Terima kasih telah mengunjungi Nature.com.Anda menggunakan versi browser dengan dukungan CSS terbatas.Untuk pengalaman terbaik, kami menyarankan Anda menggunakan browser yang diperbarui (atau menonaktifkan Mode Kompatibilitas di Internet Explorer).Selain itu, untuk memastikan dukungan berkelanjutan, kami menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Menampilkan carousel tiga slide sekaligus.Gunakan tombol Sebelumnya dan Berikutnya untuk berpindah melalui tiga slide sekaligus, atau gunakan tombol penggeser di akhir untuk berpindah melalui tiga slide sekaligus.
Spektrometer sembilan warna ultra-kompak (54 × 58 × 8,5 mm) dan bukaan lebar (1 × 7 mm) dikembangkan, “dibelah dua” oleh susunan sepuluh cermin dichroic, yang digunakan untuk pencitraan spektral seketika.Fluks cahaya datang dengan penampang lebih kecil dari ukuran bukaan dibagi menjadi strip kontinu lebar 20 nm dan sembilan fluks warna dengan panjang gelombang pusat 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 dan 690 nm.Gambar sembilan aliran warna diukur secara efisien secara bersamaan oleh sensor gambar.Tidak seperti susunan cermin dichroic konvensional, susunan cermin dichroic yang dikembangkan memiliki konfigurasi dua bagian yang unik, yang tidak hanya meningkatkan jumlah warna yang dapat diukur secara bersamaan, namun juga meningkatkan resolusi gambar untuk setiap aliran warna.Spektrometer sembilan warna yang dikembangkan digunakan untuk elektroforesis empat kapiler.Analisis kuantitatif simultan dari delapan pewarna yang bermigrasi secara bersamaan di setiap kapiler menggunakan fluoresensi yang diinduksi laser sembilan warna.Karena spektrometer sembilan warna tidak hanya sangat kecil dan murah, tetapi juga memiliki fluks cahaya yang tinggi dan resolusi spektral yang cukup untuk sebagian besar aplikasi pencitraan spektral, spektrometer ini dapat digunakan secara luas di berbagai bidang.
Pencitraan hiperspektral dan multispektral telah menjadi bagian penting dalam astronomi2, penginderaan jauh untuk pengamatan bumi3,4, pengendalian kualitas makanan dan air5,6, konservasi seni dan arkeologi7, forensik8, pembedahan9, analisis dan diagnostik biomedis10,11 dll. Bidang 1 Teknologi yang sangat diperlukan ,12,13.Metode pengukuran spektrum cahaya yang dipancarkan setiap titik pancaran pada bidang pandang dibagi menjadi (1) pemindaian titik (“sapu”)14,15, (2) pemindaian linier (“malai”)16,17,18 , (3) panjang gelombang pemindaian19,20,21 dan (4) gambar22,23,24,25.Dalam hal semua metode ini, resolusi spasial, resolusi spektral, dan resolusi temporal memiliki hubungan trade-off9,10,12,26.Selain itu, keluaran cahaya mempunyai dampak yang signifikan terhadap sensitivitas, yaitu rasio signal-to-noise dalam pencitraan spektral26.Fluks cahaya, yaitu efisiensi penggunaan cahaya, berbanding lurus dengan rasio jumlah cahaya aktual yang diukur dari setiap titik cahaya per satuan waktu dengan jumlah total cahaya pada rentang panjang gelombang yang diukur.Kategori (4) adalah metode yang tepat bila intensitas atau spektrum cahaya yang dipancarkan oleh masing-masing titik pemancar berubah terhadap waktu atau bila posisi setiap titik pemancar berubah terhadap waktu karena spektrum cahaya yang dipancarkan oleh seluruh titik pemancar diukur secara bersamaan.24.
Sebagian besar metode di atas digabungkan dengan spektrometer besar, kompleks dan/atau mahal menggunakan 18 kisi atau 14, 16, 22, 23 prisma untuk kelas (1), (2) dan (4) atau 20, 21 disk filter, filter cair .Filter merdu kristal (LCTF)25 atau filter merdu akustik-optik (AOTF)19 dari kategori (3).Sebaliknya, spektrometer multi-cermin kategori (4) berukuran kecil dan murah karena konfigurasinya yang sederhana27,28,29,30.Selain itu, mereka mempunyai fluks cahaya yang tinggi karena cahaya yang dibagikan oleh setiap cermin dichroic (yaitu, cahaya yang ditransmisikan dan dipantulkan dari cahaya datang pada setiap cermin dichroic) digunakan secara penuh dan terus menerus.Namun, jumlah pita panjang gelombang (yaitu warna) yang harus diukur secara bersamaan dibatasi sekitar empat.
Pencitraan spektral berdasarkan deteksi fluoresensi umumnya digunakan untuk analisis multipleks dalam deteksi dan diagnostik biomedis 10, 13 .Dalam multiplexing, karena beberapa analit (misalnya DNA atau protein spesifik) diberi label dengan pewarna fluoresen yang berbeda, setiap analit yang ada pada setiap titik emisi dalam bidang pandang diukur menggunakan analisis multikomponen.32 memecah spektrum fluoresensi yang terdeteksi yang dipancarkan oleh setiap titik emisi.Selama proses ini, pewarna yang berbeda, masing-masing memancarkan fluoresensi berbeda, dapat berkolokasi, yaitu hidup berdampingan dalam ruang dan waktu.Saat ini, jumlah maksimum pewarna yang dapat dieksitasi oleh satu sinar laser adalah delapan33.Batas atas ini tidak ditentukan oleh resolusi spektral (yaitu, jumlah warna), namun oleh lebar spektrum fluoresensi (≥50 nm) dan jumlah pergeseran pewarna Stokes (≤200 nm) pada FRET (menggunakan FRET)10 .Namun, jumlah warna harus lebih besar atau sama dengan jumlah pewarna untuk menghilangkan tumpang tindih spektral pewarna campuran31,32.Oleh karena itu, jumlah warna yang diukur secara bersamaan perlu ditingkatkan menjadi delapan atau lebih.
Baru-baru ini, spektrometer heptakroik ultra-kompak (menggunakan serangkaian cermin heptikroik dan sensor gambar untuk mengukur empat fluks fluoresen) telah dikembangkan.Spektrometer ini berukuran dua hingga tiga kali lipat lebih kecil dibandingkan spektrometer konvensional yang menggunakan kisi atau prisma34,35.Namun, sulit untuk menempatkan lebih dari tujuh cermin dichroic dalam spektrometer dan secara bersamaan mengukur lebih dari tujuh warna36,37.Dengan bertambahnya jumlah cermin dichroic, perbedaan maksimum panjang jalur optik fluks cahaya dichroic meningkat, dan menjadi sulit untuk menampilkan semua fluks cahaya pada satu bidang sensorik.Panjang jalur optik terpanjang dari fluks cahaya juga bertambah, sehingga lebar bukaan spektrometer (yaitu lebar maksimum cahaya yang dianalisis oleh spektrometer) berkurang.
Menanggapi masalah di atas, spektrometer sembilan warna ultra-kompak dengan susunan cermin decachromatic dua lapis “dichroic” dan sensor gambar untuk pencitraan spektral sesaat [kategori (4)] dikembangkan.Dibandingkan dengan spektrometer sebelumnya, spektrometer yang dikembangkan memiliki perbedaan panjang jalur optik maksimum yang lebih kecil dan panjang jalur optik maksimum yang lebih kecil.Ini telah diterapkan pada elektroforesis empat kapiler untuk mendeteksi fluoresensi sembilan warna yang diinduksi laser dan untuk mengukur migrasi delapan pewarna secara simultan di setiap kapiler.Karena spektrometer yang dikembangkan tidak hanya sangat kecil dan murah, tetapi juga memiliki fluks cahaya yang tinggi dan resolusi spektral yang cukup untuk sebagian besar aplikasi pencitraan spektral, spektrometer ini dapat digunakan secara luas di berbagai bidang.
Spektrometer sembilan warna tradisional ditunjukkan pada gambar.1a.Desainnya mengikuti spektrometer tujuh warna ultra-kecil sebelumnya 31. Ini terdiri dari sembilan cermin dichroic yang disusun secara horizontal pada sudut 45° ke kanan, dan sensor gambar (S) terletak di atas sembilan cermin dichroic.Cahaya yang masuk dari bawah (C0) dibagi oleh sembilan cermin dichroic menjadi sembilan aliran cahaya ke atas (C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 dan C9).Kesembilan aliran warna diumpankan langsung ke sensor gambar dan dideteksi secara bersamaan.Dalam penelitian ini C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, dan C9 diurutkan berdasarkan panjang gelombang dan diwakili oleh warna magenta, violet, biru, cyan, hijau, kuning, oranye, merah-oranye, dan merah, masing-masing.Meskipun sebutan warna ini digunakan dalam dokumen ini, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, karena warna tersebut berbeda dari warna sebenarnya yang dilihat oleh mata manusia.
Diagram skema spektrometer sembilan warna konvensional dan baru.(a) Spektrometer sembilan warna konvensional dengan susunan sembilan cermin dichroic.(b) Spektrometer sembilan warna baru dengan susunan cermin dichroic dua lapis.Fluks cahaya datang C0 dibagi menjadi sembilan fluks cahaya berwarna C1-C9 dan dideteksi oleh sensor gambar S.
Spektrometer sembilan warna baru yang dikembangkan memiliki kisi cermin dichroic dua lapis dan sensor gambar, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1b.Di tingkat bawah, lima cermin dichroic dimiringkan 45° ke kanan, sejajar ke kanan dari pusat susunan decamers.Di tingkat atas, lima cermin dichroic tambahan dimiringkan 45° ke kiri dan terletak dari tengah ke kiri.Cermin dikroik paling kiri pada lapisan bawah dan cermin dikroik paling kanan pada lapisan atas saling tumpang tindih.Fluks cahaya datang (C0) dibagi dari bawah menjadi empat fluks kromatik keluar (C1-C4) oleh lima cermin dichroic di sebelah kanan dan lima fluks kromatik keluar (C5-C4) oleh lima cermin dichroic di sebelah kiri C9).Seperti spektrometer sembilan warna konvensional, kesembilan aliran warna langsung disuntikkan ke sensor gambar (S) dan dideteksi secara bersamaan.Membandingkan Gambar 1a dan 1b, dapat dilihat bahwa dalam kasus spektrometer sembilan warna yang baru, perbedaan maksimum dan panjang jalur optik terpanjang dari sembilan fluks warna dibelah dua.
Konstruksi rinci dari susunan cermin dichroic dua lapis ultra-kecil 29 mm (lebar) × 31 mm (kedalaman) × 6 mm (tinggi) ditunjukkan pada Gambar 2. Susunan cermin dichroic desimal terdiri dari lima cermin dichroic di sebelah kanan (M1-M5) dan lima cermin dichroic di sebelah kiri ( M6-M9 dan M5 lainnya), masing-masing cermin dichroic dipasang di braket aluminium atas.Semua cermin dichroic dibuat terhuyung-huyung untuk mengimbangi perpindahan paralel akibat pembiasan aliran melalui cermin.Di bawah M1, filter band-pass (BP) dipasang.Dimensi M1 dan BP adalah 10mm (sisi panjang) x 1,9mm (sisi pendek) x 0,5mm (tebal).Dimensi cermin dichroic yang tersisa adalah 15 mm × 1,9 mm × 0,5 mm.Jarak matriks antara M1 dan M2 adalah 1,7 mm, sedangkan jarak matriks cermin dichroic lainnya adalah 1,6 mm.Pada gambar.2c menggabungkan fluks cahaya datang C0 dan sembilan fluks cahaya berwarna C1-C9, dipisahkan oleh matriks cermin de-chamber.
Konstruksi matriks cermin dichroic dua lapis.(a) Tampak perspektif dan (b) tampak penampang susunan cermin dichroic dua lapis (dimensi 29 mm x 31 mm x 6 mm).Ini terdiri dari lima cermin dichroic (M1-M5) yang terletak di lapisan bawah, lima cermin dichroic (M6-M9 dan M5 lainnya) yang terletak di lapisan atas, dan filter bandpass (BP) yang terletak di bawah M1.(c) Tampak penampang dalam arah vertikal, dengan C0 dan C1-C9 tumpang tindih.
Lebar bukaan pada arah horizontal, ditunjukkan dengan lebar C0 pada Gambar 2, c, adalah 1 mm, dan pada arah tegak lurus bidang Gambar 2, c, diberikan oleh desain braket aluminium, – 7mm.Artinya, spektrometer sembilan warna baru memiliki ukuran aperture besar 1 mm × 7 mm.Jalur optik C4 adalah yang terpanjang di antara C1-C9, dan jalur optik C4 di dalam susunan cermin dichroic, karena ukurannya yang sangat kecil di atas (29 mm × 31 mm × 6 mm), adalah 12 mm.Pada saat yang sama, panjang jalur optik C5 adalah yang terpendek di antara C1-C9, dan panjang jalur optik C5 adalah 5,7 mm.Oleh karena itu, perbedaan maksimum panjang jalur optik adalah 6,3 mm.Panjang jalur optik di atas dikoreksi dengan panjang jalur optik untuk transmisi optik M1-M9 dan BP (dari kuarsa).
Sifat spektral М1−М9 dan VR dihitung sehingga fluks С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8 dan С9 berada pada rentang panjang gelombang 520–540, 540–560, 560–580, 580 –600 , 600–620, 620–640, 640–660, 660–680, dan 680–700 nm, masing-masing.
Foto matriks cermin decachromatic yang diproduksi ditunjukkan pada Gambar 3a.M1-M9 dan BP masing-masing direkatkan pada kemiringan 45 derajat dan bidang horizontal penyangga aluminium, sedangkan M1 dan BP disembunyikan di bagian belakang gambar.
Produksi serangkaian cermin decan dan demonstrasinya.(a) Susunan cermin dekakromatik buatan.(b) Gambar terpisah sembilan warna berukuran 1 mm × 7 mm diproyeksikan ke selembar kertas yang ditempatkan di depan serangkaian cermin decachromatic dan disinari dari belakang dengan cahaya putih.(c) Serangkaian cermin dekromatik yang disinari cahaya putih dari belakang.(d) Aliran pemisahan sembilan warna yang berasal dari susunan cermin dekana, diamati dengan menempatkan tabung akrilik berisi asap di depan susunan cermin dekana di c dan menggelapkan ruangan.
Spektrum transmisi terukur M1-M9 C0 pada sudut datang 45° dan spektrum transmisi terukur BP C0 pada sudut datang 0° ditunjukkan pada Gambar.4a.Spektrum transmisi C1-C9 relatif terhadap C0 ditunjukkan pada Gambar.4b.Spektrum ini dihitung dari spektrum pada Gambar.4a sesuai dengan jalur optik C1-C9 pada Gambar 4a.1b dan 2c.Misalnya, 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)], dimana TS(X) dan [ 1 − TS(X)] masing-masing adalah spektrum transmisi dan refleksi X.Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4b, bandwidth (bandwidth ≥50%) dari C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 dan C9 adalah 521-540, 541-562, 563-580, 581-602, 603 -623, 624-641, 642-657, 659-680 dan 682-699 nm.Hasil ini konsisten dengan rentang yang dikembangkan.Selain itu, efisiensi pemanfaatan cahaya C0 juga tinggi, yaitu rata-rata transmisi cahaya C1-C9 maksimum adalah 92%.
Spektrum transmisi cermin dichroic dan fluks sembilan warna terbagi.(a) Mengukur spektrum transmisi M1-M9 pada kejadian 45° dan BP pada kejadian 0°.(b) Spektrum transmisi C1–C9 relatif terhadap C0 dihitung dari (a).
Pada gambar.3c, susunan cermin dichroic terletak secara vertikal, sehingga sisi kanannya pada Gambar. 3a adalah sisi atas dan berkas putih dari LED terkolimasi (C0) menyala dari belakang.Susunan cermin decachromatic yang ditunjukkan pada Gambar 3a dipasang pada adaptor 54 mm (tinggi) × 58 mm (kedalaman) × 8,5 mm (ketebalan).Pada gambar.3d, selain keadaan yang ditunjukkan pada gambar.3c, tangki akrilik berisi asap ditempatkan di depan serangkaian cermin dekromatik, dengan lampu di dalam ruangan dimatikan.Hasilnya, sembilan aliran dichroic terlihat di dalam tangki, yang berasal dari serangkaian cermin decatroic.Setiap aliran terpisah memiliki penampang persegi panjang dengan dimensi 1 × 7 mm, yang sesuai dengan ukuran bukaan spektrometer sembilan warna yang baru.Pada Gambar 3b, selembar kertas ditempatkan di depan susunan cermin dichroic pada Gambar 3c, dan gambar sembilan aliran dichroic berukuran 1 x 7 mm yang diproyeksikan ke kertas diamati dari arah pergerakan kertas.aliran.Sembilan aliran pemisahan warna pada gambar.3b dan d adalah C4, C3, C2, C1, C5, C6, C7, C8 dan C9 dari atas ke bawah, yang juga dapat dilihat pada gambar 1 dan 2. 1b dan 2c.Mereka diamati dalam warna yang sesuai dengan panjang gelombangnya.Karena intensitas cahaya putih yang rendah pada LED (lihat Gambar Tambahan. S3) dan sensitivitas kamera warna yang digunakan untuk menangkap C9 (682–699 nm) pada Gambar. Aliran pemisahan lainnya lemah.Demikian pula, C9 terlihat samar-samar dengan mata telanjang.Sedangkan C2 (aliran kedua dari atas) terlihat berwarna hijau pada Gambar 3, namun lebih terlihat kuning jika dilihat secara kasat mata.
Transisi dari Gambar 3c ke d ditunjukkan dalam Video Tambahan 1. Segera setelah cahaya putih dari LED melewati susunan cermin decachromatic, ia terbagi secara bersamaan menjadi sembilan aliran warna.Pada akhirnya, asap di dalam tong tersebut berangsur-angsur menghilang dari atas ke bawah, sehingga sembilan bubuk warna tersebut pun menghilang dari atas ke bawah.Sebaliknya, dalam Video Tambahan 2, ketika panjang gelombang fluks cahaya yang terjadi pada susunan cermin decachromatic diubah dari panjang menjadi pendek dalam urutan 690, 671, 650, 632, 610, 589, 568, 550 dan 532 nm ., Hanya aliran terpisah yang sesuai dari sembilan aliran terpisah dalam urutan C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2, dan C1 yang ditampilkan.Reservoir akrilik digantikan oleh kolam kuarsa, dan serpihan dari setiap aliran shunted dapat diamati dengan jelas dari arah miring ke atas.Selain itu, sub-video 3 diedit sedemikian rupa sehingga bagian perubahan panjang gelombang dari sub-video 2 diputar ulang.Ini adalah ekspresi paling fasih dari karakteristik susunan cermin dekromatik.
Hasil di atas menunjukkan bahwa susunan cermin decachromatic yang diproduksi atau spektrometer sembilan warna yang baru berfungsi sebagaimana mestinya.Spektrometer sembilan warna baru dibentuk dengan memasang serangkaian cermin decachromatic dengan adaptor langsung ke papan sensor gambar.
Fluks cahaya dengan rentang panjang gelombang 400 hingga 750 nm, dipancarkan oleh empat titik radiasi φ50 μm, terletak pada interval 1 mm dalam arah tegak lurus bidang Gambar 2c, masing-masing Penelitian 31, 34. Susunan empat lensa terdiri dari empat lensa φ1 mm dengan panjang fokus 1,4 mm dan jarak 1 mm.Empat aliran terkolimasi (empat C0) terjadi pada DP spektrometer sembilan warna baru, dengan jarak interval 1 mm.Serangkaian cermin dichroic membagi setiap aliran (C0) menjadi sembilan aliran warna (C1-C9).36 aliran yang dihasilkan (empat set C1-C9) kemudian disuntikkan langsung ke sensor gambar CMOS (S) yang terhubung langsung ke serangkaian cermin dichroic.Hasilnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a, karena perbedaan jalur optik maksimum yang kecil dan jalur optik maksimum yang pendek, gambar dari 36 aliran terdeteksi secara bersamaan dan jelas dengan ukuran yang sama.Menurut spektrum hilir (lihat Gambar Tambahan S4), intensitas gambar dari empat kelompok C1, C2 dan C3 relatif rendah.Tiga puluh enam gambar berukuran 0,57 ± 0,05 mm (rata-rata ± SD).Jadi, perbesaran gambar rata-rata 11,4.Jarak vertikal antar gambar rata-rata 1 mm (jarak sama dengan susunan lensa) dan jarak horizontal rata-rata 1,6 mm (jarak sama dengan susunan cermin dichroic).Karena ukuran gambar jauh lebih kecil dibandingkan jarak antar gambar, setiap gambar dapat diukur secara independen (dengan crosstalk rendah).Sementara itu, gambar dari dua puluh delapan aliran yang direkam oleh spektrometer tujuh warna konvensional yang digunakan dalam penelitian kami sebelumnya ditunjukkan pada Gambar. 5 B. Susunan tujuh cermin dichroic dibuat dengan menghilangkan dua cermin dichroic paling kanan dari array sembilan dichroic. cermin pada Gambar 1a.Tidak semua gambar tajam, ukuran gambar bertambah dari C1 ke C7.Dua puluh delapan gambar berukuran 0,70 ± 0,19 mm.Oleh karena itu, sulit untuk mempertahankan resolusi gambar yang tinggi di semua gambar.Koefisien variasi (CV) gambar ukuran 28 pada Gambar 5b sebesar 28%, sedangkan CV gambar ukuran 36 gambar 5a turun menjadi 9%.Hasil di atas menunjukkan bahwa spektrometer sembilan warna yang baru tidak hanya meningkatkan jumlah warna yang diukur secara bersamaan dari tujuh menjadi sembilan, tetapi juga memiliki resolusi gambar yang tinggi untuk setiap warna.
Perbandingan kualitas gambar terpisah yang dibentuk oleh spektrometer konvensional dan baru.(a) Empat kelompok gambar terpisah sembilan warna (C1-C9) dihasilkan oleh spektrometer sembilan warna baru.(b) Empat set gambar terpisah tujuh warna (C1-C7) dibentuk dengan spektrometer tujuh warna konvensional.Fluks (C0) dengan panjang gelombang 400 hingga 750 nm dari empat titik emisi dikolimasi dan terjadi masing-masing pada setiap spektrometer.
Karakteristik spektral spektrometer sembilan warna dievaluasi secara eksperimental dan hasil evaluasi ditunjukkan pada Gambar 6. Perhatikan bahwa Gambar 6a menunjukkan hasil yang sama dengan Gambar 5a, yaitu pada panjang gelombang 4 C0 400–750 nm, ke-36 gambar terdeteksi. (4 grup C1–C9).Sebaliknya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6b – j, ketika setiap C0 memiliki panjang gelombang tertentu 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670, atau 690 nm, hampir hanya ada empat gambar yang sesuai (empat kelompok terdeteksi C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 atau C9).Namun, beberapa gambar yang berdekatan dengan empat gambar yang sesuai terdeteksi sangat lemah karena spektrum transmisi C1-C9 yang ditunjukkan pada Gambar. 4b sedikit tumpang tindih dan masing-masing C0 memiliki pita 10 nm pada panjang gelombang tertentu seperti yang dijelaskan dalam metode.Hasil ini konsisten dengan spektrum transmisi C1-C9 yang ditunjukkan pada Gambar.4b dan video tambahan 2 dan 3. Dengan kata lain, spektrometer sembilan warna berfungsi seperti yang diharapkan berdasarkan hasil yang ditunjukkan pada gambar.4b.Oleh karena itu, disimpulkan bahwa distribusi intensitas citra C1-C9 merupakan spektrum masing-masing C0.
Karakteristik spektral spektrometer sembilan warna.Spektrometer sembilan warna yang baru menghasilkan empat set gambar terpisah sembilan warna (C1-C9) ketika cahaya datang (empat C0) memiliki panjang gelombang (a) 400-750 nm (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 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, masing-masing.
Spektrometer sembilan warna yang dikembangkan digunakan untuk elektroforesis empat kapiler (untuk rinciannya, lihat Bahan Tambahan) .Matriks empat kapiler terdiri dari empat kapiler (diameter luar 360 μm dan diameter dalam 50 μm) yang terletak pada interval 1 mm di lokasi iradiasi laser.Sampel yang mengandung fragmen DNA diberi label dengan 8 pewarna yaitu FL-6C (pewarna 1), JOE-6C (pewarna 2), dR6G (pewarna 3), TMR-6C (pewarna 4), CXR-6C (pewarna 5), TOM- 6C (pewarna 6), LIZ (pewarna 7), dan WEN (pewarna 8) dalam urutan panjang gelombang fluoresen, dipisahkan di masing-masing empat kapiler (selanjutnya disebut sebagai Cap1, Cap2, Cap3, dan Cap4).Fluoresensi yang diinduksi laser dari Cap1-Cap4 dikolimasi dengan serangkaian empat lensa dan secara bersamaan direkam dengan spektrometer sembilan warna.Dinamika intensitas fluoresensi sembilan warna (C1-C9) selama elektroforesis, yaitu elektroforegram sembilan warna dari setiap kapiler, ditunjukkan pada Gambar 7a.Elektroforegram sembilan warna yang setara diperoleh di Cap1-Cap4.Seperti yang ditunjukkan oleh panah Cap1 pada Gambar 7a, delapan puncak pada setiap elektroforegram sembilan warna masing-masing menunjukkan satu emisi fluoresensi dari Dye1-Dye8.
Kuantifikasi delapan pewarna secara simultan menggunakan spektrometer elektroforesis empat kapiler sembilan warna.(a) Elektroforegram sembilan warna (C1-C9) dari setiap kapiler.Delapan puncak yang ditunjukkan oleh panah Cap1 menunjukkan emisi fluoresensi individu dari delapan pewarna (Dye1-Dye8).Warna anak panah sesuai dengan warna (b) dan (c).(b) Spektrum fluoresensi delapan pewarna (Dye1-Dye8) per kapiler.c Elektroferogram delapan pewarna (Dye1-Dye8) per kapiler.Puncak fragmen DNA berlabel Dye7 ditunjukkan dengan panah, dan panjang basa Cap4 ditunjukkan.
Distribusi intensitas C1 – C9 pada delapan puncak ditunjukkan pada Gambar.7b, masing-masing.Karena C1-C9 dan Dye1-Dye8 berada dalam urutan panjang gelombang, delapan distribusi pada Gambar 7b menunjukkan spektrum fluoresensi Dye1-Dye8 secara berurutan dari kiri ke kanan.Dalam penelitian ini, Dye1, Dye2, Dye3, Dye4, Dye5, Dye6, Dye7, dan Dye8 masing-masing muncul dalam warna magenta, violet, biru, cyan, hijau, kuning, oranye, dan merah.Perhatikan bahwa warna panah pada Gambar 7a sesuai dengan warna pewarna pada Gambar 7b.Intensitas fluoresensi C1-C9 untuk setiap spektrum pada Gambar 7b dinormalisasi sehingga jumlahnya sama dengan satu.Delapan spektrum fluoresensi setara diperoleh dari Cap1-Cap4.Seseorang dapat dengan jelas mengamati tumpang tindih spektral fluoresensi antara pewarna 1-pewarna 8.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7c, untuk setiap kapiler, elektroforegram sembilan warna pada Gambar 7a diubah menjadi elektroferogram delapan warna dengan analisis multi-komponen berdasarkan delapan spektrum fluoresensi pada Gambar 7b (lihat Bahan Tambahan untuk detailnya).Karena tumpang tindih spektral fluoresensi pada Gambar 7a tidak ditampilkan pada Gambar 7c, Dye1-Dye8 dapat diidentifikasi dan diukur secara individual pada setiap titik waktu, bahkan jika jumlah Dye1-Dye8 berbeda berfluoresensi pada waktu yang sama.Hal ini tidak dapat dilakukan dengan deteksi tujuh warna tradisional31, namun dapat dicapai dengan deteksi sembilan warna yang dikembangkan.Seperti yang ditunjukkan oleh panah Cap1 pada Gambar 7c, hanya singlet emisi fluoresen Dye3 (biru), Dye8 (merah), Dye5 (hijau), Dye4 (cyan), Dye2 (ungu), Dye1 (magenta), dan Dye6 (Kuning) ) diamati dalam urutan kronologis yang diharapkan.Untuk emisi fluoresen pewarna 7 (oranye), selain puncak tunggal yang ditunjukkan oleh panah oranye, beberapa puncak tunggal lainnya juga diamati.Hasil ini disebabkan karena sampel mengandung standar ukuran, Dye7 memberi label pada fragmen DNA dengan panjang basa berbeda.Seperti terlihat pada Gambar 7c, untuk Cap4 panjang alasnya adalah 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214 dan 220 panjang alas.
Fitur utama spektrometer sembilan warna, yang dikembangkan menggunakan matriks cermin dichroic dua lapis, adalah ukurannya yang kecil dan desain yang sederhana.Karena susunan cermin decachromatic di dalam adaptor ditunjukkan pada gambar.3c dipasang langsung pada papan sensor gambar (lihat Gambar S1 dan S2), spektrometer sembilan warna memiliki dimensi yang sama dengan adaptor, yaitu 54 × 58 × 8,5 mm.(ketebalan).Ukuran ultra-kecil ini dua hingga tiga kali lipat lebih kecil dibandingkan spektrometer konvensional yang menggunakan kisi atau prisma.Selain itu, karena spektrometer sembilan warna dikonfigurasi sedemikian rupa sehingga cahaya mengenai permukaan sensor gambar secara tegak lurus, ruang dapat dengan mudah dialokasikan untuk spektrometer sembilan warna dalam sistem seperti mikroskop, sitometer aliran, atau penganalisis.Alat analisa elektroforesis kisi kapiler untuk miniaturisasi sistem yang lebih besar.Pada saat yang sama, ukuran sepuluh cermin dichroic dan filter bandpass yang digunakan dalam spektrometer sembilan warna hanya 10×1.9×0.5 mm atau 15×1.9×0.5 mm.Dengan demikian, lebih dari 100 cermin dichroic kecil dan filter bandpass, masing-masing, dapat dipotong dari cermin dichroic dan filter bandpass 60 mm2.Oleh karena itu, serangkaian cermin decachromatic dapat diproduksi dengan biaya rendah.
Fitur lain dari spektrometer sembilan warna adalah karakteristik spektralnya yang sangat baik.Secara khusus, ini memungkinkan perolehan gambar spektral dari snapshot, yaitu perolehan gambar secara simultan dengan informasi spektral.Untuk setiap gambar, spektrum kontinu diperoleh dengan rentang panjang gelombang 520 hingga 700 nm dan resolusi 20 nm.Dengan kata lain, sembilan intensitas warna cahaya terdeteksi untuk setiap gambar, yaitu sembilan pita 20 nm yang membagi rentang panjang gelombang secara merata dari 520 hingga 700 nm.Dengan mengubah karakteristik spektral cermin dichroic dan filter bandpass, rentang panjang gelombang sembilan pita dan lebar masing-masing pita dapat disesuaikan.Deteksi sembilan warna dapat digunakan tidak hanya untuk pengukuran fluoresensi dengan pencitraan spektral (seperti yang dijelaskan dalam laporan ini), tetapi juga untuk banyak aplikasi umum lainnya yang menggunakan pencitraan spektral.Meskipun pencitraan hiperspektral dapat mendeteksi ratusan warna, ditemukan bahwa bahkan dengan pengurangan signifikan dalam jumlah warna yang dapat dideteksi, beberapa objek dalam bidang pandang dapat diidentifikasi dengan akurasi yang cukup untuk banyak aplikasi38,39,40.Karena resolusi spasial, resolusi spektral, dan resolusi temporal memiliki trade-off dalam pencitraan spektral, mengurangi jumlah warna dapat meningkatkan resolusi spasial dan resolusi temporal.Hal ini juga dapat menggunakan spektrometer sederhana seperti yang dikembangkan dalam penelitian ini dan selanjutnya mengurangi jumlah komputasi.
Dalam penelitian ini, delapan pewarna dikuantifikasi secara bersamaan dengan pemisahan spektral dari spektrum fluoresensi yang tumpang tindih berdasarkan deteksi sembilan warna.Hingga sembilan pewarna dapat dikuantifikasi secara bersamaan, hidup berdampingan dalam ruang dan waktu.Keuntungan khusus spektrometer sembilan warna adalah fluks cahayanya yang tinggi dan bukaan yang besar (1 × 7 mm).Susunan cermin decane memiliki transmisi maksimum 92% cahaya dari bukaan di masing-masing dari sembilan rentang panjang gelombang.Efisiensi penggunaan cahaya datang pada rentang panjang gelombang 520 hingga 700 nm hampir 100%.Dalam rentang panjang gelombang yang begitu luas, tidak ada kisi difraksi yang dapat memberikan efisiensi penggunaan yang tinggi.Sekalipun efisiensi difraksi kisi difraksi melebihi 90% pada panjang gelombang tertentu, seiring dengan bertambahnya perbedaan antara panjang gelombang tersebut dan panjang gelombang tertentu, efisiensi difraksi pada panjang gelombang lain menurun41.Lebar bukaan yang tegak lurus terhadap arah bidang pada Gambar 2c dapat diperluas dari 7 mm ke lebar sensor gambar, seperti dalam kasus sensor gambar yang digunakan dalam penelitian ini, dengan sedikit memodifikasi susunan decamer.
Spektrometer sembilan warna dapat digunakan tidak hanya untuk elektroforesis kapiler, seperti yang ditunjukkan dalam penelitian ini, tetapi juga untuk berbagai tujuan lainnya.Misalnya, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah, spektrometer sembilan warna dapat diterapkan pada mikroskop fluoresensi.Bidang sampel ditampilkan pada sensor gambar spektrometer sembilan warna melalui objektif 10x.Jarak optik antara lensa objektif dan sensor gambar adalah 200 mm, sedangkan jarak optik antara permukaan datang spektrometer sembilan warna dan sensor gambar hanya 12 mm.Oleh karena itu, gambar dipotong kira-kira seukuran aperture (1 × 7 mm) pada bidang datang dan dibagi menjadi sembilan gambar berwarna.Artinya, gambar spektral dari foto sembilan warna dapat diambil pada area 0,1×0,7 mm di bidang sampel.Selain itu, dimungkinkan untuk memperoleh gambar spektral sembilan warna dengan area yang lebih luas pada bidang sampel dengan memindai sampel relatif terhadap objektif dalam arah horizontal pada Gambar 2c.
Komponen susunan cermin decachromatic, yaitu M1-M9 dan BP, dibuat khusus oleh Asahi Spectra Co., Ltd. menggunakan metode presipitasi standar.Bahan dielektrik multilayer diterapkan secara individual ke sepuluh pelat kuarsa berukuran 60 × 60 mm dan tebal 0,5 mm, memenuhi persyaratan berikut: M1: IA = 45°, R ≥ 90% pada 520–590 nm, Tave ≥ 90% pada 610– 610nm.700 nm, M2: IA = 45°, R ≥ 90% pada 520–530 nm, Tave ≥ 90% pada 550–600 nm, M3: IA = 45°, R ≥ 90% pada 540–550 nm, Tave ≥ 90 % pada 570–600 nm, M4: IA = 45°, R ≥ 90% pada 560–570 nm, Tave ≥ 90% pada 590–600 nm, M5: IA = 45°, R ≥ 98% pada 580–600 nm , R ≥ 98% pada 680–700 nm, M6: IA = 45°, Tave ≥ 90% pada 600–610 nm, R ≥ 90% pada 630–700 nm, M7: IA = 45°, R ≥ 90% pada 620–630 nm, Taw ≥ 90% pada 650–700 nm, M8: IA = 45°, R ≥ 90% pada 640–650 nm, Taw ≥ 90% pada 670–700 nm, M9: IA = 45°, R ≥ 90% pada 650-670 nm, Tave ≥ 90% pada 690-700 nm, BP: IA = 0°, T ≤ 0,01% pada 505 nm, Tave ≥ 95% pada 530-690 nm pada 530 nm T ≥ 90% pada -690 nm dan T ≤ 1% pada 725-750 nm, dengan IA, T, Tave, dan R adalah sudut datang, transmitansi, transmitansi rata-rata, dan reflektansi cahaya tak terpolarisasi.
Cahaya putih (C0) dengan rentang panjang gelombang 400–750 nm yang dipancarkan oleh sumber cahaya LED (AS 3000, AS ONE CORPORATION) dikolimasi dan terjadi secara vertikal pada DP serangkaian cermin dichroic.Spektrum cahaya putih LED ditunjukkan pada Gambar Tambahan S3.Tempatkan tangki akrilik (dimensi 150 × 150 × 30 mm) tepat di depan susunan cermin dekamera, di seberang PSU.Asap yang dihasilkan ketika es kering direndam dalam air kemudian dituangkan ke dalam tangki akrilik untuk mengamati aliran perpecahan sembilan warna C1-C9 yang berasal dari susunan cermin decachromatic.
Alternatifnya, cahaya putih terkolimasi (C0) dilewatkan melalui filter sebelum memasuki DP.Filter awalnya merupakan filter densitas netral dengan densitas optik 0,6.Kemudian gunakan filter bermotor (FW212C, FW212C, Thorlabs).Terakhir, hidupkan kembali filter ND.Bandwidth dari sembilan filter bandpass masing-masing sesuai dengan C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 dan C1.Sebuah sel kuarsa dengan dimensi internal 40 (panjang optik) x 42,5 (tinggi) x 10 mm (lebar) ditempatkan di depan serangkaian cermin dekromatik, di seberang BP.Asap kemudian dimasukkan melalui tabung ke dalam sel kuarsa untuk menjaga konsentrasi asap dalam sel kuarsa untuk memvisualisasikan aliran pemisahan sembilan warna C1-C9 yang berasal dari susunan cermin decachromatic.
Video aliran cahaya terbagi sembilan warna yang berasal dari serangkaian cermin dekanik ditangkap dalam mode selang waktu di iPhone XS.Ambil gambar pemandangan dengan kecepatan 1 fps dan kompilasi gambar untuk membuat video dengan kecepatan 30 fps (untuk video opsional 1) atau 24 fps (untuk video opsional 2 dan 3).
Tempatkan pelat baja tahan karat setebal 50 µm (dengan empat lubang berdiameter 50 µm dengan interval 1 mm) pada pelat difusi.Cahaya dengan panjang gelombang 400-750 nm diiradiasi ke pelat diffuser, diperoleh dengan melewatkan cahaya dari lampu halogen melalui filter transmisi pendek dengan panjang gelombang cutoff 700 nm.Spektrum cahaya ditunjukkan pada Gambar Tambahan S4.Alternatifnya, cahaya juga melewati salah satu filter bandpass 10 nm yang berpusat pada 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 dan 690 nm dan mengenai pelat diffuser.Hasilnya, empat titik radiasi dengan diameter φ50 μm dan panjang gelombang berbeda terbentuk pada pelat baja tahan karat di seberang pelat diffuser.
Susunan empat kapiler dengan empat lensa dipasang pada spektrometer sembilan warna seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 dan 2. C1 dan C2.Empat kapiler dan empat lensa sama seperti pada penelitian sebelumnya31,34.Sinar laser dengan panjang gelombang 505 nm dan daya 15 mW disinari secara bersamaan dan merata dari samping ke titik emisi empat kapiler.Fluoresensi yang dipancarkan oleh setiap titik emisi dikolimasi oleh lensa yang sesuai dan dipisahkan menjadi sembilan aliran warna oleh serangkaian cermin decachromatic.36 aliran yang dihasilkan kemudian langsung disuntikkan ke sensor gambar CMOS (C11440–52U, Hamamatsu Photonics K·K.), dan gambarnya direkam secara bersamaan.
ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit (Applied Biosystems), 4 µl pewarna GeneScan™ 600 LIZ™ dicampur untuk setiap kapiler dengan mencampurkan 1 µl PowerPlex® 6C Matrix Standard (Promega Corporation), 1 µl standar ukuran campuran.v2.0 (Thermo Fisher Scientific) dan 14 μl air.Standar Matriks PowerPlex® 6C terdiri dari enam fragmen DNA yang diberi label dengan enam pewarna: FL-6C, JOE-6C, TMR-6C, CXR-6C, TOM-6C, dan WEN, dalam urutan panjang gelombang maksimum.Panjang basa dari fragmen DNA ini tidak diungkapkan, tetapi urutan panjang basa dari fragmen DNA yang diberi label WEN, CXR-6C, TMR-6C, JOE-6C, FL-6C dan TOM-6C diketahui.Campuran dalam ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit berisi fragmen DNA yang diberi label pewarna dR6G.Panjang dasar fragmen DNA juga tidak diungkapkan.GeneScan™ 600 LIZ™ Dye Size Standard v2.0 mencakup 36 fragmen DNA berlabel LIZ.Panjang basa fragmen DNA ini adalah 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 dan 600 basis.Sampel didenaturasi pada suhu 94°C selama 3 menit, kemudian didinginkan dalam es selama 5 menit.Sampel disuntikkan ke setiap kapiler pada 26 V/cm selama 9 detik dan dipisahkan di setiap kapiler yang diisi dengan larutan polimer POP-7™ (Thermo Fisher Scientific) dengan panjang efektif 36 cm dan tegangan 181 V/cm dan tegangan 181 V/cm. sudut 60°.DARI.
Semua data yang diperoleh atau dianalisis selama penelitian ini disertakan dalam artikel yang diterbitkan ini dan informasi tambahannya.Data lain yang relevan dengan penelitian ini tersedia dari masing-masing penulis berdasarkan permintaan yang masuk akal.
Khan, MJ, Khan, HS, Yousaf, A., Khurshid, K., dan Abbas, A. Tren terkini dalam analisis pencitraan hiperspektral: tinjauan.Akses IEEE 6, 14118–14129.https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2812999 (2018).
Vaughan, AH Spektroskopi Fabry-Perot Astronomi Interferometri.Install.Pendeta Astron.astrofisika.5, 139-167.https://doi.org/10.1146/annurev.aa.05.090167.001035 (1967).
Goetz, AFH, Wein, G., Solomon, JE dan Rock, BN Spektroskopi gambar penginderaan jauh Bumi.Sains 228, 1147–1153.https://doi.org/10.1126/science.228.4704.1147 (1985).
Yokoya, N., Grohnfeldt, C., dan Chanussot, J. Penggabungan data hiperspektral dan multispektral: tinjauan komparatif dari publikasi terbaru.Ilmu Bumi IEEE.Jurnal penginderaan jauh.5:29–56.https://doi.org/10.1109/MGRS.2016.2637824 (2017).
Gowen, AA, O'Donnell, SP, Cullen, PJ, Downey, G. dan Frias, JM Pencitraan hiperspektral adalah alat analisis baru untuk pengendalian kualitas dan keamanan pangan.Tren dalam ilmu pangan.teknologi.18, 590-598.https://doi.org/10.1016/j.tifs.2007.06.001 (2007).
ElMasri, G., Mandour, N., Al-Rejaye, S., Belin, E. dan Rousseau, D. Aplikasi terbaru pencitraan multispektral untuk memantau fenotip dan kualitas benih – ulasan.Sensor 19, 1090 (2019).
Liang, H. Kemajuan dalam Pencitraan Multispektral dan Hiperspektral untuk Arkeologi dan Pelestarian Seni.Ajukan permohonan fisik 106, 309–323.https://doi.org/10.1007/s00339-011-6689-1 (2012).
Edelman GJ, Gaston E., van Leeuwen TG, Cullen PJ dan Alders MKG Pencitraan hiperspektral untuk analisis jejak forensik non-kontak.Ilmu hukum pidana.dalaman 223, 28-39.https://doi.org/10.1016/j.forsciint.2012.09.012 (2012).
Waktu posting: 10 Januari 2023