观察微流控系统的动态Proton-Deuterium交换

需要可视化动态演化的化学物质在微尺度混合和反应正在增加。有各种各样的应用程序这个可视化;从控制药物的合成微流渠道监测药物的吸收在活细胞实验。

Spero显微镜从白天的解决方案是一个独一无二的显微镜,使微尺度流动的监测化学在大面积、高空间分辨率和实时视频的利率。

Spero显微镜

的Spero显微镜使用可调谐激光技术作为它的光源。它的窄带红外(IR)激光在样品。光的频率可以通过调优在指纹中红外光谱范围与分子吸收峰在目标化合物,生成一个特定官能团化学对比图像探测器。

用户完全控制励磁频率的照明和成像在各种化学反应同时进行视频帧率在同一视场是可能的。完整的红外光谱可以通过优化激光源在感兴趣的频率范围。

其他红外方法,如傅里叶变换红外(FTIR)显微镜,没有巨大的成功在监测的动态过程。同时,这些方法是高度限制在空间分辨率和动态响应。

Spero显微镜是唯一的红外成像方法能够提供实时动态和空间化学数据。Spero显微镜是第一个也是唯一一个红外显微镜使用量子级联激光器(QCL),而在过去十年已商业化。

QCL源是五个数量级比碳硅棒源,通常用于红外光谱仪器,和三个数量级比同步源。它有能力使用大型格式,非冷却microbolometer阵列探测器和更高的灵敏度。探测器与更好的线性动态范围,不仅提供中检测的480 x 480像素密度,读出的30 fps。他们是高度可靠和不需要任何冷却时间或制冷剂。

Spero非常适合实时测量;明确的官能团的空间分布和化学数据取自动态过程。应用包括反应监控、融化、扩散研究中,液-液相互作用,微流体,流化学、结晶和研究。不同的应用,如关联研究和药物反应的观察活细胞也可以进行。

化学和可视化流在微流控系统中

煤斗物种是如何形成和分布式可视化使用Spero显微镜在氘核/氧化氘和水之间质子交换流在微流体细胞。

Spero异常的实时成像能力促进扩散的观察,水流动力条件、平流和反应产品全30帧视频的每像素的分辨率在1.4µm用户的首选红外频率。吸收时间历史的任何像素可以视频帧。最后,完整的数据立方体可以测量,可以提取每个光谱进行分析。

实验的程序

Spero显微镜的标准配置,12.5 x 0.7 NA客观、视场650µm x 650µm和用于成像。数据立方体聚集在传输模式下,在1800 - 900厘米的范围^{- 1}。

使用离散频率照明在1640、1442和1200厘米¹视频记录,对应的近似H-O-H最大吸光度值,分别H-O-D, D-O-D。视频被记录在灰度和各种高对比度颜色调色板,ChemVision中可用的软件。

收购的时间只有5分钟,由于高光谱图像数据集的记录在4厘米的一项决议¹在光谱范围1800 - 900厘米¹。一个3毫米厚CaF₂窗户被用作背景参考图像和数据立方体。一个定制的微流体细胞与一个“+”连接,提供配置层流和盾流,或三个流使用整合成直角。渠道是大约100µm宽20µm厚聚四氟乙烯内形成两个CaF之间的间隔₂窗户。

使用一个注射器泵,流量控制;(新时代,模型ne - 400)装有5毫升塑料筒注射器。数据立方体的流量和相应的视频约20µL一小时,注射泵的报道。氧化氘(剑桥同位素实验室Inc .)和去离子水在室温下使用。细胞的温度没有控制。

仪器控制、数据立方体和视频采集成为可能ChemVision^TM,日光软件解决方案。MATLAB(MathWorks)和ImageLab (Epina GmbH)被用于后处理。

结果与讨论

图1说明了H之间的交互₂与D O₂O 250µL /分钟的流量随着细胞最初启动。图像得到频率对应D-OD和H-OH吸光度最大值。每张图片代表一个面积650µm x 650µm,单个像素,由230400名。

图1所示。离散频率的H₂O和维₂O流在微流体通道吸光度特征。视频记录在1640厘米¹显示图片传输H₂O是黑色和D₂O是白色的。

ChemVision软件可以获得图像在灰度或众多的配色方案以提高对比度。每个像素是一个透光率值,比先前测量的背景。在这些照片中,H₂O流入细胞在一个直角的两个渠道的入侵₂O流。图像显示入侵区域的形状和两种液体的清晰的描述。聚四氟乙烯细胞间隔有一个吸光度乐队与D₂O吸光度(最大1200厘米),因此出现黑暗的形象。

图2中的图片仍帧视频记录的H₂O D₂O和煤斗吸光度最大值,流量20µL / h。

在这个流量,限制阻止了水流通道。照明在1640厘米¹揭示了一个层流接口的H₂O和维₂O流。修改频率的最大吸光度HOD 1442厘米¹,质子/氘核交换的发生及其分布羽显然是可见的。

在前面的图,在每个频率可以开启视频内用鼠标左击形象。为了演示流的动态特性,泵是脉冲频率摄动流代表运动。

图2。离散频率的视频H₂O和维₂O接口与质子氘核交换区明显观察到1442厘米¹

图1和图2使用Spero实时的化学成像模式。很明显,空间化学数据可以通过选择合适的频率获得感兴趣的官能团(s)。

下一步是收集完整的高光谱图像数据集。在这种模式下,整个红外频率测量导致的二维空间图像样本的x - y轴,并在z轴红外光谱吸光度。在这种模式下,可以提取完成,完全比红外光谱在任何的230400像素。

可以以多种方式获取动态数据的实验。光谱从图像数据集可以连接到光标位置。鼠标的点击,页面上的图像将动画光标和显示连接的光谱。颜色托盘使用取决于记录吸光度强度,范围从低(蓝色)高(红色),和匹配HOD浓度。

煤斗的羽毛是显然可见,浓度梯度生成流接口。一行像素的光谱通过这个接口提取并应用于构建块标准化的净面积和像素数量,如图4所示。在这一点上,综合区域规范化统一特征吸收带的H₂O D₂O,煤斗策划与像素的位置。

这个情节揭示煤斗的最高浓度作为产品比例1:1反应物,预期到的H₂O和维₂O综合净吸光度相交。校准,这吸光度情节可以直接与浓度有关。图像可以显示的频率使用很多对比增强,如二元或一元峰高或面积比率,先进的多变量最优化算法。

图3说明了细胞在煤斗红外频率对应的物种,1442厘米^{- 1}。

右边面板中的光谱匹配图像左侧面板上的光标位置。这个光谱可以与时间有关,使用距离时间计算如果流量精确已知。离散频率成像可以使用如图2所示,30帧视频记录的时间反应。视频帧中的每个像素有一个完全比吸光度值(或透光率),可以提取并绘制vs时间计算从帧数。

图3。ImageLab显示图像的数据集D₂O / H₂O流显示吸光度图像1442厘米¹对应于木制容器吸收。红色代表高吸光度。相关光谱在光标位置正确对应。

图4。规范化区域与像素的直方图图D₂O H₂啊,和d煤斗

所示图像中光谱数据立方体可以多种形式,从简单的瀑布图的频谱和像素位置(如图5所示)复杂的3 d插图流道内的部分。图6显示了3 d的插图H的浓度₂O(蓝色),煤斗(红色)和D₂O(绿色)内的流体通道。

图5。瀑布图H₂O D₂在H O和煤斗谱₂O D₂O接口。

图6。3 d表示基于H的浓度₂O(蓝色),煤斗(红色)和D₂O(绿色)内的流体通道。

总结

红外光谱法是一种重要的工具,它可以识别、衡量和趋势反应组件。利用此功能Spero量化化学成分在大面积和可视化交互和实时分布。

Spero小说提供了可视化的能力参数,如反应物的空间分布、产品和中间体,流动动力学扩散/分区,平流和运输,浓度,在微流体动力学和化学实验。

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