Diferenciální dynamická mikroskopie - Differential dynamic microscopy

Diferenciální dynamická mikroskopie (DDM) je optická technika, která umožňuje provádění rozptyl světla experimenty pomocí jednoduchého optický mikroskop.[1][2] DDM je vhodný pro typické měkké materiály jako například kapaliny nebo gely vyroben z koloidy, polymery a tekuté krystaly ale také pro biologické materiály, jako jsou bakterie a buňky.

Základní myšlenka

Typická data DDM jsou časová posloupnost mikroskopických obrazů (filmů) získaných v určité výšce ve vzorku (obvykle v jeho střední rovině). Pokud je intenzita obrazu lokálně úměrná koncentraci částic nebo molekul, které mají být studovány (případně spletené mikroskopem) funkce rozložení bodů (PSF) ), každý film lze analyzovat ve Fourierově prostoru za účelem získání informací o dynamice koncentrace Fourierových režimů, nezávisle na skutečnosti, že částice / molekuly mohou být individuálně opticky rozděleny nebo ne. Po vhodné kalibraci lze také získat informace o Fourierově amplitudě režimů koncentrace.

Použitelnost a pracovní princip

Proporcionalita koncentrace a intenzity je platná alespoň ve dvou velmi důležitých případech, které rozlišují dvě odpovídající třídy metod DDM:

  1. rozptyl založený na DDM: kde je obraz výsledkem superpozice silně přenášeného paprsku se slabě rozptýleným světlem z částic. Typické případy, kdy lze tuto podmínku získat, jsou světlé pole, fázový kontrast, polarizovaný mikroskopy.
  2. fluorescenční DDM: kde je obraz výsledkem nekoherentního přidání intenzity emitované částicemi (fluorescence, konfokální ) mikroskopy

V obou případech byla konvoluce s PSF v skutečný prostor odpovídá jednoduchému produktu v Fourierův prostor, což zaručuje, že studium daného Fourierova režimu intenzity obrazu poskytuje informace o odpovídajícím Fourierově režimu koncentračního pole. V kontrastu s sledování částic není třeba řešit jednotlivé částice, což umožňuje DDM charakterizovat dynamiku částic nebo jiných pohybujících se entit, jejichž velikost je mnohem menší než vlnová délka světla. Přesto se obrazy získávají v reálném prostoru, což poskytuje několik výhod s ohledem na tradiční metody rozptylu (vzdálené pole).

Analýza dat

DDM je založen na algoritmu navrženém v[3] a,[4] který se pohodlně jmenuje Diferenciální dynamický algoritmus (DDA). DDA funguje tak, že odečte obrázky pořízené v různých časech a využije této výhody jako zpoždění mezi dvěma odečtenými obrazy se zvětší, odpovídajícím způsobem se zvýší energetický obsah rozdílového obrazu. Dvojrozměrný Rychlá Fourierova transformace (FFT) analýza rozdílových obrazů umožňuje kvantifikovat růst signálu, který obsahuje pro každý vlnový vektor a lze vypočítat Fourierovo výkonové spektrum rozdílových obrazů pro různá zpoždění získat tzv funkce struktury obrazu . Výpočet ukazuje, že pro DDM na bázi rozptylu i fluorescence

 

 

 

 

(1)

kde je normalizovaný mezilehlá funkce rozptylu to by bylo měřeno v a Dynamický rozptyl světla (DLS) experiment, intenzita rozptylu vzorku, která by byla měřena v a Statický rozptyl světla (SLS) experiment, termín pozadí kvůli šumu v detekčním řetězci přenosová funkce, která závisí na podrobnostech mikroskopu.[2] Rovnice (1) ukazuje, že DDM lze použít pro DLS experimenty za předpokladu, že model pro normalizaci mezilehlá funkce rozptylu je k dispozici.[2] Například v případě Brownův pohyb jeden má kde je koeficient difúze Brownových částic. Pokud je funkce přenosu se stanoví kalibrací mikroskopu vhodným vzorkem, DDM lze použít také pro SLS experimenty. Alternativní algoritmy pro analýzu dat jsou navrženy v.[2]

Vztah k dalším zobrazovacím metodám rozptylu

DDM založené na rozptylu patří k tzv rozptyl blízkého pole (nebo hluboký Fresnel) rodina,[5] nedávno představená rodina metod rozptylu založených na zobrazování.[6][7] Blízko pole se zde používá podobným způsobem, pro jaký se používá poblíž pole skvrny tj. jako konkrétní případ regionu Fresnel na rozdíl od vzdálené pole nebo Fraunhoferova oblast. Rodina rozptylu blízkého pole zahrnuje také kvantitativní stínová grafika[8] a Schlieren.[3]

Aplikace DDM

DDM byl představen v roce 2008 a byl použit pro charakterizaci dynamiky koloidní částice v Brownův pohyb.[1] V poslední době byla úspěšně aplikována také na studium agregačních procesů koloidních nanočástic,[9] bakteriálních pohybů[10][11] a dynamiky anizotropních koloidů.[12]

Reference

  1. ^ A b Cerbino, R .; Trappe, V. (2008). Msgstr "Diferenciální dynamická mikroskopie: zkoumání dynamiky závislé na vlnovodu mikroskopem". 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 .; Trappe, V .; Bellini, T .; Cerbino, R. (2009). „Informace o rozptylu získané optickou mikroskopií: Diferenciální dynamická mikroskopie a dále“ (PDF). Phys. Rev.. 80 (3): 031403. Bibcode:2009PhRvE..80c1403G. doi:10.1103 / PhysRevE.80.031403. hdl:10281/36546. PMID  19905112.
  3. ^ A b Croccolo, F .; Brogioli, D .; Vailati, A .; Giglio, M .; Cannell, D. S. (2006). "Použití dynamické schlierenovy interferometrie ke studiu fluktuací během volné difúze" (PDF). Aplikovaná optika. 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, M.A.C. (2006). „Heterodynová tečkovaná velocimetrie“. Appl. Phys. Lett. 88 (19): 191101. Bibcode:2006ApPhL..88s1101A. doi:10.1063/1.2200396. hdl:11383/1501622.
  5. ^ Cerbino, R .; Vailati, A. (2009). „Techniky rozptylu blízkého pole: Nová instrumentace a výsledky časově a prostorově vyřešených výzkumů systémů měkké hmoty“, Curr. Op. Sb. Int ". Věda. 14: 416–425. doi:10.1016 / j.cocis.2009.07.003.
  6. ^ Giglio, M .; Carpineti, M .; Vailati, A. (2000). „Korelace intenzity prostoru v blízkém poli rozptýleného světla: přímé měření funkce korelace hustoty 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 .; Giglio, M. (2002). "Heterodynový rozptyl blízkého pole". Appl. Phys. Lett. 81 (22): 4109–11. arXiv:fyzika / 0305102. Bibcode:2002ApPhL..81.4109B. doi:10.1063/1.1524702. S2CID  119087994.
  8. ^ Wu, M .; Ahlers, G .; Cannell, D. S. (1995). „Tepelně indukované fluktuace pod počátkem Rayleigh-Bénardovy konvekce“. Phys. Rev. Lett. 75 (9): 1743–1746. arXiv:patt-sol / 9502002. Bibcode:1995PhRvL..75,1743 W.. doi:10.1103 / PhysRevLett.75.1743. PMID  10060380. S2CID  9763624.
  9. ^ Ferri, F .; D'Angelo, A .; Lee, M .; Lotti, A .; Pigazzini, M.C .; Singh, K .; Cerbino, R. (2011). "Kinetika agregace koloidních fraktálů pomocí diferenciální dynamické mikroskopie". European Physical Journal ST. 199: 139–148. Bibcode:2011EPJST.199..139F. doi:10.1140 / epjst / e2011-01509-9. S2CID  122479823.
  10. ^ Wilson, L. G .; Martinez, V. A .; Schwarz-Linek, J .; Tailleur, J .; Bryant, G .; Pusey, P. N .; Poon, W. C. K. (2011). "Diferenciální dynamická mikroskopie bakteriální motility". Phys. Rev. Lett. 106 (1): 018101. arXiv:1004.4764. Bibcode:2011PhRvL.106a8101W. doi:10.1103 / PhysRevLett.106.018101. PMID  21231772. S2CID  18935594.
  11. ^ Martinez, Vincent A .; Besseling, Rut; Croze, Ottavio A .; Tailleur, Julien; Reufer, Mathias; Schwarz-Linek, Jana; Wilson, Laurence G .; Včely, Martin A .; Poon, Wilson C.K. (2012). „Diferenciální dynamická mikroskopie: vysoce výkonná metoda pro charakterizaci motility mikroorganismů“. Biofyzikální deník. 103 (8): 1637–1647. arXiv:1202.1702v1. Bibcode:2012BpJ ... 103,1637M. doi:10.1016 / j.bpj.2012.08.045. PMC  3475350. PMID  23083706.
  12. ^ Reufer, M .; Martinez, V. A .; Schurtenberger, P .; Poon, W. C. K. (2012). "Diferenciální dynamická mikroskopie pro anizotropní koloidní dynamiku". Langmuir. 28 (10): 4618–4624. doi:10.1021 / la204904a. PMID  22324390.