الكشف عن الديناميكيات الخفية للهياكل الضوئية الطبيعية باستخدام التصوير المجسم
Summary
تركز الورقة في المقام الأول على القوة المشتركة للطرق البصرية (الخطية وغير الخطية) والثلاثية الأبعاد المستخدمة للكشف عن الظواهر على المستوى النانوي. يتم إعطاء النتائج التي تم الحصول عليها من دراسات التفاعلات الكيميائية البيوفوتونية والمتذبذبة كأمثلة تمثيلية ، مما يسلط الضوء على قدرة التصوير المجسم على الكشف عن الديناميكيات على نطاق نانوي.
Abstract
في هذه الطريقة ، يتم استغلال إمكانات البصريات والتصوير المجسم للكشف عن التفاصيل الخفية للاستجابة الديناميكية للنظام الطبيعي على نطاق النانو. في الجزء الأول ، يتم تقديم الدراسات البصرية والثلاثية الأبعاد للهياكل الضوئية الطبيعية بالإضافة إلى شروط ظهور التأثير الضوئي ، أي إزاحة أو تشوه بنية نانوية بسبب تدرج حراري يسببه الضوء ، على مقياس النانو. يتم الكشف عن هذا التأثير من خلال قياس التداخل الرقمي المجسم في الوقت الفعلي الذي يراقب تشوه المقاييس التي تغطي أجنحة الحشرات الناجمة عن درجة الحرارة. يتم إثبات وتأكيد العلاقة بين الهندسة والتموج النانوي الذي يؤدي إلى ظهور التأثير الضوئي تجريبيا. في الجزء الثاني ، يظهر كيف يمكن استخدام التصوير المجسم للكشف عن التفاصيل الخفية في النظام الكيميائي ذات الديناميكيات غير الخطية ، مثل ظاهرة انتقال الطور التي تحدث في تفاعل Briggs-Rauscher (BR) المتذبذب المعقد. ويمكن للإمكانات المعروضة للتصوير المجسم على المستوى النانوي أن تفتح إمكانيات هائلة للتحكم في التأثير الضوئي وتشكيل الأنماط وتشكيلها لمختلف التطبيقات مثل احتجاز الجسيمات ورفعها، بما في ذلك حركة الهيدروكربونات غير المحترقة في الغلاف الجوي وفصل الهباء الجوي المختلف، وتحلل اللدائن الدقيقة وتجزئة الجسيمات بشكل عام، وتقييم درجة الحرارة والتوصيل الحراري لجزيئات الوقود بحجم ميكرون.
Introduction
لفهم وملاحظة جميع الظواهر الفريدة في عالم النانو بشكل كامل ، من الأهمية بمكان استخدام تقنيات قادرة على الكشف عن جميع التفاصيل المتعلقة بالهياكل والديناميات على نطاق النانو. على هذا الحساب ، يتم تقديم مزيج فريد من الطرق الخطية وغير الخطية ، جنبا إلى جنب مع قوة التصوير المجسم للكشف عن ديناميكيات النظام على نطاق النانو.
يمكن النظر إلى التقنية الثلاثية الأبعاد الموصوفة على أنها طريقة التسجيل الثلاثي (rec هو اختصار للتسجيل) ، لأنه في وقت معين يتم تسجيل الإشارة في وقت واحد بواسطة كاميرا فوتوغرافية وكاميرا حرارية ومقياس تداخل. يعد التحليل الطيفي البصري الخطي وغير الخطي والتصوير المجسم من التقنيات المعروفة جيدا ، والتي يتم وصف مبادئها الأساسية على نطاق واسع في الأدبيات 1,2.
لاختصار قصة طويلة ، يسمح قياس التداخل الثلاثي الأبعاد بمقارنة الجبهات الموجية المسجلة في لحظات مختلفة من الوقت لتوصيف ديناميكيات النظام. كان يستخدم سابقا لقياس ديناميكيات الاهتزاز 3,4. تعتمد قوة التصوير المجسم كأبسط طريقة لقياس التداخل على قدرته على اكتشاف أصغر إزاحة داخل النظام. أولا، استغلنا التصوير المجسم لمراقبة وكشف التأثير الضوئي5 (أي إزاحة تشوه بنية نانوية بسبب تدرج حراري يسببه الضوء)، في هياكل بيولوجية مختلفة. وللحصول على عرض حقيقي للطريقة، تم اختيار عينات تمثيلية من عدد من العينات البيولوجية المختبرة6. أجنحة فراشة ملكة إسبانيا ، إيسوريا لاثونيا (لينيوس ، 1758; I. lathonia)، استخدمت في إطار هذه الدراسة.
بعد أن أثبتت بنجاح حدوث الرحلان الضوئي على المستوى النانوي في الأنسجة البيولوجية ، تم تطبيق بروتوكول مماثل لمراقبة عملية كسر التماثل التلقائي7 الناجمة عن انتقال الطور في تفاعل كيميائي متذبذب. في هذا الجزء ، تمت دراسة انتقال الطور من تركيز منخفض من اليوديد واليود (يسمى الحالة الأولى) إلى تركيز عال من اليوديد واليود مع تكوين اليود الصلب (يعرف باسم الحالة II) الذي يحدث في تفاعل BR غير الخطي كيميائيا 8,9. هنا ، أبلغنا لأول مرة عن نهج ثلاثي الأبعاد يسمح بدراسة مثل هذا الانتقال المرحلي وديناميكيات كسر التماثل التلقائي على مقياس النانو الذي يحدث في الأنظمة المكثفة.
Protocol
Representative Results
Discussion
في الدراسة البيوفوتونية المقدمة ، تبين أنه يمكن استخدام طريقة ثلاثية الأبعاد جديدة للكشف عن الحد الأدنى من الإزاحة المورفولوجية أو التشوه الناجم عن الإشعاع الحراري منخفض المستوى.
الخطوة الأكثر أهمية في القياس المجسم مع العينات البيولوجية هي خطوة التحضير. يعتمد إعداد العي…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يعترف M. S. P. ، D. G. ، D. V. ، و B. K. بدعم الهياكل البيولوجية والمستوحاة بيولوجيا للمراقبة متعددة الأطياف ، بتمويل من NATO SPS (NATO SCIENCE FOR Peace and Security) 2019-2022. ب. ك. و د. ف. و ب. ب. و د. غ. و م. س. ب. يقترفون بالتمويل المقدم من معهد الفيزياء في بلغراد، من خلال التمويل المؤسسي من قبل وزارة التعليم والعلوم والتنمية التكنولوجية في جمهورية صربيا. بالإضافة إلى ذلك ، يعترف B. K. بالدعم المقدم من F R S – FNRS. P. يقر بالدعم المقدم من وزارة التعليم والعلوم والتنمية التكنولوجية في جمهورية صربيا، العقد رقم 451-03-9/2021-14/200026. تم دعم S. R. M. من قبل زمالة BEWARE من منطقة والون (الاتفاقية رقم 2110034) ، كباحث ما بعد الدكتوراه. تعترف T. V. بالدعم المالي المقدم من مؤسسة هرقل. D.V. ، M.S.P. ، D.G. ، M.P. ، B.B. ، و B.K. تعترف بدعم مكتب البحوث البحرية العالمية من خلال منحة الأبحاث N62902-22-1-2024. أجريت هذه الدراسة في الوفاء الجزئي بمتطلبات درجة الدكتوراه لمارينا سيموفيتش بافلوفيتش في جامعة بلغراد ، كلية الهندسة الميكانيكية.
Materials
| 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 | 640×512 pixel; Thermal resolution 50 mK |
| Video camera | Nikon | 1v3 | 18.4 Mpixel; 60 fps |
References
- Pietrzyk, D. J., Frank, C. W. Development of an analytical method. Analytical Chemistry. , 10-19 (1979).
- Ostrovsky, Y. I., Shchepinov, V. P., Yakovlev, V. V. . Holographic Interferometry in Experimental Mechanics. 60, (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. &. #. 3. 8. 1. ;., Vasiljević, D. M. S. i. n. g. l. e. -. b. e. a. m. 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. , (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. &. #. 2. 7. 2. ;., 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. &. #. 3. 8. 1. ;. 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. , (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. Self-organization in nonequilibrium systems. Dissipative Structures to Order through Fluctuations. , 339-426 (1977).
- 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. , (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).
