злиття

  • предметів
  • реферат
  • вступ
  • Матеріали і методи
  • Пристрої обробки зображень
  • Реконструкція зображення
  • результат
  • обговорення
  • висновки
  • Детальніше
  • Коментарі

предметів

  • Техніка візуалізації
  • Інтерференційна мікроскопія
  • Оптичні датчики

реферат

Безчіпкова ширококутна мікроскопія, яка використовує принципи голографії для зчитування інтерферометричного кодування світлового поля без лінз, представляє новий спосіб формування зображень, що представляє великий інтерес завдяки великому полю зору порівняно з об'єктивними методами. У цьому дослідженні ми представляємо ідею злиття лазерного поля світла для фазово-контрастної мікроскопії без лінз для виявлення наночастинок, де сплавлені інтерферометричні лазерні світлові поля, отримані без лінз, інтегруються в мікросхему з лазерними пульсаціями на різних довжинах хвиль для формування фази контрастні зображення частинок без нанесення маркерів у нанометровій шкалі. Як доказ концепції ми вперше демонструємо широкосхемовий, не об'єктивний електронний чіп-пристрій, який успішно виявляє 300 нм частинки у великому полі зору.

30 мм 2 без будь-якої спеціалізованої або складної підготовки зразків або використання методів, заснованих на синтетичній апертурі або зміщенні.

Фазово-контрастна мікроскопія була введена як засіб спостереження за об’єктами зі світлопрозорими властивостями 1. Мікроскопія таких об’єктів у яскравому полі має тенденцію створювати зображення з низькою контрастністю, оскільки відчуте світло і відображений зразок не дуже сильно взаємодіють. Однак фазово-контрастна мікроскопія дозволяє візуалізувати різницю в довжині оптичного шляху, яку скануюче світло буде відчувати завдяки взаємодії із зразком, отримуючи таким чином висококонтрастні зображення таких зразків. Незважаючи на вищезазначену перевагу фазово-контрастної мікроскопії, вона все ще страждає від тих самих недоліків мікроскопії з яскравим полем, таких як обмежене поле зору (FOV), обмежена роздільна здатність та висока складність конструкції та роботи приладу.

Безчіпкова мікроскопія широкого поля, де голографічні принципи використовуються для захоплення інтерферометричних кодів світлового поля без лінз, стала цікавим способом усунення недоліків методів на основі лінз 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22. По суті, ці вбудовані в мікросхеми пристрої концептуально прості та пропонують надзвичайно великі FOV в порівнянні з інструментами на основі лінз. Оскільки предметне скло розташоване на вершині детектора в безчиповій мікросхемі, крок пікселів детектора може впливати на здатність виявляти частинки на нанометровій шкалі. Методи, засновані на синтетичній апертурі або поперечному зсуві 7, 8, 9, 11, 23, 24, були запропоновані для поліпшення роздільної здатності, хоча ці методи, як правило, збільшують апаратну складність та зменшують толерантність до роботи приладу. Нещодавно методи, засновані на багатьох довжинах хвиль 17, 20, 21, 22, 25, також показали значну перспективу для покращення роздільної здатності.

У цьому дослідженні ми представляємо ідею контрастної мікроскопії з фазовим злиттям лазерного світлового поля для виявлення наночастинок. Натхненний попередньою попередньою фазою спектрального злиття світлового поля 20, 21, 22, контрастне мікроскопічне злиття з фазовим лазерним полем світла передбачає отримання та сплавлення кодування інтерферометричного світлового поля з використанням не лінз, регулювання чіпів за допомогою лазерних пульсацій. на різних довжинах хвиль для створення фазово-контрастного зображення без маркерів, як показано на фіг. 1. Запропонований пристрій дозволяє виявляти наночастинки за допомогою безлинзових налаштувань на мікросхемі, що зменшує вартість і складність візуалізації порівняно з іншими рішеннями. Як доказ концепції ми вперше демонструємо лінзу без чіпового приладу, здатну виявляти частинки 300 нм у широкому полі зору

30 мм 2 без використання спеціалізованої або складної підготовки зразків або використання методів, заснованих на синтетичному отворі або бічному зміщенні.

a ) Схема приладу, що показує одномодовий оптичний кабель, що використовується в двоканальному імпульсному лазерному джерелі світла; реєструється розмір поля детектора, який представляє загальне поле зору приладу. b a c ) захоплене інтерферометричне кодування світлового поля (A 1 = 531, 9 нм ( b ) і λ 2 = 638, 3 нм ( c )), стовпці шкали, що позначають 1 мм.

Повнорозмірне зображення

Матеріали і методи

Пристрої обробки зображень

Запропонований апарат фазового контрастного мікроскопа без чіпів, що використовується для цього дослідження (показаний на рис. 1), можна описати наступним чином. Використовується двоканальне імпульсне лазерне джерело світла з центральними довжинами хвиль при Х1 = 531,9 нм і Х3 = 638,3 нм, спектральна смуга становить 1 нм. Імпульсне лазерне джерело світла запрограмовано на імпульс із змінною послідовністю довжин хвиль імпульсу, тривалість пульсації налаштована таким чином, що сигнал, який спостерігається на детекторі, максимізується при зменшенні насиченості пікселів. Імпульсне лазерне джерело світла підключається до одномодового оптичного кабелю для освітлення зразка. Зчитування детектора синхронізується з послідовністю імпульсів для швидкого та плавного отримання кодування інтерферометричного світлового поля на двох довжинах хвиль лазерного джерела світла. Час експозиції становив 500 кадрів в секунду).

Зразок, який слід відобразити, розміщується на предметному склі №1

145 мкм, який знаходиться безпосередньо на детекторі. Інтерфометричні надходження кодування світлового поля зразка, яке відображається з різною довжиною хвилі, виконуються за допомогою детектора з використанням скануючого поля CMOS з розмірами 3840 х 2748 пікселів з інтервалом пікселів 1,67 мкм. FOV пристрою визначається активним розміром датчика і становить

30 мм2. Захоплене інтерферометричне кодування світлового поля, позначене gx, y, λ з X, що позначає довжину хвилі, потім надсилається в блок цифрової обробки сигналів, де чисельне злиття світлового поля виконується лазером для реконструкції злитого фазового контрасту rx, y, z .

У цьому дослідженні лічильник був охарактеризований на основі кількох придбань цільових точкових джерел для визначення функції пропускання аберацій на кожній довжині хвилі (позначена

) імпульсного лазерного джерела світла для врахування різниць на різних довжинах хвиль.

Для порівняння це дослідження також оцінило безчиповий контрольний пристрій на мікросхемі, який сприймає інтерферометричне кодування світлового поля при λ = 531,9 нм, використовуючи вищезазначений пристрій формування зображень (замість цього використовується одноканальне лазерне джерело світла).

Реконструкція зображення

Чисельне злиття лазерного світлового поля, виконане на блоці цифрової обробки сигналу для реконструкції плавлених фазових контрастних зображень за вимірами, проведеними запропонованим апаратом, можна описати наступним чином. Захоплене інтерферометричне кодування світлового поля g x, y, λ інкапсулює унікальну дифракційну поведінку при різних довжинах хвиль λ, яку ми використовуємо для досягнення кращої якості зображення, яка може бути досягнута з однією довжиною хвилі. Створимо фіксоване світлове поле q x, y із сплавленого лазерного об’єкта як підпросторову проекцію світлового поля лазерного об’єкта f x, y, z, λ,

де в λ позначає коефіцієнт, пов'язаний з X найбільшого власного вектора кореляційної матриці f x, y, z, λ, враховуючи, таким чином, кореляційну структуру по λ. Оскільки описуваний пристрій фіксує g x, y, λ, а не f x, y, z, λ, необхідно розробити механізм чисельної оцінки q x, y, z з урахуванням g x, y, λ .

Тепер давайте змоделюємо світлове поле f x, y, z, λ лазерного об’єкта та інтерферометричне лазерне світлове поле, що кодує g x, y, λ як розподіл ймовірностей. Щоб оцінити qx, y, z, ми тепер хочемо обчислити підпросторову проекцію найбільш вірогідного світлового поля fx, y, z, λ лазерного об’єкта fx, y, z та заданого gx, y, λ з апріорними знання, пов'язані з sfx, y, z, λ та функцією передачі аберацій (), а також функцією передачі дифракції Релея-Зоммерфельда ()

де p (gx, y, λ | fx, y, z, λ) позначає ймовірність gx, y, λ, задану fx, y, z, λ і p (fx, y, z, λ) позначає попереднє число fx, y, z, λ. Згідно з квантовою статистикою випромінювання фотонів p (g x, y, λ | f x, y, z, λ) можна виразити як

де a позначає перетворення Фур'є вперед і назад. Моделюючи f x, y, z, λ як нестаціонарний процес, можна виразити p (f x, y, z, λ) як

де E (f x, y, z, λ) позначає нестаціонарне сподівання, а τ 2 позначає дисперсію. Для реконструкції комбінованого фазового контрастного зображення r x, y, z, обчислене значення обчислюється, фаза зсувається на 90 ° при нульовій частоті, а амплітуда цього фазового зсуву приймається як r x, y, z1 .

Для вирішення рівняння Максимізація очікувань використовується для оцінки MAP. 2 і проводиться до зближення.

результат

Здатність запропонованого пристрою виявляти частинки в нанометровому масштабі вперше продемонстровано на фіг. 2, де Фігура 2а - фазово-контрастне зображення зразка, що складається з наносфер полістиролу (Fluoresbrite, Polysciences, Inc., США). При детальному розгляді, використовуючи два рівні збільшення, на фіг. 2b і c, розкривається фазово-контрастне зображення ізольованого скупчення з п'яти наносфер 500 нм, розташованих у формі "U". Кодування світлового поля, захопленого при λ1 = 531,9 нм і λ2 = 638,3 нм, показано на фіг. 2г ае.

a ) Повне зображення детектора FOV, шкала вказує на 1 мм. ( b ) збільшена площа a . ( c ) Подальше розширення конкретного регіону vb який показано розташування наносфер "U" при 500 нм. ( d a e ) Кодування захопленого світлового поля при X1 = 531, 9 нм ( d ) і λ2 = 638, 3 нм ( e ), що використовується для отримання c . Шкала в c, d, e всі позначають 2 мкм .

Повнорозмірне зображення

a ) Фазово-контрастне зображення, що містить п’ять наносфер, розташованих у U-подібній формі, отриманих безчиповим еталонним приладом на чіпі, який зчитує інтерферометричне кодування світлового поля при λ = 531, 9 нм. b ) Фазово-контрастне зображення, отримане із запропонованим приладом, що містить п’ять наносфер, розташованих у U-формі. ( c ) SEM-зображення відповідної області розміру наночастинок, записане на зображенні (із вставкою, що показує збільшення наночастинок, що кружляють червоним кольором). Шкала в a, b a c позначає 2 мкм, шкала шкали у вкладиші c вказує на 500 нм.

Повнорозмірне зображення

Також можна спостерігати, що якість зображення, отриманого із застосуванням пропонованого пристрою для контрастної фазової мікроскопії з лазерним світловим полем фази злиття, висока при співвідношенні сигнал-шум (SNR) 33,35 дБ, що досягається лише шляхом захоплення одного інтерферометричного світлового поля . кодування на заданій довжині хвилі в поточній обстановці.

a ) Виберіть розташування FOV

30 мм2, отриманий пропонованим апаратом, який містить сім частинок різного розміру. ( b ) SEM-зображення того самого FOV. ( c ) збільшене зображення частинки 300 нм з профілем перерізу та вставкою карти інтенсивності поверхні. d ) Шаблон верифікації SEM з розміром частинок 300 нм. Шкала в aab позначає 3 мкм змінного струму d 1 мкм .

Повнорозмірне зображення

обговорення

Ми запровадили широкопольний фазовий контрастний мікроскопний прилад для виявлення частинок на нанометровій шкалі. Як доказ концепції, здатність запропонованого приладу демонструється зображенням частинок розміром 300 нм. Ці експериментальні результати демонструють, що унікальна дифракційна поведінка, зафіксована в отриманих інтерферометричних кодах світлового поля при різних довжинах хвиль, може бути використана в процесі синтезу для досягнення кращої якості зображення в безчиповому пристрої на чіповому пристрої, що може бути досягнуто з однією довжиною хвилі.,

Важливо зазначити, що пропонований ширококутний чіп-пристрій не вимагає спеціальної підготовки зразків або використання методів, заснованих на синтетичній апертурі або поперечному зміщенні для досягнення виявлення наночастинок. Як результат, запропонований інструмент має низьку складність та витрати на обладнання, а також простий в експлуатації та обслуговуванні, що дозволяє проводити демократизацію та розповсюдження таких інструментів у галузі охорони здоров’я, промисловості, освіти та досліджень. Придбання, що кодує інтерферометричне світлове поле, здійснене запропонованим приладом, займає менше

2 мс (еквівалентно> 500 кадрів в секунду), що дозволяє спостерігати динамічні системи з високою роздільною здатністю або перехідні процеси в нанометровому масштабі, наприклад, для вивчення динаміки руху колоїдних наночастинок.

Обмеженням налаштування пропонованого приладу, що використовується в цьому поточному дослідженні, є те, що кількість використовуваних довжин хвиль обмежена двома різними довжинами хвиль лазера, на які можна звернути увагу в майбутніх дослідженнях, включивши перестроюваний лазер, який потенційно може надалі покращувати зображення. якість.

висновки

Ми запровадили фазовий контрастний мікроскоп із широким полем із полем без лінз, здатним виявляти частинки з нанометровою роздільною здатністю. Прилад не вимагає збільшення голограми, підготовки спеціального зразка або використання методів, заснованих на синтетичній апертурі або бічному зсуві для досягнення виявлення наночастинок. Отримання кодування інтерферонового поля за допомогою запропонованого засобу займає менше, ніж

3 мс (що відповідає> 300 кадрів в секунду), що дозволило б спостерігати динамічно динамічні системи з високою роздільною здатністю або перехідні процеси в нанометровому масштабі з чудовою якістю зображення, SNR> 29 дБ. Крім того, запропонований інструмент надзвичайно простий та економічний з точки зору впровадження, що дозволяє проводити демократизацію та розповсюдження таких систем на всіх рівнях охорони здоров’я, промисловості, освіти та досліджень.

Детальніше

Як цитувати цю статтю: Каземзаде, Ф. та Вонг, А. Лазерне злиття світлового поля для ширококутного об'єктивного контрасту мікроскопічного контрасту мікроскопічних наночастинок. Наук. Респ. 6, 38981; doi: 10, 1038/srep38981 (2016).

Примітка видавця: Природа Спрінгера залишається нейтральною щодо вимог юрисдикції в опублікованих картах та інституційних асоціаціях.

Коментарі

Надсилаючи коментар, ви погоджуєтесь дотримуватись наших Умов надання послуг та Правил спільноти. Якщо ви вважаєте щось образливим або не відповідаєте нашим умовам чи інструкціям, позначте це як невідповідне.