Дифференциальная динамическая микроскопия - Differential dynamic microscopy

Дифференциальная динамическая микроскопия (DDM) - это оптический метод, позволяющий выполнять рассеяние света эксперименты с помощью простого оптический микроскоп.^[1][2] DDM подходит для типичных мягкие материалы как например жидкости или гели сделано из коллоиды, полимеры и жидкие кристаллы но также и для биологических материалов, таких как бактерии и клетки.

Основная мысль

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, которые необходимо изучить (возможно, свернутые с помощью микроскопа функция рассеяния точки (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

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 на слаборассеянный свет от частиц. Типичные случаи, когда это условие может быть получено: светлое поле, фазовый контраст, поляризованный микроскопы.
2. DDM на основе флуоресценции: где изображение является результатом некогерентного сложения интенсивности, излучаемой частицами (флуоресценция, конфокальный ) микроскопы

В обоих случаях свертка с PSF в реальное пространство соответствует простому продукту в Пространство Фурье, что гарантирует, что изучение данной фурье-моды интенсивности изображения дает информацию о соответствующей фурье-моде поля концентрации. По сравнению с отслеживание частиц, нет необходимости в разрешении отдельных частиц, что позволяет DDM характеризовать динамику частиц или других движущихся объектов, размер которых намного меньше длины волны света. Тем не менее, изображения получают в реальном пространстве, что дает ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами рассеяния (дальнего поля).

Анализ данных

DDM основан на алгоритме, предложенном в^[3] и,^[4] который удобно назван Дифференциальный динамический алгоритм (DDA). DDA работает путем вычитания изображений, полученных в разное время, и использует это преимущество, поскольку задержка ${\displaystyle \Delta t}$ между двумя вычтенными изображениями становится больше, соответственно увеличивается энергосодержание разностного изображения. Двумерный Быстрое преобразование Фурье (БПФ) Анализ разностных изображений позволяет количественно оценить рост сигнала, содержащийся для каждого волнового вектора. ${\displaystyle q}$ и можно рассчитать спектр мощности Фурье разностных изображений для разных задержек ${\displaystyle \Delta t}$ получить так называемые функция структуры изображения ${\displaystyle D(q;\Delta t)}$. Расчет показывает, что для DDM как на основе рассеяния, так и на флуоресценции

${\displaystyle D(q;\Delta t)=B(q)+T(q)I(q)[1-f(q;\Delta t)]\,}$

(1)

где ${\displaystyle f(q;\Delta t)}$ нормализованный промежуточная функция рассеяния это будет измеряться в Динамическое рассеяние света (DLS) эксперимент ${\displaystyle I(q)}$ интенсивность рассеяния образца, которую можно было бы измерить в Статическое рассеяние света (SLS) эксперимент ${\displaystyle B(q)}$ фоновый член из-за шума в цепи обнаружения ${\displaystyle T(q)}$ передаточная функция, которая зависит от деталей микроскопа.^[2] Уравнение (1) показывает, что DDM можно использовать для DLS экспериментов при условии, что модель нормированной промежуточная функция рассеяния доступен.^[2] Например, в случае Броуновское движение надо ${\displaystyle f(q;\Delta t)=e^{-Dq^{2}\Delta t},}$ где ${\displaystyle D}$ это коэффициент диффузии броуновских частиц. Если передаточная функция ${\displaystyle T(q)}$ определяется путем калибровки микроскопа подходящим образцом, DDM может использоваться также для SLS эксперименты. Альтернативные алгоритмы анализа данных предлагаются в.^[2]

Связь с другими методами рассеяния на основе изображений

DDM на основе рассеяния относится к так называемым ближнепольное (или глубокое френелевское) рассеяние семья^[5] недавно представленное семейство методов рассеяния на основе изображений.^[6][7] Ближнее поле используется здесь аналогично тому, что используется для крапинки ближнего поля т.е. как частный случай области Френеля в отличие от дальнее поле или регион Фраунгофера. Семейство рассеяния в ближней зоне включает также количественные тенография^[8] и Шлирен.^[3]

Приложения DDM

DDM был введен в 2008 году и применялся для характеристики динамики коллоидные частицы в Броуновское движение.^[1] Совсем недавно он был успешно применен также для изучения процессов агрегации коллоидных наночастиц,^[9] бактериальных движений^[10][11] и динамики анизотропных коллоидов.^[12]

Рекомендации

1. 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:2008ПхРвЛ.100р8102С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.100.188102. PMID  18518417. S2CID  2155737.
2. 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. Ред. E. 80 (3): 031403. Bibcode:2009PhRvE..80c1403G. Дои:10.1103 / PhysRevE.80.031403. HDL:10281/36546. PMID  19905112.
3. 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. Дои:10.1364 / АО.45.002166. PMID  16607980. S2CID  14981066.
4. Alaimo, M .; Magatti, D .; Ferri, F .; Potenza, M.A.C. (2006). «Гетеродинная спекл-велосиметрия». Appl. Phys. Латыш. 88 (19): 191101. Bibcode:2006АпФЛ..88с1101А. Дои: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. Инт ». Наука. 14: 416–425. Дои:10.1016 / j.cocis.2009.07.003.
6. Giglio, M .; Carpineti, M .; Вайлати, А. (2000). «Корреляции пространственной интенсивности в ближнем поле рассеянного света: прямое измерение функции корреляции плотности g (r)» (PDF). Phys. Rev. Lett. 85 (7): 1416–1419. Bibcode:2000ПхРвЛ..85.1416Г. Дои:10.1103 / PhysRevLett.85.1416. PMID  10970518. S2CID  19689982.
7. Brogioli, D .; Vailati, A .; Джильо, М. (2002). «Гетеродинное рассеяние в ближней зоне». Appl. Phys. Латыш. 81 (22): 4109–11. arXiv:физика / 0305102. Bibcode:2002АпФЛ..81.4109Б. Дои:10.1063/1.1524702. S2CID  119087994.
8. Wu, M .; 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. Дои:10.1103 / PhysRevLett.75.1743. PMID  10060380. S2CID  9763624.
9. Ferri, F .; D'Angelo, A .; Ли, М .; Lotti, A .; Pigazzini, M.C .; Singh, K .; Cerbino, R. (2011). «Кинетика агрегации коллоидных фракталов методом дифференциальной динамической микроскопии». Европейский физический журнал ST. 199: 139–148. Bibcode:2011EPJST.199..139F. Дои:10.1140 / epjst / e2011-01509-9. S2CID  122479823.
10. Wilson, L.G .; Мартинес, В. А .; Schwarz-Linek, J .; Tailleur, J .; Bryant, G .; Pusey, P.N .; Пун, В. К. К. (2011). «Дифференциальная динамическая микроскопия подвижности бактерий». Phys. Rev. Lett. 106 (1): 018101. arXiv:1004.4764. Bibcode:2011PhRvL.106a8101W. Дои: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 .; Bees, Martin A .; Пун, Уилсон С.К. (2012). «Дифференциальная динамическая микроскопия: высокопроизводительный метод определения подвижности микроорганизмов». Биофизический журнал. 103 (8): 1637–1647. arXiv:1202.1702v1. Bibcode:2012BpJ ... 103,1637M. Дои:10.1016 / j.bpj.2012.08.045. ЧВК  3475350. PMID  23083706.
12. Reufer, M .; Мартинес, В. А .; Schurtenberger, P .; Пун, В. К. К. (2012). "Дифференциальная динамическая микроскопия для анизотропной динамики коллоидов". Langmuir. 28 (10): 4618–4624. Дои:10.1021 / la204904a. PMID  22324390.