Дифференциальная динамическая микроскопия

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

Основная идея

Типичные данные DDM представляют собой временную последовательность микроскопических изображений (фильм), полученных на некоторой высоте внутри образца (обычно в его средней плоскости). Если интенсивность изображения локально пропорциональна концентрации изучаемых частиц или молекул (возможно, свернутая с функцией рассеяния точки микроскопа (PSF) ), каждый фильм можно анализировать в пространстве Фурье для получения информации о динамике концентрационных мод Фурье. , независимо от того, могут ли частицы/молекулы быть индивидуально оптически разрешены или нет . После соответствующей калибровки также можно получить информацию об амплитуде Фурье режимов концентрации.

Применимость и принцип работы

Пропорциональность концентрации-интенсивности справедлива по крайней мере в двух очень важных случаях, которые выделяют два соответствующих класса методов МДР:

DDM на основе рассеяния : где изображение является результатом суперпозиции сильного прошедшего луча со слабо рассеянным светом от частиц. Типичными случаями, когда это условие может быть получено, являются светлопольные , фазово-контрастные , поляризационные микроскопы.
DDM на основе флуоресценции : где изображение является результатом некогерентного сложения интенсивности, излучаемой частицами ( флуоресцентные , конфокальные ) микроскопы.

В обоих случаях свертка с PSF в реальном пространстве соответствует простому произведению в пространстве Фурье , что гарантирует, что изучение заданной Фурье-моды интенсивности изображения дает информацию о соответствующей Фурье-моде 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 (в дальнем поле).

Анализ данных

DDM основан на алгоритме, предложенном Croccolo et al. ^[3] и Алаймо и др., ^[4] который удобно называть дифференциальным динамическим алгоритмом (DDA) . DDA работает путем вычитания изображений, полученных в разное время, и использует это преимущество, поскольку задержка $\Delta t$ Между двумя вычтенными изображениями становится больше, соответственно увеличивается энергетическое содержание разностного изображения. Двумерный анализ разностных изображений с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ) позволяет количественно оценить рост содержания сигнала для каждого волнового вектора. $q$ и можно рассчитать спектр мощности Фурье разностных изображений для разных задержек. $\Delta t$ для получения так называемой функции структуры изображения $D(q;\Delta t)$ . Расчет показывает, что как для DDM, основанного на рассеянии, так и на основе флуоресценции

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

( 1 )

где $f(q;\Delta t)$ - это нормализованная промежуточная функция рассеяния , которая будет измерена в эксперименте по динамическому рассеянию света (DLS) , $I(q)$ интенсивность рассеяния образца, которая будет измерена в эксперименте по статическому светорассеянию (SLS) , $B(q)$ фоновый член из-за шума в цепочке обнаружения $T(q)$ передаточная функция, которая зависит от деталей микроскопа. ^[2] Уравнение ( 1 модель нормированной промежуточной функции рассеяния . ) показывает, что DDM можно использовать для экспериментов по ДРС при условии, что доступна ^[2] Например, в случае броуновского движения имеем $f(q;\Delta t)=e^{-Dq^{2}\Delta t},$ где $D$ – коэффициент диффузии броуновских частиц. Если передаточная функция $T(q)$ определяется путем калибровки микроскопа с помощью подходящего образца, DDM можно использовать также для экспериментов SLS. Альтернативные алгоритмы анализа данных предложены в . ^[2]

Запуск DDM на серии кадров, меньших, чем полный кадр, называется мульти-DDM. Это аналогично изменению объема рассеяния в эксперименте по рассеянию света, но его легко выполнить, выбрав из полнокадрового фильма. Масштаб когерентности динамики можно определить из анализа нескольких DDM. ^[5]

Связь с другими методами рассеяния на основе визуализации

DDM на основе рассеяния принадлежит к так называемому ближнего поля (или глубокого Френеля ) семейству рассеяния , ^[6] недавно представленное семейство методов рассеяния на основе визуализации. ^[7]^[8] Ближнее поле используется здесь аналогично тому, что используется для спеклов ближнего поля, т.е. как частный случай области Френеля в отличие от дальнего поля или области Фраунгофера. Семейство рассеяния в ближнем поле включает также количественную теневую фотографию. ^[9] и полосы . ^[3]

Приложения

DDM был представлен в 2008 году и применялся для характеристики динамики коллоидных частиц в броуновском движении . ^[1] В последнее время он был успешно применен и для изучения процессов агрегации коллоидных наночастиц. ^[10] бактериальных движений, ^[11]^[12] динамики анизотропных коллоидов ^[13] и подвижных ресничек. ^[5]

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Чербино, Р.; Траппе, В. (2008). «Дифференциальная динамическая микроскопия: исследование динамики, зависящей от волнового вектора, с помощью микроскопа». Физ. Преподобный Летт . 100 (18): 188102. arXiv : 1507.01344 . Бибкод : 2008PhRvL.100r8102C . doi : 10.1103/PhysRevLett.100.188102 . ПМИД 18518417 . S2CID 2155737 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Джавацци, Ф.; Броджиоли, Д.; Траппе, В.; Беллини, Т.; Чербино, Р. (2009). «Информация о рассеянии, полученная с помощью оптической микроскопии: дифференциальная динамическая микроскопия и не только» (PDF) . Физ. Преподобный Е. 80 (3): 031403. Бибкод : 2009PhRvE..80c1403G . дои : 10.1103/PhysRevE.80.031403 . hdl : 10281/36546 . ПМИД 19905112 .
^ Jump up to: ^а ^б Крокколо, Ф.; Броджиоли, Д.; Вайлати, А.; Джильо, М.; Каннелл, DS (2006). «Использование динамической шлирен-интерферометрии для изучения флуктуаций во время свободной диффузии». Прикладная оптика . 45 (10): 2166–2173. Бибкод : 2006ApOpt..45.2166C . дои : 10.1364/ao.45.002166 . ПМИД 16607980 . S2CID 14981066 .
^ Алаймо, М.; Магатти, Д.; Ферри, Ф.; Потенца, MAC (2006). «Гетеродинная спекл-велоциметрия» . Прил. Физ. Летт . 88 (19): 191101. Бибкод : 2006ApPhL..88s1101A . дои : 10.1063/1.2200396 . hdl : 11383/1501622 .
^ Jump up to: ^а ^б Фериани, Л.; Жюне, М.; Фаулер, CJ; Брюо, Н.; Чиоччоли, М.; Голландия, СМ; Брайант, CE; Цикута, П. (2017). «Оценка коллективной динамики подвижных ресничек в культурах клеток дыхательных путей человека с помощью многомасштабного DDM» . Биофизический журнал . 113 (1): 109–119. Бибкод : 2017BpJ...113..109F . дои : 10.1016/j.bpj.2017.05.028 . ПМК 5510766 . ПМИД 28700909 .
^ Чербино, Р.; Вайлати, А. (2009). «Методы рассеяния в ближнем поле: новые приборы и результаты исследований систем мягкой материи с временным и пространственным разрешением», Curr. Оп. Колл. Int». Science . 14 : 416–425. doi : 10.1016/j.cocis.2009.07.003 .
^ Джильо, М.; Карпинети, М.; Вайлати, А. (2000). «Корреляции пространственной интенсивности в ближнем поле рассеянного света: прямое измерение корреляционной функции плотности g (r)» (PDF) . Физ. Преподобный Летт . 85 (7): 1416–1419. Бибкод : 2000PhRvL..85.1416G . doi : 10.1103/PhysRevLett.85.1416 . ПМИД 10970518 . S2CID 19689982 . Архивировано из оригинала (PDF) 31 декабря 2019 г.
^ Броджиоли, Д.; Вайлати, А.; Джильо, М. (2002). «Гетеродинное рассеяние в ближнем поле». Прил. Физ. Летт . 81 (22): 4109–11. arXiv : физика/0305102 . Бибкод : 2002ApPhL..81.4109B . дои : 10.1063/1.1524702 . S2CID 119087994 .
^ Ву, М.; Алерс, Г.; Каннелл, DS (1995). «Термически индуцированные колебания ниже начала конвекции Рэлея-Бенара». Физ. Преподобный Летт . 75 (9): 1743–1746. arXiv : patt-sol/9502002 . Бибкод : 1995PhRvL..75.1743W . doi : 10.1103/PhysRevLett.75.1743 . ПМИД 10060380 . S2CID 9763624 .
^ Ферри, Ф.; Д'Анджело, А.; Ли, М.; Лотти, А.; Пигаццини, MC; Сингх, К.; Чербино, Р. (2011). «Кинетика коллоидно-фрактальной агрегации методами дифференциальной динамической микроскопии». Европейский физический журнал ST . 199 : 139–148. Бибкод : 2011EPJST.199..139F . дои : 10.1140/epjst/e2011-01509-9 . S2CID 122479823 .
^ Уилсон, Л.Г.; Мартинес, Вирджиния; Шварц-Линек, Дж.; Тайлер, Дж.; Брайант, Г.; Пьюзи, Пенсильвания; Пун, WCK (2011). «Дифференциальная динамическая микроскопия подвижности бактерий». Физ. Преподобный Летт . 106 (1): 018101.arXiv : 1004.4764 . Бибкод : 2011PhRvL.106a8101W . doi : 10.1103/PhysRevLett.106.018101 . ПМИД 21231772 . S2CID 18935594 .
^ Мартинес, Винсент А.; Бесселинг, Рут; Кроз, Оттавио А.; Тайлер, Жюльен; Ройфер, Матиас; Шварц-Линек, Яна; Уилсон, Лоуренс Г.; Пчелы, Мартин А.; Пун, Уилсон С.К. (2012). «Дифференциальная динамическая микроскопия: высокопроизводительный метод характеристики подвижности микроорганизмов» . Биофизический журнал . 103 (8): 1637–1647. arXiv : 1202.1702 . Бибкод : 2012BpJ...103.1637M . дои : 10.1016/j.bpj.2012.08.045 . ПМЦ 3475350 . ПМИД 23083706 .
^ Ройфер, М.; Мартинес, Вирджиния; Шуртенбергер, П.; Пун, WCK (2012). «Дифференциальная динамическая микроскопия анизотропной коллоидной динамики». Ленгмюр . 28 (10): 4618–4624. дои : 10.1021/la204904a . ПМИД 22324390 .

[cerbino08-1] Jump up to: ^а ^б Чербино, Р.; Траппе, В. (2008). «Дифференциальная динамическая микроскопия: исследование динамики, зависящей от волнового вектора, с помощью микроскопа». Физ. Преподобный Летт . 100 (18): 188102. arXiv : 1507.01344 . Бибкод : 2008PhRvL.100r8102C . doi : 10.1103/PhysRevLett.100.188102 . ПМИД 18518417 . S2CID 2155737 .

[giavazzi09-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Джавацци, Ф.; Броджиоли, Д.; Траппе, В.; Беллини, Т.; Чербино, Р. (2009). «Информация о рассеянии, полученная с помощью оптической микроскопии: дифференциальная динамическая микроскопия и не только» (PDF) . Физ. Преподобный Е. 80 (3): 031403. Бибкод : 2009PhRvE..80c1403G . дои : 10.1103/PhysRevE.80.031403 . hdl : 10281/36546 . ПМИД 19905112 .

[croccolo06-3] Jump up to: ^а ^б Крокколо, Ф.; Броджиоли, Д.; Вайлати, А.; Джильо, М.; Каннелл, DS (2006). «Использование динамической шлирен-интерферометрии для изучения флуктуаций во время свободной диффузии». Прикладная оптика . 45 (10): 2166–2173. Бибкод : 2006ApOpt..45.2166C . дои : 10.1364/ao.45.002166 . ПМИД 16607980 . S2CID 14981066 .

[alaimo06-4] Алаймо, М.; Магатти, Д.; Ферри, Ф.; Потенца, MAC (2006). «Гетеродинная спекл-велоциметрия» . Прил. Физ. Летт . 88 (19): 191101. Бибкод : 2006ApPhL..88s1101A . дои : 10.1063/1.2200396 . hdl : 11383/1501622 .

[feriani17-5] Jump up to: ^а ^б Фериани, Л.; Жюне, М.; Фаулер, CJ; Брюо, Н.; Чиоччоли, М.; Голландия, СМ; Брайант, CE; Цикута, П. (2017). «Оценка коллективной динамики подвижных ресничек в культурах клеток дыхательных путей человека с помощью многомасштабного DDM» . Биофизический журнал . 113 (1): 109–119. Бибкод : 2017BpJ...113..109F . дои : 10.1016/j.bpj.2017.05.028 . ПМК 5510766 . ПМИД 28700909 .

[cerbino09-6] Чербино, Р.; Вайлати, А. (2009). «Методы рассеяния в ближнем поле: новые приборы и результаты исследований систем мягкой материи с временным и пространственным разрешением», Curr. Оп. Колл. Int». Science . 14 : 416–425. doi : 10.1016/j.cocis.2009.07.003 .

[giglio00-7] Джильо, М.; Карпинети, М.; Вайлати, А. (2000). «Корреляции пространственной интенсивности в ближнем поле рассеянного света: прямое измерение корреляционной функции плотности g (r)» (PDF) . Физ. Преподобный Летт . 85 (7): 1416–1419. Бибкод : 2000PhRvL..85.1416G . doi : 10.1103/PhysRevLett.85.1416 . ПМИД 10970518 . S2CID 19689982 . Архивировано из оригинала (PDF) 31 декабря 2019 г.

[brogioli02-8] Броджиоли, Д.; Вайлати, А.; Джильо, М. (2002). «Гетеродинное рассеяние в ближнем поле». Прил. Физ. Летт . 81 (22): 4109–11. arXiv : физика/0305102 . Бибкод : 2002ApPhL..81.4109B . дои : 10.1063/1.1524702 . S2CID 119087994 .

[wu95-9] Ву, М.; Алерс, Г.; Каннелл, DS (1995). «Термически индуцированные колебания ниже начала конвекции Рэлея-Бенара». Физ. Преподобный Летт . 75 (9): 1743–1746. arXiv : patt-sol/9502002 . Бибкод : 1995PhRvL..75.1743W . doi : 10.1103/PhysRevLett.75.1743 . ПМИД 10060380 . S2CID 9763624 .

[ferri11-10] Ферри, Ф.; Д'Анджело, А.; Ли, М.; Лотти, А.; Пигаццини, MC; Сингх, К.; Чербино, Р. (2011). «Кинетика коллоидно-фрактальной агрегации методами дифференциальной динамической микроскопии». Европейский физический журнал ST . 199 : 139–148. Бибкод : 2011EPJST.199..139F . дои : 10.1140/epjst/e2011-01509-9 . S2CID 122479823 .

[wilson11-11] Уилсон, Л.Г.; Мартинес, Вирджиния; Шварц-Линек, Дж.; Тайлер, Дж.; Брайант, Г.; Пьюзи, Пенсильвания; Пун, WCK (2011). «Дифференциальная динамическая микроскопия подвижности бактерий». Физ. Преподобный Летт . 106 (1): 018101.arXiv : 1004.4764 . Бибкод : 2011PhRvL.106a8101W . doi : 10.1103/PhysRevLett.106.018101 . ПМИД 21231772 . S2CID 18935594 .

[martinez12-12] Мартинес, Винсент А.; Бесселинг, Рут; Кроз, Оттавио А.; Тайлер, Жюльен; Ройфер, Матиас; Шварц-Линек, Яна; Уилсон, Лоуренс Г.; Пчелы, Мартин А.; Пун, Уилсон С.К. (2012). «Дифференциальная динамическая микроскопия: высокопроизводительный метод характеристики подвижности микроорганизмов» . Биофизический журнал . 103 (8): 1637–1647. arXiv : 1202.1702 . Бибкод : 2012BpJ...103.1637M . дои : 10.1016/j.bpj.2012.08.045 . ПМЦ 3475350 . ПМИД 23083706 .

[reufer12-13] Ройфер, М.; Мартинес, Вирджиния; Шуртенбергер, П.; Пун, WCK (2012). «Дифференциальная динамическая микроскопия анизотропной коллоидной динамики». Ленгмюр . 28 (10): 4618–4624. дои : 10.1021/la204904a . ПМИД 22324390 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]