شفاف سازی مرغ با استفاده از گرد و غبار دوریتو

با تشکر از شما Adaobi برای چنین پیشنهاد فوق العاده. با تشکر از او برای این ایده، ما هنوز روی آن کار می کنیم!

دوست نابغه من Adaobi Adibe مقاله ای در مورد شفاف سازی بافت های بیولوژیکی برای من فرستاد. در «دستیابی به شفافیت نوری در حیوانات زنده با مولکول‌های جذب‌کننده»، نویسندگان بافت‌های بیولوژیکی مانند سینه مرغ را با خیساندن آن‌ها در محلول تارترازین شفاف می‌کنند. تارترازین رنگ خوراکی بسیار روشن و زرد مایل به نارنجی است که در دوریتوس یافت می شود.

هدف ما این است که به زودی یک تکرار بلندپروازانه تر انجام دهیم. اما به عنوان گرم کردن، سعی کردم قسمت هایی از این پروتکل را با خیساندن سینه مرغ در محلول تارترازین تکرار کنم. شفافیت جزئی داشتم اما نه در حد کاغذ. نمونه زیر یک سینه مرغ خام به ضخامت تقریبی 2 میلی متر است که از یک برش 5 میلی متری بریده شده است که در محلول ~ 0.19 مولار تارترازین به مدت 6 ساعت در دمای اتاق خیس شده است. من با چراغ میز از این عکس گرفتم. می‌توانید خطوط شبکه را که از زیر نشان می‌دهند، ببینید.

مرغ، با وجود اینکه بافت در لمس یکسان است، کیفیت بصری مانند خرس های صمغی دارد.

کاغذ اصلی از 0.62 M، 40 درجه سانتیگراد و لرزاننده ماشینی استفاده می کرد، اما من نتوانستم راهی برای انجام ایمن این کار پیدا کنم، و همچنین تجهیزات لازم برای انجام این کار را نداشتم. از این رو پروتکل تغییر یافته است.

تصویر زیر زاویه متفاوتی از نمونه من است. نمونه سمت چپ همان برش سینه مرغ به ضخامت 2 میلی متر است. و نمونه سمت راست یک کنترل است که آن را در آب خیس کردم (کمی زرد است زیرا این فرآیند فوق العاده نامرتب است و من گرد و غبار روی آن ایجاد کردم).

در قسمت بالای نمونه، ما مقداری شفافیت را می بینیم، با شبکه 5 میلی متری در 5 میلی متری که از طریق آن نمایان می شود. کیفیت بصری سینه مرغ کیفیتی مشابه دارد. اگر به من سالمونلا نمی دهد، می خواهم آن را بجوم.

من نمی‌خواهم توسط Doritos کپی رایت بگیرم، بنابراین در اینجا یک کارتون است که در آن می‌توانید تارترازین را در طبیعت پیدا کنید.

مدل فعلی ما این است که خواص جذبی تارترازین ضریب شکست آب را نیز تغییر می‌دهد. با فشار دادن ضریب شکست آب به محلول پروتئین و لیپید، جسم را شفاف تر می کنیم. این را بعدا با جزئیات کامل توضیح خواهم داد.

تارترازین از APC Pure بود. این مقدار بیش از 80 درصد رنگ بود، که به معنای عدم اطمینان در مورد غلظت مولی واقعی است. سپس سه غلظت تارتازین را در این غلظت‌های مولی تهیه کردم که یکی از آنها فقط غلظت صفر به عنوان شاهد بود.

تارترازین: 0 گرم، آب لوله کشی: 20 گرم، وزنی: 0 درصد، مولالیته (مول بر کیلوگرم آب): 0، تارترازین (میلی مول): 0، مولاریته (تقریبا): 0 مولار (شاهد)

تارترازین: 2 گرم، آب لوله کشی: 18 گرم، وزنی: 10 درصد، مولالیته (مول بر کیلوگرم آب): 0.21، تارترازین (mmol): 3.7، مولاریته (تقریبا): ~0.19 M

تارترازین: 6 گرم، آب لوله کشی: 14 گرم، وزنی: 30 درصد، موالیته (مول بر کیلوگرم آب): 0.80، تارترازین (میلی مول): 11.2، مولاریته (تقریبا): ~0.56 M

تارترازین M = 534.4 گرم در مول است. خال ها از جرم اسمی استفاده می کنند (پودر بیش از 80٪ رنگ است، بنابراین مقادیر واقعی تا 15٪ کمتر است). مولاریته حجم محلول نهایی 20 میلی لیتر را در نظر می گیرد.

این چیزی است که تارتازین به نظر می رسد. بو ندارد و به نظر می رسد که FDA آن را بی خطر برای غذا در نظر می گیرد، بنابراین من برای این مقدار زحمت پوشیدن دستکش را نداشتم. اینم عکس تارترازین و مشخصاتش.

برای تهیه محلول‌ها از ترازو جواهرسازی برای وزن کردن مقادیر مناسب استفاده کردم و سپس آب لوله کشی را به وزن‌های ذکر شده در جدول اضافه کردم.

برای حل کردن تارترازین، آن را با یک همزن شیشه‌ای در دمای اتاق مخلوط کردم تا جایی که هیچ توده‌ای قابل مشاهده نباشد.¹

در اینجا محلول‌های مختلف در غلظت‌های مختلف، متمرکزترین محلول در سمت چپ، غلظت متوسط ​​در وسط، و سپس یک کنترل آب در سمت راست وجود دارد.

بعد، من فیله سینه مرغ را از Tesco گرفتم. من یک دال به ضخامت 5 میلی متر برش دادم و سپس سه قطعه را به طول حدود 15 میلی متر برش دادم.

سپس برش های سینه مرغ را به ضخامت 5 میلی متر در هر یک از این سه محلول خیس کردم.

پس از 6 ساعت خیساندن، این نتایج بود.

اول، مرغ در محلول بالاترین غلظت شکست خورد، زیرا به نظر می رسید تارتازین متبلور می شود. این همان چیزی بود که به نظر می رسید - همه چیز پوسته پوسته شد.

برای غلظت متوسط ​​(~0.19 M)، مرغ ژلاتینی به نظر می رسد. اما شفاف نبود مرغ شاهد کاملا مات باقی ماند.

من این قطعات را بیرون انداختم و سپس با روش زیر دوباره امتحان کردم.

و بعد دوباره با همین روش سعی کردم به مدت 12 ساعت در دمای اتاق خیس کنم. با توجه به مسائل با بالاترین غلظت (~0.56 M)، من فقط کنترل آب و غلظت متوسط ​​(~0.19 M) را امتحان کردم. اما این بار مرغ را در لوله های آزمایش گذاشتم و روی آن را پوشاندم، با توجه به اینکه قرار بود 12 ساعت آن را در دمای اتاق بگذارم. من می خواستم خطر ایمنی مواد غذایی را کاهش دهم.

این قطعه 12 ساعت خیس شده بود. در حالی که دیدن آن با دوربین سخت است، کمی شفافیت قابل مشاهده در مقایسه با کنترل وجود داشت.

برای بررسی آن را در زیر نور بالا قرار دادم.

سپس برش های تقریبا 2 میلی متری مرغ را برش دادم. این کار با یک تکه لزج کوچک کاملا عجیب بود. در اینجا این است که در مقایسه با کنترل به نظر می رسد.

این تکنیک برای آسان کردن تصویربرداری فلورسانس در حیوانات زنده استفاده شده است.

در نهایت، انجام این کار به خوبی می تواند به مجموعه چیزهایی اضافه کند که دانشمندان مستقل می توانند در خانه تصور کنند. ممکن است بتوانیم ساختارهای داخلی اشیاء را به صورت معمولی بررسی کنیم. شفاف سازی اشیا تصاویر بهتری را ارائه می دهد و به دانشمندان مستقل اجازه می دهد تا ساختار بافت را با دقت بیشتری بررسی کنند.

مشاهده موثر با هزینه کم یکی از موضوعات تحقیق من است. من در مورد نوشتن نرم افزار ردیابی ذرات براونی با استفاده از میکروسکوپ در آخرین پستم نوشتم. من همچنین به تلاش برای مطابقت با عملکرد سنجش گاز CO2 با استفاده از فشار فکر می کنم که این نوع سنجش را ارزان تر می کند. در راستای این موضوع، من از تلاش برای تکنیک‌های عجیب و غریب و جالب برای آسان‌تر کردن کاوش ساختارها بسیار هیجان‌زده هستم!

در اینجا بیشتر از چیزی است که شما می خواستید در مورد شفافیت نوری بدانید.

یک ماده به دو دلیل می تواند مات باشد. اول، یک ماده می تواند نور را جذب کرده و آن را مسدود کند. دوم، می تواند نور را به دلیل ضرایب انکساری مختلف به هم بزند.

اول، پرتوهای نور از طرف دیگر می توانند هنگام عبور جذب شوند. اگر نور جذب شود، نور نمی تواند به چشم شما برخورد کند و شما نمی توانید طرف مقابل را ببینید. نور می تواند چندین طول موج داشته باشد و طول موج های جذب شده توسط مواد توسط طیف های ماده تعیین می شود. برای محاسبه طیف‌ها، می‌توانیم رفتار فیزیکی مولکول‌ها را به رفتار یک الکترون در اطراف یک پتانسیل تقریبی کنیم. معادله شرودینگر به ما می‌گوید که این سیستم تنها می‌تواند مجموعه‌ای از انرژی‌های گسسته را اشغال کند، و به ما می‌گوید که کدام یک از این انرژی‌ها هستند.

تفاوت بین این انرژی ها طول موج هایی را تعیین می کند که در نهایت توسط مواد جذب می شوند.

در واقع، مواد از بسیاری از چیزهای مختلف تشکیل شده اند و بنابراین ما انتظار داریم که آنها نیز طول موج های مختلفی را جذب کنند.

دلیل دیگری برای شفافیت کمتر واضح است، اما جالب تر است. ضریب شکست یک ماده به ما می گوید که نور با چه سرعتی در محیط حرکت می کند. هنگامی که نور بین موادی با ضریب شکست متفاوت حرکت می کند، کمی منحرف می شود. هنگامی که یک ماده با مواد فرعی پر شده است که دارای ضریب شکست متفاوتی هستند، انکسار درون باعث پراکندگی پرتوهای نور می شود زیرا پرتوهای نور به اطراف می پیچند.

مواد بیولوژیکی حاوی ترکیبی از مواد فرعی مختلف در داخل هستند - الیاف، سلول ها، پروتئین ها و غیره. هر یک از این مواد دارای ضریب شکست متفاوتی هستند. وقتی ماده ای با یک ضریب شکست در ماده ای با ضریب شکست متفاوت تعبیه شده باشد، پراکنده می شوید. این پراکندگی باعث می شود نور از طرف دیگر به هم بخورد. نمودار زیر این را نشان می دهد.

ما می‌توانیم مواد بیولوژیکی را به‌عنوان «ماده پایه» آب، با تکه‌هایی از لیپیدها و پروتئین‌ها در داخل آن مدل‌سازی کنیم که همگی دارای ضریب شکست متفاوتی هستند.

برای شفاف کردن چیزی، باید از دو علت تیرگی استفاده کنیم. یک رویکرد این است که سعی کنیم طیف جذبی یک ماده را به گونه ای تغییر دهیم که طول موج کمتری از نور را جذب کند.

از طرف دیگر (و این رویکردی است که در این پست به آن خواهیم پرداخت)، می‌توانیم سعی کنیم ضریب شکست آب داخل آن را تغییر دهیم تا با رسانه‌های تعبیه‌شده مطابقت داشته باشد. تصویر زیر این اصل را با بافت های بیولوژیکی نشان می دهد. اگر می توانید ضریب شکست آب را با رنگ تغییر دهید، می توانید آن را با ضریب شکست پروتئین ها و لیپیدها که کمی بالاتر است مطابقت دهید.

اگر موفق به انجام این کار بدون تغییر میزان جذب یک ماده شوید، باید بتوانید آن را شفاف تر کنید.

خوب، پس بازی برای تغییر ضریب شکست است. در اینجا نقشه ای از محاسباتی است که باید انجام دهیم تا بفهمیم چگونه ضریب شکست یک ماده را تغییر دهیم.

برای درک اینکه ضریب شکست در یک مدل کمی نقش دارد، بیایید نحوه حرکت نور را طبق ماکسول مدل کنیم. نور یک موج الکترومغناطیسی است که از امواج الکتریکی و مغناطیسی نوسانی تشکیل شده است. برای این مقاله، بیایید روی قسمت میدان الکتریکی تمرکز کنیم تا شهودهای کلیدی را به دست آوریم.

با استفاده از نمایش مختلط، اگر نور از محور z در خلأ حرکت کند، می‌توانیم معادله نور را به صورت زیر بنویسیم. چون موج است، می توانیم بنویسیم

جایی که E₀ دامنه است (میزان چقدر قوی است)، ω فرکانس زاویه ای است (در یک نقطه ثابت میدان یک بار در هر T = 2π/ω دور می شود)، c سرعت نور، z فاصله در امتداد پرتو و t زمان است. تاج به تاج، طول موج λ = 2πc/ω است.

اگرچه در رسانه، انتظار داریم هم سرعت نور در محیط تغییر کند و هم مقداری جذب. می توانیم معادله را به صورت زیر بازنویسی کنیم

ضریب نمایی n′ یک ضریب در پشت جمله فضایی است و نشان دهنده ضریب شکست واقعی است. κ نشان دهنده میزان تضعیف موج است و به معنای جذب است.

در عمل می توانیم n′ + iκ را به عنوان یک عدد گروه بندی کنیم و سپس به آن به عنوان ضریب شکست پیچیده اشاره کنیم.

ابتدا باید سعی کنیم ضریب شکست واقعی را تغییر دهیم. اگر بتوانیم ضریب شکست آب را برای مطابقت با ضریب شکست بافتی افزایش دهیم، ماده شفاف تری خواهیم داشت. آب دارای ضریب شکست 1.33 است. و اگرچه این عدد متغیر است، ساختارهای غنی از پروتئین و چربی دارای ضریب شکست حدود 1.45 هستند. بنابراین بازی این است که ضریب شکست آب اطراف آن را روی 1.45 تنظیم کنید که باعث شفافیت بیشتر آن می شود.

هر کاری که با آب انجام می‌دهیم، باید مطمئن شویم که خاصیت جذب را خیلی زیاد نکنیم. اگر κ خیلی زیاد شود، در نهایت تمام نور را جذب می کنیم و شفاف نمی شود.

بنابراین چگونه ضریب شکست را تغییر دهیم؟ برای درک ضرایب انکساری، ابتدا باید قطبش را درک کنیم. به ترتیب اول، یک ماده از الکترون های متصل به هسته تشکیل شده است. هنگامی که یک میدان الکتریکی به یک ماده اعمال می شود، موقعیت نسبی الکترون ها نسبت به هسته آنها تغییر می کند.

از [http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/dielec.html#c1]

برای یک ذره با بار مثبت و یک ذره با بار منفی، قطبش مقدار آن بار ضرب در جابجایی یکی از دیگری است. برای محاسبه قطبش، باید مدل کنیم که الکترون ها چقدر از هسته در زیر میدان الکتریکی جابجا می شوند.

میدان های الکتریکی نیرویی را بر بارهایی که رایگان هستند، ایجاد می کنند. برای مدل‌سازی اثر میدان الکتریکی بر روی یک ماده، هسته مثبت را ثابت و الکترون‌ها را آزاد می‌دانیم. برای محاسبه اثر سیستم، از مدل اسیلاتور لورنتس استفاده می کنیم.

در این مدل، الکترون‌ها به‌گونه‌ای مدل‌سازی می‌شوند که مانند یک فنر میرا به هسته متصل شوند و میدان الکتریکی نیرویی را اعمال کند. ما می‌توانیم آن را دقیقا همانطور که مشکل فنر میرایی را حل می‌کنیم حل کنیم:

قانون دوم نیوتن برای الکترون، با نوسان میدان نور در ω:

اگر یک Ansatz را برای موقعیت الکترون x(t) = x₀ e^(-iωt) امتحان کنیم (الکترون در فرکانس حرکتی نوسان می کند)، درمی یابیم که موقعیت الکترون نسبت به هسته با عبارت زیر داده می شود.

گشتاور دوقطبی p = −ex است و با N الکترون در واحد حجم، قطبش در واحد حجم برابر است.

در این تنظیم، ω₀ نشان دهنده فرکانس طبیعی الکترون محدود است، که فرکانسی است که مولکول در آن جذب می کند (برای تارتازین، پیک 425 نانومتر)، γ نشان دهنده نرخ میرایی است، که تعیین می کند آن پیک جذب چقدر گسترده است، و ω فرکانس میدان الکتریکی است. حالا ما قطبی شدن را پیدا کردیم، می خواهیم آن را به خود ضریب شکست مرتبط کنیم. برای انجام این کار، باید ژیمناستیک با دو هویت انجام دهیم.

طبق قرارداد، قطبش را می توان متناسب با میدان الکتریکی نوشت

که در آن ε₀ گذردهی فضای آزاد، χ حساسیت الکتریکی است (عددی بدون بعد که نشان می دهد ماده چقدر به راحتی قطبی می شود)، و E میدان الکتریکی است. در مقایسه با نتیجه اسیلاتور لورنتس در بالا،

برای ارتباط قطبی شدن و حساسیت الکتریکی به ضریب شکست، از ترفند زیر استفاده می کنیم. در زیر یک اثبات به کمک هوش مصنوعی با بررسی دستی است.

این درجه از قطبش و میدان الکتریکی در چیزی به نام میدان جابجایی الکتریکی D رمزگذاری شده است. و رابطه بین D و میدان الکتریکی خطی است، با ضریب گذردهی نسبی، εᵣ. P در اینجا نشان دهنده پلاریزاسیون در واحد حجم است و میانگین گشتاور دوقطبی القا شده در تمام مواد است.

به نظر می رسد که گذردهی نسبی با ضریب شکست پیچیده به شرح زیر مرتبط است:

اثبات رابطه بین ضریب شکست و گذردهی برای یک موج الکتریکی استاندارد استاندارد است و در پاورقی زیر آمده است.² و بنابراین، برای تغییر ضریب شکست پیچیده، باید گذردهی نسبی ماده را تغییر دهیم.

برای ادامه، از یک تقریب استفاده می کنیم. میدان جابجایی الکتریکی تابعی از قطبش یک ماده است. اما وقتی دو ماده را با هم مخلوط می کنیم، می توانیم چگالی قطبش آنها را اضافه کنیم.

قبل از افزودن تارترازین، می‌بینیم که آب اطاعت می‌کند

اما می دانیم که هر قطبش متناسب با میدان است، با حساسیت خاص خود: P (آب) = ε0 χ(آب) E و P (تارترازین) = ε0 χ(رنگ) E، که در آن χ(رنگ). با جایگزین کردن آن، دریافت می کنیم

در مقایسه با D = ε₀εᵣ E، و با استفاده از این که آب به تنهایی εᵣ(آب) = 1 + χ(آب) = n(آب)² دارد، گذردهی نسبی آب رنگ شده برابر است.

برای یک رنگ رقیق، χ(رنگ) در مقایسه با n(آب)² کوچک است، بنابراین می‌توانیم ریشه مربع را گسترش دهیم و از انبساط تیلور برای بدست آوردن ضریب شکست اصلاح شده آب با رنگ استفاده کنیم.

n_c پیچیده است. اگر آن را به صورت n_c = n′ + iκ بنویسیم و حساسیت الکتریکی χ(رنگ) را به دو قسمت واقعی و خیالی تقسیم کنیم، رنگ ضریب شکست واقعی را تغییر داده و جذب را با

و قرار دادن شکل Lorentz χ(dye) که قبلا بدست آوردیم

برای تارتازین و نور قرمز، ω زیر رزونانس ω₀ است، بنابراین ω₀² − ω² > 0 و Δn′ مثبت است. این بدان معنی است که رنگ ضریب شکست آب را افزایش می دهد. در همین حال κ حامل ضریب γω در صورت حساب است و فقط نزدیک ω ≈ ω₀ بزرگ است، که به این معنی است که ما جذب نمی کنیم.

Ou Z، Duh YS، Rommelfanger NJ، Keck CHC، Jiang S، Brinson K Jr، Zhao S، Schmidt EL، Wu X، Yang F، Cai B، Cui H، Qi W، Wu S، Tantry A، Roth R، Ding J، Chen X، Kaltschmidt G.A. حیوانات با مولکول های جذب کننده علم. 2024 سپتامبر 6;385(6713):eadm6869. doi: 10.1126/science.adm6869. Epub 2024 Sep 6. PMID: 39236186; PMCID: PMC11931656.

² در اینجا معادلات ماکسول برای میدان های الکتریکی و مغناطیسی در یک ماده آمده است. این توسط کلود تولید شده است.

سوال این است که چگونه هر یک از اینها با ضریب شکست ارتباط دارد؟

بدون شارژ یا جریان رایگان (ρ = 0، J = 0)، غیر مغناطیسی. قانون فارادی می گوید که پیچش میدان الکتریکی منفی مشتق زمانی میدان مغناطیسی است. قانون فارادی را در نظر بگیرید و سپس آن را جایگزین کنید

جایگزین B = μ₀ H و D = ε₀ E + P = ε₀εᵣ E:

این جایی است که εᵣ وارد می شود: جریان پلاریزاسیون ∂ P / ∂t به جریان جابجایی خلاء اضافه می کند. سپس (در نظر گرفتن ثابت εᵣ در زمان، یعنی کار در یک فرکانس)

سپس اگر هر دو طرف را برابر کنیم، معادله موج مسطح به دست می آید

مقایسه با k = (n′ + iκ) ω/c از موج تضعیف کننده که قبلا نوشته شده است،