Descobrindo dinâmicas ocultas de estruturas fotônicas naturais usando imagens holográficas

Resumo

O papel é focado principalmente no poder combinado de métodos ópticos (lineares e não lineares) e holográficos usados para revelar fenômenos na nanoescala. Os resultados obtidos a partir dos estudos de reações químicas biofotônicas e oscilatórias são dados como exemplos representativos, destacando a capacidade da holografia de revelar dinâmicas em uma nanoescala.

Resumo

Neste método, o potencial da óptica e da holografia para descobrir detalhes ocultos da resposta dinâmica de um sistema natural na nanoescala é explorado. Na primeira parte, são apresentados os estudos ópticos e holográficos de estruturas fotônicas naturais, bem como condições para o aparecimento do efeito fotoforético, ou seja, o deslocamento ou deformação de uma nanoestrutura devido a um gradiente térmico induzido pela luz, na nanoescala. Esse efeito é revelado pela interferometria holográfica digital em tempo real monitorando a deformação das escamas que cobrem as asas dos insetos induzidos pela temperatura. A ligação entre geometria e nanocorrugação que leva ao surgimento do efeito fotoforético é experimentalmente demonstrada e confirmada. Na segunda parte, é mostrado como a holografia pode ser potencialmente usada para descobrir detalhes ocultos no sistema químico com dinâmica não linear, como o fenômeno de transição de fase que ocorre em complexa reação oscilativa de Briggs-Rauscher (BR). O potencial apresentado de holografia na nanoescala poderia abrir enormes possibilidades de controle e moldagem do efeito fotoforético e formação de padrões para várias aplicações, como captura de partículas e levitação, incluindo o movimento de hidrocarbonetos não queimados na atmosfera e separação de diferentes aerossóis, decomposição de microplásticos e fracionamento de partículas em geral, e avaliação da temperatura e condutividade térmica de partículas de combustível de tamanho micron.

Introdução

Para entender e notar todos os fenômenos únicos no nanomundo, é crucial empregar técnicas capazes de revelar todos os detalhes sobre estruturas e dinâmicas na nanoescala. Por conta disso, são apresentadas a combinação única de métodos lineares e não lineares, combinada com o poder da holografia para revelar a dinâmica do sistema na nanoescala.

A técnica holográfica descrita pode ser vista como o método de recuo triplo (rec é a abreviação para gravação), uma vez que em um dado momento o sinal é gravado simultaneamente por uma câmera fotográfica, uma câmera térmica e um interferômetro. Espectroscopia óptica linear e não linear e holografia são técnicas bem conhecidas, dos quais os princípios fundamentais são amplamente descritos na literatura ^1,2.

Para encurtar a história, a interferometria holográfica permite a comparação de frentes de onda registradas em diferentes momentos do tempo para caracterizar a dinâmica do sistema. Foi usado anteriormente para medir a dinâmica vibracional ^3,4. O poder da holografia como o método de interferometria mais simples baseia-se em sua capacidade de detectar o menor deslocamento dentro do sistema. Primeiro, exploramos a holografia para observar e revelar o efeito fotoforético⁵ (ou seja, o deslocamento da deformação de uma nanoestrutura devido a um gradiente térmico induzido pela luz), em diferentes estruturas biológicas. Para uma apresentação verdadeira do método, foram selecionadas amostras representativas a partir de uma série de amostras biológicas testadas⁶. Asas da Rainha da Espanha borboleta fritililária, Issoria lathonia (Linnaeus, 1758; I. lathonia), foram utilizados no âmbito deste estudo.

Depois de ter demonstrado com sucesso a ocorrência de fotoforese na nanoescala em tecidos biológicos, um protocolo semelhante foi aplicado para monitorar o processo de quebra da simetria espontânea⁷ causado por uma transição de fase em uma reação química oscilatória. Nesta parte, foi estudada a transição de fase de baixa concentração de iodeto e iodo (denominado estado I) para uma alta concentração de iodeto e iodo com formação de iodo sólido (definida como estado II) que ocorre em uma reação quimicamente não linear da BR^foi estudada ^8,9. Aqui, relatamos pela primeira vez uma abordagem holográfica que permite estudar tal transição de fase e dinâmica de quebra de simetria espontânea na nanoescala que ocorre em sistemas condensados.

Protocolo

1. Precaracterização

1. Realize uma precaracterização completa da amostra.
   1. Realize todos os experimentos em espécimes secos comprados de uma fonte comercial. Guarde as amostras em laboratório, em local seco e escuro, em temperatura ambiente.
   2. Antes das medições holográficas, realize uma caracterização completa da amostra por meio da varredura do microscópio eletrônico (SEM), espectroscopia óptica linear e microscopia óptica não linear (NOM)¹⁰ (Figura 1).
   3. Além das propriedades ópticas das amostras medidas por técnicas lineares, reúnem informações complementares com raios laser de maior intensidade que permitem a caracterização de suas propriedades ópticas não lineares.
   4. Use as susceptibilidades ópticas não lineares correspondentes para quantificar a resposta óptica não linear e formar a base de técnicas ópticas não lineares, como fluorescência multifoscência multifotocrônica não destrutiva e segunda geração harmônica (SHG), que são utilizadas para caracterizar várias amostras biológicas.
   5. Para os fenômenos químicos não lineares que ocorrem na reação br oscilante, realize o estudo do monitoramento interferométrico da transição de fase in situ do estado I para o estado II com as seguintes concentrações de reagentes: [CH₂(COOH)₂]₀ = 0,0789 mol ^dm-3, [MnSO₄]₀ = 0,0075 mol ^dm-3, [HClO₄]₀ = 0,03 mol ^dm-3, [KIO₃] ₀ = 0,0752 mol ^dm-3, e [H₂O₂]₀ = 1,269 mol ^dm-3 (0 após o suporte significa a concentração inicial no início do processo). Faça com que o volume total utilizado para a reação br seja igual a 2,5 mL.
      NOTA: Os valores de concentração utilizados aqui são iguais aos do estudo por Pagnacco et ^al.8, mas com volume de reação dividido por 10.
2. Prepare a amostra para o experimento.
   1. Use asas da rainha da Espanha, borboleta fritililária, I. lathonia, para este experimento. Coloque a asa sobre uma superfície dura e faça uma seção com um cortador de 10 mm de diâmetro. Coloque a amostra na caixa de amostra, que pode ser qualquer recipiente com tampa.

Figura 1: Seção transversal ondulada da escala de asa borboleta. A seção transversal foi registrada em um microscópio óptico não linear de varredura (A,B). Uma observação SEM (C) de uma asa da rainha da Espanha borboleta fritillary, I. lathonia, também foi feita. Este número foi modificado de¹⁴. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Configuração experimental

1. Configuração holográfica
   NOTA: As medidas de interferometria holográfica foram realizadas com uma configuração óptica sob medida (Figura 2).
   1. Ajuste a temperatura laboratorial para 23 °C ± 0,2 °C. Ligue o laser. Use um laser (detalhes dados na Tabela de Materiais) com um comprimento de onda de excitação de 532 nm para essas observações holográficas.
   2. Verifique o alinhamento dos elementos ópticos (Figura 2). Primeiro, verifique se a configuração é feita de acordo com o esquema na Figura 2.
   3. Alinhe o raio laser perfeitamente com o espelho côncavo M. Verifique e ajuste a posição do expansor óptico (L).
   4. Determine a parte do feixe que impinge na amostra S e certifique-se de formar um feixe reflexo O. Verifique se o resto do feixe está coletado em um espelho esférico CM, para ser usado para gerar o feixe de referência R. Verifique se o detector C está colocado dentro da zona de interferência dos dois feixes especificados.
      NOTA: Um sensor complementar de óxido de metal (CMOS) é usado como detector.
   5. Configure as câmeras de acordo com as instruções para a câmera usada. Configure uma câmera óptica/fotográfica para o experimento holográfico, como mostrado na Figura 2 (C é a câmera; detalhes dados na Tabela de Materiais). Configure uma segunda câmera óptica/fotográfica para ver mudanças visíveis na reação BR e uma câmera térmica com resolução térmica de 50 mK e distância focal de 13 mm acima da tabela óptica.
      NOTA: A câmera usada no experimento holográfico não usa uma lente objetiva; a luz diretamente implica no chip.
2. Prepare a amostra para a configuração holográfica.
   1. Prepare a amostra da asa como na etapa 1.2.1. Coloque a amostra preparada em um suporte metálico redondo com diâmetro de 15 mm. O suporte tem três orifícios existentes para os parafusos aos quais o anel de metal que segura a amostra está anexado.
   2. Coloque o anel no suporte. Coloque a amostra anexada na parte do suporte amostral localizado na tabela óptica.
   3. Prepare a amostra para monitoramento de reação química. Na mesa óptica, no local pretendido, coloque um suporte com uma superfície adesiva plana na qual o cuvette/vaso será colocado.
   4. Prepare o reagente usado para inicializar a reação como na etapa 1.1.5. Encha os reagentes no cuvette e misture em cuvette na seguinte ordem de volumes e concentrações: 0,7 mL de 0,2817 mol ^dm-3 CH₂ (COOH)₂; 0,5 mL de 0,0375 mol ^dm-3 MnSO₄; 0,5 mL de 0,15 mol ^dm-3 HClO₄; 0,5 mL de 0,376 mol ^dm-3 KIO₃ ; e 0,3 mL de 10.575 mol ^dm-3 H₂O₂.
   5. Certifique-se de que o volume total no cuvette seja de 2,5 mL e coloque-o no suporte na configuração.
   6. Configure instrumentos adicionais, se necessário. Para monitorar o efeito fotoforético, use um laser adicional (detalhes dados na Tabela de Materiais) para aquecimento local.

Figura 2: A configuração holográfica. A figura mostra como os vários componentes são organizados para o experimento holográfico. Abreviaturas: L1 = laser a 532 nm, L = lente biconvex, A = abertura, M = um espelho plano usado para desviar o raio laser, CM = espelho côncavo, C = câmera CMOS, S = seção de asa borboleta, R = feixe de referência, O = feixe de objeto. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

3. Configuração do software utilizado

NOTA: O software C++ construído em casa baseado na aproximação do Fresnel¹¹ é usado para analisar dados de experimentos holográficos. O software desenvolvido para o estudo apresentado pode ser encontrado em . ¹² Os detalhes do software não podem ser publicados no momento; no entanto, informações adicionais serão fornecidas serão fornecidas mente. A aproximação do fresnel é extremamente útil na holografia digital, pois se concentra em diferentes superfícies e amplia a área da primeira ordem de difração, que contém informações completas sobre a cena gravada.

1. Ligue o computador e execute o software.
   NOTA: O passo para executar o software depende do próprio software. Não há nenhum software comercial para este fim.

4. Realize o experimento

1. Desligue as luzes externas. Realize toda a experiência em uma sala escura.
2. Sincronize as câmeras usando um intervalo escolhido. Para este experimento, inicie a câmera holográfica após os anos 60, e as outras duas câmeras imediatamente após ela, usando um software ou manualmente.
3. Pressione os botões de gravação e defina no software quando a gravação começar.
4. Induzir mudanças dinâmicas no sistema de interesse. O método de iniciação depende do tipo de amostra; no caso do efeito fotoforético, aqueça externamente a amostra utilizando os lasers disponíveis: 450 nm, 532 nm, 660 nm, 980 nm. No caso da reação da BR, inicie a reação misturando os reagentes químicos. Observe o experimento holográfico.
5. Defina a câmera fotográfica e térmica para acompanhar todo o experimento e determinar o momento do fim da gravação holográfica a partir das medições ópticas e térmicas.
6. Pronuncie o fim do processo. O final da gravação é pré-programado, de acordo com a duração estimada do processo. Para a reação br, use a solidificação como o fim da reação. No caso do efeito fotoforético, não há um momento tão específico. De qualquer forma, esta etapa enfatiza a importância da gravação tripla.

5. Aquisição de resultados¹²

1. Guarde os resultados. Classificar precisamente os arquivos em função do tempo para reconstruir hologramas e análises de dados mais profundas.
   NOTA: Nesta etapa, os dados são transferidos da câmera usada para holografia para o computador (disco rígido) em pastas nomeadas após as datas de filmagem. Use botões copiar/colar e renomear.
2. Verifique o holograma da sonda para obter as configurações apropriadas. Desta forma, as melhores configurações são selecionadas no primeiro holograma olhando para ele e, em seguida, usadas para a reconstrução de todos os hologramas.
   1. Escolha um holograma clicando em um deles da pasta que você fez anteriormente (passo 5.1) e faça uma reconstrução clicando no botão Reconstruir .
   2. Altere as configurações para obter a melhor imagem e faça a reconstrução novamente. Opções para ajustar parâmetros como amostragem, deslocamento e distância do Fresnel aparecerão na tela (menu do software). Repita estas etapas até que as melhores configurações sejam definidas.
   3. Faça as reconstruções. Escolha todos os hologramas clicando no botão Abrir arquivo e escolhendo todos os arquivos. Aplicar os parâmetros desejados para reconstrução numérica de hologramas; permanecem inalterados após a etapa 5.2.1, portanto, não realizem nenhuma ação desta vez.
   4. Realize as reconstruções usando o botão Reconstruir e os interferogramas inserindo os nomes dos arquivos no início com/fim com o campo e, em seguida, clicando no lote do botão. Os interferogramas aparecem na pasta anteriormente feita (na etapa 5.1).
      NOTA: Após a gravação de uma série de hologramas a tempo, o primeiro holograma representa um estado não perturbado, enquanto a ação de uma força externa causa hologramas subsequentes. É necessário reconstruir os hologramas usando a transformação¹³ do Fresnel deslocada.
   5. Obtenha os interferogramas por subtração (em termos de números complexos) de um holograma específico a tempo com o primeiro holograma obtido.
      NOTA: Este protocolo permite observar o efeito da força no objeto. A mudança no padrão de interferência em função do tempo é uma consequência da deformação ou deslocamento que ocorre dentro do sistema durante a medição. Essas alterações são usadas para monitorar a dinâmica do sistema na nanoescala.

6. Análises dos resultados

1. Realize uma análise visual como a primeira etapa de controle de qualidade do processo. Nesta etapa, procure mudanças visíveis no padrão de interferência e tente combinar as mudanças no padrão de interferência com resultados obtidos por medições ópticas e térmicas.
2. Faça um interrogatório de todas as gravações. Nesta segunda fase da análise, analise minuciosamente as imagens visualmente das câmeras ópticas e térmicas com as reconstruções holográficas, a fim de revelar dinâmicas na nanoescala. Dessa forma, o momento de reação é visto simultaneamente em imagens holográficas, térmicas e fotográficas.
3. Faça uma representação gráfica dos resultados com base na análise numérica/software e apresente-os na forma de gráficos (1D, 2D ou 3D), gráficos, histogramas etc. Após uma análise completa dos resultados, tire conclusões e antecipe novas pesquisas com base nisso.

Resultados

Um efeito fotoforético foi induzido e monitorado em um primeiro experimento na asa de uma borboleta Morpho menelaus ⁵. O efeito foi iniciado pela ação de lasers LED de diferentes comprimentos de onda (450 nm, 532 nm, 660 nm e 980 nm). Aqui, as asas de uma borboleta I. lathonia ¹⁴ foram usadas. Após o procedimento de gravação, a imagem do holograma foi reconstruída.

Discussão

No estudo biofotônico apresentado, mostra-se que um novo método holográfico pode ser usado para detectar deslocamento morfológico mínimo ou deformação causada por radiação térmica de baixo nível.

O passo mais crítico na medição holográfica com amostras biológicas é a etapa de preparação. A preparação da amostra (corte/colagem para corresponder ao tamanho do suporte) depende das propriedades mecânicas da amostra, e não é possível ter um protocolo padrão para esta etapa...

Materiais

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