tubo enrolado de aço inoxidável 321 8 * 1.2 para trocador de calor

Tubos Capilares

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Um espectrômetro de nove cores ultracompacto (54 × 58 × 8,5 mm) e de ampla abertura (1 × 7 mm) foi desenvolvido, “dividido em dois” por um conjunto de dez espelhos dicróicos, que foi usado para imagens espectrais instantâneas.O fluxo de luz incidente com seção transversal menor que o tamanho da abertura é dividido em uma faixa contínua de 20 nm de largura e nove fluxos coloridos com comprimentos de onda centrais de 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 e 690 nm.Imagens de nove fluxos de cores são medidas simultaneamente de forma eficiente pelo sensor de imagem.Ao contrário dos arranjos de espelhos dicróicos convencionais, o arranjo de espelhos dicróicos desenvolvido possui uma configuração exclusiva de duas peças, que não apenas aumenta o número de cores que podem ser medidas simultaneamente, mas também melhora a resolução da imagem para cada fluxo de cores.O espectrômetro de nove cores desenvolvido é usado para eletroforese de quatro capilares.Análise quantitativa simultânea de oito corantes migrando simultaneamente em cada capilar usando fluorescência induzida por laser de nove cores.Como o espectrômetro de nove cores não é apenas ultrapequeno e barato, mas também possui alto fluxo luminoso e resolução espectral suficiente para a maioria das aplicações de imagem espectral, ele pode ser amplamente utilizado em vários campos.
A imagem hiperespectral e multiespectral tornou-se uma parte importante da astronomia2, sensoriamento remoto para observação da Terra3,4, controle de qualidade de alimentos e água5,6, conservação de arte e arqueologia7, ciência forense8, cirurgia9, análise e diagnóstico biomédico10,11 etc. ,12,13.Os métodos de medição do espectro de luz emitido por cada ponto de emissão no campo de visão são divididos em (1) varredura pontual (“vassoura”)14,15, (2) varredura linear (“panícula”)16,17,18 , (3) ondas de varredura de comprimento19,20,21 e (4) imagens22,23,24,25.No caso de todos esses métodos, a resolução espacial, a resolução espectral e a resolução temporal apresentam uma relação de trade-off9,10,12,26.Além disso, a emissão de luz tem um impacto significativo na sensibilidade, ou seja, na relação sinal-ruído na imagem espectral26.O fluxo luminoso, ou seja, a eficiência do uso da luz, é diretamente proporcional à razão entre a quantidade real medida de luz de cada ponto luminoso por unidade de tempo e a quantidade total de luz na faixa de comprimento de onda medida.A categoria (4) é um método apropriado quando a intensidade ou o espectro da luz emitida por cada ponto emissor muda com o tempo ou quando a posição de cada ponto emissor muda com o tempo porque o espectro da luz emitida por todos os pontos emissores é medido simultaneamente.24.
A maioria dos métodos acima são combinados com espectrômetros grandes, complexos e/ou caros usando 18 grades ou 14, 16, 22, 23 prismas para classes (1), (2) e (4) ou 20, 21 discos de filtro, filtros de líquidos .Filtros sintonizáveis ​​cristalinos (LCTF)25 ou filtros acústico-ópticos sintonizáveis ​​(AOTF)19 da categoria (3).Em contraste, os espectrômetros multi-espelho da categoria (4) são pequenos e baratos devido à sua configuração simples .Além disso, eles possuem um alto fluxo luminoso porque a luz compartilhada por cada espelho dicróico (isto é, a luz transmitida e refletida da luz incidente em cada espelho dicróico) é aproveitada completa e continuamente.Contudo, o número de bandas de comprimento de onda (ou seja, cores) que devem ser medidas simultaneamente é limitado a cerca de quatro.
A imagem espectral baseada na detecção de fluorescência é comumente usada para análise multiplex em detecção e diagnóstico biomédico 10, 13 .Na multiplexação, uma vez que múltiplos analitos (por exemplo, DNA ou proteínas específicas) são marcados com diferentes corantes fluorescentes, cada analito presente em cada ponto de emissão no campo de visão é quantificado utilizando análise multicomponente.32 decompõe o espectro de fluorescência detectado emitido por cada ponto de emissão.Durante esse processo, diferentes corantes, cada um emitindo uma fluorescência diferente, podem colocalizar-se, ou seja, coexistir no espaço e no tempo.Atualmente, o número máximo de corantes que podem ser excitados por um único feixe de laser é oito33.Este limite superior não é determinado pela resolução espectral (isto é, número de cores), mas pela largura do espectro de fluorescência (≥50 nm) e pela quantidade de corante Stokes shift (≤200 nm) em FRET (usando FRET)10 .Porém, o número de cores deve ser maior ou igual ao número de corantes para eliminar a sobreposição espectral de corantes mistos31,32.Portanto, é necessário aumentar o número de cores medidas simultaneamente para oito ou mais.
Recentemente, um espectrômetro heptacróico ultracompacto (usando um conjunto de espelhos hepticróicos e um sensor de imagem para medir quatro fluxos fluorescentes) foi desenvolvido.O espectrômetro é duas a três ordens de grandeza menor que os espectrômetros convencionais que utilizam grades ou prismas34,35.Porém, é difícil colocar mais de sete espelhos dicróicos em um espectrômetro e medir simultaneamente mais de sete cores36,37.Com um aumento no número de espelhos dicróicos, a diferença máxima nos comprimentos dos caminhos ópticos dos fluxos de luz dicróicos aumenta e torna-se difícil exibir todos os fluxos de luz em um plano sensorial.O maior comprimento do caminho óptico do fluxo luminoso também aumenta, de modo que a largura da abertura do espectrômetro (ou seja, a largura máxima da luz analisada pelo espectrômetro) diminui.
Em resposta aos problemas acima, foi desenvolvido um espectrômetro ultracompacto de nove cores com um conjunto de espelhos decacromáticos “dicróicos” de duas camadas e um sensor de imagem para imagem espectral instantânea [categoria (4)].Comparado aos espectrômetros anteriores, o espectrômetro desenvolvido tem uma diferença menor no comprimento máximo do caminho óptico e um comprimento máximo menor do caminho óptico.Foi aplicado à eletroforese de quatro capilares para detectar fluorescência de nove cores induzida por laser e quantificar a migração simultânea de oito corantes em cada capilar.Como o espectrômetro desenvolvido não é apenas ultrapequeno e barato, mas também possui um alto fluxo luminoso e resolução espectral suficiente para a maioria das aplicações de imagem espectral, ele pode ser amplamente utilizado em vários campos.
O espectrômetro tradicional de nove cores é mostrado na fig.1a.Seu design segue o do anterior espectrômetro ultrapequeno de sete cores 31. Ele consiste em nove espelhos dicróicos dispostos horizontalmente em um ângulo de 45° para a direita, e o sensor de imagem (S) está localizado acima dos nove espelhos dicróicos.A luz que entra por baixo (C0) é dividida por um conjunto de nove espelhos dicróicos em nove fluxos de luz que sobem (C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 e C9).Todos os nove fluxos de cores são alimentados diretamente no sensor de imagem e detectados simultaneamente.Neste estudo, C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 e C9 estão em ordem de comprimento de onda e são representados por magenta, violeta, azul, ciano, verde, amarelo, laranja, vermelho-laranja e vermelho, respectivamente.Embora estas designações de cores sejam utilizadas neste documento, conforme mostrado na Figura 3, porque diferem das cores reais vistas pelo olho humano.
Diagramas esquemáticos de espectrômetros de nove cores convencionais e novos.(a) Espectrômetro convencional de nove cores com um conjunto de nove espelhos dicróicos.(b) Novo espectrômetro de nove cores com um conjunto de espelhos dicróicos de duas camadas.O fluxo luminoso incidente C0 é dividido em nove fluxos luminosos coloridos C1-C9 e detectado pelo sensor de imagem S.
O novo espectrômetro de nove cores desenvolvido possui uma grade de espelho dicróico de duas camadas e um sensor de imagem, como mostrado na Fig.Na camada inferior, cinco espelhos dicróicos estão inclinados 45° para a direita, alinhados à direita do centro do conjunto de decâmeros.No nível superior, cinco espelhos dicróicos adicionais são inclinados 45° para a esquerda e localizados do centro para a esquerda.O espelho dicróico mais à esquerda da camada inferior e o espelho dicróico mais à direita da camada superior se sobrepõem.O fluxo de luz incidente (C0) é dividido abaixo em quatro fluxos cromáticos de saída (C1-C4) por cinco espelhos dicróicos à direita e cinco fluxos cromáticos de saída (C5-C4) por cinco espelhos dicróicos à esquerda (C9).Como os espectrômetros convencionais de nove cores, todos os nove fluxos de cores são injetados diretamente no sensor de imagem (S) e detectados simultaneamente.Comparando as Figuras 1a e 1b, pode-se ver que no caso do novo espectrômetro de nove cores, tanto a diferença máxima quanto o comprimento do caminho óptico mais longo dos nove fluxos de cores são reduzidos à metade.
A construção detalhada de um conjunto ultrapequeno de espelhos dicróicos de duas camadas de 29 mm (largura) × 31 mm (profundidade) × 6 mm (altura) é mostrado na Figura 2. O conjunto de espelhos dicróicos decimais consiste em cinco espelhos dicróicos à direita (M1-M5) e cinco espelhos dicróicos à esquerda (M6-M9 e outro M5), cada espelho dicróico é fixado no suporte superior de alumínio.Todos os espelhos dicróicos são escalonados para compensar o deslocamento paralelo devido à refração do fluxo através dos espelhos.Abaixo de M1, um filtro passa-faixa (BP) é fixado.As dimensões M1 e BP são 10 mm (lado longo) x 1,9 mm (lado curto) x 0,5 mm (espessura).As dimensões dos espelhos dicróicos restantes são 15 mm × 1,9 mm × 0,5 mm.O passo da matriz entre M1 e M2 é de 1,7 mm, enquanto o passo da matriz de outros espelhos dicróicos é de 1,6 mm.Na fig.2c combina o fluxo de luz incidente C0 e nove fluxos de luz coloridos C1-C9, separados por uma matriz de espelhos sem câmara.
Construção de uma matriz espelhada dicróica de duas camadas.(a) Uma vista em perspectiva e (b) uma vista em corte transversal de um conjunto de espelhos dicróicos de duas camadas (dimensões 29 mm x 31 mm x 6 mm).É composto por cinco espelhos dicróicos (M1-M5) localizados na camada inferior, cinco espelhos dicróicos (M6-M9 e outro M5) localizados na camada superior e um filtro passa-banda (BP) localizado abaixo de M1.(c) Vista em corte transversal no sentido vertical, com sobreposição de C0 e C1-C9.
A largura da abertura na direção horizontal, indicada pela largura C0 na Fig. 2, c, é de 1 mm, e na direção perpendicular ao plano da Fig. – 7mm.Ou seja, o novo espectrômetro de nove cores possui um grande tamanho de abertura de 1 mm × 7 mm.O caminho óptico de C4 é o mais longo entre C1-C9, e o caminho óptico de C4 dentro do conjunto de espelhos dicróicos, devido ao tamanho ultrapequeno acima (29 mm × 31 mm × 6 mm), é de 12 mm.Ao mesmo tempo, o comprimento do caminho óptico de C5 é o mais curto entre C1-C9, e o comprimento do caminho óptico de C5 é de 5,7 mm.Portanto, a diferença máxima no comprimento do caminho óptico é de 6,3 mm.Os comprimentos do caminho óptico acima são corrigidos para o comprimento do caminho óptico para transmissão óptica de M1-M9 e BP (de quartzo).
As propriedades espectrais de М1−М9 e VR são calculadas de modo que os fluxos С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8 e С9 estejam na faixa de comprimento de onda 520–540, 540–560, 560–580, 580 –600, 600–620, 620–640, 640–660, 660–680 e 680–700 nm, respectivamente.
Uma fotografia da matriz fabricada de espelhos decacromáticos é mostrada na Fig.M1-M9 e BP estão colados na inclinação de 45° e no plano horizontal do suporte de alumínio, respectivamente, enquanto M1 e BP estão escondidos na parte de trás da figura.
Produção de uma série de espelhos decanatos e sua demonstração.(a) Uma série de espelhos decacromáticos fabricados.(b) Uma imagem dividida em nove cores de 1 mm × 7 mm projetada em uma folha de papel colocada na frente de um conjunto de espelhos decacromáticos e iluminada por trás com luz branca.(c) Um conjunto de espelhos decocromáticos iluminados com luz branca por trás.(d) Fluxo de divisão de nove cores que emana do conjunto de espelhos decanos, observado colocando uma vasilha de acrílico cheia de fumaça na frente do conjunto de espelhos decanos em c e escurecendo a sala.
Os espectros de transmissão medidos de M1-M9 C0 a um ângulo de incidência de 45° e o espectro de transmissão medido de BP C0 a um ângulo de incidência de 0° são mostrados nas Figs.4a.Os espectros de transmissão de C1-C9 em relação a C0 são mostrados nas Figs.4b.Estes espectros foram calculados a partir dos espectros nas Figs.4a de acordo com o caminho óptico C1-C9 na Fig. 4a.1b e 2c.Por exemplo, TS(C4) = TS (BP) × [1 − TS (M1)] × TS (M2) × TS (M3) × TS (M4) × [1 − TS (M5)], TS(C9) = TS (BP) × TS (M1) × [1 − TS (M6)] × TS (M7) × TS (M8) × TS (M9) × [1 − TS (M5)], onde TS (X) e [ 1 − TS(X)] são os espectros de transmissão e reflexão de X, respectivamente.Conforme mostrado na Figura 4b, as larguras de banda (largura de banda ≥50%) de C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 e C9 são 521-540, 541-562, 563-580, 581-602, 603 -623, 624-641, 642-657, 659-680 e 682-699 nm.Esses resultados são consistentes com as faixas desenvolvidas.Além disso, a eficiência de utilização da luz C0 é alta, ou seja, a transmitância máxima média da luz C1-C9 é de 92%.
Espectros de transmissão de um espelho dicróico e um fluxo dividido de nove cores.(a) Espectros de transmissão medidos de M1-M9 a 45° de incidência e BP a 0° de incidência.(b) Espectros de transmissão de C1 – C9 em relação a C0 calculados a partir de (a).
Na fig.3c, o conjunto de espelhos dicróicos está localizado verticalmente, de modo que seu lado direito na Fig. 3a seja o lado superior e o feixe branco do LED colimado (C0) seja retroiluminado.O conjunto de espelhos decacromáticos mostrado na Figura 3a é montado em um adaptador de 54 mm (altura) × 58 mm (profundidade) × 8,5 mm (espessura).Na fig.3d, além do estado mostrado na fig.3c, um tanque de acrílico cheio de fumaça foi colocado em frente a um conjunto de espelhos decocromáticos, com as luzes da sala apagadas.Como resultado, nove fluxos dicróicos são visíveis no tanque, emanando de uma série de espelhos decacromáticos.Cada fluxo dividido possui uma seção transversal retangular com dimensões de 1 × 7 mm, que corresponde ao tamanho da abertura do novo espectrômetro de nove cores.Na Figura 3b, uma folha de papel é colocada na frente do conjunto de espelhos dicróicos na Figura 3c, e uma imagem de 1 x 7 mm de nove fluxos dicróicos projetados no papel é observada a partir da direção do movimento do papel.fluxos.Os nove fluxos de separação de cores na fig.3b e d são C4, C3, C2, C1, C5, C6, C7, C8 e C9 de cima para baixo, o que também pode ser visto nas figuras 1 e 2. 1b e 2c.Eles são observados em cores correspondentes aos seus comprimentos de onda.Devido à baixa intensidade de luz branca do LED (ver Figura Suplementar S3) e à sensibilidade da câmera colorida usada para capturar C9 (682–699 nm) na Fig.Da mesma forma, C9 era ligeiramente visível a olho nu.Enquanto isso, C2 (o segundo fluxo a partir do topo) parece verde na Figura 3, mas parece mais amarelo a olho nu.
A transição da Figura 3c para d é mostrada no Vídeo Suplementar 1. Imediatamente após a luz branca do LED passar pelo conjunto de espelhos decacromáticos, ela se divide simultaneamente em nove fluxos de cores.No final, a fumaça da cuba dissipou-se gradativamente de cima para baixo, de modo que os nove pós coloridos também desapareceram de cima para baixo.Em contraste, no Vídeo Suplementar 2, quando o comprimento de onda do fluxo de luz incidente no conjunto de espelhos decacromáticos foi alterado de longo para curto na ordem de 690, 671, 650, 632, 610, 589, 568, 550 e 532 nm ., Somente os fluxos divididos correspondentes dos nove fluxos divididos na ordem C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 e C1 são exibidos.O reservatório de acrílico é substituído por uma piscina de quartzo, e os flocos de cada fluxo desviado podem ser claramente observados na direção ascendente.Além disso, o subvídeo 3 é editado de modo que a porção de mudança de comprimento de onda do subvídeo 2 seja reproduzida.Esta é a expressão mais eloquente das características de um conjunto decocromático de espelhos.
Os resultados acima mostram que o conjunto de espelhos decacromáticos fabricado ou o novo espectrômetro de nove cores funciona conforme pretendido.O novo espectrômetro de nove cores é formado pela montagem de um conjunto de espelhos decacromáticos com adaptadores diretamente na placa do sensor de imagem.
Fluxo luminoso com faixa de comprimento de onda de 400 a 750 nm, emitido por quatro pontos de radiação φ50 μm, localizados em intervalos de 1 mm na direção perpendicular ao plano da Fig. 2c, respectivamente Pesquisas 31, 34. O arranjo de quatro lentes consiste em quatro lentes φ1 mm com distância focal de 1,4 mm e passo de 1 mm.Quatro fluxos colimados (quatro C0) incidem no DP de um novo espectrômetro de nove cores, espaçados em intervalos de 1 mm.Uma matriz de espelhos dicróicos divide cada fluxo (C0) em nove fluxos de cores (C1-C9).Os 36 fluxos resultantes (quatro conjuntos de C1-C9) são então injetados diretamente em um sensor de imagem CMOS (S) conectado diretamente a um conjunto de espelhos dicróicos.Como resultado, como mostrado na Fig. 5a, devido à pequena diferença máxima do caminho óptico e ao curto caminho óptico máximo, as imagens de todos os 36 fluxos foram detectadas simultaneamente e claramente com o mesmo tamanho.De acordo com os espectros a jusante (ver Figura Suplementar S4), a intensidade da imagem dos quatro grupos C1, C2 e C3 é relativamente baixa.Trinta e seis imagens tinham tamanho de 0,57 ± 0,05 mm (média ± DP).Assim, a ampliação da imagem foi em média de 11,4.O espaçamento vertical entre as imagens é em média de 1 mm (mesmo espaçamento de um conjunto de lentes) e o espaçamento horizontal é em média de 1,6 mm (mesmo espaçamento de um conjunto de espelhos dicróicos).Como o tamanho da imagem é muito menor que a distância entre as imagens, cada imagem pode ser medida de forma independente (com baixa diafonia).Enquanto isso, imagens de vinte e oito fluxos registrados pelo espectrômetro convencional de sete cores usado em nosso estudo anterior são mostradas na Fig. 5 B. O arranjo de sete espelhos dicróicos foi criado removendo os dois espelhos dicróicos mais à direita do arranjo de nove espelhos dicróicos. espelhos na Figura 1a.Nem todas as imagens são nítidas, o tamanho da imagem aumenta de C1 a C7.Vinte e oito imagens têm tamanho de 0,70 ± 0,19 mm.Assim, é difícil manter a alta resolução em todas as imagens.O coeficiente de variação (CV) para o tamanho da imagem 28 na Figura 5b foi de 28%, enquanto o CV para o tamanho da imagem 36 na Figura 5a diminuiu para 9%.Os resultados acima mostram que o novo espectrômetro de nove cores não apenas aumenta o número de cores medidas simultaneamente de sete para nove, mas também possui uma alta resolução de imagem para cada cor.
Comparação da qualidade da imagem dividida formada por espectrômetros convencionais e novos.(a) Quatro grupos de imagens separadas por nove cores (C1-C9) geradas pelo novo espectrômetro de nove cores.(b) Quatro conjuntos de imagens separadas por sete cores (C1-C7) formadas com um espectrômetro convencional de sete cores.Fluxos (C0) com comprimentos de onda de 400 a 750 nm de quatro pontos de emissão são colimados e incidentes em cada espectrômetro, respectivamente.
As características espectrais do espectrômetro de nove cores foram avaliadas experimentalmente e os resultados da avaliação são mostrados na Figura 6. Observe que a Figura 6a mostra os mesmos resultados da Figura 5a, ou seja, em comprimentos de onda de 4 C0 400–750 nm, todas as 36 imagens são detectadas (4 grupos C1–C9).Pelo contrário, como mostrado na Fig. 6b-j, quando cada C0 tem um comprimento de onda específico de 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 ou 690 nm, existem quase apenas quatro imagens correspondentes (quatro grupos detectaram C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 ou C9).No entanto, algumas das imagens adjacentes às quatro imagens correspondentes são detectadas de forma muito fraca porque os espectros de transmissão C1-C9 mostrados na Fig. 4b se sobrepõem ligeiramente e cada C0 tem uma banda de 10 nm em um comprimento de onda específico, conforme descrito no método.Estes resultados são consistentes com os espectros de transmissão C1-C9 mostrados nas Figs.4b e vídeos suplementares 2 e 3. Em outras palavras, o espectrômetro de nove cores funciona conforme o esperado com base nos resultados mostrados na fig.4b.Portanto, conclui-se que a distribuição de intensidade da imagem C1-C9 é o espectro de cada C0.
Características espectrais de um espectrômetro de nove cores.O novo espectrômetro de nove cores gera quatro conjuntos de imagens separadas por nove cores (C1-C9) quando a luz incidente (quatro C0) tem um comprimento de onda de (a) 400-750 nm (como mostrado na Figura 5a), (b) 530 nm.nm, (c) 550 nm, (d) 570 nm, (e) 590 nm, (f) 610 nm, (g) 630 nm, (h) 650 nm, (i) 670 nm, (j) 690 nm, respectivamente.
O espectrômetro de nove cores desenvolvido foi utilizado para eletroforese de quatro capilares (para detalhes, ver Materiais Suplementares)31,34,35.A matriz de quatro capilares consiste em quatro capilares (diâmetro externo 360 μm e diâmetro interno 50 μm) localizados em intervalos de 1 mm no local de irradiação do laser.Amostras contendo fragmentos de DNA marcados com 8 corantes, nomeadamente FL-6C (corante 1), JOE-6C (corante 2), dR6G (corante 3), TMR-6C (corante 4), CXR-6C (corante 5), TOM- 6C (corante 6), LIZ (corante 7) e WEN (corante 8) em ordem crescente de comprimento de onda fluorescente, separados em cada um dos quatro capilares (doravante denominados Cap1, Cap2, Cap3 e Cap4).A fluorescência induzida por laser de Cap1-Cap4 foi colimada com um conjunto de quatro lentes e registrada simultaneamente com um espectrômetro de nove cores.A dinâmica de intensidade da fluorescência de nove cores (C1-C9) durante a eletroforese, ou seja, um eletroforegrama de nove cores de cada capilar, é mostrada na Fig.Um eletroforegrama equivalente de nove cores é obtido em Cap1-Cap4.Conforme indicado pelas setas Cap1 na Figura 7a, os oito picos em cada eletroforegrama de nove cores mostram uma emissão de fluorescência de Dye1-Dye8, respectivamente.
Quantificação simultânea de oito corantes usando um espectrômetro de eletroforese de quatro capilares de nove cores.(a) Eletroforegrama de nove cores (C1-C9) de cada capilar.Os oito picos indicados pelas setas Cap1 mostram emissões de fluorescência individuais de oito corantes (Dye1-Dye8).As cores das setas correspondem às cores (b) e (c).(b) Espectros de fluorescência de oito corantes (Dye1-Dye8) por capilar.c Eletroferogramas de oito corantes (Dye1-Dye8) por capilar.Os picos dos fragmentos de ADN marcados com Dye7 estão indicados por setas e os seus comprimentos de base Cap4 estão indicados.
As distribuições de intensidade de C1 – C9 em oito picos são mostradas nas Figs.7b, respectivamente.Como tanto C1-C9 quanto Dye1-Dye8 estão em ordem de comprimento de onda, as oito distribuições na Fig. 7b mostram os espectros de fluorescência de Dye1-Dye8 sequencialmente da esquerda para a direita.Neste estudo, Dye1, Dye2, Dye3, Dye4, Dye5, Dye6, Dye7 e Dye8 aparecem em magenta, violeta, azul, ciano, verde, amarelo, laranja e vermelho, respectivamente.Observe que as cores das setas na Fig. 7a correspondem às cores dos corantes na Fig. 7b.As intensidades de fluorescência C1-C9 para cada espectro na Figura 7b foram normalizadas para que sua soma seja igual a um.Oito espectros de fluorescência equivalentes foram obtidos de Cap1-Cap4.Pode-se observar claramente a sobreposição espectral de fluorescência entre o corante 1 e o corante 8.
Como mostrado na Figura 7c, para cada capilar, o eletroforegrama de nove cores na Figura 7a foi convertido em um eletroferograma de oito corantes por análise multicomponente baseada nos oito espectros de fluorescência na Figura 7b (ver Materiais Suplementares para detalhes).Uma vez que a sobreposição espectral de fluorescência na Figura 7a não é exibida na Figura 7c, Dye1-Dye8 pode ser identificado e quantificado individualmente em cada ponto de tempo, mesmo que diferentes quantidades de Dye1-Dye8 fluoresçam ao mesmo tempo.Isto não pode ser feito com a detecção tradicional de sete cores31, mas pode ser alcançado com a detecção de nove cores desenvolvida.Conforme mostrado pelas setas Cap1 na Fig. 7c, apenas os singletos de emissão fluorescente Dye3 (azul), Dye8 (vermelho), Dye5 (verde), Dye4 (ciano), Dye2 (roxo), Dye1 (magenta) e Dye6 (Amarelo ) são observados na ordem cronológica esperada.Para a emissão fluorescente do corante 7 (laranja), além do pico único indicado pela seta laranja, foram observados vários outros picos únicos.Este resultado se deve ao fato de as amostras conterem padrões de tamanho, fragmentos de DNA marcados com Dye7 com diferentes comprimentos de base.Conforme mostrado na Figura 7c, para Cap4 esses comprimentos de base são 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214 e 220 comprimentos de base.
As principais características do espectrômetro de nove cores, desenvolvido a partir de uma matriz de espelhos dicróicos de duas camadas, são o tamanho pequeno e o design simples.Como o conjunto de espelhos decacromáticos dentro do adaptador mostrado na fig.3c montado diretamente na placa do sensor de imagem (ver Fig. S1 e S2), o espectrômetro de nove cores tem as mesmas dimensões do adaptador, ou seja, 54 × 58 × 8,5 mm.(grossura) .Esse tamanho ultrapequeno é duas a três ordens de magnitude menor do que os espectrômetros convencionais que usam grades ou prismas.Além disso, como o espectrômetro de nove cores é configurado de modo que a luz atinja a superfície do sensor de imagem perpendicularmente, o espaço pode ser facilmente alocado para o espectrômetro de nove cores em sistemas como microscópios, citômetros de fluxo ou analisadores.Analisador de eletroforese de grade capilar para miniaturização ainda maior do sistema.Ao mesmo tempo, o tamanho de dez espelhos dicróicos e filtros passa-banda usados ​​no espectrômetro de nove cores é de apenas 10×1,9×0,5 mm ou 15×1,9×0,5 mm.Assim, mais de 100 desses pequenos espelhos dicróicos e filtros passa-banda, respectivamente, podem ser cortados de um espelho dicróico e de um filtro passa-banda de 60 mm2, respectivamente.Portanto, uma série de espelhos decacromáticos pode ser fabricada a baixo custo.
Outra característica do espectrômetro de nove cores são suas excelentes características espectrais.Em particular, permite a aquisição de imagens espectrais de instantâneos, ou seja, a aquisição simultânea de imagens com informação espectral.Para cada imagem foi obtido um espectro contínuo com faixa de comprimento de onda de 520 a 700 nm e resolução de 20 nm.Em outras palavras, nove intensidades de cor de luz são detectadas para cada imagem, ou seja, nove bandas de 20 nm dividindo igualmente a faixa de comprimento de onda de 520 a 700 nm.Ao alterar as características espectrais do espelho dicróico e do filtro passa-banda, a faixa de comprimento de onda das nove bandas e a largura de cada banda podem ser ajustadas.A detecção de nove cores pode ser usada não apenas para medições de fluorescência com imagens espectrais (conforme descrito neste relatório), mas também para muitas outras aplicações comuns usando imagens espectrais.Embora a imagem hiperespectral possa detectar centenas de cores, descobriu-se que mesmo com uma redução significativa no número de cores detectáveis, múltiplos objetos no campo de visão podem ser identificados com precisão suficiente para muitas aplicações38,39,40.Como a resolução espacial, a resolução espectral e a resolução temporal têm uma compensação na imagem espectral, a redução do número de cores pode melhorar a resolução espacial e a resolução temporal.Ele também pode usar espectrômetros simples como o desenvolvido neste estudo e reduzir ainda mais a quantidade de computação.
Neste estudo, oito corantes foram quantificados simultaneamente por separação espectral de seus espectros de fluorescência sobrepostos com base na detecção de nove cores.Até nove corantes podem ser quantificados simultaneamente, coexistindo no tempo e no espaço.Uma vantagem especial do espectrômetro de nove cores é seu alto fluxo luminoso e grande abertura (1 × 7 mm).O conjunto de espelhos decanos tem uma transmissão máxima de 92% da luz da abertura em cada uma das nove faixas de comprimento de onda.A eficiência do uso da luz incidente na faixa de comprimento de onda de 520 a 700 nm é de quase 100%.Em uma faixa tão ampla de comprimentos de onda, nenhuma rede de difração pode fornecer uma eficiência de uso tão alta.Mesmo que a eficiência de difração de uma rede de difração exceda 90% em um determinado comprimento de onda, à medida que a diferença entre esse comprimento de onda e um determinado comprimento de onda aumenta, a eficiência de difração em outro comprimento de onda diminui .A largura da abertura perpendicular à direção do plano na Fig. 2c pode ser estendida de 7 mm até a largura do sensor de imagem, como no caso do sensor de imagem usado neste estudo, modificando ligeiramente o conjunto de decâmeros.
O espectrômetro de nove cores pode ser usado não apenas para eletroforese capilar, como mostrado neste estudo, mas também para diversos outros fins.Por exemplo, conforme mostrado na figura abaixo, um espectrômetro de nove cores pode ser aplicado a um microscópio de fluorescência.O plano da amostra é exibido no sensor de imagem do espectrômetro de nove cores através de uma objetiva de 10x.A distância óptica entre a lente objetiva e o sensor de imagem é de 200 mm, enquanto a distância óptica entre a superfície incidente do espectrômetro de nove cores e o sensor de imagem é de apenas 12 mm.Portanto, a imagem foi cortada aproximadamente no tamanho da abertura (1 × 7 mm) no plano de incidência e dividida em nove imagens coloridas.Ou seja, uma imagem espectral de um instantâneo de nove cores pode ser obtida em uma área de 0,1×0,7 mm no plano da amostra.Além disso, é possível obter uma imagem espectral de nove cores de uma área maior no plano da amostra, varrendo a amostra em relação à objetiva na direção horizontal na Fig.
Os componentes do conjunto de espelhos decacromáticos, nomeadamente M1-M9 e BP, foram feitos à medida pela Asahi Spectra Co., Ltd., utilizando métodos de precipitação padrão.Materiais dielétricos multicamadas foram aplicados individualmente em dez placas de quartzo de 60 × 60 mm de tamanho e 0,5 mm de espessura, atendendo aos seguintes requisitos: M1: IA = 45°, R ≥ 90% a 520–590 nm, Tave ≥ 90% a 610– 610nm.700 nm, M2: IA = 45°, R ≥ 90% a 520–530 nm, Tave ≥ 90% a 550–600 nm, M3: IA = 45°, R ≥ 90% a 540–550 nm, Tave ≥ 90 % a 570–600 nm, M4: IA = 45°, R ≥ 90% a 560–570 nm, Tave ≥ 90% a 590–600 nm, M5: IA = 45°, R ≥ 98% a 580–600 nm , R ≥ 98% a 680–700 nm, M6: IA = 45°, Tave ≥ 90% a 600–610 nm, R ≥ 90% a 630–700 nm, M7: IA = 45°, R ≥ 90% em 620–630 nm, Taw ≥ 90% a 650–700 nm, M8: IA = 45°, R ≥ 90% a 640–650 nm, Taw ≥ 90% a 670–700 nm, M9: IA = 45°, R ≥ 90% a 650-670 nm, Tave ≥ 90% a 690-700 nm, BP: IA = 0°, T ≤ 0,01% a 505 nm, Tave ≥ 95% a 530-690 nm a 530 nm T ≥ 90% em -690 nm e T ≤ 1% em 725-750 nm, onde IA, T, Tave e R são o ângulo de incidência, transmitância, transmitância média e refletância de luz não polarizada.
A luz branca (C0) com faixa de comprimento de onda de 400–750 nm emitida por uma fonte de luz LED (AS 3000, AS ONE CORPORATION) foi colimada e incidente verticalmente no DP de um conjunto de espelhos dicróicos.O espectro de luz branca dos LEDs é mostrado na Figura Suplementar S3.Coloque um tanque de acrílico (dimensões 150 × 150 × 30 mm) diretamente na frente do conjunto de espelhos decâmera, em frente à PSU.A fumaça gerada quando o gelo seco foi imerso em água foi então despejada em um tanque de acrílico para observar os fluxos divididos C1-C9 de nove cores que emanam do conjunto de espelhos decacromáticos.
Alternativamente, a luz branca colimada (C0) passa através de um filtro antes de entrar no DP.Os filtros eram originalmente filtros de densidade neutra com densidade óptica de 0,6.Em seguida, use um filtro motorizado (FW212C, FW212C, Thorlabs).Por fim, ligue novamente o filtro ND.As larguras de banda dos nove filtros passa-banda correspondem a C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 e C1, respectivamente.Uma célula de quartzo com dimensões internas de 40 (comprimento óptico) x 42,5 (altura) x 10 mm (largura) foi colocada em frente a um conjunto de espelhos decocromáticos, oposto ao BP.A fumaça é então alimentada através de um tubo na célula de quartzo para manter a concentração de fumaça na célula de quartzo para visualizar os fluxos divididos C1-C9 de nove cores que emanam do conjunto de espelhos decacromáticos.
Um vídeo do fluxo de luz dividido em nove cores que emana de uma série de espelhos decânicos foi capturado no modo time-lapse no iPhone XS.Capture imagens da cena a 1 fps e compile as imagens para criar vídeo a 30 fps (para vídeo opcional 1) ou 24 fps (para vídeos opcionais 2 e 3).
Coloque uma placa de aço inoxidável de 50 μm de espessura (com quatro furos de 50 μm de diâmetro em intervalos de 1 mm) na placa de difusão.A luz com comprimento de onda de 400-750 nm é irradiada sobre a placa difusora, obtida pela passagem da luz de uma lâmpada halógena através de um filtro de transmissão curto com comprimento de onda de corte de 700 nm.O espectro de luz é mostrado na Figura Suplementar S4.Alternativamente, a luz também passa através de um dos filtros passa-banda de 10 nm centrados em 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 e 690 nm e atinge a placa difusora.Como resultado, quatro pontos de radiação com diâmetro de φ50 μm e diferentes comprimentos de onda foram formados em uma placa de aço inoxidável oposta à placa difusora.
Um arranjo de quatro capilares com quatro lentes é montado em um espectrômetro de nove cores conforme mostrado nas Figuras 1 e 2. C1 e C2.Os quatro capilares e quatro lentes foram os mesmos de estudos anteriores31,34.Um feixe de laser com comprimento de onda de 505 nm e potência de 15 mW é irradiado simultânea e uniformemente da lateral para os pontos de emissão de quatro capilares.A fluorescência emitida por cada ponto de emissão é colimada pela lente correspondente e separada em nove fluxos de cores por um conjunto de espelhos decacromáticos.Os 36 fluxos resultantes foram então injetados diretamente em um sensor de imagem CMOS (C11440–52U, Hamamatsu Photonics K·K.), e suas imagens foram gravadas simultaneamente.
ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit (Applied Biosystems), 4 µl de corante GeneScan™ 600 LIZ™ foram misturados para cada capilar misturando 1 µl PowerPlex® 6C Matrix Standard (Promega Corporation), 1 µl de tamanho de mistura padrão.v2.0 (Thermo Fisher Scientific) e 14 µl de água.O PowerPlex® 6C Matrix Standard consiste em seis fragmentos de DNA marcados com seis corantes: FL-6C, JOE-6C, TMR-6C, CXR-6C, TOM-6C e WEN, em ordem de comprimento de onda máximo.Os comprimentos de base destes fragmentos de ADN não são divulgados, mas a sequência de comprimento de base dos fragmentos de ADN marcados com WEN, CXR-6C, TMR-6C, JOE-6C, FL-6C e TOM-6C é conhecida.A mistura no ABI PRISM® BigDye® Primer Cycle Sequencing Ready Reaction Kit contém um fragmento de DNA marcado com corante dR6G.Os comprimentos das bases dos fragmentos de DNA também não são divulgados.GeneScan™ 600 LIZ™ Dye Size Standard v2.0 inclui 36 fragmentos de DNA marcados com LIZ.Os comprimentos de base desses fragmentos de DNA são 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 e 600 bases.As amostras foram desnaturadas a 94°C por 3 minutos e depois resfriadas em gelo por 5 minutos.As amostras foram injetadas em cada capilar a 26 V/cm por 9 s e separadas em cada capilar preenchido com uma solução de polímero POP-7™ (Thermo Fisher Scientific) com comprimento efetivo de 36 cm e voltagem de 181 V/cm e ângulo de 60°.DE.
Todos os dados obtidos ou analisados ​​no decorrer deste estudo estão incluídos neste artigo publicado e suas informações adicionais.Outros dados relevantes para este estudo estão disponíveis aos respectivos autores mediante solicitação razoável.
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