Name: Odkrywanie ukrytej dynamiki naturalnych struktur fotonicznych za pomocą obrazowania holograficznego (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-03-31T14:40:00.000+00:00
Duration: 5 min 45 s
Description: Odkryj dynamikę nanoskalowych zjawisk w strukturach fotonicznych za pomocą holografii nieniszczącej. Ta metoda umożliwia badanie procesów fotoindukowanych w skrzydłach owadów bez zakłócania układu.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

M. S. P., D. G., D. V. i B. K. potwierdzają wsparcie dla projektu Biologiczne i inspirowane biologicznie struktury do nadzoru wielospektralnego, finansowanego przez NATO SPS (NATO Science for Peace and Security) 2019-2022. B. K., D. V., B. B., D. G. i M. S. P. potwierdzają finansowanie zapewnione przez Instytut Fizyki w Belgradzie, poprzez finansowanie instytucjonalne przez Ministerstwo Edukacji, Nauka i rozwój technologiczny Republiki Serbii. Dodatkowo B. K. dziękuje za wsparcie ze strony F R S - FNRS. M. P. przyjmuje do wiadomości wsparcie ze strony Ministerstwa Edukacji, Nauki i Rozwoju Technologicznego Republiki Serbii, numer umowy 451-03-9/2021-14/200026. S. R. M. był wspierany przez stypendium BEWARE Regionu Walonii (Konwencja n°2110034), jako badacz podoktorski. T. V. dziękuje za wsparcie finansowe ze strony Fundacji Hercules. D.V., M.S.P., D.G., M.P., B.B. i B.K. dziękują za wsparcie Office of Naval Research Global poprzez grant badawczy N62902-22-1-2024. Badanie to zostało przeprowadzone w ramach częściowego spełnienia wymagań dotyczących stopnia doktora Mariny Simović Pavlović na Wydziale Inżynierii Mechanicznej Uniwersytetu w Belgradzie.

1. Wstępna charakterystyka
<ol>
	<li>Przeprowadź pełną wstępną charakterystykę próbki.
	<ol>
		<li>Wszystkie eksperymenty wykonaj na suchych okazach zakupionych z komercyjnego źródła. Próbki przechowuj w laboratorium, w suchym i ciemnym miejscu, w temperaturze pokojowej.</li>
		<li>Przed pomiarami holograficznymi przeprowadź pełną charakterystykę próbki za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM), liniowej spektroskopii optycznej oraz nieliniowej mikroskopii optycznej (NOM)10 (Rycina 1).</li>
		<li>Oprócz właściwości optycznych próbek zmierzonych technikami liniowymi, zbierz dodatkowe informacje przy użyciu wiązek laserowych o wyższej intensywności, które pozwalają na charakterystykę ich nieliniowych właściwości optycznych.</li>
		<li>Wykorzystaj odpowiadające im nieliniowe podatności optyczne do ilościowego określenia nieliniowej odpowiedzi optycznej, co stanowi podstawę technik nieliniowej optyki, takich jak nieniszcząca fluorescencja z wielofotonowym wzbudzeniem oraz generacja drugiej harmonicznej (SHG), które są stosowane do charakterystyki różnych próbek biologicznych.</li>
		<li>W celu zbadania nieliniowych zjawisk chemicznych występujących w oscylującej reakcji BR, przeprowadź badanie interferometrycznego monitorowania przejścia fazowego in situ ze stanu I do stanu II przy następujących stężeniach substratów: [CH2(COOH)2]0 = 0.0789 mol dm-3, [MnSO4]0 = 0.0075 mol dm-3, [HClO4]0 = 0.03 mol dm-3, [KIO3]0 = 0.0752 mol dm-3 oraz [H2O2]0 = 1.269 mol dm-3 (indeks 0 po nawiasie oznacza stężenie początkowe na początku procesu). Przyjmij całkowitą objętość użytej do reakcji BR równą 2.5 mL. 
		UWAGA: Wartości stężeń użyte w tym przypadku są zgodne z wartościami z badania Pagnacco i wsp.8, lecz z objętością reakcji zmniejszoną dziesięciokrotnie.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotuj próbkę do eksperymentu.
	<ol>
		<li>W tym eksperymencie wykorzystaj skrzydła motyla z rodzaju przędliki, I. lathonia. Połóż skrzydło na twardej powierzchni i wykonaj wycinek za pomocą wycinaka o średnicy 10 mm. Umieść próbkę w pojemniku na próbki, którym może być dowolny pojemnik z pokrywką.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="Analiza w skali nano w mikroskopii; obraz SEM, 1 µm, szczegół nanostruktury, badanie wzoru powierzchni." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63676/63676fig01.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1: Falisty przekrój poprzeczny łuski skrzydła motyla. Przekrój poprzeczny zarejestrowano za pomocą nieliniowego optycznego mikroskopu skanującego (A,B). Wykonano również obserwację SEM (C) skrzydła motyla z gatunku I. lathonia. Rycina ta została zmodyfikowana na podstawie źródła14. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63676/63676fig01large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
2. Układ eksperymentalny
<ol>
	<li>Układ holograficzny 
	UWAGA: Pomiary interferometrii holograficznej przeprowadzono przy użyciu specjalnie zaprojektowanego układu optycznego (Rysunek 2).
	<ol>
		<li>Ustaw temperaturę w laboratorium na 23 °C ± 0.2 °C. Włącz laser. Do obserwacji holograficznych należy użyć lasera (szczegóły podano w Tabeli materiałów) o długości fali wzbudzenia 532 nm.</li>
		<li>Sprawdź osiowanie elementów optycznych (Rysunek 2). Najpierw upewnij się, że układ został zbudowany zgodnie ze schematem na Rysunku 2.</li>
		<li>Precyzyjnie wyrównaj wiązkę lasera z lustrem wklęsłym M. Sprawdź i skoryguj pozycję optycznego rozszerzacza wiązki (L).</li>
		<li>Wyznacz część wiązki padającą na próbkę S i upewnij się, że tworzy ona wiązkę odbitą O. Sprawdź, czy pozostała część wiązki jest zbierana przez lustro sferyczne CM, służące do generowania wiązki odniesienia R. Sprawdź, czy detektor C znajduje się w strefie interferencji dwóch określonych wiązek. 
		UWAGA: Jako detektora użyto czujnika CMOS (complementary metal oxide semiconductor).</li>
		<li>Skonfiguruj kamery zgodnie z instrukcjami do użytego modelu. Ustaw kamerę optyczną/fotograficzną do eksperymentu holograficznego, jak pokazano na Rysunku 2 (C to kamera; szczegóły podano w Tabeli materiałów). Ustaw drugą kamerę optyczną/fotograficzną do obserwacji widocznych zmian w reakcji BR oraz kamerę termowizyjną o rozdzielczości termicznej 50 mK i ogniskowej 13 mm nad stołem optycznym. 
		UWAGA: Kamera użyta w eksperymencie holograficznym nie posiada obiektywu; światło pada bezpośrednio na matrycę.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotowanie próbki w układzie holograficznym.
	<ol>
		<li>Przygotuj próbkę skrzydła zgodnie z krokiem 1.2.1. Umieść przygotowaną próbkę na okrągłym metalowym wsporniku o średnicy 15 mm. Wspornik posiada trzy otwory na śruby, do których przymocowany jest metalowy pierścień trzymający próbkę.</li>
		<li>Przymocuj pierścień do wspornika. Umieść zamocowaną próbkę w części uchwytu próbki znajdującej się na stole optycznym.</li>
		<li>Przygotuj próbkę do monitorowania reakcji chemicznej. Na stole optycznym, w wyznaczonym miejscu, umieść wspornik z płaską powierzchnią klejącą, na której zostanie ustawiona kuweta/naczynie.</li>
		<li>Przygotuj odczynnik służący do inicjacji reakcji zgodnie z krokiem 1.1.5. Wlej substraty do kuwety i wymieszaj je w kuwecie w następującej kolejności objętości i stężeń: 0.7 mL 0.2817 mol dm-3 CH2(COOH)2; 0.5 mL 0.0375 mol dm-3 MnSO4; 0.5 mL 0.15 mol dm-3 HClO4; 0.5 mL 0.376 mol dm-3 KIO3 oraz 0.3 mL 10.575 mol dm-3 H2O2.</li>
		<li>Upewnij się, że całkowita objętość w kuwecie wynosi 2.5 mL, i umieść ją na wsporniku w układzie.</li>
		<li>Jeśli to konieczne, skonfiguruj dodatkowe instrumenty. Do monitorowania efektu fotoforetycznego użyj dodatkowego lasera (szczegóły podano w Tabeli materiałów) do lokalnego grzania.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="Schemat układu optycznego do spektroskopii, przedstawiający drogi wiązek do analizy emisji i wzbudzenia." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63676/63676fig02.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2: Układ holograficzny. Rysunek przedstawia rozmieszczenie poszczególnych komponentów w eksperymencie holograficznym. Skróty: L1 = laser o długości fali 532 nm, L = soczewka dwuwypukła, A = apertura, M = płaskie lustro służące do odchylenia wiązki laserowej, CM = lustro wklęsłe, C = kamera CMOS, S = fragment skrzydła motyla, R = wiązka odniesienia, O = wiązka obiektu. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63676/63676fig02large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
3. Konfiguracja użytego oprogramowania
UWAGA: Do analizy danych z eksperymentów holograficznych wykorzystano autorskie oprogramowanie w języku C++ oparte na przybliżeniu Fresnela11. Oprogramowanie opracowane na potrzeby przedstawionego badania jest dostępne pod adresem .12 Szczegóły dotyczące oprogramowania nie mogą zostać obecnie opublikowane, jednak dodatkowe informacje zostaną przekazane na zapytanie. Przybliżenie Fresnela jest niezwykle użyteczne w holografii cyfrowej, ponieważ pozwala na ogniskowanie na różnych powierzchniach oraz powiększanie obszaru pierwszego rzędu dyfrakcji, który zawiera pełne informacje o zarejestrowanej scenie.
<ol>
	<li>Włącz komputer i uruchom oprogramowanie. 
	UWAGA: Sposób uruchomienia oprogramowania zależy od konkretnej aplikacji. Do tego celu nie istnieje oprogramowanie komercyjne.</li>
</ol>
4. Przeprowadzenie eksperymentu
<ol>
	<li>Wyłączyć oświetlenie zewnętrzne. Cały eksperyment należy przeprowadzić w ciemni.</li>
	<li>Zsynchronizować kamery, stosując wybrany odstęp czasu. W tym eksperymencie uruchomić kamerę holograficzną po 60 s, a dwie pozostałe kamery bezpośrednio po niej, korzystając z oprogramowania lub ręcznie.</li>
	<li>Nacisnąć przyciski nagrywania i zdefiniować w oprogramowaniu moment rozpoczęcia rejestracji.</li>
	<li>Wywołać zmiany dynamiczne w badanym układzie. Metoda inicjacji zależy od rodzaju próbki; w przypadku efektu fotoforetycznego należy podgrzać próbkę zewnętrznie za pomocą dostępnych laserów: 450 nm, 532 nm, 660 nm, 980 nm. W przypadku reakcji BR reakcję należy rozpocząć poprzez zmieszanie reagentów chemicznych. Obserwować przebieg eksperymentu holograficznego.</li>
	<li>Ustawić kamerę fotograficzną i termowizyjną tak, aby monitorowały cały eksperyment, a następnie określić moment zakończenia zapisu holograficznego na podstawie pomiarów optycznych i termicznych.</li>
	<li>Ogłosić zakończenie procesu. Moment zakończenia nagrywania jest zaprogramowany zgodnie z szacowanym czasem trwania procesu. W przypadku reakcji BR za koniec reakcji uznaje się moment zestalenia. W przypadku efektu fotoforetycznego nie istnieje taki konkretny moment. W każdym przypadku krok ten podkreśla znaczenie potrójnej rejestracji.</li>
</ol>
5. Pozyskiwanie wyników12
<ol>
	<li>Zapisz wyniki. Precyzyjnie posortuj pliki w funkcji czasu w celu rekonstrukcji hologramów i pogłębionej analizy danych. 
	UWAGA: Na tym etapie dane są przenoszone z kamery użytej do holografii na komputer (dysk twardy) do folderów nazwanych zgodnie z datami wykonania zdjęć. Użyj funkcji kopiuj/wklej oraz przycisków zmiany nazwy.</li>
	<li>Sprawdź hologram próbny w celu ustalenia odpowiednich ustawień. W ten sposób na podstawie analizy wizualnej pierwszego hologramu wybierane są optymalne ustawienia, które następnie stosuje się do rekonstrukcji wszystkich hologramów.
	<ol>
		<li>Wybierz jeden hologram, klikając go w folderze utworzonym wcześniej (krok 5.1), i wykonaj rekonstrukcję, klikając przycisk Reconstruct.</li>
		<li>Zmień ustawienia, aby uzyskać najlepszy obraz, i ponownie wykonaj rekonstrukcję. Na ekranie (w menu oprogramowania) pojawią się opcje regulacji parametrów, takich jak próbkowanie (sampling), offset i odległość Fresnela. Powtarzaj te kroki, aż zostaną zdefiniowane optymalne ustawienia.</li>
		<li>Wykonaj rekonstrukcje. Wybierz wszystkie hologramy, klikając przycisk Open File i zaznaczając wszystkie pliki. Zastosuj żądane parametry do numerycznej rekonstrukcji hologramów; pozostają one niezmienione po kroku 5.2.1, więc tym razem nie wykonuj żadnej operacji.</li>
		<li>Przeprowadź rekonstrukcje za pomocą przycisku Reconstruct, a interferogramy uzyskaj, wpisując nazwy plików w polach „start with/end with”, a następnie klikając przycisk Batch. Interferogramy pojawią się w folderze utworzonym wcześniej (w kroku 5.1). 
		UWAGA: Po zarejestrowaniu serii hologramów w czasie, pierwszy hologram reprezentuje stan niezakłócony, natomiast kolejne hologramy są wynikiem działania siły zewnętrznej. Konieczne jest zrekonstruowanie hologramów przy użyciu przesuniętej transformaty Fresnela13.</li>
		<li>Uzyskaj interferogramy poprzez odejmowanie (w ujęciu liczb zespolonych) konkretnego hologramu w czasie od pierwszego uzyskanego hologramu. 
		UWAGA: Niniejszy protokół pozwala na obserwację wpływu siły na obiekt. Zmiana wzoru interferencyjnego w funkcji czasu jest konsekwencją odkształcenia lub przemieszczenia, które zachodzi w układzie podczas pomiaru. Zmiany te są wykorzystywane do monitorowania dynamiki układu w nanoskali.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. Analiza wyników
<ol>
	<li>Przeprowadź analizę wizualną jako pierwszy krok kontroli jakości procesu. Na tym etapie poszukaj widocznych zmian w obrazie interferencyjnym i spróbuj powiązać te zmiany z wynikami uzyskanymi z pomiarów optycznych i termicznych.</li>
	<li>Przeprowadź wzajemną weryfikację wszystkich zapisów. W tej drugiej fazie analizy dokładnie przeanalizuj wizualnie obrazy z kamer optycznych i termicznych wraz z rekonstrukcjami holograficznymi, aby ujawnić dynamikę w skali nanometrycznej. W ten sposób moment reakcji jest widoczny jednocześnie na obrazach holograficznych, termicznych i fotograficznych.</li>
	<li>Przygotuj graficzną reprezentację wyników na podstawie analizy numerycznej/programowej i przedstaw je w formie wykresów (1D, 2D lub 3D), diagramów, histogramów itp. Po pełnej analizie wyników wyciągnij wnioski i zaplanuj na ich podstawie dalsze badania.</li>
</ol>

<ol><li>Pietrzyk, D. J., Frank, C. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+of+an+analytical+method%5BTitle%5D)+AND+%22Analytical+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Development of an analytical method.</a> Analytical Chemistry. , 10-19 (1979).</li>
<li>Ostrovsky, Y. I., Shchepinov, V. P., Yakovlev, V. V. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aOstrovsky%2C+YI+%22Holographic+Interferometry+in+Experimental+Mechanics%22">Holographic Interferometry in Experimental Mechanics</a>. 60, Springer. (2013).</li>
<li>Pedrini, G., Osten, W., Gusev, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-speed+digital+holographic+interferometry+for+vibration+measurement%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Optics%22%5BJournal%5D)">High-speed digital holographic interferometry for vibration measurement.</a> Applied Optics. 45 (15), 3456-3462 (2006).</li>
<li>Pantelić, D. V., Grujić, D. Ž, Vasiljević, D. M. S. ingle-beam <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((dual-view+digital+holographic+interferometry+for+biomechanical+strain+measurements+of+biological+objects%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomedical+Optics%22%5BJournal%5D)">dual-view digital holographic interferometry for biomechanical strain measurements of biological objects.</a> Journal of Biomedical Optics. 19 (12), 127005(2014).</li>
<li>Grujić, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Infrared+camera+on+butterfly%27s+wing%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Infrared camera on butterfly's wing.</a> Optics Express. 26 (11), 14143-14158 (2018).</li>
<li>Mouchet, S. R., Deparis, O. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMouchet%2C+SR+%22Natural+Photonics+and+Bioinspiration%22">Natural Photonics and Bioinspiration</a>. , Artech House. (2021).</li>
<li>Pagnacco, M. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spontaneous+symmetry+breaking%3A+the+case+of+crazy+clock+and+beyond%5BTitle%5D)+AND+%22Symmetry%22%5BJournal%5D)">Spontaneous symmetry breaking: the case of crazy clock and beyond.</a> Symmetry. 14, 413(2022).</li>
<li>Pagnacco, M. C., Maksimovic, J. P., Potkonjak, N. I., Božić, B. Đ, Horvath, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transition+from+low+to+high+iodide+and+iodine+concentration+states+in+the+Briggs-Rauscher+reaction%3A+evidence+on+crazy+clock+behavior%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Physical+Chemistry+A%22%5BJournal%5D)">Transition from low to high iodide and iodine concentration states in the Briggs-Rauscher reaction: evidence on crazy clock behavior.</a> The Journal of Physical Chemistry A. 122 (2), 482-491 (2018).</li>
<li>Pagnacco, M. C., Maksimović, J. P., Janković, B. Ž <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+of+transition+from+low+to+high+iodide+and+iodine+state+in+the+Briggs-Rauscher+oscillatory+reaction+containing+malonic+acid+using+Kolmogorov-Johnson-Mehl-Avrami+%28KJMA%29+theory%5BTitle%5D)+AND+%22Reaction+Kinetics%2C+Mechanisms+and+Catalysts%22%5BJournal%5D)">Analysis of transition from low to high iodide and iodine state in the Briggs-Rauscher oscillatory reaction containing malonic acid using Kolmogorov-Johnson-Mehl-Avrami (KJMA) theory.</a> Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysts. 123 (1), 61-80 (2018).</li>
<li>Mouchet, S. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Unveiling+the+non-linear+optical+response+of+Trichtenotoma+childreni+longhorn+bestle%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biophotonics%22%5BJournal%5D)">Unveiling the non-linear optical response of Trichtenotoma childreni longhorn bestle.</a> Journal of Biophotonics. 12 (9), 201800470(2019).</li>
<li>Shimobaba, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Computational+wave+optics+library+for+C%2B%2B%3A+CWO%2B%2B+library%5BTitle%5D)+AND+%22Computer+Physics+Communications%22%5BJournal%5D)">Computational wave optics library for C++: CWO++ library.</a> Computer Physics Communications. 183 (5), 1124-1138 (2012).</li>
<li>Grujic, D. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Application+of+digital+holography+for+detection+of+infrared+radiation+on+biophotonic+structures%22">Application of digital holography for detection of infrared radiation on biophotonic structures</a>. , Faculty of Physics, University of Belgrade. Ph. D. Thesis (2022).</li>
<li>Muffoletto, R. P., Tyler, J. M., Tohline, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shifted+Fresnel+diffraction+for+computational+holography%5BTitle%5D)+AND+%22Optical+Express%22%5BJournal%5D)">Shifted Fresnel diffraction for computational holography.</a> Optical Express. 15 (9), 5631-5640 (2007).</li>
<li>Pavlović, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Naturally+safe%3A+Cellular+noise+for+document+security%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biophotonics%22%5BJournal%5D)">Naturally safe: Cellular noise for document security.</a> Journal of Biophotonics. 12 (12), 201900218(2019).</li>
<li>Bray, W. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+periodic+reaction+inhomogeneous+solution+and+its+relation+to+catalysis%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">A periodic reaction inhomogeneous solution and its relation to catalysis.</a> Journal of the American Chemical Society. 43 (6), 1262-1267 (1921).</li>
<li>Nicolis, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-organization+in+nonequilibrium+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Dissipative+Structures+to+Order+through+Fluctuations%22%5BJournal%5D)">Self-organization in nonequilibrium systems.</a> Dissipative Structures to Order through Fluctuations. , 339-426 (1977).</li>
<li>Prigogine, I., Hiebert, E. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+being+to+becoming%3A+Time+and+complexity+in+the+physical+sciences%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+Today%22%5BJournal%5D)">From being to becoming: Time and complexity in the physical sciences.</a> Physics Today. 35 (1), 69(1982).</li>
<li>Nikolova, L., Ramanujam, P. S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aNikolova%2C+L+%22Polarization+Holography%22">Polarization Holography</a>. , Cambridge University Press. (2009).</li>
<li>Haisch, C., Kykal, C., Niessner, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photophoretic+velocimetry+for+the+characterization+of+aerosols%5BTitle%5D)+AND+%22Analytical+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Photophoretic velocimetry for the characterization of aerosols.</a> Analytical Chemistry. 80 (5), 1546-1551 (2008).</li>
<li>Kononenko, V. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Feasibility+studies+on+photophoretic+effects+in+field-flow+fractionation+of+particles%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Liquid+Chromatography+%26+Related+Technologies%22%5BJournal%5D)">Feasibility studies on photophoretic effects in field-flow fractionation of particles.</a> Journal of Liquid Chromatography & Related Technologies. 20 (16-17), 2907-2929 (1997).</li>
<li>Zhang, X., Bar-Ziv, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+novel+approach+to+determine+thermal+conductivity+of+micron-sized+fuel+particles%5BTitle%5D)+AND+%22Combustion+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">A novel approach to determine thermal conductivity of micron-sized fuel particles.</a> Combustion Science and Technology. 130 (1-6), 79-95 (1997).</li>
</ol>

Autorzy deklarują brak konfliktu interesów.

W prezentowanym badaniu biofotonicznym wykazano, że nowatorska metoda holograficzna może być wykorzystana do wykrywania minimalnych przemieszczeń morfologicznych lub deformacji spowodowanych promieniowaniem cieplnym o niskim poziomie.
Najbardziej krytycznym krokiem w pomiarach holograficznych z próbkami biologicznymi jest etap przygotowania. Przygotowanie próbki (cięcie/klejenie w celu dopasowania do rozmiaru uchwytu) zależy od właściwości mechanicznych próbki i nie jest możliwe posiadanie sta...

Aby w pełni zrozumieć i dostrzec wszystkie unikalne zjawiska w nanoświecie, kluczowe jest zastosowanie technik, które są w stanie ujawnić wszystkie szczegóły dotyczące struktur i dynamiki w nanoskali. W związku z tym przedstawiono unikalne połączenie metod liniowych i nieliniowych w połączeniu z mocą holografii w celu ujawnienia dynamiki systemu w nanoskali.
Opisana technika holograficzna może być postrzegana jako metoda potrójnego nagrywania (rec to skrót od recording), ponieważ w danym momencie sygnał jest jednocześnie rejestrowany przez kamerę fotograficzną, kamerę termowizyjną i interferometr. Liniowa i nieliniowa spektroskopia optyczna oraz holografia to dobrze znane techniki, których podstawowe zasady są obszernie opisane w literaturze1,2.
Krótko mówiąc, interferometria holograficzna pozwala na porównanie czoła fal zarejestrowanych w różnych momentach w czasie, aby scharakteryzować dynamikę systemu. Wcześniej był używany do pomiaru dynamiki drgań3,4. Siła holografii jako najprostszej metody interferometrii opiera się na jej zdolności do wykrywania najmniejszych przemieszczeń w systemie. Po pierwsze, wykorzystaliśmy holografię, aby zaobserwować i ujawnić efekt fotoforetyczny 5 (tj. przemieszczenie deformacji nanostruktury spowodowane gradientem termicznym wywołanym światłem) w różnych strukturach biologicznych. Aby zapewnić wierne zaprezentowanie metody, reprezentatywne próbki zostały wybrane z pewnej liczby badanych próbek biologicznych6. Skrzydła motyla frytlarnego królowej Hiszpanii, Issoria lathonia (Linneusz, 1758; I. lathonia), zostały wykorzystane w ramach tego badania.
Po pomyślnym zademonstrowaniu występowania fotoforezy w nanoskali w tkankach biologicznych, podobny protokół został zastosowany do monitorowania procesu spontanicznego łamania symetrii7 spowodowanego przemianą fazową w oscylacyjnej reakcji chemicznej. W tej części badano przejście fazowe od niskiego stężenia jodku i jodu (zwanego stanem I) do wysokiego stężenia jodu i jodu z tworzeniem jodu w postaci stałej (zdefiniowanej jako stan II), które zachodzi w chemicznie nieliniowej reakcji BR8,9. Tutaj po raz pierwszy przedstawiliśmy podejście holograficzne, które pozwala na badanie takiej dynamiki przemiany fazowej i spontanicznego łamania symetrii w nanoskali zachodzącej w układach skondensowanych.

<table><tbody><tr><td>Aktywna izolacja drgań, cztery wsporniki stołu optycznego</td><td>Thorlabs</td><td>PTR502</td><td>Wysoka nośność: 2,500 kg, wysokość 600 mm</td></tr><tr><td>Kuweta</td><td></td><td></td><td>Standardowa szklana kuweta</td></tr><tr><td>Kamera holograficzna (kamera optyczna do holografii)</td><td>Cannon</td><td>EOS 50D</td><td>Rozmiar czujnika 22,3 x 14,9 mm; Rozstaw pikseli 4,69 i mikro; m; Max. rozdzielczość 4752 x 3168; Format pliku JPEG</td></tr><tr><td>Nadtlenek wodoru, H2O2</td><td>Merck (Darmstadt, Niemcy)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Laser</td><td>laserowy Laser Quantum</td><td>Torus 532</td><td>Długość fali 532 nm; Moc 390 mW; Długość koherencji 10 m</td></tr><tr><td>Lasery LED Kwas</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>malonowy, C3H4O4</td><td>Acr<img alt="Równanie 10" src="/files/ftp_upload/63676/63676eq10.png">s Organics (Geel, Belgia)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Siarczan manganu,  MnSO4</td><td>Fluka (Buchs, Szwajcaria)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Nieliniowy mikroskop optyczny</td><td>IPB</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Akcesoria optyczne</td><td>Thorlab</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Spektroskop</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>optyczny Stół optyczny</td><td>Thorlabs</td><td></td><td>TOP450II PTR52509 wymiary 2000*1250*310 mm</td></tr><tr><td>Kwas nadchlorowy, HClO4</td><td>Merck (Darmstadt, Niemcy)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Jodan potasu, KIO3</td><td>Merck (Darmstadt, Niemcy)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Oprogramowanie</td><td></td><td></td><td>Oprogramowanie do budowy domowej wykonane przez jednego z autorów: Dusana Grujica. To oprogramowanie zostało wykonane w częściowym spełnieniu wymagań dotyczących doktoratu doktora nauk humanistycznych D.G.</td></tr><tr><td>Kamera termowizyjna</td><td>Flir</td><td>A65</td><td>640x512 pikseli; Rozdzielczość termowizyjna 50 mK</td></tr><tr><td>Kamera wideo</td><td>Nikon</td><td>1v3</td><td>18,4 Mpixel; 60 fps</td></tr></tbody></table>

odkrywanie ukrytej dynamiki naturalnych struktur fotonicznych za pomocą obrazowania holograficznego

Uncovering Hidden Dynamics of Natural Photonic Structures Using Holographic Imaging

W tej metodzie wykorzystuje się potencjał optyki i holografii do odkrywania ukrytych szczegółów dynamicznej reakcji naturalnego systemu w nanoskali. W pierwszej części przedstawiono badania optyczne i holograficzne naturalnych struktur fotonicznych oraz warunki występowania efektu fotoforetycznego, czyli przemieszczenia lub odkształcenia nanostruktury na skutek gradientu termicznego wywołanego światłem, w nanoskali. Efekt ten ujawnia cyfrowa interferometria holograficzna w czasie rzeczywistym monitorująca deformację łusek pokrywających skrzydła owadów wywołaną temperaturą. Związek między geometrią a nanopofałdowaniem, który prowadzi do pojawienia się efektu fotoforetycznego, został eksperymentalnie wykazany i potwierdzony. W drugiej części pokazano, w jaki sposób holografia może być potencjalnie wykorzystana do odkrywania ukrytych szczegółów w układzie chemicznym o dynamice nieliniowej, takich jak zjawisko przejścia fazowego, które zachodzi w złożonej oscylacyjnej reakcji Briggsa-Rauschera (BR). Zaprezentowany potencjał holografii w nanoskali może otworzyć ogromne możliwości kontrolowania i kształtowania efektu fotoforetycznego i tworzenia wzorów dla różnych zastosowań, takich jak wychwytywanie cząstek i lewitacja, w tym ruch niespalonych węglowodorów w atmosferze i separacja różnych aerozoli, rozkład mikroplastiku i frakcjonowanie cząstek w ogóle oraz ocena temperatury i przewodności cieplnej mikronowych cząstek paliwa.

W pierwszym doświadczeniu wywołano i monitorowano efekt fotoforetyczny na skrzydle motyla Morpho menelaus5. Efekt ten został zainicjowany za pomocą laserów LED o różnych długościach fal (450 nm, 532 nm, 660 nm oraz 980 nm). W tym przypadku wykorzystano skrzydła motyla I. lathonia14. Po zakończeniu procedury rejestracji zrekonstruowano obraz hologramu.
<img alt="Eksperyment z systemem ch...

Artykuł skupia się przede wszystkim na połączonej mocy metod optycznych (liniowych i nieliniowych) oraz holograficznych używanych do ujawniania zjawisk w nanoskali. Wyniki uzyskane z badań biofotonicznych i oscylacyjnych reakcji chemicznych są podane jako reprezentatywne przykłady, podkreślające zdolność holografii do ujawniania dynamiki w nanoskali.

Odkrywanie ukrytej dynamiki naturalnych struktur fotonicznych za pomocą obrazowania holograficznego

In this method, the potential of optics and holography to uncover hidden details of a natural system's dynamical response at the nanoscale is exploited. ...

Jest to pierwszy raz, zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, kiedy technika holograficzna została użyta do monitorowania zdjęć wyścigów u bliźniąt owadów i przejścia twarzy w warunkach nierównowagi. Zaletą tej nieinwazyjnej techniki jest to, że nie powoduje ona żadnych znaczących zakłóceń w systemie. Ma to duże znaczenie na przykład w przypadku badań nierównowagowych.Optyka nieliniowa i holografia zapewniają wgląd w złożone, zorganizowane struktury, z którymi spotykamy się we wszystkich dyscyplinach naukowych. Są to techniki nieniszczące, które są w stanie badać takie struktury w skali submikronowej. Znajomość optyki falowej i geometrycznej jest niezbędna do przygotowania układu, podczas gdy analiza opiera się na wiedzy z zakresu fizyki, sam eksperyment jest prostszy do wykonania.Ponieważ prezentowane eksperymenty są wykonywane w niepełnej ciemności, możliwość śledzenia sygnatury wizualnej ma kluczowe znaczenie dla opisywanego badania Na początek należy przeprowadzić pełną charakterystykę próbki za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego, liniowej spektroskopii optycznej i nieliniowej mikroskopii optycznej. Po wyregulowaniu temperatury w pomieszczeniu włącz laser i sprawdź ustawienie elementów optycznych. Następnie idealnie wyrównaj wiązkę lasera z wklęsłym lustrem.Następnie sprawdź i wyreguluj położenie ekspandera wiązki optycznej. Następnie określ część wiązki, która uderza w próbkę i upewnij się, że tworzy wiązkę odblaskową. Sprawdź, czy reszta wiązki jest zbierana na lustrze sferycznym, które ma być użyte do wygenerowania wiązki odniesienia.Ponadto detektor jest umieszczony w strefie interferencji dwóch określonych wiązek. Skonfiguruj optyczną kamerę fotograficzną do eksperymentu holograficznego. I kolejny, aby zobaczyć widoczne zmiany w reakcji Briggsa-Rauschera.Dodatkowo ustaw kamerę termowizyjną o rozdzielczości termicznej 50 milikelwinów i ogniskowej 13 milimetrów. Aby przygotować próbkę do monitorowania reakcji chemicznej, należy umieścić podporę z płaską powierzchnią klejącą na stole optycznym, na którym zostanie umieszczona kuweta lub naczynie. Następnie wlej reagenty do kuwety i wymieszaj z kuwetą o różnych objętościach i stężeniach, upewniając się, że całkowita objętość w kuwecie wynosi 2,5 mililitra.Następnie umieść go na wsporniku w konfiguracji. Po wyłączeniu świateł zewnętrznych zsynchronizuj kamery, korzystając z wybranego interwału. Następnie naciśnij przyciski nagrywania i wywołaj dynamiczne zmiany w interesującym Cię systemie.Następnie obserwuj eksperyment holograficzny. Następnie oznajmij koniec procesu i zapisz wyniki. Aby sprawdzić hologram sondy pod kątem odpowiednich ustawień, wybierz jeden hologram i dokonaj rekonstrukcji, klikając przycisk rekonstrukcji.Następnie zmień ustawienia, aby uzyskać najlepszy obraz, i ponownie dokonaj rekonstrukcji, powtarzając kroki, aż zostaną zdefiniowane najlepsze ustawienia. Aby wykonać rekonstrukcje, należy wybrać wszystkie hologramy i zastosować żądane parametry do numerycznej rekonstrukcji hologramów. Następnie należy przeprowadzić rekonstrukcje za pomocą przycisku rekonstrukcji i interferogramu, wstawiając nazwy plików w polu Rozpocznij od/Zakończ z, a następnie, klikając przycisk, Partia.Przeprowadź analizę wizualną, szukając widocznych zmian we wzorcu przenikania. I spróbuj dopasować zmiany we wzorcu interferencji do wyników uzyskanych za pomocą pomiarów optycznych i termicznych. Następnie przeprowadź badanie krzyżowe, dokładnie analizując wizualnie obrazy zarówno z kamer optycznych, jak i termowizyjnych z rekonstrukcjami holograficznymi, aby ujawnić dynamikę w skali Nano.W przypadku reakcji B.R. analiza interferogramów ujawnia zmianę wzoru prążków dokładnie w momencie przejścia fazowego. Wyniki mają szczególne znaczenie, ponieważ optyczna metoda interferometryczna nie powoduje istotnych zakłóceń w układzie, co ma kluczowe znaczenie dla badań nierównowagowych. Dodatkowo wykonano rekonstrukcję holograficzną dla Wings of Butterfly, Azoria Lithonia, naświetlanego światłem laserowym o długości 450, 532 i 980 nanometrów.Wyniki jednoznacznie pokazują, że oddziaływanie nanostruktur ze światłem, generuje przemieszczenia w skali Nano w obrębie tkanek, które wpływają na wzór interferometryczny. Zaprezentowana technika otwiera możliwość ujawnienia różnych procesów dynamicznej i samoorganizacji dla różnych układów w skali nano i mezo.

uncovering-hidden-dynamics-natural-photonic-structures-using

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Źródło: Kato, D. et. al., Ocena i manipulacja aktywnością neuronalną za pomocą dwufotonowej mikroskopii holograficznej. J. Vis. Exp. (2022)Ten film przedstawia technikę obrazowania dwufotonowego w połączeniu z optogenetyką przy użyciu mikroskopii holograficznej. Technika ta, wykorzystująca przestrzenny modulator światła, umożliwia precyzyjną stymulację neuronów polegającą na ekspresji białka wrażliwego na światło czerwone i obrazowanie wapnia przy minimalnym fotouszkodzeniu. Takie podejście...

Dwufotonowa mikroskopia holograficzna do badania aktywności neuronalnej i łączności w modelu mysim

Trójwymiarowe lokalizacje słabo rozpraszających obiektów mogą być jednoznacznie zidentyfikowane za pomocą cyfrowej mikroskopii holograficznej (DIHM), która obejmuje niewielką modyfikację standardowego mikroskopu.  Nasze oprogramowanie wykorzystuje prostą heurystykę obrazowania sprzężoną z propagacją wsteczną Rayleigha-Sommerfelda, aby uzyskać trójwymiarowe położenie i geometrię mikroskopijnego obiektu fazowego.

Cyfrowa mikroskopia holograficzna (DIHM) obiektów o słabym rozproszeniu

Nieuporządkowane struktury oferują nowe mechanizmy tworzenia fotonicznych pasm wzbronionych i niespotykaną dotąd swobodę w projektach funkcjonalnych defektów. Aby obejść wyzwania obliczeniowe związane z nieuporządkowanymi systemami, konstruujemy modułowe próbki makroskopowe nowej klasy materiałów PBG i wykorzystujemy mikrofale do scharakteryzowania ich niezmiennych właściwości fotonicznych w łatwy i niedrogi sposób.

Wykorzystanie mikrofalowych i makroskopowych próbek dielektrycznych ciał stałych do badania właściwości fotonicznych nieuporządkowanych materiałów fotonicznych wzbronionych

Prezentujemy kompaktowy cyfrowy system holograficzny (CDHM) do inspekcji i charakteryzacji urządzeń MEMS. Zademonstrowano konstrukcję bez soczewek wykorzystującą rozbieżną falę wejściową zapewniającą naturalne powiększenie geometryczne. Prezentowane są zarówno badania statyczne, jak i dynamiczne.

Kompaktowy cyfrowy mikroskop holograficzny bez soczewek do kontroli i charakteryzacji MEMS

Użycie hipersoczewki zostało uznane za nowatorską technikę obrazowania w superrozdzielczości ze względu na jej zalety w obrazowaniu w czasie rzeczywistym i jej prostą implementację za pomocą konwencjonalnej optyki. W tym miejscu przedstawiamy protokół opisujący wytwarzanie i obrazowanie zastosowań hipersoczewki sferycznej.

Demonstracja mikroskopu zintegrowanego z hipersoczewkami i obrazowania superrozdzielczego

Cyfrowa mikroskopia holograficzna (DHM) to technika wolumetryczna, która pozwala na obrazowanie próbek 50-100 razy grubszych niż mikroskopia jasnego pola w porównywalnej rozdzielczości, z ogniskowaniem wykonywanym po przetworzeniu. W tym przypadku DHM służy do identyfikacji, liczenia i śledzenia mikroorganizmów o bardzo niskiej gęstości i porównywania z pomiarami gęstości optycznej, liczeniem płytek i liczeniem bezpośrednim.

Oznaczanie ilościowe mikroorganizmów w niskich stężeniach za pomocą cyfrowej mikroskopii holograficznej (DHM)

Mikroskopia wideo bez soczewek umożliwia nam monitorowanie kultur komórkowych bezpośrednio w inkubatorze. Tutaj opisujemy pełny protokół używany do pozyskiwania i analizowania trwającego 2,7 dnia pozyskiwania hodowanych komórek HeLa, co prowadzi do zestawu danych 2,2 x 106 pomiarów morfologii poszczególnych komórek i 10584 ścieżek cyklu komórkowego.

Bezsoczewkowa mikroskopia wideo do dynamicznej i ilościowej analizy przylegających kultur komórkowych

Struktura pasma fotonicznego umożliwia zrozumienie, w jaki sposób ograniczone mody elektromagnetyczne rozchodzą się w krysztale fotonicznym. W kryształach fotonicznych, które zawierają elementy magnetyczne, takim ograniczonym i rezonansowym modom optycznym towarzyszy zwiększona i zmodyfikowana aktywność magnetooptyczna. Opisujemy procedurę pomiarową mającą na celu wyodrębnienie magnetooptycznej struktury pasmowej za pomocą mikroskopii przestrzeni Fouriera.

Spektralna i kątowo-optyczna charakterystyka nanostruktur fotonicznych

Przedstawiamy protokół do nagrywania zestawu ultra-realistycznych, pełnokolorowych hologramów analogowych, pokazujących tę samą jasność, przezroczystość i jednorodne kolory, na ultra-drobnoziarnistych emulsjach holograficznych halogenku srebra do produkcji dynamicznego holograficznego wyświetlacza 3D.

Nagrywanie ultrarealistycznych, pełnokolorowych hologramów analogowych do użytku na ruchomym wyświetlaczu hologramowym

Przedstawiamy protokół wytwarzania metahologramów widzialnych z multipleksami spinowymi i kierunkowymi, a następnie przeprowadzamy eksperyment optyczny w celu sprawdzenia ich funkcji. Te metahologramy mogą łatwo wizualizować zakodowane informacje, dzięki czemu mogą być używane do projekcji wolumetrycznej i szyfrowania informacji.

Demonstracja wszystkich dielektrycznych widzialnych metahologramów z multipleksem spinowym i kierunkowym

Opracowaliśmy dwufotonowy mikroskop holograficzny, który może wizualizować, oceniać i manipulować aktywnością neuronalną przy użyciu wysokiej rozdzielczości czasoprzestrzennej, w celu wyjaśnienia patogenezy zaburzeń neuropsychiatrycznych, które są związane z nieprawidłową aktywnością neuronalną.

Ocena i manipulacja aktywnością neuronalną za pomocą dwufotonowej mikroskopii holograficznej

Odkryj dynamikę nanoskalowych zjawisk w strukturach fotonicznych za pomocą holografii nieniszczącej. Ta metoda umożliwia badanie procesów fotoindukowanych w skrzydłach owadów bez zakłócania układu.

Odkrywanie ukrytej dynamiki naturalnych struktur fotonicznych za pomocą obrazowania holograficznego

Przeglądaj więcej filmów