Summary
该论文主要关注光学（线性和非线性）和全息方法的组合功率，用于揭示纳米级的现象。从生物光子和振荡化学反应研究中获得的结果作为代表性的例子给出，突出了全息术在纳米尺度上揭示动力学的能力。
Abstract
在这种方法中，利用光学和全息技术的潜力来揭示自然系统在纳米级的动态响应的隐藏细节。在第一部分中，介绍了自然光子结构的光学和全息研究以及光速效应出现的条件，即由于光诱导的热梯度引起的纳米结构在纳米尺度上的位移或变形。这种效应通过实时数字全息干涉测量法揭示，监测温度引起的覆盖昆虫翅膀的鳞片变形。导致光驱效应出现的几何形状和纳米矫正之间的联系在实验中得到证明和证实。在第二部分中，展示了全息术如何潜在地用于揭示具有非线性动力学的化学系统中隐藏的细节，例如在复杂振荡Briggs-Rauscher（BR）反应中发生的相变现象。全息术在纳米尺度上呈现的潜力可以为控制和塑造各种应用中的光泳效应和图案形成开辟了巨大的可能性，例如颗粒捕获和悬浮，包括未燃烧的碳氢化合物在大气中的运动和不同气溶胶的分离，微塑料的分解和颗粒的分馏，以及微米级燃料颗粒的温度和导热性的评估。
Introduction
为了充分理解和注意到纳米世界中的所有独特现象，采用能够在纳米尺度上揭示有关结构和动力学的所有细节的技术至关重要。鉴于此，提出了线性和非线性方法的独特组合，结合全息技术在纳米级揭示系统动力学的力量。
所描述的全息技术可以看作是三重rec方法（rec是记录的缩写），因为在给定的时间，信号由照相相机，热像仪和干涉仪同时记录。线性和非线性光学光谱学和全息学是众所周知的技术，其基本原理在文献1，2中得到了广泛的描述。
长话短说，全息干涉测量允许比较在不同时刻记录的波前，以表征系统的动力学。它以前用于测量振动动力学3，4。全息作为最简单的干涉测量方法的强大之处在于其检测系统内最小位移的能力。首先，我们利用全息技术观察并揭示了不同生物结构中的光泳效应5 （即由于光诱导的热梯度引起的纳米结构变形的位移）。为了真实地介绍该方法，从一些测试的生物样品中选择了代表性样品6。西班牙女王的翅膀蝴蝶， Issoria lathonia （Linnaeus，1758; I. lathonia），在本研究的框架内使用。
在成功证明了生物组织中纳米级光泳的发生后，应用类似的方案来监测振荡化学反应中相变引起的自发对称性破坏过程7。在这一部分中，研究了在化学非线性BR反应中发生的从低浓度碘化物和碘（称为状态I）到具有高浓度碘和碘的相变，并形成固体碘（定义为状态II）。在这里，我们首次报告了一种全息方法，可以研究凝聚系统中发生的纳米级相变和自发对称性破坏动力学。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. 预表征
- 对样品进行完整的预表征。
- 对从商业来源购买的干燥样品进行所有实验。将样品储存在实验室中，在干燥和黑暗的地方，在室温下。
- 在全息测量之前，通过扫描电子显微镜（SEM），线性光学光谱和非线性光学显微镜（NOM）10 进行完整的样品表征（图1）。
- 除了通过线性技术测量的样品的光学特性外，还可以使用更高强度的激光束收集补充信息，从而可以表征其非线性光学特性。
- 利用相应的非线性光学敏感性对非线性光学响应进行量化，形成非破坏性多光子激发荧光、二次谐波发生（SHG）等非线性光学技术的基础，用于表征各种生物样品。
- 对于振荡BR反应中发生的非线性化学现象，用以下浓度的反应物进行从状态I到状态II的原位相变的干涉监测研究：[CH2（COOH）2]0 = 0.0789 mol dm-3，[MnSO4]0 = 0.0075 mol dm-3，[HClO4]0 = 0.03 mol dm-3， [基奥3]0 = 0.0752 mol dm-3，并且 [H2O2]0 = 1.269 mol dm-3（支架后的 0 代表过程开始时的初始浓度）。使用于BR反应的总体积等于2.5 mL。
注意：此处使用的浓度值等于Pagnacco等人8研究中的值，但反应体积除以10。
- 为实验准备样品。
- 使用西班牙女王蝴蝶 I. lathonia 的翅膀进行此实验。将机翼放在坚硬的表面上，并用直径为10 mm的刀具制作一段。将样品放在样品盒中，样品盒可以是任何带盖的容器。
图1：蝴蝶翅膀鳞片的波浪形横截面。在非线性光学扫描显微镜（A，B）上记录横截面。还对西班牙女王的翅膀I. lathonia进行了SEM观察（C）。此数字已从14 修改。请点击此处查看此图的大图。
2. 实验设置
- 全息设置
注：全息干涉测量是使用定制的光学设置进行的（图2）。- 将实验室温度调节至23°C±0.2°C。 打开激光。对于这些全息观察，使用激发波长为532nm的激光器（ 材料表中给出了详细信息）。
- 检查光学元件的对齐方式（图2）。首先，检查是否根据 图 2 中的方案进行了设置。
- 将激光束与凹面镜M完美对齐，检查并调整扩束镜（L）的位置。
- 确定撞击样品S的光束部分，并确保其形成反射光束O.检查光束的其余部分是否收集在球面镜CM上，以用于生成参考光束R.检查探测器C是否放置在两个指定光束的干涉区域内。
注：互补金属氧化物半导体 （CMOS） 传感器用作检测器。 - 根据所用摄像机的说明设置摄像机。为全息实验设置光学/照相相机，如图 2 所示（C是相机;细节在 材料表中给出）。设置第二台光学/摄影相机以查看BR反应的可见变化，并设置热分辨率为50 mK，焦距为13 mm的热成像相机。
注：全息实验中使用的相机不使用物镜;光线直接照射到芯片上。
- 将样品准备到全息设置中。
- 按照步骤1.2.1准备翅膀样品。将制备的样品放在直径为15 mm的圆形金属支架上。支架有三个现有的孔，用于固定样品的金属环连接到的螺钉。
- 将戒指连接到支架上。将附着的样品放在光学工作台上的样品支架部分。
- 准备用于化学反应监测的样品。在光学工作台上，在预定位置放置一个带有平坦粘合剂表面的支撑物，比色皿/容器将放置在该位置。
- 准备用于初始化反应的试剂，如步骤1.1.5所示。将反应物填充到比色皿中，并按以下体积和浓度的顺序在比色皿中混合：0.7mL 0.2817mol dm-3 CH2（COOH）2;0.5 mL的0.0375 mol dm-3 MnSO4;0.5 mL的0.15摩尔dm-3 HClO4;0.5 mL的0.376 mol dm-3 KIO3 ;和0.3 mL的10.575 mol dm-3 H2O2。
- 确保比色皿中的总容积为 2.5 mL，并将其放在设置中的支架上。
- 如果需要，设置其他仪器。为了监测光泳效应，使用额外的激光器（ 细节在材料表中给出）进行局部加热。
图2：全息设置。 该图显示了全息实验中各种组件的排列方式。缩写：L1 =532 nm处的激光，L =双凸透镜，A =孔径，M =用于偏转激光束的平面镜，CM =凹面镜，C =CMOS相机，S =蝶翼部分，R =参考光束，O =物体光束。 请点击此处查看此图的大图。
3. 所用软件的设置
注意：基于菲涅耳近似11 的自制C++软件用于分析全息实验数据。为本研究开发的软件可以在 上找到。12 .软件的详细信息目前无法发布;但是，其他信息将应要求提供。菲涅耳近似在数字全息术中非常有用，因为它专注于不同的表面并放大第一衍射阶的区域，其中包含有关记录场景的完整信息。
- 打开计算机并运行软件。
注：运行软件的步骤取决于软件本身。没有用于此目的的商业软件。
4. 执行实验
- 关闭外部指示灯。在黑暗的房间里进行整个实验。
- 使用所选间隔同步摄像机。对于此实验，请在60秒后启动全息相机，并在其后立即使用其他两台相机，使用软件或手动启动。
- 按下录制按钮并在软件中定义录制开始的时间。
- 在感兴趣的系统中诱导动态变化。起始方法取决于样品的类型;在光泳效应的情况下，使用可用的激光器外部加热样品：450 nm，532 nm，660 nm，980 nm。在BR反应的情况下，通过混合化学反应物开始反应。观察全息实验。
- 设置照相和热像仪以跟踪整个实验，并从光学和热测量中确定全息记录结束的时刻。
- 宣布该过程结束。记录的结尾根据过程的估计持续时间进行预编程。对于BR反应，使用凝固作为反应的结束。在光泳效应的情况下，没有这种特定的时刻。无论如何，此步骤强调了三重录制的重要性。
5. 取得成果12
- 保存结果。根据时间的函数对文件进行精确排序，以重建全息图和进行更深入的数据分析。
注：在此步骤中，数据从用于全息摄影的相机传输到以拍摄日期命名的文件夹中的计算机（硬盘）。使用复制/粘贴和重命名按钮。 - 检查探头全息图的相应设置。通过这种方式，通过查看第一个全息影像，在第一个全息影像上选择最佳设置，然后用于重建所有全息影像。
- 通过从您之前创建的文件夹中单击其中一个全息影像（步骤 5.1）来选择一个全息影像，并通过单击“重建”按钮进行 重建 。
- 更改设置以获得最佳图像并再次进行重建。用于调整采样、偏移和菲涅耳距离等参数的选项将显示在屏幕上（软件菜单）。重复这些步骤，直到定义最佳设置。
- 执行重建。通过单击“ 打开文件 ”按钮并选择所有文件来选择所有全息影像。应用所需的参数进行全息图的数值重建;它们在步骤 5.2.1 之后保持不变，因此这次不要执行任何操作。
- 使用“重建”按钮执行 重建 ，并通过在“开头为/结尾为”字段中插入文件名，然后单击“ 批处理”按钮来执行干涉图。干涉图显示在以前创建的文件夹中（在步骤 5.1 中）。
注意：在时间上记录一系列全息影像后，第一个全息影像表示未扰动状态，而外力的作用会导致后续的全息影像。有必要使用移位菲涅耳变换13重建全息图。 - 通过减去（以复数表示）特定全息图来获得干涉图，并及时获得第一个全息图。
注意：该协议允许观察力对物体的影响。干涉图案随时间的变化是测量过程中系统内发生的变形或位移的结果。这些变化用于监测纳米级的系统动力学。
6. 结果分析
- 执行可视化分析作为过程的第一个质量控制步骤。在此步骤中，查找干涉图案中的可见变化，并尝试将干涉图案的变化与光学和热测量获得的结果相匹配。
- 对所有录音进行盘问。在分析的第二阶段，通过全息重建彻底分析来自光学和热像仪的图像，以揭示纳米级的动力学。通过这种方式，在全息，热和摄影图像中同时看到反应时刻。
- 根据数值/软件分析对结果进行图形表示，并以图形（1D，2D或3D），图表，直方图等形式呈现它们。在对结果进行全面分析后，得出结论并期待基于此的进一步研究。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
在 Morpho menelaus butterfly5翅膀上的第一次实验中诱导并监测了光泳效应。该效应是由不同波长（450 nm，532 nm，660 nm和980 nm）的LED激光器的作用引起的。在这里，使用了 I. lathonia butterfly14 的翅膀。记录过程完成后，重建全息图图像。
图3： I. lathonia 翅膀的全息重建。 重建是在450 nm起始（A），532nm起始（B）和980nm起始（C）下完成的。图像在视觉上显示出明显的差异，其中根据波长的不同，彩色区域以不同的大小出现。 请点击此处查看此图的大图。
图3A-C中观察到的条纹是干扰的结果。该图清楚地表明，只有在用第二个激光器照射样品期间才会发生变化（放置以不干扰来自初级激光的光束的光束击中样品;在记录过程中随时投入运行），并确认全息干涉测量可用于监测生物组织的变形或位移。
图3A-C显示了450nm（图3A），532nm（图3B）和980nm（图3C）之间的不同波长如何通过引起组织内不同的形态学位移来影响干涉图案。
在关于振荡BR反应的第二个实验中，该反应在加入过氧化氢后立即开始，产生大量的氧气（图4A）。由于从状态I到状态II的转换（图4）对于单个动力学运行8基本上是不可重现的，因此过渡的瞬间非常难以监测。因此，所呈现的结果是大量尝试的结果。在干涉图的分析中，在反应发生的确切时刻（即，当从状态I到状态II的转变发生时）注意到条纹图案的变化。 图4E 显示了反应发生前的一刻（左）和确切的时刻（右）。这里使用的波长是573 nm。在计算幅值图像的位移数据时，采用直接条纹计数方法。一条条纹对应于波长的一半位移（即286.5nm）。如果位移数据是从相位计算得出的，则以下关系适用：Δl/λ = ΔΦ/2π。
图4：布里格斯-劳舍尔（BR）反应中从状态I到状态II的转变。 布里格斯-劳舍尔（BR）反应中从状态I过渡到状态II的不同记录。（A）BR与气泡反应的开始对应于氧气和二氧化碳的形成。（B）状态I到状态II的反应过程。（C） 状态一向状态二的过渡结束。（D） 设置中的比色皿。（E）反应前时刻（左）和反应时刻（右）的干涉图。 请点击此处查看此图的大图。
非线性化学现象已经存在了100多年15年，但尽管如此，人们对它们的全部机制和动力学仍然存在疑问16，17。获得的结果为通过全息技术 原位 调查和监测这种复杂的化学现象开辟了新的可能性。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
在所提出的生物光子学研究中，表明一种新的全息方法可用于检测由低水平热辐射引起的最小形态位移或变形。
使用生物样品进行全息测量的最关键步骤是制备步骤。样品的制备（切割/胶合以匹配支架的尺寸）取决于样品的机械性能，并且不可能为此步骤制定标准方案。
关于BR研究，拥有透明的反应容器和相对清晰的光路至关重要，因为化学反应或物理转化（如氧气，杂质的释放）中的每个障碍物都会影响干涉图案，从而记录结果。
通常，所述方法的最大显着限制是可以研究的样本量。样品必须具有适当的尺寸才能插入光学设置中。
在这里，我们表明全息干涉测量（HI）应被视为表征样品的基本补充工具。例如，经典的光学/红外图像仅捕获有关强度的信息，而有关相位的信息完全丢失18。全息干涉测量提供有关强度和相位的所有信息，此外还可用于实时监测其变化。
在凝聚态科学中利用这种方法的重要性在于 就地 揭示系统动力学中最微小的变化。例如，BR反应可以揭示对称性破坏过程的第一个原因。由与非线性动力学相关的物理约束预先确定的对称性破坏过程，还是该过程真的是随机的？另一方面，从另一个方面来说，BR振荡周期持续时间的微小差异是否会导致过渡外观的显着偏差？
所提出的结果是第一步，它将导致对纳米级动力学的更深入理解。由于全息术在浓缩科学研究中的潜力尚未得到充分认识，本文的目的是强调全息术在未来材料科学研究和应用中的力量;例如，颗粒捕获和悬浮，例如未燃烧的碳氢化合物在大气中的运动或各种气溶胶19的分离，水中微塑料的分解和颗粒的分馏20，以及表征微米级燃料颗粒21的温度和导热性。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
作者声明没有利益冲突。
Acknowledgments
M. S. P.，D.G.，D.V.和B.K.承认支持由NATO SPS（北约和平与安全科学）2019-2022资助的多光谱监视的生物和生物启发结构。B. K.，D.V.，B.B.，D.G.和M.S.P.承认贝尔格莱德物理研究所通过塞尔维亚共和国教育，科学和技术发展部的机构资助提供的资金。此外，B. K. 感谢 F R S - FNRS 的支持。M. P.感谢塞尔维亚共和国教育，科学和技术发展部的支持，合同编号451-03-9 / 2021-14 / 200026。S. R. M. 作为博士后研究员，得到了瓦隆大区BEWARE奖学金（第2110034公约）的支持。T. V.感谢大力神基金会的财政支持。D.V.，M.S.P.，D.G.，M.P.，B.B.和B.K.通过研究补助金N62902-22-1-2024感谢全球海军研究办公室的支持。这项研究是部分满足贝尔格莱德大学机械工程学院Marina Simović Pavlović博士学位的要求。
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 | Acr s 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 |
References
- Pietrzyk, D. J., Frank, C. W.
- Ostrovsky, Y. I., Shchepinov, V. P., Yakovlev, V. V. Holographic Interferometry in Experimental Mechanics. 60, Springer. (2013).
- Pedrini, G., Osten, W., Gusev, M. E. High-speed digital holographic interferometry for vibration measurement. Applied Optics. 45 (15), 3456-3462 (2006).
- Pantelić, D. V., Grujić, D. Ž, Vasiljević, D. M. S. ingle-beam dual-view digital holographic interferometry for biomechanical strain measurements of biological objects. Journal of Biomedical Optics. 19 (12), 127005 (2014).
- Grujić, D., et al. Infrared camera on butterfly's wing. Optics Express. 26 (11), 14143-14158 (2018).
- Mouchet, S. R., Deparis, O. Natural Photonics and Bioinspiration. , Artech House. (2021).
- Pagnacco, M. C., et al. Spontaneous symmetry breaking: the case of crazy clock and beyond. Symmetry. 14, 413 (2022).
- Pagnacco, M. C., Maksimovic, J. P., Potkonjak, N. I., Božić, B. Đ, Horvath, A. K. Transition from low to high iodide and iodine concentration states in the Briggs-Rauscher reaction: evidence on crazy clock behavior. The Journal of Physical Chemistry A. 122 (2), 482-491 (2018).
- Pagnacco, M. C., Maksimović, J. P., Janković, B. Ž Analysis of transition from low to high iodide and iodine state in the Briggs-Rauscher oscillatory reaction containing malonic acid using Kolmogorov-Johnson-Mehl-Avrami (KJMA) theory. Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysts. 123 (1), 61-80 (2018).
- Mouchet, S. R., et al. Unveiling the non-linear optical response of Trichtenotoma childreni longhorn bestle. Journal of Biophotonics. 12 (9), 201800470 (2019).
- Shimobaba, T., et al. Computational wave optics library for C++: CWO++ library. Computer Physics Communications. 183 (5), 1124-1138 (2012).
- Grujic, D. Application of digital holography for detection of infrared radiation on biophotonic structures. , Faculty of Physics, University of Belgrade. Ph. D. Thesis (2022).
- Muffoletto, R. P., Tyler, J. M., Tohline, J. E. Shifted Fresnel diffraction for computational holography. Optical Express. 15 (9), 5631-5640 (2007).
- Pavlović, D., et al. Naturally safe: Cellular noise for document security. Journal of Biophotonics. 12 (12), 201900218 (2019).
- Bray, W. C. A periodic reaction inhomogeneous solution and its relation to catalysis. Journal of the American Chemical Society. 43 (6), 1262-1267 (1921).
- Nicolis, G.
- Prigogine, I., Hiebert, E. N. From being to becoming: Time and complexity in the physical sciences. Physics Today. 35 (1), 69 (1982).
- Nikolova, L., Ramanujam, P. S. Polarization Holography. , Cambridge University Press. (2009).
- Haisch, C., Kykal, C., Niessner, R. Photophoretic velocimetry for the characterization of aerosols. Analytical Chemistry. 80 (5), 1546-1551 (2008).
- Kononenko, V. L., et al. Feasibility studies on photophoretic effects in field-flow fractionation of particles. Journal of Liquid Chromatography & Related Technologies. 20 (16-17), 2907-2929 (1997).
- Zhang, X., Bar-Ziv, E. A novel approach to determine thermal conductivity of micron-sized fuel particles. Combustion Science and Technology. 130 (1-6), 79-95 (1997).
