粒子を計数するための新しい画像認識技術により拡散情報が提供される

科学者チームは、画像認識を使用して仮想の箱内の粒子の数を数えることにより、微細な相互作用粒子のダイナミクスを決定する新しい技術を発明しました。観察ボックスのサイズを変更することにより、このような計数により、流体中に浮遊する粒子の高密度のグループであっても、集合システムのダイナミクスを研究することが可能になります。

彼らの作品は、 物理的レビュー X。

1 世紀以上にわたり、あらゆる種類の科学者が、液体中でブラウン運動をする分子などの粒子の数を利用しようと努めてきました。これは、細胞を研究する生物学から、分子を研究する化学者、物理学に至るまで、多くの分野の科学者が知りたいと思っていることです。

この動きを特徴付ける便利な方法は、流体中の平均的な粒子がどれくらいの速さで移動するかを表す「拡散定数」を使用することです。この数値は、流体中をランダムに歩く個々の粒子を追跡することによって計算できます。拡散定数は、平均変位と時間の間の比例定数の半分になります。

この限界に対処するために、パリのソルボンヌ大学のソフィア・マールバッハ氏とその同僚たちは、「カウントスコープ」と呼ばれる技術を発明しました。画像認識ソフトウェアを使用して、サンプル内の架空のボックス内の粒子の数を数えます。その数は数千に及ぶ場合もあります。

粒子の系は、コロイド (液体中に懸濁した粒子)、細胞生物、さらには人工の場合もあります。これらのボックス内の粒子の数 (有限の観察体積) は、顕微鏡内で行われるのと同じように、粒子が視野に入ったり視野から出たりするにつれて変化する可能性があります。ユーザーは、より大きなスケールまたはより小さなスケールで粒子のダイナミクスを研究するために、希望するカウントスコープ ボックスのサイズを選択できます。

しかし、粒子の数が多い場合や粒子が区別できない場合、粒子の経路や変位を追跡することは、不可能ではないにしても困難になる可能性があります。

これに対処するために、グループは、代わりにボックス内の変動する粒子数を使用する方程式を開発しました。この方程式は、拡散定数を計算し、相互作用する粒子懸濁液の動的特性を推測するためにも使用できます。その定数は、数えて計算するだけで推定できます。

研究グループは、水で満たされたセル内の直径 2.8 ミクロンのプラスチック球の 2 次元層で技術をテストしました。この人工コロイドシステムを使用して、彼らは辺の長さが 4 ～ 32 ミクロンの正方形の箱を選びました。ボックスは特注の倒立顕微鏡で撮影されました。次に、彼らのソフトウェアは、ボックスごとに、各ボックス内の粒子の数を数えました。

このデータを使用して、最初のボックスに対する粒子数の平均変化を計算することができ、時間の平方根に応じて増加することがわかりました。この方法論によると、拡散定数の値は、粒子の軌道を再構築するより伝統的な方法から得られた値と一致しました。

シミュレートされたコロイド内の粒子の数を増やすと、予想どおり、粒子は出発点から拡散しました。彼らの方法は依然として機能していましたが、プロトタイプのセットアップで約 10 個ほどの一時的な粒子の束が形成されることが確認され始めました。これは従来の研究では見られなかったことで、単に一度に 1 つの粒子だけを追跡しても束を明らかにできないためです。

プロトタイプのコロイドでは粒子は相互作用しませんでしたが、現実世界の実験では通常、非相互作用系として近似することはできません。密度の低い系 (球の「充填率」で指定される) とは異なり、研究チームは、充填率が高いところで数式からの大きな逸脱が発生することを発見しました。

これは粒子間の相互作用によるもので、流体力学および/または立体因子の両方がシステムを複雑にする場合に解析を変更することができました。 (流体力学的効果は流体中の粒子の動きによって引き起こされる効果であり、立体効果は粒子の空間的配置から生じます。)

実際、彼らの分析では、超均一な粒子の挙動と集団状態の間の遷移を特徴付ける新しい長さスケールが登場しました。

このグループは、自分たちの方法論を拡張できると信じています。 「私たちの分析アプローチは 3D にも拡張できると信じています [three-dimensions]、固体や結晶まで」と彼らは論文に書いている。

「他の科学者が使用することに間違いなく関心を持っています」とマーバッハ氏は語った。 「実際に行うのは非常に簡単なので、何人かの同僚が自分のデータで試してみたところ、調査対象のシステムに応じて同様の結果や異なる結果が得られたとのことです。」

彼女は続けて、「多くの科学者は、微細藻類、細菌、活性コロイド、コロイドガラス、分子など、コロイドを超えた非常に多様なシステムを調査するためにこのフレームワークを使用したいと考えている」と述べた。

同氏は、将来の研究には多くの方向性があると述べ、カウントスコープ技術を改善し、拡張し、「拡散を超えたさまざまな力学的特徴を調査する可能性を含めて一般化することです。たとえば、微細藻類/細菌/活性コロイドでは、どのようにアクティブな水泳速度を解決するためです。」

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