חשיפת דינמיקה נסתרת של מבנים פוטוניים טבעיים באמצעות הדמיה הולוגרפית

Summary

המאמר מתמקד בעיקר בהספק המשולב של שיטות אופטיות (ליניאריות ולא ליניאריות) והולוגרפיות המשמשות לחשיפת תופעות בקנה מידה ננומטרי. התוצאות המתקבלות ממחקרי התגובות הכימיות הביופוטוניות והתנודדות ניתנות כדוגמאות מייצגות, המדגישות את יכולתה של ההולוגרפיה לחשוף דינמיקה בקנה מידה ננומטרי.

Abstract

בשיטה זו, הפוטנציאל של אופטיקה והולוגרפיה לחשוף פרטים נסתרים של התגובה הדינמית של מערכת טבעית בקנה מידה ננומטרי מנוצל. בחלק הראשון מוצגים המחקרים האופטיים וההולוגרפיים של מבנים פוטוניים טבעיים, כמו גם תנאים להופעת האפקט הפוטופורטי, כלומר, תזוזה או עיוות של ננו-מבנה עקב שיפוע תרמי המושרה על ידי אור, בקנה מידה ננומטרי. השפעה זו מתגלה על ידי אינטרפרומטריה הולוגרפית דיגיטלית בזמן אמת המנטרת את העיוות של קשקשים המכסים את כנפי החרקים המושרים על ידי הטמפרטורה. הקשר בין גיאומטריה לננו-קורוגציה שמוביל להופעת האפקט הפוטופורטי מודגם ואושר בניסוי. בחלק השני, נראה כיצד ניתן להשתמש בהולוגרפיה כדי לחשוף פרטים נסתרים במערכת הכימית עם דינמיקה לא ליניארית, כגון תופעת מעבר הפאזה המתרחשת בתגובת בריגס-ראושר (BR) מתנודדת מורכבת. הפוטנציאל המוצג של הולוגרפיה בקנה מידה ננומטרי יכול לפתוח אפשרויות עצומות לשליטה ועיצוב של האפקט הפוטופורטי ויצירת תבניות עבור יישומים שונים כגון לכידת חלקיקים וריחוף, כולל תנועה של פחמימנים לא שרופים באטמוספרה והפרדת אירוסולים שונים, פירוק מיקרופלסטיק ופירוק חלקיקים באופן כללי, והערכת טמפרטורה ומוליכות תרמית של חלקיקים בגודל מיקרון.

Introduction

כדי להבין ולהבחין באופן מלא בכל התופעות הייחודיות בננו-עולם, חיוני להשתמש בטכניקות המסוגלות לחשוף את כל הפרטים הנוגעים למבנים ודינמיקה בקנה מידה ננומטרי. על פי חשבון זה, מוצג השילוב הייחודי של שיטות ליניאריות ולא ליניאריות, בשילוב עם כוחה של ההולוגרפיה כדי לחשוף את הדינמיקה של המערכת בקנה מידה ננומטרי.

ניתן לראות את הטכניקה ההולוגרפית המתוארת כשיטת השחזור המשולש (rec הוא הקיצור להקלטה), שכן בזמן נתון האות נרשם בו זמנית על ידי מצלמת צילום, מצלמה תרמית ואינטרפרומטר. ספקטרוסקופיה אופטית ליניארית ולא ליניארית והולוגרפיה הן טכניקות ידועות, שעקרונות היסוד שלהן מתוארים בהרחבה בספרות ^1,2.

כדי לקצר סיפור ארוך, אינטרפרומטריה הולוגרפית מאפשרת השוואה של חזיתות גל שנרשמו ברגעים שונים בזמן כדי לאפיין את הדינמיקה של המערכת. הוא שימש בעבר למדידת דינמיקה של רטט ^3,4. כוחה של ההולוגרפיה כשיטת האינטרפרומטריה הפשוטה ביותר מבוסס על יכולתה לזהות את התזוזה הקטנה ביותר בתוך המערכת. ראשית, ניצלנו את ההולוגרפיה כדי לצפות ולחשוף את האפקט הפוטופורטי⁵ (כלומר, תזוזה של דפורמציה של ננו-מבנה עקב שיפוע תרמי הנגרם על ידי אור), במבנים ביולוגיים שונים. להצגה אמיתית של השיטה, נבחרו דגימות מייצגות ממספר דגימות ביולוגיות שנבדקו⁶. כנפיה של מלכת ספרד פרפר פריטילרי, איסוריה לאתוניה (לינאוס, 1758; I. lathonia), שימשו במסגרת מחקר זה.

לאחר שהדגים בהצלחה את התרחשותה של פוטופורזה בקנה מידה ננומטרי ברקמות ביולוגיות, יושם פרוטוקול דומה כדי לעקוב אחר תהליך שבירת הסימטריה הספונטנית⁷ הנגרם על ידי מעבר פאזה בתגובה כימית מתנדתית. בחלק זה, המעבר הפאזתי מריכוז נמוך של יודיד ויוד (הנקרא מצב I) לריכוז גבוה של יודיד ויוד עם היווצרות יוד מוצק (המוגדר כמצב II) המתרחש בתגובת BR לא ליניארית מבחינה כימית נחקר ^8,9. כאן דיווחנו לראשונה על גישה הולוגרפית המאפשרת לחקור מעבר פאזה כזה ודינמיקה של שבירת סימטריה ספונטנית בקנה מידה ננומטרי המתרחש במערכות מעובות.

Protocol

1. אפיון מראש

1. בצע אפיון מקדים מלא של המדגם.
   1. בצע את כל הניסויים על דגימות יבשות שנרכשו ממקור מסחרי. אחסנו את הדגימות במעבדה, במקום יבש וחשוך, בטמפרטורת החדר.
   2. לפני מדידות הולוגרפיות, בצע אפיון דגימה מלא על ידי סריקת מיקרוסקופ אלקטרוני (SEM), ספקטרוסקופיה אופטית ליניארית ומיקרוסקופיה אופטית לא ליניארית (NOM)¹⁰ (איור 1).
   3. בנוסף לתכונות האופטיות של דגימות הנמדדות על ידי טכניקות ליניאריות, אסוף מידע משלים עם קרני לייזר בעוצמה גבוהה יותר המאפשרות אפיון של התכונות האופטיות הלא ליניאריות שלהן.
   4. השתמש ברגישות האופטית הלא ליניארית המתאימה כדי לכמת את התגובה האופטית הלא ליניארית וליצור את הבסיס לטכניקות אופטיות לא ליניאריות כגון פלואורסצנציה של עירור מולטי-פוטון לא-ליניארי ויצירת הרמוניה שנייה (SHG), המשמשות לאפיון דגימות ביולוגיות שונות.
   5. עבור התופעות הכימיות הלא ליניאריות המתרחשות בתגובת BR המתנדנדת, בצע את המחקר של ניטור אינטרפרומטרי של מעבר הפאזה in situ ממצב I למצב II עם הריכוזים הבאים של מגיבים: [CH₂(COOH)₂]₀ = 0.0789 mol ^dm-3, [MnSO₄]₀ = 0.0075 mol ^dm-3, [HClO₄]₀ = 0.03 mol ^dm-3, [קיו₃] ₀ = 0.0752 מול ^dm-3, ו- [H₂O₂]₀ = 1.269 מול ^dm-3 (0 לאחר הסוגר מייצג את הריכוז ההתחלתי בתחילת התהליך). הפוך את הנפח הכולל המשמש לתגובת BR לשווה ל- 2.5 מ"ל.
      הערה: ערכי הריכוז המשמשים כאן שווים לאלה שבמחקר של Pagnacco et ^al.8, אך עם נפח התגובה חלקי 10.
2. הכינו את הדגימה לניסוי.
   1. השתמש בכנפיים של פרפר פריטילרי של מלכת ספרד, I. lathonia, לניסוי זה. מניחים את הכנף על משטח קשה ויוצרים קטע עם חותך בקוטר 10 מ"מ. מקם את הדגימה בתיבת הדגימה, שיכולה להיות כל מיכל עם מכסה.

איור 1: חתך גלי של סולם כנף פרפר. החתך נרשם במיקרוסקופ סריקה אופטית לא ליניארית (A,B). כמו כן נעשתה תצפית SEM (C) של כנף של פרפר פריטילרי של מלכת ספרד, I. lathonia. נתון זה שונה^מ-14. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

2. מערך ניסיוני

1. הגדרה הולוגרפית
   הערה: מדידות האינטרפרומטריה ההולוגרפיות בוצעו באמצעות מערך אופטי מותאם אישית (איור 2).
   1. התאם את טמפרטורת המעבדה להיות 23 ° C ± 0 .2 ° C . הפעל את הלייזר. השתמש בלייזר (פרטים המופיעים בטבלת החומרים) עם אורך גל עירור של 532 ננומטר עבור תצפיות הולוגרפיות אלה.
   2. בדוק את היישור של הרכיבים האופטיים (איור 2). ראשית, בדקו שההגדרה מתבצעת לפי התוכנית באיור 2.
   3. יישר את קרן הלייזר בצורה מושלמת עם המראה הקעורה M. בדוק והתאם את המיקום של מרחיב הקרן האופטית (L).
   4. קבע את חלק הקרן שפוגע בדגימה S וודא שהוא יוצר קרן רפלקס O. בדוק אם שאר הקרן נאספת על סמ"מ מראה כדורית, כדי לשמש ליצירת קרן הייחוס R. בדוק אם הגלאי C ממוקם בתוך אזור ההפרעה של שתי האלומות שצוינו.
      הערה: חיישן מוליך למחצה משלים של תחמוצת מתכת (CMOS) משמש כגלאי.
   5. הגדר את המצלמות בהתאם להוראות המצלמה בה נעשה שימוש. הגדר מצלמה אופטית/מצולמת לניסוי ההולוגרפי כפי שמוצג באיור 2 (C היא המצלמה; פרטים ניתנים בטבלת החומרים). הגדר מצלמה אופטית/צילומית שנייה כדי לראות שינויים נראים לעין בתגובת BR ומצלמה תרמית עם רזולוציה תרמית של 50 mK ואורך מוקד של 13 מ"מ מעל הטבלה האופטית.
      הערה: המצלמה ששימשה בניסוי ההולוגרפי אינה משתמשת בעדשה אובייקטיבית; האור פוגע ישירות בשבב.
2. הכן את הדגימה להגדרה הולוגרפית.
   1. הכן את דוגמת הכנף כמו בשלב 1.2.1. מניחים את הדגימה המוכנה על תמיכת מתכת עגולה בקוטר של 15 מ"מ. לתמיכה יש שלושה חורים קיימים עבור הברגים שאליהם מחוברת טבעת המתכת המחזיקה את הדגימה.
   2. חבר את הטבעת לתמיכה. מקם את הדגימה המצורפת בחלק של תושבת הדגימה הממוקם על השולחן האופטי.
   3. הכן את הדגימה לניטור תגובות כימיות. על השולחן האופטי, במקום המיועד, הניחו תמיכה עם משטח דבק שטוח שעליו יוצב הקובטה/כלי השיט.
   4. הכן את המגיב המשמש לאתחל את התגובה כמו בשלב 1.1.5. מלאו את המגיבים לתוך הקובט, וערבבו בקובטה בסדר הנפחים והריכוזים הבאים: 0.7 מ"ל של 0.2817 מול ^dm-3 CH₂(COOH)₂; 0.5 מ"ל של 0.0375 מול ^dm-3 MnSO₄; 0.5 מ"ל של 0.15 מול ^dm-3 HClO₄; 0.5 מ"ל של 0.376 מול ^dm-3 KIO₃ ; ו-0.3 מ"ל של 10.575 מול ^dm-3 H₂O₂.
   5. ודא שהנפח הכולל ב- cuvette הוא 2.5 מ"ל, והצב אותו על התמיכה בהגדרה.
   6. הגדר מכשירים נוספים במידת הצורך. לניטור האפקט הפוטופורטי, השתמש בלייזר נוסף (פרטים המופיעים בטבלת החומרים) לחימום מקומי.

איור 2: ההגדרה ההולוגרפית. האיור מראה כיצד המרכיבים השונים מסודרים לניסוי ההולוגרפי. קיצורים: L1 = לייזר ב 532 ננומטר, L = עדשה biconvex, A = צמצם, M = מראה שטוחה המשמשת להסטת קרן הלייזר, CM = מראה קעורה, C = מצלמת CMOS, S = קטע כנף פרפר, R = קרן ייחוס, O = קרן אובייקט. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

3. הגדרת התוכנה בה נעשה שימוש

הערה: תוכנת C++ שנבנתה בבית בהתבסס על קירוב Fresnel¹¹ משמשת לניתוח נתונים מניסויים הולוגרפיים. את התוכנה שפותחה עבור המחקר המוצג ניתן למצוא בכתובת . ¹² לא ניתן לפרסם את פרטי התוכנה כרגע; עם זאת, מידע נוסף יימסר על פי בקשה. קירוב פרנל שימושי ביותר בהולוגרפיה דיגיטלית מכיוון שהוא מתמקד במשטחים שונים ומתקרב לאזור של סדר הדיפרקציה הראשון, המכיל מידע מלא על הסצנה המוקלטת.

1. הפעל את המחשב והפעל את התוכנה.
   הערה: השלב להפעלת התוכנה תלוי בתוכנה עצמה. אין תוכנה מסחרית למטרה זו.

4. בצע את הניסוי

1. כבו את האורות החיצוניים. בצע את כל הניסוי בחדר חשוך.
2. סנכרן את המצלמות באמצעות מרווח שנבחר. עבור ניסוי זה, הפעל את המצלמה ההולוגרפית לאחר 60 שניות, ואת שתי המצלמות האחרות מיד אחריה, באמצעות תוכנה או ידנית.
3. לחץ על לחצני ההקלטה והגדר בתוכנה מתי ההקלטה מתחילה.
4. לגרום לשינויים דינמיים במערכת העניין. שיטת הייזום תלויה בסוג המדגם; במקרה של אפקט פוטופורטי, לחמם את הדגימה חיצונית באמצעות הלייזרים הזמינים: 450 ננומטר, 532 ננומטר, 660 ננומטר, 980 ננומטר. במקרה של תגובת BR, התחל את התגובה על ידי ערבוב המגיבים הכימיים. שימו לב לניסוי ההולוגרפי.
5. הגדר את המצלמה הצילומית והתרמית לעקוב אחר הניסוי כולו ולקבוע את רגע סוף ההקלטה ההולוגרפית מהמדידות האופטיות והתרמיות.
6. לבטא את סוף התהליך. סוף ההקלטה מתוכנת מראש, על פי משך הזמן המשוער של התהליך. עבור תגובת BR, השתמש בהתמצקות כסוף התגובה. במקרה של האפקט הפוטופורטי, אין רגע ספציפי כזה. בכל מקרה, שלב זה מדגיש את החשיבות של הקלטה משולשת.

5. רכישת תוצאות¹²

1. שמור את התוצאות. מיון מדויק של הקבצים כפונקציה של זמן לשחזור הולוגרמות וניתוח נתונים מעמיק יותר.
   הערה: בשלב זה, הנתונים מועברים מהמצלמה המשמשת להולוגרפיה למחשב (דיסק קשיח) בתיקיות הקרויות על שם תאריכי הצילום. השתמש בלחצני העתקה/הדבקה ושינוי שם.
2. בדוק את הולוגרמה של הבדיקה עבור הגדרות מתאימות. בדרך זו, ההגדרות הטובות ביותר נבחרות על ההולוגרמה הראשונה על ידי התבוננות בה, ולאחר מכן משמשות לשחזור כל ההולוגרמות.
   1. בחר הולוגרמה אחת על-ידי לחיצה על אחת מהן מהתיקיה שיצרת בעבר (שלב 5.1) ובצע שחזור על-ידי לחיצה על הלחצן 'שחזר' .
   2. שנה את ההגדרות כדי להשיג את התמונה הטובה ביותר ובצע את השחזור שוב. אפשרויות להתאמת פרמטרים כגון דגימה, היסט ומרחק פרנל יופיעו על המסך (תפריט תוכנה). חזור על שלבים אלה עד להגדרת ההגדרות הטובות ביותר.
   3. בצע את השחזורים. בחר את כל ההולוגרמות על-ידי לחיצה על לחצן פתח קובץ ובחירת כל הקבצים. החל את הפרמטרים הרצויים לשחזור מספרי של הולוגרמות; הם נשארים ללא שינוי לאחר שלב 5.2.1, ולכן אינם מבצעים כל פעולה הפעם.
   4. בצע את השחזורים באמצעות לחצן 'שחזור' , ואת האינטרפרוגרמות על-ידי הוספת שמות הקבצים בשדה 'התחל עם' או 'סיום' ולאחר מכן על-ידי לחיצה על הכפתור Batch. האינטרפרוגרמות מופיעות בתיקיה שנוצרה בעבר (בשלב 5.1).
      הערה: לאחר רישום סדרה של הולוגרמות בזמן, ההולוגרמה הראשונה מייצגת מצב לא מופרך, בעוד שפעולתו של כוח חיצוני גורמת להולוגרמות הבאות. יש צורך לשחזר את ההולוגרמות באמצעות התמרת פרנל¹³.
   5. קבל את האינטרפרוגרמות על ידי חיסור (במונחים של מספרים מרוכבים) של הולוגרמה מסוימת בזמן עם ההולוגרמה הראשונה שהתקבלה.
      הערה: פרוטוקול זה מאפשר התבוננות בהשפעת הכוח על האובייקט. השינוי בתבנית ההפרעה כפונקציה של הזמן הוא תוצאה של דפורמציה או תזוזה המתרחשת בתוך המערכת במהלך המדידה. שינויים אלה משמשים לניטור הדינמיקה של המערכת בקנה מידה ננומטרי.

6. ניתוח התוצאות

1. בצע ניתוח חזותי כשלב בקרת האיכות הראשון של התהליך. בשלב זה, חפש שינויים גלויים בתבנית ההפרעה ונסה להתאים את השינויים בתבנית ההפרעה לתוצאות המתקבלות על ידי מדידות אופטיות ותרמיות.
2. בצע חקירה נגדית של כל ההקלטות. בשלב השני של הניתוח, נתחו ביסודיות את התמונות באופן חזותי הן מהמצלמה האופטית והן מהמצלמה התרמית עם השחזורים ההולוגרפיים על מנת לחשוף דינמיקה בקנה מידה ננומטרי. בדרך זו, רגע התגובה נראה בו זמנית בתמונות הולוגרפיות, תרמיות וצילומיות.
3. צור ייצוג גרפי של תוצאות המבוסס על ניתוח נומרי/תוכנה והצג אותן בצורה של גרפים (1D, 2D או 3D), תרשימים, היסטוגרמות וכו '. לאחר ניתוח מלא של התוצאות, הסיקו מסקנות וצפו מחקר נוסף המבוסס על כך.

תוצאות

אפקט פוטופורטי הושר ועוקב בניסוי ראשון על כנף של פרפר מורפו מנלאוס ⁵. ההשפעה החלה על ידי פעולה של לייזרי LED באורכי גל שונים (450 ננומטר, 532 ננומטר, 660 ננומטר ו-980 ננומטר). כאן נעשה שימוש בכנפיים מפרפר I. lathonia ¹⁴ . לאחר הליך ההקלטה שוחזרה תמונת ההולוגרמה.

Discussion

במחקר הביופוטוני המוצג, הוכח כי ניתן להשתמש בשיטה הולוגרפית חדשנית כדי לזהות תזוזה מורפולוגית מינימלית או עיוות הנגרם על ידי קרינה תרמית ברמה נמוכה.

השלב הקריטי ביותר במדידה הולוגרפית עם דגימות ביולוגיות הוא שלב ההכנה. הכנת הדגימה (חיתוך/הדבקה כך שתתאים לגודל המחזיק) תלויה...

Materials

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