Methods to calibrate and scale axial distances in confocal microscopy as a function of refractive index

Accurate distance measurement in 3D confocal microscopy is important for quantitative analysis, volume visualization and image restoration. However, axial distances can be distorted by both the point spread function and by a refractive-index mismatch between the sample and immersion liquid, which are difficult to separate. Additionally, accurate calibration of the axial distances in confocal microscopy remains cumbersome, although several high-end methods exist. In this paper we present two methods to calibrate axial distances in 3D confocal microscopy that are both accurate and easily implemented. With these methods, we measured axial scaling factors as a function of refractive-index mismatch for high-aperture confocal microscopy imaging. We found that our scaling factors are almost completely linearly dependent on refractive index and that they were in good agreement with theoretical predictions that take the full vectorial properties of light into account. There was however a strong deviation with the theoretical predictions using (high-angle) geometrical optics, which predict much lower scaling factors. As an illustration, we measured the point-spread-function of a point-scanning confocal microscope and showed that an index-matched, micron-sized spherical object is still significantly elongated due to this PSF, which confirms that single micron-sized spheres are not well suited to determine accurate axial calibration nor axial scaling.Comment: 8 pages, 5 figure

Structure of Electrorheological Fluids

Specially synthesized silica colloidal spheres with fluorescent cores were used as model electrorheological fluids to experimentally explore structure formation and evolution under conditions of no shear. Using Confocal Scanning Laser Microscopy we measured the location of each colloid in three dimensions. We observed an equilibrium body-centered tetragonal phase and several non-equilibrium structures such as sheet-like labyrinths and isolated chains of colloids. The formation of non-equilibrium structures was studied as a function of the volume fraction, electric field strength and starting configuration of the colloid. We compare our observations to previous experiments, simulations and calculations.Comment: Revised figures included in this version. See related webpage: http://www.elsie.brandeis.ed

Исследование устойчивости функционирования региональных природно-промышленных систем и принятие оптимальных управленческих решений

Предложена математическая модель, описывающая поведение горного массива при воздействии на него массовых сил. Найдены условия параметров задачи, при которых возможны геотектонические нарушения. Предложена методика исследований, заключающаяся в системном подходе решения вопроса, который состоит в выделении рассматриваемой системы, определении составляющих ее компонентов, определение связей между ними. Определяющим моментом методики исследования является наличие базы данных по факторам влияния. Рассматривается математическая модель, позволяющая описать слоистую структуру горного массива с учетом наличия геологических нарушений и техногенных воздействий. Исследование ее устойчивости базируется на анализе энергетического баланса внешнего и внутреннего потенциалов, комплексно воздействующих на горный массив, на котором расположен рассматриваемый регион. Выведены критерии (на основании дисбаланса потенциалов), позволяющие делать пространственно-временной прогноз возможных чрезвычайных горно-геологических процессов. Достоверность критериев устойчивости усиливается коэффициентом системности, который может рассчитываться как для всей природно-промышленной системы, так и для отдельных ее компонентов.Запропоновано математичну модель, яка описує поведінку гірничого масиву під час впливу на нього масових сил. Знайдено умови параметрів задачі, за яких можливі геотектонічні порушення. Пропонується методика досліджень, яка полягає у системному підході вирішення питання, яке складається у виділенні розглянутої системи, визначенні складових її компонентів, зв’язків між ними. Визначним моментом методики досліджень є наявність бази даних по факторам впливу. Розглядається математична модель, яка дозволяє описати шарову структуру гірничого масиву з обліком наявності геологічних порушень і ехногенних впливів. Дослідження її стійкості базується на аналізі енергетичного балансу зовнішнього і внутрішнього потенціалів, які комплексно впливають на гірничий масив, на якому розташовано регіон, що розглядається. Виведено критерії (на основі дисбалансу потенціалів), які дозволяють робити просторо-часовий прогноз можливих надзвичайних гірничо-геологічних процесів. Достовірність критеріїв стійкості посилюється коефіцієнтом системності, який може розраховуватись як для всієї природно-промислової системи, так і для окремих її компонентів.A mathematical model, which describes the behavior of the rock mass during it is affected by mass forces, is proposed. Conditions are found for the parameters of the problem, where geotectonic violation is possible. A method of study, which consists in systematic approach to problem solution (separate the system, determination of its components, the definition of relationships between components) is proposed. The key defining of research methods is the availability of a database on the factors of influence. A mathematical model that allows to describe the layered structure of the rock mass based on the availability of geological faults and technogenic impacts, is considered. Research of its stability is based on the analysis of the energy balance of internal and external potentials, the complex influence of the mountain range, which is located in this region. The criteria (based on the imbalance of potentials), which allow the space-time prediction of possible extreme geological processes, are derived. The reliability of stability criteria is enhanced by systemic factor that can be calculated for the entire faculty, and for the individual components

Colloid-oil-water-interface interactions in the presence of multiple salts: charge regulation and dynamics

We theoretically and experimentally investigate colloid-oil-water-interface interactions of charged, sterically stabilized, poly(methyl-methacrylate) colloidal particles dispersed in a low-polar oil (dielectric constant $\epsilon=5-10$) that is in contact with an adjacent water phase. In this model system, the colloidal particles cannot penetrate the oil-water interface due to repulsive van der Waals forces with the interface whereas the multiple salts that are dissolved in the oil are free to partition into the water phase. The sign and magnitude of the Donnan potential and/or the particle charge is affected by these salt concentrations such that the effective interaction potential can be highly tuned. Both the equilibrium effective colloid-interface interactions and the ion dynamics are explored within a Poisson-Nernst-Planck theory, and compared to experimental observations.Comment: 13+2 pages, 5+3 figures; V2: small clarifications in the tex

Моделювання еволюції надпотужних конвективних утворень над Кримом під час проходження смерчів

Предметом даного дослідження були умови формування осередків надпотужних вертикальних рухів, сильних вихорів та надпотужних конвективних утворень під час проходження смерчів над центральною частиною Криму 22 липня 2002 р. Тривимірні прогностичні мікрофізичні моделі фронтальних систем хмар з урахуванням та без урахування складного рельєфу, розроблені в УкрНДГМІ, було адаптовано до умов розвитку хмарності в екстремальних умовах розвитку смерчів. Проведено декілька серій чисельних експериментів для пошуку ключових параметрів, які спричиняли та визначали характер розвитку вихрових утворень і процесів, що їх супроводжують.Предметом исследования в работе были условия формирования ячеек сверхмощных вертикальных движений, сильных вихрей, сверхмощных конвективных образований во время прохождения смерчей над центральной частью Крыма 22 июля 2002 года. Трехмерные прогностические микрофизические модели с учетом и без учета орографии, разработанные в УкрНИГМИ, были адаптированы для условий эволюции фронтальных облачных систем в экстремальных условиях развития смерчей. Проведено несколько серий численных экспериментов с целью поиска ключевых параметров, определяющих характер развития вихревых образований и сопровождающих их явлений

Characterizing and tracking single colloidal particles with video holographic microscopy

We use digital holographic microscopy and Mie scattering theory to simultaneously characterize and track individual colloidal particles. Each holographic snapshot provides enough information to measure a colloidal sphere's radius and refractive index to within 1%, and simultaneously to measure its three-dimensional position with nanometer in-plane precision and 10 nanometer axial resolution.Comment: 6 pages, 3 figure

Confocal microscopy of colloidal particles: towards reliable, optimum coordinates

Over the last decade, the light microscope has become increasingly useful as a quantitative tool for studying colloidal systems. The ability to obtain particle coordinates in bulk samples from micrographs is particularly appealing. In this paper we review and extend methods for optimal image formation of colloidal samples, which is vital for particle coordinates of the highest accuracy, and for extracting the most reliable coordinates from these images. We discuss in depth the accuracy of the coordinates, which is sensitive to the details of the colloidal system and the imaging system. Moreover, this accuracy can vary between particles, particularly in dense systems. We introduce a previously unreported error estimate and use it to develop an iterative method for finding particle coordinates. This individual-particle accuracy assessment also allows comparison between particle locations obtained from different experiments. Though aimed primarily at confocal microscopy studies of colloidal systems, the methods outlined here should transfer readily to many other feature extraction problems, especially where features may overlap one another.Comment: Accepted by Advances in Colloid and Interface Scienc

Aligned gold nanorods in silica made by ion irradiation of core-shell colloidal particles

Colloidal particles with a 14 nm diameter Au core surrounded by a 72 nm thick silica shell have been irradiated with 30 MeV heavy ions. The shell deforms into an oblate ellipsoid, while the core becomes rod-shaped (aspect ratio up to 9) with the major axis along the beam. Optical extinction measurements show evidence for split plasmon bands, characteristic for anisotropic metal nanoparticles