Mikrotensiometer zur konfokalen Mikroskopie Visualisierung dynamischer Grenzflächen

Summary

Dieses Manuskript beschreibt das Design und den Betrieb eines Mikrotensiometers / Konfokalmikroskops zur gleichzeitigen Messung der Grenzflächenspannung und der Oberflächendilatationsrheologie bei gleichzeitiger Visualisierung der Grenzflächenmorphologie. Dies ermöglicht die Echtzeitkonstruktion von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von Schnittstellen, die für Technologie und Physiologie wichtig sind.

Abstract

Die Adsorption von oberflächenaktiven Molekülen an Fluid-Fluid-Grenzflächen ist in der Natur allgegenwärtig. Die Charakterisierung dieser Grenzflächen erfordert die Messung der Adsorptionsraten von Tensiden, die Bewertung der Gleichgewichtsoberflächenspannungen als Funktion der Massentensidkonzentration und die Beziehung, wie sich die Oberflächenspannung mit Änderungen im Grenzflächenbereich nach dem Gleichgewicht ändert. Die gleichzeitige Visualisierung der Grenzfläche mittels Fluoreszenzbildgebung mit einem Hochgeschwindigkeits-Konfokalmikroskop ermöglicht die direkte Auswertung von Struktur-Funktions-Beziehungen. Im Kapillardruck-Mikrotensiometer (CPM) wird eine halbkugelförmige Luftblase am Ende der Kapillare in einem 1 ml Volumenflüssigkeitsreservoir eingeklemmt. Der Kapillardruck über die Blasengrenzfläche wird über einen kommerziellen mikrofluidischen Durchflussregler gesteuert, der eine modellbasierte Druck-, Blasenkrümmungs- oder Blasenflächensteuerung auf der Grundlage der Laplace-Gleichung ermöglicht. Im Vergleich zu früheren Techniken wie dem Langmuir-Trog und dem Pendelfall werden die Mess- und Regelpräzision und die Reaktionszeit erheblich verbessert. Kapillardruckschwankungen können in Millisekunden angelegt und gesteuert werden. Die dynamische Reaktion der Blasenschnittstelle wird über eine zweite optische Linse visualisiert, wenn sich die Blase ausdehnt und zusammenzieht. Die Blasenkontur ist an ein kreisförmiges Profil angepasst, um den Blasenkrümmungsradius R sowie Abweichungen von der Zirkularität zu bestimmen, die die Ergebnisse ungültig machen würden. Die Laplace-Gleichung wird verwendet, um die dynamische Oberflächenspannung der Grenzfläche zu bestimmen. Nach dem Ausgleich können kleine Druckschwingungen von der computergesteuerten mikrofluidischen Pumpe auferlegt werden, um den Blasenradius (Frequenzen von 0,001-100 Zyklen/min) zu schwingen, um den Dilatationsmodul zu bestimmen Die Gesamtabmessungen des Systems sind so klein, dass das Mikrotensiometer unter die Linse eines konfokalen Hochgeschwindigkeitsmikroskops passt, so dass fluoreszierend markierte chemische Spezies quantitativ mit einer lateralen Auflösung von Submikrometern verfolgt werden können.

Introduction

Luft-Wasser-Grenzflächen, die von Tensidfilmen bedeckt werden, sind im täglichen Leben allgegenwärtig. Tensid-Wasser-Injektionen werden verwendet, um die Ölgewinnung aus erschöpften Feldern zu verbessern und werden als hydraulische Fracturing-Lösungen für Schiefergas und -öl verwendet. Gas-Flüssig-Schäume und Flüssig-Flüssig-Emulsionen sind in vielen industriellen und wissenschaftlichen Prozessen als Schmier- und Reinigungsmittel üblich und in Lebensmitteln üblich. Tenside und Proteine an Grenzflächen stabilisieren Antikörperkonformationen während der Verpackung, Lagerung und Verabreichung 1,2,3,4,5

Protocol

1. Vorbereitung der Kapillarröhrchen

1. Legen Sie die Kapillare in einen Kapillarzieher und führen Sie das gewünschte Zugprogramm aus, um zwei sich verjüngende Kapillaren mit einem Außendurchmesser (OD) von ~ 1 μm an der Spitze herzustellen.
   HINWEIS: Das OD der Kapillare vor dem Ziehen muss das OD sein, das angegeben wurde, um in den Kapillarhalter in der Mikrotensiometerzelle zu passen. Der Innendurchmesser (ID) der Kapillare kann variieren, beeinflusst aber den kritischen Radius der Kapillare nach dem Ziehen. Ein Zugprogramm wird so gewählt, dass die resultierende Verjüngung zunächst die Kapillar-OD und -ID schnell reduziert, dann einen Ra....

Results

Eine Hauptquelle für Messfehler ergibt sich aus den Kapillaren, die entweder Defekte aus dem Schneidprozess (Abbildung 5A, B) oder dem Beschichtungsprozess (Abbildung 5D) aufweisen. Beide Arten von Defekten führen zu Fehlern bei der Bestimmung der Blasenform und -größe durch das optische Bildanalysesystem, was zu ungenauen Oberflächenspannungswerten führt. Es ist wichtig, jede neue Kapillare sorgfältig zu untersuchen, nachdem sie gezogen und unt.......

Discussion

Das kombinierte CPM/CFM ist ein leistungsfähiges Werkzeug zur Untersuchung von Grenzflächendynamik, Gleichgewichten und Morphologie. Dieses Protokoll beschreibt die Schritte, die zum Abrufen von Daten mit CPM/CFM erforderlich sind.

Abbildung 2 zeigt das Zelldesign mit Kanälen für den angegebenen Kapillar-, Lösungsmittel- und Wärmeaustausch. Der Einlass für den Lösungsmittelaustausch sollte sich an der Unterseite der Zelle befinden, während sich der Auslass oben be.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
1.5 O.D. Tygon Tubing	Fischer Scientific		Tubing
A1RHD Multiphoton aufrechtes konfokales Mikroskop	Nikon		Konfokalmikroskop
Säure Reinigungslösung			Schwefelsäure und Alnochromix mit Wasser verdünnt 50 Vol.-%, vor dem Verdünnen
Alnochromix	Alconox	2510	warten, bis es klar istGemischt mit Schwefelsäure zur Verpackungsanleitung und verdünnt, um saure Reinigungslösung herzustellen
Keramikglasschneider	Sutter Instruments
Chloroform	Sigma-Aldrich	650471	HPLC Plus
Curosurf	Chiesi		Lunge Tensid
Di Wasser			18,5 MΩ - cm
Ethanol	beliebig		200 proof zur Hydrophobierung, vergällt zur Reinigung
Fiber-Lite Modell 190 faseroptische Beleuchtung	Dolan-Jenner Industries Inc.	281900100	Lichtquelle; andere Lichtquellen sollten auch funktionieren
Durchfluss EZ F69 mbar mit Link-Modul	Fluigent	LU-FEZ-0069	Mikrofluidikpumpe
Fluigent SDK VIs	Fluigent		Erforderlich für CPM virtual Interface
Fluorelastomer-Dichtungen			Aus 1 mm dickem Viton-Blech gefräst, siehe Abbildung 3
Gasfilter	Norgren	F07-100-A3TG	Zwischen mikrofluidischer Pumpe und Druckregler
platziert Gasregler	Norgren	10R0400R	Reduziert den Druck von der Sorce auf den Pumpenbereich, verbunden mit dem Gasfilterbereich 2-120 psi
Glaskapitel	Sutter Instruments	B150-86-10	Borosilikatglas Außendurchmesser 1,5 mm Innendurchmesser 0,86 mm
Glasobjektträger	beliebig		75 mm x 25 mm
Glasspritze	Hamilton	84878	25 μ L Glasspritze
Hydrophobierungsmittel	Sigma-Aldrich	667420	1H,1H,2H,2H-Perfluoroctyltriethoxysilan 98%, andere hydrophobe Triethoxysilan kann substituiert werden
Unlösliches Tensid	Avanti	850355C-200mg	16:0 DPPC in Chloroform
LabVIEW Software	National Instruments		2017
Langpassfilter	ThorLabs	FEL0650	650 nm Langpassfilter, Wellenlänge muss Anregungsfrequenz entfernen
Lyso-PC	Avanti	855675P	16:0 Lyso PC 1-Palmitoyl-2-hydroxy-sn-glycero-3-phosphocholin
Masterflex L/S Analogpumpensystem mit variabler Drehzahl Easy-Load II Pumpenkopf	Masterflex	HV-77916-20	Schlauchpumpe
MATLAB	Mathworks		R2019
Mikropipettenabzieher P-1000	Sutter Instruments		Kapillarabzieher
Mikrotensiometer Zelle und Halter			Zelle aus PEEK gefräst, Halter aus Aluminium gefräst, siehe Abbildung 3 und 4
Mikrotensiometer Objektiv	Nikon		Fluor 20x/0.50W DIC M/N2 ∞/0 WD 2.0 mm
NI Vision Development Module	National Instruments		Erforderlich für CPM virtual Interface
PEEK-Steckverbinder	IDEX	F-120x	10-32 Konische Anschlüsse
PEEK-Stecker	IDEX	P-551	10-31 Konische Anschlüsse
Pippettenspitzen	Eppendorf	22492225	100 μ L - 1000 μ L, Autoklavierte
Kunststoffzange	Thermo Scientific	6320-0010
Kunststoffspritze	Fischer Scientific	14-955-459	10 mL
Sanitärteile	Fischer Scientific		3-Wege-Ventile und andere Sanitärteile zum Anschließen von Schläuchen.
Research Plus 1-Kanal 100 μ L– 1000 μ L	Eppendorf	3123000063	Mikropipette
Schwefelsäure	beliebig		Verwendet für saure Reinigungslösung
T Plan SLWD 20x/0.30 OFN25 WD 30 mm	Nikon		Konfokalmikroskop Objektiv
Texas Rot DHPE Triethylammonim Salz	Thermo Fischer Scientific	1395MP	Fluorophor
Vakuumpumpe	Gast	DOA-P704-AA