利用全息成像揭示天然光子结构的隐含动力学

摘要

本文主要关注光学（线性和非线性）与全息方法相结合在揭示纳米尺度现象方面的强大能力。文中以生物光子学和振荡化学反应研究的结果作为代表性示例，突出展示了全息技术在揭示纳米尺度动态过程方面的能力。

摘要

本方法利用光学与全息技术，揭示自然系统在纳米尺度下动力学响应的隐藏细节。第一部分介绍了对天然光子结构的光学与全息研究，并阐述了光泳效应在纳米尺度出现的条件，即由于光诱导的热梯度导致纳米结构发生位移或形变的现象。该效应通过实时数字全息干涉术得以揭示，该技术监测了昆虫翅膀表面鳞片因温度变化而产生的形变。实验验证并证实了几何结构与纳米级表面褶皱之间的关联，正是这种关联导致了光泳效应的产生。第二部分展示了全息技术如何有望用于揭示具有非线性动力学特征的化学系统中的隐藏细节，例如在复杂的振荡型Briggs-Rauscher（BR）反应中发生的相变现象。文中所展示的纳米尺度全息技术潜力，可能为控制和调控光泳效应及图案形成开辟广阔的应用前景，例如粒子捕获与悬浮、大气中未燃碳氢化合物的移动、不同气溶胶的分离、微塑料的分解以及一般性颗粒的分馏，还可用于评估微米级燃料颗粒的温度与热导率。

引言

为了充分理解并观察纳米世界中的所有独特现象，必须采用能够揭示纳米尺度下结构和动力学细节的技术。为此，本文介绍了线性与非线性方法的独特结合，并利用全息技术揭示系统在纳米尺度上的动力学行为。

所述的全息技术可被视为三重记录法（rec 是“记录”的缩写），因为在同一时刻，信号被摄影相机、热成像相机和干涉仪同时记录。线性和非线性光谱学及全息术是众所周知的技术，其基本原理在文献中已有广泛描述^1,2。

简而言之，全息干涉测量法能够比较在不同时间记录的波前，从而表征系统的动态行为。该方法此前已被用于测量振动动力学^3,4。全息术作为最简单的干涉测量方法，其优势在于能够检测系统内最小的位移。首先，我们利用全息术观察并揭示了不同生物结构中的光泳效应⁵（即由光诱导的热梯度导致纳米结构发生位移或形变的现象）。为真实呈现该方法，从多种测试过的生物样本⁶中选取了具有代表性的样品。本研究采用了西班牙女王蛱蝶（Issoria lathonia (Linnaeus, 1758); I. lathonia）的翅膀作为实验材料。

在成功证明生物组织中纳米尺度光泳现象的存在后，类似方案被用于监测由振荡化学反应中相变引起的自发对称性破缺过程⁷。本部分研究了在化学非线性BR反应中，由碘离子和碘的低浓度状态（称为状态I）向高浓度碘离子和碘并伴随固态碘形成的相变过程（定义为状态II）^8,9。本文首次报道了一种全息方法，可用于研究凝聚态体系中发生的此类相变及纳米尺度上的自发对称性破缺动力学过程。

方案

1. 预表征

1. 对样品进行完整的预表征。
   1. 所有实验均使用从商业渠道购买的干燥标本进行。将样品在实验室中室温下避光干燥保存。
   2. 在进行全息测量之前，需通过扫描电子显微镜（SEM）、线性光学光谱和非线性光学显微镜（NOM）对样品进行全面表征。¹⁰ (图1).
   3. 除了利用线性技术测量样品的光学特性外，还可使用高强度激光束获取补充信息，以表征其非线性光学特性。
   4. 利用相应的非线性光学 susceptibilities 来量化非线性光学响应，并作为非破坏性多光子激发荧光和二次谐波产生（SHG）等非线性光学技术的基础，用于表征多种生物样品。
   5. 对于振荡BR反应中发生的非线性化学现象，开展基于干涉测量法的监测研究 原位 从状态 I 到状态 II 的相变，反应物浓度如下：[CH₂(COOH)₂]₀ = 0.0789 mol dm⁻³^-3，[MnSO₄]₄]₀ = 0.0075 mol dm⁻³^-3，[HClO₄]₀ = 0.03 mol dm⁻³^-3，[KIO₃]₀ = 0.0752 mol dm⁻³^-3，以及 [H₂O₂]₀ = 1.269 mol dm⁻³^-3 （括号后的0表示反应开始时的初始浓度）。用于BR反应的总体积应为2.5 mL。
      注意：此处使用的浓度值与 Pagnacco 等人的研究中的浓度值相同。⁸，但反应体积减少为原来的十分之一。
2. 为实验准备样品。
   1. 使用西班牙女王蝶的翅膀， I. lathonia, 本实验中，将翅膀置于硬质表面上，使用直径为10 mm的切削器取样。将样品放入样品盒中，样品盒可为任何带盖容器。

图1：蝴蝶翅鳞片的波状截面。 截面图像在非线性光学扫描显微镜上记录（A,B）。同时也对西班牙女王斑蝶（I. lathonia）翅膀进行了扫描电子显微镜（SEM）观察（C）。本图已根据文献¹⁴修改。 请点击此处查看此图的放大版本。

2. 实验装置

1. 全息装置
   注意：全息干涉测量使用定制的光学装置进行（图2）。
   1. 将实验室温度调节至23 °C ± 0.2 °C。打开激光器。使用激发波长为532 nm的激光器（详见材料表）进行这些全息观测。
   2. 检查光学元件的对准情况（图2）。首先确认装置已按照图2中的示意图搭建。
   3. 将激光束与凹面镜M完全对准。检查并调整光学扩束器（L）的位置。
   4. 确定照射到样品S上的光束部分，并确保其形成反射光束O。检查其余光束是否被球面镜CM收集，以用于生成参考光束R。检查探测器C是否位于上述两束光的干涉区域之内。
      注意：使用互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器作为探测器。
   5. 根据所用相机的说明书设置相机。按照图2所示为全息实验配置一台光学/摄影相机（C为相机；详见材料表）。另配置第二台光学/摄影相机用于观察BR反应中的可见变化，并在光学平台上方设置一台热分辨率为50 mK、焦距为13 mm的热成像相机。
      注意：全息实验中使用的相机不使用物镜；光线直接照射到芯片上。
2. 将样品准备并放入全息装置中。
   1. 按照步骤1.2.1的方法制备翅样品。将制备好的样品放置在直径为15 mm的圆形金属支架上。该支架上有三个预先存在的孔，用于安装固定样品的金属环的螺丝。
   2. 将金属环固定在支架上。将固定好的样品放置在位于光学平台上的样品架部分。
   3. 准备用于监测化学反应的样品。在光学平台上预定位置放置一个具有平坦粘附表面的支架，用于放置比色皿/容器。
   4. 按照步骤1.1.5的方法准备用于启动反应的试剂。将反应物按以下顺序和体积浓度加入比色皿中并混合：0.7 mL 的 0.2817 mol dm^-3 CH₂(COOH)₂；0.5 mL 的 0.0375 mol dm^-3 MnSO₄；0.5 mL 的 0.15 mol dm^-3 HClO₄；0.5 mL 的 0.376 mol dm^-3 KIO₃ ；以及 0.3 mL 的 10.575 mol dm^-3 H₂O₂。
   5. 确保比色皿中的总体积为2.5 mL，并将其放置在装置中的支架上。
   6. 根据需要设置附加仪器。为监测光泳效应，使用另一台激光器（详见材料表）进行局部加热。

图 2：全息实验装置示意图。 该图展示了全息实验中各光学元件的排列方式。缩写：L1 = 532 nm 激光器，L = 双凸透镜，A = 光阑，M = 用于偏转激光束的平面反射镜，CM = 凹面反射镜，C = CMOS 相机，S = 蝴蝶翅膀样本，R = 参考光束，O = 物光束。 请点击此处查看此图的高清版本。

3. 所用软件的设置

注意：基于菲涅尔近似¹¹的自主开发 C++ 软件用于分析全息实验的数据。本研究中开发的软件可在 .¹² 获取。目前该软件的详细信息尚无法公开发布；但可根据请求提供额外信息。菲涅尔近似在数字全息中极为有用，因为它能够聚焦于不同表面，并放大第一衍射级次的区域，该区域包含了所记录场景的完整信息。

1. 打开计算机并运行软件。
   注意：运行软件的步骤取决于软件本身。目前尚无用于此目的的商业软件。

4. 进行实验

1. 关闭外部光源，在暗室中进行整个实验。
2. 通过设定固定的时间间隔同步相机。本实验中，先启动全息相机，60 秒后启动另外两台相机，可通过软件或手动操作实现。
3. 按下录制按钮，并在软件中设定录制开始的时间。
4. 诱导目标系统发生动态变化。引发方式取决于样品类型：对于光泳效应，使用现有激光器（450 nm、532 nm、660 nm、980 nm）从外部加热样品；对于BR反应，则通过混合化学反应物启动反应。观察全息实验过程。
5. 设置摄影相机和热成像相机以全程跟踪实验，并根据光学和热测量结果确定全息录制结束的时刻。
6. 宣告实验过程结束。录制结束时间已根据预估的实验持续时间预先编程设定。对于BR反应，以凝固现象作为反应结束的标志；而对于光泳效应，则无明确的结束时刻。无论何种情况，此步骤均强调了三重同步记录的重要性。

5. 结果的获取¹²

1. 保存结果。根据时间精确地对文件进行排序，以便重建全息图并进行更深入的数据分析。
   注意：在此步骤中，数据将从用于全息成像的相机传输到计算机（硬盘）中，并以拍摄日期命名的文件夹中存储。使用复制/粘贴和重命名功能。
2. 检查参考全息图以确定合适的设置。通过观察第一张全息图来选择最佳设置，然后将这些设置用于所有全息图的重建。
   1. 通过点击之前创建的文件夹（步骤 5.1）中的任意一张全息图，点击 重建 按钮进行一次重建。
   2. 调整设置以获得最佳图像，并再次执行重建。屏幕上将出现用于调节采样、偏移和菲涅耳距离等参数的选项（软件菜单）。重复这些步骤，直到确定最佳设置。
   3. 执行重建操作。通过点击 打开文件 按钮并选择所有文件，加载全部全息图。应用所需的全息图数值重建参数；这些参数在步骤 5.2.1 之后保持不变，因此本次无需进行任何操作。
   4. 使用 重建 按钮执行重建，并在“起始包含/结束包含”字段中输入文件名后点击 批量 按钮生成干涉图。干涉图将保存在先前创建的文件夹中（步骤 5.1）。
      注意：在按时间顺序记录一系列全息图后，第一张全息图代表未受扰动的状态，而后续全息图则由外力作用引起。必须使用平移后的菲涅耳变换重建全息图¹³。
   5. 通过将某一时刻的特定全息图与第一张获得的全息图进行复数减法运算，得到干涉图。
      注意：本方案可用于观察外力对物体的影响。干涉图样随时间的变化是测量过程中系统内部发生形变或位移的结果。这些变化可用于在纳米尺度上监测系统的动态行为。

6. 结果分析

1. 将视觉分析作为该流程的第一步质量控制。在此步骤中，观察干涉图样的可见变化，并尝试将干涉图样的变化与光学和热学测量结果进行比对。
2. 对所有记录进行交叉检验。在分析的第二阶段，结合全息重建结果，从光学相机和热成像相机获取的图像进行细致的视觉分析，以揭示纳米尺度上的动态过程。通过这种方式，可在全息、热成像和摄影图像中同时观察到反应发生的瞬间。
3. 基于数值或软件分析对结果进行图示化表达，并以图形（一维、二维或三维）、图表、直方图等形式呈现。在对结果进行全面分析后，得出结论，并据此预测后续研究方向。

结果

在一项初步实验中，通过不同波长的LED激光（450 nm、532 nm、660 nm和980 nm）照射，诱导并监测了Morpho menelaus蝴蝶翅膀上的光泳效应⁵。本实验则采用了I. lathonia蝴蝶的翅膀¹⁴。记录过程完成后，对全息图像进行了重建。

图3：I. lathonia 翅膀的全息重建。重建分别在450 nm激发（

讨论

在本项生物光子学研究中，展示了一种新型全息方法可用于检测由低强度热辐射引起的微小形态位移或形变。

使用生物样本进行全息测量时，最关键的步骤是样本制备。样本的制备（切割/粘贴以匹配支架尺寸）取决于样本的机械特性，因此无法为此步骤制定标准操作流程。

对于BR研究而言，必须使用透明的反应容器并保持相对清晰的光路，因为在化学反应或物理转变过程中（如氧气释放、杂质产生）出现的任何障碍物都会影响干涉图样，从而影响记录的结果。

总体而言，所述方法最主要的局限性在于可研究的样本尺寸。样本必须具有合适的尺寸，才能放入光学装置中。
本文表明，全息干涉测量法（HI）应被视为样本表征中一种重要的补充工具。例如，传统的光学/红外图像仅能获取关于光强的信息，而相位信息则完全丢失¹⁸。全息干涉测量法能够提供光强和相位的全部信息，并且还可用于实时监测这些参数的变化。

在凝聚态科学中利用该方...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
主动减振系统，四支撑光学平台	Thorlabs	PTR502	高负载能力：2,500 kg，高度 600 mm
比色皿			标准玻璃比色皿
全息相机（用于全息成像的光学相机）	Cannon	EOS 50D	传感器尺寸 22.3 x 14.9 mm；像素间距 4.69 µm；最大分辨率 4752 x 3168；JPEG 文件格式
过氧化氢，H2O2	Merck (Darmstadt, Germany)
激光器	Laser Quantum	Torus 532 激光器	波长 532 nm；功率 390 mW；相干长度 10 m
LED 激光器
丙二酸，C3H4O4	Acrs Organics (Geel, Belgium)
硫酸锰，MnSO 4	Fluka (Buchs, Switzerlend)
非线性光学显微镜	IPB
光学配件	Thorlab
光谱仪
光学平台	Thorlabs	TOP450II PTR52509	尺寸 2000*1250*310 mm
高氯酸，HClO4	Merck (Darmstadt, Germany)
碘酸钾，KIO3	Merck (Darmstadt, Germany)
软件			由作者之一杜桑·格鲁伊奇（Dusan Grujic）开发的自研软件。该软件部分满足了 D.G. 获得博士学位的要求。
热成像相机	Flir	A65	640x512 像素；热分辨率 50 mK
视频相机	Nikon	1v3	1840 万像素；60 帧/秒