поле

  • елементи
  • абстрактно
  • Въведение
  • Материали и методи
  • Устройства за изображения
  • Реконструкция на изображението
  • резултатът
  • дискусия
  • заключения
  • Повече информация
  • Коментари

елементи

  • Техники за изобразяване
  • Интерференционна микроскопия
  • Оптични сензори

абстрактно

Широкоъгълната микроскопия без чипове, която използва принципите на холографията за четене на интерферометрично кодиране на светлинното поле без лещи, представлява нововъзникващ начин на изобразяване от широк интерес, дължащ се на голямото зрително поле в сравнение с целевите техники. В това изследване представяме идеята за синтез на лазерно светлинно поле за фазова контрастна микроскопия без лещи за откриване на наночастици, където кондензирани интерферометрични лазерни светлинни полета, получени без лещи, се интегрират върху масив от чипове с лазерни пулсации с различни дължини на вълните за образуване фазово контрастни изображения на частици без прилагане на маркери в нанометров мащаб. Като доказателство за концепцията, ние демонстрираме за първи път широкообхватно, необективно електронно чип устройство, което успешно открива 300 nm частици в голямо зрително поле.

30 mm 2 без каквато и да е специализирана или сложна подготовка на пробата или използването на техники, базирани на синтетичен отвор или изместване.

Въведена е фазова контрастна микроскопия като средство за наблюдение на обекти със светлопрозрачни свойства 1. Микроскопията на такива обекти в ярко поле има тенденция да създава изображения с нисък контраст, тъй като усетената светлина и показаната проба не си взаимодействат много силно. Фазовата контрастна микроскопия обаче позволява визуализиране на разликите в дължината на оптичния път, които сканиращата светлина би изпитала поради взаимодействието с пробата, като по този начин се получават изображения с висок контраст на такива проби. Въпреки гореспоменатото предимство на фазово-контрастната микроскопия, тя все още страда от същите недостатъци на микроскопията с ярко поле, като ограничено зрително поле (FOV), ограничена разделителна способност и висока сложност на дизайна и работата на инструмента.

Широкополната микроскопия без чипове, където холографските принципи се използват за улавяне на интерферометрични кодове на светлинното поле без лещи, се превърна в интересен начин за справяне с недостатъците на техниките, базирани на лещи 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22. В основата си тези инструменти на чипа без обектив са концептуално прости и предлагат изключително големи FOV в сравнение с инструментите, базирани на обективи. Тъй като предметното стъкло е разположено отгоре на детектора в чип без чип, стъпката на пикселите на детектора може да повлияе на способността да открива частици в нанометрова скала. Предлагат се техники, базирани на синтетична апертура или странично изместване 7, 8, 9, 11, 23, 24, за да се подобри разделителната способност, въпреки че тези техники са склонни да увеличат хардуерната сложност и да намалят толеранса на производителността на инструмента. Напоследък техниките, базирани на множество дължини на вълните 17, 20, 21, 22, 25, също показаха значително обещание за подобряване на разделителната способност.

В това изследване представяме идеята за контрастна микроскопия с фазово сливане на лазерно светлинно поле за откриване на наночастици. Вдъхновен от нашата предишна, предварителна фаза на сливане на спектрално светлинно поле 20, 21, 22, контрастното микроскопично сливане с фазово лазерно светлинно поле включва получаване и сливане на интерферометрично кодиране на светлинното поле с използване на не-лещи, настройка на чипа с помощта на лазерни пулсации. при различни дължини на вълните, за да се създаде фазово контрастно изображение без маркери, както е показано на фиг. 1. Предложеното устройство ни позволява да откриваме наночастици, като използваме настройки без обективи на чипа, което намалява цената и сложността на изображенията в сравнение с други решения. Като доказателство за концепцията ние демонстрираме за първи път обектив без чип инструмент, способен да открива 300 nm частици в широко зрително поле

30 mm 2 без използване на специализирана или сложна подготовка на пробата или използване на техники, базирани на синтетичен отвор или странично изместване.

а ) Схема на апарат, показващ едномодов оптичен кабел, използван в двуканален импулсен лазерен източник на светлина; записва се размерът на полето на детектора, което представлява общото зрително поле на инструмента. б а ° С ) уловено интерферометрично кодиране на светлинно поле (A 1 = 531, 9 nm ( б ) и λ 2 = 638, 3 nm ( ° С )), колоните на скалата, обозначаващи 1 mm.

Изображение в пълен размер

Материали и методи

Устройства за изображения

Предложеният апарат за фазов контрастен микроскоп без чипове, използван за това изследване (показан на фиг. 1), може да бъде описан по следния начин. Използва се двуканален импулсен лазерен източник на светлина с централни дължини на вълните при X1 = 531,9 nm и X3 = 638,3 nm, като спектралната честотна лента е 1 nm. Импулсният лазерен източник на светлина е програмиран да импулсира с променлива последователност на дължината на вълната на импулса, като продължителността на пулсацията е конфигурирана така, че сигналът, наблюдаван на детектора, да е максимален, докато се намалява насищането на пикселите. Импулсен лазерен източник на светлина е свързан към едномодов оптичен кабел за осветяване на пробата. Отчитането на детектора се синхронизира с последователност от импулси, за да се получи бързо и плавно кодирането на интерферометричното светлинно поле при двете дължини на вълната на лазерния източник на светлина. Времето на експозиция е 500 кадъра в секунда).

Пробата, която трябва да се покаже, се поставя върху слайд с дебелина # 1

145 μm, който се намира директно върху детектора. Интерфометричните придобивания на кодирането на светлинното поле на пробата, което се показва при различни дължини на вълните, се извършват с помощта на детектор, използващ CMOS сканиращо поле с размери 3840 x 2748 пиксела с разстояние между пикселите 1,67 μm. FOV на устройството се определя от активния размер на сензора и е

30 mm2. Уловеното интерферометрично кодиране на светлинното поле, обозначено с gx, y, λ с X, показващо дължината на вълната, след това се изпраща към блок за цифрова обработка на сигнала, където цифровото сливане на светлинното поле се извършва от лазер за възстановяване на разтопеното фазово контрастно изображение rx, y, z .

В това проучване измервателният уред се характеризира с няколко придобивания на целеви точкови източници, за да се определи функцията за предаване на аберация при всяка дължина на вълната (обозначена с

) на импулсен лазерен източник на светлина, за да се вземат предвид разликите в различните дължини на вълните.

За целите на сравнението, това проучване също така оцени безчипово референтно устройство на чип, което усеща интерферометрично кодиране на светлинното поле при λ = 531,9 nm, използвайки гореспоменатото устройство за изображения (вместо него се използва едноканален лазерен източник на светлина).

Реконструкция на изображението

Численото сливане на лазерното светлинно поле, извършено на блока за цифрова обработка на сигнала за възстановяване на кондензираните образи на кондензирания фаз от измерванията, направени от предложената апаратура, може да бъде описано както следва. Уловеното интерферометрично кодиране на светлинното поле g x, y, λ капсулира уникалното дифракционно поведение при различни дължини на вълните λ, което използваме за постигане на по-добро качество на изображението, което може да се постигне с една дължина на вълната. Нека създадем фиксирано светлинно поле q x, y от разтопен лазерен обект като подпространствена проекция на светлинното поле на лазерен обект f x, y, z, λ,

където в λ означава коефициента, свързан с X на най-големия собствен вектор на корелационната матрица f x, y, z, λ, като по този начин се взема предвид структурата на корелация в λ. Тъй като описаното устройство улавя g x, y, λ, а не f x, y, z, λ, е необходимо да се проектира механизъм за числена оценка q x, y, z даден g x, y, λ .

Сега нека моделираме светлинното поле f x, y, z, λ на лазерния обект и интерферометричното лазерно светлинно поле, кодиращо g x, y, λ като разпределение на вероятността. За да изчислим qx, y, z, сега искаме да изчислим подпространствената проекция на най-вероятното светлинно поле fx, y, z, λ на лазерния обект fx, y, z и дадения gx, y, λ с априори знания, свързани с sfx, y, z, λ и аберационната трансферна функция (), както и дифракционната функция на Рейли-Зомерфелд ()

където p (gx, y, λ | fx, y, z, λ) означава вероятността gx, y, λ, дадена от fx, y, z, λ и p (fx, y, z, λ) означава предишното число fx, y, z, λ. Според квантовата статистика на фотонната емисия p (g x, y, λ | f x, y, z, λ) може да се изрази като

където a означава преобразуването на Фурие напред и назад. Чрез моделиране на f x, y, z, λ като нестационарен процес е възможно да се изрази p (f x, y, z, λ) като

където E (f x, y, z, λ) означава нестационарно очакване, а τ 2 означава дисперсия. За да се възстанови комбинираното фазово контрастно изображение r x, y, z, изчислената стойност се изчислява, фаза се измества с 90 ° при нулева честота и амплитудата на тази изместена фаза се приема като r x, y, z1 .

За решаване на уравнение Максимизирането на очакванията се използва за оценка на MAP. 2 и се извършва до сближаване.

резултатът

Способността на предложеното устройство да открива частици в нанометров мащаб е демонстрирана за първи път на ФИГ. 2, където Фигура 2а е фазово контрастно изображение на проба, състояща се от полистиролови наносфери (Fluoresbrite, Polysciences, Inc., САЩ). При по-внимателно разглеждане, като се използват две нива на увеличение, ФИГ. 2b и c, разкрива фазово контрастно изображение на изолиран клъстер от пет 500 nm наносфери, подредени във "U" форма. Кодирането на светлинното поле, уловено при λ1 = 531.9 nm и λ2 = 638.3 nm, е показано на ФИГ. 2г ае.

а ) Пълно изображение на FOV детектор, скалата показва 1 mm. ( б ) увеличена площ а . ( ° С ) По-нататъшно разширяване на определен регион vb който показва разположението на "U" наносферите при 500 nm. ( д а д ) Уловено кодиране на светлинно поле при X1 = 531, 9 nm ( д ) и λ2 = 638, 3 nm ( д ), използвани за получаване ° С . Мащабирайте c, d, e всички означават 2 μm .

Изображение в пълен размер

а ) Фазово контрастно изображение, съдържащо пет наносфери, подредени във форма "U", получени с помощта на чипс без чип референтен инструмент, който отчита интерферометричното кодиране на светлинното поле при λ = 531, 9 nm. б ) Фазово контрастно изображение, получено с предложения инструмент, съдържащ пет наносфери, подредени в U-образна форма. ( ° С ) SEM изображение на съответния регион с размер на наночастици, записан в изображението (с вложка, показваща увеличението на наночастиците, обикалящи в червено). Мащабирайте а, б а ° С обозначава 2 μm, скалата на скалата във вложката ° С показва 500 nm.

Изображение в пълен размер

Също така може да се забележи, че качеството на изображението, получено с помощта на предложеното устройство за контрастно-фазова микроскопия с лазерно светлинно поле с фузионна фаза, е високо при съотношение сигнал/шум (SNR) от 33,35 dB, постигнато само чрез улавяне на едно интерферометрично светлинно поле . кодиране при дадена дължина на вълната в текущата настройка.

а ) Изберете местоположението на FOV

30 mm2, получени от предложената апаратура, която съдържа седем частици с различни размери. ( б ) SEM изображение на същия FOV. ( ° С ) уголемено изображение на 300 nm частица с профил на напречното сечение и вложка на карта с интензивност на повърхността. д ) SEM модел за проверка с размер на частиците 300 nm. Мащабирайте aab показва 3 μm ac ca d 1 μm .

Изображение в пълен размер

дискусия

Представихме фазово-контрастен микроскоп с широко поле за откриване на частици в нанометров мащаб. Като доказателство за концепцията, способността на предложения инструмент е демонстрирана чрез изобразяване на частици с размер 300 nm. Тези експериментални резултати демонстрират, че уникалното дифракционно поведение, уловено в получените кодове на интерферометрични светлинни полета при различни дължини на вълните, може да бъде използвано чрез процес на синтез, за ​​да се постигне по-добро качество на изображението в безчипово устройство на чип устройство, което може да се постигне с една дължина на вълната.,

Важно е да се отбележи, че предложеното широкоъгълно чип устройство не изисква специална подготовка на пробата или използване на техники, базирани на синтетична апертура или странично изместване, за да се постигне откриване на наночастици. В резултат на това предложеният инструмент има ниска сложност и разходи за оборудване и е лесен за експлоатация и поддръжка, което позволява демократизацията и разпространението на такива инструменти в здравеопазването, промишлеността, образованието и научните изследвания. Придобиванията, кодиращи интерферометричното светлинно поле, направени от предложения инструмент, отнемат по-малко от

2 ms (еквивалентно на> 500 кадъра в секунда), което позволява наблюдение на динамични системи с висока разделителна способност или преходни процеси в нанометров мащаб, например за изследване на динамиката на движението на колоидни наночастици.

Ограничение на настройката на предложения инструмент, използван в настоящото изследване, е, че броят на използваните дължини на вълните е ограничен до две различни дължини на вълната на лазера, които могат да бъдат разгледани в бъдещи проучвания чрез включване на настройващ се лазер, който потенциално позволява допълнително подобряване на изображението. качество.

заключения

Представихме фазови микроскоп с широко поле с широко поле без лещи, способни да откриват частици в нанометрова резолюция. Инструментът не изисква увеличение с холограма, специална подготовка на пробата или използване на синтетична апертура или техники за странично изместване, за да се постигне откриване на наночастици. Получаването на интерфероново кодиране на светлинно поле с помощта на предложения инструмент отнема по-малко от

3 ms (съответстващи на> 300 кадъра в секунда), което би позволило наблюдение на динамични системи с висока разделителна способност или преходни процеси в нанометров мащаб с отлично качество на изображението, SNR> 29 dB. Освен това предложеният инструмент е изключително опростен и икономичен по отношение на прилагането, което позволява демократизацията и разпространението на такива системи на всички нива на здравеопазване, промишленост, образование или научни изследвания.

Повече информация

Как да цитирам тази статия: Kazemzadeh, F. и Wong, A. Лазерно сливане на светлинно поле за широкоъгълни обективни контрастни микроскопични контрастни микроскопични наночастици. Sci. Представител. 6, 38981; doi: 10, 1038/srep38981 (2016).

Забележка на издателя: Springer Nature остава неутрален от претенциите за юрисдикция в публикувани карти и институционални асоциации.

Коментари

Изпращайки коментар, вие се съгласявате да спазвате нашите Общи условия и насоки на общността. Ако откриете нещо обидно или несъвместимо с нашите условия или насоки, означете го като неподходящо.