Выявление скрытой динамики естественных фотонных структур с помощью голографической визуализации

Резюме

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.

Аннотация

В этом методе используется потенциал оптики и голографии для раскрытия скрытых деталей динамического отклика естественной системы на наноуровне. В первой части представлены оптические и голографические исследования природных фотонных структур, а также условия появления фотофоретического эффекта, а именно смещения или деформации наноструктуры за счет светоиндуцированного теплового градиента, на наноуровне. Этот эффект выявляется с помощью цифровой голографической интерферометрии в режиме реального времени, контролирующей деформацию чешуек, покрывающих крылья насекомых, индуцированную температурой. Экспериментально продемонстрирована и подтверждена связь между геометрией и нанокорругированием, приводящая к возникновению фотофоретического эффекта. Во второй части показано, как голография может быть потенциально использована для раскрытия скрытых деталей в химической системе с нелинейной динамикой, таких как явление фазового перехода, которое происходит в сложной колебательной реакции Бриггса-Раушера (BR). Представленный потенциал голографии на наноуровне может открыть огромные возможности для контроля и формирования фотофоретического эффекта и формирования паттернов для различных применений, таких как улавливание и левитация частиц, включая движение несгоревших углеводородов в атмосфере и разделение различных аэрозолей, разложение микропластика и фракционирование частиц в целом, а также оценку температуры и теплопроводности частиц топлива микронного размера.

Введение

Чтобы полностью понять и заметить все уникальные явления в наномире, крайне важно использовать методы, которые способны раскрыть все детали, касающиеся структур и динамики на наноуровне. На этом счету представлено уникальное сочетание линейных и нелинейных методов в сочетании с силой голографии для выявления динамики системы на наноуровне.

Описанную голографическую технику можно рассматривать как метод тройного воспроизведения (rec — аббревиатура для записи), так как в данный момент времени сигнал одновременно записывается фотокамерой, тепловизионной камерой и интерферометром. Линейная и нелинейная оптическая спектроскопия и голография являются хорошо известными методами, фундаментальные принципы которых подробно описаны в литературе ^1,2.

Короче говоря, голографическая интерферометрия позволяет сравнивать волновые фронты, зарегистрированные в разные моменты времени, чтобы охарактеризовать динамику системы. Ранее он использовался для измерения вибрационной динамики ^3,4. Сила голографии как простейшего метода интерферометрии основана на ее способности обнаруживать наименьшее смещение внутри системы. Во-первых, мы использовали голографию для наблюдения и выявления фотофоретического эффекта⁵ (т.е. смещения деформации наноструктуры из-за индуцированного светом теплового градиента) в различных биологических структурах. Для истинного представления метода репрезентативные образцы были отобраны из ряда проверенных биологических образцов⁶. Крылья королевы Испании фритиллярной бабочки, Issoria lathonia (Линней, 1758; I. lathonia), были использованы в рамках данного исследования.

После успешной демонстрации возникновения фотофореза на наноуровне в биологических тканях аналогичный протокол был применен для мониторинга спонтанного процесса нарушения симметрии⁷, вызванного фазовым переходом в колебательной химической реакции. В этой части изучен фазовый переход от низкой концентрации йодида и йода (называемый состоянием I) к высокой концентрации йодида и йода с образованием твердого йода (определяемый как состояние II), который происходит в химически нелинейной реакции БР ^8,9. Здесь мы впервые сообщили о голографическом подходе, позволяющем изучать такой фазовый переход и динамику спонтанного нарушения симметрии на наноуровне, возникающую в конденсированных системах.

протокол

1. Предварительная характеристика

1. Выполните полную предварительную характеристику образца.
   1. Проведите все эксперименты на сухих образцах, приобретенных из коммерческого источника. Храните образцы в лаборатории, в сухом и темном месте, при комнатной температуре.
   2. Перед голографическими измерениями выполните полную характеристику образца с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM), линейной оптической спектроскопии и нелинейной оптической микроскопии (NOM)¹⁰ (рисунок 1).
   3. Помимо оптических свойств образцов, измеренных линейными методами, собирают дополнительную информацию лазерными лучами более высокой интенсивности, позволяющими охарактеризовать их нелинейные оптические свойства.
   4. Использовать соответствующие нелинейные оптические восприимчивости для количественной оценки нелинейного оптического отклика и составлять основу нелинейных оптических методов, таких как неразрушающая многофотонная флуоресценция возбуждения и генерация второй гармоники (SHG), которые используются для характеристики различных биологических образцов.
   5. Для нелинейных химических явлений, происходящих в колеблющейся реакции БР, проводят исследование интерферометрического мониторинга фазового перехода in situ из состояния I в состояние II со следующими концентрациями реагентов: [CH₂(COOH)₂]₀ = 0,0789 моль ^dm-3, [MnSO₄]₀ = 0,0075 моль ^dm-3, [HClO₄]₀ = 0,03 моль ^dm-3, [КИО₃] ₀ = 0,0752 моль ^дм-3 и [_Н2O2]₀ = 1,269 моль ^дм-3 (0 после кронштейна означает начальную концентрацию в начале процесса). Сделать общий объем, используемый для реакции БР, равным 2,5 мл.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Значения концентрации, используемые здесь, равны значениям в исследовании Pagnacco et ^al.8, но с объемом реакции, деленным на 10.
2. Подготовьте образец для эксперимента.
   1. Используйте для этого эксперимента крылья королевы Испании фритиллярной бабочки I . lathonia . Поместите крыло на твердую поверхность и сделайте сечение с фрезой диаметром 10 мм. Поместите образец в ящик для образцов, в котором может быть любой контейнер с крышкой.

Рисунок 1: Волнистое поперечное сечение шкалы крыла бабочки. Поперечное сечение регистрировали на нелинейном оптическом сканирующем микроскопе (А,В). Также было проведено наблюдение SEM (C) крыла королевы Испании фритиллярной бабочки, I. lathonia. Эта цифра была изменена с¹⁴. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

2. Экспериментальная установка

1. Голографическая установка
   ПРИМЕЧАНИЕ: Голографические интерферометрические измерения проводились с помощью специальной оптической установки (рисунок 2).
   1. Отрегулируйте лабораторную температуру до 23 °C ± 0,2 °C. Включите лазер. Для этих голографических наблюдений используйте лазер ( подробности приведены в Таблице материалов) с длиной волны возбуждения 532 нм.
   2. Проверьте выравнивание оптических элементов (рисунок 2). Во-первых, проверьте, что настройка выполнена по схеме, показанной на рисунке 2.
   3. Идеально выровняйте лазерный луч с вогнутым зеркалом M. Проверьте и отрегулируйте положение оптического расширителя луча (L).
   4. Определите часть пучка, которая воздействует на образец S и убедитесь, что он образует рефлекторный пучок O. Проверьте, собрана ли остальная часть пучка на сферическом зеркале CM, которое будет использоваться для генерации опорного пучка R. Проверьте, находится ли детектор C в зоне интерференции двух указанных пучков.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В качестве детектора используется датчик комплементарного полупроводника оксида металла (CMOS).
   5. Настройте камеры в соответствии с инструкциями для используемой камеры. Установите оптическую/фотографическую камеру для голографического эксперимента, как показано на рисунке 2 (C - камера; подробности приведены в таблице материалов). Установите вторую оптическую/фотографическую камеру для просмотра видимых изменений в реакции BR и тепловизионную камеру с тепловым разрешением 50 мК и фокусным расстоянием 13 мм над оптическим столом.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Камера, используемая в голографическом эксперименте, не использует объектив; свет непосредственно врезается в чип.
2. Подготовьте образец в голографическую установку.
   1. Подготовьте образец крыла, как показано на этапе 1.2.1. Поместите подготовленный образец на круглую металлическую опору диаметром 15 мм. Опора имеет три существующих отверстия для винтов, к которым прикреплено металлическое кольцо, удерживающее образец.
   2. Прикрепите кольцо к опоре. Поместите прилагаемый образец в часть крепления для образца, расположенную на оптическом столе.
   3. Подготовьте образец для мониторинга химической реакции. На оптическом столе, в предполагаемом месте, поместите опору с плоской клеевой поверхностью, на которую будет помещена кювета/сосуд.
   4. Подготовьте реагент, используемый для инициализации реакции, как на этапе 1.1.5. Наполните реагенты в кювету и перемешайте в кювете в следующем порядке объемов и концентраций: 0,7 мл 0,2817 моль ^dm-3 CH₂(COOH)₂; 0,5 мл 0,0375 моль ^дм-3 MnSO₄; 0,5 мл 0,15 моль ^дм-3 HClO₄; 0,5 мл 0,376 моль ^дм-3 КИО₃; и 0,3 мл 10,575 моль ^дм-3 Н_2О2.
   5. Убедитесь, что общий объем кюветы составляет 2,5 мл, и поместите его на опору в установке.
   6. При необходимости настройте дополнительные инструменты. Для мониторинга фотофоретического эффекта используйте дополнительный лазер (подробности приведены в Таблице материалов) для локального нагрева.

Рисунок 2: Голографическая установка. На рисунке показано, как расположены различные компоненты для голографического эксперимента. Сокращения: L1 = лазер на 532 нм, L = двояковыпуклая линза, A = диафрагма, M = плоское зеркало, используемое для отклонения лазерного луча, CM = вогнутое зеркало, C = CMOS-камера, S = секция крыла бабочки, R = опорный луч, O = объектный луч. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

3. Настройка используемого программного обеспечения

ПРИМЕЧАНИЕ: Для анализа данных голографических экспериментов используется собственное программное обеспечение C++, основанное на приближении^{Френеля 11} . Программное обеспечение, разработанное для представленного исследования, можно найти по адресу . ¹² Детали программного обеспечения не могут быть опубликованы в данный момент; однако дополнительная информация будет предоставляться по запросу. Приближение Френеля чрезвычайно полезно в цифровой голографии, поскольку оно фокусируется на разных поверхностях и приближается к области первого дифракционного порядка, который содержит полную информацию о записанной сцене.

1. Включите компьютер и запустите программное обеспечение.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Шаг запуска программного обеспечения зависит от самого программного обеспечения. Коммерческого программного обеспечения для этой цели не существует.

4. Проведите эксперимент

1. Выключите внешний свет. Проведите весь эксперимент в темной комнате.
2. Синхронизируйте камеры, используя выбранный интервал. Для этого эксперимента запустите голографическую камеру через 60 с, а две другие камеры сразу после нее, используя либо программное обеспечение, либо вручную.
3. Нажмите кнопки записи и определите в программном обеспечении, когда начнется запись.
4. Индуцировать динамические изменения в интересующей системе. Способ инициации зависит от типа образца; в случае фотофоретического эффекта наружно нагревают образец с помощью имеющихся лазеров: 450 нм, 532 нм, 660 нм, 980 нм. В случае реакции БР начните реакцию, перемешав химические реагенты. Наблюдайте за голографическим экспериментом.
5. Установите фотографическую и тепловизионную камеру, чтобы следить за всем экспериментом и определять момент окончания голографической записи по оптическим и тепловым измерениям.
6. Объявите об окончании процесса. Окончание записи предварительно запрограммировано, в соответствии с предполагаемой продолжительностью процесса. Для реакции BR используйте затвердевание в качестве конца реакции. В случае с фотофоретическим эффектом такого специфического момента нет. В любом случае, этот шаг подчеркивает важность тройной записи.

5. Получение результатов¹²

1. Сохраните результаты. Точная сортировка файлов в зависимости от времени для реконструкции голограмм и более глубокого анализа данных.
   ПРИМЕЧАНИЕ: На этом этапе данные передаются с камеры, используемой для голографии, на компьютер (жесткий диск) в папки, названные в честь дат съемки. Используйте кнопки копирования/вставки и переименования.
2. Проверьте голограмму зонда на наличие соответствующих настроек. Таким образом, лучшие настройки выбираются на первой голограмме, глядя на нее, а затем используются для реконструкции всех голограмм.
   1. Выберите одну голограмму, нажав на одну из них из папки, которую вы ранее сделали (шаг 5.1), и сделайте реконструкцию, нажав на кнопку Реконструировать .
   2. Измените настройки, чтобы получить наилучшее изображение и сделать реконструкцию снова. На экране (меню программного обеспечения) появятся опции для настройки таких параметров, как выборка, смещение и расстояние Френеля. Повторяйте эти шаги до тех пор, пока не будут определены наилучшие параметры.
   3. Выполните реконструкции. Выберите все голограммы, нажав кнопку «Открыть файл» и выбрав все файлы. Применить нужные параметры для численной реконструкции голограмм; они остаются неизменными после шага 5.2.1, поэтому на этот раз не выполняйте никаких действий.
   4. Выполните реконструкции с помощью кнопки Reconstruct и интерферограмм, вставив имена файлов в поле start with/end with, а затем нажав кнопку Batch. Интерферограммы отображаются в ранее созданной папке (на шаге 5.1).
      ПРИМЕЧАНИЕ: После записи серии голограмм во времени первая голограмма представляет собой невозмутимое состояние, в то время как действие внешней силы вызывает последующие голограммы. Необходимо реконструировать голограммы с помощью сдвинутого преобразования Френеля¹³.
   5. Получение интерферограмм путем вычитания (в терминах комплексных чисел) конкретной голограммы во времени с первой полученной голограммой.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Данный протокол позволяет наблюдать влияние силы на объект. Изменение интерференционной картины в зависимости от времени является следствием деформации или смещения, которое происходит внутри системы во время измерения. Эти изменения используются для мониторинга динамики системы на наноуровне.

6. Анализ результатов

1. Выполните визуальный анализ в качестве первого этапа контроля качества процесса. На этом этапе найдите видимые изменения в интерференционной картине и попытайтесь сопоставить изменения в интерференционной картине с результатами, полученными оптическими и тепловыми измерениями.
2. Проведите перекрестный допрос всех записей. На этом втором этапе анализа тщательно проанализируйте изображения визуально как с оптических, так и с тепловизионных камер с голографическими реконструкциями, чтобы выявить динамику на наноуровне. Таким образом, момент реакции виден одновременно в голографических, тепловых и фотографических изображениях.
3. Сделать графическое представление результатов на основе численного/программного анализа и представить их в виде графиков (1D, 2D или 3D), диаграмм, гистограмм и т.д. После полного анализа результатов сделайте выводы и предугадывайте дальнейшие исследования на основе этого.

Результаты

Фотофоретический эффект был индуцирован и контролировался в первом эксперименте на крыле бабочки Morpho menelaus ⁵. Эффект был инициирован действием светодиодных лазеров разной длины волны (450 нм, 532 нм, 660 нм, 980 нм). Здесь использовались крылья от бабочки I. lathonia ^1...

Обсуждение

В представленном биофотонном исследовании показано, что новый голографический метод может быть использован для обнаружения минимального морфологического смещения или деформации, вызванной низкоуровневым тепловым излучением.

Наиболее важным этапом голографического ...

Материалы

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