Tubo en espiral de aceiro inoxidable 321 8*1,2 para intercambiador de calor

Tubos capilares

Grazas por visitar Nature.com.Estás a usar unha versión do navegador con soporte CSS limitado.Para obter a mellor experiencia, recomendámosche que utilices un navegador actualizado (ou que desactives o modo de compatibilidade en Internet Explorer).Ademais, para garantir a asistencia continua, mostramos o sitio sen estilos e JavaScript.
Mostra un carrusel de tres diapositivas á vez.Use os botóns Anterior e Seguinte para moverse por tres diapositivas á vez, ou use os botóns deslizantes ao final para moverse por tres diapositivas á vez.
Desenvolveuse un espectrómetro de nove cores ultracompacto (54 × 58 × 8,5 mm) e de gran apertura (1 × 7 mm), "dividido en dous" por unha matriz de dez espellos dicroicos, que se utilizou para imaxes espectrales instantáneas.O fluxo de luz incidente cunha sección transversal menor que o tamaño da abertura divídese nunha franxa continua de 20 nm de ancho e nove fluxos de cores con lonxitudes de onda centrais de 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 e 690 nm.As imaxes de nove fluxos de cores son medidas simultáneamente de forma eficiente polo sensor de imaxe.A diferenza das matrices de espellos dicroicos convencionais, a matriz de espellos dicroicos desenvolvida ten unha configuración única de dúas pezas, que non só aumenta o número de cores que se poden medir simultáneamente, senón que tamén mellora a resolución da imaxe para cada fluxo de cores.O espectrómetro de nove cores desenvolvido utilízase para a electroforese de catro capilares.Análise cuantitativa simultánea de oito colorantes que migran simultáneamente en cada capilar mediante fluorescencia inducida por láser de nove cores.Dado que o espectrómetro de nove cores non só é ultra-pequeno e económico, senón que tamén ten un alto fluxo luminoso e unha resolución espectral suficiente para a maioría das aplicacións de imaxe espectral, pódese usar amplamente en varios campos.
A imaxe hiperespectral e multiespectral converteuse nunha parte importante da astronomía2, a teledetección para a observación da Terra3,4, o control da calidade dos alimentos e da auga5,6, a conservación da arte e a arqueoloxía7, a medicina forense8, a cirurxía9, a análise e diagnóstico biomédicos10,11, etc. Campo 1 Unha tecnoloxía indispensable. ,12,13.Os métodos para medir o espectro de luz emitida por cada punto de emisión no campo de visión divídense en (1) exploración puntual (“escoba”)14,15, (2) exploración lineal (“panícula”)16,17,18 , (3) escaneo de lonxitude ondas19,20,21 e (4) imaxes22,23,24,25.No caso de todos estes métodos, a resolución espacial, a resolución espectral e a resolución temporal teñen unha relación de compensación9,10,12,26.Ademais, a saída de luz ten un impacto significativo na sensibilidade, é dicir, a relación sinal-ruído na imaxe espectral26.O fluxo luminoso, é dicir, a eficiencia do uso da luz, é directamente proporcional á relación entre a cantidade real de luz medida de cada punto luminoso por unidade de tempo e a cantidade total de luz do intervalo de lonxitudes de onda medida.A categoría (4) é un método axeitado cando a intensidade ou espectro da luz emitida por cada punto emisor cambia co tempo ou cando a posición de cada punto emisor cambia co tempo porque o espectro da luz emitida por todos os puntos emisores se mide simultáneamente.24.
A maioría dos métodos anteriores combínanse con espectrómetros grandes, complexos e/ou caros que usan 18 reixas ou 14, 16, 22, 23 prismas para as clases (1), (2) e (4) ou 20, 21 discos de filtro, filtros de líquido. .Filtros sintonizables cristalinos (LCTF)25 ou filtros sintonizables acústico-ópticos (AOTF)19 da categoría (3).Pola contra, os espectrómetros multi-espello da categoría (4) son pequenos e económicos debido á súa sinxela configuración27,28,29,30.Ademais, posúen un fluxo luminoso elevado porque a luz que comparte cada espello dicroico (é dicir, a luz transmitida e reflectida da luz incidente en cada espello dicroico) utilízase plena e continuamente.Non obstante, o número de bandas de lonxitude de onda (é dicir, cores) que deben medirse simultaneamente está limitado a unhas catro.
A imaxe espectral baseada na detección de fluorescencia úsase habitualmente para a análise múltiple en detección e diagnóstico biomédicos 10, 13 .Na multiplexación, dado que varios analitos (por exemplo, ADN ou proteínas específicos) están marcados con diferentes colorantes fluorescentes, cada analito presente en cada punto de emisión no campo de visión cuantificase mediante análise multicompoñente.32 desglosa o espectro de fluorescencia detectado emitido por cada punto de emisión.Durante este proceso, diferentes colorantes, cada un que emite unha fluorescencia diferente, poden colocalizarse, é dicir, coexistir no espazo e no tempo.Actualmente, o número máximo de colorantes que poden ser excitados por un único raio láser é de oito33.Este límite superior non está determinado pola resolución espectral (é dicir, o número de cores), senón pola anchura do espectro de fluorescencia (≥50 nm) e a cantidade de colorante que se despraza Stokes (≤200 nm) en FRET (usando FRET)10 .Non obstante, o número de cores debe ser maior ou igual ao número de colorantes para eliminar a superposición espectral de colorantes mesturados31,32.Polo tanto, é necesario aumentar o número de cores medidas simultáneamente a oito ou máis.
Recentemente, desenvolveuse un espectrómetro heptacroico ultracompacto (que utiliza unha matriz de espellos hepticroicos e un sensor de imaxe para medir catro fluxos fluorescentes).O espectrómetro é de dous a tres ordes de magnitude máis pequeno que os espectrómetros convencionais que utilizan reixas ou prismas34,35.Porén, é difícil colocar máis de sete espellos dicroicos nun espectrómetro e medir simultaneamente máis de sete cores36,37.Co aumento do número de espellos dicroicos, a diferenza máxima nas lonxitudes dos camiños ópticos dos fluxos de luz dicroicos aumenta e faise difícil mostrar todos os fluxos de luz nun plano sensorial.A lonxitude do camiño óptico máis longo do fluxo luminoso tamén aumenta, polo que o ancho da apertura do espectrómetro (é dicir, o ancho máximo da luz analizada polo espectrómetro) diminúe.
En resposta aos problemas anteriores, desenvolveuse un espectrómetro ultracompacto de nove cores cunha matriz de espellos decacromáticos "dicroicos" de dúas capas e un sensor de imaxe para imaxes espectrales instantáneas [categoría (4)].En comparación cos espectrómetros anteriores, o espectrómetro desenvolvido ten unha diferenza menor na lonxitude máxima do camiño óptico e unha lonxitude máis pequena do camiño óptico.Aplicouse á electroforese de catro capilares para detectar fluorescencia de nove cores inducida por láser e para cuantificar a migración simultánea de oito colorantes en cada capilar.Dado que o espectrómetro desenvolvido non só é ultra-pequeno e barato, senón que tamén ten un alto fluxo luminoso e unha resolución espectral suficiente para a maioría das aplicacións de imaxe espectral, pódese usar amplamente en varios campos.
O tradicional espectrómetro de nove cores móstrase na fig.1a.O seu deseño segue o do anterior espectrómetro ultrapequeno de sete cores 31. Consta de nove espellos dicroicos dispostos horizontalmente nun ángulo de 45° cara á dereita, e o sensor de imaxe (S) está situado por riba dos nove espellos dicroicos.A luz que entra dende abaixo (C0) divídese por unha matriz de nove espellos dicroicos en nove fluxos de luz que ascenden (C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 e C9).Os nove fluxos de cores son alimentados directamente ao sensor de imaxe e son detectados simultaneamente.Neste estudo, C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 e C9 están en orde de lonxitude de onda e están representados por maxenta, violeta, azul, cian, verde, amarelo, laranxa, vermello-laranxa e vermello, respectivamente.Aínda que estas designacións de cores utilízanse neste documento, como se mostra na Figura 3, porque difiren das cores reais vistas polo ollo humano.
Diagramas esquemáticos de espectrómetros de nove cores convencionais e novos.(a) Espectrómetro convencional de nove cores cunha matriz de nove espellos dicroicos.(b) Novo espectrómetro de nove cores cunha matriz de espellos dicroicos de dúas capas.O fluxo de luz incidente C0 divídese en nove fluxos de luz de cores C1-C9 e detectado polo sensor de imaxe S.
O novo espectrómetro de nove cores desenvolvido ten unha reixa de espellos dicroicos de dúas capas e un sensor de imaxe, como se mostra na figura 1b.No nivel inferior, cinco espellos dicroicos están inclinados 45° cara á dereita, aliñados á dereita desde o centro da matriz de decámeros.No nivel superior, cinco espellos dicroicos adicionais están inclinados 45° cara á esquerda e situados do centro á esquerda.O espello dicroico máis á esquerda da capa inferior e o espello dicroico máis á dereita da capa superior se solapan entre si.O fluxo de luz incidente (C0) divídese desde abaixo en catro fluxos cromáticos de saída (C1-C4) por cinco espellos dicroicos á dereita e cinco fluxos cromáticos de saída (C5-C4) por cinco espellos dicroicos á esquerda C9).Do mesmo xeito que os espectrómetros convencionais de nove cores, os nove fluxos de cores inxéctanse directamente no sensor de imaxe (S) e detéctanse simultaneamente.Comparando as figuras 1a e 1b, pódese ver que no caso do novo espectrómetro de nove cores, tanto a diferenza máxima como a lonxitude do camiño óptico máis longo dos nove fluxos de cores redúcense á metade.
A construción detallada dunha matriz de espellos dicroicos ultrapequeno de dúas capas de 29 mm (ancho) × 31 mm (fondo) × 6 mm (altura) móstrase na Figura 2. A matriz de espellos dicroicos decimal consta de cinco espellos dicroicos á dereita. (M1-M5) e cinco espellos dicroicos á esquerda (M6-M9 e outro M5), cada espello dicroico está fixado no soporte superior de aluminio.Todos os espellos dicroicos están escalonados para compensar o desprazamento paralelo debido á refracción do fluxo a través dos espellos.Por debaixo de M1, fíxase un filtro de paso de banda (BP).As dimensións M1 e BP son 10 mm (lado longo) x 1,9 mm (lado curto) x 0,5 mm (espesor).As dimensións dos restantes espellos dicroicos son 15 mm × 1,9 mm × 0,5 mm.O paso da matriz entre M1 e M2 é de 1,7 mm, mentres que o paso da matriz doutros espellos dicroicos é de 1,6 mm.Sobre a fig.2c combina o fluxo de luz incidente C0 e nove fluxos de luz de cores C1-C9, separados por unha matriz de espellos de cámara.
Construción dunha matriz de espellos dicroicos de dúas capas.(a) Unha vista en perspectiva e (b) unha vista en sección transversal dunha matriz de espellos dicroicos de dúas capas (dimensións 29 mm x 31 mm x 6 mm).Consta de cinco espellos dicroicos (M1-M5) situados na capa inferior, cinco espellos dicroicos (M6-M9 e outro M5) situados na capa superior e un filtro pasabanda (BP) situado debaixo de M1.(c) Vista en sección transversal en dirección vertical, con superposición C0 e C1-C9.
A anchura da abertura na dirección horizontal, indicada pola anchura C0 na figura 2, c, é de 1 mm, e na dirección perpendicular ao plano da figura 2, c, dada polo deseño do soporte de aluminio, - 7 mm.É dicir, o novo espectrómetro de nove cores ten un gran tamaño de apertura de 1 mm × 7 mm.O camiño óptico de C4 é o máis longo entre C1-C9, e o camiño óptico de C4 dentro da matriz de espellos dicroicos, debido ao tamaño ultra-pequeno anterior (29 mm × 31 mm × 6 mm), é de 12 mm.Ao mesmo tempo, a lonxitude do camiño óptico de C5 é a máis curta entre C1-C9 e a lonxitude do camiño óptico de C5 é de 5,7 mm.Polo tanto, a diferenza máxima na lonxitude do camiño óptico é de 6,3 mm.As lonxitudes do camiño óptico anteriores corríxense para a lonxitude do camiño óptico para a transmisión óptica de M1-M9 e BP (de cuarzo).
As propiedades espectrais de М1−М9 e VR calcúlanse de xeito que os fluxos С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8 e С9 estean no intervalo de lonxitudes de onda 520–540, 540–560, 65, 60, 65 –600, 600–620, 620–640, 640–660, 660–680 e 680–700 nm, respectivamente.
Na figura 3a móstrase unha fotografía da matriz fabricada de espellos decacromáticos.M1-M9 e BP están pegados á inclinación de 45° e ao plano horizontal do soporte de aluminio, respectivamente, mentres que M1 e BP están ocultos na parte traseira da figura.
Produción dunha serie de espellos decanados e a súa demostración.(a) Unha matriz de espellos decacromáticos fabricados.(b) Unha imaxe dividida en nove cores de 1 mm × 7 mm proxectada sobre unha folla de papel colocada diante dunha serie de espellos decacromáticos e retroiluminada con luz branca.(c) Unha serie de espellos decocromáticos iluminados con luz branca por detrás.(d) Fluxo de división de nove cores que emana da matriz de espellos de decano, observado colocando un recipiente de acrílico cheo de fume diante da matriz de espellos de decano en c e escurecendo a habitación.
Os espectros de transmisión medidos de M1-M9 C0 cun ángulo de incidencia de 45° e o espectro de transmisión medido de BP C0 cun ángulo de incidencia de 0° móstranse nas Figs.4a.Os espectros de transmisión de C1-C9 en relación con C0 móstranse nas Figs.4b.Estes espectros calculáronse a partir dos espectros das Figs.4a de acordo co camiño óptico C1-C9 da figura 4a.1b e 2c.Por exemplo, 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)], onde TS(X) e [ 1 − TS(X)] son ​​os espectros de transmisión e reflexión de X, respectivamente.Como se mostra na Figura 4b, os anchos de banda (ancho de banda ≥50%) de C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 e C9 son 521-540, 541-562, 563-580, 581-602, 603 -623, 624-641, 642-657, 659-680 e 682-699 nm.Estes resultados son consistentes cos intervalos desenvolvidos.Ademais, a eficiencia de utilización da luz C0 é alta, é dicir, a transmitancia máxima media da luz C1-C9 é do 92%.
Espectros de transmisión dun espello dicroico e un fluxo dividido de nove cores.(a) Espectros de transmisión medidos de M1-M9 a 45° de incidencia e BP a 0° de incidencia.(b) Espectros de transmisión de C1-C9 relativos a C0 calculados a partir de (a).
Sobre a fig.3c, a matriz de espellos dicroicos sitúase verticalmente, de xeito que o seu lado dereito da figura 3a é o lado superior e o feixe branco do LED colimado (C0) está retroiluminado.A matriz de espellos decacromáticos que se mostra na Figura 3a está montada nun adaptador de 54 mm (altura) × 58 mm (profundidade) × 8,5 mm (espesor).Sobre a fig.3d, ademais do estado mostrado na fig.3c, colocouse un tanque acrílico cheo de fume diante dunha serie de espellos decocromáticos, coas luces da sala apagadas.Como resultado, nove correntes dicroicas son visibles no tanque, que emanan dunha serie de espellos decacromáticos.Cada fluxo dividido ten unha sección transversal rectangular cunhas dimensións de 1 × 7 mm, que corresponde ao tamaño da apertura do novo espectrómetro de nove cores.Na figura 3b, colócase unha folla de papel diante da matriz de espellos dicroicos da figura 3c, e obsérvase unha imaxe de 1 x 7 mm de nove correntes dicroicas proxectadas sobre o papel desde a dirección do movemento do papel.regatos.As nove correntes de separación de cores da fig.3b e d son C4, C3, C2, C1, C5, C6, C7, C8 e C9 de arriba abaixo, que tamén se poden ver nas figuras 1 e 2. 1b e 2c.Obsérvanse en cores correspondentes ás súas lonxitudes de onda.Debido á baixa intensidade da luz branca do LED (consulta a figura complementaria S3) e á sensibilidade da cámara de cor utilizada para capturar C9 (682-699 nm) na figura. Outros fluxos de división son débiles.Do mesmo xeito, C9 era lixeiramente visible a simple vista.Mentres tanto, C2 (o segundo fluxo desde a parte superior) parece verde na Figura 3, pero parece máis amarelo a simple vista.
A transición da figura 3c a d móstrase no vídeo complementario 1. Inmediatamente despois de que a luz branca do LED pase pola matriz de espellos decacromáticos, divídese simultaneamente en nove fluxos de cores.Ao final, o fume da cuba foise disipando pouco a pouco de arriba a abaixo, de xeito que os nove pos de cores tamén desapareceron de arriba a abaixo.Pola contra, no vídeo complementario 2, cando a lonxitude de onda do fluxo luminoso incidente na matriz de espellos decacromáticos cambiou de longa a curta na orde de 690, 671, 650, 632, 610, 589, 568, 550 e 532 nm. ., Só se mostran os fluxos divididos correspondentes dos nove fluxos divididos na orde de C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 e C1.O depósito de acrílico substitúese por unha piscina de cuarzo, e os flocos de cada fluxo derivado pódense observar claramente desde a dirección ascendente inclinada.Ademais, o subvídeo 3 edítase de forma que se reproduza a parte do cambio de lonxitude de onda do subvídeo 2.Esta é a expresión máis elocuente das características dunha matriz decocromática de espellos.
Os resultados anteriores mostran que a matriz de espellos decacromáticos fabricada ou o novo espectrómetro de nove cores funciona como se pretende.O novo espectrómetro de nove cores fórmase montando unha matriz de espellos decacromáticos con adaptadores directamente na placa do sensor de imaxe.
Fluxo luminoso cun rango de lonxitudes de onda de 400 a 750 nm, emitido por catro puntos de radiación φ50 μm, situados a intervalos de 1 mm na dirección perpendicular ao plano da figura 2c, respectivamente Investigacións 31, 34. A matriz de catro lentes consiste en: catro lentes φ1 mm cunha distancia focal de 1,4 mm e un paso de 1 mm.Catro fluxos colimados (catro C0) inciden no DP dun novo espectrómetro de nove cores, espazados a intervalos de 1 mm.Unha matriz de espellos dicroicos divide cada corrente (C0) en nove correntes de cores (C1-C9).Os 36 fluxos resultantes (catro conxuntos de C1-C9) inxéctanse directamente nun sensor de imaxe CMOS (S) conectado directamente a unha matriz de espellos dicroicos.Como resultado, como se mostra na figura 5a, debido á pequena diferenza de camiño óptico máximo e ó camiño óptico máximo curto, as imaxes dos 36 fluxos detectáronse de forma simultánea e clara co mesmo tamaño.Segundo os espectros augas abaixo (consulte a figura complementaria S4), a intensidade da imaxe dos catro grupos C1, C2 e C3 é relativamente baixa.Trinta e seis imaxes tiñan un tamaño de 0,57 ± 0,05 mm (media ± SD).Así, a ampliación da imaxe foi de 11,4 de media.O espazamento vertical entre imaxes é de media de 1 mm (o mesmo espazo que unha matriz de lentes) e o espazamento horizontal de 1,6 mm (mesmo espazamento que unha matriz de espellos dicroicos).Debido a que o tamaño da imaxe é moito menor que a distancia entre as imaxes, cada imaxe pódese medir de forma independente (con baixa diafonía).Mentres tanto, na figura 5 B móstranse imaxes de vinte e oito fluxos rexistrados polo espectrómetro convencional de sete cores usado no noso estudo anterior. A matriz de sete espellos dicroicos creouse eliminando os dous espellos dicroicos máis á dereita da matriz de nove espellos dicroicos. espellos na figura 1a.Non todas as imaxes son nítidas, o tamaño da imaxe aumenta de C1 a C7.Vinte e oito imaxes teñen un tamaño de 0,70 ± 0,19 mm.Polo tanto, é difícil manter a alta resolución en todas as imaxes.O coeficiente de variación (CV) para o tamaño da imaxe 28 na Figura 5b foi do 28%, mentres que o CV para o tamaño da imaxe 36 na Figura 5a diminuíu ata o 9%.Os resultados anteriores mostran que o novo espectrómetro de nove cores non só aumenta o número de cores medidas simultáneamente de sete a nove, senón que tamén ten unha alta resolución de imaxe para cada cor.
Comparación da calidade da imaxe dividida formada por espectrómetros convencionais e novos.(a) Catro grupos de imaxes separadas de nove cores (C1-C9) xeradas polo novo espectrómetro de nove cores.(b) Catro conxuntos de imaxes separadas de sete cores (C1-C7) formadas cun espectrómetro convencional de sete cores.Os fluxos (C0) con lonxitudes de onda de 400 a 750 nm desde catro puntos de emisión colímanse e inciden en cada espectrómetro, respectivamente.
As características espectrais do espectrómetro de nove cores foron avaliadas experimentalmente e os resultados da avaliación móstranse na Figura 6. Teña en conta que a Figura 6a mostra os mesmos resultados que a Figura 5a, é dicir, a lonxitudes de onda de 4 C0 400–750 nm, as 36 imaxes son detectadas. (4 grupos C1-C9).Pola contra, como se mostra na figura 6b–j, cando cada C0 ten unha lonxitude de onda específica de 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 ou 690 nm, hai case só catro imaxes correspondentes (catro grupos detectados C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 ou C9).Non obstante, algunhas das imaxes adxacentes ás catro imaxes correspondentes detéctanse moi débilmente porque os espectros de transmisión C1-C9 mostrados na figura 4b se solapan lixeiramente e cada C0 ten unha banda de 10 nm a unha lonxitude de onda específica como se describe no método.Estes resultados son consistentes cos espectros de transmisión C1-C9 mostrados nas Figs.4b e vídeos complementarios 2 e 3. Noutras palabras, o espectrómetro de nove cores funciona como se esperaba en función dos resultados mostrados na fig.4b.Polo tanto, conclúese que a distribución de intensidade da imaxe C1-C9 é o espectro de cada C0.
Características espectrales dun espectrómetro de nove cores.O novo espectrómetro de nove cores xera catro conxuntos de imaxes separadas de nove cores (C1-C9) cando a luz incidente (catro C0) ten unha lonxitude de onda de (a) 400-750 nm (como se mostra na Figura 5a), (b) 530 nm.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, respectivamente.
O espectrómetro de nove cores desenvolvido utilizouse para a electroforese de catro capilares (para máis detalles, consulte Materiais suplementarios)31,34,35.A matriz de catro capilares consta de catro capilares (diámetro exterior 360 μm e diámetro interior 50 μm) situados a intervalos de 1 mm no lugar de irradiación con láser.Mostras que conteñen fragmentos de ADN marcados con 8 colorantes, a saber, FL-6C (colorante 1), JOE-6C (colorante 2), dR6G (colorante 3), TMR-6C (colorante 4), CXR-6C (colorante 5), TOM- 6C (colorante 6), LIZ (colorante 7) e WEN (colorante 8) en orde ascendente de lonxitude de onda fluorescente, separados en cada un dos catro capilares (en adiante denominados Cap1, Cap2, Cap3 e Cap4).A fluorescencia inducida por láser de Cap1-Cap4 colimouse cunha matriz de catro lentes e rexistrouse simultaneamente cun espectrómetro de nove cores.A dinámica de intensidade da fluorescencia de nove cores (C1-C9) durante a electroforese, é dicir, un electroforegrama de nove cores de cada capilar, móstrase na figura 7a.En Cap1-Cap4 obtense un electroforegrama equivalente de nove cores.Como indican as frechas Cap1 da Figura 7a, os oito picos de cada electroforegrama de nove cores mostran unha emisión de fluorescencia de Dye1-Dye8, respectivamente.
Cuantificación simultánea de oito colorantes mediante un espectrómetro de electroforese de catro capilares de nove cores.(a) Electroforegrama de nove cores (C1-C9) de cada capilar.Os oito picos indicados polas frechas Cap1 mostran emisións de fluorescencia individuais de oito colorantes (Dye1-Dye8).As cores das frechas correspóndense coas cores (b) e (c).(b) Espectros de fluorescencia de oito colorantes (Dye1-Dye8) por capilar.c Electroferogramas de oito colorantes (Dye1-Dye8) por capilar.Os picos dos fragmentos de ADN marcados con Dye7 indícanse mediante frechas e indícanse a lonxitude das súas bases Cap4.
As distribucións de intensidade de C1-C9 en oito picos móstranse nas Figs.7b, respectivamente.Dado que tanto C1-C9 como Dye1-Dye8 están en orde de lonxitude de onda, as oito distribucións da figura 7b mostran os espectros de fluorescencia de Dye1-Dye8 secuencialmente de esquerda a dereita.Neste estudo, Dye1, Dye2, Dye3, Dye4, Dye5, Dye6, Dye7 e Dye8 aparecen en magenta, violeta, azul, cian, verde, amarelo, laranxa e vermello, respectivamente.Teña en conta que as cores das frechas da figura 7a corresponden ás cores do colorante da figura 7b.As intensidades de fluorescencia C1-C9 para cada espectro da Figura 7b normalizáronse de xeito que a súa suma sexa igual a un.Obtivéronse oito espectros de fluorescencia equivalentes de Cap1-Cap4.Pódese observar claramente a superposición espectral da fluorescencia entre o colorante 1-colorante 8.
Como se mostra na figura 7c, para cada capilar, o electroforegrama de nove cores da figura 7a converteuse nun electroferograma de oito colorantes mediante análise de varios compoñentes baseado nos oito espectros de fluorescencia da figura 7b (consulte os materiais suplementarios para máis detalles).Dado que a superposición espectral da fluorescencia na Figura 7a non se mostra na Figura 7c, Dye1-Dye8 pódese identificar e cuantificar individualmente en cada momento, aínda que diferentes cantidades de Dye1-Dye8 fluorescen ao mesmo tempo.Isto non se pode facer coa detección tradicional de sete cores31, pero pódese conseguir coa detección de nove cores desenvolvida.Como mostran as frechas Cap1 na figura 7c, só os singlets de emisión fluorescente Dye3 (azul), Dye8 (vermello), Dye5 (verde), Dye4 (cian), Dye2 (violado), Dye1 (maxenta) e Dye6 (amarelo). ) obsérvanse na orde cronolóxica esperada.Para a emisión fluorescente do colorante 7 (laranxa), ademais do único pico indicado pola frecha laranxa, observáronse varios outros picos únicos.Este resultado débese ao feito de que as mostras contiñan patróns de tamaño, fragmentos de ADN marcados con Dye7 con diferentes lonxitudes de bases.Como se mostra na Figura 7c, para Cap4 estas lonxitudes de base son 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214 e 220.
As principais características do espectrómetro de nove cores, desenvolvido mediante unha matriz de espellos dicroicos de dúas capas, son o tamaño pequeno e o deseño sinxelo.Dado que a matriz de espellos decacromáticos dentro do adaptador mostrado na fig.3c montado directamente na placa do sensor de imaxe (ver Fig. S1 e S2), o espectrómetro de nove cores ten as mesmas dimensións que o adaptador, é dicir, 54 × 58 × 8,5 mm.(espesor).Este tamaño ultra-pequeno é de dous a tres ordes de magnitude menor que os espectrómetros convencionais que usan reixas ou prismas.Ademais, dado que o espectrómetro de nove cores está configurado de forma que a luz incide na superficie do sensor de imaxe de forma perpendicular, pódese asignar facilmente espazo para o espectrómetro de nove cores en sistemas como microscopios, citómetros de fluxo ou analizadores.Analizador de electroforese de reixa capilar para unha miniaturización aínda maior do sistema.Ao mesmo tempo, o tamaño de dez espellos dicroicos e filtros pasabanda usados ​​no espectrómetro de nove cores é de só 10×1,9×0,5 mm ou 15×1,9×0,5 mm.Así, máis de 100 pequenos espellos dicroicos e filtros pasabanda, respectivamente, pódense cortar dun espello dicroico e dun filtro pasabanda de 60 mm2, respectivamente.Polo tanto, pódese fabricar unha variedade de espellos decacromáticos a un baixo custo.
Outra característica do espectrómetro de nove cores son as súas excelentes características espectrais.En particular, permite a adquisición de imaxes espectrais de instantáneas, é dicir, a adquisición simultánea de imaxes con información espectral.Para cada imaxe obtívose un espectro continuo cun rango de lonxitudes de onda de 520 a 700 nm e unha resolución de 20 nm.Noutras palabras, detéctanse nove intensidades de cor de luz para cada imaxe, é dicir, nove bandas de 20 nm que dividen en partes iguais o intervalo de lonxitudes de onda de 520 a 700 nm.Ao cambiar as características espectrais do espello dicroico e do filtro pasabanda, pódese axustar o rango de lonxitude de onda das nove bandas e o ancho de cada banda.A detección de nove cores pódese usar non só para medicións de fluorescencia con imaxes espectrales (como se describe neste informe), senón tamén para moitas outras aplicacións comúns que usan imaxes espectrales.Aínda que as imaxes hiperespectrales poden detectar centos de cores, comprobouse que aínda cunha redución significativa no número de cores detectables, múltiples obxectos no campo de visión pódense identificar con suficiente precisión para moitas aplicacións38,39,40.Dado que a resolución espacial, a resolución espectral e a resolución temporal teñen unha compensación na imaxe espectral, reducir o número de cores pode mellorar a resolución espacial e temporal.Tamén pode usar espectrómetros sinxelos como o desenvolvido neste estudo e reducir aínda máis a cantidade de cálculo.
Neste estudo, cuantificáronse simultáneamente oito colorantes mediante a separación espectral dos seus espectros de fluorescencia superpostos en función da detección de nove cores.Pódense cuantificar ata nove colorantes simultaneamente, coexistindo no tempo e no espazo.Unha vantaxe especial do espectrómetro de nove cores é o seu alto fluxo luminoso e gran apertura (1 × 7 mm).A matriz de espellos de decano ten unha transmisión máxima do 92% da luz desde a abertura en cada un dos nove rangos de lonxitude de onda.A eficiencia de usar luz incidente no intervalo de lonxitudes de onda de 520 a 700 nm é case do 100%.Nun rango tan amplo de lonxitudes de onda, ningunha rede de difracción pode proporcionar unha eficiencia de uso tan alta.Aínda que a eficiencia de difracción dunha rede de difracción supere o 90% nunha determinada lonxitude de onda, a medida que aumenta a diferenza entre esa lonxitude de onda e unha determinada lonxitude de onda, a eficiencia de difracción noutra lonxitude de onda diminúe41.O ancho de abertura perpendicular á dirección do plano da figura 2c pódese estender desde 7 mm ata o ancho do sensor de imaxe, como no caso do sensor de imaxe usado neste estudo, modificando lixeiramente a matriz de decamer.
O espectrómetro de nove cores pódese usar non só para a electroforese capilar, como se mostra neste estudo, senón tamén para outros fins.Por exemplo, como se mostra na figura seguinte, pódese aplicar un espectrómetro de nove cores a un microscopio de fluorescencia.O plano da mostra móstrase no sensor de imaxe do espectrómetro de nove cores a través dun obxectivo 10x.A distancia óptica entre a lente obxectivo e o sensor de imaxe é de 200 mm, mentres que a distancia óptica entre a superficie incidente do espectrómetro de nove cores e o sensor de imaxe é de só 12 mm.Polo tanto, a imaxe foi cortada aproximadamente ao tamaño da abertura (1 × 7 mm) no plano de incidencia e dividida en nove imaxes de cores.É dicir, pódese tomar unha imaxe espectral dunha instantánea de nove cores nunha área de 0,1×0,7 mm no plano da mostra.Ademais, é posible obter unha imaxe espectral de nove cores dunha área maior no plano da mostra escaneando a mostra en relación ao obxectivo na dirección horizontal da figura 2c.
Os compoñentes da matriz de espellos decacromáticos, a saber, M1-M9 e BP, foron feitos a medida por Asahi Spectra Co., Ltd. utilizando métodos de precipitación estándar.Os materiais dieléctricos multicapa aplicáronse individualmente sobre dez placas de cuarzo de 60 × 60 mm de tamaño e 0,5 mm de espesor, cumprindo os seguintes requisitos: M1: IA = 45°, R ≥ 90% a 520–590 nm, Tave ≥ 90% a 610– 610 nm.700 nm, M2: IA = 45°, R ≥ 90 % a 520–530 nm, Tave ≥ 90 % a 550–600 nm, M3: IA = 45°, R ≥ 90 % a 540–550 nm, Tave ≥ 90 % a 570–600 nm, M4: IA = 45°, R ≥ 90 % a 560–570 nm, Tave ≥ 90 % a 590–600 nm, M5: IA = 45°, R ≥ 98 % a 580–600 nm , R ≥ 98 % a 680–700 nm, M6: IA = 45°, Tave ≥ 90 % a 600–610 nm, R ≥ 90 % a 630–700 nm, M7: IA = 45°, R ≥ 90 % 620–630 nm, Taw ≥ 90 % a 650–700 nm, M8: IA = 45°, R ≥ 90 % a 640–650 nm, Taw ≥ 90 % a 670–700 nm, M9: IA = 45°, ≥ 90 % a 650-670 nm, Tave ≥ 90 % a 690-700 nm, BP: IA = 0°, T ≤ 0,01 % a 505 nm, Tave ≥ 95 % a 530-690 nm a 530-690 nm T≥ 530 % a -690 nm e T ≤ 1 % a 725-750 nm, onde IA, T, Tave e R son o ángulo de incidencia, transmitancia, transmitancia media e reflectancia da luz non polarizada.
A luz branca (C0) cun rango de lonxitudes de onda de 400-750 nm emitida por unha fonte de luz LED (AS 3000, AS ONE CORPORATION) colimouse e incidiu verticalmente no DP dunha matriz de espellos dicroicos.O espectro de luz branca dos LED móstrase na figura complementaria S3.Coloque un tanque acrílico (dimensións 150 × 150 × 30 mm) directamente diante da matriz de espellos de cámara, fronte á PSU.O fume xerado ao mergullarse o xeo seco na auga vertiuse nun tanque de acrílico para observar as correntes divididas de nove cores C1-C9 que emanan da matriz de espellos decacromáticos.
Alternativamente, a luz branca colimada (C0) pasa por un filtro antes de entrar no DP.Os filtros eran orixinalmente filtros de densidade neutra cunha densidade óptica de 0,6.A continuación, use un filtro motorizado (FW212C, FW212C, Thorlabs).Finalmente, volve activar o filtro ND.Os anchos de banda dos nove filtros pasabanda corresponden a C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 e C1, respectivamente.Unha célula de cuarzo cunhas dimensións internas de 40 (longitud óptica) x 42,5 (alto) x 10 mm (ancho) colocouse diante dunha serie de espellos decocromáticos, fronte á BP.Despois, o fume é alimentado a través dun tubo á célula de cuarzo para manter a concentración de fume na célula de cuarzo para visualizar os fluxos divididos de nove cores C1-C9 que emanan da matriz de espellos decacromáticos.
No iPhone XS capturouse un vídeo do fluxo de luz dividida en nove cores que emana dunha serie de espellos decánicos en modo time-lapse.Captura imaxes da escena a 1 fps e compila as imaxes para crear vídeo a 30 fps (para o vídeo opcional 1) ou 24 fps (para os vídeos opcionais 2 e 3).
Coloque unha placa de aceiro inoxidable de 50 µm de espesor (con catro orificios de 50 µm de diámetro a intervalos de 1 mm) na placa de difusión.A luz cunha lonxitude de onda de 400-750 nm irradiase sobre a placa difusora, obtida facendo pasar a luz dunha lámpada halóxena a través dun filtro de transmisión curto cunha lonxitude de onda de corte de 700 nm.O espectro luminoso móstrase na figura complementaria S4.Alternativamente, a luz tamén atravesa un dos filtros de paso de banda de 10 nm centrados en 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 e 690 nm e golpea a placa difusora.Como resultado, formáronse catro puntos de radiación cun diámetro de φ50 μm e diferentes lonxitudes de onda nunha placa de aceiro inoxidable fronte á placa difusora.
Unha matriz de catro capilares con catro lentes está montada nun espectrómetro de nove cores como se mostra nas figuras 1 e 2. C1 e C2.Os catro capilares e catro lentes eran os mesmos que en estudos anteriores31,34.Un feixe láser cunha lonxitude de onda de 505 nm e unha potencia de 15 mW irradiase de forma simultánea e uniforme dende o lado ata os puntos de emisión de catro capilares.A fluorescencia emitida por cada punto de emisión é colimada pola lente correspondente e separada en nove correntes de cores por unha matriz de espellos decacromáticos.Os 36 fluxos resultantes foron inxectados directamente nun sensor de imaxe CMOS (C11440–52U, Hamamatsu Photonics K·K.), e as súas imaxes foron gravadas simultáneamente.
ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit (Applied Biosystems), 4 µl de colorante GeneScan™ 600 LIZ™ mesturáronse para cada capilar mesturando 1 µl PowerPlex® 6C Matrix Standard (Promega Corporation), 1 µl estándar de tamaño de mestura.v2.0 (Thermo Fisher Scientific) e 14 µl de auga.O estándar de matriz PowerPlex® 6C consta de seis fragmentos de ADN marcados con seis colorantes: FL-6C, JOE-6C, TMR-6C, CXR-6C, TOM-6C e WEN, por orde de lonxitude de onda máxima.Non se revelan as lonxitudes de bases destes fragmentos de ADN, pero coñécese a secuencia de lonxitudes de bases dos fragmentos de ADN marcados con WEN, CXR-6C, TMR-6C, JOE-6C, FL-6C e TOM-6C.A mestura do ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit contén un fragmento de ADN marcado con colorante dR6G.Tampouco se revelan as lonxitudes das bases dos fragmentos de ADN.GeneScan™ 600 LIZ™ Dye Size Standard v2.0 inclúe 36 fragmentos de ADN marcados con LIZ.As lonxitudes de base destes fragmentos de ADN son 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214, 220, 240, 250, 260, 280, 300, 300, 300, 300, 300, 300, 300, 300 360, 380, 400, 414, 420, 440, 460, 480, 500, 514, 520, 540, 560, 580 e 600 base.As mostras foron desnaturalizadas a 94 °C durante 3 minutos, despois arrefriáronse en xeo durante 5 minutos.As mostras inxectáronse en cada capilar a 26 V/cm durante 9 s e separáronse en cada capilar cheo cunha solución de polímero POP-7™ (Thermo Fisher Scientific) cunha lonxitude efectiva de 36 cm e unha tensión de 181 V/cm e un ángulo de 60°.DE.
Todos os datos obtidos ou analizados no transcurso deste estudo inclúense neste artigo publicado e a súa información adicional.Outros datos relevantes para este estudo están dispoñibles dos respectivos autores previa solicitude razoable.
Khan, MJ, Khan, HS, Yousaf, A., Khurshid, K. e Abbas, A. Tendencias actuais na análise de imaxe hiperespectral: unha revisión.Acceda a IEEE 6, 14118–14129.https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2812999 (2018).
Vaughan, AH Espectroscopia Interferométrica Astronómica de Fabry-Perot.instalar.Reverendo Astron.astrofísica.5, 139-167.https://doi.org/10.1146/annurev.aa.05.090167.001035 (1967).
Goetz, AFH, Wein, G., Solomon, JE e Rock, BN Spectroscopy of Earth remote sensing images.Ciencia 228, 1147–1153.https://doi.org/10.1126/science.228.4704.1147 (1985).
Yokoya, N., Grohnfeldt, C. e Chanussot, J. Fusion of hyperspectral and multispectral data: a comparative review of recent publications.IEEE Ciencias da Terra.Revista de teledetección.5:29–56.https://doi.org/10.1109/MGRS.2016.2637824 (2017).
Gowen, AA, O'Donnell, SP, Cullen, PJ, Downey, G. e Frias, JM A imaxe hiperespectral é unha nova ferramenta analítica para o control de calidade e a seguridade alimentaria.Tendencias en ciencia alimentaria.tecnoloxía.18, 590-598.https://doi.org/10.1016/j.tifs.2007.06.001 (2007).
ElMasri, G., Mandour, N., Al-Rejaye, S., Belin, E. e Rousseau, D. Aplicacións recentes de imaxes multiespectrais para controlar o fenotipo e a calidade das sementes: unha revisión.Sensores 19, 1090 (2019).
Liang, H. Avances na imaxe multiespectral e hiperespectral para a arqueoloxía e a preservación da arte.Solicite un físico 106, 309–323.https://doi.org/10.1007/s00339-011-6689-1 (2012).
Edelman GJ, Gaston E., van Leeuwen TG, Cullen PJ e Alders MKG Imaxe hiperespectral para análise sen contacto de trazos forenses.Criminalística.interno 223, 28-39.https://doi.org/10.1016/j.forsciint.2012.09.012 (2012).