锥度仪

近日，浙江大学光电学院的马耀光研究员在微型高性能光谱仪研究中取得了新进展。研究团队提出了一种具有皮米量级分辨率的微纳光纤锥光谱仪。在这种光纤锥光谱仪中，精心设计的光纤锥几何参数使得输入光激发的少数传播模，可以随着光纤锥的非绝热形变发生耦合、演化过程，进而快速形成大量的高阶模式。这些新形成的高阶模式同时也会随着光纤锥的渐变直径被截止而转化为泄漏模，从而在探测面形成复杂的光学散斑。光谱信息也在这个过程里被编码进散斑图案之中。可以利用基于Transformer的MobileViT模型，快速、高效、准确的对输入光谱进行还原。经测试，光谱仪可以工作在450-1100nm的波段范围内，对输入光的分辨率可达1 pm 数量级。该光谱仪以相对较低的制造难度与成本，在毫米级的空间尺度下实现了皮米级的波长分辨能力。自牛顿利用棱镜观察到色散现象以来，针对光谱技术的研究就在人类发展历程中占据了重要地位。随着光谱分辨率的提高与光谱理论的完善，光谱技术逐步从科学实验领域扩展到了分析应用上，在生物传感、环境监测、天文、医疗等领域都发挥着重要的作用。但是传统光谱仪体积庞大、价格昂贵，因而在实际应用中较难推广。对光谱的测量往往需要使用非常专业的设备或者在专业的检测机构才能进行。近年来，随着微纳技术的发展，微型光谱仪凭借其体积小、重量轻、操作便捷、结构简单、价格低廉等特点，逐渐被人们所重视。但是，针对光谱仪的低成本、小体积、高性能等要求存在内在的制约关系：减小分光和探测元器件的尺寸将导致光谱仪的分辨率、灵敏度及动态检测范围显著下降，同时有可能增加器件的制造难度与成本。如何利用计算光谱技术进行光谱编码与解码是打破这一内在限制的重要前提。微纳光纤（MNFs）是研究纳米尺度光与物质相互作用的优秀平台之一。利用其简洁的几何形貌、强光场约束等优点，研究人员利用自制的光纤拉锥机精确控制光纤锥尺寸，对其内部的传导模式产生有效调控，如图1a所示。a) 基于微光纤锥的光谱编码结构利用非绝热近似下的陡变光纤锥，将输入的少量低阶模式快速转变为大量高阶模式。产生的高阶模式的数量和权重均为输入光场频率的函数。因而，随着高阶模式被光纤锥的渐变直径逐步截止，光谱信息就会随着泄漏的光场被编码进探测到的复杂散斑图案之中。多模光纤拉制的光纤锥内支持的传导模式众多，再加上锥区模式耦合带来的自由度，散斑结构非常复杂，波长的微小改变也会使得散斑有非常明显的变化，从而可以在较小的尺寸内实现高分辨的光谱识别如图1b、c所示。图1光谱仪结构。（a）微型光谱仪图片（b,c）微纳光纤锥区泄漏模图案映射在衬底上的侧视图和俯视图1. 光纤纤芯直径、光纤锥度、锥区长度、拉伸长度等结构参数对光线锥泄漏散斑具有重要的影响。输入光在芯径更大的光纤中，可以激发更多的模式，因此在后续的模式演化过程中可以产生更复杂的散斑，包含更多的光谱特征。图2的仿真结果也验证了这一点。图2 不同纤芯直径拉制得到的光纤锥的散斑仿真。纤芯直径分别为（a）8.2 μm（b）62.5μm（c）105μm2. 在微纳光纤束腰直径一致的情形下，锥区长度越短，锥区角度越大。如图3所示。随着锥区变短，散斑尺寸缩小，由Nyquist采样定理可知，对于一定大小的探测器单元尺寸，系统可以采集的散斑精细结构的质量会随之变低。例如当锥长为750 μm时，散斑尺寸仅为~2 μm。图3 不同锥区长度的光纤锥散斑仿真。锥区长度分别为（a）6000 μm（b）3000μm（c）1500μm（d）750μm3. 通过优化拉制光纤的纤芯直径，拉制过程中的拉伸长度与锥区长度等参数，研究人员在300*600 μm的小尺寸内，得到信息足够丰富的散斑。散斑图样由互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器（CIS）直接获取，如图2a所示。利用自制的微纳光纤拉锥平台和转移平台，研究团队可以高效率、高精度地制备所需要的微纳光纤，并且将其与CIS探测器进行一体化集成。使得最终的样品在保证高集成度的同时，具有良好的稳定性与重复性。并且，制备的光谱仪核心元件的成本不到15美元。b) 基于深度学习的高精确度光谱复原研究人员发现重构型光谱仪的算法选择对重构结果也有较大影响，为了可以实现快速、低功耗的光谱重构，我们采用基于Transformer架构的MobileViT模型进行了训练，用于最终的图像分类与光谱重构。最终，光谱仪准确地恢复了450-1100 nm光谱范围内（受限于实验中采用的CMOS的工作带宽300-1100 nm 与神经网络训练过程中可用的输入光谱范围450-1200nm的交集）被测光谱信息，平均峰值信噪比(PSNR)为46.7 dB。重建的窄带光(彩色实线)和商用光栅光谱仪的地真光谱(图4(a)黑色虚线，Ocean Optics, LEDPRO-50)显示出很高的一致性。单色光的中心波长误差约为0.0223%。线宽误差约为7.37%。并且，光谱仪在图4b、c所示的性能极限测试中也展示出很好的表现：在工作带宽的测试中，可以准确恢复半高全宽为90 nm的光谱。在对于分辨极限的测试中，可以准确还原间隔1.53 pm的双峰信号。图4 光谱仪性能表征。（a）450-1100 nm波长范围内光谱恢复（b）连续光谱的恢复（c）窄双峰的恢复c) 高精度的高光谱探测能力因为微纳光纤尺寸小、光束缚能力强的特点，可以在一个传感器上集成多个微纳光纤锥，实现高光谱成像功能。图5a展示了在CIS上集成20个光纤锥的样品。结合机械扫描的采样方式，可以对例如图5b中的图像，进行高光谱采集。如图5c、d所示，采得的光谱信息具有很好的准确度和色彩还原度。图5 光谱仪高光谱表征。（a）20通道高光谱成像仪（b）彩色贴片图及高光谱复原结果（c）b中各个色块的光谱还原图（d）b中不同色块的CIE 1931色彩空间坐标研究团队利用轻量级Transformer架构的神经网络模型，对微纳光纤锥区泄漏模的干涉散斑进行优化与采集，简洁地实现了基于微纳光纤锥的光谱信息编解码架构，进而构建出一种尺寸在亚毫米量级，分辨率在皮米量级的低成本、高性能微型光纤锥光谱仪。此外通过在CIS上集成多个微纳光纤锥，可以实现高光谱成像的功能。未来，如果在标定过程中进一步考虑偏振态的影响，我们可以同时获得未知光的光谱和偏振态。论文所提出的光谱仪可应用于食品检验、药物鉴定、个性化健康诊断等领域，成本低廉。 本研究得到了国家自然科学基金和浙江省自然科学基金的资助。论文通讯作者为马耀光研究员，共同第一作者为硕士生岑青青和博士生片思杰。硕士生刘鑫航、唐雨薇、何欣莹也为论文工作做出了重要贡献。本论文的完成单位为浙江大学光电科学与工程学院、极端光学技术与仪器全国重点实验室、杭州国际科创中心、浙江大学嘉兴研究院智能光电创新中心。

大家好，本周为大家分享一篇发表在J. Am. Soc. Mass Spectrom上的文章，Surface Modified Nano-Electrospray Needles Improve Sensitivity for Native Mass Spectrometry [1] 。该文章的通讯作者是来自美国亚利桑那大学的Michael T. Marty教授。非变性质谱（NMS）和电荷检测质谱（CD-MS）已成为表征各种蛋白质和高分子复合物的多功能工具。两者通常使用硼硅酸盐针进行纳米电喷雾电离（nESI）。但由于蛋白质在中性pH值下通常带正电荷，可能会吸附在带负电荷的玻璃nESI针表面，从而降低灵敏度，影响数据分析。为了提高NMS和CD-MS的灵敏度，作者用惰性表面改性剂修饰了nsEI针的表面。通过将聚乙二醇（PEG）共价连接到硅烷醇表面，钝化了玻璃表面，以减少非特异性吸附。首先，为确定表面改性是否能提高质谱灵敏度，作者团队采用PEG涂层的玻璃nESI针检测了两种非特异性吸附玻璃的蛋白：牛血清白蛋白(BSA)和溶菌酶。结果发现，相比于对照组，BSA和溶菌酶的信号强度均提高了2倍左右（图1）。PEG 涂层显着提高了nESI针头对标准蛋白质的MS灵敏度。图1.(A) 未涂层对照针和 (B) PEG 涂层针的 BSA 原始质谱显示信号强度。(C) 溶菌酶和 (D) BSA的PEG涂层（浅蓝色）和对照（灰色）nESI针的信号强度。接下来，作者利用搭载PEG表面涂层nESI针的CD-MS检测完整腺病毒 (AAV) 衣壳。结果发现，与采用未改良针的对照组相比，在较低浓度下，PEG改良针所收集的离子总数高出8倍以上（图2）。相比于一般的CD-MS检测，采用改良针的CD-MS检测的样品浓度更低，采集时间缩短。图2. AAV2 衣壳的 CD-MS 分析。(A) 对照组； (B) PEG 涂层针。 (C) 从空AAV2衣壳的5分钟 CD-MS 采集中收集的单个离子总数。接下来，作者研究了nESI针尖端尺寸和几何形状变化对实验结果的影响。实验发现，虽然改良针在较低浓度下显著提高了信号强度，但其针间差异很大。作者团队假设信号强度的偏差是由人工修剪nESI针的尖端直径差异引起的。为了最大限度地减少nESI针尖端尺寸和几何形状的变化，作者开发了一个针头拉拔器程序，以重复生产具有2 μm吸头直径的nESI针头。结果发现，PEG修饰的2 μm针的可明显提高检测信号强度，并且每次运行差异较小。相比于人工修剪的针头，2 μm针信号提升幅度更大。0.1 μm nESI针与2μm针两者检测到的蛋白的信号强度相似（图3）。基于以上结果，作者推测2 μm针检测到的信号值更高的原因可能是2 μm针的锥度更短。较短的锥度可能会在针尖附近产生更高的涂层密度。而手动剪断的针头具有较长的锥度，在拉拔过程中在尖端附近损坏PEG涂层，因此检测到的信号值偏低。而0. 1μm和2μm针尖上的锥度都比较短，涂层在接近针尖表面时可能完好无损，因此两者检测到的信号强度相似。图3. 具有 2 μm（左）和 0.1 μm（右）尖端直径的PEG涂层（浅蓝色）和未涂层对照（灰色）nESI 针的 BSA 最丰富电荷状态的信号强度。通过以上实验，作者已证实了PEG 修饰nESI可提高NMS与CD-MS的灵敏度。接下来，作者对其作用机制进行深入研究。首先，作者测试了灵敏度的提高是否是由于减少了对玻璃的非特异性吸附引起的。作者采用两种化学性质不同的涂层：PEG与多氟分子PFDCS修饰针头，两者均可减少蛋白的非特异性吸附，理论上均可改善质谱灵敏度。但结果发现，仅有PEG涂层针头可改善信号强度。之后，作者采用两种针头检测了泛素信号值。泛素在中性条件下不与玻璃发生吸附作用，理论上两者信号值无统计学差异，但结果发现，相比于PFDCS 修饰针头，PEG修饰针头组检测到的信号值提高了3倍。由此得出结论，PEG涂层针头不是通过减少蛋白与玻璃之间的非特异性吸附来提高质谱信号值的机制。最后，作者研究了表面改性针的毛细管作用，发现无修饰的硼硅酸盐毛细管毛细管作用最强，PEG毛细管具有中等强度的毛细管作用，而PFDCS毛细管几乎没有毛细管作用（图4A）。然后，在没有流体泵送或施加压力的静态条件下研究了不同nESI针的流速（图4B）。结果发现，PEG修饰的nESI针流速最高，而PFDCS修饰和对照nESI针的流速没有统计学差异。作者假设灵敏度的提高可能是由nESI针的流速增加导致的。由于传统针头中较高的毛细力，液体会紧紧地附着在玻璃上，降低给定ESI电压下的液体流量。而PEG修饰降低了毛细阻力，可能会增加流向尖端的液体，从而增加信号。而PFDCS修饰针头虽然具有较低毛细作用，但其流速较小，原因可能是需要一定强度的毛细作用才能获得最佳的流动速度。作者未来的实验将进行深入探索这一假设。ESI针的毛细作用照片。 (B) PFDCS修饰 (深蓝色)、PEG修饰 (浅蓝色)和未修饰 (灰色) 针的流速。总而言之，作者证明了PEG修饰的nESI针增加了多种分析物的质谱信号强度和灵敏度，展示了一种可以在较低浓度下提高难分析物的灵敏度、相对快速且成本低廉的方法。作者推测表面改性通过提高nESI针尖端流速以发挥提高质谱检测灵敏度的作用，但该推测仍需进一步证明。[1]Kostelic MM, Hsieh CC, Sanders HM, Zak CK, Ryan JP, Baker ES, Aspinwall CA, Marty MT. Surface Modified Nano-Electrospray Needles Improve Sensitivity for Native Mass Spectrometry. J Am Soc Mass Spectrom. 2022 Jun 1 33(6):1031-1037. doi: 10.1021/jasms.2c00087. Epub 2022 May 19. PMID: 35588532.

执行国家标准GB/T269。广泛适用于石油、化工、冶金、电力、交通、商检及科研等部门。核心主机采用TI 公司AM3354处理器，Cortex-A8内核，1GHz主频；操作系统采用Windows Embedded Compact 7实时工控系统。彻底摈弃了无核无操裸奔的单片机，真正实现了仪器操控的现代化，使仪器步入新的智能时代显示器采用群创原装7.0英寸800×480像素LCD液晶显示屏，全中文操作界面，显示细腻直观大方。操作采用电容式触摸屏,其优点在于无机械损耗、防尘防水、抗射频干扰、使用寿命长。历史数据存储采用FLASH数据存储器存储，可存储2010个历史数据，数据可保存10年不丢失，储存数据不可更改。后置USB，后期软件更新电，以及仪器维护检查，可连接鼠标键盘操作打印机可选择采用嵌入式热敏、可选装针式打印机，打印更安静、快速、清晰（可选装针式打印机）。锥入度检测采用无接触位移检测技术，使锥体移动瞬间快速准确捕获，在测试过程中完全避免了误检与漏检。具备自动提起，自动释放，自动测定,自动打印测试结果,零点调整等功能零点自动追踪，实验过程自动找寻零点，自动回位试样杯面与锥尖的基础面，免去每次实验时都要对平面的烦恼，提高实验效率。内部机械部分均采用防腐防锈高强度304不锈钢材料打造，更耐用使用寿命更长。可拆卸式锥杆，方便工作人员做精密测试。仪器标配全尺寸锥，可加装1/2锥，1/4锥功能为单独仪器配置仪器支持送检对其精度、锥杆质量以及椎体质量出具资格证书（检测费用自费）。 参数：测量范围：0～640个锥入度单位(全尺寸测量范围)标准锥及牵引锥杆质量：全尺寸锥：标准锥质量:102.5±0.05g（符合国家标准GB/T269的规格要求）牵引锥杆质量:47.5±0.05g（符合国家标准GB/T269的规格要求）总重150±0.05g1/2尺寸锥：标准锥质量:22.5±0.025g（符合国家标准GB/T269的规格要求）牵引锥杆质量:15±0.25g（符合国家标准GB/T269的规格要求）总重37.5 ±0.06g1/4尺寸锥：锥体和可移动附件总质量为9.38g±0.025容器尺寸：（全自尺寸、1/2 1/4容器）石油脂试料容器:直径φ100±0.6mm 高：≥65mm(内径)润滑脂试料容器:直径φ76.2±0.6mm 高: ≥65mm(内径)测量精度：1个锥入度单位释放时间：5S时间控制：自动环境温度：10℃～45℃ 环境湿度：≤85%操作方式：触摸屏操作，使用简便，操作更加直观电源电压：220±10% V.AC电源频率：50±10% Hz消耗功率：100W外形尺寸： 580mm（L）×370mm（W）×590mm（Ｈ）仪器重量：25Kg 创新点：市面所销售锥入度仪器多为手动1/4锥测定仪，我司设计产品为全自动1/4锥入度测定仪，可自行零点自动追踪、自动提起、自动释放、自动测定、自动打印测试结果等功能，而市面所销售均为全尺寸自动锥入度，全自动1/4Z锥测定仪具有一定义填补空白市场1/4锥入度试验仪