Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Дифференциальная динамическая микроскопия (ДДМ) - это оптический метод, который позволяет проводить эксперименты по рассеянию света с помощью простого оптического микроскопа . [1] [2] DDM подходит для типичных мягких материалов, таких как, например, жидкости или гели из коллоидов , полимеров и жидких кристаллов, а также для биологических материалов, таких как бактерии и клетки .

Основная идея [ править ]

Типичные данные DDM - это временная последовательность микроскопических изображений (видео), полученных на некоторой высоте внутри образца (обычно в его средней плоскости). Если интенсивность изображения локально пропорциональна концентрации частиц или молекул, подлежащих изучению (возможно, свернутой с функцией рассеяния точки микроскопа (PSF) ), каждый фильм может быть проанализирован в пространстве Фурье для получения информации о динамике концентрационных мод Фурье. , независимо от того, могут ли частицы / молекулы быть индивидуально разрешены оптически или нет . После соответствующей калибровки также может быть извлечена информация об амплитуде Фурье мод концентрации.

Применимость и принцип работы [ править ]

Пропорциональность концентрации и интенсивности действительна по крайней мере в двух очень важных случаях, которые различают два соответствующих класса методов DDM:

  1. DDM на основе рассеяния : где изображение является результатом наложения сильного прошедшего луча со слабо рассеянным светом от частиц. Типичные случаи, когда это условие может быть достигнуто, - это светлопольные , фазово-контрастные , поляризованные микроскопы.
  2. DDM на основе флуоресценции : где изображение является результатом некогерентного сложения интенсивности, излучаемой частицами ( флуоресцентный , конфокальный ) микроскопы

В обоих случаях свертка с PSF в реальном пространстве соответствует простому произведению в пространстве Фурье , что гарантирует, что изучение данной моды Фурье интенсивности изображения дает информацию о соответствующей моде Фурье поля концентрации. В отличие от отслеживания частиц , нет необходимости разрешать отдельные частицы, что позволяет DDM характеризовать динамику частиц или других движущихся объектов, размер которых намного меньше длины волны света. Тем не менее, изображения получаются в реальном пространстве, что дает ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами рассеяния (дальнего поля).

Анализ данных [ править ]

DDM основан на алгоритме, предложенном в [3] и [4], который удобно назвать дифференциальным динамическим алгоритмом (DDA) . DDA работает путем вычитания изображений, полученных в разное время, и пользуясь тем преимуществом, что по мере увеличения задержки между двумя вычтенными изображениями содержание энергии разностного изображения соответственно увеличивается. Двухмерный анализ с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ) разностных изображений позволяет количественно оценить рост сигнала, содержащийся для каждого волнового вектора, и можно рассчитать спектр мощности Фурье разностных изображений для различных задержек, чтобы получить так называемое изображение. структурная функция . Расчет показывает, что как для ДДМ на основе рассеяния, так и для флуоресценции

 

 

 

 

( 1 )

где - нормализованная промежуточная функция рассеяния , которая будет измеряться в эксперименте с динамическим рассеянием света (DLS) , интенсивность рассеяния образца, которая будет измеряться в эксперименте по статическому рассеянию света (SLS) , фоновый член из-за шума в цепи обнаружения. передаточная функция, которая зависит от деталей микроскопа. [2] Уравнение ( 1 ) показывает, что DDM может использоваться для экспериментов DLS при условии, что доступна модель для нормированной промежуточной функции рассеяния . [2] Например, в случае броуновского движенияодин имеет где - коэффициент диффузии броуновских частиц. Если передаточная функция определяется путем калибровки микроскопа подходящим образцом, DDM можно использовать также для экспериментов SLS . Альтернативные алгоритмы анализа данных предложены в [2]

Связь с другими методами рассеяния на основе изображений [ править ]

DDM на основе рассеяния принадлежит к так называемому семейству рассеяния в ближней зоне (или глубокому френелевскому) [5], недавно появившемуся семейству методов рассеяния на основе изображений. [6] [7] Ближнее поле используется здесь аналогично тому, что используется для спеклов ближнего поля, то есть как частный случай области Френеля в отличие от дальнего поля или области Фраунгофера. Семейство рассеяния в ближней зоне включает также количественную теневую съемку [8] и Шлирен . [3]

Приложения DDM [ править ]

DDM был введен в 2008 году и применялся для характеристики динамики коллоидных частиц в броуновском движении . [1] В последнее время он был успешно применен также к изучению процессов агрегации коллоидных наночастиц, [9] движения бактерий [10] [11] и динамики анизотропных коллоидов. [12]

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Cerbino, R .; Траппе, В. (2008). «Дифференциальная динамическая микроскопия: зондирование динамики, зависящей от волнового вектора, с помощью микроскопа». Phys. Rev. Lett . 100 (18): 188102. arXiv : 1507.01344 . Bibcode : 2008PhRvL.100r8102C . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.100.188102 . PMID  18518417 . S2CID  2155737 .
  2. ^ a b c d Giavazzi, F .; Brogioli, D .; Трапп, В .; Bellini, T .; Cerbino, R. (2009). «Информация о рассеянии, полученная с помощью оптической микроскопии: дифференциальная динамическая микроскопия и не только» (PDF) . Phys. Rev. E . 80 (3): 031403. Bibcode : 2009PhRvE..80c1403G . DOI : 10.1103 / PhysRevE.80.031403 . ЛВП : 10281/36546 . PMID 19905112 .  
  3. ^ a b Croccolo, F .; Brogioli, D .; Vailati, A .; Giglio, M .; Каннелл, Д.С. (2006). «Использование динамической шлирен-интерферометрии для изучения флуктуаций при свободной диффузии» (PDF) . Прикладная оптика . 45 (10): 2166–2173. Bibcode : 2006ApOpt..45.2166C . DOI : 10,1364 / ao.45.002166 . PMID 16607980 . S2CID 14981066 .   
  4. ^ Alaimo, M .; Magatti, D .; Ferri, F .; Potenza, MAC (2006). «Гетеродинная спекл-велосиметрия» . Прил. Phys. Lett . 88 (19): 191101. Bibcode : 2006ApPhL..88s1101A . DOI : 10.1063 / 1.2200396 . hdl : 11383/1501622 .
  5. ^ Cerbino, R .; Вайлати, А. (2009). "Методы рассеяния в ближней зоне: новая аппаратура и результаты исследований систем мягкой материи с временным и пространственным разрешением", Curr. Соч. Coll. Int». Science . 14 :. 416-425 DOI : 10.1016 / j.cocis.2009.07.003 .
  6. ^ Giglio, M .; Carpineti, M .; Вайлати, А. (2000). «Космические корреляции интенсивности в ближнем поле рассеянного света: прямое измерение функции корреляции плотности g (r)» (PDF) . Phys. Rev. Lett . 85 (7): 1416–1419. Bibcode : 2000PhRvL..85.1416G . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.85.1416 . PMID 10970518 . S2CID 19689982 .   
  7. ^ Brogioli, D .; Vailati, A .; Джильо, М. (2002). «Гетеродинное рассеяние в ближней зоне». Прил. Phys. Lett . 81 (22): 4109–11. arXiv : физика / 0305102 . Bibcode : 2002ApPhL..81.4109B . DOI : 10.1063 / 1.1524702 . S2CID 119087994 . 
  8. ^ Ву, М .; Ahlers, G .; Каннелл, Д.С. (1995). «Температурные флуктуации ниже начала конвекции Рэлея-Бенара». Phys. Rev. Lett . 75 (9): 1743–1746. arXiv : patt-sol / 9502002 . Bibcode : 1995PhRvL..75.1743W . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.75.1743 . PMID 10060380 . S2CID 9763624 .  
  9. ^ Ферри, Ф .; D'Angelo, A .; Ли, М .; Lotti, A .; Пигаццини, MC; Singh, K .; Cerbino, R. (2011). «Кинетика агрегации коллоидных фракталов методом дифференциальной динамической микроскопии». Европейский физический журнал ST . 199 : 139–148. Bibcode : 2011EPJST.199..139F . DOI : 10.1140 / epjst / e2011-01509-9 . S2CID 122479823 . 
  10. ^ Уилсон, LG; Мартинес, Вирджиния; Schwarz-Linek, J .; Tailleur, J .; Bryant, G .; Пусей, ПН; Пун, WCK (2011). «Дифференциальная динамическая микроскопия подвижности бактерий». Phys. Rev. Lett . 106 (1): 018101. arXiv : 1004.4764 . Bibcode : 2011PhRvL.106a8101W . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.106.018101 . PMID 21231772 . S2CID 18935594 .  
  11. ^ Мартинес, Винсент А .; Бесселинг, Рут; Croze, Ottavio A .; Тайлер, Жюльен; Реуфер, Матиас; Шварц-Линек, Яна; Уилсон, Лоуренс Дж .; Пчелы, Мартин А.; Пун, Уилсон CK (2012). «Дифференциальная динамическая микроскопия: высокопроизводительный метод определения подвижности микроорганизмов» . Биофизический журнал . 103 (8): 1637–1647. arXiv : 1202.1702 . Bibcode : 2012BpJ ... 103.1637M . DOI : 10.1016 / j.bpj.2012.08.045 . PMC 3475350 . PMID 23083706 .  
  12. ^ Reufer, M .; Мартинес, Вирджиния; Schurtenberger, P .; Пун, WCK (2012). "Дифференциальная динамическая микроскопия для анизотропной динамики коллоидов". Ленгмюра . 28 (10): 4618–4624. DOI : 10.1021 / la204904a . PMID 22324390 .