, R ≥ 90% tại 640–650 nm, Taw ≥ 90% tại 670–700 nm, M9: IA = 45°, R ≥ 90% tại 650-670 nm, Tave ≥ 90% tại 690-700 nm, BP: IA = 0°, T 0,01% tại 505 nm, Tave ≥ 95% tại 530-690 nm tại 530 nm T ≥ 90% ở -690 nm và T 1% ở 725-750 nm, trong đó IA, T, Tave và R là góc tới, độ truyền qua, độ truyền qua trung bình và độ phản xạ ánh sáng không phân cực.
Ánh sáng trắng (C0) có phạm vi bước sóng 400–750nm phát ra từ nguồn sáng LED (AS 3000, AS ONE CORPOration) được chuẩn trực và chiếu tới theo phương thẳng đứng trên DP của một dãy gương lưỡng sắc.Phổ ánh sáng trắng của đèn LED được thể hiện trong Hình S3 bổ sung.Đặt một bể acrylic (kích thước 150 × 150 × 30 mm) ngay phía trước mảng gương deCamera, đối diện với PSU.Khói tạo ra khi ngâm đá khô trong nước sau đó được đổ vào bể acrylic để quan sát các dòng phân chia C1-C9 chín màu phát ra từ dãy gương khử sắc.
Ngoài ra, ánh sáng trắng chuẩn trực (C0) được truyền qua bộ lọc trước khi đi vào DP.Các bộ lọc ban đầu là các bộ lọc mật độ trung tính với mật độ quang học là 0,6.Sau đó sử dụng bộ lọc cơ giới (FW212C, FW212C, Thorlabs).Cuối cùng, bật lại bộ lọc ND.Băng thông của chín bộ lọc thông dải tương ứng với C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 và C1.Một tế bào thạch anh có kích thước bên trong 40 (chiều dài quang học) x 42,5 (chiều cao) x 10 mm (chiều rộng) được đặt trước một dãy gương khử màu, đối diện với BP.Khói sau đó được đưa qua một ống vào tế bào thạch anh để duy trì nồng độ khói trong tế bào thạch anh để hình dung các dòng phân chia C1-C9 chín màu phát ra từ mảng gương decachromatic.
Một đoạn video về luồng ánh sáng phân chia chín màu phát ra từ một loạt gương decanic được quay ở chế độ tua nhanh thời gian trên iPhone XS.Chụp ảnh cảnh ở tốc độ 1 khung hình/giây và biên dịch hình ảnh để tạo video ở tốc độ 30 khung hình/giây (đối với video tùy chọn 1) hoặc 24 khung hình/giây (đối với video tùy chọn 2 và 3).
Đặt một tấm thép không gỉ dày 50 µm (có bốn lỗ đường kính 50 µm cách nhau 1 mm) trên tấm khuếch tán.Ánh sáng có bước sóng 400-750 nm được chiếu lên tấm khuếch tán, thu được bằng cách truyền ánh sáng từ đèn halogen qua bộ lọc truyền ngắn có bước sóng cắt 700 nm.Phổ ánh sáng được thể hiện trong Hình bổ sung S4.Ngoài ra, ánh sáng cũng đi qua một trong các bộ lọc thông dải 10 nm có tâm ở 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 và 690 nm và chạm vào tấm khuếch tán.Kết quả là bốn điểm bức xạ có đường kính φ50 μm và các bước sóng khác nhau được hình thành trên một tấm thép không gỉ đối diện với tấm khuếch tán.
Một mảng bốn mao quản với bốn thấu kính được gắn trên máy quang phổ chín màu như trong Hình 1 và 2. C1 và C2.Bốn mao mạch và bốn thấu kính giống như trong các nghiên cứu trước đây31,34.Một chùm tia laser có bước sóng 505 nm và công suất 15 mW được chiếu đồng thời và đều từ một bên đến các điểm phát xạ của bốn mao mạch.Huỳnh quang phát ra từ mỗi điểm phát xạ được chuẩn trực bởi thấu kính tương ứng và được phân tách thành chín luồng màu bằng một dãy gương phân sắc.Sau đó, 36 luồng thu được được đưa trực tiếp vào cảm biến hình ảnh CMOS (C11440–52U, Hamamatsu Photonics K·K.) và hình ảnh của chúng được ghi lại đồng thời.
Bộ phản ứng sẵn sàng giải trình tự chu trình mồi ABI PRISM® BigDye® (Hệ thống sinh học ứng dụng), 4 µl thuốc nhuộm GeneScan™ 600 LIZ™ được trộn cho mỗi mao quản bằng cách trộn 1 µl PowerPlex® 6C Matrix Standard (Promega Corporation), 1 µl chuẩn hỗn hợp.v2.0 (Thermo Fisher Scientific) và 14 µl nước.Tiêu chuẩn ma trận PowerPlex® 6C bao gồm sáu đoạn DNA được dán nhãn bằng sáu loại thuốc nhuộm: FL-6C, JOE-6C, TMR-6C, CXR-6C, TOM-6C và WEN, theo thứ tự bước sóng tối đa.Độ dài cơ sở của các đoạn DNA này không được tiết lộ, nhưng trình tự độ dài cơ sở của các đoạn DNA được dán nhãn WEN, CXR-6C, TMR-6C, JOE-6C, FL-6C và TOM-6C đã được biết đến.Hỗn hợp trong Bộ phản ứng sẵn sàng giải trình tự chu trình ABI PRISM® BigDye® Primer chứa đoạn DNA được dán nhãn bằng thuốc nhuộm dR6G.Độ dài của các bazơ của đoạn DNA cũng không được tiết lộ.GeneScan™ 600 LIZ™ Dye Size Standard v2.0 bao gồm 36 đoạn DNA được gắn nhãn LIZ.Độ dài cơ sở của các đoạn DNA này là 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214, 220, 240, 250, 260, 280, 300, 314, 320, 340, Cơ sở 360, 380, 400, 414, 420, 440, 460, 480, 500, 514, 520, 540, 560, 580 và 600.Các mẫu được biến tính ở 94°C trong 3 phút, sau đó làm lạnh trên băng trong 5 phút.Các mẫu được bơm vào từng mao mạch ở tốc độ 26 V/cm trong 9 giây và được tách ra trong mỗi mao quản chứa đầy dung dịch polymer POP-7™ (Thermo Fisher Scientific) với chiều dài hiệu dụng là 36 cm và điện áp 181 V/cm và góc 60°.TỪ.
Tất cả dữ liệu thu được hoặc phân tích trong quá trình nghiên cứu này đều được bao gồm trong bài báo được xuất bản này và thông tin bổ sung của nó.Các dữ liệu khác liên quan đến nghiên cứu này có sẵn từ các tác giả tương ứng theo yêu cầu hợp lý.
Khan, MJ, Khan, HS, Yousaf, A., Khurshid, K. và Abbas, A. Xu hướng hiện nay trong phân tích hình ảnh siêu phổ: đánh giá.Truy cập IEEE 6, 14118–14129.https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2812999 (2018).
Vaughan, Quang phổ giao thoa kế thiên văn Fabry-Perot của AH.cài đặt.Mục sư Astron.vật lý thiên văn.5, 139-167.https://doi.org/10.1146/annurev.aa.05.090167.001035 (1967).
Goetz, AFH, Wein, G., Solomon, JE và Rock, BN Quang phổ ảnh viễn thám Trái đất.Khoa học 228, 1147–1153.https://doi.org/10.1126/science.228.4704.1147 (1985).
Yokoya, N., Grohnfeldt, C. và Chanussot, J. Sự kết hợp của dữ liệu siêu phổ và đa phổ: đánh giá so sánh các ấn phẩm gần đây.Khoa học Trái đất của IEEE.Tạp chí viễn thám.5:29–56.https://doi.org/10.1109/MGRS.2016.2637824 (2017).
Gowen, AA, O'Donnell, SP, Cullen, PJ, Downey, G. và Frias, Hình ảnh siêu phổ JM là một công cụ phân tích mới để kiểm soát chất lượng và an toàn thực phẩm.Xu hướng trong khoa học thực phẩm.công nghệ.18, 590-598.https://doi.org/10.1016/j.tifs.2007.06.001 (2007).
ElMasri, G., Mandour, N., Al-Rejaye, S., Belin, E. và Rousseau, D. Các ứng dụng gần đây của hình ảnh đa phổ để theo dõi kiểu hình và chất lượng hạt giống - một bài đánh giá.Cảm biến 19, 1090 (2019).
Liang, H. Những tiến bộ trong hình ảnh đa phổ và siêu phổ cho khảo cổ học và bảo tồn nghệ thuật.Đăng ký thể chất 106, 309–323.https://doi.org/10.1007/s00339-011-6689-1 (2012).
Edelman GJ, Gaston E., van Leeuwen TG, Cullen PJ và Alders MKG Hình ảnh siêu phổ để phân tích không tiếp xúc các dấu vết pháp y.Tội phạm học.nội bộ 223, 28-39.https://doi.org/10.1016/j.forsciint.2012.09.012 (2012).
Thời gian đăng: Jan-10-2023