《Journal of Thermal Biology》：Lock-In Thermography as a Tool in Insect Thermal Biology: Insights from
Hoplia argentea
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本研究开发了一种基于锁相热成像的技术，通过周期性激光加热和同步红外检测抑制热噪声，揭示甲虫鞘翅（以Hoplia argentea为例）微观结构对热传导的影响，发现翅鳞和孔洞等结构显著调节温度分布，支持昆虫热适应。
Branislav Salati?|Danica Pavlovi?|Nikola Vesovi?|Dejan V. Panteli?
塞尔维亚物理研究所，Pregrevica 118，11080 Zemun，贝尔格莱德，塞尔维亚
摘要
鞘翅是甲虫坚硬且结构复杂的外骨骼，具有多种功能：作为翅膀的保护层，抵御捕食者和环境因素的屏障，同时还能起到隔热和散热的作用。由于其复杂的形状和跨越毫米、微米和纳米尺度的内部结构，测量和分析鞘翅的热学特性非常困难。本文介绍了一种热成像技术——锁相技术（lock-in），用于检测微小的温度差异及其与鞘翅解剖结构的关联。该技术通过用激光周期性加热鞘翅，并使用红外相机同步检测发出的热辐射来实现。通过这种方式，可以有效抑制热噪声，从而揭示鞘翅上的细微温度变化。Hoplia argentea（Poda, 1761）（鞘翅目：金龟科：Melolonthinae）被用作案例研究，我们成功地将温度变化与潜在的结构（如翅鳞或凹陷）联系起来。所揭示的技术可应用于研究昆虫及其他物种的许多热过程。
引言
热调节是昆虫鞘翅最重要的功能之一（Ospina-Rozo等人，2022年），因为昆虫的生存依赖于将体温维持在狭窄的范围内，这一范围由进化过程和环境适应决定。要理解昆虫的热调节机制，需要了解三种基本的热量交换过程：对流、传导和辐射（Yunus, 2003年；Modest, 2013年）。热成像技术具有非侵入性、高灵敏度和实时性，在昆虫学领域应用广泛。由于大多数昆虫在不同程度上依赖外部热源，热成像技术有助于揭示昆虫对自然环境中微妙温度梯度的响应。例如，一些研究表明花朵会产生微小的温度差异（Seymour等人，2003年），并且花朵能够维持温度差异（Shrestha等人，2018年），这些都有利于传粉者。这些应用表明，热成像技术能够揭示传统工具难以捕捉的细微热相互作用。此外，该技术还成功应用于评估热应力、寒冷适应性以及行为性热调节（例如高山蝎蝇）（Golding等人，2023年）等。
热成像技术已被用于研究热传递、散热和辐射冷却的影响（Lafargue-Tallet等人，2022年；Yan等人，2024年）。在许多昆虫物种中，体温受表面结构、鞘翅材料特性、空气流速和温度以及外部热源等因素的影响，尽管某些昆虫群体还具有不同程度的产热能力（Esch和Goller，1991年；Heinrich，1996年）。尽管昆虫的热调节机制已被充分研究，传统的体温测量方法也为昆虫与环境的熱相互作用提供了重要见解，但全面且空间分辨的热分布图像的获取仍然具有挑战性。这主要是由于昆虫复杂的三维身体结构，包括表面微结构和多层鞘翅解剖结构。简化的热传递模型通常将昆虫近似为球形或椭球形物体，从而忽略了这些细微结构细节（Gocza?和Beutel，2023年）。虽然这些模型在描述一般的热调节模式和行为反应方面非常成功，但在解析微小温度梯度和热生物学机制方面存在局限性。然而，一些研究确实考虑了表面特性，例如蜜蜂体毛对热量保持的效应（Southwick，1985年）。
传统热成像技术可以捕捉自然温度分布，而主动热成像技术（如锁相热成像）则依靠受控的热激发来揭示细微的结构或温度变化。与仅检测自然发射的红外辐射并提供样本绝对温度信息的传统热成像不同，锁相技术是对样本进行受控振荡加热并测量其热响应。
锁相技术的关键特性包括（Huth等人，2002年；Breitenstein等人，2004年，2019年）：
- 从较大的背景噪声中提取微小的温度信号。
- 确定激发与热响应之间的相位关系。
- 仅测量激发频率下的信号，同时强烈抑制所有其他干扰因素（如样本的基线温度、反射温度或缓慢变化的现象）。
换句话说，锁相热成像仅提供由激发引起的温度差异信息。重要的是，由此产生的热流通过相位和振幅信号体现出来，这强烈依赖于样本的内部几何结构，尤其是对于生物样本（如昆虫）而言，这些样本很少是均匀的，包含许多微细结构（如昆虫鞘翅中的小梁和凹陷）以及纳米级结构（如翅鳞）。虽然传统热成像具有较高的热灵敏度（例如，我们使用的相机的噪声等效温度差NETD为<0.055°C），但其绝对温度精度有限（±5°C或读数的±5%）。相比之下，锁相热成像能够有效测量NETD级别甚至更小的温度差异，更侧重于热流模式而非绝对温度。总之，传统热成像和锁相热成像是互补的：传统热成像提供物体的温度分布，而锁相热成像则在受控热负荷下记录温度变化，突出显示了原本无法检测到的次表面结构和动态热行为。
在本研究中，我们利用锁相热成像技术研究了Hoplia argentea（Poda, 1761）（鞘翅目：金龟科：Melolonthinae）鞘翅的微细表面结构对其热特性的影响。我们具体比较了保留有完整翅鳞的鞘翅与实验去除这些结构的鞘翅，以评估其对热导率的影响。锁相热成像通过周期性热激发并用红外相机捕捉温度振荡，从而检测到鞘翅表面的细微变化。我们设计了鞘翅的计算模型，并利用有限元方法（FEM）根据麦克斯韦方程计算了鞘翅的发射率。随后使用同一模型模拟热传导过程，评估了三种基本散热方式（辐射、对流和传导）的相对贡献。尽管我们的方法无法直接解析所有鞘翅结构，但观察到的热响应间接证明了外部或内部特征的存在，如翅鳞和凹陷。从生物学角度来看，结果表明翅鳞增强了鞘翅的吸收率和发射率，使昆虫在阳光照射的草地上更快冷却，在阴凉处更快升温，从而支持其在自然环境中的有效热调节。
图例说明
石墨烯
为了验证该方法，我们首先使用了一块由NGS Naturgraphit GmbH提供的石墨烯（宏观结晶天然石墨）薄片，尺寸约为2毫米×3毫米×0.2毫米。这种材料具有均匀的特性（用于石墨烯剥离），高热导率k约为3000–5000 W/mK（Nika等人，2009年），响应速度快，表面平坦，能高效吸收激光束。
石墨烯样品通过双面胶粘贴在纸板上进行固定。
鞘翅的形态特征
H. argentea的鞘翅覆盖着绿色圆形的翅鳞，使昆虫呈现出暗绿色外观（图1）。正如（Pavlovi?等人，2024年）所描述的，形态学和超微结构分析表明，这些翅鳞通过柄状结构附着在鞘翅上（图5b）。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，翅鳞呈椭圆形（大约60微米×40微米，厚度3–4微米），背面密集排列着垂直排列的丝状结构。
讨论与结论
在这里，我们想强调与锁相热成像相关的几个要点，并指出其在生物学其他领域可能的改进和应用。对于红外热相机而言，30 Hz的帧率足以捕捉缓慢的热过程。然而，在更高解调频率下获得的详细图案表明，需要更快的相机来追踪鞘翅复杂结构中的热流动。帧率限制了锁相技术的频率范围。
CRediT作者贡献声明
Dejan Panteli?：撰写原始草稿、方法论设计、概念构建。Danica Pavlovi?：撰写原始草稿、资源收集、数据分析、形式化分析、概念构建。Nikola Vesovi?：撰写修订稿、可视化处理、资源协调。Branislav Salati?：撰写修订稿、软件开发、数据分析、形式化分析
未引用的参考文献
Carlstr?m, 1957.
数据可获取性声明
支持研究结果的数据作为电子补充材料提供。
伦理审批
本研究未涉及IUCN红色名录、CITES公约附件II–IV、欧盟栖息地指令附件II、IV、V或塞尔维亚保护物种法规中列出的任何昆虫物种。所有法律条款、动物福利法以及生物学院伦理委员会指南均得到遵守。根据这些规定，昆虫不受伦理规范的约束。
关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本文期间，作者使用了Paperpal工具验证英文拼写和语法的正确性。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对发表文章的内容承担全部责任。
资金来源
作者感谢贝尔格莱德物理研究所通过塞尔维亚共和国教育、科学和技术发展部的资助。本研究得到了“Horizon WIDERA 2021–ACCESS–03–01”项目（编号101079355 “BioQantSense”）的支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢贝尔格莱德大学医学院的Petar Milovanovi?博士提供微CT设备的使用权，以及贝尔格莱德物理研究所的Uro? Ralevi?博士提供的石墨烯样品。
