ısı eşanjörü için paslanmaz çelik 321 8*1.2 sarmal boru

Kılcal Borular

Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz.Sınırlı CSS desteğine sahip bir tarayıcı sürümü kullanıyorsunuz.En iyi deneyim için güncellenmiş bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da Uyumluluk Modunu devre dışı bırakmanızı) öneririz.Ayrıca sürekli desteği sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan gösteriyoruz.
Aynı anda üç slayttan oluşan bir atlıkarınca görüntüler.Aynı anda üç slaytta ilerlemek için Önceki ve Sonraki düğmelerini kullanın veya aynı anda üç slaytta ilerlemek için sondaki kaydırma düğmelerini kullanın.
Anlık spektral görüntüleme için kullanılan, on dikroik aynadan oluşan bir dizi tarafından "ikiye bölünmüş" ultra kompakt (54 x 58 x 8,5 mm) ve geniş diyafram açıklığına sahip (1 x 7 mm) dokuz renkli bir spektrometre geliştirildi.Delik boyutundan daha küçük bir kesite sahip gelen ışık akısı, 20 nm genişliğinde sürekli bir şeride ve merkezi dalga boyları 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 ve 690 nm olan dokuz renk akışına bölünür.Dokuz renk akışının görüntüleri, görüntü sensörü tarafından eş zamanlı olarak verimli bir şekilde ölçülür.Geleneksel dikroik ayna dizilerinden farklı olarak geliştirilen dikroik ayna dizisi, yalnızca eş zamanlı olarak ölçülebilen renk sayısını artırmakla kalmayıp aynı zamanda her renk akışı için görüntü çözünürlüğünü de artıran benzersiz iki parçalı bir konfigürasyona sahiptir.Geliştirilen dokuz renkli spektrometre, dört kılcal elektroforez için kullanılıyor.Dokuz renkli lazerle indüklenen floresans kullanılarak her kılcal damarda aynı anda göç eden sekiz boyanın eş zamanlı kantitatif analizi.Dokuz renkli spektrometre sadece ultra küçük ve ucuz olmakla kalmayıp, aynı zamanda yüksek ışık akısı ve çoğu spektral görüntüleme uygulaması için yeterli spektral çözünürlüğe sahip olduğundan, çeşitli alanlarda yaygın olarak kullanılabilir.
Hiperspektral ve multispektral görüntüleme astronominin2, Dünya gözlemi için uzaktan algılamanın3,4, gıda ve su kalite kontrolünün5,6, sanat koruma ve arkeolojinin7, adli tıp8, cerrahinin9, biyomedikal analiz ve tanının10,11 vb. önemli bir parçası haline gelmiştir. Alan 1 Vazgeçilmez bir teknoloji ,12,13.Görüş alanındaki her emisyon noktası tarafından yayılan ışığın spektrumunu ölçmeye yönelik yöntemler, (1) nokta tarama (“süpürge”)14,15, (2) doğrusal tarama (“salkım”)16,17,18'e bölünmüştür. , (3) uzunluk tarama dalgaları19,20,21 ve (4) görüntüler22,23,24,25.Tüm bu yöntemler durumunda, uzaysal çözünürlük, spektral çözünürlük ve zamansal çözünürlük arasında bir değiş-tokuş ilişkisi vardır9,10,12,26.Ayrıca ışık çıkışının hassasiyet üzerinde, yani spektral görüntülemede sinyal-gürültü oranı üzerinde önemli bir etkisi vardır26.Işık akısı, yani ışık kullanma verimliliği, her bir ışık noktasının birim zaman başına ölçülen gerçek ışık miktarının, ölçülen dalga boyu aralığındaki toplam ışık miktarına oranıyla doğru orantılıdır.Kategori (4), her bir yayan nokta tarafından yayılan ışığın yoğunluğu veya spektrumu zamanla değiştiğinde veya tüm yayan noktalardan yayılan ışığın spektrumu aynı anda ölçüldüğü için her bir yayan noktanın konumu zamanla değiştiğinde uygun bir yöntemdir.24.
Yukarıdaki yöntemlerin çoğu, (1), (2) ve (4) sınıfları için 18 ızgara veya 14, 16, 22, 23 prizma veya 20, 21 filtre diski, sıvı filtreleri kullanan büyük, karmaşık ve/veya pahalı spektrometrelerle birleştirilir. .Kategori (3)'e göre ayarlanabilir kristal filtreler (LCTF)25 veya akustik-optik ayarlanabilir filtreler (AOTF)19.Buna karşılık, kategori (4) çoklu aynalı spektrometreler basit konfigürasyonları nedeniyle küçük ve ucuzdur27,28,29,30.Ayrıca her bir dikroik aynanın paylaştığı ışık (yani her bir dikroik aynaya gelen ışığın iletilen ve yansıyan ışığı) tam ve sürekli olarak kullanıldığı için yüksek bir ışık akısı vardır.Ancak aynı anda ölçülmesi gereken dalga boyu bantlarının (yani renklerin) sayısı yaklaşık dört ile sınırlıdır.
Floresans tespitine dayalı spektral görüntüleme, biyomedikal tespit ve teşhiste multipleks analiz için yaygın olarak kullanılır 10, 13.Çoğullamada, birden fazla analit (örneğin spesifik DNA veya proteinler) farklı floresan boyalarla etiketlendiğinden, görüş alanındaki her emisyon noktasında mevcut olan her bir analit, çok bileşenli analiz kullanılarak ölçülür.32, her bir emisyon noktası tarafından yayılan tespit edilen floresans spektrumunu parçalar.Bu işlem sırasında, her biri farklı bir floresans yayan farklı boyalar aynı yerde bulunabilir, yani uzay ve zamanda bir arada bulunabilir.Şu anda tek bir lazer ışınıyla uyarılan maksimum boya sayısı sekiz33'tür.Bu üst sınır, spektral çözünürlük (yani renk sayısı) tarafından değil, floresans spektrumunun genişliği (≥50 nm) ve FRET'teki (FRET kullanılarak) boya Stokes kayması miktarı (≤200 nm) ile belirlenir10 .Ancak, karışık boyaların spektral örtüşmesini ortadan kaldırmak için renk sayısının boya sayısına eşit veya bundan büyük olması gerekir31,32.Bu nedenle eş zamanlı olarak ölçülen renk sayısını sekiz veya daha fazlaya çıkarmak gerekir.
Son zamanlarda, ultra kompakt bir heptakroik spektrometre (dört floresan akısını ölçmek için bir dizi heptikroik ayna ve bir görüntü sensörü kullanılarak) geliştirildi.Spektrometre, ızgara veya prizma kullanan geleneksel spektrometrelerden iki ila üç kat daha küçüktür34,35.Ancak bir spektrometreye yediden fazla dikroik ayna yerleştirmek ve aynı anda yediden fazla rengi ölçmek zordur36,37.Dikroik aynaların sayısındaki artışla birlikte, dikroik ışık akılarının optik yollarının uzunluklarındaki maksimum fark artar ve tüm ışık akılarının tek bir duyusal düzlemde görüntülenmesi zorlaşır.Işık akısının en uzun optik yol uzunluğu da artar, böylece spektrometre açıklığının genişliği (yani spektrometre tarafından analiz edilen ışığın maksimum genişliği) azalır.
Yukarıdaki sorunlara yanıt olarak, iki katmanlı "dikroik" dekakromatik ayna dizisine ve anlık spektral görüntüleme için bir görüntü sensörüne sahip ultra kompakt dokuz renkli bir spektrometre [kategori (4)] geliştirildi.Önceki spektrometrelerle karşılaştırıldığında geliştirilen spektrometrenin maksimum optik yol uzunluğundaki farkı daha küçük, maksimum optik yol uzunluğu ise daha küçüktür.Lazer kaynaklı dokuz renkli floresansı tespit etmek ve her bir kılcal damardaki sekiz boyanın eşzamanlı göçünü ölçmek için dört kılcal elektroforeze uygulanmıştır.Geliştirilen spektrometre ultra küçük ve ucuz olmasının yanı sıra yüksek ışık akısı ve çoğu spektral görüntüleme uygulaması için yeterli spektral çözünürlüğe sahip olduğundan, çeşitli alanlarda yaygın olarak kullanılabilir.
Geleneksel dokuz renkli spektrometre şekil 2'de gösterilmektedir.1 A.Tasarımı, önceki ultra küçük yedi renkli spektrometrenin (31) tasarımını takip etmektedir. Sağa 45° açıyla yatay olarak düzenlenmiş dokuz dikroik aynadan oluşur ve görüntü sensörü (S), dokuz dikroik aynanın üzerinde yer alır.Aşağıdan giren ışık (C0), dokuz dikroik ayna dizisiyle yukarı doğru giden dokuz ışık akışına (C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 ve C9) bölünür.Dokuz renk akışının tümü doğrudan görüntü sensörüne beslenir ve aynı anda algılanır.Bu çalışmada C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 ve C9 dalga boylarına göre sıralanmıştır ve macenta, mor, mavi, camgöbeği, yeşil, sarı, turuncu, kırmızı-turuncu ve kırmızı-turuncu ile temsil edilmektedir. sırasıyla kırmızı.Her ne kadar bu belgede bu renk tanımlamaları kullanılmış olsa da, Şekil 3'te gösterildiği gibi, insan gözünün gördüğü gerçek renklerden farklıdırlar.
Geleneksel ve yeni dokuz renkli spektrometrelerin şematik diyagramları.(a) Dokuz dikroik ayna dizisine sahip geleneksel dokuz renkli spektrometre.(b) İki katmanlı dikroik ayna dizisine sahip yeni dokuz renkli spektrometre.Gelen ışık akısı C0 dokuz renkli ışık akısına C1-C9 bölünür ve görüntü sensörü S tarafından tespit edilir.
Geliştirilen yeni dokuz renkli spektrometre, Şekil 1b'de gösterildiği gibi iki katmanlı dikroik ayna ızgarasına ve bir görüntü sensörüne sahiptir.Alt kademede, beş dikroik ayna, dekamer dizisinin merkezinden sağa doğru hizalanarak 45° sağa eğilmiştir.Üst seviyede, beş ek dikroik ayna 45° sola eğilmiş ve merkezden sola doğru yerleştirilmiştir.Alt katmanın en soldaki dikroik aynası ile üst katmanın en sağdaki dikroik aynası birbiriyle örtüşür.Gelen ışık akısı (C0), sağdaki beş dikroik ayna tarafından aşağıdan dört giden kromatik akışa (C1-C4) ve soldaki C9) beş dikroik ayna ile giden beş kromatik akışa (C5-C4) bölünür.Geleneksel dokuz renkli spektrometreler gibi, dokuz renk akışının tümü doğrudan görüntü sensörüne (S) enjekte edilir ve aynı anda algılanır.Şekil 1a ve 1b karşılaştırıldığında, yeni dokuz renkli spektrometre durumunda dokuz renk akışının hem maksimum farkının hem de en uzun optik yol uzunluğunun yarıya indiği görülebilir.
29 mm (genişlik) × 31 mm (derinlik) × 6 mm (yükseklik) ultra küçük iki katmanlı dikroik ayna dizisinin ayrıntılı yapısı Şekil 2'de gösterilmektedir. Ondalık dikroik ayna dizisi sağda beş dikroik aynadan oluşur. (M1-M5) ve solda beş dikroik ayna ( M6-M9 ve başka bir M5), her bir dikroik ayna üst alüminyum brakete sabitlenmiştir.Tüm dikroik aynalar, aynalardan geçen akışın kırılması nedeniyle paralel yer değiştirmeyi telafi etmek için kademeli olarak düzenlenmiştir.M1'in altında bir bant geçiren filtre (BP) sabitlenmiştir.M1 ve BP boyutları 10 mm (uzun kenar) x 1,9 mm (kısa kenar) x 0,5 mm (kalınlık) şeklindedir.Geriye kalan dikroik aynaların boyutları 15 mm × 1,9 mm × 0,5 mm'dir.M1 ile M2 arasındaki matris aralığı 1,7 mm iken diğer dikroik aynaların matris aralığı 1,6 mm'dir.Şek.Şekil 2c, gelen ışık akısı C0 ile dokuz renkli ışık akısı C1-C9'u birleştirir; bunlar, bir oda dışı ayna matrisiyle ayrılır.
İki katmanlı dikroik ayna matrisinin yapısı.(a) Perspektif bir görünüm ve (b) iki katmanlı dikroik ayna dizisinin (boyutlar 29 mm x 31 mm x 6 mm) enine kesit görünümü.Alt katmanda bulunan beş dikroik aynadan (M1-M5), üst katmanda bulunan beş dikroik aynadan (M6-M9 ve başka bir M5) ve M1'in altında bulunan bir bant geçiren filtreden (BP) oluşur.(c) C0 ve C1-C9'un örtüştüğü dikey yönde kesit görünüm.
Şekil 2, c'de C0 genişliği ile gösterilen yatay yöndeki açıklığın genişliği 1 mm'dir ve alüminyum braketin tasarımıyla verilen Şekil 2, c'deki düzleme dik yöndedir, – 7 mm.Yani yeni dokuz renkli spektrometrenin 1 mm × 7 mm'lik geniş bir açıklık boyutu vardır.C4'ün optik yolu, C1-C9 arasında en uzun olanıdır ve yukarıdaki ultra küçük boyuttan (29 mm × 31 mm × 6 mm) dolayı dikroik ayna dizisi içindeki C4'ün optik yolu 12 mm'dir.Aynı zamanda C5'in optik yol uzunluğu C1-C9 arasında en kısa olanıdır ve C5'in optik yol uzunluğu 5,7 mm'dir.Bu nedenle optik yol uzunluğundaki maksimum fark 6,3 mm'dir.Yukarıdaki optik yol uzunlukları, M1-M9 ve BP'nin (kuvarstan) optik iletimi için optik yol uzunluğuna göre düzeltilmiştir.
М1−М9 ve VR'nin spektral özellikleri, С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8 ve С9 akılarının 520–540, 540–560, 560–580, 580 dalga boyu aralığında olacağı şekilde hesaplanır. –600 , 600–620, 620–640, 640–660, 660–680 ve 680–700 nm, sırasıyla.
Dekakromatik aynaların üretilen matrisinin bir fotoğrafı, Şekil 3a'da gösterilmektedir.M1-M9 ve BP sırasıyla alüminyum desteğin 45° eğimine ve yatay düzlemine yapıştırılmıştır, M1 ve BP ise şeklin arkasında gizlenmiştir.
Bir dizi decan aynanın üretimi ve gösterimi.(a) Bir dizi fabrikasyon on-kromatik ayna.(b) Bir dizi dekakromatik aynanın önüne yerleştirilen ve beyaz ışıkla arkadan aydınlatılan bir kağıt yaprağına yansıtılan 1 mm x 7 mm'lik dokuz renkli bölünmüş görüntü.(c) Arkadan beyaz ışıkla aydınlatılan bir dizi dekokromatik ayna.(d) Dekan ayna dizisinden çıkan dokuz renkli bölme akışı, c'deki dekan ayna dizisinin önüne duman dolu akrilik bir kutu yerleştirilip odayı karartarak gözlemlendi.
M1-M9 C0'ın 45°'lik bir geliş açısında ölçülen iletim spektrumu ve BP C0'ın 0°'lik bir geliş açısında ölçülen iletim spektrumu Şekil 2 ve 4'te gösterilmektedir.4a.C1-C9'un C0'a göre iletim spektrumları Şekil 2'de gösterilmektedir.4b.Bu spektrumlar, Şekiller 1 ve 2'deki spektrumlardan hesaplandı.Şekil 4a'daki C1-C9 optik yoluna göre Şekil 4a.1b ve 2c.Örneğin, 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)], burada TS(X) ve [ 1 − TS(X)] sırasıyla X'in iletim ve yansıma spektrumlarıdır.Şekil 4b'de gösterildiği gibi C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 ve C9'un bant genişlikleri (bant genişliği ≥%50) 521-540, 541-562, 563-580, 581-602, 603'tür. -623, 624-641, 642-657, 659-680 ve 682-699 nm.Bu sonuçlar geliştirilen aralıklarla tutarlıdır.Ayrıca C0 ışığının kullanım verimliliği yüksektir yani ortalama maksimum C1-C9 ışık geçirgenliği %92'dir.
Dikroik bir aynanın ve bölünmüş dokuz renkli akının iletim spektrumu.( a ) 45 ° olayda M1-M9'un ölçülen iletim spektrumları ve 0 ° olayda BP.(b) (a)'dan hesaplanan C0'a göre C1-C9'un iletim spektrumları.
Şek.Şekil 3c'de, dikroik ayna dizisi dikey olarak yerleştirilmiştir, böylece Şekil 3a'daki sağ tarafı üst taraftır ve koşutlanmış LED'in (C0) beyaz huzmesi arkadan aydınlatılmıştır.Şekil 3a'da gösterilen dekkromatik ayna dizisi 54 mm (yükseklik) × 58 mm (derinlik) × 8,5 mm (kalınlık) adaptöre monte edilmiştir.Şek.3d, şekil 2'de gösterilen duruma ek olarak.Şekil 3c'de, odadaki ışıklar kapatılmış halde, bir dizi dekokromatik aynanın önüne duman dolu bir akrilik tank yerleştirildi.Sonuç olarak, tankta bir dizi dekakromatik aynadan yayılan dokuz dikroik akıntı görülüyor.Her bölünmüş akış, yeni dokuz renkli spektrometrenin açıklık boyutuna karşılık gelen 1 × 7 mm boyutlarında dikdörtgen bir kesite sahiptir.Şekil 3b'de, Şekil 3c'deki dikroik ayna dizisinin önüne bir kağıt parçası yerleştirilmekte ve kağıt üzerine yansıtılan dokuz dikroik akışın 1 x 7 mm'lik görüntüsü, kağıdın hareketi yönünden gözlemlenmektedir.Canlı Yayınlar.Şekil 2'deki dokuz renk ayırma akışı.Şekil 3b ve d, yukarıdan aşağıya C4, C3, C2, C1, C5, C6, C7, C8 ve C9'dur ve bunlar şekil 1 ve 2'de de görülebilir. 1b ve 2c.Dalga boylarına karşılık gelen renklerde gözlenirler.LED'in düşük beyaz ışık yoğunluğundan dolayı (bkz. Ek Şekil S3) ve Şekil 2'de C9'u (682-699 nm) yakalamak için kullanılan renkli kameranın hassasiyeti nedeniyle. Diğer bölme akışları zayıftır.Benzer şekilde C9 da çıplak gözle belli belirsiz görülebiliyordu.Bu arada, C2 (üstten ikinci akış) Şekil 3'te yeşil görünüyor, ancak çıplak gözle daha sarı görünüyor.
Şekil 3c'den d'ye geçiş Ek Video 1'de gösterilmektedir. LED'den gelen beyaz ışık, dekkromatik ayna dizisinden geçtikten hemen sonra, aynı anda dokuz renk akışına bölünür.Sonunda fıçıdaki duman yukarıdan aşağıya doğru yavaş yavaş dağıldı, böylece dokuz renkli toz da yukarıdan aşağıya doğru kayboldu.Buna karşılık, Ek Video 2'de, dekkromatik ayna dizisi üzerindeki ışık akısının dalga boyu 690, 671, 650, 632, 610, 589, 568, 550 ve 532 nm sırasına göre uzundan kısaya değiştirildiğinde ., Yalnızca C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 ve C1 sırasına göre dokuz bölünmüş akışın karşılık gelen bölünmüş akışları görüntülenir.Akrilik rezervuarın yerini kuvars havuzu almıştır ve her bir şönt akışın pulları, yukarı doğru eğimli yönden açıkça gözlemlenebilmektedir.Ek olarak alt video (3), alt videonun (2) dalga boyu değişim kısmı yeniden oynatılacak şekilde düzenlenir.Bu, dekokromatik ayna dizisinin özelliklerinin en anlamlı ifadesidir.
Yukarıdaki sonuçlar, üretilen dekakromatik ayna dizisinin veya yeni dokuz renkli spektrometrenin amaçlandığı gibi çalıştığını göstermektedir.Yeni dokuz renkli spektrometre, bir dizi dekakromatik aynanın adaptörlerle doğrudan görüntü sensörü kartına monte edilmesiyle oluşturuldu.
Dalga boyu 400 ila 750 nm aralığında olan ışık akısı, sırasıyla Şekil 2c'deki düzleme dik yönde 1 mm aralıklarla yerleştirilmiş, φ50 μm'lik dört radyasyon noktası tarafından yayılır. Araştırmalar 31, 34. Dört mercek dizisi aşağıdakilerden oluşur: odak uzaklığı 1,4 mm ve aralığı 1 mm olan dört adet φ1 mm lens.Yeni bir dokuz renkli spektrometrenin DP'sine 1 mm aralıklarla yerleştirilmiş dört koşutlanmış akış (dört C0) geliyor.Bir dizi dikroik ayna, her akışı (C0) dokuz renk akışına (C1-C9) böler.Sonuçta ortaya çıkan 36 akış (dört C1-C9 seti) daha sonra doğrudan bir dizi dikroik aynaya bağlanan bir CMOS (S) görüntü sensörüne doğrudan enjekte edilir.Sonuç olarak, Şekil 5a'da gösterildiği gibi, küçük maksimum optik yol farkı ve kısa maksimum optik yol nedeniyle, 36 akışın tamamının görüntüleri aynı boyutta, aynı anda ve net bir şekilde tespit edildi.Aşağı akış spektrumlarına göre (bkz. Ek Şekil S4), dört grup C1, C2 ve C3'ün görüntü yoğunluğu nispeten düşüktür.Otuz altı görüntünün boyutu 0,57 ± 0,05 mm'dir (ortalama ± SD).Böylece görüntü büyütme ortalaması 11,4 oldu.Görüntüler arasındaki dikey aralık ortalama 1 mm'dir (lens dizisiyle aynı aralık) ve yatay aralık ortalamaları 1,6 mm'dir (dikroik ayna dizisiyle aynı aralık).Görüntü boyutu, görüntüler arasındaki mesafeden çok daha küçük olduğundan, her görüntü bağımsız olarak ölçülebilir (düşük karışma ile).Bu arada, önceki çalışmamızda kullanılan geleneksel yedi renkli spektrometre tarafından kaydedilen yirmi sekiz akışın görüntüleri Şekil 5 B'de gösterilmektedir. Yedi dikroik ayna dizisi, en sağdaki iki dikroik aynanın dokuz dikroik diziden çıkarılmasıyla oluşturulmuştur. Şekil 1a'daki aynalar.Tüm görüntüler keskin değildir, görüntü boyutu C1'den C7'ye çıkar.Yirmi sekiz görüntünün boyutu 0,70 ± 0,19 mm'dir.Bu nedenle tüm görüntülerde yüksek çözünürlüğü korumak zordur.Şekil 5b'deki görüntü boyutu 28'in varyasyon katsayısı (CV) %28 iken, Şekil 5a'daki görüntü boyutu 36'nın CV'si %9'a düşmüştür.Yukarıdaki sonuçlar, yeni dokuz renkli spektrometrenin yalnızca eşzamanlı olarak ölçülen renk sayısını yediden dokuza çıkarmakla kalmayıp, aynı zamanda her renk için yüksek görüntü çözünürlüğüne sahip olduğunu göstermektedir.
Geleneksel ve yeni spektrometrelerin oluşturduğu bölünmüş görüntünün kalitesinin karşılaştırılması.(a) Yeni dokuz renkli spektrometre tarafından oluşturulan dokuz renkli ayrılmış görüntülerden oluşan dört grup (C1-C9).(b) Geleneksel yedi renkli spektrometreyle oluşturulmuş dört set yedi renkli ayrılmış görüntü (C1-C7).Dört emisyon noktasından dalga boyları 400 ila 750 nm arasında olan akışlar (C0) sırasıyla kolimasyona tabi tutulur ve her bir spektrometreye uygulanır.
Dokuz renkli spektrometrenin spektral özellikleri deneysel olarak değerlendirilmiştir ve değerlendirme sonuçları Şekil 6'da gösterilmektedir. Şekil 6a'nın Şekil 5a ile aynı sonuçları gösterdiğine dikkat edin, yani 4 C0 400–750 nm dalga boylarında, 36 görüntünün tamamı algılanır (4 grup C1–C9).Aksine, Şekil 6b-j'de gösterildiği gibi, her bir C0 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 veya 690 nm'lik spesifik bir dalga boyuna sahip olduğunda, neredeyse yalnızca dört karşılık gelen görüntü vardır (dört tane). gruplar C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 veya C9'u tespit etti).Bununla birlikte, karşılık gelen dört görüntüye bitişik görüntülerin bazıları çok zayıf bir şekilde tespit edilir çünkü Şekil 4b'de gösterilen C1-C9 iletim spektrumları hafifçe örtüşür ve her bir C0, yöntemde açıklandığı gibi belirli bir dalga boyunda 10 nm'lik bir banda sahiptir.Bu sonuçlar, Şekiller 1 ve 2'de gösterilen C1-C9 iletim spektrumları ile tutarlıdır.4b ve ek videolar 2 ve 3. Başka bir deyişle, dokuz renkli spektrometre, şekil 2'de gösterilen sonuçlara göre beklendiği gibi çalışır.4b.Dolayısıyla C1-C9 görüntü yoğunluk dağılımının her bir C0'ın spektrumu olduğu sonucuna varılmıştır.
Dokuz renkli bir spektrometrenin spektral özellikleri.Yeni dokuz renkli spektrometre, gelen ışık (dört C0) (a) 400-750 nm (Şekil 5a'da gösterildiği gibi), (b) dalga boyuna sahip olduğunda dört set dokuz renkli ayrılmış görüntü (C1-C9) oluşturur. 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, sırasıyla.
Geliştirilen dokuz renkli spektrometre, dört kılcal elektroforez için kullanıldı (ayrıntılar için bkz. Ek Malzemeler)31,34,35.Dört kılcal matris, lazer ışınlama bölgesinde 1 mm aralıklarla yerleştirilmiş dört kılcal damardan (dış çap 360 μm ve iç çap 50 μm) oluşur.FL-6C (boya 1), JOE-6C (boya 2), dR6G (boya 3), TMR-6C (boya 4), CXR-6C (boya 5), ​​TOM- olmak üzere 8 boyayla etiketlenmiş DNA fragmanları içeren numuneler Floresan dalga boyunun artan sırasına göre 6C (boya 6), LIZ (boya 7) ve WEN (boya 8), dört kılcal damarın her birinde ayrılmıştır (bundan sonra Cap1, Cap2, Cap3 ve Cap4 olarak anılacaktır).Cap1-Cap4'ten lazerle indüklenen floresans, dört mercekten oluşan bir diziyle paralelleştirildi ve aynı anda dokuz renkli bir spektrometreyle kaydedildi.Elektroforez sırasında dokuz renkli (C1-C9) floresansın yoğunluk dinamikleri, yani her kılcal damarın dokuz renkli elektroforegramı, Şekil 7a'da gösterilmektedir.Cap1-Cap4'te eşdeğer bir dokuz renkli elektroforegram elde edilir.Şekil 7a'daki Cap1 oklarıyla gösterildiği gibi, her dokuz renkli elektroforegramdaki sekiz tepe, sırasıyla Dye1-Dye8'den bir floresans emisyonu gösterir.
Dokuz renkli dört kılcal elektroforez spektrometresi kullanılarak sekiz boyanın eşzamanlı miktarının belirlenmesi.(a) Her kılcal damarın dokuz renkli (C1-C9) elektroforegramı.Cap1 oklarıyla gösterilen sekiz tepe, sekiz boyanın (Dye1-Dye8) bireysel floresans emisyonlarını gösterir.Okların renkleri (b) ve (c) renklerine karşılık gelir.(b) Kılcal damar başına sekiz boyanın (Dye1-Dye8) floresans spektrumları.c Kapiler başına sekiz boyanın (Boya1-Boya8) elektroferogramları.Dye7 etiketli DNA fragmanlarının zirveleri oklarla gösterilmiştir ve Cap4 baz uzunlukları belirtilmiştir.
C1 – C9'un sekiz tepe noktası üzerindeki yoğunluk dağılımları Şekil 2'de gösterilmektedir.sırasıyla 7b.Hem C1-C9 hem de Dye1-Dye8 dalga boyu sırasına göre olduğundan, Şekil 7b'deki sekiz dağılım, Dye1-Dye8'in floresans spektrumlarını soldan sağa sırayla gösterir.Bu çalışmada Boya1, Boya2, Boya3, Boya4, Boya5, Boya6, Boya7 ve Boya8 sırasıyla macenta, mor, mavi, camgöbeği, yeşil, sarı, turuncu ve kırmızı renkte görünmektedir.Şekil 7a'daki okların renklerinin Şekil 7b'deki boya renklerine karşılık geldiğine dikkat edin.Şekil 7b'deki her spektrum için C1-C9 floresans yoğunlukları, toplamları bir olacak şekilde normalleştirildi.Cap1-Cap4'ten sekiz eşdeğer floresans spektrumu elde edildi.Boya 1-boya 8 arasındaki floresansın spektral örtüşmesi açıkça gözlemlenebilir.
Şekil 7c'de gösterildiği gibi, her kılcal damar için, Şekil 7a'daki dokuz renkli elektroforegram, Şekil 7b'deki sekiz floresans spektrumuna dayanan çok bileşenli analizle sekiz boya elektroferogramına dönüştürüldü (ayrıntılar için bkz. Ek Malzemeler).Şekil 7a'daki floresansın spektral örtüşmesi Şekil 7c'de gösterilmediğinden, Dye1-Dye8 aynı anda farklı miktarlarda floresans yaysa bile, Dye1-Dye8 her zaman noktasında ayrı ayrı tanımlanabilir ve ölçülebilir.Bu, geleneksel yedi renkli algılama31 ile yapılamaz, ancak geliştirilen dokuz renkli algılamayla başarılabilir.Şekil 7c'de Cap1 oklarıyla gösterildiği gibi, yalnızca floresan emisyon singletleri Dye3 (mavi), Dye8 (kırmızı), Dye5 (yeşil), Dye4 (camgöbeği), Dye2 (mor), Dye1 (macenta) ve Dye6 (Sarı) ) beklenen kronolojik sırayla gözlenir.Boya 7'nin (turuncu) floresan emisyonu için, turuncu okla gösterilen tek tepe noktasına ek olarak birkaç başka tek tepe noktası da gözlemlendi.Bu sonuç, numunelerin boyut standartları, Dye7 etiketli, farklı baz uzunluklarına sahip DNA fragmanları içermesinden kaynaklanmaktadır.Şekil 7c'de gösterildiği gibi Cap4 için bu taban uzunlukları 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214 ve 220 taban uzunluklarıdır.
İki katmanlı dikroik aynalardan oluşan bir matris kullanılarak geliştirilen dokuz renkli spektrometrenin ana özellikleri, küçük boyut ve basit tasarımdır.Şekil 2'de gösterilen adaptörün içindeki dekakromatik ayna dizisi nedeniyle.Şekil 3c'de doğrudan görüntü sensörü kartına monte edilen (bkz. Şekil S1 ve S2), dokuz renkli spektrometre adaptörle aynı boyutlara sahiptir, yani 54 × 58 × 8,5 mm.(kalınlık) .Bu ultra küçük boyut, ızgara veya prizma kullanan geleneksel spektrometrelerden iki ila üç kat daha küçüktür.Ayrıca dokuz renkli spektrometre, ışığın görüntü sensörünün yüzeyine dik olarak çarpacağı şekilde yapılandırıldığından mikroskoplar, akış sitometreleri veya analizörler gibi sistemlerde dokuz renkli spektrometre için kolaylıkla yer ayrılabilir.Sistemin daha da minyatürleştirilmesi için kılcal ızgaralı elektroforez analizörü.Aynı zamanda dokuz renkli spektrometrede kullanılan on dikroik aynanın ve bant geçiren filtrenin boyutu yalnızca 10×1,9×0,5 mm veya 15×1,9×0,5 mm'dir.Böylece, sırasıyla 100'den fazla küçük dikroik ayna ve bant geçiren filtre, sırasıyla bir dikroik aynadan ve 60 mm2 bant geçiren filtreden kesilebilir.Bu nedenle, bir dizi dekakromatik ayna düşük maliyetle üretilebilir.
Dokuz renkli spektrometrenin bir diğer özelliği de mükemmel spektral özellikleridir.Özellikle anlık görüntülerin spektral görüntülerinin elde edilmesine, yani görüntülerin spektral bilgilerle eş zamanlı olarak edinilmesine olanak sağlar.Her görüntü için, 520 ila 700 nm dalga boyu aralığında ve 20 nm çözünürlükte sürekli bir spektrum elde edildi.Başka bir deyişle, her görüntü için ışığın dokuz renk yoğunluğu, yani 520 ila 700 nm arasındaki dalga boyu aralığını eşit olarak bölen dokuz adet 20 nm bant algılanır.Dikroik aynanın ve bant geçiren filtrenin spektral özelliklerini değiştirerek dokuz bandın dalga boyu aralığı ve her bandın genişliği ayarlanabilir.Dokuz renk tespiti yalnızca spektral görüntülemeyle (bu raporda açıklandığı gibi) floresans ölçümleri için değil, aynı zamanda spektral görüntülemeyi kullanan diğer birçok yaygın uygulama için de kullanılabilir.Hiperspektral görüntüleme yüzlerce rengi algılayabilse de, algılanabilir renklerin sayısında önemli bir azalma olsa bile, görüş alanındaki birden fazla nesnenin birçok uygulama için yeterli doğrulukla tanımlanabildiği bulunmuştur38,39,40.Uzamsal çözünürlük, spektral çözünürlük ve zamansal çözünürlük, spektral görüntülemede bir değiş tokuşa sahip olduğundan, renk sayısını azaltmak, uzamsal çözünürlüğü ve zamansal çözünürlüğü iyileştirebilir.Ayrıca bu çalışmada geliştirilene benzer basit spektrometreler kullanılabilir ve hesaplama miktarı daha da azaltılabilir.
Bu çalışmada, dokuz rengin tespitine dayalı olarak örtüşen floresans spektrumlarının spektral ayrılmasıyla sekiz boyanın miktarı eş zamanlı olarak belirlendi.Zaman ve mekanda bir arada var olan en fazla dokuz boya aynı anda ölçülebilir.Dokuz renkli spektrometrenin özel bir avantajı, yüksek ışık akısı ve geniş diyafram açıklığıdır (1 × 7 mm).Dekan ayna dizisi, dokuz dalga boyu aralığının her birinde açıklıktan gelen ışığın maksimum %92'sini iletir.520 ila 700 nm dalga boyu aralığında gelen ışığı kullanmanın verimliliği neredeyse %100'dür.Bu kadar geniş bir dalga boyu aralığında hiçbir kırınım ızgarası bu kadar yüksek bir kullanım verimliliği sağlayamaz.Bir kırınım ızgarasının kırınım verimliliği belirli bir dalga boyunda %90'ı aşsa bile o dalga boyu ile belirli bir dalga boyu arasındaki fark arttıkça diğer dalga boyundaki kırınım verimliliği azalır41.Şekil 2c'deki düzlem yönüne dik olan açıklık genişliği, dekamer dizisini hafifçe değiştirerek, bu çalışmada kullanılan görüntü sensörü durumunda olduğu gibi, 7 mm'den görüntü sensörünün genişliğine kadar genişletilebilir.
Dokuz renkli spektrometre, bu çalışmada gösterildiği gibi yalnızca kılcal elektroforez için değil, aynı zamanda diğer çeşitli amaçlar için de kullanılabilir.Örneğin aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi dokuz renkli bir spektrometre, bir floresans mikroskobuna uygulanabilir.Numunenin düzlemi, dokuz renkli spektrometrenin görüntü sensöründe 10x objektif aracılığıyla görüntülenir.Objektif merceği ile görüntü sensörü arasındaki optik mesafe 200 mm'dir, dokuz renkli spektrometrenin gelen yüzeyi ile görüntü sensörü arasındaki optik mesafe ise yalnızca 12 mm'dir.Bu nedenle görüntü, geliş düzlemindeki yaklaşık açıklık boyutunda (1 × 7 mm) kesildi ve dokuz renkli görüntüye bölündü.Yani örnek düzlemde 0,1×0,7 mm’lik bir alan üzerinde dokuz renkli bir anlık görüntünün spektral görüntüsü alınabilmektedir.Ek olarak, Şekil 2c'de numuneyi yatay yönde hedefe göre tarayarak numune düzleminde daha geniş bir alanın dokuz renkli spektral görüntüsünü elde etmek mümkündür.
Dekakromatik ayna dizisi bileşenleri, yani M1-M9 ve BP, standart çöktürme yöntemleri kullanılarak Asahi Spectra Co., Ltd. tarafından özel olarak yapılmıştır.Çok katmanlı dielektrik malzemeler, 60 x 60 mm boyutunda ve 0,5 mm kalınlığında on kuvars plaka üzerine ayrı ayrı uygulandı ve aşağıdaki gereksinimleri karşıladı: M1: IA = 45°, 520–590 nm'de R ≥ %90, 610–590 nm'de Tave ≥ %90 610nm.700 nm, M2: IA = 45°, R ≥ %90, 520–530 nm'de, Tave ≥ %90, 550–600 nm'de, M3: IA = 45°, R ≥ %90, 540–550 nm'de, Tave ≥ 90 % 570–600 nm'de, M4: IA = 45°, R ≥ %90, 560–570 nm'de, Tave ≥ %90, 590–600 nm'de, M5: IA = 45°, R ≥ %98, 580–600 nm'de , 680–700 nm'de R ≥ %98, M6: IA = 45°, 600–610 nm'de Tave ≥ %90, 630–700 nm'de R ≥ %90, M7: IA = 45°, R ≥ %90 620–630 nm, Taw ≥ %90, 650–700 nm'de, M8: IA = 45°, R ≥ %90, 640–650 nm'de, Taw ≥ %90, 670–700 nm'de, M9: IA = 45°, R 650-670 nm'de ≥ %90, 690-700 nm'de Tave ≥ %90, BP: IA = 0°, 505 nm'de T ≤ %0,01, 530 nm'de 530-690 nm'de Tave ≥ %95 T ≥ %90 -690 nm'de ve T ≤ %1, 725-750 nm'de; burada IA, T, Tave ve R, geliş açısı, geçirgenlik, ortalama geçirgenlik ve polarize olmayan ışık yansımasıdır.
Bir LED ışık kaynağı (AS 3000, AS ONE CORPORATION) tarafından yayılan 400-750 nm dalga boyu aralığına sahip beyaz ışık (C0) toplanmış ve bir dizi dikroik aynanın DP'sine dikey olarak uygulanmıştır.LED'lerin beyaz ışık spektrumu Ek Şekil S3'te gösterilmektedir.PSU'nun karşısına, doğrudan dekamera ayna dizisinin önüne akrilik bir tank (150 × 150 × 30 mm boyutlarında) yerleştirin.Kuru buz suya batırıldığında oluşan duman, daha sonra bir dizi dekakromatik aynadan yayılan dokuz renkli C1-C9 bölünmüş akışı gözlemlemek için akrilik bir tanka döküldü.
Alternatif olarak, paralelleştirilmiş beyaz ışık (C0) DP'ye girmeden önce bir filtreden geçirilir.Filtreler orijinal olarak 0,6 optik yoğunluğa sahip nötr yoğunluk filtreleriydi.Daha sonra motorlu bir filtre kullanın (FW212C, FW212C, Thorlabs).Son olarak ND filtresini tekrar açın.Dokuz bant geçiren filtrenin bant genişlikleri sırasıyla C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 ve C1'e karşılık gelir.BP'nin karşısına, bir dizi dekokromatik aynanın önüne 40 (optik uzunluk) x 42,5 (yükseklik) x 10 mm (genişlik) iç boyutları olan bir kuvars hücre yerleştirildi.Daha sonra duman, kuvars hücresindeki duman konsantrasyonunu korumak ve dekakromatik ayna dizisinden çıkan dokuz renkli C1-C9 bölünmüş akışları görselleştirmek için bir tüp yoluyla kuvars hücresine beslenir.
Bir dizi dekanik aynadan yayılan dokuz renkli bölünmüş ışık akışının videosu, iPhone XS'de hızlandırılmış modda çekildi.Sahnenin görüntülerini 1 fps hızında yakalayın ve 30 fps (isteğe bağlı video 1 için) veya 24 fps (isteğe bağlı video 2 ve 3 için) hızında video oluşturmak için görüntüleri derleyin.
Difüzyon plakasına 50 μm kalınlığında paslanmaz çelik plaka (1 mm aralıklarla dört adet 50 μm çapında delik) yerleştirin.400-750 nm dalga boyuna sahip ışık, halojen lambadan gelen ışığın 700 nm kesme dalga boyuna sahip kısa bir iletim filtresinden geçirilmesiyle elde edilen difüzör plakasına ışınlanır.Işık spektrumu Ek Şekil S4'te gösterilmektedir.Alternatif olarak ışık ayrıca 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 ve 690 nm'de ortalanmış 10 nm bant geçiren filtrelerden birinden geçer ve difüzör plakasına çarpar.Sonuç olarak difüzör plakasının karşısındaki paslanmaz çelik plaka üzerinde φ50 μm çapında ve farklı dalga boylarında dört ışınım noktası oluşturuldu.
Dört lensli dört kılcal dizi, Şekil 1 ve 2'de gösterildiği gibi dokuz renkli bir spektrometre üzerine monte edilmiştir. C1 ve C2.Dört kılcal damar ve dört mercek önceki çalışmalardakiyle aynıydı31,34.505 nm dalga boyuna ve 15 mW güce sahip bir lazer ışını, yandan dört kılcal damarın emisyon noktalarına aynı anda ve eşit şekilde ışınlanır.Her bir emisyon noktasından yayılan floresans, karşılık gelen mercek tarafından yönlendirilir ve bir dizi dekakromatik ayna tarafından dokuz renk akışına ayrılır.Sonuçta elde edilen 36 akış daha sonra doğrudan bir CMOS görüntü sensörüne (C11440–52U, Hamamatsu Photonics K·K.) enjekte edildi ve görüntüleri eş zamanlı olarak kaydedildi.
ABI PRISM® BigDye® Primer Döngüsü Sıralamaya Hazır Reaksiyon Kiti (Applied Biosystems), 4 ul GeneScan™ 600 LIZ™ boyası, her bir kılcal damar için 1 ul PowerPlex® 6C Matrix Standardı (Promega Corporation), 1 ul karışım boyutu standardı karıştırılarak karıştırıldı.v2.0 (Thermo Fisher Scientific) ve 14 µl su.PowerPlex® 6C Matris Standardı, maksimum dalga boyu sırasına göre altı boyayla etiketlenmiş altı DNA fragmanından oluşur: FL-6C, JOE-6C, TMR-6C, CXR-6C, TOM-6C ve WEN.Bu DNA fragmanlarının baz uzunlukları açıklanmamıştır ancak WEN, CXR-6C, TMR-6C, JOE-6C, FL-6C ve TOM-6C ile etiketlenmiş DNA fragmanlarının baz uzunluğu dizisi bilinmektedir.ABI PRISM® BigDye® Primer Döngü Sıralamaya Hazır Reaksiyon Kitindeki karışım, dR6G boyası ile etiketlenmiş bir DNA fragmanı içerir.DNA fragmanlarının bazlarının uzunlukları da açıklanmamıştır.GeneScan™ 600 LIZ™ Boya Boyutu Standardı v2.0, 36 LIZ etiketli DNA fragmanı içerir.Bu DNA fragmanlarının baz uzunlukları 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214, 220, 240, 250, 260, 280, 300, 314, 320, 340, 360, 380, 400, 414, 420, 440, 460, 480, 500, 514, 520, 540, 560, 580 ve 600 tabanı.Numuneler 94°C'de 3 dakika süreyle denatüre edildi, ardından buz üzerinde 5 dakika süreyle soğutuldu.Numuneler her kılcal damara 26 V/cm'de 9 saniye süreyle enjekte edildi ve etkili uzunluğu 36 cm ve voltajı 181 V/cm olan bir POP-7™ polimer çözeltisi (Thermo Fisher Scientific) ile doldurulmuş her kılcal damarda ayrıldı. 60° açı.İTİBAREN.
Bu çalışma sırasında elde edilen veya analiz edilen tüm veriler, yayınlanan bu makalede ve ek bilgilerinde yer almaktadır.Bu çalışmayla ilgili diğer veriler makul talep üzerine ilgili yazarlardan temin edilebilir.
Khan, MJ, Khan, HS, Yousaf, A., Khurshid, K. ve Abbas, A. Hiperspektral görüntüleme analizindeki güncel eğilimler: bir inceleme.IEEE 6, 14118–14129'a erişin.https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2812999 (2018).
Vaughan, AH Astronomik İnterferometrik Fabry-Perot Spektroskopisi.düzenlemek.Muhterem Astron.astrofizik.5, 139-167.https://doi.org/10.1146/annurev.aa.05.090167.001035 (1967).
Goetz, AFH, Wein, G., Solomon, JE ve Rock, Dünya uzaktan algılama görüntülerinin BN Spektroskopisi.Bilim 228, 1147–1153.https://doi.org/10.1126/science.228.4704.1147 (1985).
Yokoya, N., Grohnfeldt, C. ve Chanussot, J. Hiperspektral ve multispektral verilerin birleşimi: son yayınların karşılaştırmalı bir incelemesi.IEEE Yer Bilimleri.Uzaktan algılama dergisi.5:29–56.https://doi.org/10.1109/MGRS.2016.2637824 (2017).
Gowen, AA, O'Donnell, SP, Cullen, PJ, Downey, G. ve Frias, JM Hiperspektral görüntüleme, kalite kontrol ve gıda güvenliği için yeni bir analitik araçtır.Gıda bilimindeki eğilimler.teknoloji.18, 590-598.https://doi.org/10.1016/j.tifs.2007.06.001 (2007).
ElMasri, G., Mandour, N., Al-Rejaye, S., Belin, E. ve Rousseau, D. Tohum fenotipini ve kalitesini izlemek için multispektral görüntülemenin son uygulamaları - bir inceleme.Sensörler 19, 1090 (2019).
Liang, H. Arkeoloji ve Sanatın Korunması için Multispektral ve Hiperspektral Görüntülemede Gelişmeler.Fiziksel 106, 309-323'e başvurun.https://doi.org/10.1007/s00339-011-6689-1 (2012).
Edelman GJ, Gaston E., van Leeuwen TG, Cullen PJ ve Alders MKG Adli izlerin temassız analizi için hiperspektral görüntüleme.Kriminalistik.dahili 223, 28-39.https://doi.org/10.1016/j.forsciint.2012.09.012 (2012).