Nasos-zond mikroskopi - Pump-probe microscopy

Nasos-zond mikroskopi a chiziqli bo'lmagan optik da ishlatiladigan tasvirlash usuli femtokimyo o'rganish kimyoviy reaktsiyalar. U endogen floresan bo'lmagan maqsadlardan yuqori kontrastli tasvirlarni hosil qiladi. Uning ko'plab dasturlari, shu jumladan materialshunoslik, Dori va san'atni tiklash.

Afzalliklari

Mikroskopistlar tomonidan qo'llaniladigan chiziqli bo'lmagan assimilyatsiya qilishning klassik usuli odatiy hisoblanadi ikkita fotonli floresan, unda bitta manbadan olingan ikkita foton o'zaro ta'sir o'tkazib, fotoelektronni qo'zg'atadi. Keyin elektron yana asosiy holatiga o'tishda foton chiqaradi. Ushbu mikroskopiya usuli o'ziga xos uch o'lchovli optik qismlarni ajratish qobiliyatlari tufayli biologik fanlarda inqilobiy edi.

Ikki foton yutish tabiiy ravishda a chiziqli bo'lmagan jarayon: lyuminestsent chiqish intensivligi qo'zg'aladigan yorug'lik intensivligining kvadratiga mutanosibdir. Bu flüoresansning faqat lazer nurlari markazida hosil bo'lishini ta'minlaydi, chunki bu tekislikning tashqarisidagi intensivligi fotoelektronni qo'zg'atish uchun etarli emas.[1]

Shu bilan birga, ushbu mikroskop modali har ikkalasidan ham o'tadigan biologik molekulalar soni bilan cheklangan ikkita foton qo'zg'alishi va lyuminestsentsiya.[2]

Nasos-prob mikroskopi qo'zg'alish nurini to'g'ridan-to'g'ri o'lchash orqali ushbu cheklovni chetlab o'tadi. Bu potentsial maqsadlar sonini, agar u gevşeme paytida floresan bo'lmasa ham, ikkita foton yutish qobiliyatiga ega bo'lgan har qanday molekulaga kengaytiradi.[3] Usul $ a $ amplitudasini modulyatsiya qiladi impulsli lazer nishon molekulasini an ga etkazish uchun nasos deb ataladigan nur hayajonlangan holat. Keyinchalik, bu ikkita nurning molekula bilan o'zaro ta'siriga asoslangan holda, prob deb ataladigan ikkinchi izchil nurlarning xususiyatlariga ta'sir qiladi. Keyinchalik bu xususiyatlar detektor yordamida tasvir hosil qilish uchun o'lchanadi.

Nasos-zond mikroskopi fizikasi

Nasos-prob mikroskopi lyuminestsent maqsadlarga bog'liq emasligi sababli, modallik turli xil multipotonli assimilyatsiya turlaridan foydalanadi.

Ikki foton yutish

Ikki foton yutish (TPA) - bu bir vaqtning o'zida ikkita foton bir xil molekula tomonidan so'rilgan uchinchi tartibli jarayon. Agar ikkinchi foton xuddi shu kvant hodisasida bir xil elektron tomonidan so'rilgan bo'lsa, elektron an ga kiradi hayajonlangan holat.[4]

Bu xuddi shu hodisa ikkita foton mikroskopi (TPM), ammo nasos-prob mikroskopini TPM dan ajratib turadigan ikkita asosiy xususiyat mavjud. Birinchidan, molekula floresan a bo'lishi shart emas fotodetektor zond intensivligini o'lchaydi. Shuning uchun TPM ning teskari tomonida ikkita foton yutilishi sodir bo'lganda signal kamayadi.[3]

Ikkinchidan, nasos-prob mikroskopi har bir foton uchun spektral ajratilgan manbalardan foydalanadi, an'anaviy TPM esa bitta to'lqin uzunligining bitta manbasidan foydalanadi. Bu degenerativ ikki fotonli qo'zg'alish deb ataladi.[3]

Hayajonlangan holatni yutish

Hayajonlangan holatni yutish (ESA) nasos nuri elektronni qo'zg'algan holatga yuborganida, keyin zond nuri elektronni yuqori qo'zg'aladigan holatga yuborganda sodir bo'ladi. Bu TPA-dan, avvalambor, sodir bo'lgan vaqt shkalasi bilan farq qiladi. Chunki elektron hayajonlangan holatda bir muddat qolishi mumkin nanosaniyalar, shuning uchun TPAga qaraganda ko'proq puls davomiyligini talab qiladi.[5]

Rag'batlantiruvchi emissiya

Nasos-zond mikroskopi ham o'lchashi mumkin stimulyatsiya qilingan emissiya. Bunday holda, nasos nuri elektronni hayajonlangan holatga keltiradi. Keyinchalik, elektron zond nuriga ta'sir qilganda foton chiqaradi. Ushbu o'zaro ta'sir detektor maydonida prob signalini oshiradi.

Tuproq holatining kamayishi

Asosiy holat nasos nuri elektronni hayajonlangan holatga yuborganda tükenme sodir bo'ladi. Biroq, ESA dan farqli o'laroq, prob nurlari elektronni ikkinchi darajali hayajonlangan holatga yubora olmaydi. Buning o'rniga u qolgan elektronlarni asosiy holatdan birinchi hayajonlangan holatga yuboradi. Shu bilan birga, nasos nuri asosiy holatdagi elektronlar sonini kamaytirganligi sababli, kamroq prob fotonlari so'riladi va detektor maydonida prob signallari kuchayadi.[3]

O'zaro faoliyat fazali modulyatsiya

O'zaro faoliyat fazali modulyatsiya sabab bo'ladi Kerr effekti: unda sinish ko'rsatkichi namunaning o'zgarishi katta elektr maydonining mavjudligida.[6] Bunday holda, nasos nuri probning fazasini modulyatsiya qiladi, keyinchalik uni o'lchash mumkin interferometrik usullar. Ba'zi hollarda, deb nomlanadi fazali modulyatsiya spektral siljish, bu o'zgarishlar o'zgarishi spektral filtr yordamida aniqlanishi mumkin bo'lgan nasos spektrining o'zgarishini keltirib chiqaradi.[3]

Optik dizayn

Hayajon

O'lchash chiziqli bo'lmagan optik o'zaro ta'sirlar yuqori darajadagi oniy kuch va juda aniq vaqtni talab qiladi. Ushbu o'zaro ta'sirlarni yaratish uchun zarur bo'lgan juda ko'p sonli fotonlarga erishish uchun nozik namunalarning shikastlanishiga yo'l qo'ymaslik uchun ushbu mikroskoplar rejim bilan himoyalangan lazer. Ushbu lazerlar juda yuqori miqdordagi foton soniga erishishlari mumkin femtosekundiya vaqt o'lchovi va past o'rtacha quvvatni saqlab turish. Ko'pgina tizimlar a Ti: Saf kirish imkoniga ega bo'lgan to'lqin uzunliklarining keng doirasi tufayli vositani qo'lga kiritadi.[3][7]

Odatda, xuddi shu manba nasos va zondni yaratish uchun ishlatiladi. An optik parametrli osilator (OPO) zond nurini kerakli to'lqin uzunligiga aylantirish uchun ishlatiladi. Zond to'lqin uzunligini spektroskopik dasturlar uchun katta diapazonda sozlash mumkin.[7]

Biroq, ikki fotonli o'zaro ta'sirlarning ayrim turlari uchun alohida impulsli manbalardan foydalanish mumkin.[3] Bu faqat elektronlar hayajonlangan holatda bir necha pikosaniyada qoladigan hayajonlangan holatni yutish kabi o'zaro ta'sirlar bilan mumkin. Biroq, nasos va prob nurlari orasidagi vaqtni modulyatsiya qilish uchun har xil uzunlikdagi ikkita alohida nurli yo'l bilan bitta femtosekundik manbadan foydalanish odatiy holdir.[3][7]

Nasos nurlarining amplitudasi an yordamida modulyatsiya qilinadi akusto-optik yoki elektro-optik modulyator 10-buyruq bo'yicha7 Hz. Keyin nasos va prob nurlari a yordamida qayta biriktiriladi dikroik nurni tarqatuvchi va galvanometrik nometall yordamida skanerlangan va namunaga yo'naltirishdan oldin tasvirni nuqtali yaratish uchun.[3]

Aniqlash

Zond modulyatsiyasi natijasida hosil bo'lgan signal asl nasos nuriga qaraganda ancha kichik, shuning uchun ikkalasi aniqlanish yo'lida spektral ravishda a dikroik oyna. Tekshirish signalini turli xil turlari bilan to'plash mumkin fotodetektor, odatda a fotodiod. Keyin, a yordamida modulyatsiya qilingan signal kuchaytiriladi qulf kuchaytirgichi nasosning modulyatsiya chastotasiga sozlangan.[3]

Ma'lumotlarni tahlil qilish

Giperspektral ma'lumotlarni tahlil qilish singari, kechikish stekasi deb nomlanuvchi nasos-zondli tasvirlash ma'lumotlari asosiy molekulyar turlarning molekulyar kontrastli tasvirini olish uchun qayta ishlanishi kerak.[3] Nasos-zond ma'lumotlarini qayta ishlash bir necha sabablarga ko'ra qiyin - masalan, signallar bipolyar (ijobiy va salbiy), ko'p eksponent va kimyoviy muhitning nozik o'zgarishi bilan sezilarli darajada o'zgarishi mumkin.[8][9] Nasos-zond ma'lumotlarini tahlil qilishning asosiy usullari ko'p eksponentli fitting, asosiy komponentlarni tahlil qilish va fazor tahlili.[3][7]

Ko'p eksponentli moslama

Ko'p eksponentli fittingda vaqt bo'yicha echilgan egri chiziqlar an bilan o'rnatiladi eksponensial yemirilish yemirilish konstantalarini aniqlash uchun model. Ushbu usul sodda bo'lsa-da, past aniqlikka ega.[7]

Asosiy tarkibiy qismlarni tahlil qilish

Asosiy tarkibiy qismlarni tahlil qilish (PCA) nasos-zond ma'lumotlarini tahlil qilish uchun ishlatiladigan dastlabki usullardan biri edi, chunki u odatda hiperspektral ma'lumotlarni tahlil qilish uchun ishlatiladi. PCA ma'lumotlarni ortogonal komponentlarga ajratadi. Yilda melanoma tadqiqotlar, asosiy komponentlar turli xil shakllardan olingan signallar bilan yaxshi kelishuvni ko'rsatdi melanin.[10] PCA-ning afzalligi shundaki, shovqinni faqat ma'lumotlarning xilma-xilligini hisobga oladigan asosiy komponentlarni saqlash orqali kamaytirish mumkin. Shu bilan birga, asosiy komponentlar, asosan, ortogonal bo'lmagan asosiy kimyoviy turlarning haqiqiy xususiyatlarini aks ettirishi shart emas.[3] Shuning uchun cheklov shundaki, PCA yordamida noyob kimyoviy turlarning sonini aniqlash mumkin emas.[3]

Phasor tahlili

Phasor tahlili uchun odatda ishlatiladi flüoresan umr bo'yi ko'rish mikroskopi (FLIM) ma'lumotlarni tahlil qilish.[11] va nasos-probni tasvirlash ma'lumotlarini tahlil qilish uchun moslangan [8] Signallar ularning haqiqiy va xayoliy qismlariga ajraladi Furye konvertatsiyasi berilgan chastotada. Haqiqiy va xayoliy qismlarni bir-biriga qarshi chizish orqali, boshqalarni taqsimlash xromoforlar aniq umr ko'rish bilan xaritaga tushirish mumkin.[3][7] Melanoma tadqiqotlarida ushbu yondashuv yana melaninning turli shakllarini ajrata olishini ko'rsatdi.[8] Fasor tahlilining asosiy afzalliklaridan biri shundaki, u tarkibning intuitiv sifatli, grafik ko'rinishini beradi[7] Shuningdek, u miqdoriy tahlil qilish uchun PCA bilan birlashtirilgan.[12]

Ilovalar

Yuqori tezlik va yuqori sezgirlikdagi nasosli-zondli tasvirlash texnikasining rivojlanishi materialshunoslik, biologiya va san'at kabi bir qancha sohalarda qo'llanilishini ta'minladi.[3][7]

Materialshunoslik

Nasos-prob yordamida tasvirlash grafen kabi nanomateriallarni o'rganish va tavsiflash uchun juda mos keladi,[13] nanokubalar,[14] nanoSIM,[15] va turli yarimo'tkazgichlar,[16][17] ularning katta sezuvchanligi, ammo zaif lyuminestsentsiyasi tufayli. Xususan, bitta devorli uglerodli nanotubalar submikrometr rezolyutio.n yordamida keng o'rganilgan va tasvirlangan,[18] tashuvchining dinamikasi, fotofizik va fotokimyoviy xususiyatlari haqida batafsil ma'lumot berish.[19][20][21]

Biologiya

Biologiyada nasos-proba texnikasining birinchi qo'llanilishi bo'yoq bilan belgilangan hujayralarni stimulyatsiyalangan emissiyasini in vitro ko'rish edi.[22] Nasos-prob yordamida tasvirlash hozirgi kunda melaninning ikkita asosiy shaklini farqlash uchun melaninni ko'rish uchun keng qo'llanilmoqda - eumelanin (jigarrang / qora) va pheomelanin (qizil / sariq).[23] Melanomada eumelanin sezilarli darajada ko'payadi. Shuning uchun eumelanin va feoelanin tarqalishini tasvirlash benign lezyonlar va melanomani yuqori sezuvchanlik bilan ajratishga yordam beradi.[24]

San'at

Badiiy asarlar ko'p narsadan iborat pigmentlar ularning rangini belgilaydigan keng spektral yutilish xususiyatlariga ega. Ushbu pigmentlarning keng spektral xususiyatlari tufayli aralashmada o'ziga xos pigmentni aniqlash qiyin kechadi. Nasos-prob yordamida tasvirlash aniq, yuqori aniqlikdagi, molekulyar ma'lumotlarni taqdim etishi mumkin[25] va hatto bir xil vizual rangga ega bo'lishi mumkin bo'lgan pigmentlarni ajratib turing.[26]

Adabiyotlar

  1. ^ Denk, Uinfrid, Jeyms X. Strikler va Vatt V. Uebb. "Ikki fotonli lazerli skanerlash lyuminestsentsiya mikroskopi." Ilm248.4951 (1990): 73-76.
  2. ^ Zipfel, Uorren R., Rebekka M. Uilyams va Vatt V. Uebb. "Lineer bo'lmagan sehrgarlik: biologik fanlarda multotonli mikroskopiya." Tabiat biotexnologiyasi 21.11 (2003): 1369.
  3. ^ a b v d e f g h men j k l m n o p Fischer, Martin C.; Uilson, Jessi V.; Robles, Fransisko E.; Uorren, Uorren S. (2016). "Taklif qilingan maqola: Nasos-prob mikroskopi". Ilmiy asboblarni ko'rib chiqish. 87 (3): 031101. Bibcode:2016RScI ... 87c1101F. doi:10.1063/1.4943211. ISSN  0034-6748. PMC  4798998. PMID  27036751.
  4. ^ Diaspro, Alberto, Juzeppe Chiriko va Maddalena Kollini. "Ikki fotonli lyuminestsentsiyani qo'zg'atish va unga tegishli texnikalar biologik mikroskopda." Biyofizikaning choraklik sharhlari 38.2 (2005): 97-166.
  5. ^ Chjou, Guangyong va boshq. "PSPI organik bo'yoqning ikki fotonli yutilishi va qo'zg'aladigan holati singdirish xususiyatlari." Optik aloqa 241.1-3 (2004): 215-219.
  6. ^ Solih, Baxa EA, Malvin Karl Teyx. Fotonika asoslari. Vol. 22. Nyu-York: Vili, 1991 yil.
  7. ^ a b v d e f g h Dong, Pu-Ting va Ji-Xin Cheng. "Nasos-prob mikroskopi: nazariya, asboblar va qo'llanmalar. "Spektroskopiya 32.4 (2017): 2-11.
  8. ^ a b v Robles, Fransisko E. va boshq. "Lineer bo'lmagan nasos-prob mikroskopi uchun fazor tahlili." Optics Express 20.15 (2012): 17082-17092.
  9. ^ Simpson, Meri Jeyn va boshq. "Melaninlarning infraqizilga yaqin hayajonlangan holati: temir tarkibining ta'siri, fotosuratlar, kimyoviy oksidlanish va agregat kattaligi." Jismoniy kimyo jurnali A 118.6 (2014): 993-1003.
  10. ^ Metyus, Tomas E. va boshq. "Nasos-prob yordamida tasvirlash melanomani melanotsitik nevusdan ajratib turadi." Ilmiy tarjima tibbiyoti 3.71 (2011): 71ra15-71ra15.
  11. ^ Digman, Mishel A. va boshq. "Fluoresan umr bo'yi tasvirni tahlil qilishning fazorli yondashuvi." Biofizika jurnali 94.2 (2008): L14-L16.
  12. ^ Robles, Fransisko E. va boshq. "Pigmentli teri melanomasining birlamchi lezyonlarini nasos-prob yordamida tasvirlash metastatik potentsial haqida tushuncha beradi." Biyomedikal optik ekspres 6.9 (2015): 3631-3645.
  13. ^ Li, Junjie va boshqalar. "Grafen va grafen oksidini tirik hujayralar va aylanma qonda yuqori sezgir vaqtinchalik yutish tasviri". Ilmiy ma'ruzalar 5 (2015): 12394.
  14. ^ Staleva, Xristina; Xartland, Gregori V. (2008). "Bir zarrachali vaqtinchalik yutilish spektroskopiyasi bilan o'rganilgan kumush nanokubalar va nanotarmoqlarning tebranish dinamikasi". Murakkab funktsional materiallar. 18 (23): 3809–3817. doi:10.1002 / adfm.200800605. ISSN  1616-301X.
  15. ^ Lo, Shun Shang va boshq. "Nasos-zond mikroskopi yordamida Au nanot simlarida plazmon qo'zg'alish darajasini tasvirlash." Optik xatlar 38.8 (2013): 1265-1267.
  16. ^ Vong, Keti Y. va boshq. "Kichik molekulali organik yarimo'tkazgichli plyonkada eksiton dinamikasini subdomain vaqtinchalik yutish mikroskopi bilan ochib berish." Jismoniy kimyo jurnali C 117.42 (2013): 22111-22122.
  17. ^ Polli, Dario va boshq. "Femtosekundali nasos yordamida polimer aralashmalaridagi interfeys dinamikasini nanosiq o'lchovli tasvirlash - Konfokal mikroskopiya." Murakkab materiallar 22.28 (2010): 3048-3051.
  18. ^ Tong, Ling va boshq. "Vaqtinchalik yutilish mikroskopi yordamida hujayralar va sichqonlarda yarimo'tkazgichli va metall uglerodli nanotubchalarni yorliqsiz tasvirlash." Tabiat nanotexnologiyalari 7.1 (2012): 56.
  19. ^ Lauret, Jean-Sebastien va boshqalar. "Bir devorli uglerodli nanotubalarda ultrafast tashuvchisi dinamikasi." Jismoniy sharh xatlari 90.5 (2003): 057404.
  20. ^ Park, Jaehong, Pravas Deria va Maykl J. Therien. "Bir devorli uglerodli nanotubaning dinamikasi va vaqtincha yutilish spektral imzolari elektron jihatdan hayajonlangan uchlik holati." Amerika kimyo jamiyati jurnali 133.43 (2011): 17156-17159.
  21. ^ Jung, Yookyung va boshq. "Vaqtinchalik yutuvchi optik mikroskop yordamida individual bir devorli uglerodli nanotubalarning metall holatini tezkor aniqlash". Jismoniy tekshiruv xatlari 105.21 (2010): 217401.
  22. ^ Dong, C. Y. va boshqalar. "Asenkron nasos-zond mikroskopi bilan umr bo'yi lyuminestsentsiyani tasvirlash." Biofizika jurnali 69.6 (1995): 2234-2242.
  23. ^ Piletic, Ivan R., Tomas E. Metyuz va Uorren S. Uorren. "Eumelaninlar va fyomelaninlarda infraqizilga yaqin fotorelaksatsiya yo'llarini tekshirish." Jismoniy kimyo jurnali A 114.43 (2010): 11483-11491.
  24. ^ Metyus, Tomas E. va boshq. "Melanin va mikrovaskulyarizatsiyani in vivo va ex vivo epi-mode nasos-prob yordamida tasvirlash." Biomedical Optics Express 2.6 (2011): 1576-1583.
  25. ^ Villafana, Tana Yelizaveta va boshqalar. "Femtosekund nasos-prob mikroskopi tarixiy san'at asarlarida virtual tasavvurlarni hosil qiladi." Milliy Fanlar Akademiyasi materiallari 111.5 (2014): 1708-1713.
  26. ^ Samineni, Prathyush va boshqalar. "Rasmlarda ishlatiladigan tarixiy pigmentlarni nasos-prob yordamida tasvirlash". Optik xatlar 37.8 (2012): 1310-1312.