fúzió

  • elemeket
  • absztrakt
  • bevezetés
  • Anyagok és metódusok
  • Képalkotó eszközök
  • Kép rekonstrukció
  • az eredmény
  • vita
  • következtetések
  • További részletek
  • Hozzászólások

elemeket

  • Képalkotó technikák
  • Interferencia mikroszkópia
  • Optikai érzékelők

absztrakt

A forgács nélküli széles látószögű mikroszkópia, amely a holografia elveit használja a lencsék nélküli fénymező interferometrikus kódolásának elolvasására, az objektív alapú technikákhoz képest nagy látómező miatt széles körű érdeklődésnek örvendő képalkotó modalitást jelent. Ebben a tanulmányban bemutatjuk a lézerfény-fúzió ötletét lencsék nélküli fáziskontrasztos mikroszkóppal a nanorészecskék detektálására, ahol lencsék nélkül kapott egyesített interferometrikus lézerfénymezőket integrálunk egy chip tömbbe, különböző hullámhosszúságú lézerrel pulzálva fázist a részecskék kontraszt képei markerek alkalmazása nanométeres skálán. A koncepció bizonyítékaként először bemutatunk egy széles chipes, lencsék nélküli elektronikus chip eszközt, amely sikeresen érzékeli a 300 nm-es részecskéket egy nagy látómezőben.

30 mm 2 bármilyen speciális vagy összetett minta-előkészítés nélkül, vagy szintetikus nyíláson vagy elmozduláson alapuló technikák alkalmazása nélkül.

A fáziskontraszt mikroszkópiát bevezették a fényáteresztő tulajdonságokkal rendelkező tárgyak megfigyelésének eszközeként 1. Az ilyen objektumok mikroszkópiája világos mezőben általában alacsony kontrasztú képeket eredményez, mivel a beolvasott fény és a megjelenített minta nem nagyon hatnak egymással. A fáziskontrasztos mikroszkóp azonban lehetővé teszi az optikai út hosszának azon különbségeinek vizualizálását, amelyeket a pásztázó fény tapasztalhat a mintával való kölcsönhatás miatt, így nagy kontrasztú képeket kap az ilyen mintákról. A fáziskontraszt-mikroszkópia fent említett előnye ellenére a fénymező-mikroszkópia ugyanazokkal a hátrányaival sújtja, mint például a korlátozott látómező (FOV), a korlátozott felbontás és a műszer tervezésének és működésének nagy bonyolultsága.

Forgács nélküli széles terű mikroszkópia, ahol holografikus elveket alkalmaznak az interferometrikus fénymező kódok lencsék nélküli rögzítésére, érdekes módszer lett a lencse alapú technikák hiányosságainak orvoslására 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22. Lényegében ezek a lencsék nélküli chip-eszközök fogalmilag egyszerűek és rendkívül nagy FOV-okat kínálnak az objektív-alapú eszközökhöz képest. Mivel a tárgylemez a detektor tetején helyezkedik el egy chip nélküli chip-összeállításban, a detektor pixelmagassága befolyásolhatja a részecskék nanométeres skálán történő észlelésének képességét. Szintetikus nyíláson vagy 7, 8, 9, 11, 23, 24 oldalirányú elmozduláson alapuló technikákat javasoltak a felbontás javítására, bár ezek a technikák általában növelik a hardver komplexitását és csökkentik a műszer teljesítményének toleranciáját. Az utóbbi időben a többszörös 17, 20, 21, 22, 25 hullámhosszon alapuló technikák szintén jelentős ígéretet tettek a felbontás javítására.

Ebben a tanulmányban bemutatjuk a kontrasztmikroszkópia és a lézerfény-fázis fúziójának ötletét a nanorészecskék detektálására. A 20., 21., 22. spektrális fénymező fúziójának korábbi, előzetes fázisából inspirálva a kontrasztmikroszkópos fúzió a fázis lézer fényterével magában foglalja az interferometrikus fénytér kódolásának megszerzését és összeolvasztását nem lencsék felhasználásával, a chip beállítását lézeres pulzációkkal. különböző hullámhosszakon fáziskontraszt kép létrehozásához markerek nélkül, amint az a 3. ábrán látható. 1. A javasolt eszköz lehetővé teszi számunkra a nanorészecskék detektálását a chip objektív nélküli beállításai segítségével, ami csökkenti a képalkotás költségeit és bonyolultságát más megoldásokhoz képest. A koncepció bizonyítékaként először bemutatunk egy chip-műszer nélküli lencsét, amely széles látómezőben képes 300 nm-es részecskék detektálására

30 mm 2 speciális vagy összetett minta-előkészítés, illetve szintetikus nyíláson vagy oldalirányú elmozduláson alapuló technikák alkalmazása nélkül.

a ) A kétvezetékes impulzusos lézerfényforrásban használt egymódú optikai kábel vázlata; rögzítik az érzékelő mező nagyságát, amely a műszer teljes látómezőjét képviseli. b a c ) rögzített interferometrikus fénymező kódolást (A 1 = 531, 9 nm ( b ) és λ 2 = 638, 3 nm ( c )), a skála oszlopai 1 mm-t jelölnek.

Teljes méretű kép

Anyagok és metódusok

Képalkotó eszközök

A tanulmányhoz használt javasolt chipmentes fázisú kontrasztmikroszkóp-készülék (az 1. ábrán látható) a következőképpen írható le. Kétcsatornás impulzusos lézerfényforrást használnak, amelynek központi hullámhossza X1 = 531,9 nm és X3 = 638,3 nm hullámhosszon van, a spektrális sávszélesség 1 nm. Az impulzusos lézerfényforrást úgy programozták, hogy váltakozó impulzus hullámhossz-szekvenciával pulzáljon, a pulzációk időtartama úgy van konfigurálva, hogy a detektoron megfigyelt jel maximális legyen, miközben csökkenti a pixeltelítettséget. Az impulzusos lézerfényforrás egymódusú optikai kábelhez csatlakozik a minta megvilágításához. A detektor leolvasását szinkronizálják impulzusok sorozatával, hogy gyorsan és simán megszerezzék az interferometrikus fénytér kódolását a lézerfényforrás két hullámhosszán. Az expozíciós idő 500 képkocka/másodperc volt).

A megjelenítendő mintát egy # 1 vastag tárgylemezre helyezzük

145 μm, amely közvetlenül a detektoron helyezkedik el. A minta különböző hullámhosszakon megjelenő fénymezőjének kódolása interfometrikusan egy 3840 x 2748 pixel méretű CMOS szkennelő mezőt használó detektor segítségével, 1,67 μm pixeltávolsággal történik. A készülék FOV-ját az érzékelő aktív mérete határozza meg, és az

30 mm2. A rögzített interferometrikus fénytér kódolást, amelyet gx, y, λ jelöléssel jelölünk, X jelzi a hullámhosszat, ezután egy digitális jelfeldolgozó egységhez küldjük, ahol a fénytér numerikus fúzióját egy lézer végzi az egyesített fázis kontraszt kép rx, y rekonstrukciója céljából., z .

Ebben a tanulmányban a mérőt a célpontforrások több beszerzése alapján jellemezték annak érdekében, hogy meghatározzák az aberráció átviteli függvényét minden hullámhosszon (

) egy impulzusos lézerfényforrást, hogy figyelembe vegyék a különbözõ hullámhosszakat.

Összehasonlítás céljából ez a tanulmány ki is értékelte egy chip nélküli chip referenciaeszközt, amely a fenti képalkotó eszköz segítségével érzékeli a fénytér interferometriai kódolását λ = 531,9 nm-en (egycsatornás lézerfényforrást használunk).

Kép rekonstrukció

A digitális jelfeldolgozó egységen végrehajtott lézerfénytér numerikus fúziója a fuzionált fáziskontraszt kép rekonstruálásához a javasolt készülék által végzett mérésekből a következőképpen írható le. A g x, y, λ fénymező rögzített interferometrikus kódolása befogadja az egyedi diffrakciós viselkedést különböző λ hullámhosszakon, amelyet jobb képminőség elérésére használunk, amelyet egyetlen hullámhosszal lehet elérni. Hozzunk létre egy rögzített q x, y fényteret egy fuzionált lézerobjektumból, f f, y, z, λ lézerobjektum fényterének alterületi vetületként,

ahol λ-ben az f x, y, z, λ korrelációs mátrix legnagyobb sajátvektorának X-hez társított együtthatóját jelöli, figyelembe véve tehát a λ kereszteződési struktúrát. Mivel a leírt eszköz rögzíti g x, y, λ, nem f x, y, z, λ-t, meg kell tervezni a q x, y, z numerikus becslés mechanizmusát, adott g x, y, λ .

Most modellezzük valószínűségi eloszlásként a lézertárgy f x, y, z, λ fényterét és a g x, y, λ kódoló interferometrikus lézer fényteret. A qx, y, z becsléséhez most ki akarjuk számítani az fx, y, z lézerobjektum legvalószínűbb fx, y, z, λ fényterének és az adott gx, y, λ fénytér vetületét az sfx, y, z, λ és az aberrációs transzfer funkcióval (), valamint a Rayleigh-Sommerfeld diffrakciós transzfer funkcióval () kapcsolatos ismeretek

ahol p (gx, y, λ | fx, y, z, λ) az fx, y, z, λ által megadott gx, y, λ valószínűséget és p (fx, y, z, λ) az előző fx számot jelöli, y, z, λ. A fotonemisszió kvantstatisztikái szerint p (g x, y, λ | f x, y, z, λ) kifejezhető

ahol egy Fourier-transzformációt előre és inverzre jelöl. Az f x, y, z, λ mint nem stacionárius folyamat modellezésével lehetséges p (f x, y, z, λ) kifejezése

ahol E (f x, y, z, λ) nem stacionárius várakozást, τ 2 pedig varianciát jelöl. Az r x, y, z kombinált fáziskontraszt kép rekonstruálásához a kiszámított értéket kiszámítjuk, a fázist 90 ° -kal eltoljuk nulla frekvencián, és ennek az eltolt fázisnak az amplitúdóját r x, y, z1 értéknek vesszük. .

Az egyenlőség megoldására A várakozás maximalizálását használják a MAP becsléséhez. 2. és a konvergenciáig végzik.

az eredmény

A javasolt eszköz részecskék nanométeres skálán történő kimutatására való képességét először a 3. ábra mutatja be. A 2. ábra, ahol a 2a. Ábra egy polisztirol nanoszférából álló minta fáziskontraszt képe (Fluoresbrite, Polysciences, Inc., USA). Közelebbről megvizsgálva, két nagyítási szintet alkalmazva, az 1. ábra. A 2b. És c. Ábra öt, 500 nm-es nanoszférából álló, "U" alakba rendezett izolált klaszter fáziskontraszt képét mutatja. A λ1 = 531,9 nm és λ2 = 638,3 nm hullámhosszon rögzített fénymező kódolását a 2. ábra mutatja. 2d ae.

a ) A FOV detektor teljes képe, a méretarány 1 mm-t mutat. ( b ) kibővített terület a . ( c ) Egy adott régió további bővítése vb melyik az "U" nanoszférák elrendezését mutatja 500 nm-en. ( d a e Rögzített fénymező kódolás X1 = 531, 9 nm-en ( d ) és λ2 = 638, 3 nm ( e ) felhasználására c . Nagyítás c, d, e mindegyik 2 μm-t jelöl .

Teljes méretű kép

a ) Fáziskontraszt kép, amely U-alakban elrendezett öt nanoszférát tartalmaz, amelyet chip nélküli referenciaműszer állít elő egy chipen, amely leolvassa a fénytér interferometriai kódolását λ = 531, 9 nm-en. b ) A javasolt műszerrel kapott fáziskontraszt kép, amely öt U-alakban elrendezett nanoszférát tartalmaz. ( c ) A képen rögzített megfelelő nanorészecske méretű régió SEM képe (egy betéttel, amely a pirosan körözõ nanorészecskék nagyítását mutatja). Nagyítás a, b a c 2 μm-t jelöl, a skála skálája a betétben c 500 nm-t jelöl.

Teljes méretű kép

Megfigyelhető az is, hogy a fúziós fázisú lézerfénytérrel a kontrasztfázisú mikroszkópia javasolt eszközével elért képminőség magas 33,35 dB detektálási jel/zaj arány (SNR) esetén, amelyet csak egyetlen interferometrikus fénymező rögzítésével lehet elérni. . kódolás egy adott hullámhosszon az aktuális beállításban.

a ) Válassza ki az FOV helyét

30 mm2-t kapott a javasolt készülék, amely hét különböző méretű részecskét tartalmaz. ( b ) Ugyanazon FOV SEM képe. ( c ) keresztmetszeti profilú, felületi intenzitású térképbetéttel ellátott 300 nm-es részecske nagyított képe. d ) SEM ellenőrzési minta 300 nm részecskemérettel. Nagyítás aab 3 μm-t jelöl ac ca d 1 μm .

Teljes méretű kép

vita

Bevezettünk egy nagy hatótávolságú fázisú kontrasztmikroszkóp készüléket a részecskék nanométeres skálán történő detektálására. A koncepció bizonyítékaként a javasolt eszköz képességét 300 nm méretű részecskék képalkotásával mutatják be. Ezek a kísérleti eredmények azt mutatják, hogy a kapott interferometrikus fénymező kódokban különböző hullámhosszakon rögzített egyedi diffrakciós viselkedés fúziós folyamat révén kiaknázható, hogy jobb képminőséget érjen el egy chip nélküli eszközön egy chip eszközön, amely egyetlen hullámhosszal érhető el.,

Fontos megjegyezni, hogy a javasolt nagylátószögű chip chip eszköz nem igényel speciális mintaelőkészítést, sem szintetikus nyíláson vagy oldalirányú elmozduláson alapuló technikák alkalmazását a nanorészecskék detektálásához. Ennek eredményeként a javasolt eszköz alacsony összetettséggel és felszerelési költségekkel rendelkezik, és könnyen kezelhető és karbantartható, lehetővé téve az ilyen eszközök demokratizálását és terjesztését az egészségügyben, az iparban, az oktatásban és a kutatásban. A javasolt eszköz által az interferometrikus fénymezőt kódoló felvásárlások kevesebb, mint

2 ms (ami> 500 képkocka/másodpercnek felel meg), amely lehetővé teszi a nagy felbontású dinamikus rendszerek vagy tranziensek megfigyelését nanométeres skálán, például a kolloid nanorészecske mozgásának dinamikájának tanulmányozásához.

A jelen tanulmányban használt javasolt műszer beállításának korlátja, hogy az alkalmazott hullámhosszak száma két különböző lézer hullámhosszra korlátozódik, amelyekre a későbbi vizsgálatok során egy hangolható lézer beépítésével lehet megoldani a kép további javítását. minőség.

következtetések

Bevezettünk egy széles mezőfázisú lencsemikroszkópot, széles mezővel, lencsék nélkül, amelyek képesek részecskék detektálására nanométeres felbontásban. A műszer nem igényli a hologram nagyítását, speciális minta elkészítését, sem szintetikus nyíláson vagy oldalirányú elmozduláson alapuló technikák alkalmazását a nanorészecskék detektálásához. Az interferon fénymező kódolásának megszerzése a javasolt eszközzel kevesebb, mint

3 ms (ami> 300 kép/másodpercnek felel meg), amely lehetővé tenné a dinamikusan nagy felbontású dinamikus rendszerek vagy tranziensek megfigyelését nanométeres skálán, kiváló képminőséggel, SNR> 29 dB. Ezenkívül a javasolt eszköz rendkívül egyszerű és gazdaságos a megvalósítás szempontjából, lehetővé téve az ilyen rendszerek demokratizálódását és terjesztését az egészségügy, az ipar, az oktatás vagy a kutatás minden szintjén.

További részletek

Hogyan lehet idézni ezt a cikket: Kazemzadeh, F. és Wong, A. Lézeres fénymező fúzió széles látószögű objektív kontrasztmikroszkópos kontrasztmikroszkópos nanorészecskékhez. Sci. ismétlés. 6., 38981; doi: 10, 1038/srep38981 (2016).

Kiadói megjegyzés: A Springer Nature továbbra is semleges a joghatósági igényekkel kapcsolatban a közzétett térképeken és intézményi szövetségekben.

Hozzászólások

Megjegyzés benyújtásával elfogadja az Általános Szerződési Feltételeinket és a közösségi irányelveket. Ha bármi sértőnek vagy összeegyeztethetetlennek tűnik a feltételeinkkel vagy irányelveinkkel, jelölje meg nem megfelelőként.