聚苯乙烯小球的光強分布

聚苯乙烯小球的光強分布

1.警察和罪犯對光的敏感與生物的作用機理生物世界是一個微妙而復雜的世界。人們通過生物和植物的研究獲得了許多啟發(fā)。在對植物和植物體的光合作用研究中，只有綠色植物和一些光合能力的細菌才能將太陽能轉(zhuǎn)化為化學能。在這些具有光合能力的生物中，這種強光的存在對光的吸收和傳播起著決定性的作用。由于這種強光的作用，這種強光的合理分布對于提高光的效率具有重要意義。此外，通過研究蒼蠅、蜜蜂和蜻蜓，我們可以快速準確地識別和捕獲物體，例如，許多小眼睛。每個眼睛就像光學微鏡，可以獨立成像?；谶@一原則，科學家們發(fā)明了一種適用于軍事的多相萃取“蒼蠅”雷達、能源宇宙射線“蒼蠅”的探測和藍眼睛功能的“蒼蠅”相機，以及可以記錄1000多種清晰圖像的“蒼蠅”相機。在3d投影技術(shù)的創(chuàng)新中，科學家們應用了光學透鏡技術(shù)，將投影光的光束以相同的角度分配到液晶板上，平均度超過95%。對于不眼睛、但對光非常敏感的海蛇尾，研究發(fā)現(xiàn)它們的背部充滿了規(guī)則的球形結(jié)構(gòu)的單顆粒。這種結(jié)構(gòu)的存在可以合理地解釋光的刺激和反應。為什么這些生物體能夠這么精確、合理地感受到光的好處？這些生物體的必然原因是，它們擁有能夠準確感知和應用光的材料，并且能夠?qū)崟r調(diào)整分布，以應對不同的光刺激。我們是基于上述生物組織對光敏感組織的觀點。采用水中聚苯乙烯末期不同深度的光強分布，模擬生物組織不同深度的光強分布，這對進一步理解這些敏感生物組織的結(jié)構(gòu)和功能以及它們的光譜機具有重要的指導作用。2.聚苯乙烯小鼠的覆蓋液實驗裝置如圖1所示.圖中C1,C2為聚光鏡組;M1,M2為反射鏡;O為顯微鏡水浸物鏡;T為顯微鏡中的Tubelens;L為一成像透鏡.樣品的制備:先將聚苯乙烯小球(DuckScientificCorp.的產(chǎn)品.小球直徑3.063μm,標準偏差±0.027μm,濃度1.0%固體含量,折射率n=1.59)的懸濁液放入超聲器中充分超聲,使小球盡量呈單分散狀,用注射器將混合均勻的濁液注入干凈的樣品池,樣品池由兩片蓋玻片組成,上面一蓋玻片打有一直徑為8mm的孔,與下面的蓋玻片用膠粘在一起.將充滿濁液的樣品池放入一干凈且較密閉的器皿中.樣品池中的水分自然蒸發(fā)的同時,小球在重力、表面所帶電荷的作用力以及與樣品池表面之間的作用力下自動排列,待水分蒸發(fā)干后,小球就排列成具有周期結(jié)構(gòu)的晶體.控制加入樣品池的濁液的量,使其在樣品池中只排一層.然后將二次蒸餾水慢慢注入載有晶體的樣品池中.在注入水的過程中,一定要確保排好的小球不要被水沖起來.測量:鹵鎢燈發(fā)出的光經(jīng)C1,C2聚光鏡組對光束會聚照在樣品上,如圖1所示,樣品放置在倒置顯微鏡(LeicaDMIRB)的平臺上,經(jīng)顯微鏡水浸物鏡(100×NA=1.2)和Tubelens放大100倍,透鏡L對其二次成像于CCD(ChargeCoupledDevice)的光敏面上,8位黑白視頻圖像采集卡(OK-M10M)采集圖像送入計算機現(xiàn)實、觀察并存儲.通過調(diào)節(jié)物鏡的像平面,使得對周期排列的聚苯乙烯小球樣品的不同深度進行成像,這樣像的亮暗就反映了光強的分布.物鏡的焦深為0.3μm.物鏡的微調(diào)精度為0.3μm,由其調(diào)節(jié)旋鈕決定,其讀數(shù)顯示在顯微鏡的電子顯示屏上.3.單次光強分布的特征結(jié)果如圖2、圖3所示,圖中照片有激光打印機輸出.圖2為水中周期排列的聚苯乙烯小球在不同橫截面上的光強分布.其中圖2(b)為小球最大橫截面的光強分布,其上下位置的誤差不超過±0.3μm.我們定義其為零點,并規(guī)定向下為正.圖2(a)圖(c)分別為在最大橫截面上下1μm處的光強分布,此時還處于小球的橫截面上,其光強分布表現(xiàn)出小球與小球之間很大的相關(guān)性,且分布較為復雜,這種相關(guān)性主要源于相鄰小球?qū)θ肷涔獾姆瓷渑c折射所導致的在空間同一位置的干涉效應.以圖2(c)為例,改干涉面處于球心面附近.對于某一特定波長的光,單個小球在這一平面內(nèi)的反射光與正入射光的干涉圖案由于對稱性的關(guān)系呈強弱間隔的球狀分布.接近掠入射的反射光所形成的干涉環(huán)靠近小球表面,且光強最強.有相鄰小球存在時,這種極大強度的環(huán)狀反射光就會被再次反射和折射,形成新的干涉圖案.圖案的結(jié)構(gòu)對稱性完全由小球排列的對稱性決定.在其他平面上的干涉圖案由于位置的不同,其干涉的圖案也會隨之改變.當遠離小球時,干涉效應不再明顯,光線的傳播行為由環(huán)狀透鏡對光的聚焦效應所決定,如圖2(f)所示.這一結(jié)果提示我們在高等植物細胞中對光合作用起著決定作用的色素分子以及動物皮膚的表皮細胞中的色素可能也呈與光強分布相關(guān)的有規(guī)律的分布.在光合作用過程中,為了盡可能地利用光能,色素應大量分布在光強較強的位置.同樣對于皮膚細胞當受到強光照射時,色素就會大量合成并分布到皮膚表面,以防止內(nèi)部組織受強光的傷害,從優(yōu)化色素分布使其達到最佳利用效果的角度看,色素分布應與光強分布有一定的聯(lián)系.圖3為水中單個小球在不同截面的光強分布.從中可以看出單個小球與周期排列的小球在其截面上的光強分布是不同的.那么對于單細胞生物體如藍藻,其光合作用片層呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)是否遵循類似單個小球的光強分布而進行分布呢?這就為我們研究色素的分布開辟了一條新途徑.另外,對于小球外面的光強,如圖2(d)—(h)以及圖3(d)—(f),其分布表現(xiàn)為獨立透鏡成像的光分布.聚苯乙烯小球可看作一球形透鏡,其焦距f的公式為1f=(n1n2?1)2r,(1)1f=(n1n2-1)2r,(1)其中n1,n2分別為聚苯乙烯小球及周圍介質(zhì)的折射率,r為小球半徑.由此公式求得直徑為3μm的小球當其周圍介質(zhì)為水時,其焦距為3.8μm.在圖2(f)中光束經(jīng)小球分別聚集,焦斑的直徑約為1.5μm,此時的光強達到最大值,而且每個小球的亮度分布比較均勻,而這一位置與理論計算的焦平面大體一致.這種情況也許最能解釋復眼優(yōu)于單眼以及許多應用中利用多個微透鏡來增加視角及亮度均勻性的原理.而海蛇尾的神經(jīng)束正好長在其背上的微透鏡的焦點處也是同樣的原理.4.聚苯乙烯小鼠對光敏感組織的模擬由于生物組織組成及結(jié)構(gòu)上的復雜性,給研究者帶來了很大的困難與挑戰(zhàn).通過直接研究生物組織而得出規(guī)律性的結(jié)論似乎很困難.那么假設(shè)一種與生物組織近似的模型通過對模型的研究進而了解生物體的性質(zhì)是當前生物學常用的手段之一.本文用聚苯乙烯小球來模擬生物體中對光敏感的組織是基于幾種考慮:聚苯乙烯小球跟對光敏感的生物組織一樣都是透光材料;另外,水溶液中周期排列的小球與某些生物組織具有類似的結(jié)構(gòu),盡管生物組織非常復雜,但用簡化的模型從某一角度來了解生物組織對我們還是有啟發(fā)性的意義的.而通過模擬生物體合成、制作一些材料或器件的時候,這一結(jié)果對怎樣才能讓光能利用達到最佳具有指導性意義.比較圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn),