Фото клетчатка: D0 ba d0 bb d0 b5 d1 82 d1 87 d0 b0 d1 82 d0 ba d0 b0: стоковые картинки, бесплатные, роялти-фри фото D0 ba d0 bb d0 b5 d1 82 d1 87 d0 b0 d1 82 d0 ba d0 b0 — Интернет-магазин отличной мебели в Тюмени

Содержание

Клетчатка — полезные свойства и калорийность, применение и приготовление, польза и вред

Пищевые волокна входят в состав всех продуктов растительного происхождения. Ни грамма клетчатки нет в мясе, молоке и молочных продуктах, в сахаре. Практически нет полезных волокон в белом хлебе и выпечке. Считается, чем более натуральна пища и менее обработана, тем больше в ней клетчатки. Именно поэтому приверженцы здорового питания включают в свой рацион свежие фрукты и овощи, зелень и отруби. Богаты клетчаткой крупы и бобовые, поэтому в диетах, основанных на клетчатке, всегда найдется место цельнозерновым кашам с добавлением орехов, сухофруктов или свежих ягод. Неудивительно, что именно каши признаны лучшим завтраком, а лучшим перекусом — зеленое яблоко. Некоторые диетологи заявляют, что иногда достаточно увеличить количество потребляемой клетчатки всего на 30%, чтобы вес постепенно начал приходить в норму. Известно также, что во многих препаратах для похудения обязательно содержится большое количество нерастворимой клетчатки, и именно поэтому их следует принимать, запивая большим количеством воды. В аптеках также можно найти клетчатку в виде отрубей, микрокристаллической целлюлозы, жмыха и шрота (измельченных семян льна, кунжута, тыквы и расторопши), которые производители предлагают в виде батончиков для перекусов. Как правило, среднестатистический человек съедает не более 15 г клетчатки в день, хотя норма потребления клетчатки для женщин составляет — 25—30 г в день, для мужчин — 35—40 г. Кстати, наибольшую потребность в клетчатке организм испытывает с 14 до 50 лет. Восполнить этот «пробел» в питании можно не только с помощью аптечной клетчатки, но и сбалансировав свой рацион. Клетчатку можно добавлять в салаты, первые и вторые блюда, десерты, соки и выпечку. Добавив клетчатку в йогурт, кефир или «Снежок», можно получить отличный диетический коктейль. Кроме того, специалисты советуют при неполноценном питании употреблять 1 ст. л. пшеничных либо ржаных отрубей, которые считаются лидерами по содержанию полезных пищевых волокон.

виды, состав и полезные свойства

Клетчатка или пищевые волокна — диетическая добавка, которая работает в организме своеобразным очистителем. Клетчатка – это грубая часть растений. Сложное сплетение растительных волокон представляет собой сложнейшую формулу трудно расщепляемых углеводов.

Попадая в организм, клетчатка ускоряет все пищеварительные процессы и налаживает работу кишечника, тем самым очищая его от накопленных каловых масс и камней.

Виды клетчатки и особенности производства

Организм постоянно нуждается в пищевых волокнах. Максимальное их количество сосредоточено в овощной и фруктовой кожуре, шелухе злаковых, отрубях, ботве и т.д. Однако не каждый может найти продукты, например неочищенные злаки, и включить их в рацион. Поэтому стали доступны специальные сухие смеси этих волокон.

Они могут быть однокомпонентные либо сочетать в себе сразу несколько видов волокон. Наиболее популярны клетчатка растительная из овса, пшеницы, расторопши, льна, ржи, кунжута, фруктовая, семян тыквы, кукурузных рылец и прочее.

Всю клетчатку, минуя химические термины, можно разделить на 2 группы:

растворимая – это та, которая растворяется в воде и содержится преимущественно в мякоти фруктов и овощей;
нерастворимая – переработанные отруби, шелуха, кожура, створки и т.д.

Производство клетчатки процесс достаточно трудоемкий. Сырье тщательно отбирается, очищается, сушится. В зависимости от источника самой клетчатки могут применяться различные способы ее извлечения.

Полученную массу измельчают. Она может быть тонкого помола, крупного, в виде муки, спрессованная в гранулы, таблетки или брикеты.

Польза растительной клетчатки

Как уже отмечалось выше, клетчатка является важнейшим для организма компонентом. Она:

помогает создавать необходимую микрофлору кишечника, очищает его и способствует ускорению естественного выведения переработанной пищи;
адсорбирует токсины, соли, тяжелые металлы и прочие ненужности;
создает чувство насыщения организма, тем самым способствует похудению;
понижает процент холестерола и сахара в крови, что позитивно сказывается на работе сердца и сосудов;
насыщает организм необходимыми минералами и витаминами.

Ограничения по употреблению клетчатки

Клетчатке необходима влага, поэтому если вы включаете ее в свой рацион, обязательно выпивайте достаточное количество жидкости. Вводить ее в свое меню нужно постепенно, е превышая допустимых норм.

При употреблении лекарств необходимо обязательно проконсультироваться с врачом, можно ли совмещать их с волокнами. Также она может тормозить процесс выработки тестостерона у мужчин, чем снижает их половую активность. С особой осторожностью ее нужно употреблять при хронических заболеваниях ЖКТ.

Важно! Нормы клетчатки для взрослого человека варьируется в пределах 20-60 г в сутки. Более точные данные вам поможет рассчитать диетолог с учетом вашего возраста, веса, роста, рациона и образа жизни.

Применение клетчатки в кулинарии

В кулинарных целях данный ингредиент выступает в роли пищевой добавки при диетическом питании. Здесь не будем вести речь о натуральных продуктах, которые богаты клетчаткой, например орехи, бобовые, корнеплоды, неочищенные злаки, фрукты и т.д.- это должно быть основой вашего питания.

Магазинная сухая клетчатка может использоваться в качестве загустителя для первых блюд и соусов. Также ее можно добавлять в каши, фарш, соки, панировку, кефир, йогурт, салаты, овощные блюда и прочие блюда.

Можно смешивать с мукой и использовать для выпечки, блинов, оладушек, пирогов. Широко применяется сухая смесь клетчатки для выпечки хлеба.

Хранение

Срок хранения клетчатки всегда указан производителем на упаковке и, как правило, он не превышает 6 мес. При хранении важно держать упаковку герметично закрытой в сухом темном помещении с хорошей циркуляцией воздуха.

Что такое клетчатка, и восемь продуктов, которые помогут ее получать в достаточном объеме

Из всех компонентов пищи, которые нам нужны, клетчатка — самый недооцененный нутриент. Все мы уже знаем о белках, жирах и углеводах, о калориях и бла-бла-бла. Если вы еще не знаете, то вам, определенно, стоит это сделать. Ну, а пока вернемся к почетному гостю.

Клетчатка — это популярное название пищевых волокон, которые влияют на переваривание пищи в нашем организме. В отличие от белков, жиров и углеводов, клетчатка не обеспечивает наш организм энергией, но играет огромную роль в его жизнедеятельности.

Основные свойства клетчатки:

замедление продвижения еды в организме
понижение уровня глюкозы в крови
слабительное действие
помощь в переработке пищи

Неплохо, верно? Также пищевые волокна делятся на два вида: растворимые и нерастворимые. Растворимые берут на себя роль регулировщика уровня холестерина и сахара в крови. Нерастворимые, за счет того, что они хорошо впитывают воду, превращаются в желудке в вязкий гель и помогают очистить и вывести все отходы продуктов.

В идеале, в организм должны поступать как растворимые, так и нерастворимые волокна. К первым относятся горох, фасоль, ячмень, чернослив, авокадо. Ко вторым — семена и зеленые овощи. Ежедневной нормой клетчатки считается 35-50 грамм. Давайте взглянем на самые богатые клетчаткой продукты и посчитаем, в каком количестве необходимо их есть, чтобы соответствовать норме.

Фасоль — 10 г./100 г.

Картофель — 4 г./шт.

Шпинат — 4 г./100 г.

Банан — 3 г./шт.

Овсяная каша — 3 г./100 г.

Изюм — 10 г./100 г.

Брюссельская капуста — 4 г./100 г.

Ржаной хлеб — 6 г./100 г.

Я постарался выбрать самые распространенные продукты, а со всем списком вы можете ознакомиться здесь. Итого: чтобы съесть 35 грамм клетчатки за день, необходимо съесть примерно 2-3 фрукта, несколько порций (100 грамм) овощей и несколько порций хлеба, овсянки или другой каши.

Постарайтесь медленно увеличивать количество пищевых волокон в вашем рационе. Резко добавив клетчатку в свой рацион, вы можете столкнуться со вздутием живота, коликами или запором. Не стоит забывать о воде, так как она также помогает пищеварению и поможет избавиться от негативных симптомов.

«Компас здоровья» Клетчатка мелкая — «Что такое пребиотики и зачем они нам нужны. Клетчатка: доступно и всерьез»

Мы живем в удивительное время. С одной стороны, уже официально власти называют неправильное питание основной причиной смерти, из-за любви наших людей к жиру, сахару и фастфуду, который уже давно в заморских странах считается «едой для бедных» и люди поумнее стараются его сторониться. С другой, армия «ЗОЖ-ников» активно пропагандирует как давно известные (типа голодания), так и всякие радикальные системы и методы питания. Но, думаю, бОльшая часть людей находится где-то посередине и просто стремится питаться полезнее, не затрачивая на это чрезмерно времени, сил и денег. И в этом отзыве я хочу напомнить про недооцененный многими и копеечный продукт, клетчатку

. Но сначала чуть позанудствую.

**********Немного теории, которую можно пропустить. Про- и пре-

Давным-давно, еще лет 20 назад, я купила интересную книжку про иммунитет, и прочитала интересную вещь, что состояние иммунитета, то есть то, как мы боремся с болезнями, в первую очередь обусловлено именно состоянием микрофлоры желудочно-кишечного тракта, ну или просто ЖКТ. И чтобы поддерживать микрофлору в наилучшем состоянии, необходимо употреблять два вида продуктов:

— пробиотики — это бактерии, «жильцы» ЖКТ. Прекрасные их источники могут быть как животного происхождения (кефир, натуральные йогурт и прочие кисломолочные продукты, главное, чтобы они были «живыми», то есть с указанным на упаковке содержанием микроорганизмов), так и растительного (приготовленные с использованием технологии брожения: квашеная капуста, квас)

— пребиотики — это те вещества, которые обеспечивают вышеупомянутым бактериям комфортное существование, т.е. дают им питательную среду для жизни

. Т.е. в основном не переваривающиеся организмом человека. И это именно богатые клетчаткой продукты, цельнозерновой хлеб, овощи, фрукты, каши из цельных круп и т.д.

Проблема в том, что с пищей мы часто недополучаем клетчатки, и вот как раз прекрасный ее источник — готовая клетчатка, которую можно купить в обычных отделах здорового питания.

**********Мелкая клетчатка от «Компаса здоровья»

Я покупаю именно ее уже несколько лет, разных видов (просто привыкла к ней, но если не окажется в продаже, спокойно беру другую): она бывает крупная и мелкая, с добавками и без. Конкретно герой этого отзыва — мелкая пшеничная клетчатка без добавок.

Продается в желто-оранжевых картонных коробках, оформлено красиво.

Немного информации с упаковки о пользе продукта:

Ну и белки-жиры-углеводы, как же без них:

Немного удививший меня рецепт конфеток, я их делать не пробовала и не собираюсь, но вдруг кому пригодится.

Ну и, повертев коробку со всех сторон, достаем пакет с клетчаткой. Выглядит, конечно, странно, немного напоминает «лошадкин корм».

Как ее использую я (это просто мой опыт, без утверждения, что «я знаю, как лучше, все повторяйте за мной»)

Утром 1 столовую ложку заливаю кружкой кипятка. Пока надеваю контактные линзы и занимаюсь бодифлексом, клетчатка разбухает и вода остывает до состояния «весьма теплой». Тогда я ее медленно выпиваю, после каждого глотка перемешиваю ложкой (клетчатка тяжелая и оседает, если выпить залпом, почти вся она останется на дне). На вкус — в общем-то, безвкусно, абсолютно не противно. Настоящее космическое питание, без вкуса, цвета и запаха Ну и потом не раньше, чем через полчаса, завтрак. Днем или вечером иногда повторяю, иногда нет (согласно рекомендуемой дозе на упаковке, так и получается 1-2 столовые ложки).

Что дает мне регулярный прием клетчатки. Конечно, я не могу сказать, что все это связано только с клетчаткой, но: отсутствие проблем с работой кишечника (к чему я по жизни склонна) и очень редкие простудные заболевания — по-моему, неплохой результат.

Очень рекомендую, если вы еще этого не сделали, добавить источник клетчатки в пищу. Единственным противопоказанием к ее приему, насколько мне удалось выяснить, являются заболевания ЖКТ в острой стадии.

Будьте здоровы и красивы, и берегите себя

Клетчатка на завтрак — почему нельзя забывать про нее — Дом

Улучшение пищеварения и снижение калорийности рациона — лишь пара плюсов привычки есть овощи и фрукты

Анастасия Гавриленко

3 сентября 2020 09:30

Клетчатка способствует похудению

Фото: unsplash.com

Порой в утренней суматохе, когда нужно приготовить семье завтрак, собрать ребенка в школу, да и самой выглядеть хорошо, просто не успеваешь или забываешь поесть. А ведь, как известно, именно завтрак задает тон и заряд бодрости на весь день. Мы даже не до конца понимаем, насколько это важно — не пропускать еду по утрам.

Что есть на завтрак

Наш завтрак должен включать смесь макроэлементов: белок, углеводы, полезные жиры, клетчатку, минералы и витамины. И именно клетчатка — тот самый жизненно важный ингредиент вашей утренней трапезы. Это сложный углевод, который человеческий желудок не в состоянии переварить. Несмотря на это, клетчатка необычайно полезна для микрофлоры кишечника. Самый распространенный источник этого макроэлемента — стебли и зерна растений, крупы и овощи. Растворимая клетчатка (находится преимущественно во фруктах), превращаясь в гелеобразную массу, является питанием для полезных бактерий. А грубая нерастворимая улучшает пищеварение.

Где содержится клетчатка

Клетчатка содержится в продуктах исключительно растительного происхождения, так как в животных клетках отсутствуют клеточные стенки. Лидеры по содержанию клетчатки — сухофрукты, сушеные грибы, орехи, овощи, семена чиа, отруби, бобовые, пшено, цельные зерна, морковь. Много пектина в яблоках, свекле, сливе, черной смородине.

Почему нужно есть продукты с клетчаткой

Клетчатка очищает кишечник. Освобождая его от остатков еды и различных токсичных веществ, она очищает весь организм. Клетчатка также способствует похудению. Из-за набухания пищевые волокна дают чувство сытости, на долгое время предотвращая прием пищи и переедание.

Клетчатка приводит в норму уровень глюкозы в крови, принимает на себя и выводит из организма холестерин, предотвращая астеросклероз.

Употребление клетчатки по утрам сильно помогает поддерживать ускорение метаболизма. Ниже несколько вариантов завтрака, богатого клетчаткой:

— овсяная каша с лесными орехами и сухофруктами (финики, абрикосы, изюм, сливы)

— отруби с нежирным греческим йогуртом, со сливой и корицей

— яйцо-пашот на цельнозерновом тосте с авокадо и помидорами черри

— пудинг из семян чая, приготовленный из нежирного греческого йогурта, несладкого обогащенного масла миндального ореха и измельченных фиников

— оладьи из цельной пшеницы с арахисовым маслом

— черничные блины или вафли из цельной пшеницы

— парфе из ежевичного йогурта.

5 фруктов — лучших источников клетчатки

Как мы все отлично знаем, клетчатка является важнейшим элементом здорового рациона. Из всех фруктов яблоко традиционно считается источником клетчатки номер один, но на самом деле отыщутся фрукты, у которых с этим все обстоит еще лучше. Возможно, своей славой яблоки обязаны своей повсеместной доступности и популярности — но что, если вы (как, например, я) от них вовсе не без ума? Что ж, выберите себе подходящий фрукт из нижеприведенного списка — не говоря уже о том, что так ваш организм будет получать гораздо больше клетчатки, чем из яблок.

Хотите ПОДАРОК лично от меня?
Введите емейл, и я пришлю вам бесплатную книгу рецептов!

Итак, дамы и господа, 5 фруктов с наивысшим содержанием клетчатки!

Малина

В стакане малины содержится 8 граммов клетчатки, возможно, даже больше, чем в овсяных хлопьях. В яблоках — всего по 3-4 грамма, так что им лучше сразу сдаться на милость победителя. Ежевика мало чем уступает малине — 7 граммов на стакан. Так что если есть необходимость увеличить потребление клетчатки, мало что сравнится с этими ягодами.

Груши

Не любите яблоки? Попробуйте груши! В каждом фрукте содержится 5-6 граммов клетчатки, а если вы едите сладкую, сочную грушу, не очищая ее от кожицы, то еще больше. Груши в красном вине — отличный десерт для тех, кто на диете.

Сушеный инжир и финики

Клетчатка содержится не только в свежих фруктах (кто бы сомневался?). Сладкие до невозможности фиги и финики содержат 6 граммов клетчатки в порции из 3 небольших фруктов. Сушеные фрукты можно добавить в завтрак из хлопьев или прихватить с собой на работу — съесть в качестве десерта.

Киви

Каждый из этих небольших фруктов с ярко-зеленой мякотью, которые раньше называли «китайским крыжовником», содержит 2,5 грамма клетчатки. Да, это меньше, чем 4 грамма в яблоке, ну и что с того? Зато за один присест гораздо легче съесть два или три киви — а два киви это уже целых 5 граммов клетчатки. Добавляйте их во фруктовый салат, это и вкусно, и полезно.

Авокадо

Можно забыть то, что авокадо — это фрукт, а вот забыть его нежный вкус практически невозможно. Целый авокадо содержит аж 10 граммов клетчатки — и пусть съев его целиком, можно заодно получить немало калорий и жиров (надо отметить, жиров полезных), половина авокадо дает вам целых 5 граммов. Приготовьте гуакамоле — мой любимый соус к кукурузным чипсам не только вкусен, но и очень полезен!

Так или иначе, но яблоки в качестве источника клетчатки — вчерашний день. Добавьте в ваш рацион побольше разнообразия — организм вам за это только спасибо скажет.

10 простых рецептов для ужинов за 15 минут
Введите емейл и получите книгу рецептов — мгновенно и бесплатно!

Автор: Алексей Онегин

Кто это такой?..

Очищающий коктейль с клетчаткой — как приготовить, рецепт с фото по шагам, калорийность

Как приготовить блюдо «Очищающий коктейль с клетчаткой»

Яблоко очистить от кожуры и семечек, нарезать на кусочки.
В блендере измельчить чернику и яблоки.
В кефир добавить клетчатку, перемешать.
На дно стакана выложить 1 ст. л. чернично-яблочной смеси, залить до половины стакана кефиром с клетчаткой.

Оставшийся кефир смешать с измельченной черникой и яблоком и заполнить стакан.
Украсить кусочком яблока, подкрашенным черничным соком.

Напиток богат природной клетчаткой и очень полезен.

Приятного аппетита!

Автор рецепта: Елена Токарская

Ингредиенты рецепта «Очищающий коктейль с клетчаткой»:

Кефир обезжиренный — 150 гр.
Яблоко — 30 гр.
Черника — 30 гр.
Клетчатка мелкая (брали пшеничную с зародышами пшеницы) — 15 гр.

Пищевая ценность блюда «Очищающий коктейль с клетчаткой» (на 100 грамм):

Калории: 34.8 ккал.

Белки: 2.2 гр.

Жиры: 0.2 гр.

Углеводы: 5.1 гр.

Число порций: 1

Очищающий коктейль с клетчаткой — пошаговый рецепт с фото

Компоненты и калорийность рецепта «Очищающий коктейль с клетчаткой»

(данные калорийности и бжу рассчитаны примерно, без учета уварки и ужарки)

Продукт	Мера	Вес, гр	Бел, гр	Жир, гр	Угл, гр	Кал, ккал
кефир 0%	150 гр	150	4.5	0.15	5.7	45
яблоко	30 гр	30	0.12	0.12	2.94	14.1
черника	30 гр	30	0.33	0.12	2.28	13.2
клетчатка сибирская	15 гр	15	0.08	0.08	0.6	6
Итого		225	5	0.5	11.5	78.3
1 порция		225	5	0.5	11.5	78.3
100 грамм		100	2.2	0.2	5.1	34.8

Карточка рецепта

Нажмите на карточку для увеличения. Для сохранения карточки нажмите на картинке правой кнопкой мыши и выберите пункт «Сохранить изображение как…» или аналогичный.

Волоконно-оптическое или электрическое … что лучше? — Фото и видео рифа

Сегодня многие стробоскопы имеют возможность двойного подключения — то есть они могут активироваться через оптоволоконный кабель или через шнур электрической синхронизации. Эти стробоскопы предлагают лучшее из обоих миров, потому что они будут работать с прозрачным компактным корпусом, который у вас есть сегодня, и они будут расти вместе с вами, если вы перейдете на корпус SLR, который не поддерживает оптическую стрельбу в будущем (никогда не говори никогда) .

Для многих комбинаций камера / корпус выбора нет.Ваше жилье будет работать только с одним типом подключения. Некоторые корпуса, однако, будут работать с любым вариантом синхронизации, оставляя собственника под вопросом,

«Что лучше?»

У обоих вариантов есть сильные и слабые стороны, поэтому давайте их рассмотрим.

Волоконно-оптические соединения

Во-первых: немного предыстории, чтобы помочь понять, как работают эти стробоскопы. Стробоскопы, в том числе вспышки фотокамеры, не различаются по мощности или интенсивности для управления экспозицией. Единственная переменная — продолжительность вспышки.Также важно помнить, что весь процесс флэш-памяти занимает микросекунды.

В режиме вспышки большинство современных фотоаппаратов запускают «предварительную вспышку», небольшую кратковременную вспышку, используемую для определения правильного баланса белого для сцены и количества света, необходимого для экспозиции. Основываясь на том, что камера «видит» в предварительной вспышке, она вычисляет длительность вспышки, применяемую к экспозиции.

Стробоскопы, запускаемые по оптоволоконным кабелям, обычно основываются на простой концепции — они точно воспроизводят вспышку камеры.Волоконно-оптические кабели передают свет от вспышки камеры на внешний стробоскоп. Внешний стробоскоп просто следит за срабатыванием вспышки камеры и следует ее примеру. Затем он наблюдает, как погаснет вспышка камеры, и снова следует его примеру. Помните, что свет распространяется со скоростью 186 000 миль / сек, поэтому все эти наблюдения, зажигания и гашения происходят очень и очень быстро.

Большинство современных стробоскопов воспроизводят как предварительную вспышку, так и вспышку с основной экспозицией, поэтому, по сути, ваша камера управляет внешним стробоскопом, даже не подозревая о его существовании.

У этой имитации предварительной вспышки есть еще одно преимущество для камеры и корпуса. Камера «видит» яркий свет от предварительной вспышки внешнего стробоскопа и вычисляет (правильно), что для правильного освещения сцены требуется меньше вспышки камеры. Укороченная вспышка камеры означает меньший расход заряда батареи камеры и меньшее накопление тепла внутри корпуса (которое может привести к конденсации и запотеванию).

Преимущества:

Надежный
Недорого
Легкий вес
Пробка корпуса не требуется
Не подвержен влиянию воды
Во многих случаях допускает экспозицию, подобную TTL.
Легко отремонтировать в случае повреждения — Наиболее частым повреждением оптоволоконного кабеля является перегиб.В этом случае изогнутая часть может быть просто отрезана, а оставшийся конец снова задействован.

Недостатки:

Работает только с корпусом, который позволяет видеть вспышку камеры за пределами корпуса. Если корпус непрозрачный или камера оснащена выдвижной вспышкой, которую нельзя развернуть в корпусе, оптоволоконное соединение работать не будет.
Для оптического запуска требуется, чтобы срабатывала вспышка камеры.Хотя большинство современных камер имеют очень прочные батареи и очень эффективны, срабатывание вспышки камеры действительно сокращает время автономной работы на одну зарядку. По мере того, как батарея разряжается, это может повлиять на время перезарядки вспышки камеры, ограничивая вашу способность стрелять в стиле «пулемет».

Электрические синхронизирующие соединения

Подключение электрической синхронизации — это именно то, что следует из названия. Многожильный (3-6) жильный кабель, соединяющий корпус и внешний стробоскоп. Камера напрямую взаимодействует с внешним стробоскопом и управляет им.

Преимущества:

Надежный (при правильном обслуживании и установке)
Прочный
Точное управление стробоскопом, не ограниченное вспышкой камеры (временами более быстрое срабатывание)
Работает с непрозрачными корпусами и корпусами, в которых невозможно раскрыть вспышку камеры
Некоторые кабели содержат схему трансляции TTL, что исключает необходимость установки такой схемы внутри корпуса.

Недостатки:

Вообще дороже
Требуется дополнительное обслуживание (больше уплотнительных колец)
Не будет работать при воздействии влаги на соединение стробоскопа или перегородку корпуса
Требуется камера с возможностью подключения горячей обуви
Варианты схем TTL, при желании, значительно удорожают электрическую синхронизацию
Требуется нарушение корпуса камеры, известное как перегородка, которая является потенциальным источником утечки

Лучшее из обоих миров?

Популярность волоконной оптики продолжает расти благодаря простоте использования, легкости и компактности.Но некоторым стрелкам нужна скорость, а у других нет встроенной вспышки в камерах. За последние пару лет оптические вспышки стали предлагать идеальное решение. Подходы немного различаются, например, в случае внутреннего оптического преобразователя YS компании Sea & Sea или триггера вспышки Nauticam для Nikon (NA-D7100).

Но концепция та же: предоставить модуль с батарейным питанием, который подключается к горячему башмаку камеры и использует светодиоды с низким энергопотреблением для запуска стробоскопов через оптоволоконные шнуры синхронизации.Вуаля — все преимущества обеих систем без каких-либо недостатков (за исключением, пожалуй, стоимости триггера по вспышке).

Если вы когда-либо чувствовали, что отказываетесь от чего-то, отдавая предпочтение одной системе над другой, это может быть вариантом для вас. Возможно, это будущее подводной стробоскопической стрельбы, и все больше людей используют ее каждый день.

Итак, вот оно. Идеального решения не существует, но, к счастью, есть доступные и жизнеспособные решения практически для любой комбинации камеры и корпуса.Если вам посчастливилось иметь жилье, которое предлагает вам выбор, считайте себя благословенным вдвойне. Вы можете использовать электрическую опцию и носить с собой легкий оптоволоконный кабель в качестве запасного или наоборот!

Fujikura Ltd. | Продукция

FIGH серии N-типа 6K-15K и G-типа 6K

Арт.	FIGH-06-350G	FIGH-06-400N	FIGH-10-500N	FIGH-15-600N
Количество элементов изображения	6000 ± 600	6000 ± 600	10 000 ± 1 000	15 000 ± 1 500
Диаметр круга изображения (мкм)	325 ± 20	370 ± 25	460 ± 25	550 ± 30
Диаметр волокна (мкм)	350 ± 20	400 ± 25	500 ± 25	600 ± 30
Диаметр покрытия (мкм)	420 ± 30	500 ± 30	600 ± 35	700 ± 35
Минимальный радиус изгиба.(мм)	35 ^{* 1} （20 ^{* 2}）	40 ^{* 1} （20 ^{* 2}）	50 ^{* 1} （25 ^{* 2}）	60 ^{* 1} （30 ^{* 2}）
Материал покрытия	Силиконовая смола (черная)
Дефект решетки (%)	<0,1
Некруглость (%)	<5

* 1: Минимальный радиус изгиба при хранении.
* 2: Рекомендуемый радиус изгиба при использовании в течение короткого периода времени. (Только для справки, возможные поломки из-за статической усталости)

FIGH серии N-типа 30K и G-типа 17K, 30K, 40K

Арт.	FIGH-17-600G	FIGH-30-800G	FIGH-30-850N	FIGH-40-920G
Количество элементов изображения	17000 ± 1700	30 000 ± 3 000	30 000 ± 3 000	40 000 ± 4 000
Диаметр круга изображения (мкм)	560 ± 30	750 ± 40	790 ± 50	854 ± 30
Диаметр волокна (мкм)	600 ± 30	800 ± 40	850 ± 50	920 ± 30
Диаметр покрытия (мкм)	680 ± 35	950 ± 50	950 ± 50	1030 ± 40
Минимальный радиус изгиба.(мм)	60 ^{* 1} (30 ^{* 2})	80 ^{* 1} (40 ^{* 2})	90 ^{* 1} (50 ^{* 2})	100 ^{* 1} (70 ^{* 2})
Материал покрытия	Силиконовая смола (черная)
Дефект решетки (%)	<0,1
Некруглость (%)	<5

FIGH серии N 50K-100K

Арт.	FIGH-50-1100N	FIGH-60-1200N	FIGH-100-1500N
Количество элементов изображения	50 000 ± 5000	60 000 ± 6 000	100 000 ± 10 000
Диаметр круга изображения (мкм)	1,025 ± 80	1,116 ± 50	1,400 ± 120
Диаметр волокна (мкм)	1,100 ± 80	1,200 ± 50	1,500 ± 120
Диаметр покрытия (мкм)	1,200 ± 100	1,275 ± 80	1700 ± 150
Минимальный радиус изгиба.(мм)	110 ^{* 1} (80 ^{* 2})	150 ^{* 1} (100 ^{* 2})	200 ^{* 1} (130 ^{* 2})
Материал покрытия	Силиконовая смола (черная)
Дефект решетки (%)	<0,1
Некруглость (%)	<5

FIGH серия S-тип 1.6K-6K

Арт.	FIGH-016-160S	FIGH-03-200S	FIGH-03-215S	FIGH-06-280S
Количество элементов изображения	1600 ± 160	3 000 ± 300	3 000 ± 300	6000 ± 600
Диаметр круга изображения (мкм)	145 ± 15	186 ± 15	190 ± 20	252 ± 20
Диаметр волокна (мкм)	160 ± 20	200 ± 15	215 ± 25	280 ± 25
Диаметр покрытия (мкм)	210 ± 30	250 ± 20	285 ± 30	340 ± 30
Минимальный радиус изгиба.(мм)	20 ^{* 1} （10 ^{* 2}）	25 ^{* 1} （15 ^{* 2}）	25 ^{* 1} （15 ^{* 2}）	30 ^{* 1} （15 ^{* 2}）
Материал покрытия	Силиконовая смола (черная)
Дефект решетки (%)	<0,1
Некруглость (%)	<5

FIGH серия S-тип 6K-30K

Арт.	FIGH-06-300S	FIGH-10-350S	FIGH-30-650S
Количество элементов изображения	6000 ± 600	10 000 ± 1 000	30 000 ± 3 000
Диаметр круга изображения (мкм)	270 ± 20	325 ± 20	600 ± 30
Диаметр волокна (мкм)	300 ± 25	350 ± 25	650 ± 30
Диаметр покрытия (мкм)	400 ± 30	450 ± 30	750 ± 50
Минимальный радиус изгиба.(мм)	30 ^{* 1} (15 ^{* 2})	35 ^{* 1} (20 ^{* 2})	70 ^{* 1} (35 ^{* 2})
Материал покрытия	Силиконовая смола (черная)
Дефект решетки (%)	<0,1
Некруглость (%)	<5

FIGH серии PI-типа 6K-40K

Арт.	FIGH-06-300PI	FIGH-10-350PI	FIGH-10-500PI	FIGH-30-850PI	FIGH-35-900PI	FIGH-40-900PI
Количество элементов изображения	6000 ± 600	10 000 ± 1 000	10 000 ± 1 000	30 000 ± 3 000	35 000 ± 3 500	40 000 ± 4 000
Диаметр круга изображения (мкм)	270 ± 20	325 ± 20	460 ± 25	790 ± 50	830 ± 50	830 ± 50
Диаметр волокна (мкм)	300 ± 25	355 ± 15	500 ± 25	850 ± 50	900 ± 50	900 ± 50
Диаметр покрытия (мкм)	350 ± 30	400 ± 20	550 ± 35	900 ± 50	950 ± 50	950 ± 50
Минимальный радиус изгиба.(мм)	30 ^{* 1} (15 ^{* 2})	35 ^{* 1} (20 ^{* 2})	50 ^{* 1} (25 ^{* 2})	120 ^{* 1} (60 ^{* 2})	120 ^{* 1} (60 ^{* 2})	120 ^{* 1} (60 ^{* 2})
Материал покрытия	Полиимид (черный)
Дефект решетки (%)	<0.1
Некруглость (%)	<5

Как работает оптоволокно?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 10 января 2021 г.

Римляне, должно быть, были особенно Довольные собой в тот день, когда они изобрели свинцовые трубки около 2000 лет назад.Наконец они у них был простой способ переносить воду из одного места в другое. Представьте, что бы они сделали из современных оптоволоконных кабелей — «труб», которые может передавать телефонные звонки и электронную почту по всему миру за седьмую часть второй!

Фото: Световая труба: волоконная оптика означает направление световых лучей по тонким пластиковым или стеклянным нитям, заставляя их многократно отражаться от стен. Это смоделированное изображение. Обратите внимание, что в некоторых странах, включая Великобританию, волоконная оптика пишется «волоконная оптика».»Если вы ищете информацию в Интернете, всегда стоит поискать оба варианта написания.

Что такое волоконная оптика?

Мы привыкли к тому, что информация путешествует по-разному. Когда мы говорим по стационарному телефону, проводной кабель несет звуки нашего голоса в розетку в стене, где другой кабель берет на местную телефонную станцию. Мобильные телефоны работают иначе способ: они отправляют и получают информацию с помощью невидимых радиоволны — а Технология называется беспроводной, потому что в ней не используются кабели.Волоконная оптика работает третий способ. Он отправляет информацию, закодированную в луче света вниз по стеклянной или пластиковой трубе. Первоначально он был разработан для эндоскопов в 1950-х, чтобы помочь врачам заглянуть внутрь человеческого тела без необходимости сначала разрежьте его. В 1960-х инженеры нашли способ использовать та же технология для передачи телефонных звонков со скоростью света (обычно это 186 000 миль или 300 000 км в секунду в вакууме, но замедляется примерно до двух третей от этой скорости в оптоволоконном кабеле).

Оптическая техника

Фото: Отрезок 144-жильного оптоволоконного кабеля.Каждая прядь сделана из оптически чистого стекла и тоньше человеческого волоса. Изображение Тех. Сержант. Брайан Дэвидсон, любезно предоставлено ВВС США.

Оптоволоконный кабель состоит из невероятно тонких жил. из стекла или пластика, известного как оптические волокна; один кабель может иметь всего два прядей или целых несколько сотен. Каждая прядь меньше в десять раз толщиной с человеческий волос и может принимать около 25000 телефонных звонков, Таким образом, весь оптоволоконный кабель может легко передать несколько миллионов вызовов.Текущий рекорд для «одномодового» волокна (поясняется ниже): 178 терабит (триллионов бит) в секунду — достаточно для 100 миллионов сеансов Zoom. (по словам эксперта по волокнам Джеффа Хехта)!

Волоконно-оптические кабели передают информацию между двумя местами, используя полностью оптическая (световая) технология. Предположим, вы хотели отправить информация с вашего компьютера на дом друга по улице с помощью волоконной оптики. Вы можете подключить свой компьютер к лазеру, который преобразовал бы электрическую информацию из компьютера в серию световые импульсы.Затем вы запускаете лазер по оптоволоконному кабелю. После прохождения по кабелю световые лучи выходили на другой конец. Вашему другу понадобится фотоэлемент (светочувствительный компонент), чтобы превратить импульсы света обратно в электрическую информацию его или ее компьютер мог понять. Так что весь аппарат был бы как действительно изящная высокотехнологичная версия телефона, который вы можете Сделайте из двух банок для запеченных бобов и отрезка веревки!

Как работает оптоволокно

На фото: оптоволоконные кабели достаточно тонкие, чтобы их можно было изгибать, поэтому световые сигналы проходят внутрь по изогнутым путям.Фотография любезно предоставлена Исследовательским центром Гленна НАСА. (НАСА-GRC).

Изображение: Полное внутреннее отражение удерживает световые лучи от внутренней части оптоволоконного кабеля.

Свет распространяется по оптоволоконному кабелю по многократно отскакивая от стен. Каждый крошечный фотон (частица света) прыгает по трубе, как бобслей, спускающийся по ледяной трассе. Теперь ваша очередь может ожидать луч света, путешествовать по прозрачной стеклянной трубе, чтобы просто просочиться через края.Но если свет падает на стекло под очень малым углом (менее 42 градусов), он снова отражается внутрь — как если бы стекло на самом деле было зеркалом. Этот явление называется полным внутренним отражением. Это одна из вещей, которая сохраняет свет внутри трубы.

Еще одна вещь, которая удерживает свет в трубе, — это структура кабель, состоящий из двух отдельных частей. Основная часть кабель — посередине — называется ядром , и это бит свет проходит сквозь.На внешней стороне ядра обернут еще один слой стекла называется облицовкой . Работа облицовки — сохранить световые сигналы внутри активной зоны. Он может это сделать, потому что он сделан из различный вид стекла в сердцевине. (Технически облицовка имеет более низкий показатель преломления.)

Типы волоконно-оптических кабелей

Оптические волокна передают по ним световые сигналы в так называемых режимах . Звучит технически, но это просто означает разные способы путешествовать: мода — это просто путь, по которому световой луч следует вниз по волокну.Один режим чтобы пройти прямо по середине волокна. Другой — отразите волокно под небольшим углом. Другие режимы включают подпрыгивание вниз по волокну под другими углами, более или менее круто.

Иллюстрации: Вверху: свет по-разному распространяется в одномодовых и многомодовых волокнах. Внизу: внутри типичного одномодового оптоволоконного кабеля (не в масштабе). Тонкая сердцевина окружена оболочкой примерно в десять раз большего диаметра, пластиковым внешним покрытием (примерно в два раза больше диаметра оболочки), некоторыми укрепляющими волокнами из жесткого материала, такого как Kevlar®, с внешней защитной оболочкой снаружи.

Самый простой тип оптического волокна называется одномодовым . Он имеет очень тонкую сердцевину около 5-10 микрон (миллионных долей). метр) в диаметре. В одномодовом волокне все сигналы проходят прямо посередине, не отскакивая от краев (желтая линия в диаграмму). Кабельное телевидение, Интернет и телефонные сигналы обычно передаются по одномодовым волокна, свернутые в огромный пучок. Такие кабели могут отправлять информация на расстояние более 100 км (60 миль).

Другой тип оптоволоконного кабеля называется многорежимный .Каждое оптическое волокно в многомодовый кабель о 10 раз больше одного в одномодовом кабеле. Это означает, что световые лучи могут проходить через ядро, следуя Разновидность разные пути (желтые, оранжевые, синие и голубые линии) — другими словами, в несколько разных режимов. Многорежимные кабели могут отправлять только информацию на относительно короткие расстояния и используются (среди прочего) для соединить компьютерные сети вместе.

Еще более толстые волокна используются в медицинском инструменте под названием гастроскоп (разновидность эндоскопа), какие врачи протыкают кому-то горло для обнаружения болезней внутри их желудок.Гастроскоп — это толстый оптоволоконный кабель, состоящий из многих оптических волокон. На верхнем конце гастроскопа есть окуляр и напольная лампа. Лампа направляет свой свет на одну часть кабеля в живот пациента. Когда свет достигает желудка, он отражается стенки желудка в линзу внизу кабеля. Затем он возвращается в другую часть кабель в окуляр врача. Другие типы эндоскопов работают так же способ и может использоваться для осмотра различных частей тела.Также есть промышленный вариант инструмента, называемый фиброскопом, который можно использовать исследовать такие вещи, как недоступные части оборудования в самолете двигатели.

Применение для волоконной оптики

Стрельба по трубе кажется изящной научной партийный трюк, и вы можете не подумать, что у этого есть много практических применений что-то подобное. Но так же, как электричество может привести в действие многие типы машин, лучи света могут нести многие типы информация — так что они могут помочь нам во многих отношениях.Мы просто не замечаем насколько обычными стали оптоволоконные кабели, потому что лазерные сигналы, которые они несут, мерцают далеко под нашими ногами, глубоко под офисными этажами и улицами города. Технологии, использующие это — компьютерные сети, радиовещание, медицинское сканирование и военная техника (назвать всего четыре) — причем совершенно незаметно.

Фото: Работа с волоконно-оптическими кабелями. Изображение Натанаэля Каллона, любезно предоставлено ВВС США.

Компьютерные сети

Оптоволоконные кабели в настоящее время являются основным средством передачи информации на большие расстояния, поскольку у них есть три очень больших преимущества перед медными кабелями старого образца:

Меньшее затухание : (потеря сигнала) Информация проходит примерно в 10 раз дальше, прежде чем ей потребуется усиление, что делает оптоволоконные сети более простыми и дешевыми в эксплуатации и обслуживании.
Без помех : В отличие от медных кабелей, между оптическими волокнами нет «перекрестных помех» (электромагнитных помех), поэтому они передают информацию более надежно и с лучшим качеством сигнала.
Более высокая пропускная способность : Как мы уже видели, оптоволоконные кабели могут передавать гораздо больше данных, чем медные кабели того же диаметра.

Теперь вы читаете эти слова благодаря Интернет. Вы наверняка наткнулись на эту страницу с поисковой системой как Google, который управляет всемирной сетью гигантских центров обработки данных соединены оптоволоконными кабелями большой емкости (и сейчас пытается развернуть быстрые оптоволоконные соединения для остальных из нас).Нажав на ссылку на поисковую систему, вы скачали эту веб-страницу из моей сети сервер и мои слова просвистели большую часть пути к вам вниз больше волоконно-оптические кабели. Действительно, если вы используете быстрый оптоволоконный широкополосные, оптоволоконные кабели делают почти всю работу каждый раз вы выходите в интернет. При большинстве высокоскоростных широкополосных подключений только последний этап информационного пути (так называемый «последний миля «от оптоволоконного шкафа на улице до дома или квартира) подразумевает старомодные провода.Это оптоволоконные кабели, не медные провода, которые теперь несут «лайки» и «твиты» под наши улицы, через все большее количество сельских районов, и даже глубоко под океанами, соединяющими континенты. Если вы представите себе Интернет (и Всемирная паутина, которая использует его) как глобальная паутина, скрепляющие ее нити — оптоволоконные кабели; по некоторым оценкам, оптоволоконные кабели покрывают более 99 процентов от общего пробега Интернета, и переносят более 99 процентов всего международного коммуникационного трафика.

Чем быстрее люди получают доступ к Интернету, тем больше они могут — и будут — делать в сети. Прибытие из широкополосный Интернет сделал возможным феномен облачных вычислений (где люди хранят и обрабатывают свои данные удаленно, используя онлайн вместо домашнего или рабочего ПК в собственном помещении). В примерно так же стабильное развертывание широкополосного оптоволокна (обычно В 5–10 раз быстрее, чем обычный широкополосный DSL, который использует обычные телефонные линии) сделают это гораздо более обычным для люди занимаются такими вещами, как потоковое воспроизведение фильмов в Интернете, а не смотрят транслировать ТВ или брать напрокат DVD.С большей пропускной способностью волокна и быстрее связи, мы будем отслеживать и контролировать многие другие аспекты наша жизнь в сети с использованием так называемого Интернета вещей.

Но не только общедоступные интернет-данные течет по оптоволоконным линиям. Когда-то компьютеры были подключены к на большие расстояния по телефонным линиям или (на более короткие расстояния) по меди Кабели Ethernet, но все чаще предпочтительнее оптоволоконные кабели метод объединения компьютеров в сеть, потому что они очень доступны, безопасны, надежны и имеют гораздо большую вместимость.Вместо того, чтобы связывать офисов через общедоступный Интернет, это вполне возможно для компания для создания собственной оптоволоконной сети (если она может себе это позволить) или (что более вероятно) купить место в частной оптоволоконной сети. Многие частные компьютерные сети работают на так называемом темном волокне , которое звучит немного зловеще, но это просто неиспользованная емкость другого сеть (оптические волокна ожидают включения).

Интернет был продуман так, чтобы вид информации для любого использования; это не ограничивается ношением компьютерные данные.Когда-то по телефонным линиям выходил Интернет, теперь же вместо этого через оптоволоконный Интернет можно звонить по телефону (и Skype). Там, где когда-то телефонные звонки направлялись по сложному лоскутному одеянию медные кабели и микроволновые линии между городами, самые дальние теперь звонки направляются по оптоволоконным линиям. С 1980-х годов было уложено огромное количество волокна; оценки сильно разнятся, но считается, что их общее количество в мире составляет несколько сотен миллионов километров (достаточно, чтобы пересечь Соединенные Штаты примерно миллион раз).В середине 2000-х годов было подсчитано, что до 98 процентов этого количества было неиспользованным «темным волокном»; Сегодня, хотя используется гораздо больше волокон, все еще считается, что большинство сетей содержат от трети до половины темного волокна.

Фото: Оптоволоконные сети дороги в строительстве (в основном потому, что рыть улицы стоит очень дорого). Поскольку затраты на рабочую силу и строительство намного дороже, чем сам кабель, многие сетевые операторы сознательно прокладывают намного больше кабеля, чем им нужно в настоящее время.Изображение Криса Уиллиса любезно предоставлено ВВС США.

Радиовещание

Еще в начале 20 века радио и Телевещание родилось из относительно простой идеи: это было технически довольно легко стрелять электромагнитными волнами по воздуху от одного передатчика (на радиостанции) до тысяч антенн в домах людей. В наши дни, когда радио все еще работает в воздухе, мы с такой же вероятностью ТВ через оптоволоконный кабель.

компании кабельного телевидения первыми перешли от с 1950-х гг. первоначально использовались коаксиальные кабели (медные кабели с металлической оболочкой, обернутой вокруг них для предотвращения перекрестных помех), по которым передавалось лишь небольшое количество аналоговых телевизионных сигналов.Поскольку все больше и больше людей подключаются к кабелю, и сети начинают предлагать больший выбор каналов и программ, кабельные операторы сочли необходимо перейти с коаксиальных кабелей на оптоволокно и с аналогово-цифровое вещание. К счастью, ученые уже выясняли, как это могло быть возможно; еще в 1966 году, Чарльз Као (и его коллега Джордж Хокхэм) посчитали, доказав, как одиночный оптоволоконный кабель может несут достаточно данных для нескольких сотен телеканалов (или нескольких сотен тысяч телефонных звонков).Это был лишь вопрос времени, когда мир кабельного телевидения обратил на это внимание — и «новаторское достижение» Као было должным образом признано когда ему была присуждена Нобелевская премия по физике 2009 года.

Помимо гораздо большей емкости, оптический волокна меньше страдают от помех, поэтому обеспечивают лучший сигнал (рисунок и звук) качество; они нуждаются в меньшем усилении для усиления сигналов, поэтому они путешествуют на большие расстояния; и они вообще дороже эффективный. В будущем оптоволоконный широкополосный доступ может стать большинство из нас смотрят телевизор, возможно, через такие системы, как IPTV (телевидение по Интернет-протоколу), в которых используется Стандартный способ передачи данных в Интернете («коммутация пакетов») в подавать телепрограммы и фильмы по запросу.Пока медный телефон линия по-прежнему является основным информационным маршрутом в дома многих людей, в будущем нашим основным соединением с миром станет высокоскоростной оптоволоконный кабель. кабель, несущий любую информацию.

Медицина

Медицинские гаджеты, которые могут помочь врачам сориентироваться внутри наших тел, не разрезая их, были первыми собственными применение волоконной оптики более полувека назад. Сегодня, гастроскопы (как их еще называют) так же важны, как и когда-либо, но волоконная оптика продолжает порождать важные новые формы медицинское сканирование и диагностика.

Одной из последних разработок называется лаборатория на волокно , и включает в себя вставку тонких волоконно-оптических кабелей с встроенные датчики в тело пациента. Эти виды волокон аналогичны по масштабу кабелям связи и тоньше относительно короткие световоды, используемые в гастроскопах. Как они работай? Через них проходит свет от лампы или лазера через деталь. тела, который доктор хочет изучить. Когда свет проникает сквозь волокна, тело пациента изменяет свои свойства в определенных способ (очень незначительное изменение интенсивности или длины волны света, возможно).Измеряя изменение света (используя методы например, интерферометрия), инструмент, прикрепленный к другому концу волокно может измерить некоторые важные аспекты того, как тело пациента работает, например, их температура, артериальное давление, pH клеток, или наличие лекарств в их кровотоке. Другими словами, вместо того, чтобы просто использовать свет, чтобы заглянуть внутрь тела пациента, это Тип оптоволоконного кабеля использует свет, чтобы его воспринимать или измерять.

Военный

Фото: Волоконная оптика на поле боя.У этой усовершенствованной оптоволоконной управляемой ракеты (EFOG-M) есть инфракрасная оптоволоконная камера, установленная в носу, чтобы стрелок, стреляющий по ней, мог видеть, куда она движется. Изображение любезно предоставлено Армия Соединенных Штатов.

Легко изобразить пользователей Интернета, связанных вместе гигантскими паутинами оптоволоконных кабелей; это гораздо менее очевидно что высокотехнологичные вооруженные силы мира связаны таким же образом. Волоконно-оптические кабели недорогие, тонкие, легкие, емкие, устойчивы к атакам и чрезвычайно безопасны, поэтому они предлагают идеальные способы подключения военных баз и других объектов, таких как ракетные стартовые площадки и радиолокационные станции.Поскольку они не переносят электрические сигналы, они не излучают электромагнитные излучение, которое может обнаружить противник, и они устойчивы к электромагнитные помехи (в том числе систематическое «глушение» противника атаки). Еще одно преимущество — относительно легкий вес волокна. кабели по сравнению с традиционными проводами из громоздких и дорогих медь металлическая. Танки, военные самолеты и вертолеты есть все постепенно переходят с металлических кабелей на оптоволоконные. Частично речь идет о сокращении затрат и экономии веса (оптоволоконные кабели весят почти 90 процентов меньше, чем у сопоставимых медных кабелей типа «витая пара»).Но это также повышает надежность; например, в отличие от традиционных кабелей на самолете, которые должны быть тщательно экранированы (изолированы) для защиты им против ударов молнии, оптические волокна полностью невосприимчивы к такой проблеме.

Кто изобрел волоконную оптику?

1840-е годы: швейцарский физик Даниэль Колладон (1802–1893) обнаружил, что может светить светом через водопроводную трубу. Вода несла свет внутреннее отражение.
1870: Ирландский физик Джон Тиндалл. (1820–1893) продемонстрировал внутреннюю рефлексию в Лондонском Королевском обществе.Он светил в кувшин с водой. Когда он налил немного воды из кувшина, свет изогнулся, следуя за водой. Эта идея «изгиба» свет »- это именно то, что происходит в волоконной оптике. Хотя Colladon Истинный дедушка волоконной оптики, Тиндаль часто заслуживает уважения.
1930-е годы: Генрих Ламм и Вальтер Герлах , два Немецкие студенты пытались использовать световые трубки для изготовления гастроскопа — инструмент для заглядывания в чей-то желудок.
1950-е: в Лондоне, Англия, индийский физик. Нариндер Капани (1926–2021) и британский физик Гарольд Хопкинс (1918–1994) удалось отправить простую картинку по световой трубе, сделанной из тысяч стеклянных волокон. После публикации множества научных работ Капани заработал репутацию «отец волоконной оптики».
1957: Трое американских ученых из Мичиганского университета, Лоуренс Кертисс , Бэзил Хиршовиц и Уилбур Петерс, успешно использовали волоконно-оптическую технологию для создания первого в мире гастроскопа.
1960-е годы: американский физик китайского происхождения Чарльз Као (1933–2018) и его коллега Джордж Хокхэм осознали, что нечистое стекло бесполезно для волоконной оптики дальнего действия. Као предположил, что оптоволоконный кабель, сделанный из очень чистого стекла, сможет передавать телефонные сигналы на гораздо большие расстояния, и был удостоен награды Нобелевская премия по физике 2009 г. за это новаторское открытие.
1960-е годы: исследователи из Corning Glass Company создали первый оптоволоконный кабель, способный нести телефонные сигналы.
~ 1970: Дональд Кек и его коллеги из Corning нашли способы посылать сигналы гораздо дальше (с меньшими потерями), что побудило разработка первых оптических волокон с низкими потерями.
1977: Первый оптоволоконный телефонный кабель был проложен между Лонг-Бич и Артезией, Калифорния.
1988: Первый трансатлантический оптоволоконный телефонный кабель TAT8 был проложен между США, Францией и Великобританией.
2020: Согласно TeleGeography, в настоящее время существует около 406 подводных волоконно-оптических кабелей. (несущие коммуникации под мировым океаном), протяженностью в общей сложности 1.2 миллиона км (0,7 миллиона миль). Это больше, чем в 2019 году, когда было 378 кабелей, хотя общее пройденное расстояние, по-видимому, осталось прежним.

Автоматический метод анализа изображений для количественной оценки морфометрии волокон и популяции типов волокон в скелетных мышцах человека | Скелетная мышца

Иммунофлуоресцентное окрашивание и автоматизированные морфометрические анализы с использованием Fiji

Одной из проблем проведения автоматизированных анализов с использованием образцов, окрашенных иммунофлуоресценцией, является то, что необходимы высокие сигналы флуоресценции, а мембрана миофибрилл должна быть полностью закрыта для правильной идентификации.Более того, некоторые изображения необходимо предварительно обработать для увеличения яркости и контрастности с помощью другого программного обеспечения для редактирования изображений перед анализом, что может занять очень много времени. Мы преодолели эти проблемы в два этапа: во-первых, использованный протокол иммуноокрашивания был тщательно оптимизирован в замороженных срезах мышц (i) для увеличения сигнала флуоресценции без увеличения фона и (ii) для обеспечения закрытия мембраны и его последующей идентификации нашими специалистами. автоматизированная программа, объединяющая два разных антитела для нацеливания на сарколемму.Во-вторых, макрос также включает инструкции для автоматического улучшения изображения, устранения артефактов и заполнения небольших промежутков в волокне перед анализом, что улучшает обнаружение отдельных волокон. Наш макрос оптимально работает на изображениях, полученных с широким диапазоном выдержки (от 30 до 170% идеального времени выдержки (см. Раздел «Методы»)). Однако его производительность будет скомпрометирована, и обнаружение будет постепенно теряться при анализе изображений, полученных ниже 20% (низкий сигнал) или выше 300% (очень высокий сигнал) от нашего эталонного времени экспозиции.

Производительность и проверка макроса

Среднее время автоматического анализа всего участка дельтовидной мышцы (~ 3000 волокон) для сегментации и идентификации популяций типов волокон с использованием нашего макроса составляет ~ 5 минут. Продолжительность анализа значительно сокращена по сравнению с ручными (до 1 ч / выбранное поле из ~ 400 миофибрилл), полуавтоматическими (~ 15 мин [6]) или автоматическими методами, которые требуют редактирования изображения перед анализом. По сравнению с ручным анализом ( n = 15), наш макрос показал высокую точность определения общего количества волокон ( r = 0.97, p <0,001), соотношение волокна I и волокна II ( r = 0,92, p <0,001) и малый диаметр ( r = 0,86, p <0,001) (дополнительный файл 1 : Рисунок S1). Различия, наблюдаемые между макро- и ручным подходами к измерению малого диаметра, могут быть в основном из-за человеческой ошибки, учитывая неточность сегментации, произвольный выбор места измерения и предвзятость пользователя, которому обычно подвергаются ручные анализы.

Аналогичным образом результаты анализа были признаны весьма удовлетворительными при визуальном сравнении оцифрованных изображений мышц со сплющенными, сегментированными масками для всех волокон и каждого типа волокон. Макроанализ привел к общему обнаружению / сегментации 89,3% всех волокон (342/3212 не обнаруженных волокон в 10 проанализированных образцах). Однако в пределах обнаруженных волокон наш инструмент показал очень высокую точность определения популяций типов волокон: <1% волокон были неправильно классифицированы (21/3212).Важным аспектом этого автоматизированного метода является то, что оценка морфометрии больше не подвергается предвзятости со стороны пользователя. Таким образом, межпользовательская изменчивость значительно снижается, и программа обеспечивает составленные и воспроизводимые результаты для анализируемых образцов.

Анализ образцов скелетных мышц человека с использованием нашего макроинструмента на Фиджи

Доля типоспецифических волокон не меняется с возрастом или ИМТ

Макро тестировали на 57 образцах дельтовидной мышцы субъектов с гистологически нормальными мышцами разного возраста ( 15–29 (очень молодые), 30–49 (молодые), 50–69 (средний возраст) и> 70 (пожилые) лет) и группы ИМТ (17–18.4 (недостаточный вес), 18,5–24,9 (нормальный вес), 25–29,9 (избыточный вес) и> 30 кг / м ² (ожирение)). Мы проанализировали CSA, периметр, а также большой и малый диаметры всех миофибрилл I и II типа по отдельности. Поскольку размеры биопсии были неоднородными в нашей популяции (среднее значение 13,5 ± 0,6 мм ², диапазон от 3,6 до 24,9 мм ²), мы нормализовали общее количество волокон по площади ткани. Среднее количество волокон (на 10 мм площади ²) в дельтовидном отделе составило 2283,47 ± 109.5 (Дополнительный файл 1: Таблица S2), и в нашей популяции это значение не отличалось в возрастных ( p = 0,72) группах. Мы наблюдали тенденцию значительного основного эффекта ИМТ ( p = 0,07) к меньшему количеству волокон на площадь в группах с ожирением и худым (дополнительный файл 1: Таблица S3). Мы также вычислили процент миофибрилл типа I и типа II, присутствующих в каждом образце, на основе общего количества подсчитанных волокон. Средняя доля миофибрилл в дельтовидных мышцах взрослых составляла 47.4 ± 1,7 и 52,6 ± 1,7% для типа I и типа II соответственно (дополнительный файл 1: таблица S2). В нашей популяции возраст не оказал значительного влияния на процентное распределение миофибрилл типа I или типа II ( p = 0,47) (дополнительный файл 1: таблица S3). В самой молодой группе (15–29 лет) распределение населения типа I / II составило 39,9 / 60,1%, а в самой старшей группе (70–89 лет) — 50,1 / 49,9% соответственно (таблица 2). Мы также не наблюдали различий в распределении популяции клетчатки в группах с ИМТ ( p = 0.98) (Дополнительный файл 1: Таблица S3). У лиц с недостаточным весом наблюдалось 48,4 / 51,6% волокон типа I / II по сравнению с 45,9 / 54,1%, обнаруженными у субъектов с ожирением (дополнительный файл 1: таблица S4).

Таблица 2 Сравнение средней морфологии миофибрилл по возрастным группам

Возраст приводит к уменьшению размера миофибр II типа, но не I типа

Средняя площадь поперечного сечения для всех волокон составила 2399,4 ± 106,5 мкм ², их среднее периметр 206,6 ± 5 мкм, а их большой и малый диаметры 70.5 ± 1,7 и 40,9 ± 1 мкм соответственно (дополнительный файл 1: таблица S2). В целом, на ППС всех волокон ( p = 0,045), периметр ( p = 0,03), большой ( p = 0,02) и малый ( p = 0,0003) диаметры отрицательно повлиял основной эффект возраста. (Дополнительный файл 1: Таблица S3). Хотя не было различий в параметрах морфометрии всех волокон в возрастных группах 15–29, 30–49 и 50–69 лет, мы обнаружили, что у лиц старше 70 лет ППС был значительно меньше (- 27.3%, p = 0,036), периметр (-16,4%, p = 0,02) и большой диаметр (-16,6%, p = 0,013) по сравнению с группой 30–49 лет (молодые). Точно так же у пожилых людей малый диаметр волокон был примерно на 20% меньше, чем в других возрастных группах (Таблица 2).

При анализе популяции волокон мы обнаружили, что эффекты старения зависят от типа волокон. Возраст не повлиял на морфометрию I типа (CSA, p = 0,94; периметр, p = 0.94; большой диаметр, p = 0,84; и малый диаметр, p = 0,28), тогда как размер миофибрилл типа II (CSA, p = 0,0008; периметр, p = 0,0009; большой диаметр, p = 0,0008; и малый диаметр, p <0,0001) уменьшается с возрастом (рис. 3, дополнительный файл 1: таблица S3).

Рис. 3

Типовые изменения морфометрии волокон в зависимости от возраста. Анализ морфометрических параметров волокон по типу дельтовидной мышцы в разных возрастных группах.Каждая точка отражает LSmean ± SEM ( n = 57). Для анализа ковариации (двусторонний ANCOVA) использовались средние значения каждого образца для , площади поперечного сечения, b, периметра, и c, большого диаметра и d, малого диаметра, которые были проанализированы. В популяции клетчатки средние значения, не имеющие общего надстрочного индекса, статистически различаются по возрастным группам (тест Тьюки-Крамера, p <0,05)

Как и в наших наблюдениях в анализе всех волокон, не было значительных различий в размер волокон типа II среди групп лиц моложе 70 лет.Тем не менее, в старшей возрастной группе (> 70 лет) мы обнаружили уменьшение размеров на 46–48% в CSA, на 26–29% по периметру и на 25–28% в больших и 31–35% в малых диаметрах по сравнению с лиц в возрастных группах 50–69 и 30–49 лет соответственно (рис. 3, табл. 2).

Изменения размера волокон, связанные с ожирением

Мы наблюдали значительную зависимость ИМТ от возраста для всех волокон (CSA, p = 0,007; периметр, p = 0,005; большой диаметр, p = 0 .002; малый диаметр, p = 0,002) и параметры морфометрии типа II (CSA, p = 0,017; периметр, p = 0,017; большой диаметр, p = 0,008; малый диаметр, p = 0,004), и для большого диаметра миофибрилл I типа ( p = 0,03). Мы также обнаружили тенденцию к взаимодействию, влияющему на периметр ( p = 0,08) и малый диаметр ( p = 0,05) волокон типа I. Однако сам по себе ИМТ не влиял на параметры морфометрии, оцениваемые ни для всех волокон, ни для конкретных популяций волокон (дополнительный файл 1: таблица S3).

Мы проанализировали взаимосвязи между параметрами морфометрии и ИМТ, и хотя не было обнаружено значительных корреляций между ИМТ и морфометрией волокон типа I (рис. 4), для популяции типа II это не имело место. ППС волокон типа II ( r = 0,3, p = 0,03) и малый диаметр ( r = 0,27, p = 0,04) положительно и значимо коррелировали с ИМТ, в то время как тенденция к положительной ассоциации была наблюдается по их периметру ( r = 0.25, p = 0,06) и больший диаметр ( r = 0,25, p = 0,06) (рис. 5). Аналогичные ассоциации между размером волокна и ИМТ наблюдались во всей популяции волокон (т.е. значительная CSA ( r = 0,28, p = 0,032) и малый диаметр ( r = 0,27, p = 0,039) и тенденция значимости для периметра ( r = 0,25, p = 0,057) и малого диаметра ( r = 0,25, p = 0,07)).В целом, эти данные согласуются с наблюдением, что у субъектов с большим ИМТ, как правило, меньше волокон на площадь по сравнению с более стройными людьми (ИМТ> 30: 1627,6 ± 316,7 по сравнению с ИМТ <18,5: 2793,8 ± 313,2, дополнительный файл 1: Таблица S4) .

Рис. 4

Корреляция между морфометрией типичных миофибрилл и ИМТ. Значения коэффициента корреляции Пирсона ( r ) и p показаны для a площади поперечного сечения, b периметра и c большого и d малого диаметров миофибрилл дельтовидной мышцы типа I, нанесенных на график в зависимости от ИМТ. .Показаны средние значения каждого субъекта для каждого параметра с 95% доверительным интервалом ( n = 57).

Рис. 5

Корреляция между морфометрией миофибрилл, специфичных для типа II, и ИМТ. Значения коэффициента корреляции Пирсона ( r ) и p показаны для a площади поперечного сечения, b периметра и c большого и d малого диаметров миофибрилл дельтовидной мышцы типа II, нанесенных на график в зависимости от ИМТ. . Показаны средние значения каждого субъекта для каждого параметра с 95% доверительным интервалом ( n = 57)

Карты с цветовой кодировкой репрезентативных изображений худого мужчины (43 года, ИМТ 21.7, средний CSA 2007 ± 9,6 мкм ²), ожирение (43 года, ИМТ 33,2, среднее CSA 3346 ± 16,8 мкм ²), молодые (34 года, ИМТ 21,7, среднее CSA 2832 ± 13,5 мкм ²) , и старые (77 лет, ИМТ 22,5, среднее CSA 2070 ± 14,4 мкм ²) пациенты, проанализированные с помощью нашего макроса, показаны на рис. 6, а их параметры морфометрии показаны в таблице 3.

Рис. 6

Пример цветных изображений в качестве инструмента для визуального обнаружения изменений размера миофибрилл. Карты с цветовой кодировкой были получены на основе площади поперечного сечения миофибрилл (от ≤ 1000 до> 4000 мкм ²).Масштабная линейка соответствует 500 мкм. Репрезентативные изображения из : худощавых (мужчина 43 года, ИМТ 21,7), b страдает ожирением (мужчина 43 года, ИМТ 33,2), c молодых (мужчина 34 года, ИМТ 21,71) и d лет (мужчина 77 лет). лет, ИМТ 22,5) из когорты здоровых пациентов. Характеристики этих пациентов описаны в таблице 3. Слева: исходный срез, окрашенный иммунофлуоресценцией. Справа: изображение с цветовой кодировкой. MyHC, тяжелая цепь миозина; лет, лет; ИМТ, индекс массы тела

Таблица 3 Основные характеристики изображенных образцов пациентов Рис.6

Анализ образцов больных людей с помощью нашего макроинструмента на Фиджи

Мы протестировали наш макрос в патологических условиях в дельтовидных мышцах мужчин и женщин пациентов с ASM, DM и NAM. Мы провели сводную статистику по каждой группе пациентов (таблица 4). Среднее количество волокон на площадь составляло 2086,3 ± 440,8 для пациентов с ASM, 3175 ± 481 для DM и 2665,4 ± 675,9 для пациентов с NAM. Среднее значение CSA составило 1761,3 ± 495,5, 1410,1 ± 180,6 и 2268,5 ± 365 мкм ² для пациентов с ASM, DM и NAM соответственно.Мы заметили, что общая степень атрофии волокон (рассчитанная на основе размера CSA волокна) выше у больных пациентов (4,4-6,7) (таблица 4) по сравнению с пациентами с гистологически нормальными мышцами (0,2-2,1) (таблица 3 ). Кроме того, у нас был доступ к образцам двух пациентов с атрофией мышц и пациента, чьи мышцы имели экстремальную морфологию волокон (гипертрофия 3,7 против <0,4 у репрезентативных здоровых пациентов), а также к репрезентативным фотографиям пациентов с DM, ASM и NAM. мы использовали эти случаи, чтобы визуально подчеркнуть гибкость макроса (таблица 5, рис.7).

Таблица 4 Параметры морфометрии мышц пациентов с патологическими мышцами Таблица 5 Основные характеристики изображенных образцов пациентов Рис. 7 Рис. 7

Карты с цветовой кодировкой как инструмент для визуального выявления мышечных заболеваний и экстремальной морфометрии мышц . Карты с цветовой кодировкой были получены на основе площади поперечного сечения миофибрилл (от ≤ 1000 до> 4000 мкм ²). Масштабная линейка соответствует 500 мкм. Репрезентативные изображения дельтовидной мышцы пациентов с диагнозом a, дерматомиозит, b, антисинтетазная миопатия, c, некротическая аутоиммунная миопатия, d нейрогенная атрофия и e атрофия типа II с угловатыми волокнами. f Пациент с фенотипом волокон большого размера. Характеристики этих пациентов описаны в таблице 5. Слева: исходный срез, окрашенный иммунофлуоресценцией. Справа: изображение с цветовой кодировкой. MyHC, тяжелая цепь миозина

Мы подтвердили, что наш макрос по-прежнему сохраняет свою общую производительность, визуально оцененную на сегментированных выходных изображениях и картах с цветовой кодировкой, и подтвердили применимость нашего инструмента в широком диапазоне человеческих условий. Кроме того, карты размеров областей показали их ценность для быстрой визуальной идентификации атрофических / гипертрофических областей (рис.7), что облегчает диагностику первого впечатления или верификацию диагноза в клинических условиях.

Анализ образцов грудной клетки человека с помощью нашего макроинструмента на Фиджи

Удобной особенностью нашего макроинструмента является возможность настройки пользователем параметров исключения для CSA, малого диаметра и округлости для улучшения обнаружения волокон в различных физиологических (т. Е. , атрофия мышц при здоровом старении) и патологических состояниях (мышечные заболевания, ожирение). Например, грудная мышца имеет в целом больший размер волокна, чем образцы дельтовидной мышцы.Таким образом, мы скорректировали параметры исключения перед анализом следующим образом: CSA <200 и> 20 000 мкм ², округлость <0,4 и малый диаметр <8 мкм. Наш макрос успешно анализировал образцы грудных мышц, подтверждая его широкое применение в различных образцах мышц (рис. 8). Средний размер грудной биопсии составил 12,7 ± 1,5 мм ², от 2,9 до 18,2 мм ². Средняя площадь поперечного сечения всех волокон составила 4574,8 ± 403.2 мкм ² (по сравнению с 2399,4 ± 107 мкм ² в образцах дельтовидной мышцы), в среднем 1277,7 ± 234,6 волокон / 10 мм ² площади. Данные морфометрии этих пациентов для всех волокон типа I и типа II представлены в Таблице 6.

Рис. 8

Изображения с цветовой кодировкой в качестве инструмента для обнаружения изменений размера миофибрилл в грудных мышцах. Карты с цветовой кодировкой были получены на основе площади поперечного сечения миофибрилл (от ≤ 1000 до> 4000 мкм ²). Масштабная линейка соответствует 500 мкм.Примеры изображений биопсии грудных мышц. a Мужчина 54 года, ИМТ 31,9, среднее значение CSA 4574,4 ± 43 мкм ². b Мужчина 55 лет, ИМТ 27,6, среднее значение CSA 5159,8 ± 42,5 мкм ². Характеристики этой группы пациентов описаны в таблице 6. Слева: исходный срез, окрашенный иммунофлуоресценцией. Справа: изображение с цветовой кодировкой. MyHC, тяжелая цепь миозина; лет, лет; ИМТ, индекс массы тела; CSA, площадь поперечного сечения

Таблица 6 Параметры морфометрии грудных мышц

Фото 51 — Дифракция волокон и двойная спираль ДНК — The Bumbling Biochemist

Что такое дифракция волокна? А как же размытая структура ДНК X Xplain? Вы, вероятно, видели «Фото 51», даже если не знали, что именно так назван шедевр химика Розалинды Франклин 1952 года.«Именно этот расплывчатый X открыл структуру ДНК. Франклин и аспирант Раймонд Гослинг сделали это изображение с помощью метода, называемого дифракцией волокна, при котором рентгеновские лучи используются для выявления информации о «молекулярной архитектуре», основанной на том, как атомы в молекулах изменяют траектории волн. Это связано с дифракцией кристаллов, но эта знаменитая Фотография 51 не от кристалла! И именно эта некристаллическая природа дала ключ к выяснению структуры ДНК.

Я привык к * кристаллической * дифракции, которую использую для изучения белков, поэтому мне пришлось немного почитать об этом очень родственном, но тоже другом методе, и, надеюсь, я все объясню хорошо! И дифракция рентгеновских лучей на волокне и на кристалле имеет одинаковые основные явления, но они различаются некоторыми ключевыми способами (наиболее очевидным является то, что дифракция волокна не требует от вас кристаллизации молекул, но требует, чтобы молекулы соответствовали строгим условиям, чтобы вы могли » не используйте его для чего-нибудь — так что не бросайте эти кристальные экраны!)

Основная концепция дифракции рентгеновских лучей — любого вида — заключается в том, что рентгеновские волны рассеиваются, когда они сталкиваются с атомами, составляющими молекулы — рентгеновская волна входит, ударяет по атому и распространяется во всех направлениях.А рассеянные волны пересекаются — иногда конструктивно, складываясь, чтобы дать вам более сильную волну, — но иногда разрушительно, эффективно «нейтрализуя друг друга». Мы называем явление «рассеивание и добавление для усиления» дифракцией, и, если мы фиксируем дифрагированные волны на детекторе или экране, мы получаем метки, называемые дифракционной картиной. Размер и относительное расположение этих «меток попадания» зависит от расстояния между атомами, поэтому с некоторой геометрией и триггером (не волнуйтесь, я не буду вдаваться в подробности!) Вы можете решить, как атомы расположены.

Но вы получите интерпретируемый узор только при соблюдении строгих геометрических условий — должен существовать повторяющийся узор атомных расстояний, чтобы волны не компенсировали друг друга или не складывались непредсказуемо.

В рентгеновской кристаллографии требуемая симметрия достигается за счет того, что множество отдельных молекул откачиваются от своей полной водной оболочки (выходят из раствора) и организуются в упорядоченное трехмерное расположение «кирпичей», называемых «асимметричными единицами» (которые могут содержат один или несколько отдельных белков), называемых решеткой.Симметрия возникает из сравнения асимметричных единиц — так, например, атом в одной белковой молекуле находится в том же месте в своей «асимметричной единице», что и соответствующий атом в белковой молекуле копируется в каждой асимметричной единице. Таким образом, даже если сам белок сильно несимметричен (часто самые крутые из них), у вас все равно есть симметрия. Таким образом, вы все равно получите равномерно расположенные рассеиватели волн, приводящие к дифракции.

При дифракции волокна симметрия, необходимая для дифракции, возникает из внутренней симметрии отдельных молекул, а не из отношений между молекулами или единицами.Чтобы он работал, волокна должны иметь ось симметрии, чтобы вы могли «вращать» его вокруг этой оси без изменения дифракционной картины. Эту ось симметрии иногда называют «осью волокна» или «меридианом» — и, поскольку, в отличие от кристалла, молекулы в волокне могут свободно вращаться, волокно может иметь сочетание различных вращений вокруг этого центрального оси, но все они параллельны друг другу вдоль этой оси.

Итак, у нас есть разные способы получить симметрию.Теперь позвольте мне пролить свет на то, почему эта симметрия важна.

В основе дифракции — от кристалла или волокна — лежит рассеяние света. Рентгеновские лучи — это «просто» действительно энергичная форма «света», который является термином, используемым для описания широкого спектра «электромагнитного излучения» (ЭМИ). От низкоэнергетических длинноволновых микроволн и инфракрасного излучения до ROYGBIV видимой радуги, до ультрафиолета (УФ) и рентгеновских лучей, мы можем рассматривать ЭМИ как состоящие из небольших пакетов энергии, называемых фотонами, движущихся в волнах.Различные виды света имеют разное количество энергии в своих фотонах, и чем больше энергии у фотонов, тем короче длина волны (расстояние между пиками) и выше частота (пики сближаются).

подробнее здесь: http://bit.ly/2QASc8h

Когда рентгеновские лучи попадают на атомы, они возмущают электрические поля электронов этих атомов. Это вроде как бросить несколько бильярдных шаров в бассейн, эти электроны принимают удар », и вместо того, чтобы просто отражать рентгеновские лучи, они поглощают энергию и повторно высвобождают ее, становясь собственными источниками волн.Поскольку электроны вращаются вокруг центрального ядра атомов (атомного ядра), мы можем рассматривать атомы в целом как источники волн, что упрощает обсуждение / размышление.

Итак, у вас есть все эти волны, которые «распространяются» от атомов — во всех направлениях (мы часто просто рисуем их в одном направлении или в 2D для ясности, но эти волны сферические). И эти широковещательные волны неизбежно пересекутся.

Когда волны пересекаются, это не похоже на столкновение двух пешеходов друг с другом.Потому что эти волны * не * материя — это не физический материал, это «просто» энергия. Таким образом, они * могут * одновременно занимать одно и то же место. В результате волны складываются посредством так называемой суперпозиции — они могут пересекаться, не меняя друг друга, перемещаться вместе, затем расходиться, затем перемещаться вместе — и все это без изменения друг друга. Они не обращают внимания на существование другого.

Итак, почему мы говорим о волнах, складывающихся и подавляющих друг друга? Это просто связано с нашим восприятием волн.Вы можете думать о волнах как о ходунках — цикл «шаг вправо / влево» составляет одну длину волны. Где вы находитесь в шаге (например, правая нога, левая нога, в воздухе, на земле) — это «фаза»

Если у вас есть две волны, движущиеся вместе, но точно не в фазе, одна из них достигнет пика, когда другая впадина (например, правая нога одного человека упадет на землю одновременно с левой ногой другого человека), и, как В результате сигналы, которые мы обнаруживаем, аннулируются, но физические волны не изменяются.Вроде как можно использовать генератор «белого шума» для «подавления» звука, который вы слышите, не прерывая самого звука.

В случае дифракции «блуждающие» (рассеянные волны) испускаются атомами, на которые попадают рентгеновские лучи. Они рассылают ходоков во всех направлениях, делая шаги одинаковой длины (одинаковой длины волны). И это происходит везде, где попадают рентгеновские лучи, поэтому у вас есть группа пешеходов, путешествующих во всех направлениях, начиная с разных мест. Дифракция возникает, когда люди, идущие из разных мест, идут в ногу друг с другом по одному и тому же пути.

Дифракция происходит во всех 3D, но наш детектор настроен только на улавливание рассеянных лучей, идущих в его направлении. То, что он будет захватывать, зависит от расстояния между «генераторами волн» (атомной структуры молекулы) и его положения относительно того, откуда исходит источник света, где находится детектор и какова длина волны света.

Если у вас есть равномерно расположенные источники волн, почти все волны будут компенсироваться, потому что для каждой волны почти всегда есть одна, полностью не совпадающая по фазе, чтобы «разрушить» ее.Но есть специальные комбинации расстояния / угла / длины волны, когда волны смещены по фазе, кратные полной длине волны, так что это похоже на шаг впереди, но все же синхронизацию. Таким образом, они конструктивно складываются, и вы получаете тот сильный сигнал, который мы называем дифракцией. Вы можете получить дифракцию, если вы на один шаг впереди, или на 2 шага впереди, или на 3, или 4 и т.д. детектор. Математически это отражено (без каламбура) в законе Брэгга.

Фазовый сдвиг зависит от длины волны (λ), угла падения падающей волны (θ) и расстояния между ними (d). ЗАКОН БРЭГГА гласит, что для возникновения конструктивной интерференции nλ = 2dsinθ. И мы вернемся к этому позже. Но теперь давайте перейдем к фотографии 51 (а не к Зоне 51, к которой поиск в Google может привести вас…)

Методы дифракции рентгеновских лучей были введены в 1910-е годы фон Лауэ и Брэггсом. В те дни кристаллография была в моде, поэтому многие ученые обладали кристаллографическим складом ума и инструментарием — сама Франклин была невероятно квалифицированным кристаллографом.Но особенно сильной оказалась некристаллическая дифракционная картина волокна. Розалинда была не первой, кто получил дифракционные рентгеновские лучи от волокон ДНК — Astbury & Bell попробовали это в 1930-х годах, но им не удалось получить достаточно хороших снимков, чтобы сделать какие-то выводы. Хотя фотография Франклина 51 могла выглядеть немного размытой, она была супер «четкой»!

Франклин и Гослинг обнаружили, что они могут получить 2 очень разных дифракционных картины ДНК в зависимости от того, насколько влажной была ДНК — «сухое» волокно из мини-кристаллов, которое они назвали A-ДНК, и «влажное» волокно растворенной B-ДНК.И только «некристаллизуя» ДНК для получения формы B (используя насыщенные солевые растворы для контроля влажности в камере камеры) они смогли получить важную информацию, необходимую для определения структуры ДНК. И чтобы получить такое чистое изображение, ей пришлось проделать много работы по устранению неполадок, чтобы преобразовать ДНК в сверхупорядоченные, но свободно вращающиеся нити.

Именно эта форма B, наиболее распространенная естественная форма в наших телах, показана на фото 51, полученном в результате эксперимента по дифракции волокна.Позже мы вернемся к форме А. А пока давайте посмотрим, как фотография 51 привела к пониманию ДНК как двойной спирали с антипараллельными цепями и особой геометрией.

В отличие от кристаллов, которые дают отчетливые пятна повсюду, волокна из полимеров (цепочки повторяющихся звеньев) дифрагируют, образуя пятна вдоль прямых и равномерно разнесенных линий, которые называются линиями слоев, которые расположены под прямым углом к ось волокна.

Расстояние между этими линиями слоев обратно пропорционально расстоянию за повторяющимися частями волокна.В ДНК есть несколько повторяющихся вещей. У нас есть одна большая повторяющаяся вещь — полный оборот спирали. И у нас есть небольшие повторяющиеся части — нуклеотиды. Эти «буквы ДНК» имеют общую сахар (дезоксирибозо) -фосфатную часть и одно из 4 кольцевых «оснований». Хотя основания немного отличаются, они все равно имеют одинаковое расстояние и одинаково действуют с точки зрения дифракции, потому что, как мы увидим, преобладающее рассеяние исходит от сахарно-фосфатной основы (у фосфора есть много электронов, от которых можно рассеяться).А основания плоские и рентгеновские лучи ударяют «ребром». Так что пока мы можем просто считать, что все базы одинаковы.

Обратное соотношение делает так, что чем ближе друг к другу основания (чем больше сплющена спираль), тем дальше друг от друга находятся их соответствующие линии слоев. Это потому, что дифракционные картины показывают нам «обратное пространство». Если вы хотите узнать больше об этом, ознакомьтесь с этим сообщением: http://bit.ly/2OfOUnO

Но чтобы получить общее представление, вам просто нужно знать, что во взаимном пространстве вещи, которые находятся ближе друг к другу в «реальном пространстве», находятся дальше друг от друга.Таким образом, чем ближе друг к другу отметки на дифракционной картине, тем дальше физические расстояния от предметов, от которых они рассеиваются.

Точно так же, как мы можем использовать другую терминологию для описания «размера» волны. мы можем дать специальные имена геометрическим размерам спирали. Шаг относится к тому, как далеко вам нужно продвинуться по оси волокна линейно, чтобы добраться до начала следующего поворота. Если вы хотите указать, как далеко вы продвинулись по базе, используйте маленькую букву p или h (я буду использовать h).И если вы хотите указать, сколько поворотов вы делаете между основаниями, этот угол обозначается аббревиатурой (Π). Вы также можете говорить о различных осях дифракционной картины — «вертикальная», параллельная оси волокна, называется меридианом. А «горизонтальная» называется экваториальной осью.

Теперь, когда мы представили этот словарь спирали, давайте применим этот новый жаргон!

Х-образная дифракция характерна для спирали — и возникает из-за рассеяния от отдельной, усредненной по углу молекулы (это один из способов, которым они узнали, что у них есть растворимое волокно, а не кристалл).Если, например, вы посмотрите на дифрактограмму ДНК А-формы, она будет намного менее четкой, потому что на пути появляются дифракционные пятна кристаллов … Позже я покажу вам, почему спираль ведет к X, но сначала давайте разберемся с фундаментальными размеры этой спирали, просто сняв измерения с дифракционной картины.

Измеряя расстояние между линиями слоев и используя закон Брэгга, определяющий условия, необходимые для возникновения дифракции, они выяснили, что шаг P равен 3.4 нанометра. Нанометр (нм) — это миллионная часть метра. Структурные биологи предпочитают говорить об Ангстремах (Å). Один Å равен 0,1 нм, поэтому 34 Å — это расстояние между удаленными друг от друга повторяющимися единицами — один виток спирали.

Как насчет расстояния между серединой и верхом (или низом), где есть эти большие дуги? Что это вообще такое? Они исходят из самих баз, и я подробнее расскажу о них через минуту. Но их дальнейшее расположение на дифракционной картине соответствует более близкому расположению в реальной ДНК.И если вы измеряете это расстояние и подключаете его к закону Брэгга, как мы делали выше для шага, вы получаете межбазовое расстояние 3,4 Å (34 нм).

Итак, 34 Å за полный оборот. И 3,4 Å на нуклеотид. 34 / 3,4 = 10 нуклеотидов на ход. А поворот равен 360 °, поэтому 360/10 = 36 ° на шаг нуклеотида.

Мне нравится такая математика! Теперь немного менее удобные вещи … Чтобы получить полные размеры нашей спирали, нам нужно вычислить ее радиус. Итак, вам нужно добавить к закону Брэгга несколько триггеров.Но в качестве награды вы увидите, почему мы видим X!

Я не из тех, кто хвастается своим триггером, поэтому не буду подробно его подробно описывать, но, возможно, вы помните, как мы могли притвориться, что наши протеиновые кристаллы состоят из семейств самолетов, отражающихся от света. Что ж, мы можем проделать то же самое с этими волокнами — мы можем представить, что у нас есть 2 серии плоскостей, перпендикулярных друг другу. Расстояние между плоскостями равно d, и, по триггеру, оно равно Pcos (α), где P — наш шаг, а a — угол по отношению к горизонтали.

Это в реальном пространстве (с чем сталкиваются рентгеновские лучи) — теперь нам нужно вернуться в обратное пространство (то, что мы видим на дифракционной картине). Итак, мы вернулись к переворачиванию вещей. Таким образом, наш горизонтальный угол превращается в вертикальный: чем больше высота звука, тем больше реальный угол и тем меньше обратный угол рисунка, и наоборот. И мы можем измерить этот (теперь вертикальный) угол непосредственно по дифракционной картине, найти его 40 ° и использовать триггерное соотношение tan α = P / 4r, чтобы вычислить, что радиус равен r = (34Å) / (4 tan 40 ° ) = 10 Å (1 нм)

Теперь о бонусе Xtra, который заключается в выяснении того, что делает X и X… Итак, если мы представим, что у нас есть зеркальные пластины, от которых мы отражаем рентгеновские лучи, мы можем представить себе, как эти волны отражаются от одного семейства самолетов и дают нам одна верхняя ножка X.И волны, отражающиеся от самолетов другого семейства, дают нам вторую ногу. Но мы видим 4 ноги … И это потому, что у нас действительно нет отражающихся лучей. Вместо этого у нас есть эти волновые генераторы, транслирующие во всех направлениях, так что это также похоже на то, как у вас есть рентгеновские лучи, отражающиеся от плоскостей снизу — так что эта дифракционная картина повторяется внизу, и мы получаем наш полный X.

Или не совсем полный…

Линии слоев равномерно распределены. Причем, исходя из того, что эти линии соответствуют 3 нуклеотидам.На расстоянии 4 Å при шаге 34 Å должно быть 10 линий слоев — но они видели только 9 ?! Что случилось с линией 4-го слоя ?! Его сигнал, должно быть, украден! Это сказало им, что у спирали есть вторая нить — и она разрушительно мешает! Но почему «стирается» только сигнал 4-й строки? Это связано с тем, как расположены пряди!

Чтобы получить полную деструктивную интерференцию, вторая нить должна быть сдвинута на некоторую долю P, в результате чего их волны выходят из шага на несколько кратных половинной длины волны, так что пик одной нити компенсируется впадиной другой.Геометрически это означает, что это должна быть одна из нескольких различных фракций, из которых только 3/8 P имеет биохимический смысл (молекулы занимают место, поэтому им нужно достаточно места для размещения). Итак, возьмите 3/8 P, где P равно 34 Å, и вы получите сдвиг на 12,75 Å

Есть еще один регион, в котором вы не видите сигнала — и опять же, это небытие имеет значение. Поскольку внутри меридианного алмаза нет сигнала, как можно было бы ожидать, если бы фосфаты находились в центре (как предлагали ранние модели нескольких ученых), они пришли к выводу, что фосфаты должны находиться на внешней стороне спирали. основания, обращенные внутрь — что «большой» радиус (целых 10 Å!) сказал им, что есть место для размещения.

Многие ученые думали, что основания будут торчать, поскольку это обеспечит легкий доступ для чтения. Но облицовка защищает их от повреждений, и это хорошо! Но возникает проблема удобочитаемости — к счастью, эта картинка загадочно показала решение и этой проблемы. Сдвиг на 3 / 8P вместо 1/2 P приводит к «смещению» спирали. В то время как следствием дифракции является потеря линии, биохимическим следствием этого является более легкое получение информации о последовательности! Смещение дает ДНК малую бороздку и более открытую большую бороздку.Белки могут «считывать» последовательность оснований ДНК из этой большой бороздки, не распаковывая ее.

На Фото 51 видны большие дуги северного и южного меридианов — они возникают из-за рассеяния от самих оснований. И само их существование информативно — оно говорит нам о том, что в этой B-форме ДНК основания почти горизонтальны. В противном случае разные основания «выглядели бы» слишком по-разному для поступающих рентгеновских лучей — и, поскольку ДНК имеет разные комбинации букв, они компенсировали бы друг друга.Но вместо этого мы получаем эти большие дуги вверху и внизу — если бы основания были идеально горизонтальными, эти линии были бы прямыми, поэтому дуговость их говорит нам, что они не совсем плоские.

И это возвращает нас к А-форме ДНК, «сухой форме» — в А-ДНК молекулы ДНК были «частично обезвожены» — они отказались от некоторых водных контактов в пользу контактов ДНК-ДНК, что привело к «Микрокристаллы» в их волокнах. Таким образом, они действительно увидели некоторые дифракционные пятна на кристаллах в первых нескольких слоях.

В форме A шаг уменьшается на ~ 20% (P = 2,8 нм для A-ДНК), при этом сдавливание сопровождается «сжатием» другого основания, так что на спираль приходится 11 вместо 10 нуклеотидов. период. Кроме того, сжатие нарушает горизонтальность оснований — они имеют наклон в 20 °, в результате чего только 2 основания за поворот попадают «с ребра», так что вы не получаете этих сильных меридиональных дуг.

Форма кристалла все еще была полезной — по ней Франклин и Гослинг выяснили, что она кристаллизовалась с формой двойной симметрии, перпендикулярной оси позвоночника.Зная, что нити ДНК имеют направленность, Крик пришел к выводу, что для того, чтобы быть двойной спиралью, нити должны быть антипараллельны.

И это подводит нас к самой грустной части истории — сотрудник Франклина — Морис Уилкинс — поделился фотографией 51 с Уотсоном и Криком, в то время как Франклин все еще собирал доказательства и интерпретировал их, не совсем готовый к публикации, пока не убедился в большей уверенности. Затем Уотсон и Крик опубликовали свою знаменитую статью, в которой описывалась их интерпретация изображения как двойной спиральной структуры ДНК и описывалась геометрия изображения.Франклин трагически молодым умер в 1958 году, а Уотсон, Крик и Уилкинс получили Нобелевскую премию в 1962 году.

Существуют и другие формы ДНК, в том числе странная «Z-форма», которую можно получить с полинуклеотидами с чередующимися пурин-пиримидиновыми основаниями, такими как GCGCGC или ATATATAT, и на самом деле она является левосторонней.

Так что я действительно надеюсь, что все имело смысл, и я не просто запутал вас!

, фото 51, бумага: https://www.nature.com/articles/171740a0.pdf

Еще

по упомянутым темам (и другим) # 366DaysOfScience All (со списком тем) 👉 http: // bit.ly / 2OllAB0

Фото восстановление CO2 до метанола с использованием оптоволоконного фотореактора

Abstract

Парниковые газы, такие как CO ₂, являются основной причиной глобального потепления. Один из лучших способов исправить CO ₂ — превратить его в углеводороды с помощью фото восстановления. CO ₂ был фотокаталитически восстановлен для получения метанола с использованием ртутной лампы с длиной волны 365 нм в стационарном оптоволоконном фотореакторе. Оптоволоконный фотореактор, состоящий из почти 120 волокон с покрытием Cu / TiO ₂, был спроектирован и собран для равномерного пропускания и распространения света внутри реактора.Пленка TiO ₂ была нанесена на оптическое волокно методом окунания. Растворы диоксида титана, содержащие Cu, получали методом термогидролиза. Толщина пленки Cu / TiO ₂ составляла 53 нм. Пленка покрытия состояла из очень мелких сферических частиц диаметром около 14 нм. Спектры XRD показали наличие фазы анатаза для всех пленок TiO ₂ и Cu / TiO ₂. Длина волны края поглощения на Cu / TiO ₂ была около 367 нм, что эквивалентно ширине запрещенной зоны 3.3 эВ. Наиболее активными частицами Cu на поверхности TiO ₂ были кластеры Cu ₂ O, которые играли важную роль в образовании метанола. Выход метанола увеличивался с увеличением интенсивности УФ-облучения. Максимальная скорость метанола составляла 0,45 мкмоль / г кат-ч при использовании 1,2 мас.% — Cu / TiO ₂ катализатора при 1,29 бар CO ₂, 0,026 бар H ₂ O и среднем времени пребывания 5000 с при 16 Вт. / см ² УФ-облучение. Содержание меди выше 1,2 мас.% Дает более низкую скорость выхода метанола из-за маскирующего эффекта кластеров Cu ₂ O на поверхности TiO ₂.Модель Ленгмюра-Хиншелвуда была создана путем сопоставления экспериментальных данных для описания кинетического поведения. Оптимальное соотношение давлений H ₂ O / CO ₂ было найдено при фото восстановлении CO ₂ для максимального выхода метанола.

Ключевые слова

Фотокатализ

Возобновляемая энергия

Оптоволоконный фотореактор

CO ₂ сокращение

TiO ₂

Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)

Цитирующие статьи

Возможность вторичной переработки отходов стекловолокна в качестве катализатора фотоокисления токсичных цитостатических микрозагрязнителей

Морфологический и структурный анализ SiO ₂ микроволокна, декорированные nanoTiO ₂ частиц

Анализ SEM, выполненный на микрофибриллах кремнезема, показал однородные и постоянные аспекты поверхности (Дополнение — Рисунок S.1), а также гладкая поверхность, характеризующаяся диаметром 12–13 мкм и длиной 100 мкм (Дополнение — Рисунок S.1.c).

Для прививки микрочастиц диоксида титана на микроволокна из диоксида кремния (Дополнение — Рисунок S.2.a.) последний был поверхностно активирован алкоксидами калия в соответствующих спиртах (метанол, этанол, пропанол и трет-бутанол). Активация создает первичные центры на микрофибриллах, которые впоследствии вводятся в среду для прививки диоксида титана (Дополнение — Рисунок 2.б).

Для прививки TiO ₂ на поверхность микроволокон диоксида кремния, как представлено в разделе « Процедура получения кварцевых волокон, украшенных TiO ₂ ^», были рассмотрены четыре системы: тетраметоксититанат / метиловый спирт. , тетраэтоксититанат / этиловый спирт, тетрапропоксититанат, пропиловый спирт и трет-бутилат титанат / трет-бутиловый спирт. Пара трет-бутилированный титанат / трет-бутиловый спирт была единственной системой, которая привела к адгезивной прививке и относительно хорошо распределенному диоксиду титана на поверхности кварцевых микроволокон (рис. 2).Как показано на рис. 2а, размер кварцевых микроволокон увеличился до 14 мкм из-за образования наноструктурированных микрочастиц диоксида титана размером 1–3,5 мкм на гладкой поверхности диоксида кремния.

EDX-анализ, выполненный на декорированных микроволокнах диоксида кремния (рис. 2b), подтвердил образование диоксида титана на поверхности кварца. Анализ XRD показал, что со структурной точки зрения украшение из диоксида титана, покрывающее микроволокна диоксида кремния, состоит из двух форм: анатаза и рутила (рис. 2c).Наночастицы диоксида титана имеют расчетные размеры агломерата 29 нм (фаза анатаза) и 33 нм (фаза рутила) для образования микрочастиц, что подтверждается изображениями SEM (рис. 2a).

Основываясь на конкретных свойствах каждой структурной фазы TiO ₂, существуют определенные области применения, такие как УФ-фильтры и фотокатализатор для формы анатаза или материалов с магнитными свойствами и катализатора для формы рутила. Ожидается, что полученный гибридный материал SiO ₂ — nanoTiO ₂ потенциально будет действовать как активный фотокатализатор.Результаты рентгеноструктурного анализа показывают наличие обеих фаз: анатаза и рутила, покрывающих микроволокна диоксида кремния. Следовательно, необходимо было рассчитать соотношение между двумя структурными формами. Более высокое содержание рутиловой фазы, 68,9%, обеспечивало более высокую стабильность полученной композитной системы. Присутствие обеих фаз TiO ₂ может усилить фотокаталитическую активность. Известно лучшее фотокаталитическое поведение разновидностей анатаза. Однако наночастицы рутила, добавленные к наночастицам анатаза, могут улучшить разряд гидроксильных групп и перенос электронов ⁴⁰ и, как следствие, фотокаталитическую активность.

Три другие системы, рассматриваемые для синтеза, тетраалкоксититанат — спирт (см. Раздел 4.3.), Приводят к образованию неприлипающих наночастиц диоксида титана (рис. 3a – c).

Тепловой анализ

Полный термический анализ микроволокон SiO ₂ — с декором из диоксида титана и без него, подтвердил их стабильность (дополнительный материал, рисунок S.3.а). Остаточная масса 99,25% указывает на то, что в конечном итоге следы воды или группы -ОН с поверхности теряются (Рисунок S.3.a). Образец SiO ₂ -TiO ₂ показал потерю массы в трех интервалах (рисунок S.3.b). Первая потеря массы 2,98%, произошедшая от температуры окружающей среды до 175 ° C, может быть связана с удалением молекул воды (или другого летучего растворителя) и слабосвязанных -ОН групп с поверхности частицы ^41,42.

В диапазоне 175–340 ° C произошла окислительная деструкция, и образец потерял 3.77% от его веса. Экзотермический эффект, возникающий во время термического процесса, имел максимальную скорость разложения при 280,2 ° C и площадь 232,5 Дж / г. Скорее всего, это термическое разложение вызвало сжигание некоторых остатков органических прекурсоров, используемых в синтезе (рисунок S.3.b).

Последняя медленная потеря веса (0,95% в диапазоне 340–480 ° C и остаток 1,13% до 900 ° C) происходит из-за термолиза следов аморфного углерода, оставшихся от окислительной деструкции. Также небольшой экзотермический эффект от 340 до 465 ° C, с максимумом при 415.3 ° C, и была зафиксирована площадь 34,61 Дж / г. Это вызвано как медленным окислением углерода, так и превращением анатаза в фазу рутила ⁴³. Последнее фазовое изменение представлено в литературе в диапазоне от 350 до 1175 ° C в зависимости от метода синтеза, размера наночастиц или наличия примесей ⁴³.

Электрокинетическая исследований

Изменения дзета-потенциала вызываются адсорбцией, ионизацией или обменом химических веществ.Таким образом, когда дзета-потенциал (ξ) уменьшается (его модуль), тогда система характеризуется высокой ионной силой, что означает присутствие значительного количества носителей заряда. В общем, когда pH уменьшается, поверхностный заряд становится более положительным, в то время как увеличение pH диктует более отрицательный заряд. Известно, что при погружении оксидов в водный раствор гидроксильные группы катионов металлов не изменяются, если раствор имеет значение pH в изоэлектрической точке (IEP) соответствующего оксида.В нашем случае IEP для TiO ₂ составил 4,2 мВ, а для кремнезема и микрофибры — 2,4 мВ. Как показано на рисунке S.4 дополнительных материалов. для полученных кварцевых волокон, декорированных nanoTiO _2,, величина ИЭП составляет 2,6 мВ. Экспериментальная работа проводилась при значении pH выше, чем IEP, в основной среде для синтеза и в сторону нейтральной во время фотокаталитических процессов.

Вследствие этого гидроксильная группа на поверхности будет диссоциировать, передавая отрицательный заряд поверхности кварцевых микроволокон, украшенных TiO ₂, из-за образования частиц TiO ^— и SiO ^—.Природа поверхностного гидроксила микроволокон диоксида кремния, украшенного поверхностью TiO ₂, является важным фактором в фотокаталитическом процессе. Однако значение IEP низкое по сравнению со значениями, указанными в литературе ³⁸. Поскольку наш материал имеет IEP ниже 7, он имеет кислый характер. Более высокое значение дзета-потенциала может обеспечить стабильную суспензию, в то время как низкое значение (<10 мВ) приводит к ассоциации и нестабильности частиц. Для микроволокон диоксида кремния, украшенных TiO _2,, значение дзета-потенциала составляло 22 мВ.Поскольку высокое значение ξ обеспечивает максимальную диссоциацию функциональных групп, расположенных на поверхности, и дисперсию частиц, ожидается, что синтезированный композит будет иметь хорошо диспергированную суспензию, и химические вещества на поверхности будут легко диссоциировать.

БЭТ-анализ SiO ₂ микроволокна, декорированные nanoTiO ₂ частиц

В результате БЭТ-анализа была получена изотерма IV типа, рис. 5а, которая характерна для пористых адсорбентов с порами в области мезопор и макропор, охватывающими диапазон 1.5–100 нм. В соответствии с формой петли гистерезиса система демонстрирует изотерму типа h5, когда две ветви петли почти параллельны и горизонтальны в расширенном диапазоне относительного давления, а геометрия поры подобна узкой щели. фасонная конструкция.

Мезоструктурированные поры появились в результате осаждения нанотитана на кварцевые микроволокна, когда образовались пустоты. В целом улучшенная фотокаталитическая активность обусловлена большой площадью поверхности (101.62 ± 1,38 м² / г) и объем пор.

UV — Vis — DRS анализ

Результаты анализа DRS для микроволокон диоксида кремния, привитых нанотитаном, выявили ширину запрещенной зоны 3,37 эВ. Такие значения ширины запрещенной зоны могут быть связаны с кристаллическими характеристиками материала ^44,45, которые хорошо согласуются с рентгеновской дифрактограммой, рис. 2c. При прививке наночастиц TiO ₂ на микроволокна диоксида кремния для химического процесса:

$$ {\ rm {Ti}} {({\ rm {OR}})} _ {4} + {{\ rm { 4H}}} _ {2} {\ rm {O}} \ rightleftarrows {\ rm {Ti}} {({\ rm {OH}})} _ {4} + {\ rm {4R}} ({\ rm {OH}}) $$

(Я)

использовали избыток водного раствора, превышающий стехиометрическое соотношение.Эта ситуация приводит к нуклеофильной реакции между ОН ^— (из молекул воды) и OR ^— (из молекул алкоксида), тем самым снижая возможность иметь негидролизованный OR ^— и, как следствие, кристаллизацию диоксида титана. одобренный.

Разновидность оксида титана, рутил, позволяет прямое продвижение электронов из валентной зоны в зону проводимости рутила при воздействии УФ-возбуждения, но при этом процесс сопровождается быстрой рекомбинацией электронно-дырочных пар.После комбинированных процессов существуют ограниченные носители заряда, которые могут участвовать в различных фотореакциях, происходящих на поверхностном уровне оксида. С другой стороны, разновидность анатаза, которая ведет себя как полупроводник с непрямой запрещенной зоной, позволяет генерировать больше дырок и электронов, доступных для фотореакций. Как следствие, рутил не очень эффективен в качестве катализатора по сравнению с анатазом, который представляет собой значительное количество электронов и дырок, достигающих его поверхности. Однако следует указать, что такое рассмотрение не принимает во внимание какое-либо влияние площади поверхности.

Диоксид титана, иммобилизованный на микроволокнах диоксида кремния, полученных в ходе этой работы, представляет собой обе разновидности TiO ₂, образующие фотокатализатор гетероперехода II типа ⁴⁰. Следовательно, специфические гетеропереходы анатаз-рутил присутствуют, когда происходит быстрый массоперенос, и эффективность разделения дырочных электронов является удовлетворительной. Основываясь на конкретных значениях потенциалов проводимости и валентной зоны, полученный состав привитого оксида титана допускает двустороннее смещение заряда между анатазом и рутилом: генерируемые дырки мигрируют между валентными зонами от анатаза к рутилу и фото- возбужденные электроны перемещаются между зонами проводимости от рутила к анатазу.Эти миграции зарядов вызывают увеличение количества электронов и дырок, что может улучшить общее поведение фотокатализатора ¹². Как обсуждалось ранее, фотокатализатор на основе оксида титана доказал свою эффективность при очистке загрязнителей сточных вод. Расширенное применение нано-TiO ₂ в качестве фотокатализатора ограничено из-за быстрой рекомбинации электронно-дырочной пары и большой запрещенной зоны ⁴⁴. В контексте усилий по преодолению этих недостатков полученные кварцевые волокна, декорированные TiO ₂, имеют меньшую ширину запрещенной зоны, что повышает фотокаталитическую активность.В полученном материале поток электронов происходит от кондиционированного микроволокна SiO ₂, характеризующегося более высокой шириной запрещенной зоны (3,61 эВ), по направлению к собственно полупроводнику n-типа TiO ₂, который имеет более низкое значение ширины запрещенной зоны (3,43 эВ). .

XPS исследований

Электронная плотность химического вещества влияет на значение его энергии связи. Уменьшение энергии связи означает более высокую концентрацию электронов.Как показано на рисунке 6, энергия связывания Ti 2p для микроволокна SiO ₂, покрытого нано-TiO ₂ снизилась до 458,0 эВ по сравнению с литературными данными ⁴⁶. Энергия связи указывает на изменение химического окружения и увеличение концентрации электронов на уровне Ti. В литературе сообщалось об увеличении энергии связи Ti2p для микроволокон диоксида кремния, привитых TiO ₂ ⁴⁶. Образовавшаяся связь Ti-O-Si включает перенос электронов от Ti и Si к кислороду, и, учитывая, что Si поставляет меньше электронов, чем Ti, уровень электронной плотности будет снижаться из-за переноса его электронов на кислород ⁴⁶.Различное поведение нашей системы SiO ₂ -TiO ₂ связано с применением различных методов синтеза. Можно считать, что у нас преобладают связи Ti-O-Ti. Принимая во внимание, что анализ XPS может предоставить информацию о поверхностных верхних слоях (глубина 10 нм), и у нас нет тонкопленочного осаждения нанотитана, а наноструктурированы микрочастицы в результате сканирующей электронной микроскопии, это означает, что обнаруженное присутствие Si был возможен из-за неполного покрытия микроволокна диоксида кремния наночастицами диоксида титана.Поэтому в определенной степени можно было предположить, что в любой области поверхности композита SiO ₂ микроволокно — нано TiO ₂ свой вклад в спектр РФЭС вносит только SiO ₂ или TiO ₂.

Спектры РФЭС (рис. 6) показывают сдвиг пика Si ⁴⁺ в сторону более низкой энергии связи (102,0 эВ) по сравнению с объемным SiO ₂ (103,3 эВ) ⁴⁷. Этот сдвиг поверхностной энергии связи SiO ₂ можно отнести к более низкой энергии связи Si, помещенного на границе раздела во время прививки TiO ₂ на SiO ₂, и к образованию связи Ti-O-Si. замена Si-O-Si связи.Хотя энергии связи для пиков Ti2p свидетельствуют о том, что титан находится в состоянии Ti ⁴⁺, наблюдается сдвиг в сторону более низких энергий связи от характерного значения для Ti ⁴⁺ / TiO ₂ в объеме 458,5 эВ. ⁴⁷ до 458,0 эВ для Ti2p _3/2, в то время как пик для Ti2p _1/2 находится при 463,4 эВ ^44,48. Кроме того, пик O1s был смещен в сторону более низких значений с максимумом при 529,5 эВ после увеличения плотности отрицательного заряда на уровне O, частично из-за более высокой степени ковалентности связи Si-O по сравнению с ионным характером связи Ti-O ⁴⁸.

Уменьшенное уменьшение значения энергии связи для Ti2p _3/2 поддерживает присутствие титана в его состоянии Ti ⁴⁺ ⁴⁹. Характерная структура спин-орбитального расщепления Ti2p с разделением между пиками 5,4 эВ была выделена в дополнительном материале, рисунок S6b соответствует данным, приведенным в литературе ⁴⁶. Такое поведение указывает на более низкую энергию связи для разновидностей титана по сравнению с основной массой диоксида титана. Энергии связи Ti2p и Si2p смещаются в сторону более низких значений, что указывает на более высокую плотность заряда на Ti и Si после образования концевых связей Ti-O и Si-O.

Специфический сигнал для O1 является результатом наложения специфических полос как для оксидов, так и для гидроксила (дополнительный материал, рисунок S6a). Значения, характерные для энергии связи O1s в SiO ₂ (533,0 эВ) и TiO ₂ (529,9 эВ), а также вклад OH ^— (531,0 эВ) также хорошо смещены в сторону уменьшения связывания. энергии соответственно до 529,5 эВ для TiO ₂ O1s и 530,0 эВ для OH ^— O1s. Выявленные пики O1s можно отнести к поверхности OH (530.0 эВ) и O ^2- диоксида титана (529,5 эВ). Успех материала в качестве фотокатализатора зависит от реакционной способности, химического состояния и гидроксильных групп.

Кроме того, мы должны отметить присутствие сигнала C1s (при 285,0 эВ), соответствующего CO в спирте, что означает, что морфологическая структура материала позволила разместить некоторые следы органических спиртов, использованных во время синтеза материала, хотя и тщательно промыть его. материал был исполнен.

Для отношения поверхностей O, Ti и Si, рассчитанного как [A _O / (A _Ti + A _Si)] по данным РФЭС, было получено 1.53. Сообщалось, что при соотношении меньше 2,00 на поверхности присутствуют кислородные вакансии ⁵⁰. Наличие кислородных вакансий порождает дефекты, которые могут служить ловушкой для дырок ⁵¹. Как следствие, рекомбинация дырок и возбужденных электронов ограничена, что означает улучшенный перенос заряда.

Фотокаталитические характеристики из кремнезем микроволокна декорированные TiO ₂

Как показано в разделе, посвященном « Влияние количества катализатора», можно проследить изменение скорости разложения циклофосфамида (CP) с дозой катализатора для начальной концентрации CP 7.25 × 10 ⁻⁵ M, и время облучения 30 мин — см. Дополнительные материалы, рисунок S.7. Скорость реакции увеличивалась с увеличением количества катализатора до [SiO ₂ -TiO ₂] = 100 мг / л. Увеличение площади поверхности катализатора, доступной для фотокатализа, может объяснить наблюдаемое поведение.

Однако дальнейшее увеличение количества катализатора привело к снижению скорости реакции из-за эффекта светорассеяния, что отрицательно сказалось на эффективности фотовозбуждения и, следовательно, на скорости деградации КП.Эта тенденция также наблюдалась в предыдущих исследованиях фотокаталитического разложения CP ⁵², когда было установлено оптимальное количество катализатора на уровне 100 мг / л. Оптимальная доза катализатора обеспечивает деградацию КП 41,5% после 30 мин облучения.

Поведение микроволокон диоксида кремния, декорированных TiO ₂, отслеживали путем сравнения с известным катализатором TiO ₂ Degussa P25, когда использовались равные дозы катализатора, а именно 100 мг / л. Экспериментальные результаты, нормализованная остаточная концентрация CP в зависимости от времени облучения, представленные на рисунке 7, были получены для времени облучения 30–240 мин.Доказано, что продолжительное время облучения положительно влияет на эффективность деградации ЦП. В случае катализатора SiO ₂ -TiO ₂ эффективность разложения ХП 96,99% была получена после 30 минут облучения для начальной концентрации ХП 7,25 × 10 ^-5 М. Определенное значение является удовлетворительным для сравнения. с эффективностью разложения КП 99,04%, полученной при использовании той же дозы катализатора TiO ₂ Degussa P25 в аналогичных экспериментальных условиях.Тот факт, что TiO ₂ в материале SiO ₂ -TiO ₂ находится в гораздо меньшем количестве по сравнению с TiO ₂ Degussa P25, предполагает, что SiO ₂ -TiO ₂ может быть лучшим фотокатализатором.

В полученном композитном материале используется кремнеземная подложка, обеспечивающая защиту от коррозии, превосходную механическую прочность или высокую термическую стабильность. В то же время полупроводник из оксида титана может поглощать УФ-излучение для фото-генерации электронов и соответствующих дырок, которые производят гидроксильные радикалы при погружении в водные растворы.Как следствие, фотокаталитическая активность может быть улучшена за счет повышенного присутствия ОН •. Принимая во внимание, что ОН • может образовываться в результате химической реакции между водой и сильно кислой поверхностью, ожидается, что полученный композит будет поглощать значительные количества гидроксильных радикалов по сравнению с оксидом титана. Такое поведение подтверждается наличием связей Si-O-Ti, которые являются кислотными, что придает микроволокнам диоксида кремния, украшенным нанотитаном, высокую кислотную характеристику.Следовательно, ожидается, что полученный композитный материал будет обладать улучшенной фотохимической активностью.

Кинетические кривые деградации КП при использовании как SiO ₂ -TiO ₂, так и TiO ₂ Degussa P25 были линеаризованы с использованием кинетики псевдопервого порядка, и постоянные скорости в обоих случаях были рассчитаны для начального КП. концентрация 7,25 × 10 ⁻⁵ M и доза катализатора 100 мг / л (дополнительный материал — рисунок S.8). Постоянные скорости, рассчитанные по наклону графиков, равнялись 1.97 × 10 ⁻² М / мин в случае TiO ₂ Degussa P25 и 1,51 × 10 ⁻² М / мин в случае фотокатализатора SiO ₂ -TiO ₂.

Дальнейшие исследования отслеживали влияние начальной концентрации CP на эффективность разложения (таблица 1), когда концентрация [SiO ₂ -TiO ₂] составляла 100 мг / л, а применяемое время облучения составляло 30 минут. В тех же рабочих условиях увеличение начальной концентрации привело к снижению эффективности разложения, поскольку более высокие уровни ХП увеличивают содержание промежуточных продуктов разложения, которые конкурируют с ХП за потребление гидроксильных радикалов.

Кинетическая модель Ленгмюра-Хиншелвуда может описывать разложение CP с использованием катализатора SiO ₂ -TiO ₂, исходя из следующей скорости реакции Ур. (1):

$$ {r} _ {0} = \ frac {{k} _ {r} {K} _ {ad} {[CP]} _ {0}} {1+ {K} _ {ad} {[CP]} _ {0}} $$

(1)

где:

r ₀ = начальная скорость разложения CP (M min ⁻¹)

[CP] ₀ = начальная концентрация CP (M)

k _r = константа скорости фотокаталитического CP деградация (мин. ^-1)

K _ad = константа равновесия адсорбции-десорбции ХП на поверхности фотокатализатора (M ^-1)

Вышеупомянутое уравнение.(1) можно переформулировать следующим образом: (2):

$$ \ frac {1} {{r} _ {0}} = \ frac {1} {{k} _ {r} {K} _ {ad} {[CP]} _ { 0}} + \ frac {1} {{k} _ {r}} $$

(2)

Уравнение. (2) позволяет построить зависимость: 1 / r ₀ = f (1 / [CP] ₀) в виде линейной зависимости, чтобы вычислить значения константы скорости k _r и адсорбции — десорбции. константа равновесия K _ad. В линейном представлении пересечение дает 1 / k _r, а наклон составляет 1 / k _r K _ad (дополнительный материал — рисунок S.9).

Константа равновесия адсорбции-десорбции K _ad составляла 3698 M ^−1,, а постоянная скорость k _r составляла 5,10 × 10 ⁻⁶ M min ⁻¹. Путем сопоставления экспериментальных данных с уравнением Ленгмюра-Хиншелвуда получается, что разложение адсорбированного CP происходит на поверхности нано-TiO ₂, где фотогенерированные радикалы также адсорбируются.

Значения k _r и K _ad, полученные для фотокатализатора SiO ₂ -TiO ₂, аналогичны полученным в наших предыдущих работах по деградации КП с использованием TiO ₂ в форме анатаза ⁵³, что предполагает, что новый материал может быть многообещающим и эффективным катализатором деградации CP.

Обычно, когда речь идет о механизме фотоокисления циклофосфамида, следует принимать во внимание как промежуточные, так и конечные продукты разложения (диоксид углерода, аммоний, фосфат и анион хлорида).

В предыдущей работе нашей группы, основанной на идентифицированных промежуточных продуктах / побочных продуктах разложения ⁵⁴, была предложена возможная альтернатива пути деградации CP под УФ-видимым светом / диоксидом кремния, декорированным нано-TiO ₂ с помощью фотокатализа.