Evanescent поля на основе фотоакустика: Оптическая Оценка недвижимости на поверхностях
26 июля 2016 г.
Здесь мы приводим протокол для оценки материала и поверхностные оптические свойства, используя Фотоакустический эффект в сочетании с полным внутренним отражением. Эта техника затухающих фотоакустика поле на основе могут быть использованы для создания фотоакустической метрологическую систему для оценки толщины, объемные и тонкие пленки рефракционных индексов материалов ", а также изучить их оптические свойства.
Общая цель данного набора фотоакустических методов заключается в характеристике оптических свойств жидкостей, твердых тел и прозрачных тонких пленок с помощью одного комбинированного устройства. Этот метод позволяет ответить на ключевые вопросы в области анализа материалов, такие как определение расчетной толщины и показателя преломления. Основным преимуществом данной методики является возможность измерения показателя преломления объемного материала, показателя преломления тонкой пленки, толщины и оптического поглощения с использованием одного прибора.
Для начала эксперимента необходимо подготовить определенное оборудование. Прежде всего для выполнения данного протокола требуются два ультразвуковых преобразователя, такие как данные модели с частотой 10 мегагерц. На передней поверхности каждого из них эпоксидным клеем закреплен цилиндр из красного латексного каучука диаметром 9 мм и толщиной 1 мм.
Опорный преобразователь также приклеивается эпоксидной смолой к акриловому блоку, который служит акустическим разделителем. Еще одним элементом оборудования, требующим подготовки, является держатель призмы для фотоакустики на основе затухающего поля (EFPA). Держатель призмы EFPA состоит из крепления для призмы и крепления для преобразователя.
Призма установлена в держателе призмы. В креплении датчика зафиксирован один из подготовленных ультразвуковых датчиков таким образом, чтобы латекс был открыт. После установки призмы и датчика соедините две части держателя призмы так, чтобы латекс был направлен к призме через зазор, в котором будет размещен образец.
Скрепите детали друг с другом с помощью винтов. Остальное оборудование для данного эксперимента уже установлено на оптической скамье. Луч генерируется неодимовым лазером с алюминиевым гранатом (Nd:YAG) с переключателем.
Его выход направляется в расширитель пучка. Далее следует регулируемая вручную апертура. Следующим элементом является куб-делитель с поляризацией пучка.
Затем луч попадает в неполяризационный светоделитель. Один выход направляется на закрепленный ультразвуковой преобразователь, который будет служить эталоном. Другой выход из светоделителя направляется в закрепленный держатель призмы EFPA и соответствующий ему преобразователь.
Луч, выходящий из держателя призмы, направляется в световой стопор. Держатель призмы EFPA установлен на переводном столике XY-theta для обеспечения точного позиционирования. Его угол может быть изменен с помощью шагового двигателя с компьютерным управлением.
Для подготовки к эксперименту вернитесь к лазеру и расширителю пучка. Используйте линзы, чтобы увеличить диаметр пучка как минимум в три раза. Размер пучка должен превышать размер латексного абсорбера на преобразователях.
После настройки расширителя используйте цифровой уровень для выравнивания луча и держателя призмы. Плоская сторона крепления призмы должна находиться под углом 0° относительно луча. Подключите и включите преобразователи, осциллографы и мониторы с компьютерным управлением.
Используйте BNC-кабели с сопротивлением 50 Ом для подключения эталонного преобразователя к нулевому каналу осциллографа. Подключите преобразователь, установленный в призме EFPA, к первому каналу. При выполнении этапов юстировки обязательно наденьте соответствующие защитные очки для работы с лазером.
С помощью регулируемой диафрагмы уменьшите диаметр пучка до 1 мм. На компьютере запустите программное обеспечение, которое будет управлять проведением экспериментов. Используя программу, поверните держатель призмы на 70 градусов.
Посмотрите на призму сбоку, перпендикулярно лазерному лучу, и проверьте, виден ли лазерный спот на латексе. Вручную отрегулируйте XY theta стол трансляционный, пока лазерный спот не будет правильно позиционирован на преобразователе. Необходимо, чтобы спот находился в центре латекса.
Вернитесь к апертуре и раскройте ее максимально. На компьютере проверьте измерения энергии, полученные с преобразователей. В данном случае красная линия соответствует прямому измерению энергии лазера, которое служит эталоном.
Синяя линия соответствует датчику в держателе призмы EFPA. Убедитесь, что два измерения имеют примерно одинаковую величину. Если все в порядке, остановите измерение; после этого призма автоматически сбросится до нуля градусов, прежде чем процесс продолжится.
Для анализа жидкого образца будет использован метод фотоакустической спектроскопии с полным внутренним отражением. В качестве образца используется краситель Direct Red 81 в воде. Кроме того, для данного метода требуется иммерсионная жидкость, согласованная по показателю преломления с призмой, а также предметное стекло микроскопа в качестве подложки для закрытия поверхности призмы.
Извлеките держатель призмы EFPA из установки и откройте его, чтобы поместить образец на место. Возьмите призму и нанесите 2,5 µL иммерсионного масла в ее центр. Затем поместите субстрат поверх распределенного слоя масла.
Затем перейдите к работе с латексом на ультразвуковом преобразователе EFPA. Нанесите 25 µL жидкого образца, избегая образования пузырьков. Теперь заново соберите держатель EFPA, поместив комбинацию из призмы и масляной подложки поверх латекса с нанесенным образцом.
Зажмите держатель призмы и зафиксируйте узел с помощью крепежных винтов. После подготовки держателя EFPA верните его в экспериментальную установку. Снова установите держатель EFPA в соответствующее положение среди оптических элементов.
Перед началом сбора данных убедитесь, что все компоненты готовы. Используйте лабораторное программное обеспечение для измерения и отображения акустического сигнала, генерируемого образцом. Данные представляют собой размах напряжения (от пика до пика) в зависимости от времени.
Для подготовки к рефрактометрии POSS TUR POSS снова используйте держатель призмы EFPA из установки. Разъедините держатель, чтобы открыть доступ к призме, и отделите латекс от преобразователя. Подготовьте образец, иммерсионное масло, индекс которого соответствует индексу призмы, и подложку для закрытия поверхности призмы.
Нанесите 2,5 µL иммерсионного масла в центр призмы. Зафиксируйте слой масла, поместив сверху подложку. Перейдите к преобразователю в его креплении и нанесите 25 µL окрашенного образца на латексную подушечку.
После завершения этой операции поместите оправку призмы с маслом и подложкой на латекс или преобразователь. Сожмите две оправки вместе и зафиксируйте их с помощью крепежных винтов. После установки держателя призмы EFPA в системе перейдите к программному обеспечению с компьютерным управлением.
Введите диапазон углов падения, при которых должен быть измерен спектр, и величину шага. Запустите программу для измерения спектра и построения графика зависимости напряжения от пика до пика от угла. Используя полученный спектр, с помощью программного обеспечения вычислите и постройте график числовой производной по углу.
Используйте сглаженные данные численной производной для ручного определения локальных минимумов и соответствующих им углов падения. Минимумы указывают на переход от режима POSS к режиму TUR POSS. Подготовьте держатель призмы EFPA для проведения фотоакустической спектроскопии с оптическим туннелированием.
Подготовьте разделенные крепления для призмы и преобразователя, а также иммерсионное масло, индекс которого согласован с индексом призмы. Образец представляет собой тонкую пленку фторида магния, нанесенную на стеклянный предметное стекло. Нанесите 2.5 µL иммерсионного масла в центр призмы.
После нанесения масла расположите образец так, чтобы тонкая пленка была обращена от призмы, и поместите образец на слой масла. На крепление преобразователя нанесите 25 µL иммерсионного масла на латексную прокладку так, чтобы оно покрыло всю поверхность без образования пузырьков. Прижмите латекс к образцу и затяните крепежные винты, чтобы сжать узел.
Верните держатель EFPA в оптическую установку и подготовьтесь к проведению эксперимента. На компьютере введите параметры для получения углового спектра и начните измерение. Эти данные, полученные методом фотоакустической спектроскопии полного внутреннего отражения, характеризуют акустическую волну, генерируемую поглощающим образцом.
В данном случае используется красный краситель 81 в воде. Биполярный характер волны возникает из-за акустического отражения на границе раздела между образцом и стеклянной подложкой, где наблюдается значительная разница в акустическом импедансе. Метод POSS TUR POSS позволяет получить угловой спектр.
При вычислении численной производной в программе smooth локальный минимум соответствует измеренному критическому углу. Зная этот угол, можно рассчитать объемный показатель преломления на длине волны лазера, используемого в эксперименте. Представлен угловой спектр нормированного сигнала энергии лазерного излучения для магниевой пленки на подложке из оптического стекла НБК-7.
На основании этих значений можно определить процент оптического туннелирования в зависимости от угла падения. Эта информация позволяет оценить показатель преломления и толщину. При выполнении данной процедуры важно помнить о необходимости предотвращения образования пузырьков в масле или образце.
После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как использовать методы EFPA для оценки оптических свойств материалов.
Обзор
В данной статье представлен протокол оценки оптических свойств материалов и поверхностей с использованием фотоакустического эффекта в сочетании с полным внутренним отражением. Данный метод позволяет проводить характеризацию жидкостей, твердых тел и прозрачных тонких пленок с помощью одного устройства.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Характеристика оптических свойств
- Фотоакустические методы
- Материаловедение
Теоретические основы
- Метод объединяет фотоакустический эффект и полное внутреннее отражение.
- Он позволяет измерять толщину, показатели преломления и оптическое поглощение.
- Для сбора данных используются ультразвуковые преобразователи и лазерные системы.
- Применим к различным материалам, включая жидкости и тонкие пленки.
Цель исследования
- Разработать компактное устройство для измерения оптических свойств.
- Представить протокол оценки толщины материала и показателей преломления.
- Углубить понимание методов характеризации материалов.
Используемые методы
- Подготовка ультразвуковых преобразователей и держателя призмы EFPA.
- Использование неодимового лазера и оптических компонентов для юстировки луча.
- Измерение акустических сигналов, генерируемых образцами.
- Сбор и анализ данных с помощью специализированного программного обеспечения.
Основные результаты
- Успешное измерение оптических свойств в одном устройстве.
- Продемонстрированная возможность анализа различных материалов.
- Предоставлен детальный протокол настройки и проведения эксперимента.
- Метод валидирован на конкретных жидких образцах.
Выводы
- Данный протокол предлагает надежный метод оценки оптических свойств.
- Он упрощает процесс характеризации для исследователей.
- Потенциальные области применения в материаловедении и инженерии.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Фотоакустика на основе затухающего поля (EFPA) позволяет проводить наномасштабную оценку оптических свойств материалов с помощью одного интегрированного устройства, снижая необходимость в использовании множества инструментов для характеризации. Эта возможность способствует ранним этапам открытий, обеспечивая количественные, чувствительные к поверхности измерения показателя преломления, толщины и поглощения — ключевых параметров для прогнозирования поведения материала в биологическом и фармацевтическом контекстах. Предоставляя воспроизводимые, безмаркерные оптические данные на биологически значимых масштабах, EFPA оптимизирует процессы валидации мишеней и разработки анализов, в которых оптические свойства влияют на функциональность, например, в системах доставки лекарств или интерфейсах биосенсоров.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет исследовать оптические свойства материалов на наноразмерном уровне для выяснения взаимосвязи между структурой и функцией терапевтических кандидатов.
- Практическая ценность: обеспечивает безмаркерное количественное считывание данных, что снижает неопределенность механизмов при первоначальном тестировании гипотез о мишенях.
Скрининг и разработка методов анализа
- Научная ценность: Подготовка валидированных биологических или материальных систем с заданными оптическими свойствами для последующего использования в скрининговых исследованиях.
- Практическая ценность: Обеспечение стандартизации и воспроизводимости анализа за счет точного контроля толщины и показателя преломления на границе раздела подложки.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: способствует моделированию систем, имеющих значение для изучения заболеваний, обеспечивая возможность оптической характеризации тонких пленок и покрытий, используемых в имплантируемых или диагностических устройствах.
- Практическая ценность: облегчает трансляционную преемственность от этапа открытия до доклинической валидации, обеспечивая согласованность измерений свойств материалов на всех этапах рабочих процессов.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
EFPA вписывается в общий процесс разработки — от ранней валидации мишени до доклинических исследований, особенно в тех случаях, когда оптические свойства материалов, покрытий или составов влияют на биологическую эффективность.
- Открывающая биология: способствует проверке гипотез и уточнению сигнальных путей, обеспечивая точное измерение оптических свойств материалов, взаимодействующих с биологическими системами.
- Скрининг: повышает готовность анализа за счет стандартизированной количественной подготовки поверхности с контролируемыми оптическими характеристиками.
- Аналитика: предоставляет измерения напряжения «пик-пик» в зависимости от угла, что позволяет проводить количественное сравнение условий образцов и отклика материалов.
- Трансляционные исследования: обеспечивает преемственность с доклиническими исследованиями, позволяя проводить оптическую валидацию тонких пленок и подложек, используемых в трансляционных моделях.
- Корпоративное повторное использование: функционирует как многократная метрологическая платформа для различных проектов, сокращая избыточные усилия по определению характеристик и обеспечивая стандартизацию между исследовательскими группами.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает прогностическую уверенность при выборе материалов за счет снижения неопределенности оптических свойств на биологически значимых интерфейсах.
- Операционная ценность: Улучшает стандартизацию и масштабируемость благодаря использованию консолидированного устройства, которое сводит к минимуму вариативность измерений.
- Стратегическая ценность: Способствует принятию более обоснованных решений о продолжении или прекращении разработки (go/no-go), предоставляя ранние безмаркерные оптические данные, что снижает риски при продвижении кандидатов, зависящих от свойств материалов.
- Влияние на портфель проектов: Позволяет проводить приоритезацию проектов, связанных с оптическими материалами, покрытиями или биосенсорами, с учетом рисков благодаря надежной и воспроизводимой характеристике.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области юстировки оптики, регистрации фотоакустических сигналов и анализа данных с использованием специализированного программного обеспечения.
- Зависит от ультразвуковых преобразователей, лазерных систем, расширителей пучка, поляризационных компонентов и прецизионных переводных столиков.
- Необходима межкомандная стандартизация подготовки образцов, использования иммерсионного масла и сборки призмы с подложкой для обеспечения воспроизводимости.
- Необходимо учитывать адаптацию под различные модельные системы, особенно при измерении образцов с разной толщиной, показателями преломления или профилями поглощения.
- Практические ограничения включают чувствительность к образованию пузырьков в связующих средах и необходимость использования иммерсионных масел с соответствующим показателем преломления для сохранения точности измерений.
Часто задаваемые вопросы по биофармацевтике
Chapters in this video
0:05
Title
0:36
System Setup
3:21
EFPA System Initialization and Optical Alignment
4:39
Total Internal Reflection Photoacoustic Spectroscopy (TIRPAS) Technique
6:10
Photoacoustic Spectrometry/Total Internal Reflection Photoacoustic Spectroscopy (PAS/TIRPAS) Refractometry
7:40
Optical Tunneling Photoacoustic Spectroscopy (OTPAS)
8:43
Results: Representative Data from TIRPAS, PAS/TIRPAS, and OTPAS Techniques
9:53
Conclusion
