Imagem Química Hiperespectral Não Linear Multimodal Usando Microscopia de Geração de Soma e Frequência Vibracional de Varredura de Linha

A geração de soma de frequência vibracional (VSFG), uma técnica óptica não linear de segunda ordem^1,2, tem sido usada extensivamente como uma ferramenta de espectroscopia para perfilar quimicamente amostras permitidas por simetria 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13^, 14,15,16,17,18,19,20,21,22. Tradicionalmente, os VSFG têm sido aplicados a sistemas interfaciais 8,9,10,11 (isto é, gás-líquido, líquido-líquido, gás-sólido^, sólido-líquido), que não possuem simetria de inversão – um requisito para a atividade do VSFG. Esta aplicação do VSFG tem fornecido uma riqueza de detalhes moleculares de interfaces enterradas 12,13, configurações de moléculas de água em interfaces 14,15,16,17,18 e espécies químicas em interfaces 19,20,21,22.

Embora o VSFG tenha sido poderoso na determinação de espécies moleculares e configurações em interfaces, seu potencial na medição de estruturas moleculares de materiais sem centros de inversão não foi realizado. Isso ocorre em parte porque os materiais podem ser heterogêneos em seu ambiente químico, composições e arranjo geométrico, e um espectrômetro VSFG tradicional tem uma grande área de iluminação da ordem de 100 μm². Assim, a espectroscopia VSFG tradicional relata informações médias da amostra sobre uma área de iluminação típica de 100 μm². Essa média de conjunto pode levar a cancelamentos de sinal entre domínios bem ordenados com orientações opostas e descaracterização de heterogeneidades locais 15,20,23,24.

Com os avanços em alta abertura numérica (NA), objetivas de microscópio baseadas em reflexo (geometrias de Schwarzschild e Cassegrain), que são quase livres de aberrações cromáticas, o tamanho do foco dos dois feixes em experimentos VSFG pode ser reduzido de 100 μm 2 para 1-2 μm² e, em alguns casos, submícron²⁵. Incluindo esse avanço tecnológico, nosso grupo e outros desenvolveram o VSFG em uma plataforma de microscopia 20,23,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36. Recentemente, implementamos um layout óptico invertido e um esquema de detecção de banda larga³⁷, que permite uma coleção perfeita de imagens multimodais (VSFG, segunda geração harmônica (SHG) e óptica de campo brilhante). A imagem multimodalidade permite a inspeção rápida de amostras usando imagens ópticas, correlacionando vários tipos de imagens e localizando as posições do sinal nas imagens da amostra. Com a óptica de iluminação acromática e a escolha da fonte de iluminação a laser pulsada, esta plataforma óptica permite a integração perfeita futura de técnicas adicionais, como microscopia de fluorescência³⁸ e microscopia Raman, entre outras.

Nesse novo arranjo, amostras como organizações hierárquicas e uma classe de automontagens moleculares (AMEs) têm sido estudadas. Esses materiais incluem colágeno e biomiméticos, onde tanto a composição química quanto a organização geométrica são importantes para a função final do material. Por ser um sinal óptico não-linear de segunda ordem, o VSFG é especificamente sensível a arranjos intermoleculares^39,40, como distância intermolecular ou ângulos de torção^, tornando-se uma ferramenta ideal para revelar tanto composições químicas quanto arranjos moleculares. Este trabalho descreve as modalidades VSFG, SHG e campo claro do instrumento central que consiste em um laser de estado sólido de cavidade dopada com itérbio que bombeia um amplificador paramétrico óptico (OPA), um microscópio invertido multimodal construído em casa e analisador de frequência monocromador acoplado a um detector bidimensional charged coupled device (CCD)²⁷. Um passo a passo de construção e procedimentos de alinhamento, e uma lista completa de peças da configuração, são fornecidos. Uma análise aprofundada de uma MSA, cuja subunidade molecular fundamental é composta por uma molécula de sulfato de sódio-dodecil (SDS), um surfactante comum, e duas moléculas de β-ciclodextrina (β-CD), conhecidas como SDS@2 β-CD aqui, também são fornecidas como um exemplo para mostrar como o VSFG pode revelar detalhes geométricos específicos de moléculas de matéria organizada. Também foi demonstrado que detalhes geométricos químicos específicos da MSA podem ser determinados com uma abordagem de solucionador de funções de redes neurais.