câmpului

  • obiecte
  • abstract
  • introducere
  • Materiale și metode
  • Dispozitive de imagistică
  • Reconstrucția imaginii
  • Rezultatul
  • discuţie
  • concluzii
  • Mai multe detalii
  • Comentarii

obiecte

  • Tehnici imagistice
  • Microscopie de interferență
  • Senzori optici

abstract

Microscopia cu unghi larg fără cipuri, care folosește principiile holografiei pentru a citi codarea interferometrică a câmpului luminos fără lentile, reprezintă o modalitate de imagistică emergentă de mare interes datorită câmpului vizual mare comparativ cu tehnicile bazate pe obiective. În acest studiu, prezentăm ideea fuziunii câmpului de lumină cu laser pentru microscopie cu contrast de fază fără lentile pentru a detecta nanoparticule, în care câmpurile de lumină laser interferometrice condensate obținute fără lentile sunt integrate pe o matrice de cipuri cu pulsații laser la diferite lungimi de undă pentru a forma faza imagini de contrast ale particulelor fără aplicarea markerilor pe o scară nanometrică. Ca dovadă a conceptului, demonstrăm pentru prima dată un dispozitiv cu cip electronic fără lentile cu cip larg, care detectează cu succes particule de 300 nm pe un câmp vizual mare.

30 mm 2 fără prepararea specializată sau complexă a probelor sau utilizarea tehnicilor bazate pe diafragmă sau deplasare sintetică.

Microscopia cu contrast de fază a fost introdusă ca mijloc de observare a obiectelor cu proprietăți transparente la lumină 1. Microscopia acestor obiecte într-un câmp luminos tinde să producă imagini cu contrast redus, deoarece lumina detectată și eșantionul afișat nu interacționează foarte puternic. Cu toate acestea, microscopia cu contrast de fază permite vizualizarea diferențelor de lungime a căii optice pe care le-ar experimenta lumina de scanare datorită interacțiunii cu proba, obținând astfel imagini cu contrast ridicat ale acestor probe. În ciuda avantajului menționat mai sus al microscopiei cu contrast de fază, acesta încă suferă de aceleași dezavantaje ale microscopiei cu câmp luminos, cum ar fi câmpul vizual limitat (FOV), rezoluția limitată și complexitatea ridicată a proiectării și funcționării instrumentelor.

Microscopia cu câmp larg fără cipuri, în care principiile holografice sunt utilizate pentru a captura coduri de câmp luminos interferometric fără lentile, a devenit o modalitate interesantă de a aborda deficiențele tehnicilor bazate pe lentile 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22. La bază, aceste instrumente on-chip fără lentile sunt conceptuale simple și oferă FOV-uri extrem de mari în comparație cu instrumentele bazate pe lentile. Deoarece diapozitivul este situat deasupra detectorului într-un ansamblu de cip fără chip, pasul pixelilor detectorului poate afecta capacitatea de a detecta particule la scara nanometrică. Tehnici bazate pe diafragmă sintetică sau deplasare laterală 7, 8, 9, 11, 23, 24 au fost propuse pentru a îmbunătăți rezoluția, deși aceste tehnici tind să crească complexitatea hardware-ului și să reducă toleranța performanței instrumentului. Recent, tehnicile bazate pe lungimi de undă multiple 17, 20, 21, 22, 25 au arătat, de asemenea, o promisiune considerabilă de a îmbunătăți rezoluția.

În acest studiu, prezentăm ideea microscopiei de contrast cu fuziunea de fază a unui câmp de lumină laser pentru detectarea nanoparticulelor. Inspirat de faza noastră preliminară anterioară de fuziune a câmpului de lumină spectrală 20, 21, 22, fuziunea microscopică de contrast cu câmpul de lumină laser cu fază implică obținerea și fuzionarea codificării câmpului luminos interferometric folosind non-lentile, reglarea cipului folosind pulsații laser. la diferite lungimi de undă pentru a crea o imagine de contrast de fază fără markeri, așa cum se arată în FIG. 1. Dispozitivul propus ne permite să detectăm nanoparticule folosind setări fără lentile pe cip, ceea ce reduce costul și complexitatea imaginii în comparație cu alte soluții. Ca dovadă a conceptului, demonstrăm pentru prima dată un obiectiv fără un instrument cu cip capabil să detecteze particule de 300 nm într-un câmp vizual larg.

30 mm 2 fără utilizarea preparării specializate sau complexe a probelor sau utilizarea tehnicilor bazate pe diafragmă sintetică sau deplasare laterală.

A ) Diagrama unui aparat care prezintă un cablu optic monomod utilizat într-o sursă de lumină laser cu impulsuri cu două canale; se înregistrează dimensiunea câmpului detector, care reprezintă câmpul vizual total al instrumentului. b A c ) codarea câmpului luminos interferometric capturat (A 1 = 531, 9 nm ( b ) și λ 2 = 638, 3 nm ( c )), coloanele scalei care indică 1 mm.

Imagine la dimensiune completă

Materiale și metode

Dispozitive de imagistică

Aparatul de microscop de contrast de fază fără cip propus utilizat pentru acest studiu (prezentat în Fig. 1) poate fi descris după cum urmează. Se utilizează o sursă de lumină laser pulsată cu două canale cu lungimi de undă centrale la X1 = 531,9 nm și X3 = 638,3 nm, lățimea de bandă spectrală fiind de 1 nm. Sursa de lumină laser pulsată a fost programată să impulsioneze cu o secvență alternativă de lungime de undă a impulsului, durata pulsației fiind configurată astfel încât semnalul observat pe detector să fie maximizat în timp ce atenuează saturația pixelilor. O sursă de lumină laser pulsată este conectată la un cablu optic monomod pentru a ilumina proba. Citirea detectorului este sincronizată cu o succesiune de impulsuri pentru a dobândi rapid și ușor codarea câmpului luminos interferometric la cele două lungimi de undă ale sursei de lumină laser. Timpul de expunere a fost de 500 de cadre pe secundă).

Eșantionul care se afișează este plasat pe un diapozitiv gros # 1

145 μm, care este situat direct pe detector. Achizițiile interfometrice ale codificării câmpului luminos al eșantionului, care este afișat la diferite lungimi de undă, se efectuează prin intermediul unui detector folosind un câmp de scanare CMOS cu dimensiuni de 3840 x 2748 pixeli cu o distanță de pixeli de 1,67 μm. FOV-ul dispozitivului este determinat de dimensiunea activă a senzorului și este

30 mm2. Codarea câmpului luminos interferometric capturat denotată gx, y, λ cu X indicând lungimea de undă este apoi trimisă către o unitate de procesare a semnalului digital, unde fuziunea numerică a câmpului de lumină este realizată de un laser pentru a reconstrui imaginea de contrast faza fuzionată rx, y, z .

În acest studiu, contorul a fost caracterizat pe baza mai multor achiziții de surse punctuale țintă pentru a determina funcția de transmisie a aberației la fiecare lungime de undă (indicată de

) a unei surse de lumină laser pulsată pentru a explica diferențele la diferite lungimi de undă.

În scopuri comparative, acest studiu a evaluat, de asemenea, un dispozitiv de referință fără cip pe un cip care detectează codificarea interferometrică a câmpului de lumină la λ = 531,9 nm folosind dispozitivul de imagistică menționat mai sus (se folosește în schimb o sursă de lumină laser cu un singur canal).

Reconstrucția imaginii

Fuziunea numerică a câmpului de lumină laser efectuată pe unitatea de procesare a semnalului digital pentru reconstituirea imaginilor de contrast de fază fuzionată din măsurătorile efectuate de aparatul propus poate fi descrisă după cum urmează. Codificarea interferometrică capturată a câmpului de lumină g x, y, λ încapsulează comportamentul unic de difracție la diferite lungimi de undă λ, pe care le folosim pentru a obține o calitate a imaginii mai bună, care poate fi realizată cu o singură lungime de undă. Să creăm un câmp luminos fix q x, y, dintr-un obiect laser fuzionat ca o proiecție subspacială a câmpului luminos al unui obiect laser f x, y, z, λ,

unde în λ denotă coeficientul asociat cu X al celui mai mare vector propriu al matricei de corelație f x, y, z, λ, luând astfel în considerare structura de corelație din λ. Deoarece dispozitivul descris captează g x, y, λ, nu f x, y, z, λ, este necesar să se proiecteze un mecanism de estimare numerică q x, y, z dat g x, y, λ .

Acum să modelăm câmpul luminos f x, y, z, λ al obiectului laser și câmpul luminos interferometric laser care codifică g x, y, λ ca distribuție de probabilitate. Pentru a estima qx, y, z, dorim acum să calculăm proiecția subspatiu a celui mai probabil câmp luminos fx, y, z, λ al obiectului laser fx, y, z și gx, y, λ date cu a priori cunoștințe legate de sfx, y, z, λ și funcția de transfer de aberație (), precum și funcția de transfer de difracție Rayleigh-Sommerfeld ()

unde p (gx, y, λ | fx, y, z, λ) denotă probabilitatea gx, y, λ dată de fx, y, z, λ și p (fx, y, z, λ) denotă numărul anterior fx, y, z, λ. Conform statisticilor cuantice ale emisiilor de fotoni, p (g x, y, λ | f x, y, z, λ) poate fi exprimat ca

unde a denotă transforma Fourier înainte și inversă. Prin modelarea lui f x, y, z, λ ca proces non-staționar, este posibil să se exprime p (f x, y, z, λ) ca

unde E (f x, y, z, λ) denotă așteptarea nestatiară și τ 2 denotă varianță. Pentru a reconstrui imaginea combinată a contrastului de fază r x, y, z, se calculează valoarea calculată, este deplasată cu 90 ° la frecvența zero și amplitudinea acestei faze deplasate este apoi luată ca r x, y, z1 .

Pentru a rezolva ech. Maximizarea așteptărilor este utilizată pentru estimarea MAP. 2 și se realizează până la convergență.

Rezultatul

Capacitatea dispozitivului propus de a detecta particule pe o scară nanometrică este demonstrată mai întâi în FIG. 2, unde Figura 2a este o imagine de contrast de fază a unei probe constând din nanosfere de polistiren (Fluoresbrite, Polysciences, Inc., SUA). La o examinare mai atentă, folosind două niveluri de mărire, FIG. 2b și c, dezvăluie o imagine de contrast de fază a unui cluster izolat de cinci nanosfere de 500 nm dispuse în formă de "U". Codificarea câmpului luminos captat la λ1 = 531,9 nm și λ2 = 638,3 nm este prezentată în FIG. 2d ae.

A ) Imagine completă a detectorului FOV, scala indică 1 mm. ( b ) suprafață mărită A . ( c ) Extinderea ulterioară a unei regiuni specifice vb care arată dispunerea nanosferelor "U" la 500 nm. ( d A e ) Cod de câmp luminos capturat la X1 = 531, 9 nm ( d ) și λ2 = 638, 3 nm ( e ) folosit pentru a obține c . Scară în c, d, e toate denotă 2 μm .

Imagine la dimensiune completă

A ) O imagine de contrast de fază conținând cinci nanosfere dispuse în formă de "U" obținută prin intermediul unui instrument de referință fără chip fără chip, care citește codarea interferometrică a câmpului luminos la λ = 531, 9 nm. b ) O imagine de contrast de fază obținută cu instrumentul propus conținând cinci nanosfere dispuse în formă de U. ( c ) Imagine SEM a regiunii corespunzătoare a dimensiunii nanoparticulelor înregistrată în imagine (cu o inserție care arată mărirea nanoparticulelor care circulă în roșu). Scară în A, b A c indică 2 μm, scala scalei din insert c indică 500 nm.

Imagine la dimensiune completă

Se poate observa, de asemenea, că calitatea imaginii obținută utilizând dispozitivul propus pentru microscopie în fază de contrast cu un câmp de lumină laser în fază de fuziune este ridicată la un raport semnal de detectare/zgomot (SNR) de 33,35 dB, obținut doar prin captarea unui singur câmp luminos interferometric. . codarea la o lungime de undă dată în setarea curentă.

A ) Selectați locația FOV

30 mm2 obținut de aparatul propus, care conține șapte particule de dimensiuni diferite. ( b ) Imagine SEM a aceluiași FOV. ( c ) imagine mărită a unei particule de 300 nm cu un profil de secțiune transversală și o inserție de hartă a intensității suprafeței. d ) Model de verificare SEM cu dimensiunea particulelor de 300 nm. Scară în aab indică 3 μm ac ca d 1 μm .

Imagine la dimensiune completă

discuţie

Am introdus un instrument de microscop cu contrast de fază cu câmp larg pentru detectarea particulelor la scară nanometrică. Ca dovadă a conceptului, capacitatea instrumentului propus este demonstrată de imagistica particulelor cu o dimensiune de 300 nm. Aceste rezultate experimentale demonstrează că comportamentul unic de difracție capturat în codurile de câmp luminos interferometric obținut la diferite lungimi de undă poate fi exploatat printr-un proces de fuziune pentru a obține o calitate mai bună a imaginii într-un dispozitiv fără chip pe un dispozitiv cu chip care poate fi realizat cu o singură lungime de undă.,

Este important de remarcat faptul că dispozitivul cu cip cu unghi larg propus nu necesită pregătirea specială a probelor sau utilizarea tehnicilor bazate pe diafragmă sintetică sau deplasare laterală pentru a realiza detectarea nanoparticulelor. În consecință, instrumentul propus are costuri reduse de complexitate și echipamente și este ușor de operat și de întreținut, permițând democratizarea și diseminarea unor astfel de instrumente în sănătate, industrie, educație și cercetare. Achizițiile care codifică câmpul luminos interferometric realizat de instrumentul propus durează mai puțin de

2 ms (echivalent cu> 500 de cadre pe secundă), care permite observarea sistemelor dinamice de înaltă rezoluție sau a tranzitorilor la scara nanometrică, de exemplu pentru a studia dinamica mișcării nanoparticulelor coloidale.

O limitare a configurării instrumentului propus utilizat în acest studiu actual este că numărul de lungimi de undă utilizate este limitat la două lungimi de undă laser diferite, care pot fi abordate în studiile viitoare prin încorporarea unui laser reglabil pentru a permite potențial îmbunătățirea imaginii. calitate.

concluzii

Am introdus un microscop cu lentile cu fază de câmp larg, cu un câmp larg, fără lentile capabile să detecteze particule la rezoluție nanometrică. Instrumentul nu necesită mărirea hologramei, pregătirea unui eșantion special sau utilizarea tehnicilor bazate pe diafragmă sintetică sau deplasare laterală pentru a realiza detectarea nanoparticulelor. Obținerea codificării câmpului luminos interferon folosind instrumentul propus durează mai puțin de

3 ms (corespunzând la> 300 de cadre pe secundă), ceea ce ar permite observarea sistemelor dinamice cu rezoluție înaltă dinamic sau a tranzitorilor pe o scară nanometrică cu o calitate excelentă a imaginii, SNR> 29 dB. În plus, instrumentul propus este extrem de simplu și economic în ceea ce privește implementarea, permițând democratizarea și diseminarea unor astfel de sisteme la toate nivelurile de asistență medicală, industrie, educație sau cercetare.

Mai multe detalii

Cum se citează acest articol: Kazemzadeh, F. și Wong, A. Fuziunea câmpului de lumină laser pentru nanoparticule microscopice cu contrast microscopic obiectiv cu unghi larg. Știință. reprezentant. 6, 38981; doi: 10, 1038/srep38981 (2016).

Nota editorului: Springer Nature rămâne neutru în revendicările de jurisdicție în hărțile publicate și asociațiile instituționale.

Comentarii

Prin trimiterea unui comentariu, sunteți de acord să respectați Termenii și condițiile și Regulile comunității. Dacă găsiți ceva jignitor sau nu respectați termenii sau liniile directoare, marcați-l ca fiind nepotrivit.