Multimodale niet-lineaire hyperspectrale chemische beeldvorming met behulp van lijnscanning Vibrationele somfrequentiegeneratiemicroscopie

Vibrationele somfrequentiegeneratie (VSFG), een niet-lineaire optische techniek van de tweede orde^1,2, is op grote schaal gebruikt als spectroscopie-instrument om symmetrie-toegestane monsters chemisch te profileren 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13^, 14,15,16,17,18,19,20,21,22. Traditioneel wordt VSFG toegepast op grensvlaksystemen 8,9,10,11 (d.w.z. gas-vloeistof, vloeistof-vloeistof, gas-vaste^, vaste-vloeistof), die geen inversiesymmetrie hebben – een vereiste voor VSFG-activiteit. Deze toepassing van VSFG heeft een schat aan moleculaire details opgeleverd van begraven grensvlakken 12,13, configuraties van watermoleculen op grensvlakken 14,15,16,17,18 en chemische soorten op grensvlakken ^19,20,21,22.

Hoewel VSFG krachtig is geweest in het bepalen van moleculaire soorten en configuraties op grensvlakken, is het potentieel ervan voor het meten van moleculaire structuren van materialen zonder inversiecentra niet vervuld. Dit komt deels omdat de materialen heterogeen kunnen zijn in hun chemische omgeving, samenstellingen en geometrische rangschikking, en een traditionele VSFG-spectrometer heeft een groot verlichtingsgebied in de orde van grootte van 100 μm². Traditionele VSFG-spectroscopie rapporteert dus over ensemble-gemiddelde informatie van het monster over een typisch verlichtingsgebied van 100 μm². Dit ensemblemiddeling kan leiden tot signaalannuleringen tussen goed geordende domeinen met tegengestelde oriëntaties en verkeerde karakterisering van lokale heterogeniteiten 15,20,23,24.

Met vooruitgang op het gebied van hoge numerieke apertuur (NA), reflecterende microscoopobjectieven (Schwarzschild- en Cassegrain-geometrieën), die bijna vrij zijn van chromatische aberraties, kan de focusgrootte van de twee bundels in VSFG-experimenten worden verkleind van 100 μm2 tot 1-2^μm2 en in sommige gevallen submicron²⁵. Met inbegrip van deze technologische vooruitgang hebben onze groep en anderen VSFG ontwikkeld tot een microscopieplatform 20,23,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36. Onlangs hebben we een omgekeerde optische lay-out en breedbanddetectieschema³⁷ geïmplementeerd, dat een naadloze verzameling van multimodale beelden mogelijk maakt (VSFG, tweede harmonische generatie (SHG) en optisch helderveld). De multimodale beeldvorming maakt een snelle inspectie van monsters mogelijk met behulp van optische beeldvorming, het correleren van verschillende soorten beelden en het lokaliseren van signaalposities op de monsterbeelden. Met de achromatische verlichtingsoptiek en de keuze van de gepulseerde laserverlichtingsbron, maakt dit optische platform een toekomstige naadloze integratie mogelijk van aanvullende technieken zoals fluorescentiemicroscopie³⁸ en Raman-microscopie, onder andere.

In deze nieuwe opstelling zijn monsters zoals hiërarchische organisaties en een klasse van moleculaire zelfassemblages (MSA’s) bestudeerd. Deze materialen omvatten collageen en biomimetica, waarbij zowel de chemische samenstelling als de geometrische organisatie belangrijk zijn voor de uiteindelijke functie van het materiaal. Omdat VSFG een niet-lineair optisch signaal van de tweede orde is, is het specifiek gevoelig voor intermoleculaire arrangementen^39,40, zoals intermoleculaire afstand of draaihoeken^, waardoor het een ideaal hulpmiddel is voor het onthullen van zowel chemische samenstellingen als moleculaire arrangementen. Dit werk beschrijft de VSFG-, SHG- en helderveldmodaliteiten van het kerninstrument, bestaande uit een met ytterbium gedoteerde holte solid-state laser die een optische parametrische versterker (OPA) pompt, een zelfgebouwde multimodale omgekeerde microscoop en monochromatorfrequentieanalysator gekoppeld aan een tweedimensionale detector voor geladen gekoppeld apparaat (CCD)²⁷. Er wordt een stap-voor-stap constructie- en uitlijningsprocedure en een volledige onderdelenlijst van de installatie verstrekt. Een diepgaande analyse van een MSA, waarvan de fundamentele moleculaire subeenheid bestaat uit één molecuul natrium-dodecylsulfaat (SDS), een veel voorkomende oppervlakteactieve stof, en twee moleculen β-cyclodextrine (β-CD), hierin bekend als SDS@2 β-CD, wordt ook als voorbeeld gegeven om te laten zien hoe VSFG molecuulspecifieke geometrische details van georganiseerde materie kan onthullen. Er is ook aangetoond dat chemisch-specifieke geometrische details van de MSA kunnen worden bepaald met een neurale netwerkfunctie-oplosserbenadering.