Name: 微流体和 Microrheology 相结合测定软物质在重复相变过程中的流变特性 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-19T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 38 s
Description: 了解微流体与多粒子追踪微流变学相结合的方法，用于研究软物质在重复相变过程中的动态流变特性。该技术可实现原位实时表征，为软物质物理学研究提供重要工具。

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本工作得到了宝洁公司和美国化学会石油研究基金（54462-DNI7）的资助。作者感谢美国化学会石油研究基金的捐赠者对本研究的部分支持。作者谨此感谢 Marco Caggioni 博士在讨论中提供的帮助。

1. 微流控装置的制备
<ol>
	<li>微流控印章的制备 
	注意：此步骤需使用挥发性材料，应在化学通风橱中进行。
	<ol>
		<li>使用与载玻片（75×50 mm）尺寸相同的负片打印设计，通道部分为白色，背景为黑色（见图1）。将该设计以1200 dpi分辨率打印在透明醋酸纤维片（透明胶片）上。</li>
		<li>若透明胶片的暗区仍允许光线透过，可叠加多张负片，并使用双面胶带固定。</li>
		<li>打开高强度紫外（UV）光源，预热至输出稳定（约30分钟）。 
		注意：使用高强度UV光源时应佩戴防紫外线护目镜。</li>
		<li>准备三个150 mL的培养皿，分别装入丙酮、乙醇和蒸馏水。</li>
		<li>将一张空白透明胶片放置在靠近高强度UV光源但不在其正下方的平坦表面上，作为微流控印章的制备基底。</li>
		<li>用永久性记号笔在空白透明胶片中央标出75 × 50 mm载玻片四个角的位置，并在所标矩形的四个角放置四块玻璃垫片（约30 × 30 × 1 mm）。</li>
		<li>在垫片中央滴加约5 mL的UV固化硫醇-烯树脂，然后小心地将一块75 × 50 × 1 mm的载玻片盖在玻璃垫片上，确保树脂完全被载玻片覆盖且无气泡。</li>
		<li>将印有负片的透明胶片置于载玻片上方，通过小心拖动底部空白透明胶片，将所有组件（从下至上：空白透明胶片、玻璃垫片和UV胶、载玻片、印有负片的透明胶片）移至UV光源下方。</li>
		<li>让UV光透过负片照射树脂并使其固化。可通过调整固化时间来改变通道高度。使用本实验的光源时，45秒的固化时间可得到1 mm高的通道。</li>
		<li>将组件移离UV光源，取下印有负片的透明胶片和载玻片。此时带有UV胶成型通道的载玻片即称为微流控印章。</li>
		<li>丢弃透明胶片和玻璃垫片。</li>
		<li>将微流控印章依次浸入丙酮浴和乙醇浴中，重复此步骤两次。丙酮会降解UV胶，因此印章在丙酮中停留时间不得超过10秒。</li>
		<li>手持印章将其浸入水中，并用棉签清除未反应的树脂残留物。切勿直接擦拭已固化部分，以免造成通道表面粗糙。</li>
		<li>将印章置于纸巾上，放回UV光源下至少30分钟，以确保完全固化。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>聚二甲基硅氧烷（PDMS） molding
	<ol>
		<li>将70 g PDMS基础液倒入透明杯中，按交联剂与基础液质量比1:10加入交联剂。此为制造商推荐比例。请勿使用玻璃容器。</li>
		<li>用金属搅拌器充分混合交联剂与基础液；混合均匀后因夹带空气形成气泡，混合物应呈浑浊状。</li>
		<li>将PDMS放入真空烘箱中抽真空。若溶液开始溢出容器，则关闭真空，待溢出停止后重新开启。真空烘箱内的总压力不影响结果，真空仅用于加速脱气过程。持续抽真空直至混合物中所有气泡完全排出（约60分钟）。</li>
		<li>将微流控印章放入一个直径150 mm的空塑料培养皿中，然后缓慢将PDMS倒入培养皿，完全覆盖微流控印章。倾倒时尽量贴近培养皿表面，以减少PDMS中气泡的重新形成。</li>
		<li>盖上培养皿，置于55 °C烘箱中过夜固化。完全固化后，用刀片切割出图案化的PDMS并从印章上剥离。保留多余的PDMS用于制作溶剂池（方案步骤1.6.3）和PDMS塞子（方案步骤2.2.1.1）。</li>
		<li>使用0.5 mm活检打孔器，在以下位置打孔：每个角落各一个，吸力腔靠近通道边缘处一个，样品腔内对称分布六个（相隔60°），以及样品腔中心一个。为确保打孔位置对称，可在纸上打印定位图案并置于样品腔下方。由于PDMS透明，可清晰观察打孔位置。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>制备溶胶-凝胶溶液以在微流控装置中形成玻璃壁
	<ol>
		<li>在100 mL广口瓶中加入25 mL 90%乙醇、25 mL pH 4（0.0001 M）盐酸溶液、25 mL 98%正硅酸四乙酯和25 mL 98%甲基三乙氧基硅烷。将此100 mL溶液（现称为预转化液）敞口放入微波炉中加热10秒，随后置于80 °C环境中过夜。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>装置组装
	<ol>
		<li>将图案化PDMS和一块75 × 50 × 0.10 mm的载玻片放入等离子清洗仪中，并将三通阀置于关闭位置。</li>
		<li>开启真空泵，抽真空1分钟以排空腔室。</li>
		<li>将三通阀转至流量控制器位置，使腔室平衡5秒。此位置允许少量空气流入等离子清洗仪，流速足够低以维持腔室低压状态。将射频（RF）开关调至中档并开启40秒，随后关闭RF开关和真空泵。</li>
		<li>将三通阀置于开放位置，使腔室恢复至大气压。取出图案化PDMS和载玻片。</li>
		<li>小心地将图案化PDMS与载玻片对齐贴合，使两表面紧密接触。</li>
		<li>在图案化PDMS边缘接缝处涂覆UV固化树脂，并在低强度UV光下固化5分钟。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在微流控通道中形成玻璃壁 
	注意：此步骤必须在等离子处理后30分钟内完成，因其依赖于等离子处理引起的PDMS表面变化。形成的玻璃层厚度约为5–10 µm。此步骤需使用挥发性材料，应在化学通风橱中进行。
	<ol>
		<li>将加热板设定为100 °C，并准备四支注射器（三支30 mL，一支3 mL），配备18号针头和约30 cm长的透明热塑性管。</li>
		<li>分别用乙醇、氯仿和空气填充三支30 mL注射器。用预转化液（来自方案步骤1.3.1）填充一支3 mL注射器。</li>
		<li>除一个角落的孔外，使用不锈钢接头将透明热塑性管插入图案化PDMS的所有其他孔中。该角落孔作为入口，其余均为出口。</li>
		<li>用注射器将预转化液注入微流控装置，然后将装置置于100 °C加热板上，使底部玻璃面与加热板表面接触。</li>
		<li>在10秒内使3 mL预转化液流经微流控装置。通过调节预转化液的流速可控制玻璃壁的厚度。</li>
		<li>将微流控装置从加热板上取下，将预转化液注射器更换为空气注射器，排出多余的预转化液。</li>
		<li>将空气注射器更换为氯仿注射器，缓慢使15 mL氯仿流经微流控装置。再将氯仿注射器更换为乙醇注射器，缓慢使30 mL乙醇流经装置。每一步骤持续时间约为1分钟。</li>
		<li>将乙醇注射器更换为空气注射器，通入空气直至装置完全干燥。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>玻璃支撑结构与溶剂池的应用
	<ol>
		<li>从75 × 25 × 1 mm的载玻片上切割出75 × 10 × 1 mm的玻璃条。</li>
		<li>在玻璃条上涂覆UV固化树脂。将微流控装置放置于玻璃条上，PDMS面朝上。移至低强度UV光源下照射5分钟。</li>
		<li>裁剪一块30 × 30 mm的PDMS片，使用活检打孔器打一个足够大的孔，以覆盖10 mm的样品腔。</li>
		<li>将PDMS片和微流控装置放入等离子清洗仪中，将三通阀置于关闭位置，并开启真空泵。</li>
		<li>抽真空1分钟。将三通阀转至流量控制器位置，使腔室平衡5秒。</li>
		<li>将RF开关调至中档并开启40秒，随后关闭RF开关和真空泵。</li>
		<li>将三通阀置于开放位置，使腔室恢复至大气压。</li>
		<li>从等离子腔室中取出溶剂池和微流控装置，通过表面接触将其粘合。确保溶剂池覆盖在样品腔上方。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. µ2流变学实验步骤
<ol>
	<li>软物质样品的制备
	<ol>
		<li>清洗探针颗粒
		<ol>
			<li>按水与探针体积比10:1的比例，将水和0.5 µm探针用移液器加入微量离心管中。充分混匀后，将微量离心管放入微量离心机，以4600 × g离心10分钟。 
			注：本研究使用的探针溶液初始以水为悬浮介质，固含量为2.6%（体积比），样品中最终使用的探针浓度为0.1%（体积比）。</li>
			<li>取出微量离心管，用移液器吸去上清液，并用去离子水替换上清液。重复离心清洗共三次。</li>
			<li>将微量离心管放入超声仪中，低功率超声处理15分钟，以去除任何可能的聚集体。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>探针与软物质的混合 
		注：本实验中使用胶体凝胶作为软物质样品。
		<ol>
			<li>在75 × 50 mm的玻璃载片上取1 mL样品材料。用移液器将40 µL探针溶液加入样品中心位置。</li>
			<li>用金属刮刀轻轻翻折样品，直至完全混合均匀。将混合后的样品转移至微量离心管中，并以2340 × g离心15秒，以去除夹带的空气。</li>
			<li>用探针/HCO混合物填充一支配有18号针头和透明热塑性软管的1 mL注射器。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>通过流体交换诱导连续相变
	<ol>
		<li>填充微流控装置
		<ol>
			<li>制备PDMS塞：利用步骤1.2.5中多余的PDMS材料，切割出一块5 mm见方的PDMS块。使用直径为0.5 mm的活检打孔器，在PDMS塞上打一个半通孔。将不锈钢连接头插入直径为0.5 mm的孔中。</li>
			<li>将热塑性软管连接至三个角落的进样通道和抽吸腔出口通道。&#160;使用连接在装置上的注射器将水完全充满整个装置。确保样品腔和微流控通道中无气泡存在。用PDMS塞封堵剩余的角落孔。</li>
			<li>溶剂槽应已在步骤2.2.1.2中部分填充；若未填充，请用水将溶剂槽加满。</li>
			<li>使用步骤2.1.2.3中的注射器，以约2 µL/s的速度将10 µL样品/探针混合物经中心通道注入样品腔，随后用PDMS塞封堵样品腔的中心通道。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>采集微流变学数据
		<ol>
			<li>将相机设置调整为可最小化静态和动态粒子追踪误差的优化参数，然后切换至63×水浸物镜，并在镜头上滴加一滴水。</li>
			<li>将微流控装置置于显微镜载物台上，抬升物镜直至聚焦于样品。</li>
			<li>在适合整个相变过程总时长的时间间隔内，持续记录探针布朗运动的视频。对于凝胶化过程，应持续拍摄直至探针运动完全停止。 
			&#8203;注：我们每10分钟采集一次数据。若实验起始于降解过程，则持续采集数据直至探针完全恢复自由扩散。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>样品腔内流体交换（重力驱动流动，低密度流体替换为高密度流体）
		<ol>
			<li>将微流控装置从显微镜载物台上取下。</li>
			<li>使用移液器将溶剂槽中的水吸出，然后向溶剂槽中加入4 mL更高密度的流体。</li>
			<li>将微流控装置重新放回显微镜载物台，并重复步骤2.2.2.3。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>样品腔内流体交换（抽吸驱动流动，高密度流体替换为低密度流体）
		<ol>
			<li>将微流控装置从显微镜载物台上取下，并移除抽吸腔的PDMS塞。</li>
			<li>将配有18号针头和透明热塑性软管的注射器插入抽吸腔通道，并将注射器连接至注射泵。设定注射泵以1 mL/min的速度进行抽吸。</li>
			<li>去除溶剂槽中多余的凝胶剂，并通过向溶剂槽注水后抽吸的方式用水冲洗三次。</li>
			<li>启动注射泵进行抽吸，同时向溶剂槽中持续加水，持续一分钟。切勿让溶剂槽完全排空，否则会导致空气进入样品腔。</li>
			<li>将注射器从微流控装置上移除，并重新安装PDMS塞封堵抽吸腔。</li>
			<li>将微流控装置放回显微镜载物台，并继续采集样品数据。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在降解/凝胶化循环过程中，以固定时间间隔持续采集样品，直至完成预定循环次数或探针数量不足以进行测量为止。</li>
</ol>

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</ol>

本研究无任何利益冲突披露。

这种双层微流控装置（图1）可依据已有详细记录的微流控 fabrication 技术轻松制备29。在装置底部添加玻璃支撑以减少探针运动时的振动影响。玻璃载片非常薄（0.10 mm），以便适应显微镜物镜的工作距离。然而，这也使得装置容易受到实验环境及建筑物中微小振动的影响，而这些振动会被高速相机检测到。玻璃支撑能有效消除这些外部干扰。选择短工作距离的物镜是为了获取精确的MPT数据，这需要满足以下两个条件：（1）每个粒子至少占据4个像素；（2）有限的工作距离，以避免成像不在二维平面上的粒子。
该装置的设计（图1a-c）基于先前将微流变学与微流控技术相结合的研究。Schultz 和 Furst 开发了 µ2流变学技术，并采用了与本研究相同的微流控器件制备方法。他们的装置旨在生成50至100个水凝胶样品，各样品由连续相分隔，并在聚合物主链和交联剂浓度上形成梯度<sup c...

软物质中的相变可改变支架结构，这对材料的加工过程及最终稳定性具有重要意义1,2,3。在动态相变过程中对软材料进行表征，能够提供关于结构演化与平衡结构及流变性能之间关系的关键信息。例如，许多家用护理产品在消费者使用过程中需要发生相变。此外，在制造过程中的稀释和混合等加工步骤可能引入剪切力，从而影响产品的流变性能和最终微观结构。理解相变全过程中的流变特性，有助于确保产品按设计性能发挥作用。此外，若在制造过程中外力改变了材料的初始流变性质，相变可能导致意外且不希望的结果，从而改变材料的预期功能和有效性。在临界凝胶点（定义为材料从缔合胶体或聚合物溶液转变为贯穿整个样品的凝胶网络的时刻），材料性能会随着缔合作用的微小变化而发生剧烈改变。在临界凝胶点处对结构的任何改变都可能影响最终产品4。在这些动态转变过程中，软材料具有较弱的力学性能，使用经典实验技术进行测量时，信号可能处于测量噪声极限范围内5,6,7。为解决这一问题，常采用对低模量范围（10-3 - 4 Pa）敏感的微流变技术，用于表征动态演化过程中的弱初期凝胶。某些材料的微观结构易受外力影响，这在表征过程中带来挑战，因为任何材料转移或流体扰动都可能改变其结构，进而影响最终材料性能。为避免改变材料微观结构，我们开发了一种微流控装置，可在最小化剪切的情况下交换样品周围的环境流体。通过更换流体环境，可在相变过程中测量流变性能和微观结构的变化，同时最大限度减少剪切的干扰。该装置与多粒子追踪微流变（MPT）相结合，形成一种称为 µ2流变的技术。该技术用于量化凝胶在外部驱动力作用下连续相变过程中的材料性能。本方法将以一种纤维状胶体凝胶——氢化蓖麻油（HCO）9,10,11为例进行说明。
凝胶支架可能因其样品环境而发生缔合与解离的变化12,13,14,15。凝胶化与降解的驱动力具有材料特异性，必须针对每种目标材料进行定制。µ2流变学可用于表征对外部刺激有响应的凝胶体系，包括胶体和聚合物网络。调节pH、渗透压或盐浓度是可诱导材料微观结构变化的驱动力示例。例如，HCO通过形成渗透压梯度实现可控的相变。当浓缩的HCO凝胶样品（4 wt% HCO）浸入水中时，胶体颗粒之间的吸引力减弱，导致降解。相反，当稀释的HCO溶液（0.125 wt% HCO）接触亲水性材料（称为凝胶剂，主要由甘油和表面活性剂组成）时，吸引力恢复，引发凝胶化。该凝胶体系将用于展示该设备作为在单一样品上连续测量相变过程的工具的操作原理9,10。为了在动态相变过程中以及在临界相变时精细的初始凝胶结构阶段对这些凝胶支架进行表征，我们采用MPT技术以高时空分辨率对这些材料进行表征。
微流变学用于确定多种软材料（包括胶体和聚合物凝胶）在关键相变过程中的凝胶特性和结构5,6,9,16微粒子追踪（MPT）是一种被动微流变学技术，利用视频显微镜记录嵌入样品中的荧光探针颗粒的布朗运动。通过该技术可精确确定视频中颗粒在整个运动过程中的位置，精度可达1/10th 使用经典追踪算法的像素17,18. 集合平均均方位移（MSD，(Δr2(t))) 由这些粒子轨迹计算得出。利用广义斯托克斯-爱因斯坦关系，均方位移（MSD）可与材料特性（如蠕变柔量）相关联。17,19,20,21,22,23通过计算均方位移（MSD）曲线相对于滞后时间的对数斜率 α 来确定物质的运动状态。
<img alt="分形动力学方程，α=dlog(〈Δr²(τ)〉)/dlogτ，公式示意图，扩散分析。" src="/files/ftp_upload/57429/57429eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Equation 1">
其中 t 是滞后时间，并将其与临界松弛指数进行比较， n. n 采用时间-固化叠加法（time-cure superposition）进行测定，这是一种已有充分文献记载的技术，Larsen 和 Furst 对其进行了改进，用于分析 MPT 数据6. 通过比较 n 材料的状态由α定量确定。当α &gt; n 该物质是一种溶胶，当 α &lt; n 该材料为凝胶。先前的研究已采用微流变学对HCO体系进行表征，以确定其临界弛豫指数9利用这些信息，我们能够精确确定实验过程中材料从凝胶态转变为溶胶态的时间。此外，非高斯参数αNG，可经计算用于确定系统结构异质性的程度，
<img alt="动态系统研究中统计分析的非高斯参数方程" src="/files/ftp_upload/57429/57429eq2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 2">
其中 Δx(t) 表示粒子在 x 方向的一维运动。利用微粒追踪技术（MPT），我们能够表征单一的相变过程；但若在微流控装置中结合 MPT 对材料进行表征，则可调控其周围流体环境，并在同一凝胶样品上采集多个相变过程的数据。
该微流控装置旨在研究单个凝胶样品在周围流体环境变化时发生相变的关键转变过程。装置可在样品处于凝胶态或溶胶态时，通过将样品固定在原位以诱导相变，同时最小化剪切力，从而实现对样品周围流体的置换。在样品室正上方设有一个溶剂储液池，二者通过六条对称分布的进样通道相连。这种对称结构使得流体能够从溶剂储液池流入样品室，同时在样品周围产生均匀的压力，从而将其牢固固定。已有若干研究采用类似技术用于单颗粒或DNA的捕获，而本工作将研究尺度从单个分子扩展至体积约为10 µL的样品24,25,26。该独特设计还可实现在相变过程中对样品进行实时微流变学表征。
µ2流变学是一种适用于多种软物质体系的可靠技术。本文所述技术最初针对胶体凝胶设计，但可轻松适用于其他材料，如聚合物或胶束溶液。利用该技术，我们不仅能够确定相变如何影响材料的平衡态性质，还能研究不同的加工步骤如何对材料的流变演化过程以及最终支架结构和性能产生持久影响。

<table><tbody><tr><td>150 x 15 mm 培养皿</td><td>Corning, Inc.</td><td>351058</td><td></td></tr><tr><td>75 x 50 x 0.15 mm 玻璃载片</td><td>Fisher Scientific</td><td>Custom</td><td></td></tr><tr><td>75 x 50 x 1.0 mm 玻璃载片</td><td>Fisher Scientific</td><td>12-550-C</td><td></td></tr><tr><td>75 x 25 x 1.0 mm 玻璃载片</td><td>Fisher Scientific</td><td>12-550-A3</td><td></td></tr><tr><td>22 x 22 玻璃盖玻片</td><td>Fisher Scientific</td><td>12-542-B</td><td></td></tr><tr><td>丙酮，99.5%</td><td>VWR Analytical</td><td>67-64-1</td><td></td></tr><tr><td>低强度紫外光源</td><td>UVP</td><td>UVL-56</td><td></td></tr><tr><td>氯仿，99.9%</td><td>Fisher Chemical</td><td>C298-500</td><td></td></tr><tr><td>棉签</td><td>Q-tips</td><td>83289205</td><td></td></tr><tr><td>乙醇，90%</td><td>Fisher Chemical</td><td>A962-4</td><td></td></tr><tr><td>Fluoresbrite&amp;reg; YG 羧基微球 0.50&amp;micro;m</td><td>Polysciences, Inc.&amp;nbsp;</td><td>15700-10</td><td></td></tr><tr><td>高强度紫外灯</td><td>Spectroline Corp.</td><td>SB-100P</td><td></td></tr><tr><td>加热板</td><td>Corning, Inc.</td><td>PC-420</td><td></td></tr><tr><td>盐酸，6N</td><td>Ricca Chemical Company</td><td>3750-32</td><td></td></tr><tr><td>甲基三乙氧基硅烷，98%</td><td>Acros Organics</td><td>174622500</td><td></td></tr><tr><td>微量离心机</td><td>Eppendorf</td><td>5424</td><td></td></tr><tr><td>等离子清洗仪</td><td>Harrick Plasma, Inc.</td><td>PDC-32G</td><td></td></tr><tr><td>聚二甲基硅氧烷 (PDMS)</td><td>Robert McKwown Company</td><td>2065622</td><td></td></tr><tr><td>超声波清洗器</td><td>Branson, Emerson Electric</td><td>1800</td><td></td></tr><tr><td>钢制连接器，内径 0.023 英寸</td><td>New England Small Tube Corp.</td><td>Custom</td><td></td></tr><tr><td>四乙氧基硅烷，98%</td><td>Alfa Aesar</td><td>A14965</td><td></td></tr><tr><td>硫醇-烯树脂（紫外光固化）</td><td>Norland Products, Inc.&amp;nbsp;</td><td>NOA81</td><td></td></tr><tr><td>透明胶片</td><td>Staples Inc.&amp;nbsp;</td><td>21828</td><td></td></tr><tr><td>Tygon 管，内径 1/32 英寸</td><td>McMaster-Carr</td><td>E-3603</td><td></td></tr><tr><td>真空烘箱</td><td>Fisher Scientific</td><td>282A</td><td></td></tr><tr><td>8 mm 活检打孔器</td><td>World Precision Instruments</td><td>504535</td><td></td></tr><tr><td>0.5 mm 活检打孔器</td><td>World Precision Instruments</td><td>504528</td><td></td></tr><tr><td>30 mL 注射器</td><td>BD</td><td>309659</td><td></td></tr><tr><td>3 mL 注射器</td><td>BD</td><td>309651</td><td></td></tr><tr><td>18 号针头</td><td>BD</td><td>305195</td><td></td></tr><tr><td>微量离心管，1.5 mL</td><td>Eppendorf</td><td>22-36-320-4</td><td></td></tr><tr><td>高速相机</td><td>Vision Research</td><td>Miro M120&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>显微镜</td><td>Carl Zeiss AG</td><td>Zeiss Observer, Z1</td><td></td></tr><tr><td>注射泵</td><td>New Era Pump Systems</td><td>NE-300</td><td></td></tr><tr><td>氢化蓖麻油</td><td>Procter &amp;amp; Gamble</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Af&amp;iacute;cio MP 6002 打印机</td><td>Ricoh Company, Ltd.</td><td>415877</td><td></td></tr></tbody></table>

结合微流控与微流变学技术测定软物质在多次相变过程中的流变特性

Combining Microfluidics and Microrheology to Determine Rheological Properties of Soft Matter during Repeated Phase Transitions

软物质的微观结构直接影响其宏观流变特性，并可因先前相变过程中的胶体重排或施加的剪切作用等因素而发生变化。为确定这些变化的程度，我们开发了一种微流控装置，可在限制样品所受剪切的前提下，通过更换周围流体诱导多次相变，并实现微流变学表征。该技术为 µ2流变学，结合了微流控与微流变学技术。该微流控装置采用双层设计，具有对称的进样通道，液体流入样品室后可将凝胶样品固定在原位以实现流体交换。可通过在远离样品室的位置施加负压，驱动液体进入样品室。材料的流变特性通过多粒子追踪微流变学（MPT）进行表征。在MPT中，将荧光探针颗粒嵌入材料内部，利用视频显微镜记录探针的布朗运动。追踪颗粒的运动轨迹并计算均方位移（MSD）。通过广义斯托克斯-爱因斯坦关系式，将MSD与宏观流变特性相关联。材料的相态通过与临界松弛指数进行比较来确定，该指数由时间-固化叠加法获得。对一种纤维状胶体凝胶的测量结果展示了该技术的应用价值。这种凝胶具有精细的结构，在施加剪切力时可能发生不可逆改变。µ2流变学数据显示，该材料在每次相变后均反复恢复至相同的流变特性，表明相变并未参与微观结构的变化。为确定剪切的作用，可在将样品注入微流控装置前对其进行预剪切。µ2流变学是一种广泛应用的技术，可用于表征软物质，能够在单一样品中监测其在相变过程中，响应周围环境条件反复变化时精细微结构的流变特性。

采用PDMS构建一个双层微流控装置（图1a,b），PDMS在微流控印章上进行图案化，印章的设计如图1c所示。不正确的实验设置可能导致被动微流变学测量误差以及在周围液体交换过程中的微流控流动异常（图2）。不正确实验设置的示例详见讨论部分。在装置运行过程中，凝胶样品周围的液体被更换。该液体交换过程可在材料处于凝胶相和溶胶相时均进行。该微流控装置的设计能够在不显著损失凝胶材料及嵌入的示踪微粒的前提下实现液体交换。本研究采用两种液体交换方式：重力流（由低密度液体向高密度液体更换时使用）和抽吸流（由高密度液体向低密度液体更换时使用）。在我们的HCO凝胶体系中，采用抽吸流诱导降解，而采用重力流诱导成胶。两种流动方式对样品施加的剪切力均极小，抽吸流和重力流产生的剪切应力分别约为0.01 Pa和1 Pa。这些剪切应力均低于凝胶的屈服应力（约10...

我们演示了一种微流控装置的制备与使用方法，该装置可实现多粒子追踪微流变测量，用于研究反复相变对软物质流变特性的影响。

软物质的微观结构直接影响其宏观流变性质，并可因胶体重新排列等因素而发生变化……

本实验的总体目标是利用微流控技术，在单个软物质样品中通过更换周围流体来诱导连续的相变，同时使用多粒子追踪微流变学实时测量其流变学性质的变化。该方法能够回答软物质领域中的一些关键问题，例如相变（包括分子或胶体重排）对动态流变学性质的影响。该技术的主要优势在于，样品在经历多次相变过程中始终保持固定位置，从而实现对样品的实时表征。这可以实现对流变学特性的定量分析，特别是对非均相系统中独特性质的分析。开始实验前，将微流控装置的负片打印在一张透明醋酸纤维片上，并预热高强度紫外灯。在另一张透明醋酸纤维片上，描出75毫米×50毫米载玻片的四个角。在四个角上放置高度为1毫米的玻璃垫片。在垫片中央倒入约5毫升的紫外光固化巯基-烯树脂。小心地将一块75毫米×50毫米×1毫米的玻璃盖片放在垫片上，覆盖树脂。确保载玻片与树脂之间无气泡。将打印好的负片置于玻璃载玻片上。小心地将组件移至紫外灯下，使树脂固化45秒。然后，将组装件从紫外灯下移开，并取下带有图案的玻璃片或微流控印章。将微流控印章浸入丙酮中不超过10秒，随后将印章浸入乙醇中相同时间。重复此浸洗步骤一次。然后，将印章浸入蒸馏水中。操作时尽量减少手部移动，用棉签轻轻擦去未反应的树脂，注意不要触碰已固化的树脂。当棉签吸水饱和时，应及时更换。将印章在紫外光下再固化30分钟。然后，将70克PDMS基液与交联剂按1:10的比例混合，并对PDMS脱气一小时，直至PDMS不再浑浊。将微流控印章正面朝上放置于一个150毫米的塑料培养皿中。将PDMS缓慢倒入培养皿中，倾倒时靠近培养皿表面以尽量减少气泡产生，确保完全覆盖印章。盖上培养皿，在55摄氏度下过夜固化PDMS。使用刀具切除多余的PDMS。用手将图案化的PDMS与印章分离。从培养皿中移除印章和多余的PDMS。然后，将培养皿放在一张印有样品室对称外孔位置的纸上。将图案化的PDMS与导引线对齐，并使用5毫米活检打孔器在标记位置穿过PDMS打孔。该装置的关键特征在于进样通道与同一腔室之间的对称性。这使得能够在不损失样品的情况下进行液体交换。使用引导图案来确保切割通道时的准确性非常重要。最后，在样本室的中心、吸力室的内边缘以及两条长外通道的每一端各打一个孔。储存图案化PDMS时，应将培养皿盖好。在装置组装前一日，制备用于在微流控装置中形成玻璃壁的预转化液体。开始装置组装时，将图案化的PDMS和薄玻璃载片进行40秒的等离子体处理。小心地将经过等离子体处理的玻璃载片表面与图案化PDMS表面压合在一起。在PDMS与载玻片之间的接缝处涂抹紫外光固化树脂，并在低强度紫外光下照射五分钟以固化树脂。接着，将装有不锈钢接头的热塑性塑料管插入除一个角孔外的所有图案化PDMS角孔中。使用18号针头、热塑性塑料管和连接头，将一支3毫升预转化液体的注射器连接到剩余的角孔上。用预转化液体填充微流控装置。然后，将装置置于加热至100摄氏度的加热板上，在10秒内使3毫升预转化液体流经装置，以制备玻璃壁。随后，将装置从加热板上取下。使用一个30毫升的空气注射器排出多余的预转化液体。缓慢地将15毫升氯仿流经装置，随后在约一分钟内流经30毫升乙醇。然后，通入空气直至微流控装置完全干燥。将管路从孔中取出。接着，使用紫外光固化树脂将厚度为1毫米的玻璃条粘附在装置长边的底面。剪取一块30毫米×30毫米的多余已固化PDMS，在其中心打一个比样品室更宽的孔，以形成溶剂池。将培养皿和微流控装置进行等离子体处理40秒。将经等离子体处理的培养皿面朝下放置在装置上，使样品室位于孔的中心。施加轻柔压力，使培养皿固定在装置上。最后，从多余的PDMS上切下六个5毫米见方的小块。使用5毫米活检打孔器在每块小方块上切出一个半穿透的孔。将不锈钢连接头插入每个孔中，形成PDMS塞子。将软物质样品装入一个1毫升的注射器后，将热塑性塑料管插入装置的三个角部进样通道以及抽吸室出口。用去离子水填充另一个注射器，将热塑性塑料管连接到该注射器上，并排出所有气泡。将注射器连接到第四个角的入口通道。用去离子水填充装置和溶剂槽。确保样品室和微流控通道中无气泡。如有需要，使用移液管向溶剂槽中补加水。确保微流控装置正确安装至关重要。最重要的是，必须确保装置内无气泡，因为气泡可能干扰微流控流动和微流变学数据。然后，以每秒约2微升的速度，通过中心入口将10微升软物质样品注入样品室。加样后封闭中心入口。使用倒置显微镜和高速相机，在适合相变持续时间的时间间隔内，记录样品混合物中探针布朗运动的至少20个视频。对于凝胶化过程，需持续录制视频直至探针完全停止移动。对于降解过程，需持续录制视频直至探针完全呈现扩散状态。随后，将装置从显微镜载物台上取下。为了将水更换为密度更高的液体，使用移液管从溶剂槽中吸出水，并向槽内加入四毫升密度更高的液体。将装置放回显微镜载物台，继续录制视频。若需将密度较高的液体更换为水或其他密度较低的液体，请通过18号针头和热塑性塑料管将注射器连接至吸力腔通道。将注射器安装在设定为以每分钟1毫升速度进行抽取的注射泵上。用移液器移除溶剂槽中大部分高密度液体，并用低密度液体冲洗溶剂槽三次，切勿让溶剂槽完全排空。冲洗后，用低密度液体重新充满溶剂槽。用移液管吸取低密度液体。然后，使用注射泵抽出高密度液体持续一分钟。在液体交换过程中，根据需要逐滴将低密度液体加入到容器中。然后，塞住抽吸室，将装置放回显微镜载物台以进行记录。以这种方式获取降解-凝胶化循环的视频，循环次数根据需要设定，或直至探针数量不足以进行测量为止。在氢化蓖麻油体系从凝胶态到溶胶态的连续相变过程中，追踪了探针颗粒轨迹的集合平均均方位移。通过重力流置换将水替换为密度更高的凝胶剂以诱导凝胶化。通过抽吸流置换将凝胶剂替换为水以诱导降解。当相行为表明凝胶剂未被完全从样品室中去除时，需重新用水冲洗样品室。当样品在溶胶相中静置约600分钟且无流体交换时，其流变性能未观察到任何变化。多次相变未引起平衡流变性能的可观测变化，这通过均方位移（MSD）曲线的对数斜率或每次相变后α值恢复至相同数值得以证实。溶胶相的平衡α值小于1.0，表明即使在降解后，该材料仍保留了一定的结构。在凝胶向溶胶相变过程中，凝胶的结构异质性增加，这由降解循环期间非高斯参数峰所表明。胶体重组可能在流体交换后立即发生，表现为 alpha 值的升高。我们最初提出该方法的设想是，用于确定相变是否会导致软材料流变学性质及其微观结构的永久性改变。在HCO系统中，该装置能够测量导致这些永久性变化的两种可能机制：相变过程中的胶体重新排列，或样品制备过程中产生的剪切效应。一旦掌握，该技术可用于识别软物质系统在周围流体环境变化时，经历多次相变过程中的流变特性。

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科研

JoVE Journal

Engineering

工程

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