Multimodale nichtlineare hyperspektrale chemische Bildgebung mit Line-Scanning-Schwingungssummen-Frequenz-Generierungsmikroskopie

Die Erzeugung von Schwingungssummen (VSFG), eine nichtlineare optische Technik zweiter Ordnung^1,2, wurde ausgiebig als Spektroskopiewerkzeug eingesetzt, um symmetriefähige^Proben 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 chemisch zu profilieren^.14, 15, 16, ¹⁷, ¹⁸, ¹⁹, ²⁰, ^{21, 22}. Traditionell wurde VSFG auf die Grenzflächensysteme 8,9,10,11 (d. h. Gas-Flüssigkeit, Flüssig-Flüssig, Gas-Fest, Fest-Flüssig) angewendet^, denen die Inversionssymmetrie fehlt – eine Voraussetzung für die VSFG-Aktivität. Diese Anwendung von VSFG hat eine Fülle von molekularen Details der vergrabenen Grenzflächen 12,13, der Konfigurationen von Wassermolekülen an den Grenzflächen 14,15,16,17,18 und der chemischen Spezies an den Grenzflächen 19,20,21,22 geliefert.

Obwohl VSFG bei der Bestimmung molekularer Spezies und Konfigurationen an Grenzflächen leistungsfähig war, wurde sein Potenzial bei der Messung molekularer Strukturen von Materialien, denen Inversionszentren fehlen, nicht ausgeschöpft. Dies liegt zum Teil daran, dass die Materialien in ihrer chemischen Umgebung, Zusammensetzung und geometrischen Anordnung heterogen sein können und ein herkömmliches VSFG-Spektrometer eine große Beleuchtungsfläche in der Größenordnung von 100 μm² hat. So berichtet die traditionelle VSFG-Spektroskopie über eine typische Beleuchtungsfläche von 100 μm² über Ensemble-gemittelte Informationen der Probe. Diese Ensemble-Mittelung kann zu Signalauslöschungen zwischen wohlgeordneten Domänen mit entgegengesetzten Orientierungen und zu einer Fehlcharakterisierung lokaler Heterogenitäten führen 15,20,23,24.

Mit Fortschritten bei reflektierenden Mikroskopobjektiven mit hoher numerischer Apertur (NA) (Schwarzschild- und Cassegrain-Geometrie), die nahezu frei von chromatischen Aberrationen sind, kann die Fokusgröße der beiden Strahlen in VSFG-Experimenten von 100 μm2 auf 1-2^μm2 und in einigen Fällen Submikron²⁵ verringert werden. Unter Berücksichtigung dieses technologischen Fortschritts haben unsere Gruppe und andere VSFG zu einer Mikroskopieplattform 20,23,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36 entwickelt. Vor kurzem haben wir ein invertiertes optisches Layout und ein breitbandiges Detektionsschema³⁷ implementiert, das eine nahtlose Erfassung multimodaler Bilder (VSFG, zweite harmonische Generation (SHG) und optische Hellfeldbilder) ermöglicht. Die multimodale Bildgebung ermöglicht eine schnelle Inspektion von Proben mit optischer Bildgebung, die Korrelation verschiedener Arten von Bildern miteinander und die Lokalisierung von Signalpositionen auf den Probenbildern. Mit der achromatischen Beleuchtungsoptik und der Wahl der gepulsten Laserbeleuchtungsquelle ermöglicht diese optische Plattform die zukünftige nahtlose Integration zusätzlicher Techniken wie Fluoreszenzmikroskopie³⁸ und Raman-Mikroskopie, um nur einige zu nennen.

In dieser neuen Anordnung wurden Proben wie hierarchische Organisationen und eine Klasse von molekularen Selbstassemblierungen (MSAs) untersucht. Zu diesen Materialien gehören Kollagen und Biomimetika, bei denen sowohl die chemische Zusammensetzung als auch die geometrische Organisation für die letztendliche Funktion des Materials wichtig sind. Da es sich bei VSFG um ein nichtlineares optisches Signal zweiter Ordnung handelt, ist es spezifisch empfindlich für intermolekulare Anordnungen^39,40, wie z. B. intermolekulare Abstände oder Verdrehungswinkel^, was es zu einem idealen Werkzeug für die Aufdeckung sowohl chemischer Zusammensetzungen als auch molekularer Anordnungen macht. Diese Arbeit beschreibt die VSFG-, SHG- und Hellfeld-Modalitäten des Kerninstruments, das aus einem Ytterbium-dotierten Hohlraum-Festkörperlaser besteht, der einen optisch-parametrischen Verstärker (OPA), ein selbstgebautes multimodales inverses Mikroskop und einen Monochromator-Frequenzanalysator pumpt, der mit einem zweidimensionalen CCD-Detektor (Charged Coupled Device)²⁷ gekoppelt ist. Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung für die Konstruktion und Ausrichtung sowie eine vollständige Stückliste des Aufbaus werden bereitgestellt. Eine eingehende Analyse eines MSA, dessen fundamentale molekulare Untereinheit aus einem Molekül Natrium-Dodecylsulfat (SDS), einem gewöhnlichen Tensid, und zwei Molekülen β-Cyclodextrin (β-CD), bekannt als SDS@2 β-CD, besteht, wird ebenfalls als Beispiel bereitgestellt, um zu zeigen, wie VSFG molekülspezifische geometrische Details von organisierter Materie aufdecken kann. Es wurde auch gezeigt, dass chemikalienspezifische geometrische Details der MSA mit einem neuronalen Netzfunktionslöser-Ansatz bestimmt werden können.