Выявление скрытой динамики естественных фотонных структур с помощью голографической визуализации
31 марта 2022 г.
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.
Это первый случай, насколько нам известно, голографическая техника была использована для мониторинга фотографий рас у насекомых-близнецов и перехода лиц в неравновесных условиях. Преимущество этой неинвазивной методики заключается в том, что она не вызывает каких-либо существенных нарушений в работе системы. Это имеет большое значение, например, для неравновесных исследований.
Нелинейная оптика и голография дают представление о сложных организованных структурах, с которыми мы сталкиваемся во всех научных дисциплинах. Это неразрушающие методы, способные опрашивать такие структуры в субмикронном масштабе. Знание волновой и геометрической оптики необходимо для подготовки установки, в то время как анализ основан на знании физики, сам эксперимент, его проще выполнить.
Поскольку представленные эксперименты выполняются в неполной темноте, возможность следить за визуальной сигнатурой имеет решающее значение для описываемого исследования Для начала выполнить полную характеристику образца с помощью сканирующего электронного микроскопа, линейной оптической спектроскопии и нелинейной оптической микроскопии. После регулировки температуры в помещении включите лазер и проверьте выравнивание оптических элементов. Затем идеально выровняйте лазерный луч с вогнутым зеркалом.
После этого проверьте и отрегулируйте положение оптического расширителя луча. Затем определите лучевую часть, которая ударяется о образец, и убедитесь, что он образует рефлекторный пучок. Проверьте, собрана ли остальная часть луча на сферическом зеркале, которое будет использоваться для создания опорного луча.
А также, детектор размещается в зоне интерференции двух указанных лучей. Установите оптическую фотокамеру для голографического эксперимента. И еще один, чтобы увидеть видимые изменения в реакции Бриггса-Раушера.
Кроме того, установлена тепловизионная камера с тепловым разрешением 50 милли Кельвинов и фокусным расстоянием 13 миллиметров. Чтобы подготовить образец к мониторингу химических реакций, поместите опору с плоской клеевой поверхностью на оптический стол, на который будет помещена кювета или сосуд. Затем заполните реагенты в кювету и перемешайте в кювете, имея разные объемы и концентрации, обеспечив общий объем в кювете 2,5 миллилитра.
Затем поместите его на опору в настройках. После выключения внешнего освещения синхронизируйте камеры с помощью выбранного интервала. Затем нажмите кнопки записи и вызовите динамические изменения в интересующей системе.
Далее понаблюдайте за голографическим экспериментом. Затем объявите окончание процесса и сохраните результаты. Чтобы проверить голограмму зонда на соответствующие настройки, выберите одну голограмму и сделайте реконструкцию, нажав на кнопку реконструкции.
После этого измените настройки, чтобы получить наилучшее изображение, и сделайте реконструкцию снова, повторяя шаги до тех пор, пока не будут определены наилучшие настройки. Для выполнения реконструкций выберите все голограммы и примените нужные параметры для численной реконструкции голограмм. Затем выполните реконструкцию с помощью кнопки реконструкции и интерферограммы, вставив имена файлов в поле Начало с/Окончание с, а затем, нажав кнопку, Пакет.
Выполните визуальный анализ, выполнив поиск видимых изменений в интерференционной картине. И постарайтесь сопоставить изменения интерференционной картины с результатами, полученными при оптических и тепловых измерениях. Затем выполните перекрестный допрос, тщательно проанализировав изображения визуально как с оптических, так и с тепловизионных камер с голографическими реконструкциями, чтобы выявить динамику в масштабе Nano.
В случае реакции Б.Р. анализ интерферограмм выявляет изменение маргинальной картины в точный момент фазового перехода. Результаты имеют особое значение, так как оптический интерферометрический метод не вызывает каких-либо существенных возмущений в системе, что имеет жизненно важное значение для неравновесных исследований. Кроме того, голографическая реконструкция была выполнена для Wings of Butterfly, Azoria Lithonia, облученных лазерным светом на 450, 532 и 980 нанометров.
Результаты наглядно показывают, что взаимодействие наноструктур со светом, порождает смещение на наноуровне внутри тканей, которые влияют на интерферометрическую картину. Представленная методика, открывает возможность выявить различные динамические и самосборные процессы для различных систем в нано- и мезомасштабе.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном исследовании представлено применение голографических методов для мониторинга фотоиндуцированных процессов в двойниках насекомых и фазовых переходов в неравновесных условиях. Неинвазивный характер этих методов обеспечивает минимальное воздействие на систему, что имеет решающее значение для точного изучения неравновесных состояний.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Биофотоника
- Нелинейная оптика
- Голография
Теоретические сведения
- Голография позволяет получить представление о сложных организованных структурах.
- Неразрушающие методы имеют важное значение для исследования субмикронного масштаба.
- Для подготовки установки необходимы знания в области волновой и геометрической оптики.
- Анализ опирается на принципы физики для упрощения выполнения эксперимента.
Цель исследования
- Изучение динамики наноразмерных явлений с помощью голографических методов.
- Демонстрация преимуществ неинвазивных методов в научных исследованиях.
- Исследование неравновесных состояний в биологических системах.
Используемые методы
- Голографический мониторинг фотоиндуцированных процессов.
- Методы нелинейной оптики.
- Анализ сложных структур на субмикронном уровне.
- Экспериментальная установка на базе волновой и геометрической оптики.
Основные результаты
- Успешный мониторинг фотоиндуцированных процессов в двойниках насекомых.
- Представление о фазовых переходах в неравновесных условиях.
- Демонстрация возможности голографии выявлять наноразмерную динамику.
- Подтверждение эффективности неинвазивных методов в биофотонных исследованиях.
Выводы
- Голография является мощным инструментом для изучения явлений на наноуровне.
- Неинвазивные методы имеют решающее значение для точных научных наблюдений.
- Данное исследование открывает новые возможности для изысканий в различных научных дисциплинах.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Голографическая визуализация обеспечивает неинвазивный мониторинг наноразмерной динамики в природных фотонных структурах в режиме реального времени, предоставляя критически важную информацию об отклике системы без внесения возмущений. Эта возможность способствует раннему обнаружению и снижению механистических рисков за счет выявления скрытых структурных и функциональных изменений, имеющих значение для исследований и разработок в области биофармацевтики. Данный подход повышает прогностическую уверенность при валидации мишеней и позволяет принимать взвешенные с учетом рисков решения на всех этапах процесса разработки.
Стратегические применения в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Обеспечивает прямую визуализацию структурной динамики на наноуровне в физиологических условиях и в неравновесных состояниях.
- Способствует снижению механистических рисков путем установления корреляции между геометрией и нанорельефом и функциональными ответами.
- Облегчает проверку гипотез относительно поведения фотонных структур и их реакции на внешние стимулы.
Скрининг и разработка анализа
- Обеспечивает количественные, воспроизводимые интерферометрические данные для стандартизации анализа.
- Позволяет проводить неразрушающую оценку целостности образца и динамического отклика в процессе скрининга.
- Обеспечивает масштабируемый мониторинг нескольких образцов с минимальным воздействием на систему.
Трансляционные и доклинические исследования
- Раскрывает фазовые переходы и нелинейную динамику, имеющие значение для сложных биологических и химических систем.
- Обеспечивает преемственность от этапа открытия до доклинической валидации за счет возможности кросс-модальной корреляции оптических, термических и голографических данных.
- Повышает прогностическую ценность при разработке трансляционных биомаркеров в тех случаях, когда наноразмерная динамика играет значимую роль при заболевании.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Голографическая визуализация интегрируется в процесс от первичных открытий до доклинических исследований, обеспечивая неинвазивный количественный анализ наноразмерной динамики и фазовых переходов.
- Фундаментальная биология: обеспечивает проверку гипотез при исследовании фотонных структур и их динамического отклика.
- Скрининг: предоставляет воспроизводимые количественные интерферометрические данные для разработки и валидации анализов.
- Аналитика: позволяет проводить перекрестное сравнение оптических, термических и голографических измерений для достоверной интерпретации данных.
- Трансляционные исследования: способствует сопоставлению наноразмерной динамики с доклиническими конечными точками при наличии релевантности системы.
- Корпоративное повторное использование: создает многоразовую платформу для неразрушающего мониторинга различных биологических и химических систем.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает прогностическую достоверность и снижает механистическую неопределенность при валидации мишени.
- Операционная ценность: стандартизирует неинвазивные воспроизводимые рабочие процессы мониторинга динамических систем.
- Стратегическая ценность: улучшает процесс принятия решений о продолжении или прекращении разработки (go/no-go) и повышает эффективность использования капитала за счет раннего выявления скрытых особенностей поведения системы.
- Влияние на портфель: обеспечивает приоритизацию и продвижение кандидатов с учетом рисков на основе надежных данных наноразмерного анализа.
Особенности реализации
- Для настройки и анализа требуются экспертные знания в области волновой и геометрической оптики.
- Необходим доступ к оборудованию для голографической, оптической и тепловизионной визуализации.
- Требуется межкомандная стандартизация протоколов сбора и реконструкции данных.
- Метод адаптируем к различным модельным системам с учетом специфических оптических свойств образцов.
- Возможности ограничены необходимостью контролируемых условий окружающей среды и специализированной инфраструктуры для визуализации.
Часто задаваемые вопросы по биофармацевтике
Chapters in this video
0:04
Introduction
1:14
Precharacterization of the Sample and Holographic Setup
2:47
Performing the Experiment and Results Acquisition
3:52
Analyses of the Results
4:23
Results: Highlighting Holography s Ability to Reveal Dynamics at a Nanoscale
5:13
Conclusion
