Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Confocal avbildning av Slutna Tomgång och Flödande kolloidkemi-polymera blandningar

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

Konfokalmikroskopi används för att avbilda vilande och flödande kolloid-polymerblandningar, som studeras som modellsystem för attraktiva suspensioner. Bildanalys algoritmer används för att beräkna de strukturella och dynamiska mått för de kolloidala partiklarna som mäter förändringar på grund av geometrisk inneslutning.

Abstract

Beteendet hos trånga kolloidala suspensioner med attraktiva interparticle interaktioner är avgörande för rationell design av material för riktad montering 1-3, drug delivery 4, förbättrad kolväten återhämtning 5-7, och flytbara elektroder för energilagring 8. Suspensioner innehållande fluorescerande kolloider och icke-adsorberande polymerer talande modellsystem, som förhållandet mellan polymerens tröghetsradie till partikelradie och koncentrationen av polymerkontrollintervall och styrkan av det interpartikulärt attraktion, respektive. Genom att finjustera egenskaper polymer och volymfraktionen av kolloiderna, kolloida vätskor, vätskor av kluster, geler, kristaller och glas kan erhållas 9. Konfokalmikroskopi, en variant av fluorescensmikroskopi, tillåter ett optiskt transparent och fluorescerande prov som skall avbildas med hög rumslig och temporal upplösning i tre dimensioner. I denna teknik, ett litet hål eller en skåra block den emitterade fluorescerande ljuset från regioner av provet som befinner sig utanför fokalvolymen mikroskopets optiska systemet. Som ett resultat, är bara en tunn del av provet i fokalplanet avbildas. Denna teknik är särskilt väl lämpad för att undersöka strukturen och dynamiken i täta kolloidala suspensioner vid den enda partikel skala: partiklarna är tillräckligt stora för att kunna lösas med hjälp av synligt ljus och diffunderar långsamt nog för att fångas vid typiska skanningshastigheter på kommersiella konfokala system 10 . Förbättringar i skanningshastigheter och analysalgoritmer har också gjort det möjligt kvantitativ konfokal avbildning av flödande upphängningar 11-16,37. I denna uppsats visar vi konfokalmikroskopi experiment för att söka av begränsad fas beteende och flödesegenskaper kolloid-polymerblandningar. Vi förbereder först colloid-polymerblandningar som är densitet-och brytningsindex matchas. Därefter rapporterar vi ett standardprotokoll för avbildning quiescent täta kolloid-polymerblandningar under varierande inneslutning i tunna kilformade celler. Slutligen visar vi ett protokoll för avbildning kolloid-polymerblandningar under mikroflöde.

Introduction

Detta dokument visar (a) konfokala avbildning av vilande och flödande trånga kolloid-polymerblandningar i två och tre dimensioner och (b) partikel-spårning och korrelation analyser av de resulterande bilderna för att erhålla kvantitativa uppgifter om beteende och flödesegenskaper.

Kolloidala suspensioner med attraktiva interparticle interaktioner visas överallt i tekniska tillämpningar som material för riktad montering 1-3, drug delivery 4, förbättrad återvinning av kolväten 5-7, och energilagring 8. Gemensamt för dessa program är att partiklarna måste flödade genom fina geometrier, t.ex. munstycken, skrivhuvuden, mikrokanaler, eller porösa medier, och / eller formas till tunna filmer eller stavar. Tekniker som används för att undersöka strukturen i micron stora kolloider i trånga geometrier, inklusive elektronmikroskopi 17,18, röntgen mikroskopi 19, och laser-diffraktion microscopy 20, kan användas för att mäta strukturen och dynamiken av partiklar på mikroskala. Dessa tekniker är dock inte tillgång till de banor av enskilda partiklar, som strukturella och dynamiska mått kan beräknas för direkt jämförelse med numeriska simuleringar 21,22.

Konfokalmikroskopi är en variant av fluorescensmikroskopi som möjliggör avbildning av tunna sektioner av ett fluorescent prov. För kolloidal vetenskap 10 är denna teknik speciellt användbar för avbildning av djup inom täta suspensioner eller i tre dimensioner. Partikel-spårningsalgoritmer 23 tillämpas på två-eller tredimensionell tidsserier av konfokala mikrofotografier ger banorna för alla synliga partiklar. Som ett resultat har en kombination av konfokalmikroskopi och partikelspårning använts för att studera fas beteende, struktur och dynamik i kolloidala suspensioner, inklusive beställda kristaller 24-27 och oordninged glasögon 28-31 och geler 32-35.

Andra bildanalysalgoritmer kan användas för att mäta partikeldynamik från tidsserier av konfokala mikrofotografier. Till exempel kan diffusiva partikeldynamik studeras genom att analysera variationer i intensitet över tid med hjälp av konfokal avvikelsen dynamisk mikroskopi 36. När partikel förskjutningar är större än kornavstånd, kan bildkorrelation 37 som baseras på partikelbild Velocimetry 38-40 tillämpas för att mäta hastighetsprofiler hos partiklarna. Kombinationen av spårning och korrelationsalgoritmer har gjort kolloidalt dynamik som skall mätas i system som genomgår långsamt och snabbt flöde 11-16,41-45.

Vi använder kolloid-polymerblandningar som modeller för attraktiva kolloidala suspensioner 9. I dessa blandningar är utbudet och styrkan i den attraktiva interparticle potential styrs via förhållandetav polymeren tröghetsradie till partikelradie och koncentrationen av polymeren och den elektrostatiska repulsionen styrs via tillsats av en envärd organisk salt 46. Eftersom interparticle interaktioner kan noggrant inställda, solidifiering av dessa blandningar har studerats med konfokalmikroskopi 34,47-51.

Här visar vi konfokal avbildning och bildanalys 37 av vilande och flödande kolloid-polymerblandningar, där kolloid volymfraktion hålls fast vid Φ = 0,15, som sond effekten av instängdhet på beteende och flödesegenskaper hos dessa blandningar. Dessa tekniker är allmänt gäller för partikelformiga system som är brytningsindexanpassat och i vilket partiklarna och / eller lösningsmedel kan märkas med ett fluorescerande färgämne.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Beredning av kolloidkemi-polymera blandningar

Anmärkning: Detta protokoll använder poly (metylmetakrylat) (PMMA)-partiklar, steriskt stabiliserade med användning av poly (12-hydroxistearinsyra) och märkt med ett fluorescerande färgämne (såsom Nile Red, rodamin B eller fluorescein), som syntetiserades enligt en standard recept 52.

  1. Förbered en 3:1 vikt / vikt blandning cyklohexylbromid (CXB) och dekahydronaftalen (DHN) som ett lager lösningsmedel. Denna blandning motsvarar nästan den densitet och brytningsindex för partiklarna. Lägg till ett organiskt salt, tetrabutylammoniumklorid (TBAC) 46, till lösningsmedlet vid en koncentration av 1,5 mM för att delvis avskärma laddningarna på partiklarna.
  2. För att exakt bestämma densiteten hos partiklarna bereds en suspension vid ungefärlig partikelvolymfraktion Φ = 0,10 i CXB: DHN lösningsmedel. Centrifugera suspensionen vid 800 xg under 75 minuter och tillsätt CXB eller DHN droppvis för att förbättra flytkraftmatchning. I dessa experiment var densiteten hos PMMA-partiklar uppmättes vara ρ = 1,223 g / ml.
  3. Förbered en koncentrerad lager suspension av PMMA-partiklar (här, Φ = 0,40) i CXB: DHN lösningsmedelsblandning.
  4. Bered en koncentrerad lösning av linjär polystyren (PS) i CXB: DHN lösningsmedelsblandning. Här sattes en lösning av PS med molekylvikt Mw ≈ 3000000 (tröghetsradie r g = 15 nm) framställs vid koncentration c p ≈ 50 mg / ml.
  5. Blanda lämpliga vikter av partikeln, polymer och lösningsmedel stock blandningar formulera suspensioner vid de önskade koncentrationerna av partiklar och polymerer.
    Notera: Här är suspensioner av monodispersa partiklar beredd på konstant kolloid volymfraktion Φ = 0,15 och polymerkoncentrationen variabel i den fria volymen 53 c p = 0-25 mg / ml, och bidispersed suspensioner innehållande två storlekar av kolloidala partiklar, with varje storlek som bär en distinkt fluorescerande märkning, framställs med fast total kolloid volymfraktion Φ = 0,15, volymfraktion förhållande av små partiklar r = 0,50, och polymerkoncentrationen i den fria volymen av 5 eller 25 mg / ml.
  6. Efter varje suspension framställs, till CXB eller DHN droppvis och centrifugera proverna vid 800 x g under åtminstone 75 min för att bekräfta att de partiklar och kluster inom suspensionen förblir flytförmåga matchas.
  7. Jämvikta alla prover i minst 24 timmar före imaging experiment.

. 2 Vilo-Sample Experiment: fasbeteende

  1. För bestämning av bulkfasen beteende, fabricera rektangulära kamrarna från täckglas av glas (Figur 1A). För kolloid-polymerblandningar i denna studie, kamrarna i tjocklek h = 1 mm (bestäms av tjockleken på ett objektglas) ger bulk beteende.
  2. För att komma åt flera förlossning i en enda mikroskopi experiment tillverka tunn kil-formad kammare, med användning av en enda täckglas som en distans på en kil (fig 1b). Öppningsvinkeln hos kammaren är <0,5 °, så att i ett enda synfält väggarna är mycket nästan parallella. En representativ kammare ger tillgång till inneslutningstjocklek h = 6 till> 100 nm.
  3. Bygg kammare på ett täckglas bas för avbildning på ett inverterat mikroskop och täta med UV-härdbar epoxi, som inte löser sig i den CXB-DHN lösningsmedelsblandning.
  4. Bild prover med en konfokalmikroskop. Detta protokoll visar avbildning med en linje-scanning konfokala bifogas ett inverterat mikroskop utrustat med en 100X oljeimmersionslins av numerisk apertur NA = 1,40.
  5. Excite färgämnena med användning av en laserkälla. Här våglängder λ = 491 eller 561 nm används för att excitera fluorescein och rodamin / Nile Red färgämnen, respektive.
  6. I punkt-scanning system, skapa en bild genom att snabbt skanna fokalpunkten över provet (i x-y-planet) under användning av konfokal programvara. En tvådimensionell bild på 512 pixlar x 512 pixlar, som omfattar cirka 50 pm x 50 um, kan förvärvas på 1/32 sek. Förbättra bildkvaliteten genom att medelvärdes flera bilder eller öka förvärvstiden.
  7. Leta reda på bottnen av kammaren (z = 0), till exempel genom att fokusera på partiklar vidhäftade till dess botten. Med den här inställningen ökar höjden (z) med ökat fokus in i kammaren.
  8. Som ett exempel, karaktärisera effekten av instängdhet på dynamiken i partiklarna genom att förvärva en 2-D tidsserier av bilder (i xy-planet) på mittplan av kammaren. I ett typiskt experiment, 500 bilder av dimensionen 512 pixlar x 512 pixlar förvärvas till en bildhastighet av 1 bild / sek (tidsavstånd At = 1 sek).
  9. Som ett andra exempel, karaktärisera den 3-dimensionella strukturen av partiklar genom att förvärva en tredimensionell serie bilder (x, y, z). I ett typiskt experiment, tvådimensionella bilder (512 pixlar x 512 pixlar) ärförvärvas på flera z positioner inom kammaren, med ett konstant avstånd av Az = 0,2 um mellan på varandra följande bilder som fastställts av en piezo. En volymstapel som täcker en tjocklek h = 30 um innehåller alltså 151 bilder.
  10. Leta upp och spåra partiklar över tiden i 2-D eller 3-D med hjälp av partikel-mjukvara skriven i IDL 23,54-56, MATLAB 57,58, LabView 59, eller Python 60. Dessa algoritmer tillåter vanligtvis centra för de partiklar som skall lösas inom 40-50 nm. Framgångsrik partikelspårning kräver att partiklarna rör sig mindre än det mellan avståndet mellan på varandra följande ramar.
  11. Från partikelpositioner, beräkna strukturella och dynamiska statistik. Tre praktiska mått som visas här är den 3-D-par korrelationsfunktionen g (R) 61, den 2-D-mean-squared förskjutning (MSD) 58,62 och 2-D själv del av Van Hove korrelationsfunktionen G s ( x, t) 58. De två senare metrics kan också beräknas i 3-D.

. 3 Flödande Experiment: flytegenskaper

  1. Framställ en enkel flödescell med användning av en glas mikrokapillär med kvadratisk tvärsektion (100 ^ m x 100 | im) som är fäst vid rör av Teflon. Använd täckglas av glas för att stödja kapillären och tillhandahålla mekanisk styvhet, såsom visas i den schematiska i fig. 7.
  2. Fyll på med kolloid-polymer-blandningen i en glasspruta. Sätt sprutan på en sprutpump eller ett pneumatiskt vätskedispenseringssystem.
  3. Montera flödescell inställning på den inverterat mikroskop. Förvara sprutan, flödescell, och utlopp på samma höjd för att minimera effekten av gravitationen på flödesprofilen.
  4. Kontrollera flödeshastigheten hos suspensionen genom flödescellen av den volymetriska flödeshastigheten (för sprutpump) eller det applicerade trycket (till tryckboxen). Den genomsnittliga hastigheten hos suspensionen i mikrokanalen beror också på suspension formulering. Typiska värden för den maximala hastigheten i kvadrat mikro mäts här är 200-2000 nm / sek.
  5. Under flöde, skaffa en 2-D konfokala tidsserier vid snabba bildfrekvenser. Här, 500 bilder av dimensionen 512 pixlar x 512 pixlar förvärvas till 32 bilder / sek (tid spacing Δ t = 1/32 sek) på olika höjd över botten av mikrokanalen (z = 0 | im) som sträcker sig från z = 5 - 50 | im. Varje bild täcker ungefär hälften av den laterala dimensionen (y) i mikro, som visas i den infällda bilden till figur 7. Om partiklarna verkar elliptisk, öka bildhastigheten för förvärvet.
  6. Som i vilande experiment, lokalisera partiklarna i 2-D med hjälp av standardalgoritmer för att lokalisera och spåra partiklar i IDL eller MATLAB. För långsamma flöden, där partiklarna rör sig mindre än den genomsnittliga interparticle avståndet mellan ramar, använder spårning algoritmer för att få banor.
  7. Använd bild korrelation till calcUlate hastighetsprofiler för snabba flöden.
    1. Dela upp bilden i horisontella bilder av konstant höjd (y) utmed flödesriktningen (x). För två sekventiella bilder I-1 (x, y) och I 2 (X, Y) förskjuta den senare bilden med faktorn Ax och sedan beräkna kors kovariansen mellan I en (x, y) och I 2 (x + Ax, y).
    2. Identifiera toppositionen av histogrammet för Ax-värden som maximerar tvär kovariansen mellan varje par av bilder för att erhålla medelvärdet advektions hastigheten vid varje lateral position y. Om fördelningen inte är starkt kulminerat, få bilder i en snabbare bildhastighet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

För att visa konfokala imaging och partikel-tracking, undersökte vi effekten av instängdhet på fasbeteende av kolloid-polymerblandningar 63-65. För dessa experiment den kolloid diameter var 2 a = 0,865 nm. Kolloiden volymfraktion bestämdes till Φ = 0,15 och koncentrationen av polymeren c p varierades från 0 till 23,6 mg / ml. Representativa konfokala bilder visas i figur 2 63, den vänstra kolumnen. Från partikelpositioner som erhålls med hjälp av spårningsalgoritmer, vi beräknade representativa strukturella och dynamiska mått, inklusive paret korrelationsfunktionen (figur 2, center kolumnen) och mean-squared förskjutning (Figur 2, höger kolumn). Bilderna och de strukturella och dynamiska mått tillät oss att skilja mellan kolloidala geler (Figur 2, övre raden), vätskor av kluster (Figur 2, mellersta raden) och vätskor (<strong> Figur 2, nedre raden).

Dessa mått tillät oss att kvantitativt bedöma inneslutnings-inducerade förändringar i partikel struktur och dynamik. Till exempel, den första toppen i paret korrelationsfunktion för ett prov med polymerkoncentration c p = 16,6 mg / ml rör sig till kortare separationer som det begränsande tjocklek minskas (figur 3 63). På samma sätt, den själv delen av van Hove korrelationsfunktionen för ett prov med c p = 16,6 mg / ml smalnar när förlossningen tjockleken minskas och vid minsta förlossning uppvisar kraftigt icke-Gaussisk profil av en arrest gel (Figur 4 63) . Även för ett prov med c p = 23,6 mg / ml, vilket är en arrested gel vid alla förlossning, minskar det begränsande tjocklek leder till en smalare och mer icke-Gaussisk profil. Dessa förändringar föreslog att förlossningen indirekt inducerade en ökning av tHan effektiv interparticle attraktion.

Dessa tekniker kan också användas för att bedöma effekterna av instängdhet i bidispersed blandningar av partiklar som bär distinkta fluorescerande etiketter. Representativa bilder av en blandning av stora partiklar (diameter 2 a L = 1,48 um) och små (diameter 2 a S = 0,73 nm) partiklar, med en total partikelvolymfraktion Φ tot = 0,15 och en volymandel förhållande av små partiklar r = 0,50, visar att en minskning av det begränsande tjocklek inducerar bildning av en fast-liknande kolloidalt gelfasen innehållande både stora och små partiklar (fig 5 65). Denna effekt är särskilt uttalad vid fjädring som är bulkvätskor (figur 5a-d). De belastningsbesvär för de stora partiklarna minskar eftersom systemet är allt mer begränsad: för ett prov med c p = 5 mg / ml, de belastningsbesvär blir dynamiskt gripits, konsekvent wed stel övergången (Figur 6a 65). För ett prov med c p = 25 mg / ml, vilken utgör en arrested gelén inducerar stark inneslutning saktade dynamik (fig. 6b); skillnaderna mellan de mest begränsade och minst begränsade urvalet är större än upplösningen av denna teknik (~ 40 nm, vilket vi avgöra från y-axeln för MSD i en mycket utspädd koncentration av partiklar med Φ <0,01).

Konfokalmikroskopi och bildanalys möjliggör också skillnader mellan flytegenskaper svagt och starkt attraktiva partiklar under begränsade flödet präglas 66. För dessa experiment suspensioner av partiklar av 2a diameter = 1,55 | im, koncentrerades till en volymfraktion av Φ = 0,15 med en polymerkoncentration av antingen c p = 5 mg / ml, vilket motsvarar en svag interpartikulärt attraktion eller C p = 25 mg / ml, vilket motsvarar enstark interparticle attraktion. Bilderna visas i figur 8 för vilande och flytande suspensioner.

Antal densitetsprofiler avslöjade skillnader mellan fördelningen av partiklar i svagt och starkt-attraktiva suspensioner under flöde (visade för en flödeshastighet av 10 μ l / timme i fig 9 66): de av en svagt attraktiv suspension (c p = 5 mg / ml, figurerna 9a och 9b) ökar mer dramatiskt mot centrum av mikrokanalen än för en starkt attraktiv suspension (c p = 5 mg / ml, fig 9c och 9d).

Likaså svagt och starkt attraktiv suspensionen uppvisade skillnader i form av hastighetsprofiler (visas endast för en flödeshastighet av 8 μ l / timme i fig 10 66). De hastighetsprofiler för suspensioner meden svag attraktion (c p = 5 mg / ml, figurerna 10a och 10b) är nära de som förutsagts för en newtonsk vätska som flyter i en kvadratisk mikrokanal. Däremot hastighetsprofiler för suspensioner med en starkare attraktion (c p = 25 mg / ml, Figurerna 10c och 10d) avviker väsentligt från den newtonska profilen nära sidoväggarna i mikro (nära y / L = 0).

Figur 1
Figur 1. Schematisk av kamrar för vilande experiment. (A) Rektangulär kammare, med en konstant tjocklek på 1 mm som av tjockleken på en glasplatta. (B) Wedge formad kammare, med en variabel tjocklek som sträcker sig från 6 till 170 | im. Den maximala tjockleken ärfastställs av den av ett täckglas.

Figur 2
.. Figur 2 Utmärkande för vätskor, vätskor av kluster och geler Vänster kolumn: Konfokala mikrofotografier. Center spalt: Partikel par korrelationsfunktionen g (r) som en funktion av den normaliserade separations r / 2 a. Höger kolumn: Normaliserad mean-squared förskjutning MSD / 4 en 2 som funktion av fördröjning. Från toppen till botten bilderna och korrelationsfunktionerna visar representativa exempel på en gel (c p = 23,6 mg / ml och t / 2 a = 8,7), ett fluidum av kluster (c p = 16,6 mg / ml och t / 2 a = 17), och en kolloidal fluid (c p = 0 mg / ml och t / 2 a> 116). Partikeldiametern är 2 a = 0,865 μ m. Denna siffra har modifierats Spannuth och Conrad, Phys. Rev Lett. 109, 028.301 (2012). Copyright 2012 av American Physical Society.

Figur 3
Figur 3. Para korrelationsfunktion indikerar strukturella förändringar i fångenskap. Pair korrelationsfunktion för ett prov med c p = 16,6 mg / ml vid h / 2 a> 116 och h / 2 a = 69, 35, 17, och 8,7 från topp till botten. Prov är ett fluidum av kluster alls h utom t / 2 a = 8,7, som är en gel. Färgerna anger den fas som i figur 2. Partikeldiametern är 2 a = 0,865 μ m. Denna siffra har modifierats Spannuth och Conrad, Phys. Rev Lett. 109, 028301 (2012). Copyright 2012 av American Physical Society.

Figur 4
Figur 4. Van Hove korrelationsfunktion och mean-squared förskjutning indikerar förändringar i fångenskap. Egen del av korrelationsfunktionen van Hove och (infälld) mean-squared förskjutning för prover med (a) c p = 16,6 mg / ml och (b ) c p = 23,6 mg / ml som en funktion av instängdhet (h / 2 a = 69 (cirklar), 17 (fyrkanter) och 8,7 (trianglar)). I (a), är provet en vätska av kluster för h / 2 a = 69 och 17, men en gel för h / 2 a = 8,7. I (b), är provet en gel för alla h.. Partikeldiametern är 2 a = 0,865 μ m.. Denna siffra har been ändras från Spannuth och Conrad, Phys. Rev Lett. 109, 028.301 (2012). Copyright 2012 av American Physical Society.

Figur 5
Figur 5. Representant konfokala mikrofotografier av bidispersed blandningar. Konfokala mikrofotografier av små och stora partikelpopulationer (båda visas i grått, med större partiklar med större intensitet), för suspensioner med en konstant total volymfraktion Φ tot = 0,15, volymprocent av små partiklar r = 0,50, koncentration av depletant polymer c p (AC) 5 mg / ml eller (df) 25 mg / ml, (a, d) i bulk eller (bc, ef) begränsas till en normaliserad höjd h/2a L ( b e) 20, eller (c, f) <5.5. De stora och små partikeldiameter är 2 a L = 1,48 μ m och 2a S = 0,73 μ m, respektive. Skalan bar är 10 μ m..

Figur 6
Figur 6. Mean-squared förskjutning av stor partikelpopulationen uppvisar inneslutning-inducerad avmattning. Normaliserad mean-squared förskjutning som en funktion av fördröjning τ av stora partiklar i binära suspensioner med volymprocent av små partiklar r = 0,50 och varierande koncentration av depletant polymer av (a) c p = 5 mg / ml, eller (b) c p = 25 mg / ml. Inneslutning tjocklek h / 2 a L: bulk ( ), 20 ( diamant ), Och <5,5 ( sida ). De streckade linjerna indikerar en lutning på 1. Den stora partikeldiameter är 2 a L = 1,48 μ m.. Denna siffra har modifierats Pandey och Conrad, Soft Matter, 9, från 10.617 till 10.626 (2013). Reproducerad med tillstånd av Royal Society of Chemistry (http://dx.doi.org/10.1039/c c3sm51879e).

Figur 7
Figur 7. Schematisk bild av anordning för mikroflödesexperiment. Enhet consi Denm av en glas mikrokapillär som är ansluten till en sprutpump med hjälp av rör av Teflon. Schemat som visas är inverterad jämfört med den experimentella uppställningen, som använder ett inverterat mikroskop. Koordinatsystemet som anges: x är orienterad längs flödesriktningen, Y är orienterad utmed bredden av mikrokanalen, och z är orienterad längs den vertikala riktningen. Infällt: schema över avbildningsprotokoll. 2-d filmer förvärvas av halva bredden av mikrokanalen vid tio olika höjd över dess bottenyta. Denna siffra har modifierats Pandey och Conrad, Soft Matter 8, från 10.695 till 10.703 (2012). Reproducerad med tillstånd av Royal Society of Chemistry (http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d).

Figur 8
Figur 8. Representant konfokala mikrofotografier av partiklarunder mikrokanalflöde. Konfokala mikrofoton av kolloidala suspensioner med polymerkoncentrationen Cp av (ac) 5 mg / ml och (DF) 25 mg / ml. Bilder (a) och (d) visar det obelastade provet; bilder (BC) och (EF) förvärvades under flöde vid en höjd (z) (b, e) 5 μ m och (c, f) 50 μ m ovanför bottenytan av mikrokanalen. Kanten på den kanal är vid den vänstra sidan av varje bild i (BC) och (EF), och flödet är i den nedåtgående riktningen, såsom anges. Skalan bar är 10 μ m.. Partikeldiametern är 2 a = 1.546 μ m.. Denna siffra har modifierats Pandey och Conrad, Soft Matter 8, från 10.695 till 10.703 (2012). Reproducerad med tillstånd av Royal Society of Chemistry (http :/ / dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d).

Figur 9
Figur 9. Styrka attraktions modifierar antalet densitetsprofilen för partiklar. Antal partiklar som funktion av normaliserad läge i sidled på mikro y / L för hjulupphängning med volymfraktion Φ = 0,15 och polymerkoncentrationen c p av (a, b) 5 mg / ml och (c, d) 25 mg / ml, förvärvas till normaliserade positioner nedströms x / L = (a, c) 50 och (b, d) 200. Data visas för två normaliserade höjder, z / L = 0,05 (mörkröd triangel ) Och 0,50 (ljusblå sidaμ liter / timme. Linjerna visas är guider för ögat, och de felstaplarna anger standardavvikelsen för mätningarna. Partikeldiametern är 2 a = 1.546 μ m.. Denna siffra har modifierats Pandey och Conrad, Soft Matter 8, från 10.695 till 10.703 (2012). Reproducerad med tillstånd av Royal Society of Chemistry (http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d).

Figur 10
Figur 10. Styrka attraktions ändrar hastighetsprofiler. Normaliserade hastighetsprofiler som funktion av normaliserad läge i sidled på mikro y / L för hjulupphängning med volymfraktion Φ = 0,15 och polymerkoncentrationen c p av ( b) 5 mg / ml och (c, d) 25 mg / ml, förvärvas till normaliserade positioner nedströms x / L = (a, c) 50 och (b, d) 200. Data visas för två normaliserade höjder, z / L = 0,05 (mörkröd) och 0,50 (ljusblå). Flödeshastigheten var 8 μ liter / timme. Felstaplarna visar standardavvikelsen för mätningarna. De streckade linjerna anger passar till den newtonska flödesprofilen förväntas för flöde i en fyrkantig mikrokanal. Denna siffra har modifierats Pandey och Conrad, Soft Matter 8, från 10.695 till 10.703 (2012). Reproducerad med tillstånd av Royal Society of Chemistry (http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Kolloidala suspensioner studerats som modeller för begränsad fas beteende, eftersom micron stora kolloidala partiklar uppvisar betydligt långsammare dynamik än atomer och molekyler och sålunda lätt kan avbildas och spåras över tiden 10. För dessa grundläggande studier, att förstå effekten av interparticle attraktioner på begränsad fasbeteende ger möjlighet att undersöka fenomen som kapillär kondensation och avdunstning 21,22,67. Dessutom begränsade attraktiva suspensioner visas överallt i industriella och tekniska tillämpningar. För dessa tillämpade studier, kan förstå effekten av formuleringen upphängning på begränsat flöde leda till förbättrade formuleringar av råvaror och bläck för snabba prototyper 1-3, drug delivery 4, förbättrad 5-7 oljeutvinning, och energilagringsapplikationer 8.

Andra tekniker som används för att undersöka strukturen i mikrometerstorlek collOID i tunna geometrier inkluderar elektronmikroskopi 17,18, röntgen mikroskopi 19, och laser-diffraktion mikroskopi 20. Kombinationen av konfokalmikroskopi och bildanalysalgoritmer ger två viktiga fördelar för studier av trånga kolloidala suspensioner. Först låter konfokalmikroskopi imaging djupt inom täta och fluorescerande suspensioner. För det andra kan partikelbanor erhållna från konfokala mikrograferna användas för att beräkna dynamiska och strukturella mått för enskilda micron stora kolloidala partiklarna. Dessa mätningar underlättar direkt jämförelse med simuleringar 21,22. Andra bildanalysalgoritmer, såsom bildkorrelation 37 baserat på partikelbild Velocimetry 38, kan tillämpas på konfokala mikrofotografier där partikel förskjutningarna är större än kornavstånd att sondera dynamiken.

Vi har visat protokoll för avbildning vilande och flödande colloid-polymerblandningar i trånga geometrier med hjälp av konfokalmikroskopi. Med hjälp av de representativa mått som beskrivs i detta dokument, identifierade vi ett stel övergång i vilande suspensioner som induceras av instängdhet 63,64. Vi visade också att ändra styrkan i attraktionen ändrar omfattningen av migrations partikel och konsolidering under flöde av kolloid-polymerblandningar i mikrokanaler 66.

För flödesexperiment, är en begränsning av detta protokoll svårigheten att avbildning i 3-D vid snabb mikroflöde, eftersom partiklarna rör sig vanligtvis stora avstånd mellan varandra följande ramar. Denna begränsning kan undvikas vid långsammare flödeshastigheter genom att avbilda en tunn 3-D-skiva. Upprepade experiment vid olika vertikala positioner inom kanalen kan alltså ge de fullt tredimensionella hastighet och densitetsprofiler. Detta tillvägagångssätt har framgångsrikt tillämpats av andra forskargrupper för suspensioner av nästan-hård-sfären kolloider att fOrm glasögon 13,14 eller kristaller 41, men har ännu inte tillämpats på mindre koncentrerade kolloidala geler som de som presenteras här.

Båda bildanalysmetoder som beskrivs (partikel-spårning och bildkorrelation) uppvisar begränsningar. För spårning partikel algoritmer, har resolutioner av en tiondel av pixelstorleken rapporterats 23 för väl avskilda partiklarna. Upplösningen ökar med ökat signal-till-brus. Både Gauss passande algoritm och en nyare algoritm som beräknar punkterna för maximal radiell symmetri uppnå spårnings resolutioner som ligger nära den teoretiska maximala 68. Upplösningen i våra experiment var något mindre (en fjärdedel av pixelstorlek); eftersom partiklarna i geler är i nära kontakt, i mitten av intensiteten i en lokal region är alltså inte nödvändigtvis beläget vid partikelcentroiden. Upplösningen i spårning av partiklar i geler kan förbättras genom att endast märkakärnor av partiklarna 69-71. För partikelbild Velocimetry, de metoder som rapporteras här ge noggranna mätningar av förskjutningen även för stora förskjutningar hos flera hundra bildpunkter 37, så länge som de regioner i nästan konstant advektiv hastighet korreleras. Dessa metoder kan inte användas när partiklarna genomgår signifikant relativ rörelse eller icke-affine rörelse; i detta fall förskjutningar är begränsad till en bråkdel av partikelstorleken.

Dessa protokoll kan tillämpas på studier av fas beteende, struktur, dynamik och flödesegenskaper för ett brett utbud av kolloidala suspensioner, inklusive partiklar med formen eller kemisk anisotropi och lösningsmedel som är icke-newtonska vätskor, i 2-D och 3 - D förlossning. Tillämpa dessa tekniker kräver ytterligare ökning av bildhastigheten i 2-D och 3-D, nya algoritmer för att analysera bilder av anisotropa partiklar, och framsteg inom tillverkning av realistiska begränsa geometrier och gränssnitt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har ingenting att lämna ut.

Acknowledgments

Forskningen redovisas i denna publikation fick stöd av ett University of Houston New Faculty Grant, ett bidrag frö från Texas Centrum för Supra, och American Chemical Society Petroleum Research Fund (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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Shereda, L. T., Larson, R. G., Solomon, M. J. Local stress control of spatiotemporal ordering of colloidal crystals in complex flows. Physical Review Letters. 101, 038301-0310 (2008).
  2. Conrad, J. C., et al. Designing colloidal suspensions for directed materials assembly. Current Opinion in Colloid and Interface Science. 16, 71-79 (2011).
  3. Lewis, J. A. Direct ink writing of 3D functional materials. Advanced Functional Materials. 16, 2193-2204 (2006).
  4. Mishra, B., Patel, B. B., Tiwari, S. Colloidal nanocarriers: a review on formulation technology, types and applications toward targeted drug delivery. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine. 6, 9-24 (2010).
  5. Maitland, G. C. Oil and gas production. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 5, 301-311 (2000).
  6. Kelessidis, V., Maglione, R., Tsamantaki, C., Aspirtakis, Y. Optimal determination of rheological parameters for Herschel–Bulkley drilling fluids and impact on pressure drop, velocity profiles and penetration rates during drilling. J. Petrol. Sci. Eng. 53, 203-224 (2006).
  7. Ponnapati, R., et al. Polymer-functionalized nanoparticles for improving waterflood sweep efficiency: Characterization and transport properties. Industrial and Engineering Chemistry Research. 50, 13030-13036 (2011).
  8. Duduta, M., et al. Semi-solid lithium rechargeable flow battery. Advanced Energy Materials. 1, 511-516 (2011).
  9. Poon, W. C. K. The physics of a model colloid-polymer mixture. Journal of Physics: Condensed Matter. 14, (2002).
  10. Prasad, V., Semwogerere, D., Weeks, E. R. Confocal microscopy of colloids. Journal of Physics: Condensed Matter. 19, 113102-1110 (2007).
  11. Kogan, M., Solomon, M. J. Electric-field-induced yielding of colloidal gels in microfluidic capillaries. Langmuir. 26, 1207-1213 (2010).
  12. Frank, M., Anderson, D., Weeks, E. R., Morris, J. F. Particle migration in pressure-driven flow of a Brownian suspension. Journal of Fluid Mechanics. 493, 363-378 (2003).
  13. Isa, L., Besseling, R., Morozov, A. N., Poon, W. C. K. Velocity oscillations in microfluidic flows of concentrated colloidal suspensions. Physical Review Letters. 102, 058302-0510 (2009).
  14. Isa, L., Besseling, R., Poon, W. C. K. Shear zones and wall slip in the capillary flow of concentrated colloidal suspensions. Physical Review Letters. 98, (2007).
  15. Semwogerere, D., Morris, J. F., Weeks, E. R. Development of particle migration in pressure-driven flow of a Brownian suspension. Journal of Fluid Mechanics. 581, 437-451 (2007).
  16. Semwogerere, D., Weeks, E. R. Shear-induced particle migration in binary colloidal suspensions. Phys. Fluids. 20, (2008).
  17. Ramiro-Manzano, F., Bonet, E., Rodriguez, I., Meseguer, F. Layering transitions in confined colloidal crystals: The hcp-like phase. Physical Review E. 76, 050401-0510 (2007).
  18. Ramiro-Manzano, F., Meseguer, F., Bonet, E., Rodriguez, I. Faceting and commensurability in crystal structures of colloidal thin films. Physical Review Letters. 97, 028304-0210 (2006).
  19. Hilhorst, J., et al. hree-dimensional structure and defects in colloidal photonic crystals revealed by tomographic scanning transmission X-ray microscopy. Langmuir. 28, 3614-3820 (2012).
  20. Luo, Y. -Y., Hu, S. -X., Lu, Y., Mai, Z. -H., Li, M. Real time observation of partial dislocations in thin colloidal crystals. Applied Physics Letters. 95. 174107, (2009).
  21. Binder, K., Horbach, J., Vink, R. L. C., De Virgiliis, A. Confinement effects on phase behavior of soft matter systems. Soft Matter. 4, 1555-1568 (2008).
  22. De Virgiliis, A., Vink, R. L. C., Horbach, J., Binder, K. From capillary condensation to interface localization transitions in colloid-polymer mixtures confined in thin-film geometry. Physical Review E. 78, 041604-0410 (2008).
  23. Crocker, J. C., Grier, D. G. Methods of digital video microscopy for colloidal studies. J. Colloid Interface Sci. 179, 298-310 (1996).
  24. Gasser, U., Weeks, E. R., Schofield, A. B., Pusey, P. N., Weitz, D. A. Real-space imaging of nucleation and growth in colloidal crystallization. Science. 292, 258-262 (2001).
  25. Alsayed, A. M., Islam, M. F., Zhang, J., Collings, P., Yodh, A. G. Premelting at defects within bulk colloidal crystals. Science. 309, 1207-1210 (2005).
  26. Leunissen, M. E., et al. Ionic colloidal crystals of oppositely charged particles. Nature. 437, 235-240 (2005).
  27. Nagamanasa, K. H., Gokhale, S., Ganapathy, R., Sood, A. K. Confined glassy dynamics at grain boundaries in colloidal crystals. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108. , 11323-11326 (2011).
  28. Kaya, D., Green, N. L., Maloney, C. E., Islam, M. F. Normal modes and density of states of disordered colloidal solids. Science. 329, 656-658 (2010).
  29. Weeks, E. R., Crocker, J. C., Levitt, A. C., Schofield, A. B., Weitz, D. A. Three-dimensional direct imaging of structural relaxation near the colloidal glass transition. Science. 287, 627-631 (2000).
  30. Sarangapani, P. S., Schofield, A. B., Zhu, Y. Direct experimental evidence of growing dynamic length scales in confined colloidal liquids. Phys. Rev. E. 83, 030502-0310 (2011).
  31. Sarangapani, P. S., Schofield, A. B., Zhu, Y. Relationship between cooperative motion and the confinement length scale in confined colloidal liquids. Soft Matter. 8, 814-818 (2012).
  32. Dibble, C. J., Kogan, M., Solomon, M. J. Structure and dynamics of colloidal depletion gels: Coincidence of transitions and heterogeneity. Phys. Rev. E. 74, 041403-0410 (2006).
  33. Dibble, C. J., Kogan, M., Solomon, M. J. Structural origins of dynamical heterogeneity in colloidal gels. Phys. Rev. E. 77, 050401-0510 (2008).
  34. Lu, P. J., et al. Gelation of particles with short-range attraction. Nature. 453, 499-504 (2008).
  35. Hsiao, L. C., Newman, R. S., Glotzer, S. C., Solomon, M. J. Role of isostaticity and load-bearing microstructure in the elasticity of yielded colloidal gels. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109. , 16029-16034 (2012).
  36. Lu, P. J., et al. Characterizing concentrated, multiply scattering, and actively driven fluorescent systems with confocal differential dynamic microscopy. Physical Review Letters. 108, 218103-2110 (2012).
  37. Besseling, R., Isa, L., Weeks, E. R., Poon, W. C. K. Quantitative imaging of colloidal flows. Advances In Colloid and Interface Science. 146. , 1-17 (2009).
  38. Wereley, S. T., Meinhart, C. D. Micron-resolution particle image velocimetry. Microscale Diagnostic Techniques. , 1-62 (2005).
  39. Angele, K. P., Suzuki, Y., Miwa, J., Kasagi, N. Development of a high-speed scanning micro PIV system using a rotating disc. Measurement Science and Technology. 17, 1639-1646 (2006).
  40. Klein, S. A., Posner, J. D. Improvement in two-frame correlations by confocal microscopy for temporally resolved micro particle imaging velocimetry. Measurement Science and Technology. 21, 105409-1010 (2010).
  41. Derks, D., Wu, Y. L., Van Blaaderen, A., Imhof, A. Dynamics of colloidal crystals in shear flow. Soft Matter. 5, 1060-1065 (2009).
  42. Ballesta, P., Besseling, R., Isa, L., Petekidis, G., Poon, W. C. K. Slip and flow of hard sphere colloidal glasses. Physical Review Letters. 101, 258301-2510 (2008).
  43. Rajaram, B., Mohraz, A. Microstructural response of dilute colloidal gels to nonlinear shear deformation. Soft Matter. 6, 2246-2259 (2010).
  44. Rajaram, B., Mohraz, A. Dynamics of shear-induced yielding and flow in dilute colloidal gels. Physical Review E. 84, (2011).
  45. Rajaram, B., Mohraz, A. Steady shear microstructure in dilute colloid–polymer mixtures. Soft Matter. 8, 3699-3707 (2012).
  46. Yethiraj, A., Van Blaaderen, A. A colloidal model system with an interaction tunable from hard sphere to soft and dipolar. Nature. 421, 513-517 (2003).
  47. Campbell, A. I., Anderson, V., Van Duijneveldt, J. S., Bartlett, P. Dynamical arrest in attractive colloids: The effect of long-range repulsion. Physical Review Letters. 94, 208301-2010 (2005).
  48. Klix, C. L., Royall, C. P., Tanaka, H. Structural and dynamical features of multiple metastable glassy states in a colloidal system with competing interactions. Physical Review Letters. 104, 165702-1610 (2010).
  49. Sedgwick, H., Egelhaaf, S. U., Poon, W. C. K. Clusters and gels in systems of sticky particles. Journal of Physics: Condensed Matter. 16, 10-1088 (2004).
  50. Zhang, T. H., Klok, J., Tromp, R. H., Groenewold, J., Kegel, W. K. Non-equilibrium cluster states in colloids with competing interactions. Soft Matter. 8, (2012).
  51. Dinsmore, A. D., Prasad, V., Wong, I. Y., Weitz, D. A. Microscopic structure and elasticity of weakly aggregated colloidal gels. Physical Review Letters. 96, (2006).
  52. Antl, L., et al. The preparation of poly(methyl methacrylate) latices in nonaqueous media. Colloid Surf. 17, 67-78 (1986).
  53. Aarts, D. G. A. L., Tuinier, R., Lekkerkerker, H. N. W. Phase behaviour of mixtures of colloidal spheres and excluded-volume polymer chains. Journal of Physics: Condensed Matter. 14, 7551-7561 (2002).
  54. Crocker, J. C., Weeks, E. R. Particle tracking using IDL. , (2011).
  55. Grier Grier, D. G. Lab Downloadable Software. , (2012).
  56. Smith, R., Friendly Spalding, G. U. ser- Freeware Image Segmentation and Particle Tracking. , (2005).
  57. Blair, D. L., Dufresne, E. R. The Matlab Particle Tracking Code Repository. , (2008).
  58. Kilfoil, M. L. Biological Physics Software. , (2009).
  59. Milne, G. Particle Tracking. , (2006).
  60. Caswell, T. trackpy: A pure python implementation of Crocker-Grier for single particle tracking. , (2012).
  61. Weeks, E. R. IDL routines to calculate the pair correlation function g(r). , (2005).
  62. Breedveld, V., Crocker, J. C., Weeks, E. R. M. S. D. , (2005).
  63. Spannuth, M., Conrad, J. C. Confinement-induced solidification of colloid-polymer depletion mixtures. Phys. Rev. Lett. 109, (2012).
  64. Spannuth, M., Conrad, J. C. Dynamics of confined colloid-polymer mixtures. AIP Conf. Proc. 1518, 351-356 (2013).
  65. Pandey, R., Conrad, J. C. Dynamics of confined depletion mixtures of polymers and bidispersed colloids. Soft Matter. , (2013).
  66. Pandey, R., Conrad, J. C. Effects of attraction strength on microchannel flow of colloid–polymer depletion mixtures. Soft Matter. 8, 10695-10703 (2012).
  67. Gelb, L., Gubbins, K. E., Radhakrishnan, R., Sliwinska-Bartkowiak, M. Phase separation in confined systems. Reports on Progress in Physics. 62, 1573-1659 (1999).
  68. Parthasarathy, R. Rapid accurate particle tracking by calculation of radial symmetry centers. Nature Methods. 9, 724-726 (2012).
  69. Peng, B., vander Wee, E., Imhof, A., Van Blaaderen, A. Synthesis of monodisperse, highly cross linked, fluorescent PMMA particles by dispersion polymerization. Langmuir. 28, 6776-6785 (2012).
  70. Elsesser, M. T., Hollingsworth, A. D., Edmond, K. V., Pine, D. J. Large core-shell poly(methyl methacrylate) colloidal clusters: synthesis, characterization, and tracking. Langmuir. 27, 917-927 (2011).
  71. Dullens, R. P. A., Derks, D., van Blaaderen, A., Kegel, W. K. Monodisperse core-shell poly(methyl methacrylate latex colloids). Langmuir. 19, 5963-5966 (2003).

Tags

Kemi konfokalmikroskopi spårning partikel kolloider suspensioner förlossning gelation mikrofluidik bild korrelation dynamik fjädring flöde
Confocal avbildning av Slutna Tomgång och Flödande kolloidkemi-polymera blandningar
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Pandey, R., Spannuth, M., Conrad, J. … More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter