열교환기용 스테인레스 스틸 321 8*1.2 코일 튜브

모세관

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초소형(54 × 58 × 8.5 mm) 및 넓은 조리개(1 × 7 mm) 9색 분광계가 개발되었으며, 순간적인 스펙트럼 이미징에 사용되는 10개의 이색성 거울 배열로 "2개로 분할"되었습니다.조리개 크기보다 작은 단면적을 갖는 입사 광속은 20nm 폭의 연속 스트립과 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 및 690nm의 중심 파장을 갖는 9개의 색속으로 나뉩니다.9개의 컬러 스트림 이미지가 이미지 센서에 의해 동시에 효율적으로 측정됩니다.기존 이색성 거울 배열과 달리 개발된 이색성 거울 배열은 독특한 2피스 구성으로 동시에 측정할 수 있는 색상 수를 늘릴 뿐만 아니라 각 색상 스트림의 이미지 해상도도 향상시킵니다.개발된 9색 분광기는 4모세관 전기영동에 사용됩니다.9색 레이저 유도 형광을 사용하여 각 모세관에서 동시에 이동하는 8가지 염료를 동시에 정량 분석합니다.9색 분광계는 초소형이고 가격이 저렴할 뿐만 아니라 대부분의 분광 이미징 응용 분야에 대해 높은 광속과 충분한 분광 분해능을 갖기 때문에 다양한 분야에서 널리 사용될 수 있습니다.
초분광 및 다중 스펙트럼 이미징은 천문학2, 지구 관측을 위한 원격 탐사3,4, 식품 및 수질 관리5,6, 미술품 보존 및 고고학7, 법의학8, 수술9, 생물의학 분석 및 진단10,11 등에서 중요한 부분이 되었습니다. 필드 1 필수 기술 ,12,13.시야 내 각 방출 지점에서 방출되는 빛의 스펙트럼을 측정하는 방법은 (1) 점 스캐닝(“broom”)14,15, (2) 선형 스캐닝(“panicle”)16,17,18로 구분됩니다. , (3) 길이는 파동19,20,21 및 (4) 이미지22,23,24,25를 스캔합니다.이러한 모든 방법의 경우 공간 해상도, 스펙트럼 해상도 및 시간 해상도는 절충 관계를 갖습니다9,10,12,26.또한 광 출력은 감도, 즉 스펙트럼 이미징의 신호 대 잡음비에 중요한 영향을 미칩니다26.광속, 즉 빛의 이용 효율은 측정된 파장 범위의 총 빛량에 대한 단위 시간당 각 광점의 실제 측정된 빛량의 비율에 정비례합니다.카테고리 (4)는 모든 발광점에서 방출되는 빛의 스펙트럼을 동시에 측정하므로 각 발광점에서 방출되는 빛의 강도나 스펙트럼이 시간에 따라 변하거나 각 발광점의 위치가 시간에 따라 변하는 경우에 적합한 방법입니다.24.
위 방법의 대부분은 클래스 (1), (2) 및 (4) 또는 20, 21 필터 디스크, 액체 필터에 대해 18 격자 또는 14, 16, 22, 23 프리즘을 사용하는 크고 복잡하며/또는 값비싼 분광계와 결합됩니다. .카테고리 (3)의 결정질 조정 가능 필터(LCTF)25 또는 음향 광학 조정 가능 필터(AOTF)19.대조적으로, 카테고리 (4) 다중 거울 분광계는 간단한 구성으로 인해 작고 저렴합니다.또한, 각 이색거울에 공유되는 빛(즉, 각 이색거울에 입사된 빛의 투과광과 반사광)을 충분히 지속적으로 사용하므로 광속이 높다.그러나 동시에 측정해야 하는 파장 대역(즉, 색상)의 수는 4개 정도로 제한됩니다.
형광 검출을 기반으로 한 스펙트럼 이미징은 생물 의학 검출 및 진단의 다중 분석에 일반적으로 사용됩니다 10, 13.다중 분석에서는 여러 분석물(예: 특정 DNA 또는 단백질)이 서로 다른 형광 염료로 표지되므로 시야의 각 방출 지점에 존재하는 각 분석물은 다성분 분석을 사용하여 정량화됩니다.32는 각 방출점에서 방출되는 검출된 형광 스펙트럼을 분석합니다.이 과정에서 각각 다른 형광을 발산하는 다양한 염료가 공간과 시간 속에서 공존, 즉 공존할 수 있습니다.현재 단일 레이저 빔으로 여기될 수 있는 최대 염료 수는 833개입니다.이 상한은 스펙트럼 분해능(즉, 색상 수)에 의해 결정되는 것이 아니라 형광 스펙트럼의 폭(≥50nm)과 FRET(FRET 사용)에서 염료 스톡스 이동(<200nm)의 양에 의해 결정됩니다10 .그러나 혼합 염료의 스펙트럼 중첩을 제거하려면 색상 수가 염료 수보다 크거나 같아야 합니다.따라서 동시에 측정되는 색상의 수를 8개 이상으로 늘릴 필요가 있다.
최근에는 초소형 칠색성 분광계(헵티크로익 거울 배열과 이미지 센서를 사용하여 4개의 형광 플럭스를 측정함)가 개발되었습니다.분광계는 격자나 프리즘을 사용하는 기존 분광계보다 크기가 2~3배 더 작습니다.그러나 분광계에 7개 이상의 이색성 거울을 배치하고 동시에 7개 이상의 색상을 측정하는 것은 어렵습니다.이색성 거울의 수가 증가함에 따라 이색성 광속의 광 경로 길이의 최대 차이가 커지고 모든 광속을 하나의 감각 평면에 표시하는 것이 어려워집니다.광속의 가장 긴 광학 경로 길이도 증가하므로 분광계 조리개의 너비(즉, 분광계로 분석되는 빛의 최대 너비)가 감소합니다.
위의 문제에 대응하여 2층 "이색성" 십색 거울 배열과 순간 스펙트럼 이미징을 위한 이미지 센서를 갖춘 초소형 9색 분광계[범주 (4)]가 개발되었습니다.개발된 분광기는 기존 분광기와 비교하여 최대 광로 길이의 차이가 작고 최대 광로 길이도 더 작습니다.레이저 유도 9색 형광을 검출하고 각 모세관에서 8개 염료의 동시 이동을 정량화하기 위해 4개 모세관 전기영동에 적용되었습니다.개발된 분광기는 초소형이고 가격이 저렴할 뿐만 아니라, 대부분의 분광 이미징 응용 분야에 사용할 수 있는 높은 광속과 충분한 분광 분해능을 갖췄기 때문에 다양한 분야에서 널리 활용될 수 있습니다.
전통적인 9색 분광계가 그림에 나와 있습니다.1a.디자인은 기존의 초소형 7색 분광기(31)를 따른다. 9개의 이색거울이 오른쪽으로 45° 수평으로 배열되어 있고, 그 위에 이미지 센서(S)가 위치한다.아래에서 들어오는 빛(C0)은 9개의 이색성 거울 배열에 의해 위로 올라가는 9개의 빛 흐름(C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 및 C9)으로 나누어집니다.9개의 색상 스트림은 모두 이미지 센서에 직접 공급되며 동시에 감지됩니다.본 연구에서는 C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9를 파장순으로 표시하며 마젠타색, 보라색, 파란색, 청록색, 녹색, 노란색, 주황색, 빨간색-주황색, 각각 빨간색.본 문서에서는 이러한 색상 명칭을 사용하고 있지만 그림 3과 같이 사람의 눈으로 보는 실제 색상과 다르기 때문입니다.
기존 및 새로운 9색 분광계의 개략도.(a) 9개의 이색성 거울 배열을 갖춘 기존 9색 분광계.(b) 2층 이색성 거울 배열을 갖춘 새로운 9색 분광계.입사광속 C0은 9개의 유색광속 C1~C9로 분할되어 이미지 센서 S에 의해 감지됩니다.
개발된 새로운 9색 분광계는 그림 1b와 같이 2층 이색성 거울 격자와 이미지 센서를 갖추고 있습니다.하위 계층에는 5개의 이색성 거울이 오른쪽으로 45° 기울어져 있으며 데카머 배열의 중심에서 오른쪽으로 정렬되어 있습니다.최상위 수준에는 5개의 추가 이색성 거울이 왼쪽으로 45° 기울어져 있으며 중앙에서 왼쪽으로 위치합니다.아래쪽 레이어의 가장 왼쪽 이색성 거울과 위쪽 레이어의 가장 오른쪽 이색성 거울이 서로 중첩됩니다.입사 광속(C0)은 오른쪽에 있는 5개의 이색 거울에 의해 아래에서 4개의 나가는 색속(C1-C4)으로, 왼쪽 C9)에 있는 5개의 이색 거울에 의해 5개의 나가는 색속(C5-C4)으로 나뉩니다.기존의 9색 분광기와 마찬가지로 9가지 색상 스트림이 모두 이미지 센서(S)에 직접 주입되어 동시에 감지됩니다.그림 1a와 1b를 비교하면, 새로운 9색 분광계의 경우 9개 색속의 최대 차이와 가장 긴 광학 경로 길이가 절반으로 줄어드는 것을 알 수 있습니다.
29mm(너비) × 31mm(깊이) × 6mm(높이)의 초소형 2층 이색성 거울 배열의 세부 구성은 그림 2에 나와 있습니다. 십진 이색성 거울 배열은 오른쪽에 5개의 이색성 거울로 구성됩니다. (M1-M5)와 왼쪽에 5개의 이색거울(M6-M9 및 또 다른 M5)이 있으며, 각 이색거울은 상부 알루미늄 브래킷에 고정되어 있습니다.모든 이색성 거울은 거울을 통과하는 흐름의 굴절로 인한 평행 변위를 보상하기 위해 엇갈리게 배열되어 있습니다.M1 아래에는 대역 통과 필터(BP)가 고정되어 있습니다.M1 및 BP 치수는 10mm(긴 쪽) x 1.9mm(짧은 쪽) x 0.5mm(두께)입니다.나머지 이색성 거울의 크기는 15mm × 1.9mm × 0.5mm입니다.M1과 M2 사이의 매트릭스 피치는 1.7mm인 반면, 다른 이색성 거울의 매트릭스 피치는 1.6mm입니다.그림에.그림 2c는 거울의 디챔버 매트릭스에 의해 분리된 입사 광속 C0과 9개의 유색 광속 C1-C9를 결합합니다.
2층 이색성 거울 매트릭스의 구축.(a) 투시도 및 (b) 2층 이색성 거울 어레이의 단면도(치수 29mm x 31mm x 6mm).하위 계층에 위치한 5개의 이색 거울(M1-M5), 상위 계층에 위치한 5개의 이색 거울(M6-M9 및 또 다른 M5), M1 아래에 있는 대역통과 필터(BP)로 구성됩니다.(c) C0과 C1-C9가 겹치는 수직 방향의 단면도.
그림 2, c에서 너비 C0로 표시된 수평 방향의 구멍 너비는 1mm이고, 알루미늄 브래킷의 설계에 따라 그림 2, c의 평면에 수직인 방향으로, – 7mm.즉, 신형 9색 분광계는 1mm×7mm의 큰 구경을 갖고 있다.C4의 광로는 C1-C9 중에서 가장 길며, 위의 초소형 크기(29mm × 31mm × 6mm)로 인해 이색성 거울 배열 내부의 C4의 광로는 12mm입니다.동시에, C5의 광로 길이는 C1-C9 중에서 가장 짧고, C5의 광로 길이는 5.7mm이다.따라서 광로 길이의 최대 차이는 6.3mm입니다.위의 광로 길이는 M1-M9 및 BP(석영에서)의 광 전송을 위한 광로 길이에 대해 보정됩니다.
М1−М9 및 VR의 스펙트럼 특성은 플럭스 С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8 및 С9가 파장 범위 520–540, 540–560, 560–580, 580에 있도록 계산됩니다. –600, 600–620, 620–640, 640–660, 660–680 및 680–700 nm.
제조된 십색 거울 매트릭스의 사진이 그림 3a에 나와 있습니다.M1-M9와 BP는 각각 알루미늄 지지대의 45° 경사면과 수평면에 접착되어 있고, M1과 BP는 그림 뒷면에 숨겨져 있습니다.
데칸 거울 배열 생산 및 시연.(a) 제작된 십색 거울 배열.(b) 십색 거울 배열 앞에 놓인 종이에 투사되고 백색광으로 백라이트되는 1mm × 7mm 9색 분할 이미지.(c) 뒤에서 백색광으로 조명되는 일련의 색색성 거울.(d) 데케인 거울 어레이에서 나오는 9가지 색상 분할 흐름은 c의 데케인 거울 어레이 앞에 연기가 채워진 아크릴 용기를 배치하고 방을 어둡게 하여 관찰됩니다.
입사각 45°에서 측정된 M1-M9 C0의 투과 스펙트럼과 입사각 0°에서 측정된 BCO의 투과 스펙트럼을 그림 1과 2에 나타내었다.4a.C0에 대한 C1-C9의 투과 스펙트럼은 그림 1과 2에 나와 있습니다.4b.이 스펙트럼은 그림 1과 2의 스펙트럼으로부터 계산되었습니다.도 4a의 광 경로 C1-C9에 따라 도 4a에 도시된다.1b와 2c.예를 들어 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)], 여기서 TS(X) 및 [ 1 − TS(X)]는 각각 X의 투과 스펙트럼과 반사 스펙트럼입니다.그림 4b에서 볼 수 있듯이 C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 및 C9의 대역폭(대역폭 ≥50%)은 521-540, 541-562, 563-580, 581-602, 603입니다. -623, 624-641, 642-657, 659-680 및 682-699 nm.이러한 결과는 개발된 범위와 일치합니다.또한, C0 광의 활용 효율이 높다. 즉, 평균 최대 C1-C9 광 투과율은 92%이다.
이색성 거울과 분할된 9색 플럭스의 투과 ​​스펙트럼.(a) 45° 입사각에서 M1-M9, 0° 입사각에서 BP의 측정된 투과 스펙트럼.(b) (a)에서 계산된 C0에 대한 C1-C9의 투과 스펙트럼.
그림에.도 3c에서, 이색성 거울 어레이는 수직으로 위치하여, 도 3a의 오른쪽이 상단이고 시준된 LED(C0)의 백색 빔이 백라이트가 된다.그림 3a에 표시된 십색성 거울 배열은 54mm(높이) × 58mm(깊이) × 8.5mm(두께) 어댑터에 장착됩니다.그림에.도 3d에 도시된 상태 외에,그림 3c에서는 연기로 가득 찬 아크릴 탱크가 방 안의 조명이 꺼진 상태로 배열된 무색 거울 앞에 배치되었습니다.결과적으로, 십색성 거울 배열에서 나오는 9개의 이색성 흐름이 탱크에서 볼 수 있습니다.각 분할 스트림은 새로운 9색 분광계의 조리개 크기에 해당하는 1 × 7mm 크기의 직사각형 단면을 갖습니다.그림 3b에서는 그림 3c의 이색성 거울 배열 앞에 종이 한 장을 놓고 종이에 투사된 9개의 이색성 흐름의 1 x 7mm 이미지가 종이 이동 방향에서 관찰됩니다.스트림.그림의 9가지 색상 분리 스트림.3b 및 d는 위에서 아래로 C4, C3, C2, C1, C5, C6, C7, C8 및 C9이며, 이는 그림 1 및 2에서도 볼 수 있습니다. 1b 및 2c.파장에 해당하는 색상으로 관찰됩니다.LED의 낮은 백색광 강도(보조 그림 S3 참조)와 그림에서 C9(682-699 nm)를 캡처하는 데 사용되는 컬러 카메라의 감도로 인해 다른 분할 흐름은 약합니다.마찬가지로 C9도 육안으로는 희미하게 보였다.한편, C2(위에서 두 번째 흐름)는 그림 3에서는 녹색으로 보이지만 육안으로는 더 노란색으로 보입니다.
그림 3c에서 d로의 전환은 보충 비디오 1에 나와 있습니다. LED의 백색광이 십색 거울 배열을 통과한 직후 동시에 9개의 색상 스트림으로 분할됩니다.결국 통 안의 연기가 위에서 아래로 점차 사라지면서 9가지 색깔의 가루도 위에서 아래로 사라졌다.대조적으로, 보충 비디오 2에서는 십색 거울 배열에 입사되는 광속의 파장이 690, 671, 650, 632, 610, 589, 568, 550 및 532 nm의 순서로 긴 것에서 짧은 것으로 변경되었을 때 ., C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2, C1 순으로 9개의 분할 스트림 중 해당 분할 스트림만 표시됩니다.아크릴 저수지는 석영 풀로 대체되었으며 각 분류된 흐름의 플레이크는 경사진 위쪽 방향에서 명확하게 관찰될 수 있습니다.그리고, 서브 영상 2의 파장 변화 부분이 재생되도록 서브 영상 3을 편집한다.이는 무색 거울 배열의 특성을 가장 잘 표현한 것입니다.
위의 결과는 제작된 십색 거울 배열이나 새로운 9색 분광계가 의도한 대로 작동함을 보여줍니다.새로운 9색 분광계는 어댑터가 있는 십색 거울 배열을 이미지 센서 보드에 직접 장착하여 구성됩니다.
400~750nm 파장 범위의 광속은 그림 2c의 평면에 수직인 방향으로 각각 1mm 간격으로 위치한 4개의 방사점 Φ50μm에서 방출됩니다. 연구 31, 34. 4개 렌즈 어레이는 다음과 같이 구성됩니다. 초점 거리가 1.4mm이고 피치가 1mm인 Ø1mm 렌즈 4개.4개의 시준된 흐름(4개의 C0)이 1mm 간격으로 새로운 9색 분광계의 DP에 입사됩니다.이색성 거울 배열은 각 스트림(C0)을 9개의 색상 스트림(C1-C9)으로 나눕니다.그 결과 생성된 36개 스트림(C1-C9의 4개 세트)은 이색성 거울 어레이에 직접 연결된 CMOS(S) 이미지 센서에 직접 주입됩니다.그 결과, 그림 5a에 나타난 바와 같이, 최대 광로 차이가 작고, 최대 광로가 짧기 때문에 36개 스트림 모두의 영상이 동일한 크기로 동시에 선명하게 검출되었다.다운스트림 스펙트럼(보충 그림 S4 참조)에 따르면 네 그룹 C1, C2 및 C3의 이미지 강도는 상대적으로 낮습니다.36개의 이미지 크기는 0.57 ± 0.05mm(평균 ± SD)였습니다.따라서 이미지 배율은 평균 11.4였습니다.이미지 사이의 수직 간격은 평균 1mm(렌즈 어레이와 동일한 간격)이고 수평 간격은 평균 1.6mm(이색성 거울 어레이와 동일한 간격)입니다.이미지 크기는 이미지 사이의 거리보다 훨씬 작기 때문에 각 이미지를 독립적으로 측정할 수 있습니다(낮은 누화).한편, 이전 연구에서 사용된 기존의 7색 분광계로 기록된 28개 스트림의 이미지는 그림 5B에 나와 있습니다. 9개의 이색성 거울 배열에서 가장 오른쪽에 있는 2개의 이색성 거울을 제거하여 7개의 이색성 거울 배열을 생성했습니다. 그림 1a의 거울.모든 이미지가 선명한 것은 아니며 이미지 크기는 C1에서 C7로 증가합니다.28개의 이미지 크기는 0.70 ± 0.19mm입니다.따라서 모든 이미지에서 높은 해상도를 유지하는 것은 어렵습니다.그림 5b의 이미지 크기 28에 대한 변동 계수(CV)는 28%인 반면, 그림 5a의 이미지 크기 36에 대한 CV는 9%로 감소했습니다.위의 결과는 새로운 9색 분광계가 동시에 측정되는 색상의 수를 7개에서 9개로 증가시켰을 뿐만 아니라 각 색상에 대한 이미지 해상도도 높다는 것을 보여줍니다.
기존 분광기와 새로운 분광기로 형성된 분할 이미지의 품질 비교.(a) 새로운 9색 분광계에 의해 생성된 9색 분리 이미지(C1-C9)의 4개 그룹.(b) 기존의 7색 분광계로 형성된 4세트의 7색 분리 이미지(C1-C7).4개의 방출 지점에서 400~750 nm의 파장을 갖는 플럭스(C0)가 각각 시준되어 각 분광계에 입사됩니다.
9색 분광계의 스펙트럼 특성을 실험적으로 평가했으며 평가 결과는 그림 6에 나와 있습니다. 그림 6a는 그림 5a와 동일한 결과를 보여줍니다. 즉, 4 C0 400–750 nm의 파장에서 36개의 이미지가 모두 감지됩니다. (4개 그룹 C1~C9).반대로 그림 6b-j에 표시된 것처럼 각 C0가 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 또는 690nm의 특정 파장을 가질 경우 해당 이미지는 거의 4개(4개) 그룹은 C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 또는 C9를 감지했습니다.그러나 4개의 해당 이미지에 인접한 일부 이미지는 그림 4b에 표시된 C1-C9 투과 스펙트럼이 약간 겹치고 각 C0이 방법에 설명된 대로 특정 파장에서 10nm 대역을 갖기 때문에 매우 약하게 감지됩니다.이러한 결과는 그림 1 및 2에 표시된 C1-C9 전송 스펙트럼과 일치합니다.4b 및 보충 비디오 2 및 3. 즉, 9개 색상 분광계는 그림에 표시된 결과를 기반으로 예상대로 작동합니다.4b.따라서 영상강도분포 C1~C9는 각 C0의 스펙트럼이라고 결론지을 수 있다.
9색 분광계의 분광 특성.새로운 9색 분광계는 입사광(4개의 C0)이 (a) 400-750nm(그림 5a 참조), (b)의 파장을 가질 때 4세트의 9색 분리 이미지(C1-C9)를 생성합니다. 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, 각기.
개발된 9색 분광계는 4개 모세관 전기영동에 사용되었습니다(자세한 내용은 보충 자료 참조)31,34,35.4-모세관 매트릭스는 레이저 조사 부위에 1mm 간격으로 위치한 4개의 모세관(외경 360μm, 내경 50μm)으로 구성됩니다.FL-6C(염료 1), JOE-6C(염료 2), dR6G(염료 3), TMR-6C(염료 4), CXR-6C(염료 5), TOM- 등 8가지 염료로 표지된 DNA 단편이 포함된 샘플 형광 파장의 오름차순으로 6C(염료 6), LIZ(염료 7), WEN(염료 8)을 4개의 모세관(이하 Cap1, Cap2, Cap3, Cap4)으로 각각 분리합니다.Cap1-Cap4의 레이저 유도 형광은 4개의 렌즈 배열로 시준되었으며 동시에 9색 분광계로 기록되었습니다.전기영동 중 9색(C1-C9) 형광의 강도 역학, 즉 각 모세관의 9색 전기영동을 도 7a에 나타내었다.Cap1-Cap4에서 등가의 9색 전기영동이 얻어집니다.그림 7a의 Cap1 화살표로 표시된 것처럼 각 9색 전기영동의 8개 피크는 각각 Dye1-Dye8에서 하나의 형광 방출을 나타냅니다.
9색 4모세관 전기영동 분광기를 사용하여 8가지 염료를 동시에 정량합니다.(a) 각 모세관의 9색(C1-C9) 전기영동.Cap1 화살표로 표시된 8개 피크는 8개 염료(Dye1-Dye8)의 개별 형광 방출을 보여줍니다.화살표의 색상은 (b) 및 (c) 색상에 해당합니다.(b) 모세관당 8개 염료(Dye1-Dye8)의 형광 스펙트럼.c 모세관당 8개 염료(Dye1-Dye8)의 전기영동도.Dye7로 표지된 DNA 단편의 피크는 화살표로 표시되고 Cap4 염기 길이가 표시됩니다.
8개의 피크에 대한 C1-C9의 강도 분포가 그림 1과 2에 나와 있습니다.각각 7b.C1-C9와 Dye1-Dye8은 모두 파장 순서이므로 그림 7b의 8개 분포는 Dye1-Dye8의 형광 스펙트럼을 왼쪽에서 오른쪽으로 순차적으로 보여줍니다.본 연구에서는 Dye1, Dye2, Dye3, Dye4, Dye5, Dye6, Dye7, Dye8이 각각 마젠타색, 보라색, 파란색, 청록색, 녹색, 노란색, 주황색, 빨간색으로 나타납니다.그림 7a의 화살표 색상은 그림 7b의 염료 색상에 해당합니다.그림 7b의 각 스펙트럼에 대한 C1-C9 형광 강도는 그 합이 1이 되도록 정규화되었습니다.Cap1-Cap4로부터 8개의 동등한 형광 스펙트럼을 얻었습니다.염료 1-염료 8 사이의 형광 스펙트럼 중첩을 명확하게 관찰할 수 있습니다.
그림 7c에 표시된 것처럼 각 모세관에 대해 그림 7a의 9색 전기영동은 그림 7b의 8가지 형광 스펙트럼을 기반으로 한 다성분 분석을 통해 8색 염료 전기영동으로 변환되었습니다(자세한 내용은 보충 자료 참조).그림 7a의 형광 스펙트럼 중첩은 그림 7c에 표시되지 않으므로 Dye1-Dye8은 동시에 다른 양의 Dye1-Dye8 형광이 발생하더라도 각 시점에서 개별적으로 식별하고 정량화할 수 있습니다.이는 기존의 7색 감지로는 수행할 수 없지만31 개발된 9색 감지를 사용하면 달성할 수 있습니다.그림 7c의 화살표 Cap1로 표시된 것처럼 형광 방출 단일체인 Dye3(파란색), Dye8(빨간색), Dye5(녹색), Dye4(청록색), Dye2(보라색), Dye1(마젠타색) 및 Dye6(노란색) )은 예상되는 연대순으로 관찰됩니다.염료 7(주황색)의 형광 방출의 경우 주황색 화살표로 표시된 단일 피크 외에도 여러 개의 다른 단일 피크가 관찰되었습니다.이 결과는 샘플에 크기 표준, 즉 서로 다른 염기 길이를 가진 Dye7 라벨 DNA 단편이 포함되어 있다는 사실에 기인합니다.그림 7c에 표시된 대로 Cap4의 경우 기본 길이는 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214 및 220 기본 길이입니다.
2층 이색성 거울의 매트릭스를 이용하여 개발된 9색 분광계는 작은 크기와 심플한 디자인이 주요 특징이다.그림에 표시된 어댑터 내부의 십색성 거울 배열 이후.3c를 이미지 센서 보드에 직접 장착한 경우(그림 S1 및 S2 참조), 9색 분광계는 어댑터와 동일한 크기, 즉 54 × 58 × 8.5mm를 갖습니다.(두께) .이 초소형 크기는 격자나 프리즘을 사용하는 기존 분광계보다 2~3배 더 작습니다.또한, 9색 분광기는 이미지 센서 표면에 빛이 수직으로 입사하도록 구성되어 있어 현미경, 유세포 분석기, 분석기 등의 시스템에서 9색 분광기를 위한 공간을 쉽게 할당할 수 있습니다.시스템의 더욱 소형화를 위한 모세관 격자 전기영동 분석기입니다.동시에 9색 분광계에 사용되는 10개의 이색성 거울과 대역통과 필터의 크기는 10×1.9×0.5mm 또는 15×1.9×0.5mm에 불과합니다.따라서 이러한 작은 이색성 거울과 대역통과 필터는 각각 이색성 거울과 60mm2 대역통과 필터에서 각각 100개 이상 잘라낼 수 있습니다.따라서, 십색 거울 배열을 저렴한 비용으로 제조할 수 있습니다.
9색 분광계의 또 다른 특징은 뛰어난 분광 특성입니다.특히, 스냅샷의 스펙트럼 이미지 획득, 즉 스펙트럼 정보가 포함된 이미지의 동시 획득이 가능합니다.각 이미지에 대해 520~700nm의 파장 범위와 20nm의 해상도를 갖는 연속 스펙트럼이 얻어졌습니다.즉, 각 이미지에 대해 9개의 빛의 색 강도가 감지됩니다. 즉, 520nm에서 700nm까지 파장 범위를 균등하게 나누는 9개의 20nm 대역이 감지됩니다.Dichroic Mirror와 Bandpass Filter의 분광 특성을 변경하여 9개 대역의 파장 범위와 각 대역의 폭을 조정할 수 있습니다.9가지 색상 감지는 스펙트럼 이미징을 통한 형광 측정(이 보고서에 설명된 대로)뿐만 아니라 스펙트럼 이미징을 사용하는 기타 여러 일반적인 응용 분야에도 사용할 수 있습니다.초분광 이미징은 수백 가지 색상을 감지할 수 있지만 감지 가능한 색상 수를 크게 줄이더라도 시야의 여러 개체를 많은 응용 프로그램에서 충분한 정확도로 식별할 수 있는 것으로 나타났습니다.공간 해상도, 스펙트럼 해상도, 시간 해상도는 스펙트럼 이미징에서 상충 관계를 가지므로 색상 수를 줄이면 공간 해상도와 시간 해상도가 향상될 수 있습니다.또한 본 연구에서 개발된 것과 같은 간단한 분광계를 사용할 수 있으며 계산량을 더욱 줄일 수 있습니다.
본 연구에서는 9가지 색상 검출을 기반으로 중첩되는 형광 스펙트럼의 스펙트럼 분리를 통해 8가지 염료를 동시에 정량화했습니다.최대 9개의 염료를 시간과 공간에 공존하면서 동시에 정량할 수 있습니다.9색 분광계의 특별한 장점은 높은 광속과 큰 조리개(1 × 7 mm)입니다.데케인 미러 어레이는 9개 파장 범위 각각에서 조리개에서 나오는 빛의 최대 92%를 투과시킵니다.520~700 nm 파장 범위의 입사광을 사용하는 효율은 거의 100%입니다.이렇게 넓은 파장 범위에서 어떤 회절 격자도 이렇게 높은 사용 효율을 제공할 수 없습니다.회절격자의 회절 효율이 특정 파장에서 90%를 초과하더라도 해당 파장과 특정 파장의 차이가 커질수록 다른 파장에서의 회절 효율은 감소합니다41.그림 2c의 평면 방향에 수직인 개구 폭은 데카머 배열을 약간 수정하여 본 연구에서 사용된 이미지 센서의 경우와 같이 7mm에서 이미지 센서의 폭까지 확장될 수 있습니다.
9색 분광기는 본 연구에서 보여지는 것처럼 모세관 전기영동뿐만 아니라 다양한 목적으로 사용될 수 있습니다.예를 들어, 아래 그림과 같이 9색 분광계를 형광현미경에 적용할 수 있습니다.샘플 평면은 10x 대물렌즈를 통해 9색 분광계의 이미지 센서에 표시됩니다.대물렌즈와 이미지 센서 사이의 광학 거리는 200mm인 반면, 9색 분광계의 입사면과 이미지 센서 사이의 광학 거리는 12mm에 불과합니다.따라서 이미지는 입사면에서 대략 조리개 크기(1×7mm)로 절단되어 9개의 컬러 이미지로 분할되었습니다.즉, 9색 스냅샷의 스펙트럼 이미지를 샘플 평면의 0.1×0.7mm 영역에서 촬영할 수 있습니다.또한 그림 2c에서 대물렌즈를 기준으로 수평 방향으로 샘플을 스캔하면 샘플 평면에서 더 넓은 영역의 9색 스펙트럼 이미지를 얻을 수 있습니다.
Decachromatic 거울 배열 구성 요소, 즉 M1-M9 및 BP는 표준 침전 방법을 사용하여 Asahi Spectra Co., Ltd.에서 맞춤 제작되었습니다.다층 유전체 재료는 크기가 60 x 60 mm이고 두께가 0.5 mm인 10개의 석영 판에 개별적으로 적용되었으며 다음 요구 사항을 충족했습니다. M1: IA = 45°, R ≥ 90%(520-590 nm), Tave ≥ 90%(610-590 nm) 610nm.700nm, M2: IA = 45°, R ≥ 90%(520~530nm에서), Tave ≥ 90%(550~600nm에서), M3: IA = 45°, R ≥ 90%(540~550nm에서), Tave ≥ 90 570~600nm에서 %, M4: IA = 45°, 560~570nm에서 R ≥ 90%, 590~600nm에서 Tave ≥ 90%, M5: IA = 45°, 580~600nm에서 R ≥ 98% , R ≥ 98%(680-700 nm에서), M6: IA = 45°, Tave ≥ 90%(600-610 nm에서), R ≥ 90%(630-700 nm에서), M7: IA = 45°, R ≥ 90%(600-610 nm에서) 620~630nm, Taw ≥ 90%(650~700nm에서), M8: IA = 45°, R ≥ 90%(640~650nm에서), Taw ≥ 90%(670~700nm에서), M9: IA = 45°, R 650-670 nm에서 ≥ 90%, 690-700 nm에서 Tave ≥ 90%, BP: IA = 0°, 505 nm에서 T ≤ 0.01%, 530 nm에서 530-690 nm에서 Tave ≥ 95% T ≥ 90% -690 nm에서, T ≤ 1%, 725-750 nm에서, 여기서 IA, T, Tave 및 R은 입사각, 투과율, 평균 투과율 및 비편광 광 반사율입니다.
LED 광원(AS 3000, AS ONE CORPORATION)에서 방출된 400~750 nm 파장 범위의 백색광(C0)을 이색성 거울 배열의 DP에 수직으로 시준하여 입사했습니다.LED의 백색광 스펙트럼은 보충 그림 S3에 나와 있습니다.PSU 반대편의 데카메라 미러 어레이 바로 앞에 아크릴 탱크(치수 150 × 150 × 30mm)를 배치합니다.드라이아이스를 물에 담그고 생성된 연기를 아크릴 탱크에 부어 십색 거울 배열에서 나오는 9가지 색상의 C1-C9 분할 흐름을 관찰했습니다.
또는 시준된 백색광(C0)이 DP에 들어가기 전에 필터를 통과합니다.필터는 원래 광학 밀도가 0.6인 중성 밀도 필터였습니다.그런 다음 전동 필터(FW212C, FW212C, Thorlabs)를 사용하십시오.마지막으로 ND 필터를 다시 켜십시오.9개의 대역 통과 필터의 대역폭은 각각 C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 및 C1에 해당합니다.내부 치수가 40(광학 길이) x 42.5(높이) x 10mm(너비)인 석영 셀을 BP 반대편의 색색 거울 배열 앞에 배치했습니다.그런 다음 연기는 튜브를 통해 석영 셀로 공급되어 석영 셀의 연기 농도를 유지하여 십색성 거울 어레이에서 나오는 9색 C1-C9 분할 스트림을 시각화합니다.
여러 개의 데카닉 거울 배열에서 나오는 9색 분할 빛 흐름의 비디오는 iPhone XS의 저속 촬영 모드로 캡처되었습니다.1fps로 장면의 이미지를 캡처하고 이미지를 컴파일하여 30fps(선택적 비디오 1의 경우) 또는 24fps(선택적 비디오 2 및 3의 경우)로 비디오를 생성합니다.
확산판에 50μm 두께의 스테인레스 강판(직경 50μm 구멍 4개를 1mm 간격으로 배치)을 놓습니다.400-750nm 파장의 빛은 할로겐 램프의 빛이 700nm의 차단 파장을 갖는 짧은 투과 필터를 통과하여 확산판에 조사됩니다.광 스펙트럼은 보충 그림 S4에 나와 있습니다.또는 빛은 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 및 690nm에 중심을 둔 10nm 대역 통과 필터 중 하나를 통과하여 확산판에 도달합니다.그 결과, 확산판 반대편의 스테인리스 강판에 직경이 Φ50 μm이고 파장이 다른 4개의 방사점이 형성되었습니다.
그림 1과 2에 표시된 대로 4개의 렌즈가 있는 4개의 모세관 배열이 9색 분광계에 장착됩니다. C1 및 C2.4개의 모세혈관과 4개의 렌즈는 이전 연구와 동일했습니다.파장 505nm, 출력 15mW의 레이저 빔을 측면에서 모세혈관 4개의 발광점까지 동시에 균일하게 조사합니다.각 방출점에서 방출된 형광은 해당 렌즈에 의해 시준되고 십색 거울 배열에 의해 9개의 색상 스트림으로 분리됩니다.생성된 36개 스트림은 CMOS 이미지 센서(C11440-52U, Hamamatsu Photonics K·K.)에 직접 주입되고 동시에 이미지가 기록되었습니다.
ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit(Applied Biosystems), 4μl GeneScan™ 600 LIZ™ 염료를 1μl PowerPlex® 6C Matrix Standard(Promega Corporation), 1μl 혼합 크기 표준을 혼합하여 각 모세관에 대해 혼합했습니다.v2.0(Thermo Fisher Scientific) 및 물 14μl.PowerPlex® 6C 매트릭스 표준은 최대 파장 순서대로 FL-6C, JOE-6C, TMR-6C, CXR-6C, TOM-6C, WEN 등 6가지 염료로 라벨링된 6개의 DNA 단편으로 구성됩니다.이들 DNA 단편의 염기 길이는 공개되지 않았지만, WEN, CXR-6C, TMR-6C, JOE-6C, FL-6C 및 TOM-6C로 표지된 DNA 단편의 염기 길이 서열은 알려져 있습니다.ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit의 혼합물에는 dR6G 염료로 표지된 DNA 단편이 포함되어 있습니다.DNA 단편의 염기 길이도 공개되지 않았습니다.GeneScan™ 600 LIZ™ Dye Size Standard v2.0에는 36개의 LIZ 라벨이 붙은 DNA 단편이 포함되어 있습니다.이들 DNA 단편의 염기 길이는 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 및 600 베이스.샘플을 94°C에서 3분간 변성시킨 다음 얼음 위에서 5분간 냉각했습니다.샘플을 9초 동안 26V/cm의 속도로 각 모세관에 주입하고 유효 길이 36cm, 전압 181V/cm 및 POP-7™ 폴리머 용액(Thermo Fisher Scientific)으로 채워진 각 모세관에서 분리했습니다. 60°의 각도.에서.
이 연구 과정에서 획득하거나 분석한 모든 데이터는 이 출판된 기사와 추가 정보에 포함되어 있습니다.이 연구와 관련된 기타 데이터는 합리적인 요청에 따라 각 저자에게 제공됩니다.
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