Методическая статья

Выявление скрытой динамики естественных фотонных структур с помощью голографической визуализации

DOI:

10.3791/63676

⸱

31 марта 2022 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Institute of Physics, Photonics Center, University of Belgrade, 2Faculty of Mechanical Engineering, University of Belgrade, 3Institute of Chemistry, Technology and Metallurgy, University of Belgrade, 4School of Physics, University of Exeter, 5Department of Physics & Namur Institute of Structured Matter (NISM), University of Namur, 6Chemistry Department, Laboratory of Molecular Imaging and Photonics, KULeuven, 7Université de Mons

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Работа в первую очередь ориентирована на комбинированную мощность оптических (линейных и нелинейных) и голографических методов, используемых для выявления явлений на наноуровне. Результаты, полученные в результате исследований биофотонных и колебательных химических реакций, приведены в качестве репрезентативных примеров, подчеркивающих способность голографии выявлять динамику на наноуровне.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В этом методе используется потенциал оптики и голографии для раскрытия скрытых деталей динамического отклика естественной системы на наноуровне. В первой части представлены оптические и голографические исследования природных фотонных структур, а также условия появления фотофоретического эффекта, а именно смещения или деформации наноструктуры за счет светоиндуцированного теплового градиента, на наноуровне. Этот эффект выявляется с помощью цифровой голографической интерферометрии в режиме реального времени, контролирующей деформацию чешуек, покрывающих крылья насекомых, индуцированную температурой. Экспериментально продемонстрирована и подтверждена связь между геометрией и нанокорругированием, приводящая к возникновению фотофоретического эффекта. Во второй части показано, как голография может быть потенциально использована для раскрытия скрытых деталей в химической системе с нелинейной динамикой, таких как явление фазового перехода, которое происходит в сложной колебательной реакции Бриггса-Раушера (BR). Представленный потенциал голографии на наноуровне может открыть огромные возможности для контроля и формирования фотофоретического эффекта и формирования паттернов для различных применений, таких как улавливание и левитация частиц, включая движение несгоревших углеводородов в атмосфере и разделение различных аэрозолей, разложение микропластика и фракционирование частиц в целом, а также оценку температуры и теплопроводности частиц топлива микронного размера.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Чтобы полностью понять и заметить все уникальные явления в наномире, крайне важно использовать методы, которые способны раскрыть все детали, касающиеся структур и динамики на наноуровне. На этом счету представлено уникальное сочетание линейных и нелинейных методов в сочетании с силой голографии для выявления динамики системы на наноуровне.

Описанную голографическую технику можно рассматривать как метод тройного воспроизведения (rec — аббревиатура для записи), так как в данный момент времени сигнал одновременно записывается фотокамерой, тепловизионной камерой и интерферометром. Линейная и нелинейная оптическая спектроскопия и голография являются хорошо известными методами, фундаментальные принципы которых подробно описаны в литературе 1,2.

Короче говоря, голографическая интерферометрия позволяет сравнивать волновые фронты, зарегистрированные в разные моменты времени, чтобы охарактеризовать динамику системы. Ранее он использовался для измерения вибрационной динамики 3,4. Сила голографии как простейшего метода интерферометрии основана на ее способности обнаруживать наименьшее смещение внутри системы. Во-первых, мы использовали голографию для наблюдения и выявления фотофоретического эффекта5 (т.е. смещения деформации наноструктуры из-за индуцированного светом теплового градиента) в различных биологических структурах. Для истинного представления метода репрезентативные образцы были отобраны из ряда проверенных биологических образцов6. Крылья королевы Испании фритиллярной бабочки, Issoria lathonia (Линней, 1758; I. lathonia), были использованы в рамках данного исследования.

После успешной демонстрации возникновения фотофореза на наноуровне в биологических тканях аналогичный протокол был применен для мониторинга спонтанного процесса нарушения симметрии7, вызванного фазовым переходом в колебательной химической реакции. В этой части изучен фазовый переход от низкой концентрации йодида и йода (называемый состоянием I) к высокой концентрации йодида и йода с образованием твердого йода (определяемый как состояние II), который происходит в химически нелинейной реакции БР 8,9. Здесь мы впервые сообщили о голографическом подходе, позволяющем изучать такой фазовый переход и динамику спонтанного нарушения симметрии на наноуровне, возникающую в конденсированных системах.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Предварительная характеристика

  1. Выполните полную предварительную характеристику образца.
    1. Проведите все эксперименты на сухих образцах, приобретенных из коммерческого источника. Храните образцы в лаборатории, в сухом и темном месте, при комнатной температуре.
    2. Перед голографическими измерениями выполните полную характеристику образца с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM), линейной оптической спектроскопии и нелинейной оптической микроскопии (NOM)10 (рисунок 1).
    3. Помимо оптических свойств образцов, измеренных линейными методами, собирают дополнительную информацию лазерными лучами более высокой интенсивности, позволяющими охарактеризовать их нелинейные оптические свойства.
    4. Использовать соответствующие нелинейные оптические восприимчивости для количественной оценки нелинейного оптического отклика и составлять основу нелинейных оптических методов, таких как неразрушающая многофотонная флуоресценция возбуждения и генерация второй гармоники (SHG), которые используются для характеристики различных биологических образцов.
    5. Для нелинейных химических явлений, происходящих в колеблющейся реакции БР, проводят исследование интерферометрического мониторинга фазового перехода in situ из состояния I в состояние II со следующими концентрациями реагентов: [CH2(COOH)2]0 = 0,0789 моль dm-3, [MnSO4]0 = 0,0075 моль dm-3, [HClO4]0 = 0,03 моль dm-3, [КИО3] 0 = 0,0752 моль дм-3 и [Н2O2]0 = 1,269 моль дм-3 (0 после кронштейна означает начальную концентрацию в начале процесса). Сделать общий объем, используемый для реакции БР, равным 2,5 мл.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Значения концентрации, используемые здесь, равны значениям в исследовании Pagnacco et al.8, но с объемом реакции, деленным на 10.
  2. Подготовьте образец для эксперимента.
    1. Используйте для этого эксперимента крылья королевы Испании фритиллярной бабочки I . lathonia . Поместите крыло на твердую поверхность и сделайте сечение с фрезой диаметром 10 мм. Поместите образец в ящик для образцов, в котором может быть любой контейнер с крышкой.

figure-protocol-1
Рисунок 1: Волнистое поперечное сечение шкалы крыла бабочки. Поперечное сечение регистрировали на нелинейном оптическом сканирующем микроскопе (А,В). Также было проведено наблюдение SEM (C) крыла королевы Испании фритиллярной бабочки, I. lathonia. Эта цифра была изменена с14. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

2. Экспериментальная установка

  1. Голографическая установка
    ПРИМЕЧАНИЕ: Голографические интерферометрические измерения проводились с помощью специальной оптической установки (рисунок 2).
    1. Отрегулируйте лабораторную температуру до 23 °C ± 0,2 °C. Включите лазер. Для этих голографических наблюдений используйте лазер ( подробности приведены в Таблице материалов) с длиной волны возбуждения 532 нм.
    2. Проверьте выравнивание оптических элементов (рисунок 2). Во-первых, проверьте, что настройка выполнена по схеме, показанной на рисунке 2.
    3. Идеально выровняйте лазерный луч с вогнутым зеркалом M. Проверьте и отрегулируйте положение оптического расширителя луча (L).
    4. Определите часть пучка, которая воздействует на образец S и убедитесь, что он образует рефлекторный пучок O. Проверьте, собрана ли остальная часть пучка на сферическом зеркале CM, которое будет использоваться для генерации опорного пучка R. Проверьте, находится ли детектор C в зоне интерференции двух указанных пучков.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В качестве детектора используется датчик комплементарного полупроводника оксида металла (CMOS).
    5. Настройте камеры в соответствии с инструкциями для используемой камеры. Установите оптическую/фотографическую камеру для голографического эксперимента, как показано на рисунке 2 (C - камера; подробности приведены в таблице материалов). Установите вторую оптическую/фотографическую камеру для просмотра видимых изменений в реакции BR и тепловизионную камеру с тепловым разрешением 50 мК и фокусным расстоянием 13 мм над оптическим столом.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Камера, используемая в голографическом эксперименте, не использует объектив; свет непосредственно врезается в чип.
  2. Подготовьте образец в голографическую установку.
    1. Подготовьте образец крыла, как показано на этапе 1.2.1. Поместите подготовленный образец на круглую металлическую опору диаметром 15 мм. Опора имеет три существующих отверстия для винтов, к которым прикреплено металлическое кольцо, удерживающее образец.
    2. Прикрепите кольцо к опоре. Поместите прилагаемый образец в часть крепления для образца, расположенную на оптическом столе.
    3. Подготовьте образец для мониторинга химической реакции. На оптическом столе, в предполагаемом месте, поместите опору с плоской клеевой поверхностью, на которую будет помещена кювета/сосуд.
    4. Подготовьте реагент, используемый для инициализации реакции, как на этапе 1.1.5. Наполните реагенты в кювету и перемешайте в кювете в следующем порядке объемов и концентраций: 0,7 мл 0,2817 моль dm-3 CH2(COOH)2; 0,5 мл 0,0375 моль дм-3 MnSO4; 0,5 мл 0,15 моль дм-3 HClO4; 0,5 мл 0,376 моль дм-3 КИО3; и 0,3 мл 10,575 моль дм-3 Н2О2.
    5. Убедитесь, что общий объем кюветы составляет 2,5 мл, и поместите его на опору в установке.
    6. При необходимости настройте дополнительные инструменты. Для мониторинга фотофоретического эффекта используйте дополнительный лазер (подробности приведены в Таблице материалов) для локального нагрева.

figure-protocol-2
Рисунок 2: Голографическая установка. На рисунке показано, как расположены различные компоненты для голографического эксперимента. Сокращения: L1 = лазер на 532 нм, L = двояковыпуклая линза, A = диафрагма, M = плоское зеркало, используемое для отклонения лазерного луча, CM = вогнутое зеркало, C = CMOS-камера, S = секция крыла бабочки, R = опорный луч, O = объектный луч. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

3. Настройка используемого программного обеспечения

ПРИМЕЧАНИЕ: Для анализа данных голографических экспериментов используется собственное программное обеспечение C++, основанное на приближенииФренеля 11 . Программное обеспечение, разработанное для представленного исследования, можно найти по адресу . 12 Детали программного обеспечения не могут быть опубликованы в данный момент; однако дополнительная информация будет предоставляться по запросу. Приближение Френеля чрезвычайно полезно в цифровой голографии, поскольку оно фокусируется на разных поверхностях и приближается к области первого дифракционного порядка, который содержит полную информацию о записанной сцене.

  1. Включите компьютер и запустите программное обеспечение.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Шаг запуска программного обеспечения зависит от самого программного обеспечения. Коммерческого программного обеспечения для этой цели не существует.

4. Проведите эксперимент

  1. Выключите внешний свет. Проведите весь эксперимент в темной комнате.
  2. Синхронизируйте камеры, используя выбранный интервал. Для этого эксперимента запустите голографическую камеру через 60 с, а две другие камеры сразу после нее, используя либо программное обеспечение, либо вручную.
  3. Нажмите кнопки записи и определите в программном обеспечении, когда начнется запись.
  4. Индуцировать динамические изменения в интересующей системе. Способ инициации зависит от типа образца; в случае фотофоретического эффекта наружно нагревают образец с помощью имеющихся лазеров: 450 нм, 532 нм, 660 нм, 980 нм. В случае реакции БР начните реакцию, перемешав химические реагенты. Наблюдайте за голографическим экспериментом.
  5. Установите фотографическую и тепловизионную камеру, чтобы следить за всем экспериментом и определять момент окончания голографической записи по оптическим и тепловым измерениям.
  6. Объявите об окончании процесса. Окончание записи предварительно запрограммировано, в соответствии с предполагаемой продолжительностью процесса. Для реакции BR используйте затвердевание в качестве конца реакции. В случае с фотофоретическим эффектом такого специфического момента нет. В любом случае, этот шаг подчеркивает важность тройной записи.

5. Получение результатов12

  1. Сохраните результаты. Точная сортировка файлов в зависимости от времени для реконструкции голограмм и более глубокого анализа данных.
    ПРИМЕЧАНИЕ: На этом этапе данные передаются с камеры, используемой для голографии, на компьютер (жесткий диск) в папки, названные в честь дат съемки. Используйте кнопки копирования/вставки и переименования.
  2. Проверьте голограмму зонда на наличие соответствующих настроек. Таким образом, лучшие настройки выбираются на первой голограмме, глядя на нее, а затем используются для реконструкции всех голограмм.
    1. Выберите одну голограмму, нажав на одну из них из папки, которую вы ранее сделали (шаг 5.1), и сделайте реконструкцию, нажав на кнопку Реконструировать .
    2. Измените настройки, чтобы получить наилучшее изображение и сделать реконструкцию снова. На экране (меню программного обеспечения) появятся опции для настройки таких параметров, как выборка, смещение и расстояние Френеля. Повторяйте эти шаги до тех пор, пока не будут определены наилучшие параметры.
    3. Выполните реконструкции. Выберите все голограммы, нажав кнопку «Открыть файл» и выбрав все файлы. Применить нужные параметры для численной реконструкции голограмм; они остаются неизменными после шага 5.2.1, поэтому на этот раз не выполняйте никаких действий.
    4. Выполните реконструкции с помощью кнопки Reconstruct и интерферограмм, вставив имена файлов в поле start with/end with, а затем нажав кнопку Batch. Интерферограммы отображаются в ранее созданной папке (на шаге 5.1).
      ПРИМЕЧАНИЕ: После записи серии голограмм во времени первая голограмма представляет собой невозмутимое состояние, в то время как действие внешней силы вызывает последующие голограммы. Необходимо реконструировать голограммы с помощью сдвинутого преобразования Френеля13.
    5. Получение интерферограмм путем вычитания (в терминах комплексных чисел) конкретной голограммы во времени с первой полученной голограммой.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Данный протокол позволяет наблюдать влияние силы на объект. Изменение интерференционной картины в зависимости от времени является следствием деформации или смещения, которое происходит внутри системы во время измерения. Эти изменения используются для мониторинга динамики системы на наноуровне.

6. Анализ результатов

  1. Выполните визуальный анализ в качестве первого этапа контроля качества процесса. На этом этапе найдите видимые изменения в интерференционной картине и попытайтесь сопоставить изменения в интерференционной картине с результатами, полученными оптическими и тепловыми измерениями.
  2. Проведите перекрестный допрос всех записей. На этом втором этапе анализа тщательно проанализируйте изображения визуально как с оптических, так и с тепловизионных камер с голографическими реконструкциями, чтобы выявить динамику на наноуровне. Таким образом, момент реакции виден одновременно в голографических, тепловых и фотографических изображениях.
  3. Сделать графическое представление результатов на основе численного/программного анализа и представить их в виде графиков (1D, 2D или 3D), диаграмм, гистограмм и т.д. После полного анализа результатов сделайте выводы и предугадывайте дальнейшие исследования на основе этого.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Фотофоретический эффект был индуцирован и контролировался в первом эксперименте на крыле бабочки Morpho menelaus 5. Эффект был инициирован действием светодиодных лазеров разной длины волны (450 нм, 532 нм, 660 нм, 980 нм). Здесь использовались крылья от бабочки I. lathonia 14 . После процедуры записи изображение голограммы было реконструировано.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В представленном биофотонном исследовании показано, что новый голографический метод может быть использован для обнаружения минимального морфологического смещения или деформации, вызванной низкоуровневым тепловым излучением.

Наиболее важным этапом голографического измерения с биологическими образцами является этап подготовки. Подготовка образца (резка/склеивание в соответствии с размером держателя) зависит от механических свойств образца, и невозможно иметь стандартный протокол для этого этапа....

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

M.S.P., D.G., D.V. и B.K. признают поддержку биологических и биоинспирированных структур для мультиспектрального наблюдения, финансируемых НАТО SPS (NATO Science for Peace and Security) 2019-2022. B.K., D.V., B.B., D.G. и M.S.P. признают финансирование, предоставленное Институтом физики Белграда через институциональное финансирование Министерства образования, науки и технологического развития Республики Сербия. Кроме того, Б.К. признает поддержку со стороны F R S - FNRS. М.. выражает поддержку со стороны Министерства образования, науки и технологического развития Республики Сербия, контракт No 451-03-9/2021-14/200026. С. Р. М. был поддержан стипендией BEWARE Валлонского региона (Конвенция No 2110034) в качестве постдокторанта. Т. В. признает финансовую поддержку со стороны Фонда Геркулеса. D.V., M.S.P., D.G., M.P., B.B. и B.K. признают поддержку Управления морских исследований Global через исследовательский грант N62902-22-1-2024. Данное исследование проводилось при частичном выполнении требований к докторской степени Марины Симович Павлович в Белградском университете, факультет машиностроения.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Активная виброизоляция, четыре оптических опорыстола ThorlabsPTR502Высокая грузоподъемность: 2 500 кг, высота 600 мм
КюветаСтандартная стеклянная кювета
Голографическая камера (оптическая камера для голографии)CannonEOS 50DРазмер сенсора 22,3 x 14,9 мм; Шаг пикселя 4.69 & микро; m; Максимальное разрешение 4752 x 3168; Формат файла JPEG
Перекись водорода, H2O2Merck (Darmstadt, Germany)
LaserLaser QuantumTorus 532 laserДлина волны 532 нм; Мощность 390 мВт; Длина когерентности 10 м
Светодиодные лазеры
Малоновая кислота, C3H4O4Acrfigure-materials-1s Organics (Geel, Бельгия)
Сульфат марганца,  MnSO4Fluka (Buchs, Швейцария)Нелинейный
оптический микроскопIPB
Оптические принадлежностиThorlab
Оптический спектроскоп
Оптический столThorlabsTOP450II PTR52509размерами 2000*1250*310 мм
Хлорная кислота, HClO4Merck (Дармштадт, Германия)
Йодат калия, KIO3Merck (Дармштадт, Германия)
Программное обеспечениедля домашней сборки от одного из авторов: Душана Груича. Данное программное обеспечение было выполнено в рамках частичного выполнения требований, предъявляемых к кандидату наук д.г.
Тепловизионная камераFlirA65640х512 пикселей; Тепловое разрешение 50 мК
ВидеокамераNikon1v318.4 Мпиксель; 60 к/с

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи