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Chemistry

Imagen confocal de Confinados en reposo y que fluye mezclas de coloide y polímeros

Published: May 20, 2014 doi: 10.3791/51461
Automatic Translation
*1, *1, 1
1Chemical and Biomolecular Engineering Department, University of Houston
* These authors contributed equally

Summary

La microscopía confocal se utiliza para obtener imágenes de las mezclas de coloides poliméricos en reposo y que fluyen, los cuales son estudiados como sistemas modelo para suspensiones atractivos. Algoritmos de análisis de imagen se utilizan para calcular las métricas estructurales y dinámicas para las partículas coloidales que miden cambios debido al confinamiento geométrico.

Abstract

El comportamiento de las suspensiones coloidales confinados con atractivas interacciones entre partículas es crítica para el diseño racional de los materiales para el montaje dirigido 1-3, la administración de fármacos 4, la mejora de la recuperación de hidrocarburos 5-7, y los electrodos capaces de fluir para el almacenamiento de energía 8. Suspensiones que contienen coloides fluorescentes y polímeros no adsorbentes son atractivos sistemas modelo, como la relación entre el radio de giro del polímero a la radio de la partícula y la concentración de polímero de control de la gama y la fuerza de la atracción entre partículas, respectivamente. Al ajustar las propiedades del polímero y la fracción de volumen de los coloides, fluidos coloidales, fluidos de agrupaciones, geles, cristales, y los vidrios se pueden obtener 9. La microscopía confocal, una variante de la microscopía de fluorescencia, permite una muestra ópticamente transparente y fluorescente para ser reflejado con una alta resolución espacial y temporal en tres dimensiones. En esta técnica, un pequeño orificio o hendidura bloquea la luz fluorescente emitida por regiones de la muestra que se encuentran fuera del volumen focal del sistema óptico del microscopio. Como resultado, se forma la imagen sólo una sección delgada de la muestra en el plano focal. Esta técnica es especialmente adecuado para investigar la estructura y la dinámica en densas suspensiones coloidales en la escala de una sola partícula: las partículas son lo suficientemente grandes como para ser resueltos usando la luz visible y difunden lo suficientemente lento como para ser capturado a velocidades típicas de los sistemas de escaneo confocal comerciales 10 . Las mejoras en la velocidad de escaneado y algoritmos de análisis han permitido también a la imagen confocal cuantitativa de suspensiones fluidas 11-16,37. En este trabajo se demuestra experimentos de microscopía confocal para investigar el comportamiento de la fase confinada y las propiedades de flujo de las mezclas de coloides poliméricos. Primero preparamos colloid mezclas de polímeros que son la densidad y el índice de refracción igualados. A continuación, se presenta un protocolo estándar para obtener imágenes densas mezclas de coloides poliméricos reposo bajo diversas confinamiento en celdas en forma de cuña delgada. Por último, demostrar un protocolo para obtener imágenes de las mezclas de coloides poliméricos durante el flujo de microcanales.

Introduction

En este trabajo se demuestra (a) de imagen confocal de mezclas de coloides poliméricos en reposo y que fluyen confinados en dos y tres dimensiones y (b) de las partículas de seguimiento y análisis de correlación de las imágenes resultantes para obtener información cuantitativa sobre el comportamiento de las fases y las propiedades de flujo.

Las suspensiones coloidales con atractivas interacciones entre partículas aparecen por doquier en aplicaciones tecnológicas como materiales para el montaje dirigido 1-3, la administración de fármacos 4, 5-7 mejorada recuperación de hidrocarburos, y el almacenamiento de energía 8. Una característica común de estas aplicaciones es que las partículas deben ser fluyeron a través de geometrías finas, tales como toberas, cabezales de impresión, microcanales, o medios porosos, y / o ser en forma de películas delgadas o varillas. Las técnicas utilizadas para investigar la estructura de los coloides de tamaño micrométrico en geometrías confinadas, incluyendo microscopía electrónica 17,18, la microscopía de rayos X 19, y el láser de difracción microscopy 20, se puede utilizar para medir la estructura y dinámica de las partículas en la microescala. Estas técnicas, sin embargo, no permiten el acceso a las trayectorias de las partículas individuales, de las cuales las métricas estructurales y dinámicos se pueden calcular para una comparación directa con las simulaciones numéricas 21,22.

La microscopía confocal es una variante de microscopía de fluorescencia que permite formación de imágenes de secciones delgadas de una muestra fluorescente. Para la ciencia coloidal 10, esta técnica es particularmente útil para obtener imágenes de las profundidades de suspensiones densas o en tres dimensiones. Algoritmos de partículas de seguimiento de 23 aplicado a dos series de tiempo-o tridimensional de micrografías confocales producir las trayectorias de todas las partículas visibles. Como resultado, la combinación de la microscopía confocal y de partículas de seguimiento se ha aplicado para estudiar el comportamiento de fase, la estructura y la dinámica de suspensiones coloidales, incluyendo cristales ordenados 24-27 y trastornoed gafas 28-31 y 32-35 geles.

Otros algoritmos de análisis de imagen se pueden aplicar para medir la dinámica de las partículas de la serie de tiempo de micrografías confocales. Por ejemplo, la dinámica de partículas difusoras pueden ser estudiadas mediante el análisis de las fluctuaciones en la intensidad en el tiempo utilizando diferencial microscopía confocal dinámico 36. Cuando los desplazamientos de las partículas son más grandes que el espaciamiento entre partículas, de correlación de imágenes 37 sobre la base de partícula de imagen velocimetría 38-40 se puede aplicar para medir perfiles de velocidad de las partículas. La combinación de algoritmos de seguimiento y de correlación ha permitido la dinámica coloidales que se miden en los sistemas sometidos a lento y rápido flujo 11-16,41-45.

Utilizamos mezclas de coloides poliméricos como modelos para suspensiones coloidales atractivos 9. En estas mezclas, el rango y la fuerza del atractivo potencial entre partículas se controlan a través de la relacióndel radio de giro del polímero a la radio de la partícula y la concentración del polímero y la repulsión electrostática se controla mediante la adición de una sal orgánica monovalente 46. Debido a que las interacciones entre partículas se pueden sintonizar cuidadosamente, la solidificación de estas mezclas se ha estudiado ampliamente con microscopía confocal 34,47-51.

Aquí se demuestra la imagen confocal y análisis de imágenes de 37 mezclas de coloides poliméricos reposo y fluidas, en el que se celebra la fracción de volumen de coloide fija en Φ = 0,15, que la sonda el efecto de confinamiento en el comportamiento de las fases y propiedades de flujo de estas mezclas. Estas técnicas son ampliamente aplicables a los sistemas de partículas que son índice de refracción-emparejados y en el que las partículas y / o disolvente puede ser marcado con un colorante fluorescente.

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Protocol

1. Preparación de mezclas de coloide y polímeros

Nota: Este protocolo utiliza poli (metacrilato de metilo) (PMMA) partículas, estéricamente estabilizado usando poli (ácido 12-hidroxiesteárico) y marcado con un colorante fluorescente (tales como Rojo Nilo, rodamina B, o fluoresceína), que se sintetizó siguiendo una norma receta 52.

  1. Preparar un 3:01 w / w mezcla de bromuro de ciclohexilo (CXB) y decahidronaftaleno (DHN) como una acción disolvente. Esta mezcla casi coincide con la densidad y el índice de refracción de las partículas. Añadir una sal orgánica, cloruro de tetrabutilamonio (TBAC) 46, al disolvente a una concentración de 1,5 mM a la pantalla parcialmente las cargas de las partículas.
  2. Para determinar con precisión la densidad de las partículas, preparar una suspensión en la fracción de volumen de partículas aproximada Φ = 0,10 en el CXB: disolvente DHN. Se centrifuga la suspensión a 800 g durante 75 min y añadir CXB o DHN gota a gota a mejorar la flotabilidadcoincidente. En estos experimentos, se midió la densidad de las partículas de PMMA a ser ρ = 1,223 g / ml.
  3. Preparar una suspensión concentrada balance de partículas de PMMA (en este caso, Φ = 0,40) en el CXB: mezcla de disolventes DHN.
  4. Preparar una solución concentrada de poliestireno lineal (PS) en el CXB: mezcla de disolventes DHN. Aquí, una solución de PS de peso molecular $ $ w ≈ 3.000.000 (radio de giro R G = 15 nm) se prepara a una concentración de C p ≈ 50 mg / ml.
  5. Mezclar pesos apropiados de la partícula, de polímero, y mezclas de disolventes de archivo para formular suspensiones a las concentraciones deseadas de las partículas y polímeros.
    Nota: Aquí, las suspensiones de partículas monodispersas se preparan en la fracción de volumen de coloide constante Φ = 0,15 y la concentración de polímero variable en el volumen libre 53 c p = 0-25 mg / ml, y bidispersed suspensiones que contienen dos tamaños de partículas coloidales, With cada tamaño que lleven una etiqueta fluorescente distinta, se preparan en la fracción del volumen total de coloide fija Φ = 0,15, relación volumen fracción de pequeñas partículas r = 0,50, y la concentración de polímero en el volumen libre de 5 o 25 mg / ml.
  6. Después se prepara cada suspensión, añadir gota a gota CXB o DHN y centrifugar las muestras a 800 xg durante al menos 75 minutos para confirmar que las partículas y grupos dentro de la suspensión permanecen flotabilidad emparejado.
  7. Equilibrar todas las muestras durante al menos 24 horas antes de los experimentos de formación de imágenes.

. 2 Experimentos Ejemplos de reposo: el comportamiento de fase

  1. Para determinar el comportamiento de la fase a granel, fabricar cámaras rectangulares de cubreobjetos de vidrio (Figura 1a). Para las mezclas de coloide de polímero en este estudio, las cámaras de espesor h = 1 mm (fijado por el grosor de un portaobjetos de microscopio) dan mayor comportamiento.
  2. Para tener acceso a múltiples confinamientos en un solo experimento de microscopía, fabricar cuña delgadaen forma de cámaras, utilizando un único cubreobjetos como un espaciador en una cuña (Figura 1b). El ángulo de apertura de la cámara es <0,5 °, de modo que en un solo campo de visión Las paredes son muy casi paralelos. Una cámara de representante permite el acceso a los espesores de confinamiento de h = 6 a> 100 micras.
  3. Construir cámaras en una base de cubreobjetos para formación de imágenes en un microscopio invertido y sellar con epoxi curable por radiación UV, que no se disuelve en la mezcla disolvente CXB-DHN.
  4. Muestras de imágenes utilizando un microscopio confocal. Este protocolo demuestra imágenes con un confocal de exploración lineal unido a un microscopio invertido equipado con un lente de inmersión en aceite de 100X de apertura numérica NA = 1,40.
  5. Excitar los tintes usando una fuente de láser. Aquí longitudes de onda λ = 491 o 561 nm se utilizan para excitar la fluoresceína y colorantes rodamina / Rojo Nilo, respectivamente.
  6. En el sistema de puntos de exploración, generar una imagen escaneando rápidamente el punto focal a través de la muestra (en el x-Y plano) usando el software confocal. Una imagen de dos dimensiones de 512 píxeles x 512 píxeles, que cubren aproximadamente 50 micras x 50 micras, pueden ser adquiridos en 1/32 seg. Mejorar la calidad de la imagen al promediar varias imágenes o aumentar el tiempo de adquisición.
  7. Ubicar la parte inferior de la cámara (z = 0), por ejemplo, centrándose en partículas adheridas a su parte inferior. En esta configuración, la altura (z) se incrementa con el aumento de enfoque en la cámara.
  8. A modo de ejemplo, caracterizar el efecto de confinamiento en la dinámica de las partículas mediante la adquisición de una serie de tiempo de 2-D de imágenes (en el plano xy) en el plano medio de la cámara. En un experimento típico, 500 imágenes de dimensión 512 píxeles x 512 píxeles se adquieren a una velocidad de 1 fotograma / segundo (tiempo espaciado Dt = 1 seg).
  9. Como un segundo ejemplo, caracterizar la estructura 3-D de las partículas mediante la adquisición de una serie tridimensional de imágenes (x, y, z). En un experimento típico, imágenes en dos dimensiones (512 píxeles x 512 píxeles) sonadquirida en múltiples posiciones z dentro de la cámara, con una separación constante de Delta Z = 0,2 m entre imágenes consecutivas establecidos por un piezoeléctrico. Una pila volumen que cubre un espesor de h = 30 micras contiene por lo tanto 151 imágenes.
  10. Busque y partículas de pista en el tiempo en 2-D o 3-D utilizando el software de partículas de seguimiento escrito en IDL 23,54-56, MATLAB 57,58, LabView 59, o Python 60. Estos algoritmos permiten típicamente los centros de las partículas que deben resolverse dentro de 40 a 50 nm. Rastreo de partículas exitosa requiere que las partículas se mueven menor que la separación entre partículas entre tramas consecutivas.
  11. Desde las posiciones de las partículas, calcular métricas estructurales y dinámicas. Tres parámetros convenientes que se muestran aquí son la función de correlación par 3-D g (r) 61, el desplazamiento cuadrático medio 2-D (MSD) 58,62, y el ser parte 2-D de la función de correlación van Hove T s ( x, t) 58. Las dos últimas métricas pueden ser también calculados en 3-D.

. 3 experimentos que fluye: propiedades de flujo

  1. Fabrique una celda de flujo simple usando un microcapilar de cristal con sección transversal cuadrada (100 m x 100 m) que está fijada a un tubo de teflón. Utilice cubreobjetos de vidrio para soportar el capilar y proporcionar rigidez mecánica, como se muestra en el esquema de la Figura 7.
  2. Cargar la mezcla coloidal-polímero en una jeringa de vidrio. Conecte la jeringa a una bomba de jeringa o un sistema de distribución de fluido neumático.
  3. Monte la configuración celda de flujo en el microscopio invertido. Mantener la jeringa, de células, y la salida de flujo a la misma altura para minimizar el efecto de la gravedad sobre el perfil del flujo.
  4. Control de la velocidad de flujo de la suspensión a través de la celda de flujo por la tasa de flujo volumétrico (para la bomba de jeringa) o la presión aplicada (para la caja de presión). La velocidad media de la suspensión en los microcanales también depende del doformulación spension. Los valores típicos de la velocidad máxima en los microcanales cuadrados medidos aquí son 200-2.000 m / seg.
  5. Durante el flujo, adquirir una serie de 2-D tiempo confocal a velocidades de cuadro rápidas. Aquí, 500 imágenes de dimensión 512 pixeles x 512 pixeles se adquieren a 32 cuadros / seg (tiempo de espaciamiento Δ t = 1/32 seg) a diferentes alturas por encima de la parte inferior de la microcanal (z = 0 micras) que van desde z = 5 - 50 micras. Cada imagen cubre aproximadamente la mitad de la dimensión lateral (y) del microcanal, tal como se muestra en el recuadro a la Figura 7. Si las partículas aparecen elíptica, aumentar la velocidad de fotogramas de adquisición.
  6. Al igual que en los experimentos de reposo, localice las partículas en 2-D utilizando algoritmos estándar para la localización y seguimiento de partículas en IDL o Matlab. Para flujos lentos, en el que las partículas se mueven a menos de la distancia media entre partículas entre cuadros, utilizan algoritmos de rastreo para obtener las trayectorias.
  7. Utilice correlación de imágenes de calcmular los perfiles de velocidad de los flujos rápidos.
    1. Subdivide la imagen en imágenes horizontales de altura constante (y) a lo largo de la dirección de flujo (x). Para dos imágenes secuenciales I 1 (x, y) y 2 (x, y) desplazar la última imagen por un factor de Dx y luego calcular la covarianza cruzada entre I 1 (x, y) y 2 (x + Ax, y).
    2. Identificar la posición del pico del histograma de valores Dx que maximizan la covarianza cruzada entre cada par de imágenes para obtener la velocidad de advección media en cada posición y lateral. Si esta distribución no está fuertemente alcanzó su punto máximo, adquirir imágenes a una velocidad más rápida.

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Representative Results

Para demostrar la imagen confocal y de partículas de seguimiento, se investigó el efecto de confinamiento en el comportamiento de las fases de las mezclas de coloides poliméricos 63-65. Para estos experimentos el diámetro coloide era 2 a = 0,865 m. La fracción de volumen de coloide se fijó en Φ = 0,15 y la concentración de polímero C p se varió desde 0 hasta 23,6 mg / ml. Confocal de imágenes representativas se muestran en la Figura 2 63, columna de la izquierda. Desde las posiciones de partículas obtenidos utilizando algoritmos de seguimiento, se calculó métricas estructurales y dinámicas representativas, incluyendo la función de par de correlación (Figura 2, columna central) y el desplazamiento cuadrático medio (Figura 2, columna derecha). Las imágenes y los indicadores estructurales y dinámicas permitieron distinguir entre los geles coloidales (Figura 2, fila superior), los fluidos de conglomerados (Figura 2, fila del medio) y líquidos (<strong> Figura 2, fila inferior).

Estas métricas nos permitió evaluar cuantitativamente los cambios inducidos por confinamiento-en la estructura de las partículas y dinámicas. Por ejemplo, el primer pico en la función de par de correlación de una muestra de polímero con la concentración de C p = 16,6 mg / ml mueve a separaciones cortas como el espesor de confinamiento se reduce (Figura 3 63). Del mismo modo, la parte de auto de la función de correlación van Hove para una muestra con C p = 16,6 mg / ml estrecha a medida que el espesor disminuye y el confinamiento en el confinamiento más pequeño exhibe el perfil altamente no gaussiana de un gel detenido (Figura 4 63) . Incluso para una muestra con C p = 23,6 mg / ml, que es un gel detenido en todos los partos, disminuyendo el espesor de confinamiento conduce a un perfil más estrecho y más no gaussiana. Estos cambios sugieren que el confinamiento induce indirectamente un incremento en tque la atracción entre partículas eficaz.

Estas técnicas también se podrían aplicar para evaluar los efectos de la reclusión en mezclas bidispersed de partículas provistos de etiquetas fluorescentes distintas. Imágenes representativas de una mezcla de partículas grandes (diámetro de 2 a L = 1,48 m) y pequeño (diámetro de 2 a S = 0,73 m) de partículas, con un volumen de partículas fracción Φ tot totales = 0,15 y una relación de la fracción de volumen de partículas pequeñas r = 0.50, muestran que la disminución del espesor de confinamiento induce la formación de una fase de gel coloidal sólida-como que contiene partículas grandes y pequeñas (Figura 5 65). Este efecto es especialmente pronunciado para las suspensiones que son líquidos a granel (Figura 5a-d). Los trastornos musculoesqueléticos de las partículas grandes disminuyen a medida que el sistema se limita cada vez más: para una muestra con c p = 5 mg / ml, los TME se convierten arrestados de forma dinámica, coherente wITH la transición de la solidificación (Figura 6a 65). Para una muestra de c p = 25 mg / ml, que forma un gel arrestado, fuerte confinamiento induce dinámicas ralentizado (Figura 6b); las diferencias entre la muestra más-confinados y confinadas menos-son más grandes que la resolución de esta técnica (~ 40 nm, el cual determinamos de la intersección y de la MSD en una concentración muy diluida de partículas con Φ <0,01).

La microscopía confocal y análisis de imágenes también permiten diferencias entre las propiedades de flujo de partículas débilmente y fuertemente atractiva durante de flujo confinado a caracterizarse 66. Para estos experimentos, las suspensiones de partículas de diámetro 2a = 1,55 m se concentraron hasta una fracción de volumen de Φ = 0,15 con una concentración de polímero de cualquiera de C p = 5 mg / ml, que corresponde a una débil atracción entre partículas, o c p = 25 mg / ml, que corresponde a unfuerte atracción entre partículas. Imágenes representativas se muestran en la Figura 8 para suspensiones de reposo y que fluye.

Perfiles de densidad Número revelaron diferencias entre la distribución de partículas en suspensiones débilmente-y fuertemente-atractivos durante el flujo (que se muestran para una velocidad de flujo de 10 μ l / h en la Figura 9 66): las de una suspensión débilmente-atractiva (c p = 5 mg / ml, las Figuras 9a y 9b) aumentar dramáticamente más hacia el centro del microcanal que las de una suspensión fuertemente-atractiva (c p = 5 mg / ml, las figuras 9c y 9d).

Del mismo modo, la suspensión débilmente y fuertemente atractiva exhibe diferencias en la forma de perfiles de velocidad (que se muestra para una velocidad de flujo de 8 μ l / h en la Figura 10 66). Los perfiles de velocidad para suspensiones conuna débil atracción (c p = 5 mg / ml, las figuras 10a y 10b) están cerca de los previstos para un fluido newtoniano que fluye en un microcanal cuadrado. Por el contrario, los perfiles de velocidad para las suspensiones con una atracción más fuerte (c p = 25 mg / ml, las Figuras 10c y 10d) se desvían significativamente del perfil newtoniana cerca de las paredes laterales de la microcanal (zona de Y / L = 0).

Figura 1
Figura 1. Esquema de cámaras para experimentos quiescentes. (A) cámara rectangular, con un espesor constante de 1 mm establecidos por el grosor de un portaobjetos de vidrio. (B) la cámara en forma de cuña, con un espesor variable que van desde 6 hasta 170 micras. El espesor máximo esestablecido por la de un cubreobjetos de vidrio.

Figura 2
.. Figura 2 Las características distintivas de los líquidos, los líquidos de los cúmulos y geles columna izquierda: micrografías confocal. Centro de la columna: par de partículas función de correlación g (r) como una función de la separación normalizada R / 2 a. Columna derecha: el desplazamiento cuadrático medio normalizado MSD / 4 a 2 en función del tiempo de retraso. De arriba a abajo las imágenes y funciones de correlación muestran ejemplos representativos de un gel (c p = 23,6 mg / ml y H / 2 A = 8,7), un fluido de grupos (C p = 16,6 mg / ml y H / 2 A = 17), y un fluido coloidal (c p = 0 mg / ml y H / 2 a> 116). El diámetro de las partículas es de 2 a = 0.865 μ m. Esta cifra ha sido modificado desde Spannuth y Conrad, Phys.. Rev. Lett. 109, 028 301 (2012). Copyright 2012 por la Sociedad Americana de Física.

Figura 3
Figura 3. Función de correlación Par indica cambios estructurales en confinamiento. Función de correlación Pair para una muestra con C p = 16,6 mg / ml en H / 2 a> 116 y H / 2 A = 69, 35, 17, y 8.7 de arriba a parte inferior. De la muestra es un fluido de clusters en absoluto h excepto H / 2 A = 8,7, que es un gel. Los colores indican la fase como en la Figura 2. El diámetro de partícula es de 2 a = 0,865 μ m. Esta cifra ha sido modificado desde Spannuth y Conrad, Phys.. Rev. Lett. 109, 028301 (2012). Copyright 2012 por la Sociedad Americana de Física.

Figura 4
Figura 4. Función de correlación van Hove y el desplazamiento cuadrático medio indican cambios en confinamiento. Ser parte de la función de correlación van Hove y (inserción) de desplazamiento media-cuadrado para muestras con (a) c p = 16,6 mg / ml y (b ) C p = 23,6 mg / ml como una función de confinamiento (h / 2 a = 69 (círculos), 17 (cuadrados), y 8,7 (triángulos)). En (a), la muestra es un fluido de clusters para H / 2 A = 69 y 17, pero un gel para H / 2 A = 8,7. En (b), la muestra es un gel para todos h. El diámetro de las partículas es de 2 a = 0,865 μ m. Esta cifra ha de abejan modificado de Spannuth y Conrad, Phys.. Rev. Lett. 109, 028 301 (2012). Copyright 2012 por la Sociedad Americana de Física.

La figura 5
Figura 5. Representante micrografías confocal de mezclas bidispersed. Fotografías en microscopio confocal de las poblaciones grandes y pequeñas partículas (tanto en gris, con partículas más grandes que tienen mayor intensidad), para suspensiones con un volumen total fracción Φ tot constante = 0,15, por ciento en volumen de partículas pequeñas r = 0,50, concentración de polímero depletor C p (ac) 5 mg / ml o (DF) 25 mg / ml, (A, D) a granel o (BC, EF) confinado a una altura normalizada h/2a L de ( b e) 20, o (c, f) <5,5. Los grandes y pequeños diámetros de partícula son un 2 L = 1,48 μ m y 2a S = 0,73 μ m, respectivamente. La barra de escala es de 10 μ m.

La figura 6
Figura 6. Media-cuadrado desplazamiento de la población de partícula grande exhibe desaceleración inducida confinamiento-. Desplazamiento medio-cuadrado normalizado como una función de tiempo de retardo τ de grandes partículas en suspensiones binarios con por ciento en volumen de partículas pequeñas r = 0,50 y variando la concentración de polímero depletor de (a) C p = 5 mg / ml o (b) c p = 25 mg / ml. Confinamiento espesores h / 2 L: a granel ( ), 20 ( diamante ), Y <5,5 ( lado ). Las líneas de trazos indican una pendiente de 1. El diámetro de partícula grande es un 2 L = 1,48 μ m. Esta cifra ha sido modificado desde Pandey y Conrad, Soft Matter, 9, 10617 hasta 10626 (2013). Reproducido con permiso de la Royal Society of Chemistry (http://dx.doi.org/10.1039/c c3sm51879e).

La figura 7
Figura 7. Esquema del dispositivo para experimentos de flujo de microcanales. La consi dispositivopts de un microcapilar de vidrio que está unida a una bomba de jeringa usando tubos de teflón. El esquemática tal como se muestra está invertida en comparación con la configuración experimental, que utiliza un microscopio invertido. El sistema de coordenadas se indica: x está orientado a lo largo de la dirección del flujo, y está orientado a lo largo de la anchura del microcanal, y Z está orientada a lo largo de la dirección vertical. Recuadro: esquemática de protocolo de obtención de imágenes. Películas 2-D se adquieren de la mitad de la anchura del microcanal en diez alturas diferentes por encima de su superficie inferior. Esta cifra ha sido modificado desde Pandey y Conrad, Soft Matter 8, 10695-10703 (2012). Reproducido con permiso de la Royal Society of Chemistry (http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d).

Figura 8
Figura 8. Representante micrografías confocal de partículasdurante el flujo de microcanal. micrografías confocales de suspensiones coloidales con concentración de polímero C p de (ac) 5 mg / ml y (DF) 25 mg / ml. Imágenes (a) y (d) muestran la muestra de reposo; imágenes (AC) y (ef) fueron adquiridos durante el flujo a una altura (z) de (b, e) 5 μ m, y (c, f) 50 μ m por encima de la superficie inferior del microcanal. El borde del canal está en el lado izquierdo de cada imagen en (bc) y (EF), y el flujo es en la dirección hacia abajo como se indica. La barra de escala es de 10 μ m. El diámetro de las partículas es de 2 a = 1,546 μ m. Esta cifra ha sido modificado desde Pandey y Conrad, Soft Matter 8, 10695-10703 (2012). Reproducido con permiso de la Royal Society of Chemistry (http :/ / dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d).

Figura 9
La Figura 9. Fuerza de atracción modifica el perfil de densidad de número de partículas. Número de partículas como una función de la posición lateral normalizada a través del microcanal y / L para suspensiones con fracción de volumen Φ = 0,15 y la concentración de polímero de C p de (a, b) 5 mg / ml y (c, d) 25 mg / ml, adquirida en las posiciones posteriores normalizados x / L = (a, c) y 50 (b, d) 200. Los datos se muestran para dos alturas normalizadas, z / L = 0,05 (rojo oscuro triángulo ) Y 0,50 (azul claro ladoμ l / h. Las líneas que se muestran son guías para el ojo, y las barras de error indican la desviación estándar de las mediciones. El diámetro de las partículas es de 2 a = 1,546 μ m. Esta cifra ha sido modificado desde Pandey y Conrad, Soft Matter 8, 10695-10703 (2012). Reproducido con permiso de la Royal Society of Chemistry (http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d).

Figura 10
Figura 10. Fuerza de atracción modifica los perfiles de velocidad. Perfiles de velocidad normalizada en función de la posición lateral normalizada a través del microcanal y / L para suspensiones con fracción de volumen Φ = 0,15 y la concentración de polímero de C p de ( B) 5 mg / ml y (c, d) 25 mg / ml, adquirida en las posiciones aguas abajo normalizados x / L = (a, c) y 50 (B, D) 200. Los datos se muestran para dos normalizada alturas, z / L = 0,05 (rojo oscuro) y 0,50 (azul claro). El caudal fue de 8 μ l / h. Las barras de error indican la desviación estándar de las mediciones. Las líneas de puntos indican encaja con el perfil de flujo newtoniano esperada para el flujo en un microcanal cuadrado. Esta cifra ha sido modificado desde Pandey y Conrad, Soft Matter 8, 10695-10703 (2012). Reproducido con permiso de la Royal Society of Chemistry (http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d).

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Discussion

Las suspensiones coloidales son ampliamente estudiados como modelos para el comportamiento de fase reducido, ya que las partículas coloidales de tamaño micrométrico exhiben dinámica significativamente más lento que los átomos y las moléculas y por lo tanto se pueden obtener imágenes y seguimiento en el tiempo 10 fácilmente. Para estos estudios fundamentales, la comprensión del efecto de las atracciones entre partículas en el comportamiento de la fase confinada ofrece la oportunidad de explorar fenómenos como la condensación capilar y 21,22,67 evaporación. Además, suspensiones atractivos confinados aparecen de forma ubicua en aplicaciones industriales y tecnológicos. Para estos estudios aplicados, la comprensión del efecto de la formulación de suspensión en el flujo confinado puede conducir a la mejora de las formulaciones de las materias primas y tintas para la creación rápida de prototipos 1-3, la administración de fármacos 4, 5-7 mejorada de recuperación de petróleo, y las aplicaciones de almacenamiento de energía 8.

Otras técnicas usadas para investigar la estructura de coll-micras de tamañooids en geometrías finas incluyen microscopía electrónica 17,18, la microscopía de rayos X 19, y microscopía láser de difracción 20. La combinación de algoritmos de microscopía y análisis de imagen confocal ofrece dos ventajas clave para los estudios de suspensiones coloidales confinados. En primer lugar, la microscopía confocal de formación de imágenes permite profundamente dentro de suspensiones densas y fluorescentes. En segundo lugar, trayectorias de las partículas obtenidas a partir de las micrografías confocales se pueden utilizar para calcular las métricas dinámicas y estructurales para partículas coloidales de tamaño micrométrico individuales. Estas medidas facilitan la comparación directa con simulaciones 21,22. Otros algoritmos de análisis de imagen, tales como la correlación de la imagen 37 sobre la base de la imagen de partícula velocimetría 38, se pueden aplicar a micrografías confocales en el que los desplazamientos de las partículas son más grandes que la distancia entre partículas para sondear la dinámica.

Hemos demostrado protocolos para obtener imágenes de reposo y que fluye colloid mezclas poliméricas en geometrías confinadas utilizando microscopía confocal. Usando la métrica representativos descritos en este trabajo, hemos identificado una transición de solidificación en suspensiones de reposo que es inducida por 63,64 confinamiento. También puso de manifiesto que el cambio de la fuerza de atracción modifica el grado de migración de partículas y la consolidación durante el flujo de las mezclas de coloides poliméricas en microcanales 66.

Para los experimentos de flujo, una limitación de este protocolo es la dificultad en la formación de imágenes en 3-D durante el flujo de microcanal rápido, como las partículas se mueven típicamente grandes distancias entre tramas consecutivas. Esta limitación se puede evitar en las tasas de flujo más lento por la imagen de una rodaja de 3-D delgada. Repetidos experimentos en las posiciones verticales diferentes dentro del canal de este modo pueden producir los perfiles de velocidad y de densidad tridimensional completa. Este enfoque ha sido aplicado con éxito por otros grupos de investigación para suspensiones de casi-duro-esfera coloides que form vidrios o cristales 13,14 41 pero aún no se han aplicado a los geles coloidales menos concentradas, como las presentadas aquí.

Ambos métodos de análisis de imagen descritos (partícula de seguimiento y correlación de imágenes) las limitaciones de exposición. Para algoritmos de seguimiento de partículas, las resoluciones de una décima parte del tamaño de pixel se han reportado 23 para partículas bien separadas. La resolución se incrementa con el aumento de la relación señal-ruido. Tanto el algoritmo de ajuste de Gauss y un nuevo algoritmo que calcula los puntos de simetría radial máxima lograr resoluciones de seguimiento que están cerca de la máxima teórica 68. La resolución en nuestros experimentos fue algo menor (de un cuarto del tamaño de píxel); porque las partículas en geles están en estrecho contacto, el centro de intensidad en una región local está por lo tanto no necesariamente situado en el centroide de la partícula. La resolución en el seguimiento de las partículas en geles se puede mejorar mediante el etiquetado de sólo elnúcleos de las partículas de 69 a 71. Para la imagen de partícula velocimetría, los métodos aquí presentados producen mediciones precisas de desplazamiento, incluso para grandes desplazamientos de varios cientos de píxeles 37, tanto tiempo como se correlacionan regiones de la velocidad de advección casi constante. Estos métodos no se pueden utilizar cuando las partículas se someten a movimiento relativo significativo o movimiento no afín; en este caso, los desplazamientos se limitan a una fracción del tamaño de partícula.

Estos protocolos pueden ser aplicados a estudios de las propiedades de comportamiento de fase, la estructura, la dinámica y de flujo de una gran variedad de suspensiones coloidales, incluyendo partículas con forma o anisotropía químicos y solventes que son fluidos no newtonianos, en 2-D y 3 - confinamientos d. La aplicación de estas técnicas requiere un mayor aumento en la tasa de formación de imágenes en 2-D y 3-D, los nuevos algoritmos para analizar imágenes de partículas anisotrópicas, y los avances en la fabricación de geometrías de confinamiento realistas e interfaces.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Las investigaciones realizadas en esta publicación fue apoyada por la Universidad de Houston Nueva Facultad Grant, una donación de semillas del Centro de Texas para Superconductividad, y el Fondo de Investigación del Petróleo American Chemical Society (52537-DNI).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Cyclohexyl bromide Sigma Aldrich 135194 CAS Number  108-85-0, Molecular wt. = 163.06, Used in stock solvent
Decahydronapthalene Sigma Aldrich D251 CAS Number 91-17-8, Molecular wt. = 138.25, Used in stock solvent
Nile Red Sigma Aldrich 72485 Fluorescent dye
Fluorescein 5(6)-isothiocyanate Sigma Aldrich F3651 Fluorescent dye
Rhodamine B Sigma Aldrich 83689 Fluorescent dye
Dynamic Light Scattering  Brookhaven Instruments BI-APD DLS equipment used for particle size measurement
Polystyrene  Varian/Agilent PL20138-23 Polystyrene (polymer) for inducing depletion attraction
Tetrabutyl(ammonium chloride) (TBAC) Sigma Aldrich 86870 monovalent salt
UV Adhesive Norland Adhesive NOA 68T Part Number 68T01 (UV cured adhesive)
VT Eye Visitech VT Eye confocal scanner
VT Infinity Visitech VT Infinity confocal scanner
Microscope  Leica DMI3000B Inverted Microscope
Centrifuge Thermo Scientific Sorvall ST 16 1-5,000 rpm
Teflon tubing smallparts SLTT 26-72 Zeus PTFE Sublite Wall Tubing 26 AWG 0.016" ID x 0.003" Wall
Epoxy Devcon DA051 5 min epoxy
Syringe Micromate/Cadence 5004 glass syringe with metal luer lock tip
Syringe tips  Nordson 7018462 32 GA precision tips 
Syringe pump  New Era Pump system Inc. NE1002X Programmable microfluidic pump (syringepump.com)
Weigh balance Mettler Toledo AB204-S 0.0001-220 g
PMMA particles synthesized poly(methylmethacrylate) colloidal particles

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Pandey, R., Spannuth, M., Conrad, J. C. Confocal Imaging of Confined Quiescent and Flowing Colloid-polymer Mixtures. J. Vis. Exp. (87), e51461, doi:10.3791/51461 (2014).

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