Мультимодальная нелинейная гиперспектральная химическая визуализация с использованием линейно-сканирующей колебательной суммарной частотной генерации микроскопии

Вибрационная генерация суммарной частоты (VSFG), нелинейно-оптический метод второго порядка^1,2, широко используется в качестве спектроскопического инструмента для химического профилирования образцов 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13^. 14,15,16,17,18,19,20,21,22^. Традиционно VSFG применялся к межфазным системам 8,9,10,11 (т.е. газ-жидкость, жидкость-жидкость, газ-твердое тело, твердое тело-жидкость), в которых отсутствует инверсионная симметрия^, необходимая для активности VSFG. Это применение VSFG предоставило множество молекулярных деталей скрытых границ 12, 13, конфигураций молекул воды на границах 14, ¹⁵, 16, ¹⁷, ¹⁸ и химических веществ на границах ¹⁹, 20, ^{21, 22}.

Несмотря на то, что VSFG обладает мощными возможностями в определении молекулярных форм и конфигураций на границах раздела, его потенциал в измерении молекулярных структур материалов, лишенных инверсионных центров, не был реализован. Отчасти это связано с тем, что материалы могут быть неоднородными по своему химическому окружению, составу и геометрическому расположению, а традиционный спектрометр VSFG имеет большую площадь освещения порядка 100^мкм2. Таким образом, традиционная спектроскопия VSFG сообщает об усредненной по ансамблю информации об образце в типичной области освещенности 100^мкм2. Это усреднение ансамбля может привести к подавлению сигналов между хорошо упорядоченными доменами с противоположной ориентацией и неверной характеристике локальных неоднородностей 15,20,23,24.

Благодаря достижениям в области объективов для микроскопов с высокой числовой апертурой (NA), отражающих объективов (геометрии Шварцшильда и Кассегрена), которые почти не содержат хроматических аберраций, размер фокуса двух пучков в экспериментах VSFG может быть уменьшен со 100 мкм2 до 1-2^мкм2, а в некоторых случаях и субмикрон²⁵. Включая это технологическое достижение, наша группа и другие разработали VSFG в платформу для микроскопии 20,23,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36. Недавно мы внедрили инвертированную оптическую схему и широкополосную схему обнаружения³⁷, которая позволяет получать бесшовный сбор мультимодальных изображений (VSFG, генерация второй гармоники (SHG) и светлопольная оптическая). Мультимодальная визуализация позволяет быстро исследовать образцы с помощью оптической визуализации, сопоставлять различные типы изображений вместе и определять положение сигналов на изображениях образцов. Благодаря ахроматической оптике и выбору импульсного лазерного источника освещения эта оптическая платформа позволяет в будущем бесшовно интегрировать дополнительные методы, такие как флуоресцентная микроскопия³⁸ и рамановская микроскопия, среди прочих.

В этой новой схеме были изучены такие образцы, как иерархические организации и класс молекулярных самосборок (MSA). К таким материалам относятся коллаген и биомиметики, где как химический состав, так и геометрическая организация важны для конечной функции материала. Поскольку VSFG является нелинейно-оптическим сигналом второго порядка, он особенно чувствителен к межмолекулярным структурам^39,40, таким как межмолекулярное расстояние или углы скручивания^, что делает его идеальным инструментом для выявления как химического состава, так и молекулярного расположения. В данной работе описываются модальности VSFG, SHG и светлого поля основного прибора, состоящего из твердотельного лазера, легированного иттербием, который накачивает оптический параметрический усилитель (OPA), самодельного мультимодального инвертированного микроскопа и монохроматорного анализатора частоты, соединенного с детектором²⁷ с двумерным заряженным связанным устройством (ПЗС). Предоставляются пошаговые процедуры конструирования и выравнивания, а также полный перечень деталей установки. Углубленный анализ MSA, фундаментальная молекулярная субъединица которого состоит из одной молекулы додецилсульфата натрия (SDS), распространенного поверхностно-активного вещества, и двух молекул β-циклодекстрина (β-CD), известного здесь как SDS@2 β-CD, также представлен в качестве примера, показывающего, как VSFG может выявить специфические для молекул геометрические детали организованной материи. Также было продемонстрировано, что химически специфичные геометрические детали MSA могут быть определены с помощью подхода решателя функций нейронной сети.