Aufdecken verborgener Dynamiken natürlicher photonischer Strukturen mit holographischer Bildgebung

Zusammenfassung

Das Papier konzentriert sich in erster Linie auf die kombinierte Kraft von optischen (linear und nichtlinear) und holographischen Methoden, die verwendet werden, um Phänomene auf der Nanoskala aufzudecken. Die Ergebnisse der biophotonischen und oszillatorischen chemischen Reaktionen werden als repräsentative Beispiele angeführt, die die Fähigkeit der Holographie unterstreichen, die Dynamik auf einer Nanoskala aufzudecken.

Zusammenfassung

Bei dieser Methode wird das Potenzial von Optik und Holographie ausgeschöpft, verborgene Details der dynamischen Reaktion eines natürlichen Systems auf der Nanoskala aufzudecken. Im ersten Teil werden die optischen und holographischen Untersuchungen natürlicher photonischer Strukturen sowie die Bedingungen für das Auftreten des photophoretischen Effekts, nämlich der Verschiebung oder Verformung einer Nanostruktur aufgrund eines lichtinduzierten thermischen Gradienten, auf der Nanoskala vorgestellt. Dieser Effekt wird durch die digitale holographische Echtzeit-Interferometrie aufgedeckt, die die Verformung von Schuppen überwacht, die die Flügel von Insekten bedecken, die durch die Temperatur induziert werden. Der Zusammenhang zwischen Geometrie und Nanokorrugation, der zur Entstehung des photophoretischen Effekts führt, ist experimentell nachgewiesen und bestätigt. Im zweiten Teil wird gezeigt, wie die Holographie möglicherweise verwendet werden kann, um verborgene Details im chemischen System mit nichtlinearer Dynamik aufzudecken, wie z.B. das Phasenübergangsphänomen, das in einer komplexen oszillierenden Briggs-Rauscher-Reaktion (BR) auftritt. Das vorgestellte Potenzial der Holographie auf der Nanoskala könnte enorme Möglichkeiten zur Kontrolle und Formung des photophoretischen Effekts und der Musterbildung für verschiedene Anwendungen wie Partikeleinfang und Levitation eröffnen, einschließlich der Bewegung unverbrannter Kohlenwasserstoffe in der Atmosphäre und der Trennung verschiedener Aerosole, Zersetzung von Mikroplastik und Fraktionierung von Partikeln im Allgemeinen sowie Bewertung der Temperatur und Wärmeleitfähigkeit von Brennstoffpartikeln in Mikrometergröße.

Einleitung

Um alle einzigartigen Phänomene in der Nanowelt vollständig zu verstehen und zu bemerken, ist es wichtig, Techniken anzuwenden, die in der Lage sind, alle Details in Bezug auf Strukturen und Dynamik auf der Nanoskala aufzudecken. Aus diesem Grund wird die einzigartige Kombination von linearen und nichtlinearen Methoden in Kombination mit der Kraft der Holographie vorgestellt, um die Dynamik des Systems auf der Nanoskala aufzudecken.

Die beschriebene holographische Technik kann als Triple-Rec-Verfahren (rec ist die Abkürzung für Aufzeichnung) angesehen werden, da das Signal zu einem bestimmten Zeitpunkt gleichzeitig von einer Fotokamera, einer Wärmebildkamera und einem Interferometer aufgezeichnet wird. Lineare und nichtlineare optische Spektroskopie und Holographie sind bekannte Techniken, deren Grundprinzipien in der Literatur ausführlich beschrieben werden ^1,2.

Um es kurz zu machen, die holographische Interferometrie ermöglicht den Vergleich von Wellenfronten, die zu verschiedenen Zeitpunkten aufgezeichnet wurden, um die Dynamik des Systems zu charakterisieren. Es wurde zuvor verwendet, um die Schwingungsdynamik ^3,4 zu messen. Die Leistungsfähigkeit der Holographie als einfachste Interferometrie-Methode beruht auf ihrer Fähigkeit, die kleinste Verschiebung innerhalb des Systems zu erkennen. Zuerst nutzten wir die Holographie, um den photophoretischen Effekt⁵ (d.h. die Verschiebung der Verformung einer Nanostruktur aufgrund eines lichtinduzierten thermischen Gradienten) in verschiedenen biologischen Strukturen zu beobachten und aufzudecken. Für eine wahrheitsgetreue Darstellung der Methode wurden repräsentative Proben aus einer Reihe von getesteten biologischen Proben^{ausgewählt 6}. Flügel der Königin von Spanien Fritillärschmetterling, Issoria lathonia (Linnaeus, 1758; I. lathonia) wurden im Rahmen dieser Studie verwendet.

Nachdem das Auftreten von Photophorese auf der Nanoskala in biologischen Geweben erfolgreich nachgewiesen wurde, wurde ein ähnliches Protokoll angewendet, um den spontanen Symmetriebruchprozess⁷ zu überwachen, der durch einen Phasenübergang in einer oszillierenden chemischen Reaktion verursacht wurde. In diesem Teil wurde der Phasenübergang von einer niedrigen Konzentration von Jodid und Jod (genannt Zustand I) zu einer hohen Konzentration von Jodid und Jod mit fester Jodbildung (definiert als Zustand II), die in einer chemisch nichtlinearen BR-Reaktion auftritt, untersucht ^8,9. Hier berichteten wir zum ersten Mal über einen holographischen Ansatz, der es ermöglicht, einen solchen Phasenübergang und eine spontane symmetriebrechende Dynamik auf der Nanoskala zu untersuchen, die in kondensierten Systemen auftritt.

Protokoll

1. Prächarakterisierung

1. Führen Sie eine vollständige Vorcharakterisierung der Probe durch.
   1. Führen Sie alle Experimente an trockenen Proben durch, die von einer kommerziellen Quelle gekauft wurden. Lagern Sie die Proben im Labor, an einem trockenen und dunklen Ort, bei Raumtemperatur.
   2. Führen Sie vor holographischen Messungen eine vollständige Probencharakterisierung durch scannendes elektronisches Mikroskop (REM), lineare optische Spektroskopie und nichtlineare optische Mikroskopie (NOM)¹⁰ durch (Abbildung 1).
   3. Zusätzlich zu den optischen Eigenschaften von Proben, die mit linearen Techniken gemessen wurden, sammeln Sie zusätzliche Informationen mit Laserstrahlen höherer Intensität, die eine Charakterisierung ihrer nichtlinearen optischen Eigenschaften ermöglichen.
   4. Verwenden Sie die entsprechenden nichtlinearen optischen Suszeptibilitäten, um die nichtlineare optische Reaktion zu quantifizieren und bilden Sie die Grundlage für nichtlineare optische Techniken wie zerstörungsfreie Multiphotonenanregungsfluoreszenz und Second Harmonic Generation (SHG), die zur Charakterisierung verschiedener biologischer Proben verwendet werden.
   5. Für die nichtlinearen chemischen Phänomene, die in der oszillierenden BR-Reaktion auftreten, führen Sie die Untersuchung der interferometrischen Überwachung des in situ Phasenübergangs vom Zustand I zum Zustand II mit den folgenden Konzentrationen von Reaktanden durch: [_CH2(COOH)₂]0 = 0,0789 mol dm-3, [MnSO 4]0 = 0,0075 mol dm-3, [HClO₄]0 = _0,03 mol ^dm-3, [KIO₃] ₀ = 0,0752 mol dm-3 und [_H2O2]0 = 1,269 mol ^dm-3 (₀ nach der Klammer steht für die Anfangskonzentration zu Beginn des Prozesses). Das für die BR-Reaktion verwendete Gesamtvolumen beträgt 2,5 ml.
      HINWEIS: Die hier verwendeten Konzentrationswerte entsprechen denen in der Studie von Pagnacco et ^al.8, jedoch mit einem Reaktionsvolumen geteilt durch 10.
2. Bereiten Sie die Probe für das Experiment vor.
   1. Verwenden Sie Flügel der Königin von Spanien Fritillärschmetterling, I. lathonia, für dieses Experiment. Legen Sie den Flügel auf eine harte Oberfläche und machen Sie einen Abschnitt mit einem Fräser von 10 mm Durchmesser. Legen Sie die Probe in die Probenbox, bei der es sich um einen beliebigen Behälter mit Deckel handeln kann.

Abbildung 1: Wellenquerschnitt der Schmetterlingsflügelschuppe. Der Querschnitt wurde mit einem nichtlinearen optischen Rastermikroskop (A,B) erfasst. Eine REM-Beobachtung (C) eines Flügels des Königin-von-Spanien-Schmetterlings I. lathonia wurde ebenfalls durchgeführt. Diese Zahl wurde von¹⁴ geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

2. Versuchsaufbau

1. Holografischer Aufbau
   HINWEIS: Die holographischen Interferometriemessungen wurden mit einem maßgeschneiderten optischen Aufbau durchgeführt (Abbildung 2).
   1. Stellen Sie die Labortemperatur auf 23 °C ± 0,2 °C ein. Schalten Sie den Laser ein. Verwenden Sie für diese holographischen Beobachtungen einen Laser (Details in der Tabelle der Materialien) mit einer Anregungswellenlänge von 532 nm.
   2. Überprüfen Sie die Ausrichtung der optischen Elemente (Abbildung 2). Überprüfen Sie zunächst, ob die Einrichtung gemäß dem Schema in Abbildung 2 erfolgt.
   3. Richten Sie den Laserstrahl perfekt auf den konkaven Spiegel M aus. Überprüfen und justieren Sie die Position des optischen Strahlexpanders (L).
   4. Bestimmen Sie den Strahlteil, der auf Probe S trifft, und stellen Sie sicher, dass er einen Reflexstrahl O bildet. Überprüfen Sie, ob der Rest des Strahls auf einem sphärischen Spiegel CM gesammelt wird, der zur Erzeugung des Referenzstrahls R verwendet werden soll. Überprüfen Sie, ob der Detektor C innerhalb der Interferenzzone der beiden spezifizierten Strahlen platziert ist.
      HINWEIS: Als Detektor wird ein CMOS-Sensor (Complementary Metal Oxide Semiconductor) verwendet.
   5. Richten Sie die Kameras gemäß den Anweisungen für die verwendete Kamera ein. Richten Sie eine optische/fotografische Kamera für das holographische Experiment ein, wie in Abbildung 2 dargestellt (C ist die Kamera; Einzelheiten sind in der Materialtabelle angegeben). Richten Sie eine zweite optische/fotografische Kamera ein, um sichtbare Veränderungen der BR-Reaktion zu sehen, und eine Wärmebildkamera mit einer thermischen Auflösung von 50 mK und einer Brennweite von 13 mm über dem optischen Tisch.
      HINWEIS: Die Kamera, die im holographischen Experiment verwendet wird, verwendet kein Objektiv. Das Licht trifft direkt auf den Chip.
2. Bereiten Sie das Beispiel in holografisches Setup vor.
   1. Bereiten Sie die Flügelprobe wie in Schritt 1.2.1 beschrieben vor. Legen Sie die vorbereitete Probe auf einen runden Metallträger mit einem Durchmesser von 15 mm. Die Stütze hat drei vorhandene Löcher für die Schrauben, an denen der Metallring, der die Probe hält, befestigt ist.
   2. Befestigen Sie den Ring an der Stütze. Legen Sie die beigefügte Probe in den Teil der Probenhalterung, der sich auf dem optischen Tisch befindet.
   3. Bereiten Sie die Probe für die Überwachung chemischer Reaktionen vor. Auf dem optischen Tisch an der vorgesehenen Stelle eine Stütze mit einer ebenen Klebefläche platzieren, auf der die Küvette / das Gefäß platziert wird.
   4. Bereiten Sie das Reagenz vor, das zum Initialisieren der Reaktion verwendet wird, wie in Schritt 1.1.5 beschrieben. Füllen Sie die Reaktanden in die Küvette und mischen Sie die Küvette in der folgenden Reihenfolge von Volumina und Konzentrationen ein: 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} ; und 0,3 ml von 10,575 mol ^dm-3 H 2_O2.
   5. Stellen Sie sicher, dass das Gesamtvolumen in der Küvette 2,5 ml beträgt, und legen Sie es auf die Halterung im Setup.
   6. Richten Sie bei Bedarf zusätzliche Instrumente ein. Zur Überwachung des photophoretischen Effekts verwenden Sie einen zusätzlichen Laser (Details in der Materialtabelle) für die lokale Beheizung.

Abbildung 2: Der holografische Aufbau. Die Abbildung zeigt, wie die verschiedenen Komponenten für das holographische Experiment angeordnet sind. Abkürzungen: L1 = Laser bei 532 nm, L = bikonvexe Linse, A = Blende, M = ein flacher Spiegel zur Ablenkung des Laserstrahls, CM = konkaver Spiegel, C = CMOS-Kamera, S = Schmetterlingsflügelabschnitt, R = Referenzstrahl, O = Objektstrahl. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

3. Einrichtung der verwendeten Software

HINWEIS: Die selbst entwickelte C ++ - Software, die auf der Fresnel-Näherung¹¹ basiert, wird verwendet, um Daten aus holographischen Experimenten zu analysieren. Die für die vorgestellte Studie entwickelte Software finden Sie unter . ¹² Die Einzelheiten der Software können derzeit nicht veröffentlicht werden; Zusätzliche Informationen werden jedoch auf Anfrage zur Verfügung gestellt. Die Fresnel-Approximation ist in der digitalen Holographie äußerst nützlich, da sie sich auf verschiedene Oberflächen konzentriert und auf den Bereich der ersten Beugungsordnung zoomt, der vollständige Informationen über die aufgenommene Szene enthält.

1. Schalten Sie den Computer ein und führen Sie die Software aus.
   HINWEIS: Der Schritt zum Ausführen der Software hängt von der Software selbst ab. Es gibt keine kommerzielle Software für diesen Zweck.

4. Führen Sie das Experiment durch

1. Schalten Sie die Außenleuchten aus. Führen Sie das ganze Experiment in einem dunklen Raum durch.
2. Synchronisieren Sie die Kameras mithilfe eines ausgewählten Intervalls. Starten Sie für dieses Experiment die holographische Kamera nach 60 s und die beiden anderen Kameras unmittelbar danach, entweder mit einer Software oder manuell.
3. Drücken Sie die Aufnahmetasten und legen Sie in der Software fest, wann die Aufnahme beginnt.
4. Bewirken Sie dynamische Veränderungen im interessierenden System. Die Methode der Initiierung hängt von der Art der Probe ab; Im Falle eines photophoretischen Effekts erwärmen Sie die Probe extern mit den verfügbaren Lasern: 450 nm, 532 nm, 660 nm, 980 nm. Im Falle der BR-Reaktion starten Sie die Reaktion, indem Sie die chemischen Reaktanden mischen. Beobachten Sie das holographische Experiment.
5. Stellen Sie die Foto- und Wärmebildkamera so ein, dass sie das gesamte Experiment verfolgt, und bestimmen Sie den Moment des Endes der holographischen Aufnahme aus den optischen und thermischen Messungen.
6. Sprechen Sie das Ende des Prozesses aus. Das Ende der Aufzeichnung ist entsprechend der geschätzten Dauer des Prozesses vorprogrammiert. Verwenden Sie für die BR-Reaktion die Erstarrung als Ende der Reaktion. Im Falle des photophärischen Effekts gibt es keinen solchen spezifischen Moment. In jedem Fall unterstreicht dieser Schritt die Wichtigkeit der dreifachen Aufnahme.

5. Erwerb der Ergebnisse¹²

1. Speichern Sie die Ergebnisse. Sortieren Sie die Dateien präzise in Abhängigkeit von der Zeit für die Rekonstruktion von Hologrammen und tiefere Datenanalysen.
   HINWEIS: In diesem Schritt werden die Daten von der für die Holografie verwendeten Kamera auf den Computer (Festplatte) in Ordnern übertragen, die nach den Aufnahmedaten benannt sind. Verwenden Sie die Schaltflächen Kopieren/Einfügen und Umbenennen.
2. Überprüfen Sie das Sondenhologramm auf entsprechende Einstellungen. Auf diese Weise werden die besten Einstellungen auf dem ersten Hologramm durch Betrachten ausgewählt und dann für die Rekonstruktion aller Hologramme verwendet.
   1. Wählen Sie ein Hologramm aus, indem Sie auf eines davon aus dem Ordner klicken, den Sie zuvor erstellt haben (Schritt 5.1), und erstellen Sie eine Rekonstruktion, indem Sie auf die Schaltfläche Rekonstruieren klicken.
   2. Ändern Sie die Einstellungen, um das beste Bild zu erzielen und die Rekonstruktion erneut durchzuführen. Optionen zum Anpassen von Parametern wie Probenahme, Offset und Fresnel-Abstand werden auf dem Bildschirm angezeigt (Softwaremenü). Wiederholen Sie diese Schritte, bis die besten Einstellungen definiert sind.
   3. Führen Sie die Rekonstruktionen durch. Wählen Sie alle Hologramme aus, indem Sie auf die Schaltfläche Datei öffnen klicken und alle Dateien auswählen. Wenden Sie die gewünschten Parameter für die numerische Rekonstruktion von Hologrammen an; Sie bleiben nach Schritt 5.2.1 unverändert, daher führen Sie diesmal keine Aktion aus.
   4. Führen Sie die Rekonstruktionen mit der Schaltfläche Rekonstruieren und die Interferogramme durch, indem Sie die Dateinamen in das Feld Start mit/Ende mit einfügen und dann auf die Schaltfläche Batch klicken. Die Interferogramme werden im zuvor erstellten Ordner angezeigt (in Schritt 5.1).
      HINWEIS: Nach der Aufzeichnung einer Reihe von Hologrammen in der Zeit stellt das erste Hologramm einen ungestörten Zustand dar, während die Wirkung einer äußeren Kraft nachfolgende Hologramme verursacht. Es ist notwendig, die Hologramme mit der verschobenen Fresnel-Transformation¹³ zu rekonstruieren.
   5. Erhalten Sie die Interferogramme durch Subtraktion (in Form komplexer Zahlen) eines bestimmten Hologramms in der Zeit mit dem ersten erhaltenen Hologramm.
      HINWEIS: Dieses Protokoll ermöglicht die Beobachtung der Wirkung der Kraft auf das Objekt. Die Änderung des Interferenzmusters als Funktion der Zeit ist eine Folge von Verformungen oder Verschiebungen, die innerhalb des Systems während der Messung auftreten. Diese Änderungen werden verwendet, um die Dynamik des Systems auf der Nanoskala zu überwachen.

6. Analyse der Ergebnisse

1. Führen Sie eine visuelle Analyse als ersten Qualitätskontrollschritt des Prozesses durch. Suchen Sie in diesem Schritt nach sichtbaren Änderungen des Interferenzmusters und versuchen Sie, die Änderungen des Interferenzmusters mit den Ergebnissen optischer und thermischer Messungen abzugleichen.
2. Führen Sie ein Kreuzverhör aller Aufnahmen durch. In dieser zweiten Phase der Analyse analysieren Sie die Bilder sowohl der optischen als auch der thermischen Kamera mit den holographischen Rekonstruktionen gründlich, um die Dynamik auf der Nanoskala aufzudecken. Auf diese Weise wird das Reaktionsmoment gleichzeitig in holografischen, thermischen und fotografischen Bildern gesehen.
3. Erstellen Sie eine grafische Darstellung der Ergebnisse basierend auf numerischen / Softwareanalysen und präsentieren Sie sie in Form von Diagrammen (1D, 2D oder 3D), Diagrammen, Histogrammen usw. Ziehen Sie nach einer vollständigen Analyse der Ergebnisse Schlussfolgerungen und antizipieren Sie weitere Forschungen auf dieser Grundlage.

Ergebnisse

Ein photophoretischer Effekt wurde in einem ersten Experiment am Flügel eines Morpho-Menelas-Schmetterlings induziert und überwacht⁵. Der Effekt wurde durch die Wirkung von LED-Lasern unterschiedlicher Wellenlängen (450 nm, 532 nm, 660 nm und 980 nm) ausgelöst. Hier wurden die Flügel eines I. lathonia Schmetterlings¹⁴ verwendet. Nach dem Aufnahmevorgang wurde das Hologrammbild rekonstruiert.

Diskussion

In der vorgestellten biophotonischen Studie wird gezeigt, dass eine neuartige holographische Methode verwendet werden kann, um minimale morphologische Verschiebung oder Verformung durch schwache Wärmestrahlung nachzuweisen.

Der kritischste Schritt bei der holographischen Messung mit biologischen Proben ist der Vorbereitungsschritt. Die Vorbereitung der Probe (Schneiden/Kleben entsprechend der Größe des Halters) hängt von den mechanischen Eigenschaften der Probe ab, und es ist nicht möglic...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Active Vibration Isolation, Four Optical Table Supports	Thorlabs	PTR502	High Load Capacity: 2,500 kg, Height 600 mm
Cuvette			Standard glass cuvette
Holographic camera (optical camera for holography)	Cannon	EOS 50D	Sensor Size 22.3 x 14.9 mm; Pixel pitch 4.69 µm; Max. resolution 4752 x 3168; JPEG file format
Hydrogen peroxide, H2O2	Merck (Darmstadt, Germany)
Laser	Laser Quantum	Torus 532 laser	Wavelength 532 nm; Power 390 mW; Coherence length 10 m
LED lasers
Malonic acid, C3H4O4	Acrs Organics (Geel, Belgium)
Manganese sulphate,  MnSO4	Fluka (Buchs, Switzerlend)
Nonlinear optical microscope	IPB
Optical accessories	Thorlab
Optical spectroscope
Optical table	Thorlabs	TOP450II PTR52509	dimensions 2000*1250*310 mm
Perchloric acid, HClO4	Merck (Darmstadt, Germany)
Potassium iodate, KIO3	Merck (Darmstadt, Germany)
Software			Home-build software made by one of the authors: Dusan Grujic. This software was conducted in partial fulfillment of the requirements for the PhD deegree of D.G.
Thermal camera	Flir	A65	640x512 pixel; Thermal resolution 50 mK
Video camera	Nikon	1v3	18.4 Mpixel; 60 fps