Tubo enrollado de acero inoxidable 321 8*1,2 para intercambiador de calor

Tubos capilares

Gracias por visitar Nature.com.Está utilizando una versión del navegador con soporte CSS limitado.Para obtener la mejor experiencia, le recomendamos que utilice un navegador actualizado (o deshabilite el Modo de compatibilidad en Internet Explorer).Además, para garantizar un soporte continuo, mostramos el sitio sin estilos ni JavaScript.
Muestra un carrusel de tres diapositivas a la vez.Utilice los botones Anterior y Siguiente para desplazarse por tres diapositivas a la vez, o utilice los botones deslizantes al final para desplazarse por tres diapositivas a la vez.
Se desarrolló un espectrómetro de nueve colores ultracompacto (54 × 58 × 8,5 mm) y de gran apertura (1 × 7 mm), “dividido en dos” por una serie de diez espejos dicroicos, que se utilizó para obtener imágenes espectrales instantáneas.El flujo de luz incidente con una sección transversal menor que el tamaño de la apertura se divide en una franja continua de 20 nm de ancho y nueve flujos de color con longitudes de onda centrales de 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 y 690 nm.El sensor de imagen mide simultáneamente imágenes de nueve secuencias de color de manera eficiente.A diferencia de los conjuntos de espejos dicroicos convencionales, el conjunto de espejos dicroicos desarrollado tiene una configuración única de dos piezas, que no solo aumenta la cantidad de colores que se pueden medir simultáneamente, sino que también mejora la resolución de la imagen para cada flujo de color.El espectrómetro de nueve colores desarrollado se utiliza para la electroforesis de cuatro capilares.Análisis cuantitativo simultáneo de ocho tintes que migran simultáneamente en cada capilar utilizando fluorescencia inducida por láser de nueve colores.Dado que el espectrómetro de nueve colores no sólo es ultrapequeño y económico, sino que también tiene un alto flujo luminoso y una resolución espectral suficiente para la mayoría de las aplicaciones de imágenes espectrales, puede usarse ampliamente en diversos campos.
Las imágenes hiperespectrales y multiespectrales se han convertido en una parte importante de la astronomía2, la teledetección para la observación de la Tierra3,4, el control de la calidad de los alimentos y el agua5,6, la conservación del arte y la arqueología7, la ciencia forense8, la cirugía9, el análisis y diagnóstico biomédicos10,11, etc. Campo 1 Una tecnología indispensable ,12,13.Los métodos para medir el espectro de luz emitido por cada punto de emisión en el campo de visión se dividen en (1) escaneo puntual (“escoba”)14,15, (2) escaneo lineal (“panícula”)16,17,18 , (3) ondas de exploración de longitud19,20,21 y (4) imágenes22,23,24,25.En el caso de todos estos métodos, la resolución espacial, la resolución espectral y la resolución temporal tienen una relación de compensación9,10,12,26.Además, la salida de luz tiene un impacto significativo en la sensibilidad, es decir, la relación señal-ruido en las imágenes espectrales26.El flujo luminoso, es decir, la eficiencia del uso de la luz, es directamente proporcional a la relación entre la cantidad de luz medida real de cada punto luminoso por unidad de tiempo y la cantidad total de luz del rango de longitud de onda medido.La categoría (4) es un método apropiado cuando la intensidad o el espectro de luz emitido por cada punto emisor cambia con el tiempo o cuando la posición de cada punto emisor cambia con el tiempo porque el espectro de luz emitido por todos los puntos emisores se mide simultáneamente.24.
La mayoría de los métodos anteriores se combinan con espectrómetros grandes, complejos y/o costosos que utilizan 18 rejillas o 14, 16, 22, 23 prismas para las clases (1), (2) y (4) o 20, 21 discos filtrantes, filtros líquidos. .Filtros sintonizables cristalinos (LCTF)25 o filtros sintonizables acústico-ópticos (AOTF)19 de categoría (3).Por el contrario, los espectrómetros multiespejo de categoría (4) son pequeños y económicos debido a su configuración sencilla27,28,29,30.Además, tienen un alto flujo luminoso porque la luz compartida por cada espejo dicroico (es decir, la luz transmitida y reflejada de la luz incidente en cada espejo dicroico) se utiliza total y continuamente.Sin embargo, el número de bandas de longitud de onda (es decir, colores) que deben medirse simultáneamente está limitado a unas cuatro.
Las imágenes espectrales basadas en la detección de fluorescencia se utilizan comúnmente para análisis multiplex en detección y diagnóstico biomédicos 10, 13.En la multiplexación, dado que múltiples analitos (por ejemplo, ADN o proteínas específicas) están marcados con diferentes tintes fluorescentes, cada analito presente en cada punto de emisión en el campo de visión se cuantifica mediante análisis multicomponente.32 desglosa el espectro de fluorescencia detectado emitido por cada punto de emisión.Durante este proceso, diferentes colorantes, cada uno de los cuales emite una fluorescencia diferente, pueden colocalizarse, es decir, coexistir en el espacio y el tiempo.Actualmente, el número máximo de colorantes que pueden excitarse con un solo rayo láser es ocho33.Este límite superior no está determinado por la resolución espectral (es decir, el número de colores), sino por el ancho del espectro de fluorescencia (≥50 nm) y la cantidad de tinte por desplazamiento de Stokes (≤200 nm) en FRET (usando FRET)10 .Sin embargo, la cantidad de colores debe ser mayor o igual a la cantidad de tintes para eliminar la superposición espectral de los tintes mezclados31,32.Por lo tanto, es necesario aumentar el número de colores medidos simultáneamente a ocho o más.
Recientemente, se ha desarrollado un espectrómetro heptacroico ultracompacto (que utiliza una serie de espejos hepticocroicos y un sensor de imagen para medir cuatro flujos fluorescentes).El espectrómetro es de dos a tres órdenes de magnitud más pequeño que los espectrómetros convencionales que utilizan rejillas o prismas34,35.Sin embargo, es difícil colocar más de siete espejos dicroicos en un espectrómetro y medir simultáneamente más de siete colores36,37.Con un aumento en el número de espejos dicroicos, aumenta la diferencia máxima en las longitudes de las trayectorias ópticas de los flujos de luz dicroica y resulta difícil representar todos los flujos de luz en un plano sensorial.La longitud del camino óptico más largo del flujo luminoso también aumenta, por lo que disminuye la anchura de la abertura del espectrómetro (es decir, la anchura máxima de la luz analizada por el espectrómetro).
En respuesta a los problemas anteriores, se desarrolló un espectrómetro ultracompacto de nueve colores con una matriz de espejos decacromáticos “dicroicos” de dos capas y un sensor de imagen para obtener imágenes espectrales instantáneas [categoría (4)].En comparación con los espectrómetros anteriores, el espectrómetro desarrollado tiene una diferencia menor en la longitud máxima del camino óptico y una longitud máxima del camino óptico más pequeña.Se ha aplicado a la electroforesis de cuatro capilares para detectar la fluorescencia de nueve colores inducida por láser y cuantificar la migración simultánea de ocho tintes en cada capilar.Dado que el espectrómetro desarrollado no sólo es ultrapequeño y económico, sino que también tiene un alto flujo luminoso y una resolución espectral suficiente para la mayoría de las aplicaciones de imágenes espectrales, puede usarse ampliamente en diversos campos.
El espectrómetro tradicional de nueve colores se muestra en la fig.1a.Su diseño sigue el del anterior espectrómetro ultrapequeño de siete colores 31. Consta de nueve espejos dicroicos dispuestos horizontalmente en un ángulo de 45° hacia la derecha, y el sensor de imagen (S) está situado encima de los nueve espejos dicroicos.La luz que entra desde abajo (C0) se divide por un conjunto de nueve espejos dicroicos en nueve flujos de luz que ascienden (C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 y C9).Los nueve flujos de color se envían directamente al sensor de imagen y se detectan simultáneamente.En este estudio, C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 y C9 están en orden de longitud de onda y están representados por magenta, violeta, azul, cian, verde, amarillo, naranja, rojo anaranjado y rojo, respectivamente.Aunque estas designaciones de color se utilizan en este documento, como se muestra en la Figura 3, difieren de los colores reales vistos por el ojo humano.
Diagramas esquemáticos de espectrómetros de nueve colores convencionales y nuevos.(a) Espectrómetro convencional de nueve colores con una serie de nueve espejos dicroicos.(b) Nuevo espectrómetro de nueve colores con una matriz de espejos dicroicos de dos capas.El flujo luminoso incidente C0 se divide en nueve flujos luminosos de colores C1-C9 y es detectado por el sensor de imagen S.
El nuevo espectrómetro de nueve colores desarrollado tiene una rejilla de espejo dicroico de dos capas y un sensor de imagen, como se muestra en la figura 1b.En el nivel inferior, cinco espejos dicroicos están inclinados 45° hacia la derecha, alineados a la derecha desde el centro de la serie de decámeros.En el nivel superior, cinco espejos dicroicos adicionales están inclinados 45° hacia la izquierda y ubicados desde el centro hacia la izquierda.El espejo dicroico más a la izquierda de la capa inferior y el espejo dicroico más a la derecha de la capa superior se superponen entre sí.El flujo luminoso incidente (C0) se divide desde abajo en cuatro flujos cromáticos salientes (C1-C4) mediante cinco espejos dicroicos a la derecha y cinco flujos cromáticos salientes (C5-C4) mediante cinco espejos dicroicos a la izquierda (C9).Al igual que los espectrómetros de nueve colores convencionales, los nueve flujos de color se inyectan directamente en el sensor de imagen (S) y se detectan simultáneamente.Comparando las figuras 1a y 1b, se puede ver que en el caso del nuevo espectrómetro de nueve colores, tanto la diferencia máxima como la longitud del camino óptico más largo de los flujos de nueve colores se reducen a la mitad.
La construcción detallada de un conjunto de espejos dicroicos de dos capas ultrapequeño de 29 mm (ancho) × 31 mm (profundidad) × 6 mm (alto) se muestra en la Figura 2. El conjunto de espejos dicroicos decimales consta de cinco espejos dicroicos a la derecha. (M1-M5) y cinco espejos dicroicos a la izquierda (M6-M9 y otro M5), cada espejo dicroico se fija en el soporte superior de aluminio.Todos los espejos dicroicos están escalonados para compensar el desplazamiento paralelo debido a la refracción del flujo a través de los espejos.Debajo de M1, se fija un filtro de paso de banda (BP).Las dimensiones de M1 y BP son 10 mm (lado largo) x 1,9 mm (lado corto) x 0,5 mm (grosor).Las dimensiones de los espejos dicroicos restantes son 15 mm × 1,9 mm × 0,5 mm.El paso de matriz entre M1 y M2 es de 1,7 mm, mientras que el paso de matriz de otros espejos dicroicos es de 1,6 mm.En la fig.2c combina el flujo de luz incidente C0 y nueve flujos de luz de colores C1-C9, separados por una matriz de espejos fuera de cámara.
Construcción de una matriz de espejo dicroico de dos capas.(a) Una vista en perspectiva y (b) una vista en sección transversal de una matriz de espejos dicroicos de dos capas (dimensiones 29 mm x 31 mm x 6 mm).Consta de cinco espejos dicroicos (M1-M5) ubicados en la capa inferior, cinco espejos dicroicos (M6-M9 y otro M5) ubicados en la capa superior y un filtro de paso de banda (BP) ubicado debajo de M1.(c) Vista transversal en dirección vertical, con superposición C0 y C1-C9.
El ancho de la abertura en la dirección horizontal, indicado por el ancho C0 en la Fig. 2, c, es de 1 mm, y en la dirección perpendicular al plano de la Fig. 2, c, dado por el diseño del soporte de aluminio, – 7 mm.Es decir, el nuevo espectrómetro de nueve colores tiene un gran tamaño de apertura de 1 mm × 7 mm.La trayectoria óptica de C4 es la más larga entre C1-C9, y la trayectoria óptica de C4 dentro de la matriz de espejos dicroicos, debido al tamaño ultrapequeño anterior (29 mm × 31 mm × 6 mm), es de 12 mm.Al mismo tiempo, la longitud del camino óptico de C5 es la más corta entre C1-C9, y la longitud del camino óptico de C5 es de 5,7 mm.Por tanto, la diferencia máxima en la longitud del camino óptico es de 6,3 mm.Las longitudes de trayectoria óptica anteriores están corregidas para la longitud de trayectoria óptica para la transmisión óptica de M1-M9 y BP (de cuarzo).
Las propiedades espectrales de М1−М9 y VR se calculan de modo que los flujos С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8 y С9 estén en el rango de longitud de onda 520–540, 540–560, 560–580, 580 –600, 600–620, 620–640, 640–660, 660–680 y 680–700 nm, respectivamente.
En la Fig. 3a se muestra una fotografía de la matriz fabricada de espejos decacromáticos.M1-M9 y BP están pegados a la pendiente de 45° y al plano horizontal del soporte de aluminio, respectivamente, mientras que M1 y BP están ocultos en la parte posterior de la figura.
Producción de una serie de espejos decan y su demostración.(a) Una serie de espejos decacromáticos fabricados.(b) Una imagen dividida en nueve colores de 1 mm × 7 mm proyectada sobre una hoja de papel colocada frente a una serie de espejos decacromáticos y retroiluminada con luz blanca.(c) Una serie de espejos decocromáticos iluminados con luz blanca desde atrás.(d) Corriente de división de nueve colores que emana del conjunto de espejos de decano, observada colocando un recipiente acrílico lleno de humo frente al conjunto de espejos de decano en c y oscureciendo la habitación.
Los espectros de transmisión medidos de M1-M9 C0 en un ángulo de incidencia de 45° y el espectro de transmisión medido de BP C0 en un ángulo de incidencia de 0° se muestran en las Figs.4a.Los espectros de transmisión de C1-C9 en relación con C0 se muestran en las Figs.4b.Estos espectros se calcularon a partir de los espectros de las Figs.4a de acuerdo con la trayectoria óptica C1-C9 en la Fig. 4a.1b y 2c.Por ejemplo, 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)], donde TS(X) y [ 1 − TS(X)] son ​​los espectros de transmisión y reflexión de X, respectivamente.Como se muestra en la Figura 4b, los anchos de banda (ancho de banda ≥50%) de C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 y C9 son 521-540, 541-562, 563-580, 581-602, 603. -623, 624-641, 642-657, 659-680 y 682-699 millas náuticas.Estos resultados son consistentes con los rangos desarrollados.Además, la eficiencia de utilización de la luz C0 es alta, es decir, la transmitancia de luz C1-C9 máxima promedio es del 92%.
Espectros de transmisión de un espejo dicroico y un flujo dividido de nueve colores.( a ) Espectros de transmisión medidos de M1-M9 con una incidencia de 45 ° y BP con una incidencia de 0 °.(b) Espectros de transmisión de C1-C9 en relación con C0 calculados a partir de (a).
En la fig.3c, el conjunto de espejos dicroicos está ubicado verticalmente, de modo que su lado derecho en la Fig. 3a es el lado superior y el haz blanco del LED colimado (C0) está retroiluminado.El conjunto de espejos decacromáticos que se muestra en la Figura 3a está montado en un adaptador de 54 mm (alto) × 58 mm (profundidad) × 8,5 mm (espesor).En la fig.3d, además del estado mostrado en la fig.3c, se colocó un tanque acrílico lleno de humo frente a una serie de espejos decocromáticos, con las luces de la habitación apagadas.Como resultado, en el tanque se ven nueve corrientes dicroicas que emanan de una serie de espejos decacromáticos.Cada flujo dividido tiene una sección transversal rectangular con unas dimensiones de 1 × 7 mm, que corresponde al tamaño de apertura del nuevo espectrómetro de nueve colores.En la Figura 3b, se coloca una hoja de papel frente a la serie de espejos dicroicos de la Figura 3c, y se observa una imagen de 1 x 7 mm de nueve corrientes dicroicas proyectadas sobre el papel desde la dirección del movimiento del papel.corrientes.Las nueve corrientes de separación de colores en la fig.3b yd son C4, C3, C2, C1, C5, C6, C7, C8 y C9 de arriba a abajo, lo que también se puede observar en las figuras 1 y 2. 1b y 2c.Se observan en colores correspondientes a sus longitudes de onda.Debido a la baja intensidad de la luz blanca del LED (consulte la figura complementaria S3) y la sensibilidad de la cámara a color utilizada para capturar C9 (682–699 nm) en la figura, otros flujos de división son débiles.De manera similar, C9 era apenas visible a simple vista.Mientras tanto, C2 (la segunda secuencia desde arriba) se ve verde en la Figura 3, pero se ve más amarilla a simple vista.
La transición de la Figura 3c a la d se muestra en el Video complementario 1. Inmediatamente después de que la luz blanca del LED pasa a través de la matriz de espejos decacromáticos, se divide simultáneamente en nueve corrientes de colores.Al final, el humo de la tina se disipó gradualmente de arriba a abajo, de modo que los nueve polvos de colores también desaparecieron de arriba a abajo.Por el contrario, en el vídeo complementario 2, cuando la longitud de onda del flujo de luz incidente en el conjunto de espejos decacromáticos cambió de larga a corta en el orden de 690, 671, 650, 632, 610, 589, 568, 550 y 532 nm. ., Solo se muestran las secuencias divididas correspondientes de las nueve secuencias divididas en el orden de C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 y C1.El depósito de acrílico se reemplaza por una piscina de cuarzo, y las escamas de cada flujo desviado se pueden observar claramente desde la dirección inclinada hacia arriba.Además, el subvídeo 3 se edita de manera que se reproduzca la parte de cambio de longitud de onda del subvídeo 2.Esta es la expresión más elocuente de las características de un conjunto de espejos decocromáticos.
Los resultados anteriores muestran que la matriz de espejos decacromáticos fabricada o el nuevo espectrómetro de nueve colores funciona según lo previsto.El nuevo espectrómetro de nueve colores se forma montando una serie de espejos decacromáticos con adaptadores directamente en la placa del sensor de imagen.
Flujo luminoso con un rango de longitud de onda de 400 a 750 nm, emitido por cuatro puntos de radiación de φ50 μm, ubicados a intervalos de 1 mm en la dirección perpendicular al plano de la Fig. 2c, respectivamente Investigaciones 31, 34. El conjunto de cuatro lentes consta de cuatro lentes de φ1 mm con una distancia focal de 1,4 mm y un paso de 1 mm.Cuatro corrientes colimadas (cuatro C0) inciden en el DP de un nuevo espectrómetro de nueve colores, espaciadas a intervalos de 1 mm.Una serie de espejos dicroicos divide cada flujo (C0) en nueve flujos de color (C1-C9).Los 36 flujos resultantes (cuatro conjuntos de C1-C9) se inyectan directamente en un sensor de imagen CMOS (S) conectado directamente a una serie de espejos dicroicos.Como resultado, como se muestra en la Fig. 5a, debido a la pequeña diferencia de ruta óptica máxima y la corta ruta óptica máxima, las imágenes de las 36 secuencias se detectaron simultánea y claramente con el mismo tamaño.Según los espectros posteriores (consulte la Figura complementaria S4), la intensidad de la imagen de los cuatro grupos C1, C2 y C3 es relativamente baja.Treinta y seis imágenes tenían un tamaño de 0,57 ± 0,05 mm (media ± DE).Por tanto, el aumento de la imagen promedió 11,4.El espaciado vertical entre imágenes tiene un promedio de 1 mm (el mismo espaciado que una matriz de lentes) y el espaciado horizontal promedio de 1,6 mm (el mismo espaciado que una matriz de espejos dicroicos).Debido a que el tamaño de la imagen es mucho menor que la distancia entre imágenes, cada imagen se puede medir de forma independiente (con baja diafonía).Mientras tanto, en la Fig. 5 B se muestran imágenes de veintiocho corrientes registradas por el espectrómetro convencional de siete colores utilizado en nuestro estudio anterior. La matriz de siete espejos dicroicos se creó eliminando los dos espejos dicroicos más a la derecha de la matriz de nueve espejos dicroicos. espejos en la Figura 1a.No todas las imágenes son nítidas, el tamaño de la imagen aumenta de C1 a C7.Veintiocho imágenes tienen un tamaño de 0,70 ± 0,19 mm.Por tanto, es difícil mantener una alta resolución en todas las imágenes.El coeficiente de variación (CV) para el tamaño de imagen 28 en la Figura 5b fue del 28%, mientras que el CV para el tamaño de imagen 36 en la Figura 5a disminuyó al 9%.Los resultados anteriores muestran que el nuevo espectrómetro de nueve colores no sólo aumenta el número de colores medidos simultáneamente de siete a nueve, sino que también tiene una alta resolución de imagen para cada color.
Comparación de la calidad de la imagen dividida formada por espectrómetros convencionales y nuevos.(a) Cuatro grupos de imágenes separadas por nueve colores (C1-C9) generadas por el nuevo espectrómetro de nueve colores.(b) Cuatro conjuntos de imágenes separadas en siete colores (C1-C7) formadas con un espectrómetro de siete colores convencional.Los flujos (C0) con longitudes de onda de 400 a 750 nm procedentes de cuatro puntos de emisión se coliman e inciden en cada espectrómetro, respectivamente.
Las características espectrales del espectrómetro de nueve colores se evaluaron experimentalmente y los resultados de la evaluación se muestran en la Figura 6. Tenga en cuenta que la Figura 6a muestra los mismos resultados que la Figura 5a, es decir, a longitudes de onda de 4 C0 400–750 nm, se detectan las 36 imágenes. (4 grupos C1-C9).Por el contrario, como se muestra en las figuras 6b-j, cuando cada C0 tiene una longitud de onda específica de 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 o 690 nm, hay casi solo cuatro imágenes correspondientes (cuatro grupos detectados C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8 o C9).Sin embargo, algunas de las imágenes adyacentes a las cuatro imágenes correspondientes se detectan muy débilmente porque los espectros de transmisión C1-C9 que se muestran en la Fig. 4b se superponen ligeramente y cada C0 tiene una banda de 10 nm en una longitud de onda específica como se describe en el método.Estos resultados son consistentes con los espectros de transmisión C1-C9 mostrados en las Figs.4b y videos complementarios 2 y 3. En otras palabras, el espectrómetro de nueve colores funciona como se esperaba según los resultados que se muestran en la fig.4b.Por tanto, se concluye que la distribución de intensidad de la imagen C1-C9 es el espectro de cada C0.
Características espectrales de un espectrómetro de nueve colores.El nuevo espectrómetro de nueve colores genera cuatro conjuntos de imágenes separadas de nueve colores (C1-C9) cuando la luz incidente (cuatro C0) tiene una longitud de onda de (a) 400-750 nm (como se muestra en la 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.
El espectrómetro de nueve colores desarrollado se utilizó para electroforesis de cuatro capilares (para más detalles, consulte Materiales complementarios)31,34,35.La matriz de cuatro capilares consta de cuatro capilares (diámetro exterior de 360 ​​μm y diámetro interior de 50 μm) ubicados a intervalos de 1 mm en el sitio de irradiación con láser.Muestras que contienen fragmentos de ADN marcados con 8 tintes, a saber, FL-6C (tinte 1), JOE-6C (tinte 2), dR6G (tinte 3), TMR-6C (tinte 4), CXR-6C (tinte 5), TOM- 6C (tinte 6), LIZ (tinte 7) y WEN (tinte 8) en orden ascendente de longitud de onda fluorescente, separados en cada uno de los cuatro capilares (en lo sucesivo denominados Cap1, Cap2, Cap3 y Cap4).La fluorescencia inducida por láser de Cap1-Cap4 se colimó con una serie de cuatro lentes y se registró simultáneamente con un espectrómetro de nueve colores.En la Fig. 7a se muestra la dinámica de intensidad de la fluorescencia de nueve colores (C1-C9) durante la electroforesis, es decir, un electroforegrama de nueve colores de cada capilar.Se obtiene un electroforegrama equivalente de nueve colores en Cap1-Cap4.Como lo indican las flechas Cap1 en la Figura 7a, los ocho picos en cada electroforegrama de nueve colores muestran una emisión de fluorescencia de Dye1-Dye8, respectivamente.
Cuantificación simultánea de ocho colorantes mediante un espectrómetro de electroforesis de cuatro capilares y nueve colores.(a) Electroforegrama de nueve colores (C1-C9) de cada capilar.Los ocho picos indicados por las flechas Cap1 muestran emisiones de fluorescencia individuales de ocho tintes (Dye1-Dye8).Los colores de las flechas corresponden a los colores (b) y (c).(b) Espectros de fluorescencia de ocho tintes (Dye1-Dye8) por capilar.c Electroferogramas de ocho tintes (Dye1-Dye8) por capilar.Los picos de los fragmentos de ADN marcados con Dye7 se indican con flechas y se indican las longitudes de sus bases Cap4.
Las distribuciones de intensidad de C1 a C9 en ocho picos se muestran en las Figs.7b, respectivamente.Debido a que tanto C1-C9 como Dye1-Dye8 están en orden de longitud de onda, las ocho distribuciones en la Fig. 7b muestran los espectros de fluorescencia de Dye1-Dye8 secuencialmente de izquierda a derecha.En este estudio, Dye1, Dye2, Dye3, Dye4, Dye5, Dye6, Dye7 y Dye8 aparecen en magenta, violeta, azul, cian, verde, amarillo, naranja y rojo, respectivamente.Tenga en cuenta que los colores de las flechas en la Fig. 7a corresponden a los colores del tinte en la Fig. 7b.Las intensidades de fluorescencia C1-C9 para cada espectro en la Figura 7b se normalizaron para que su suma sea igual a uno.Se obtuvieron ocho espectros de fluorescencia equivalentes de Cap1-Cap4.Se puede observar claramente la superposición espectral de fluorescencia entre el tinte 1 y el tinte 8.
Como se muestra en la Figura 7c, para cada capilar, el electroforegrama de nueve colores en la Figura 7a se convirtió en un electroferograma de ocho colorantes mediante un análisis de componentes múltiples basado en los ocho espectros de fluorescencia en la Figura 7b (consulte Materiales complementarios para obtener más detalles).Dado que la superposición espectral de fluorescencia en la Figura 7a no se muestra en la Figura 7c, Dye1-Dye8 se puede identificar y cuantificar individualmente en cada punto de tiempo, incluso si diferentes cantidades de Dye1-Dye8 fluorescen al mismo tiempo.Esto no se puede hacer con la detección tradicional de siete colores31, pero se puede lograr con la detección de nueve colores desarrollada.Como lo muestran las flechas Cap1 en la Fig. 7c, solo los singletes de emisión fluorescente Dye3 (azul), Dye8 (rojo), Dye5 (verde), Dye4 (cian), Dye2 (púrpura), Dye1 (magenta) y Dye6 (amarillo). ) se observan en el orden cronológico esperado.Para la emisión fluorescente del tinte 7 (naranja), además del pico único indicado por la flecha naranja, se observaron varios otros picos únicos.Este resultado se debe al hecho de que las muestras contenían estándares de tamaño, Dye7 marcó fragmentos de ADN con diferentes longitudes de bases.Como se muestra en la Figura 7c, para Cap4 estas longitudes de base son 20, 40, 60, 80, 100, 114, 120, 140, 160, 180, 200, 214 y 220 longitudes de base.
Las características principales del espectrómetro de nueve colores, desarrollado utilizando una matriz de espejos dicroicos de dos capas, son su tamaño pequeño y su diseño simple.Dado que el conjunto de espejos decacromáticos dentro del adaptador que se muestra en la fig.3c montado directamente en la placa del sensor de imagen (ver Fig. S1 y S2), el espectrómetro de nueve colores tiene las mismas dimensiones que el adaptador, es decir, 54 × 58 × 8,5 mm.(espesor) .Este tamaño ultrapequeño es de dos a tres órdenes de magnitud más pequeño que los espectrómetros convencionales que utilizan rejillas o prismas.Además, dado que el espectrómetro de nueve colores está configurado de manera que la luz incide perpendicularmente sobre la superficie del sensor de imagen, se puede asignar fácilmente espacio para el espectrómetro de nueve colores en sistemas como microscopios, citómetros de flujo o analizadores.Analizador de electroforesis de rejilla capilar para una miniaturización aún mayor del sistema.Al mismo tiempo, el tamaño de diez espejos dicroicos y filtros de paso de banda utilizados en el espectrómetro de nueve colores es de sólo 10×1,9×0,5 mm o 15×1,9×0,5 mm.Por lo tanto, se pueden cortar más de 100 de estos pequeños espejos dicroicos y filtros de paso de banda, respectivamente, de un espejo dicroico y un filtro de paso de banda de 60 mm2, respectivamente.Por lo tanto, se puede fabricar una serie de espejos decacromáticos a bajo coste.
Otra característica del espectrómetro de nueve colores son sus excelentes características espectrales.En particular, permite la adquisición de imágenes espectrales de instantáneas, es decir, la adquisición simultánea de imágenes con información espectral.Para cada imagen se obtuvo un espectro continuo con un rango de longitud de onda de 520 a 700 nm y una resolución de 20 nm.En otras palabras, para cada imagen se detectan nueve intensidades de color de luz, es decir, nueve bandas de 20 nm que dividen por igual el rango de longitud de onda de 520 a 700 nm.Al cambiar las características espectrales del espejo dicroico y el filtro de paso de banda, se puede ajustar el rango de longitud de onda de las nueve bandas y el ancho de cada banda.La detección de nueve colores se puede utilizar no sólo para mediciones de fluorescencia con imágenes espectrales (como se describe en este informe), sino también para muchas otras aplicaciones comunes que utilizan imágenes espectrales.Aunque las imágenes hiperespectrales pueden detectar cientos de colores, se ha descubierto que incluso con una reducción significativa en el número de colores detectables, se pueden identificar múltiples objetos en el campo de visión con suficiente precisión para muchas aplicaciones38,39,40.Debido a que la resolución espacial, la resolución espectral y la resolución temporal tienen una compensación en las imágenes espectrales, reducir la cantidad de colores puede mejorar la resolución espacial y la resolución temporal.También puede utilizar espectrómetros simples como el desarrollado en este estudio y reducir aún más la cantidad de cálculo.
En este estudio, se cuantificaron ocho tintes simultáneamente mediante la separación espectral de sus espectros de fluorescencia superpuestos basándose en la detección de nueve colores.Se pueden cuantificar hasta nueve colorantes simultáneamente, coexistiendo en el tiempo y el espacio.Una ventaja especial del espectrómetro de nueve colores es su alto flujo luminoso y su gran apertura (1 × 7 mm).El conjunto de espejos decano tiene una transmisión máxima del 92% de la luz desde la apertura en cada uno de los nueve rangos de longitud de onda.La eficiencia del uso de luz incidente en el rango de longitud de onda de 520 a 700 nm es casi del 100%.En una gama tan amplia de longitudes de onda, ninguna rejilla de difracción puede proporcionar una eficiencia de uso tan alta.Incluso si la eficiencia de difracción de una rejilla de difracción excede el 90% en una determinada longitud de onda, a medida que aumenta la diferencia entre esa longitud de onda y una longitud de onda particular, la eficiencia de difracción en otra longitud de onda disminuye41.El ancho de apertura perpendicular a la dirección del plano en la Fig. 2c se puede extender desde 7 mm hasta el ancho del sensor de imagen, como en el caso del sensor de imagen utilizado en este estudio, modificando ligeramente la matriz decamer.
El espectrómetro de nueve colores se puede utilizar no sólo para la electroforesis capilar, como se muestra en este estudio, sino también para otros fines.Por ejemplo, como se muestra en la figura siguiente, se puede aplicar un espectrómetro de nueve colores a un microscopio de fluorescencia.El plano de la muestra se muestra en el sensor de imagen del espectrómetro de nueve colores a través de un objetivo de 10x.La distancia óptica entre la lente objetivo y el sensor de imagen es de 200 mm, mientras que la distancia óptica entre la superficie incidente del espectrómetro de nueve colores y el sensor de imagen es de sólo 12 mm.Por lo tanto, la imagen se cortó aproximadamente al tamaño de la apertura (1 × 7 mm) en el plano de incidencia y se dividió en nueve imágenes en color.Es decir, se puede tomar una imagen espectral de una instantánea de nueve colores en un área de 0,1 × 0,7 mm en el plano de muestra.Además, es posible obtener una imagen espectral de nueve colores de un área más grande en el plano de la muestra escaneando la muestra con respecto al objetivo en la dirección horizontal en la Fig. 2c.
Los componentes de la matriz de espejos decacromáticos, a saber, M1-M9 y BP, fueron fabricados a medida por Asahi Spectra Co., Ltd. utilizando métodos de precipitación estándar.Se aplicaron materiales dieléctricos multicapa individualmente sobre diez placas de cuarzo de 60 × 60 mm de tamaño y 0,5 mm de espesor, cumpliendo los siguientes requisitos: M1: IA = 45°, R ≥ 90% a 520–590 nm, Tave ≥ 90% a 610– 610 nm.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 % a 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 % a -690 nm y T ≤ 1% a 725-750 nm, donde IA, T, Tave y R son el ángulo de incidencia, transmitancia, transmitancia promedio y reflectancia de luz no polarizada.
La luz blanca (C0) con un rango de longitud de onda de 400 a 750 nm emitida por una fuente de luz LED (AS 3000, AS ONE CORPORATION) se colimó e incidió verticalmente en el DP de una serie de espejos dicroicos.El espectro de luz blanca de los LED se muestra en la Figura complementaria S3.Coloque un tanque de acrílico (dimensiones 150 × 150 × 30 mm) directamente delante de la matriz de espejos de la cámara, frente a la fuente de alimentación.El humo generado cuando el hielo seco se sumergía en agua se vertió luego en un tanque acrílico para observar las corrientes divididas de nueve colores C1-C9 que emanaban de la serie de espejos decacromáticos.
Alternativamente, la luz blanca colimada (C0) pasa a través de un filtro antes de ingresar al DP.Los filtros eran originalmente filtros de densidad neutra con una densidad óptica de 0,6.Luego utilice un filtro motorizado (FW212C, FW212C, Thorlabs).Finalmente, vuelva a encender el filtro ND.Los anchos de banda de los nueve filtros de paso de banda corresponden a C9, C8, C7, C6, C5, C4, C3, C2 y C1, respectivamente.Se colocó una celda de cuarzo con dimensiones internas de 40 (largo óptico) x 42,5 (alto) x 10 mm (ancho) frente a una serie de espejos decocromáticos, frente al BP.Luego, el humo se introduce a través de un tubo en la celda de cuarzo para mantener la concentración de humo en la celda de cuarzo y visualizar las corrientes divididas C1-C9 de nueve colores que emanan de la matriz de espejos decacromáticos.
Se capturó en modo de lapso de tiempo en el iPhone XS un vídeo del flujo de luz dividido en nueve colores que emana de una serie de espejos decánicos.Capture imágenes de la escena a 1 fps y compílelas para crear videos a 30 fps (para el video opcional 1) o 24 fps (para los videos opcionales 2 y 3).
Coloque una placa de acero inoxidable de 50 m de espesor (con cuatro orificios de 50 m de diámetro a intervalos de 1 mm) en la placa de difusión.Sobre la placa difusora se irradia luz con una longitud de onda de 400-750 nm, obtenida al pasar la luz de una lámpara halógena a través de un filtro de transmisión corto con una longitud de onda de corte de 700 nm.El espectro de luz se muestra en la Figura complementaria S4.Alternativamente, la luz también pasa a través de uno de los filtros de paso de banda de 10 nm centrados en 530, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670 y 690 nm e incide en la placa difusora.Como resultado, se formaron cuatro puntos de radiación con un diámetro de φ50 μm y diferentes longitudes de onda en una placa de acero inoxidable opuesta a la placa difusora.
Se monta una matriz de cuatro capilares con cuatro lentes en un espectrómetro de nueve colores como se muestra en las Figuras 1 y 2. C1 y C2.Los cuatro capilares y las cuatro lentes eran los mismos que en estudios anteriores31,34.Un rayo láser con una longitud de onda de 505 nm y una potencia de 15 mW se irradia simultánea y uniformemente desde un lado hasta los puntos de emisión de cuatro capilares.La fluorescencia emitida por cada punto de emisión es colimada por la lente correspondiente y separada en nueve corrientes de color mediante una serie de espejos decacromáticos.Luego, los 36 flujos resultantes se inyectaron directamente en un sensor de imagen CMOS (C11440–52U, Hamamatsu Photonics K·K.) y sus imágenes se registraron simultáneamente.
Kit de reacción listo para secuenciación de ciclo de imprimación ABI PRISM® BigDye® (Applied Biosystems), se mezclaron 4 µl de tinte GeneScan™ 600 LIZ™ para cada capilar mezclando 1 µl de estándar de matriz PowerPlex® 6C (Promega Corporation), 1 µl de estándar de tamaño de mezcla.v2.0 (Thermo Fisher Scientific) y 14 µl de agua.El estándar de matriz PowerPlex® 6C consta de seis fragmentos de ADN marcados con seis tintes: FL-6C, JOE-6C, TMR-6C, CXR-6C, TOM-6C y WEN, en orden de longitud de onda máxima.Las longitudes de bases de estos fragmentos de ADN no se divulgan, pero se conoce la secuencia de longitud de bases de los fragmentos de ADN marcados con WEN, CXR-6C, TMR-6C, JOE-6C, FL-6C y TOM-6C.La mezcla del kit de reacción listo para secuenciación de ciclo de imprimación ABI PRISM® BigDye® contiene un fragmento de ADN marcado con colorante dR6G.Tampoco se divulgan las longitudes de las bases de los fragmentos de ADN.GeneScan™ 600 LIZ™ Dye Size Standard v2.0 incluye 36 fragmentos de ADN marcados con LIZ.Las longitudes de bases de estos fragmentos de ADN son 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 y 600 bases.Las muestras se desnaturalizaron a 94°C durante 3 minutos y luego se enfriaron en hielo durante 5 minutos.Las muestras se inyectaron en cada capilar a 26 V/cm durante 9 s y se separaron en cada capilar lleno con una solución de polímero POP-7™ (Thermo Fisher Scientific) con una longitud efectiva de 36 cm y un voltaje de 181 V/cm y una ángulo de 60°.DE.
Todos los datos obtenidos o analizados en el curso de este estudio se incluyen en este artículo publicado y su información adicional.Otros datos relevantes para este estudio están disponibles a través de los respectivos autores previa solicitud razonable.
Khan, MJ, Khan, HS, Yousaf, A., Khurshid, K. y Abbas, A. Tendencias actuales en el análisis de imágenes hiperespectrales: una revisión.Acceda a IEEE 6, 14118–14129.https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2812999 (2018).
Vaughan, AH Espectroscopia astronómica interferométrica de Fabry-Perot.instalar.Reverendo Astron.astrofísica.5, 139-167.https://doi.org/10.1146/annurev.aa.05.090167.001035 (1967).
Goetz, AFH, Wein, G., Solomon, JE y Rock, BN Espectroscopia de imágenes de teledetección de la Tierra.Ciencia 228, 1147-1153.https://doi.org/10.1126/science.228.4704.1147 (1985).
Yokoya, N., Grohnfeldt, C. y Chanussot, J. Fusión de datos hiperespectrales y multiespectrales: una revisión comparativa de publicaciones recientes.Ciencias de la Tierra IEEE.Revista de teledetección.5:29–56.https://doi.org/10.1109/MGRS.2016.2637824 (2017).
Gowen, AA, O'Donnell, SP, Cullen, PJ, Downey, G. y Frias, JM Las imágenes hiperespectrales son una nueva herramienta analítica para el control de calidad y la seguridad alimentaria.Tendencias en ciencia de los alimentos.tecnología.18, 590-598.https://doi.org/10.1016/j.tifs.2007.06.001 (2007).
ElMasri, G., Mandour, N., Al-Rejaye, S., Belin, E. y Rousseau, D. Aplicaciones recientes de imágenes multiespectrales para monitorear el fenotipo y la calidad de las semillas: una revisión.Sensores 19, 1090 (2019).
Liang, H. Avances en imágenes multiespectrales e hiperespectrales para arqueología y preservación del arte.Solicite un examen físico 106, 309–323.https://doi.org/10.1007/s00339-011-6689-1 (2012).
Edelman GJ, Gaston E., van Leeuwen TG, Cullen PJ y Alders MKG Imágenes hiperespectrales para el análisis sin contacto de rastros forenses.Criminalística.interno 223, 28-39.https://doi.org/10.1016/j.forsciint.2012.09.012 (2012).