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Chemistry

होलोग्राफिक इमेजिंग का उपयोग करके प्राकृतिक फोटोनिक संरचनाओं की छिपी हुई गतिशीलता को उजागर करना

Published: March 31, 2022 doi: 10.3791/63676
Automatic Translation
1,2, 3, 1, 1, 1, 4,5, 6, 1,7
1Institute of Physics, Photonics Center, University of Belgrade, 2Faculty of Mechanical Engineering, University of Belgrade, 3Institute of Chemistry, Technology and Metallurgy, University of Belgrade, 4School of Physics, University of Exeter, 5Department of Physics & Namur Institute of Structured Matter (NISM), University of Namur, 6Chemistry Department, Laboratory of Molecular Imaging and Photonics, KULeuven, 7Université de Mons

Summary

पेपर मुख्य रूप से नैनोस्केल पर घटनाओं को प्रकट करने के लिए उपयोग किए जाने वाले ऑप्टिकल (रैखिक और नॉनलाइनियर) और होलोग्राफिक विधियों की संयुक्त शक्ति पर केंद्रित है। बायोफोटोनिक और दोलन रासायनिक प्रतिक्रियाओं के अध्ययन से प्राप्त परिणाम प्रतिनिधि उदाहरणों के रूप में दिए गए हैं, जो नैनोस्केल पर गतिशीलता को प्रकट करने की होलोग्राफी की क्षमता को उजागर करते हैं।

Abstract

इस पद्धति में, नैनोस्केल पर एक प्राकृतिक प्रणाली की गतिशील प्रतिक्रिया के छिपे हुए विवरणों को उजागर करने के लिए प्रकाशिकी और होलोग्राफी की क्षमता का शोषण किया जाता है। पहले भाग में, प्राकृतिक फोटोनिक संरचनाओं के ऑप्टिकल और होलोग्राफिक अध्ययन के साथ-साथ फोटोफोरेटिक प्रभाव की उपस्थिति के लिए शर्तों को प्रस्तुत किया जाता है, अर्थात्, नैनोस्केल पर प्रकाश-प्रेरित थर्मल ढाल के कारण नैनोस्ट्रक्चर का विस्थापन या विरूपण। यह प्रभाव वास्तविक समय डिजिटल होलोग्राफिक इंटरफेरोमेट्री द्वारा प्रकट होता है जो तापमान से प्रेरित कीड़ों के पंखों को कवर करने वाले तराजू के विरूपण की निगरानी करता है। फोटोफोरेटिक प्रभाव के उद्भव की ओर ले जाने वाली ज्यामिति और नैनोकॉरुगेशन के बीच की कड़ी को प्रयोगात्मक रूप से प्रदर्शित और पुष्टि की जाती है। दूसरे भाग में, यह दिखाया गया है कि कैसे होलोग्राफी का उपयोग संभावित रूप से नॉनलाइनियर गतिशीलता के साथ रासायनिक प्रणाली में छिपे हुए विवरणों को उजागर करने के लिए किया जा सकता है, जैसे कि चरण संक्रमण घटना जो जटिल दोलन ब्रिग्स-राउशर (बीआर) प्रतिक्रिया में होती है। नैनोस्केल पर होलोग्राफी की प्रस्तुत क्षमता विभिन्न अनुप्रयोगों जैसे कण फँसाने और उत्तोलन के लिए फोटोफोरेटिक प्रभाव और पैटर्न गठन को नियंत्रित करने और ढालने के लिए भारी संभावनाएं खोल सकती है, जिसमें वायुमंडल में अप्रकाशित हाइड्रोकार्बन की आवाजाही और विभिन्न एरोसोल का पृथक्करण, माइक्रोप्लास्टिक्स का अपघटन और सामान्य रूप से कणों का विभाजन, और माइक्रोन आकार के ईंधन कणों के तापमान और थर्मल चालकता का आकलन शामिल है।

Introduction

नैनोवर्ल्ड में सभी अनूठी घटनाओं को पूरी तरह से समझने और नोटिस करने के लिए, उन तकनीकों को नियोजित करना महत्वपूर्ण है जो नैनोस्केल पर संरचनाओं और गतिशीलता के बारे में सभी विवरणों को प्रकट करने में सक्षम हैं। इस खाते पर, नैनोस्केल पर सिस्टम की गतिशीलता को प्रकट करने के लिए होलोग्राफी की शक्ति के साथ संयुक्त रैखिक और गैर-रेखीय तरीकों का अनूठा संयोजन प्रस्तुत किया जाता है।

वर्णित होलोग्राफिक तकनीक को ट्रिपल आरईसी विधि के रूप में देखा जा सकता है (आरईसी रिकॉर्डिंग का संक्षिप्त नाम है), क्योंकि किसी दिए गए समय में सिग्नल को एक फोटोग्राफिक कैमरा, थर्मल कैमरा और इंटरफेरोमीटर द्वारा एक साथ रिकॉर्ड किया जाता है। रैखिक और अरैखिक ऑप्टिकल स्पेक्ट्रोस्कोपी और होलोग्राफी प्रसिद्ध तकनीकें हैं, जिनमें से मौलिक सिद्धांतों को साहित्य 1,2 में बड़े पैमाने पर वर्णित किया गया है।

एक लंबी कहानी को छोटा करने के लिए, होलोग्राफिक इंटरफेरोमेट्री सिस्टम की गतिशीलता को चिह्नित करने के लिए समय में विभिन्न क्षणों में दर्ज किए गए वेवफ्रंट्स की तुलना की अनुमति देता है। यह पहले कंपन गतिशीलता 3,4 को मापने के लिए इस्तेमाल किया गया था। सबसे सरल इंटरफेरोमेट्री विधि के रूप में होलोग्राफी की शक्ति सिस्टम के भीतर सबसे छोटे विस्थापन का पता लगाने की क्षमता पर आधारित है। सबसे पहले, हमने विभिन्न जैविक संरचनाओं में फोटोफोरेटिक प्रभाव5 (यानी, प्रकाश-प्रेरित थर्मल ढाल के कारण नैनोस्ट्रक्चर के विरूपण का विस्थापन) का निरीक्षण और प्रकट करने के लिए होलोग्राफी का शोषण किया। विधि की एक सच्ची प्रस्तुति के लिए, प्रतिनिधि नमूनों का चयन कई परीक्षण किए गए जैविक नमूनों से किया गया था6. स्पेन की रानी के पंख, इसोरिया लाथोनिया (लिनियस, 1758; लिनियस, 1758) लाथोनिया), इस अध्ययन के ढांचे में उपयोग किया गया था।

जैविक ऊतकों में नैनोस्केल पर फोटोफोरेसिस की घटना का सफलतापूर्वक प्रदर्शन करने के बाद, एक समान प्रोटोकॉल एक दोलन रासायनिक प्रतिक्रिया में एक चरण संक्रमण के कारण सहज समरूपता तोड़ने की प्रक्रिया7 की निगरानी के लिए लागू किया गया था। इस भाग में, आयोडाइड और आयोडीन की कम सांद्रता (जिसे राज्य I कहा जाता है) से ठोस आयोडीन गठन (राज्य II के रूप में परिभाषित) के साथ आयोडाइड और आयोडीन की उच्च सांद्रता के लिए चरण संक्रमण जो रासायनिक रूप से गैर-रेखीय बीआर प्रतिक्रिया में होता है, का अध्ययन 8,9 किया गया था। यहां, हमने पहली बार एक होलोग्राफिक दृष्टिकोण की सूचना दी जो संघनित प्रणालियों में होने वाले नैनोस्केल पर इस तरह के चरण संक्रमण और सहज समरूपता तोड़ने की गतिशीलता का अध्ययन करने की अनुमति देता है।

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Protocol

1. पूर्व लक्षण वर्णन

  1. नमूने का एक पूर्ण पूर्व लक्षण वर्णन करें।
    1. एक वाणिज्यिक स्रोत से खरीदे गए सूखे नमूनों पर सभी प्रयोग करें। कमरे के तापमान पर, एक सूखी और अंधेरी जगह में प्रयोगशाला में नमूनों को स्टोर करें।
    2. होलोग्राफिक माप से पहले, इलेक्ट्रॉनिक माइक्रोस्कोप (एसईएम), रैखिक ऑप्टिकल स्पेक्ट्रोस्कोपी, और नॉनलाइनियर ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी (एनओएम) 10 (चित्रा 1) को स्कैन करके एक पूर्ण नमूना लक्षण वर्णन करें।
    3. रैखिक तकनीकों द्वारा मापे गए नमूनों के ऑप्टिकल गुणों के अलावा, उच्च तीव्रता वाले लेजर बीम के साथ पूरक जानकारी इकट्ठा करें जो उनके नॉनलाइनियर ऑप्टिकल गुणों के लक्षण वर्णन की अनुमति देते हैं।
    4. नॉनलाइनियर ऑप्टिकल प्रतिक्रिया को मापने के लिए संबंधित नॉनलाइनियर ऑप्टिकल संवेदनशीलता का उपयोग करें और गैर-विनाशकारी मल्टीफोटॉन उत्तेजना प्रतिदीप्ति और दूसरी हार्मोनिक पीढ़ी (एसएचजी) जैसी नॉनलाइनियर ऑप्टिकल तकनीकों का आधार बनाएं, जिनका उपयोग विभिन्न जैविक नमूनों को चिह्नित करने के लिए किया जाता है।
    5. दोलन बीआर प्रतिक्रिया में होने वाली गैर-रेखीय रासायनिक घटनाओं के लिए, अभिकारकों की निम्नलिखित सांद्रता के साथ राज्य I से राज्य II तक सीटू चरण संक्रमण की इंटरफेरोमेट्रिक निगरानी का अध्ययन करें: [सीएच2 (सीओओएच)2]0 = 0.0789 मोल डीएम -3, [एमएनएसओ4]0 = 0.0075 मोल डीएम -3, [एचसीएलओ4]0 = 0.03 मोल डीएम -3, [केआईओ3] 0 = 0.0752 मोल डीएम -3, और [एच2ओ2]0 = 1.269 मोल डीएम -3 (ब्रैकेट के बाद 0 प्रक्रिया की शुरुआत में प्रारंभिक एकाग्रता के लिए खड़ा है)। बीआर प्रतिक्रिया के लिए उपयोग की जाने वाली कुल मात्रा को 2.5 एमएल के बराबर बनाएं।
      नोट: यहां उपयोग किए जाने वाले एकाग्रता मान पगनाको एट अल 8 द्वारा अध्ययन में लोगों के बराबर हैं, लेकिन प्रतिक्रिया मात्रा के साथ 10 से विभाजित है।
  2. प्रयोग के लिए नमूना तैयार करें।
    1. इस प्रयोग के लिए स्पेन की रानी फ्रिटिलरी तितली, आई लाथोनिया के पंखों का उपयोग करें। एक कठिन सतह पर विंग रखें और 10 मिमी व्यास कटर के साथ एक अनुभाग बनाएं। नमूना बॉक्स में नमूना रखें, जो ढक्कन के साथ कोई भी कंटेनर हो सकता है।

Figure 1
चित्रा 1: तितली विंग स्केल का लहराती क्रॉस-सेक्शन। क्रॉस-सेक्शन को नॉनलाइनियर ऑप्टिकल स्कैनिंग माइक्रोस्कोप (ए, बी) पर दर्ज किया गया था। स्पेन की रानी फ्रिटिलरी तितली, आई लाथोनिया के एक विंग का एक एसईएम अवलोकन (सी) भी किया गया था। इस आंकड़े को14 से संशोधित किया गया है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

2. प्रायोगिक सेटअप

  1. होलोग्राफिक सेटअप
    नोट: होलोग्राफिक इंटरफेरोमेट्री माप एक दर्जी ऑप्टिकल सेटअप (चित्रा 2) के साथ प्रदर्शन किया गया था।
    1. 23 डिग्री सेल्सियस ± 0.2 डिग्री सेल्सियस होने के लिए प्रयोगशाला तापमान समायोजित करें। लेजर चालू करें। इन होलोग्राफिक टिप्पणियों के लिए 532 एनएम की उत्तेजना तरंग दैर्ध्य के साथ एक लेजर (सामग्री की तालिका में दिए गए विवरण) का उपयोग करें।
    2. ऑप्टिकल तत्वों (चित्रा 2) के संरेखण की जाँच करें। सबसे पहले, जांचें कि सेटअप चित्रा 2 में योजना के अनुसार किया गया है।
    3. अवतल दर्पण एम के साथ लेजर बीम को पूरी तरह से संरेखित करें ऑप्टिकल बीम विस्तारक (एल) की स्थिति की जांच करें और समायोजित करें।
    4. बीम भाग का निर्धारण करें जो नमूना एस पर प्रभाव डालता है और सुनिश्चित करें कि यह एक पलटा बीम बनाता है ओ जांचें कि बाकी बीम एक गोलाकार दर्पण सीएम पर एकत्र किया जाता है, संदर्भ बीम उत्पन्न करने के लिए उपयोग किया जाता है आर जांचें कि डिटेक्टर सी दो निर्दिष्ट बीम के हस्तक्षेप क्षेत्र के भीतर रखा गया है या नहीं।
      नोट: एक पूरक धातु ऑक्साइड अर्धचालक (सीएमओएस) सेंसर डिटेक्टर के रूप में प्रयोग किया जाता है।
    5. उपयोग किए गए कैमरे के निर्देशों के अनुसार कैमरे सेट करें। होलोग्राफिक प्रयोग के लिए एक ऑप्टिकल/फोटोग्राफिक कैमरा सेट करें जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है (सी कैमरा है; सामग्री की तालिका में दिया गया विवरण)। फोटोग्राफिक कैमरा बीआर प्रतिक्रिया में दृश्यमान परिवर्तनों को देखने के लिए और 50 एमके के थर्मल रिज़ॉल्यूशन और ऑप्टिकल टेबल के ऊपर 13 मिमी की फोकल लंबाई के साथ एक थर्मल कैमरा स्थापित करें।
      नोट: होलोग्राफिक प्रयोग में उपयोग किया जाने वाला कैमरा एक उद्देश्य लेंस का उपयोग नहीं करता है; प्रकाश सीधे चिप पर अतिक्रमण करता है।
  2. होलोग्राफिक सेटअप में नमूना तैयार करें।
    1. चरण 1.2.1 में के रूप में विंग नमूना तैयार करें। 15 मिमी के व्यास के साथ एक गोल धातु समर्थन पर तैयार नमूना रखें। समर्थन में शिकंजा के लिए तीन मौजूदा छेद हैं जिनसे नमूना रखने वाली धातु की अंगूठी जुड़ी हुई है।
    2. समर्थन के लिए अंगूठी संलग्न करें। ऑप्टिकल टेबल पर स्थित नमूना माउंट के हिस्से में संलग्न नमूना रखें।
    3. रासायनिक प्रतिक्रिया निगरानी के लिए नमूना तैयार करें। ऑप्टिकल टेबल पर, इच्छित स्थान पर, एक सपाट चिपकने वाली सतह के साथ एक समर्थन रखें जिस पर क्युवेट /
    4. चरण 1.1.5 के रूप में प्रतिक्रिया शुरू करने के लिए उपयोग किए जाने वाले अभिकर्मक को तैयार करें। क्युवेट में अभिकारकों को भरें, और वॉल्यूम और सांद्रता के निम्नलिखित क्रम में क्युवेट में मिलाएं: 0.2817 मोल डीएम -3 सीएच 2 (सीओओएच) 2 के 0.7 एमएल; 0.0375 मोल डीएम -3 एमएनएसओ4 के 0.5 एमएल; 0.15 मोल डीएम -3 एचसीएलओ4 के 0.5 एमएल; 0.376 मोल डीएम -3केआईओ 3 के 0.5 एमएल; और 10.575 मोल डीएम -3 एच 2ओ 2के 0.3 एमएल।
    5. सुनिश्चित करें कि क्युवेट में कुल मात्रा 2.5 एमएल है, और इसे सेटअप में समर्थन पर रखें।
    6. यदि आवश्यक हो तो अतिरिक्त उपकरण स्थापित करें। फोटोफोरेटिक प्रभाव की निगरानी के लिए, स्थानीय हीटिंग के लिए एक अतिरिक्त लेजर ( सामग्री की तालिका में दिए गए विवरण) का उपयोग करें।

Figure 2
चित्रा 2: होलोग्राफिक सेटअप। आंकड़ा दिखाता है कि होलोग्राफिक प्रयोग के लिए विभिन्न घटकों की व्यवस्था कैसे की जाती है। संक्षिप्त नाम: एल 1 = 532 एनएम पर लेजर, एल = बाइकॉनवेक्स लेंस, ए = एपर्चर, एम = लेजर बीम को विक्षेपित करने के लिए उपयोग किया जाने वाला एक फ्लैट दर्पण, सीएम = अवतल दर्पण, सी = सीएमओएस कैमरा, एस = तितली विंग अनुभाग, आर = संदर्भ बीम, ओ = ऑब्जेक्ट बीम। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

3. उपयोग किए गए सॉफ़्टवेयर का सेटअप

नोट: होम-निर्मित सी ++ फ्रेस्नेल सन्निकटन11 पर आधारित सॉफ़्टवेयर का उपयोग होलोग्राफिक प्रयोगों से डेटा का विश्लेषण करने के लिए किया जाता है। प्रस्तुत अध्ययन के लिए विकसित सॉफ्टवेयर पर पाया जा सकता है। 12 सॉफ्टवेयर का विवरण फिलहाल प्रकाशित नहीं किया जा सकता है; हालाँकि, अनुरोध पर अतिरिक्त जानकारी प्रदान की जाएगी। फ्रेस्नेल सन्निकटन डिजिटल होलोग्राफी में बेहद उपयोगी है क्योंकि यह विभिन्न सतहों पर केंद्रित है और पहले विवर्तन क्रम के क्षेत्र में ज़ूम इन करता है, जिसमें रिकॉर्ड किए गए दृश्य के बारे में पूरी जानकारी होती है।

  1. कंप्यूटर चालू करें और सॉफ़्टवेयर चलाएँ.
    नोट: सॉफ़्टवेयर चलाने के लिए चरण सॉफ़्टवेयर पर ही निर्भर करता है। इस उद्देश्य के लिए कोई वाणिज्यिक सॉफ्टवेयर नहीं है।

4. प्रयोग करें

  1. बाहरी लाइट बंद कर दें। एक अंधेरे कमरे में पूरे प्रयोग को अंजाम दें।
  2. किसी चुने हुए अंतराल का उपयोग कर कैमरों को सिंक्रनाइज़ करें। इस प्रयोग के लिए, 60 एस के बाद होलोग्राफिक कैमरा शुरू करें, और इसके तुरंत बाद दो अन्य कैमरे, या तो सॉफ़्टवेयर का उपयोग करके या मैन्युअल रूप से।
  3. रिकॉर्डिंग बटन दबाएं और रिकॉर्डिंग शुरू होने पर सॉफ़्टवेयर में परिभाषित करें।
  4. ब्याज की प्रणाली में गतिशील परिवर्तन को प्रेरित करें। दीक्षा की विधि नमूने के प्रकार पर निर्भर करती है; फोटोफोरेटिक प्रभाव के मामले में, बाहरी रूप से उपलब्ध लेजर का उपयोग करके नमूने को गर्म करें: 450 एनएम, 532 एनएम, 660 एनएम, 980 एनएम। बीआर प्रतिक्रिया के मामले में, रासायनिक अभिकारकों को मिलाकर प्रतिक्रिया शुरू करें। होलोग्राफिक प्रयोग का निरीक्षण करें।
  5. पूरे प्रयोग का पालन करने और ऑप्टिकल और थर्मल माप से होलोग्राफिक रिकॉर्डिंग के अंत के क्षण को निर्धारित करने के लिए फोटोग्राफिक और थर्मल कैमरा सेट करें।
  6. प्रक्रिया के अंत का उच्चारण करें। प्रक्रिया की अनुमानित अवधि के अनुसार रिकॉर्डिंग का अंत प्रीप्रोग्राम किया गया है। बीआर प्रतिक्रिया के लिए, प्रतिक्रिया के अंत के रूप में जमने का उपयोग करें। फोटोफोरेटिक प्रभाव के मामले में, ऐसा कोई विशिष्ट क्षण नहीं है। किसी भी मामले में, यह कदम ट्रिपल रिकॉर्डिंग के महत्व पर जोर देता है।

5. परिणामों का अधिग्रहण12

  1. परिणाम सहेजें। होलोग्राम और गहरे डेटा विश्लेषण के पुनर्निर्माण के लिए समय के एक समारोह के रूप में फ़ाइलों को सटीक रूप से सॉर्ट करें।
    नोट:: इस चरण में, डेटा शूटिंग दिनांक के नाम पर फ़ोल्डरों में कंप्यूटर (हार्ड डिस्क) के लिए होलोग्राफी के लिए उपयोग किए गए कैमरे से स्थानांतरित किया जाता है। कॉपी/पेस्ट का उपयोग करें और बटन का नाम बदलें।
  2. उपयुक्त सेटिंग्स के लिए जांच होलोग्राम की जाँच करें। इस तरह, पहले होलोग्राम पर सबसे अच्छी सेटिंग्स को देखकर चुना जाता है, और फिर सभी होलोग्राम के पुनर्निर्माण के लिए उपयोग किया जाता है।
    1. आपके द्वारा पहले बनाए गए फ़ोल्डर (चरण 5.1) से उनमें से किसी एक पर क्लिक करके एक होलोग्राम चुनें और पुनर्निर्माण बटन पर क्लिक करके पुनर्निर्माण करें।
    2. सबसे अच्छी छवि प्राप्त करने और पुनर्निर्माण को फिर से बनाने के लिए सेटिंग्स बदलें। नमूनाकरण, ऑफसेट और फ्रेस्नेल दूरी जैसे मापदंडों को समायोजित करने के विकल्प स्क्रीन (सॉफ़्टवेयर मेनू) पर दिखाई देंगे। श्रेष्ठ सेटिंग्स निर्धारित होने तक इन चरणों को दोहराएँ.
    3. पुनर्निर्माण करें। ओपन फ़ाइल बटन पर क्लिक करके और सभी फ़ाइलों को चुनकर सभी होलोग्राम चुनें। होलोग्राम के संख्यात्मक पुनर्निर्माण के लिए वांछित मापदंडों को लागू करें; वे चरण 5.2.1 के बाद अपरिवर्तित रहते हैं, इसलिए इस बार कोई क्रिया न करें।
    4. पुनर्निर्माण बटन का उपयोग करके पुनर्निर्माण करें, और फ़ील्ड के साथ शुरुआत/अंत में फ़ाइल नाम डालकर और फिर बटन बैच पर क्लिक करके इंटरफेरोग्राम करें। इंटरफेरोग्राम पहले बनाए गए फ़ोल्डर (चरण 5.1 में) में दिखाई देते हैं।
      नोट: समय में होलोग्राम की एक श्रृंखला रिकॉर्ड करने के बाद, पहला होलोग्राम एक अनियंत्रित अवस्था का प्रतिनिधित्व करता है, जबकि बाहरी बल की कार्रवाई बाद के होलोग्राम का कारण बनती है। स्थानांतरित फ्रेस्नेल ट्रांसफॉर्म13 का उपयोग करके होलोग्राम का पुनर्निर्माण करना आवश्यक है।
    5. प्राप्त पहले होलोग्राम के साथ समय में किसी विशेष होलोग्राम के घटाव (जटिल संख्याओं के संदर्भ में) द्वारा इंटरफेरोग्राम प्राप्त करें।
      नोट: यह प्रोटोकॉल ऑब्जेक्ट पर बल के प्रभाव को देखने की अनुमति देता है। समय के एक समारोह के रूप में हस्तक्षेप पैटर्न में परिवर्तन विरूपण या विस्थापन का परिणाम है जो माप के दौरान सिस्टम के भीतर होता है। इन परिवर्तनों का उपयोग नैनोस्केल पर सिस्टम की गतिशीलता की निगरानी के लिए किया जाता है।

6. परिणामों का विश्लेषण

  1. प्रक्रिया के पहले गुणवत्ता नियंत्रण चरण के रूप में एक दृश्य विश्लेषण करें। इस चरण में, हस्तक्षेप पैटर्न में दृश्यमान परिवर्तनों की तलाश करें और ऑप्टिकल और थर्मल माप द्वारा प्राप्त परिणामों के साथ हस्तक्षेप पैटर्न में परिवर्तन से मेल खाने का प्रयास करें।
  2. सभी रिकॉर्डिंग की क्रॉस-एग्जामिनेशन करें। विश्लेषण के इस दूसरे चरण में, नैनोस्केल पर गतिशीलता को प्रकट करने के लिए होलोग्राफिक पुनर्निर्माण के साथ ऑप्टिकल और थर्मल कैमरों दोनों से नेत्रहीन छवियों का अच्छी तरह से विश्लेषण करें। इस तरह, प्रतिक्रिया क्षण होलोग्राफिक, थर्मल और फोटोग्राफिक छवियों में एक साथ देखा जाता है।
  3. सॉफ्टवेयर विश्लेषण के आधार पर परिणामों का एक ग्राफिकल प्रतिनिधित्व करें और उन्हें ग्राफ (1 डी, 2 डी, या 3 डी), चार्ट, हिस्टोग्राम आदि के रूप में प्रस्तुत करें। परिणामों के पूर्ण विश्लेषण के बाद, निष्कर्ष निकालें और इसके आधार पर आगे के शोध की उम्मीद करें।

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Representative Results

एक फोटोफोरेटिक प्रभाव को मॉर्फो मेनेलॉस तितली5 के पंख पर पहले प्रयोग में प्रेरित और निगरानी की गई थी। प्रभाव विभिन्न तरंग दैर्ध्य (450 एनएम, 532 एनएम, 660 एनएम और 980 एनएम) के एलईडी लेजर की कार्रवाई से शुरू किया गया था। यहां, आई लाथोनिया तितली14 के पंखों का उपयोग किया गया था। रिकॉर्डिंग प्रक्रिया के बाद, होलोग्राम छवि का पुनर्निर्माण किया गया था।

Figure 3
चित्रा 3: मैं लाथोनिया पंखों के होलोग्राफिक पुनर्निर्माण। पुनर्निर्माण 450 एनएम दीक्षा (ए), 532 एनएम दीक्षा (बी), और 980 एनएम दीक्षा (सी) पर किया गया था। छवियां दृश्य अर्थों में एक स्पष्ट अंतर दिखाती हैं, जहां तरंग दैर्ध्य के आधार पर, रंगीन क्षेत्र विभिन्न आकारों में दिखाई देता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 3 ए-सी में देखे गए फ्रिंज हस्तक्षेप का परिणाम हैं। यह आंकड़ा स्पष्ट रूप से दिखाता है कि परिवर्तन केवल दूसरे लेजर के साथ नमूने के विकिरण के दौरान होते हैं (एक बीम के साथ नमूने को हिट करने के लिए रखा जाता है जो प्राथमिक लेजर से बीम के साथ हस्तक्षेप नहीं करता है; रिकॉर्डिंग के दौरान किसी भी समय ऑपरेशन में डाल दिया जाता है), और पुष्टि करता है कि होलोग्राफिक इंटरफेरोमेट्री का उपयोग जैविक ऊतकों के विरूपण या विस्थापन की निगरानी के लिए किया जा सकता है।

चित्रा 3 ए-सी से पता चलता है कि 450 एनएम (चित्रा 3 ए), 532 एनएम (चित्रा 3 बी), और 980 एनएम (चित्रा 3 सी) के बीच विभिन्न तरंग दैर्ध्य ऊतकों के भीतर विभिन्न रूपात्मक विस्थापन पैदा करके इंटरफेरोमेट्रिक पैटर्न को कैसे प्रभावित करते हैं।

दोलन बीआर प्रतिक्रिया के बारे में दूसरे प्रयोग में, यह प्रतिक्रिया हाइड्रोजन पेरोक्साइड के अलावा तुरंत बाद शुरू हुई, जिससे बड़ी मात्रा में ऑक्सीजन (चित्रा 4 ए) का उत्पादन हुआ। चूंकि राज्य I से राज्य II (चित्रा 4) में संक्रमण अनिवार्य रूप से एक व्यक्तिगत गतिज रन8 के लिए अपरिवर्तनीय है, संक्रमण के क्षण की निगरानी करना बहुत मुश्किल है। इसलिए, प्रस्तुत परिणाम बड़ी संख्या में प्रयासों का परिणाम हैं। इंटरफेरोग्राम के विश्लेषण में, फ्रिंज पैटर्न में बदलाव ठीक उसी समय देखा गया था जब प्रतिक्रिया हुई थी (यानी, जब राज्य I से राज्य II में संक्रमण हुआ)। चित्रा 4ई प्रतिक्रिया होने से पहले एक पल दिखाता है (बाएं) और सटीक क्षण (दाएं)। यहां उपयोग की जाने वाली तरंग दैर्ध्य 573 एनएम है। आयाम छवि से विस्थापन डेटा की गणना करते समय, प्रत्यक्ष फ्रिंज गिनती की विधि का उपयोग किया गया था। एक फ्रिंज आधे तरंग दैर्ध्य (यानी, 286.5 एनएम) के विस्थापन से मेल खाती है। यदि चरण से विस्थापन डेटा की गणना की जाती है, तो निम्नलिखित संबंध लागू होता है: Δl/λ = ΔΦ/2π।

Figure 4
चित्रा 4: ब्रिग्स-राउशर (बीआर) प्रतिक्रिया में राज्य I से राज्य II में संक्रमण। ब्रिग्स-राउशर (बीआर) प्रतिक्रिया में राज्य I से राज्य II में संक्रमण के लिए अलग-अलग रिकॉर्डिंग। (ए) बुलबुले के साथ बीआर प्रतिक्रिया की शुरुआत ऑक्सीजन और कार्बन डाइऑक्साइड गठन से मेल खाती है। (बी) राज्य I से राज्य II प्रतिक्रिया पाठ्यक्रम। (सी) राज्य I से राज्य II संक्रमण का अंत। (डी) सेटअप में क्युवेट। (ई) प्रतिक्रिया से पहले पल का इंटरफेरोग्राम (बाएं) और प्रतिक्रिया का क्षण (दाएं)। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

नॉनलाइनियर रासायनिक घटनाओं को 100 से अधिक वर्षों से जाना जाता है, लेकिन इसके बावजूद, अभी भी उनके पूर्ण तंत्र और गतिशीलता16,17 के बारे में संदेह है। परिणामों ने एक होलोग्राफिक तकनीक द्वारा सीटू में ऐसी जटिल रासायनिक घटनाओं की जांच और निगरानी के लिए खुली नई संभावनाएं प्राप्त कीं।

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Discussion

प्रस्तुत बायोफोटोनिक अध्ययन में, यह दिखाया गया है कि निम्न-स्तरीय थर्मल विकिरण के कारण न्यूनतम रूपात्मक विस्थापन या विरूपण का पता लगाने के लिए एक उपन्यास होलोग्राफिक विधि का उपयोग किया जा सकता है।

जैविक नमूनों के साथ होलोग्राफिक माप में सबसे महत्वपूर्ण कदम तैयारी कदम है। नमूना की तैयारी (धारक के आकार से मेल खाने के लिए काटने /ग्लूइंग) नमूना के यांत्रिक गुणों पर निर्भर करती है, और इस चरण के लिए एक मानक प्रोटोकॉल होना संभव नहीं है।

बीआर अध्ययन के बारे में, एक पारदर्शी प्रतिक्रिया पोत और अपेक्षाकृत स्पष्ट ऑप्टिकल पथ होना महत्वपूर्ण है, क्योंकि रासायनिक प्रतिक्रिया के दौरान हर बाधा, या भौतिक परिवर्तन (जैसे ऑक्सीजन की रिहाई, अशुद्धता) हस्तक्षेप पैटर्न को प्रभावित करेगा और इसलिए दर्ज परिणाम।

सामान्य तौर पर, वर्णित विधि की सबसे महत्वपूर्ण सीमा नमूना आकार है जिसका अध्ययन किया जा सकता है। नमूने में ऑप्टिकल सेटअप के भीतर डालने के लिए एक उपयुक्त आयाम होना चाहिए।
यहां हम दिखाते हैं कि होलोग्राफिक इंटरफेरोमेट्री (एचआई) को नमूनों के लक्षण वर्णन के लिए एक आवश्यक पूरक उपकरण के रूप में माना जाना चाहिए। उदाहरण के लिए, एक क्लासिक ऑप्टिकल / आईआर छवि केवल तीव्रता के बारे में जानकारी कैप्चर करती है, जबकि चरण के बारे में जानकारी पूरी तरह से खो जाती है18. होलोग्राफिक इंटरफेरोमेट्री तीव्रता और चरण के बारे में सभी जानकारी प्रदान करता है, और इसके अतिरिक्त वास्तविक समय में उनके परिवर्तनों की निगरानी के लिए उपयोग किया जा सकता है।

संघनित पदार्थ विज्ञान में इस पद्धति का शोषण करने का महत्व सिस्टम गतिशीलता में मामूली बदलावों को सीटू में प्रकट करना है। उदाहरण के लिए, बीआर प्रतिक्रिया समरूपता-तोड़ने की प्रक्रिया के पहले कारण को प्रकट कर सकती है। क्या समरूपता-ब्रेकिंग प्रक्रिया गैर-रेखीय गतिशीलता से जुड़ी भौतिक बाधाओं से पूर्व निर्धारित है, या प्रक्रिया वास्तव में यादृच्छिक है? दूसरी ओर, एक अन्य तरीके से, बीआर दोलन अवधि अवधि में मामूली अंतर संक्रमण उपस्थिति में एक महत्वपूर्ण विचलन का कारण बन सकता है?

प्रस्तुत परिणाम पहला कदम है जो नैनोस्केल पर गतिशीलता की गहरी समझ को जन्म देगा। चूंकि संघनित विज्ञान अनुसंधान में होलोग्राफी की क्षमता को अभी भी पूरी तरह से मान्यता नहीं दी गई है, इसलिए इस लेख का उद्देश्य भविष्य के भौतिक विज्ञान अनुसंधान और अनुप्रयोगों के लिए होलोग्राफी की शक्ति को उजागर करना है; उदाहरण के लिए, कण फँसाने और उत्तोलन जैसे वायुमंडल में अप्रकाशित हाइड्रोकार्बन की गति या विभिन्न एरोसोलका पृथक्करण 19, पानी में माइक्रोप्लास्टिक्स का टूटना और सामान्य रूप से कणों का विभाजन20, और माइक्रोन आकार के ईंधन कणों के तापमान और थर्मल चालकता गुणों का लक्षण वर्णन21.

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Disclosures

लेखकों ने हितों के टकराव की घोषणा नहीं की है।

Acknowledgments

एमएसपी, डीजी, डीवी, और बीके नाटो एसपीएस (शांति और सुरक्षा के लिए नाटो विज्ञान) 2019-2022 द्वारा वित्त पोषित मल्टीस्पेक्ट्रल निगरानी के लिए जैविक और जैव प्रेरित संरचनाओं के समर्थन को स्वीकार करते हैं। बी.के., डी.वी., बी.बी., डी.जी., और एम.एस.पी. द्वारा प्रदान की गई धनराशि को स्वीकार करते हैंब्रियाटिक्स बेलग्रेड संस्थान, द्वारा संस्थागत वित्त पोषण के माध्यम सेसुरबिया गणराज्य के शिक्षा, विज्ञान और तकनीकी विकास मंत्रालय। इसके अतिरिक्त, बीके एफआरएस - एफएनआरएस से समर्थन स्वीकार करता है। एमपी सर्बिया गणराज्य के शिक्षा, विज्ञान और तकनीकी विकास मंत्रालय, अनुबंध संख्या 451-03-9 / 2021-14 / 200026 से समर्थन स्वीकार करता है। एसआरएम को पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता के रूप में वालून क्षेत्र (कन्वेंशन एन ° 2110034) की एक सावधान फैलोशिप द्वारा समर्थित किया गया था। टीवी हरक्यूलिस फाउंडेशन से वित्तीय सहायता स्वीकार करता है। डीवी, एमएसपी, डीजी, एमपी, बीबी, और बीके रिसर्च ग्रांट एन 62902-22-1-2024 के माध्यम से नौसेना अनुसंधान ग्लोबल के कार्यालय के समर्थन को स्वीकार करते हैं। यह अध्ययन मैकेनिकल इंजीनियरिंग संकाय के बेलग्रेड विश्वविद्यालय में मरीना सिमोविक पावलोविक की पीएचडी डिग्री के लिए आवश्यकताओं की आंशिक पूर्ति में आयोजित किया गया था।

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 AcrEquation 10s 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

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References

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रसायन विज्ञान अंक 181
होलोग्राफिक इमेजिंग का उपयोग करके प्राकृतिक फोटोनिक संरचनाओं की छिपी हुई गतिशीलता को उजागर करना
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Simovic-Pavlovic, M., Pagnacco, M.… More

Simovic-Pavlovic, M., Pagnacco, M. C., Grujic, D., Bokic, B., Vasiljevic, D., Mouchet, S., Verbiest, T., Kolaric, B. Uncovering Hidden Dynamics of Natural Photonic Structures Using Holographic Imaging. J. Vis. Exp. (181), e63676, doi:10.3791/63676 (2022).

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