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Chemistry

Die konfokale Bildgebung von Enge und Ruhe Fließende Kolloid-Polymer-Mischungen

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

Die konfokale Mikroskopie ist mit Bild und fließende Ruhe Kolloid-Polymer-Mischungen, die als Modellsysteme für attraktive Suspensionen untersucht werden. Bildanalysealgorithmen werden verwendet, um strukturelle und dynamische Messgrößen für die kolloidalen Partikel, die aufgrund von geometrischen Änderungen Haft Messung berechnen.

Abstract

Das Verhalten beschränkt kolloidalen Suspensionen mit attraktiven Wechselwirkungen zwischen ist entscheidend für das rationale Design von Materialien für die Montage gerichtet 1-3, Drug Delivery 4, verbesserte Kohlenwasserstoffgewinnung 5-7, und fließfähigen Elektroden zur Energiespeicherung 8. Suspensionen, Kolloiden fluoreszierenden und nicht-adsorbierende Polymere sind ansprechend Modellsysteme, wie das Verhältnis des Polymers der Trägheitsradius an der Partikelradius und der Konzentration des Polymers Steuer der Bereich und die Stärke der Anziehung zwischen jeweils. Durch Abstimmung der Polymereigenschaften und der Volumenanteil der Kolloide, Kolloidflüssigkeiten, Flüssigkeiten von Clustern, Gele, Kristalle und Gläser erhalten werden 9. Konfokale Mikroskopie, eine Variante der Fluoreszenzmikroskopie ermöglicht eine optisch transparente und fluoreszierende abzubildenden Probe mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung in drei Dimensionen. Bei dieser Technik wird eine kleine Loch-oder Schlitzblöcke das emittierte Fluoreszenzlicht von Bereichen der Probe, die außerhalb des Fokusvolumens des Mikroskopoptik sind. Als Ergebnis wird nur ein dünner Abschnitt der Probe in der Bildebene abgebildet wird. Diese Technik ist besonders gut geeignet, um die Struktur und Dynamik in dichten kolloidalen Suspensionen an der Ein-Teilchen-Skala zu untersuchen: die Teilchen groß genug, um mit sichtbarem Licht gelöst werden und diffundieren langsam genug, um bei typischen Scan-Geschwindigkeiten von konfokalen Handelssysteme 10 erfasst werden . Verbesserungen in der Scan-Geschwindigkeiten und-Analyse-Algorithmen wurden ebenfalls aktiviert quantitative konfokale Abbildung fließt Suspensionen 11-16,37. In dieser Arbeit zeigen wir, konfokale Mikroskopie Experimente zur begrenzten Phasenverhalten und die Fließeigenschaften von Kolloidpolymermischungen zu untersuchen. Wir bereiten erste colloid-Polymermischungen, die Dichte-und Brechungsindex angepaßt sind. Weiter berichten wir ein Standard-Protokoll für die Abbildung Ruhe dichten Kolloid-Polymer-Mischungen unter wechselnden Haft in dünnen keilförmigen Zellen. Schließlich zeigen wir, ein Protokoll für die Abbildung Kolloid-Polymer-Mischungen in Mikrokanalströmung.

Introduction

Dieses Papier zeigt (a) konfokale Bildgebung von ruhenden und fließenden beschränkt Kolloid-Polymer-Mischungen in zwei und drei Dimensionen und (b) Partikel-Tracking-und Korrelationsanalyse der erhaltenen Bilder, quantitative Informationen über das Phasenverhalten und die Fließeigenschaften zu erhalten.

Kolloidale Suspensionen mit attraktiven Wechselwirkungen zwischen erscheinen ubiquitär in technologischen Anwendungen als Materialien für die Montage gerichtet 1-3, Drug Delivery 4, verbesserte Kohlenwasserstoffgewinnung 5-7, 8 und Energiespeicher. Ein gemeinsames Merkmal dieser Anwendungen ist, dass die Teilchen durch feine Geometrien, wie Düsen, Druckköpfe, Mikrokanäle oder poröse Medium durchströmt werden, und / oder zu dünnen Filmen oder Stäben geformt werden. Techniken verwendet, um die Struktur der Mikrongröße Kolloide in eingeschränkten Geometrien, einschließlich 17,18 Elektronenmikroskopie, Röntgenmikroskopie 19 und Laser-Beugungs m Sondenicroscopy 20 kann verwendet werden, um die Struktur und Dynamik von Teilchen im Mikromaßstab zu messen. Diese Techniken sind jedoch nicht den Zugriff auf den Trajektorien der einzelnen Partikel, aus denen strukturelle und dynamische Metriken können für den direkten Vergleich mit numerischen Simulationen 21,22 berechnet werden.

Die konfokale Mikroskopie ist eine Variante der Fluoreszenz-Mikroskopie, die Bildgebung des Dünnschnitten von einem fluoreszierenden Probe ermöglicht. Für Kolloidforschung 10, ist diese Technik besonders geeignet zum Abbilden tief in dichten Suspensionen oder in drei Dimensionen. , Zwei-oder drei-dimensionale Zeitreihe der konfokalen Mikroaufnahmen Particle-Tracking-Algorithmen 23 angelegt ergeben sich die Flugbahnen aller sichtbaren Teilchen. Als Ergebnis hat die Kombination von konfokaler Mikroskopie und Partikelverfolgungs angewendet worden, um das Phasenverhalten, Struktur und Dynamik von kolloidalen Suspensionen zu untersuchen, einschließlich geordnete Kristalle 24-27 und Unordnunged Gläser und Gele 28-31 32-35.

Andere können die Bildanalyse-Algorithmen angewandt werden, um die Partikeldynamik von Zeitreihen der konfokalen Mikroaufnahmen zu messen. Zum Beispiel kann Diffusionspartikeldynamik durch die Analyse der Schwankungen in der Intensität über die Zeit mit Hilfe der konfokalen Mikroskopie dynamischen Differential 36 untersucht werden. Wenn die Partikel Verschiebungen größer als der Abstand interpartikulär können Bildkorrelations 37 basierend auf Particle Image Velocimetry 38-40 aufgebracht werden, um Geschwindigkeitsprofile der Partikel zu messen. Die Kombination von Tracking-und Korrelationsalgorithmen erlaubt hat kolloidalen Dynamik in Systemen unterziehen langsamen und schnellen Strömung 11-16,41-45 gemessen werden.

Wir verwenden Kolloid-Polymer-Mischungen als Modelle für attraktive kolloidalen Suspensionen 9. In diesen Mischungen sind die Reichweite und Stärke der attraktiven interpartikulären Potential über das Verhältnis gesteuertdes Polymers Gyrationsradius der Partikelradius und der Konzentration des Polymers und der elektrostatischen Abstoßung durch die Zugabe eines einwertigen organischen Salzes 46 gesteuert. Da die Wechselwirkungen zwischen den Partikeln kann genau eingestellt werden, die Verfestigung dieser Mischungen wurde ausgiebig mit 34,47-51 konfokale Mikroskopie untersucht.

Hier zeigen wir, konfokale Bildgebung und Bildanalyse 37 von ruhenden und fließenden Kolloid-Polymer-Gemischen, bei dem das Kolloid Volumenanteil fixiert auf Φ = 0,15 gehalten, daß die Wirkung der Sonde Haft auf das Phasenverhalten und die Fließeigenschaften dieser Gemische. Diese Techniken sind allgemein anwendbar, um partikuläre Systeme, sind Brechungsindex angepassten und in dem die Teilchen und / oder Lösemittel kann mit einem fluoreszierenden Farbstoff markiert werden.

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Protocol

1. Vorbereitung für Kolloid-Polymer-Mischungen

Hinweis: Dieses Protokoll verwendet Poly (methylmethacrylat) (PMMA)-Teilchen, unter Verwendung von Poly (12-Hydroxystearinsäure) und sterisch stabilisiert mit einem Fluoreszenzfarbstoff (z. B. Nile Red, Rhodamin B, oder Fluorescein), die nach einem Standard synthetisiert markierten Rezept 52.

  1. Bereiten Sie eine 3:1 w / w Mischung Cyclohexylbromid (CXB) und Dekahydronaphthalin (DHN) als Aktien Lösungsmittel. Diese Mischung entspricht fast der Dichte und der Brechungsindex der Partikel. Hinzufügen eines organischen Salzes, Tetrabutylammoniumchlorid (TBAC) 46, zu dem Lösungsmittel in einer Konzentration von 1,5 mM, um teilweise zu screenen die Ladungen auf den Teilchen.
  2. Um die Dichte der Teilchen genau zu bestimmen, bereiten eine Suspension bei ungefähre Partikelvolumenanteil Φ = 0,10 in der CXB: DHN Lösungsmittel. Zentrifugieren Sie die Suspension bei 800 g für 75 min und fügen CXB oder DHN tropfenweise, um den Auftrieb zu verbessernMatching. In diesen Experimenten wurde die Dichte der PMMA-Teilchen gemessen, ρ = 1,223 g / ml ist.
  3. Bereiten Sie eine konzentrierte Stamm Aussetzung der PMMA-Partikel (hier Φ = 0,40) in der CXB: DHN Lösungsmittelgemisches.
  4. Vorbereitung einer konzentrierten Lösung von linearem Polystyrol (PS) in der CBX: DHN Lösungsmittelgemisches. Hier wurde eine Lösung von PS mit einem Molekulargewicht Mw ≈ 3.000.000 (Trägheitsradius R g = 15 nm) wird bei einer Konzentration c p ≈ 50 mg / ml hergestellt.
  5. Mischen geeignete Gewichte der Teilchen, Polymer und Lösungsmittel Lager Mischungen von Suspensionen in den gewünschten Konzentrationen von Teilchen und Polymeren zu formulieren.
    Anmerkung: Hier werden Suspensionen von monodispersen Teilchen mit konstanter Kolloidvolumenfraktion Φ = 0,15 hergestellt und variable Polymerkonzentration in dem freien Volumen 53 c p = 0-25 mg / ml, und bidispersed Suspensionen, die zwei Größen von kolloidalen Partikeln, with jede Größe mit einen eigenen Fluoreszenzmarkierung, in festen Gesamtkolloidvolumenfraktion Φ = 0,15 hergestellt, Volumenbruchverhältnis kleiner Partikel r = 0,50, und die Polymerkonzentration in dem freien Volumen von 5 oder 25 mg / ml.
  6. Nach jeder Suspension wird vorbereitet, fügen CXB oder DHN tropft und Zentrifuge die Proben bei 800 g für mindestens 75 min, um zu bestätigen, dass die Teilchen und Cluster in der Suspension verbleiben Auftrieb abgestimmt.
  7. Äquilibrieren alle Proben für mindestens 24 Stunden vor der Bildgebung Experimente.

. 2 Ruhebeispielexperimente: Phasenverhalten

  1. Um die Großphasenverhalten bestimmen, fabrizieren rechteckigen Kammern von Deckgläsern (Abb. 1a). Für die Kolloid-Polymer-Mischungen in dieser Studie, Kammern Dicke h = 1 mm (von der Dicke eines Mikroskop-Objektträger gesetzt) ​​geben Groß Verhalten.
  2. Um mehrere Entbindungen in einem einzigen Experiment Mikroskopie zuzugreifen, fabrizieren dünnen keil(Fig. 1b) förmigen Kammern, mit einer einzigen Deckglas als Abstandhalter auf einer Keil. Der Öffnungswinkel der Kammer ist <0,5 °, so dass in einem einzigen Sichtfeld der die Wände nahezu parallel. Ein Vertreter Kammer ermöglicht den Zugriff auf Haft Dicken von h = 6 bis> 100 um.
  3. Aufbau Kammern auf einem Deckglas für die Bildgebung auf Basis eines umgekehrten Mikroskops und Dichtung mit UV-härtbaren Epoxidharz, das nicht in der CBX-DHN Lösungsmittelgemisch löst.
  4. Bildproben mit einem konfokalen Mikroskop. Dieses Protokoll zeigt, Bildgebung mit einer linien konfokalen einem invertierten Mikroskop mit einer 100X-Ölimmersionslinse der numerischen Apertur NA = 1,40 ausgestattet angebracht.
  5. Erregen die Farbstoffe unter Verwendung einer Laserquelle. Hier Wellenlängen λ = 491 bzw. 561 nm verwendet, um die Fluorescein und Rhodamin / Nile Red-Farbstoffe anzuregen sind.
  6. Im Punkt-Scanning-System, erzeugen ein Bild durch schnelles Scannen des Brennpunkts in der Probe (in der x-y-Ebene) mit der konfokalen Software. Ein zweidimensionales Bild 512 Pixel x 512 Pixel, die ungefähr 50 &mgr; m × 50 &mgr; m, kann in 1/32 sec erfasst werden. Verbesserung der Bildqualität durch Mittelung mehrerer Bilder oder die Erhöhung der Aufnahmezeit.
  7. Finde den Boden der Kammer (z = 0), beispielsweise indem sie sich auf Partikel zu seinem Boden befestigt. In diesem Setup die Höhe (z) steigt mit zunehmender Fokus in die Kammer.
  8. Als ein Beispiel, charakterisieren die Wirkung der Beschränkung auf die Dynamik der Partikel durch den Erwerb einer 2-D-Zeitserie von Bildern (in der xy-Ebene) in der Mittelebene der Kammer. In einem typischen Experiment wurden 500 Bilder der Dimension 512 Pixel x 512 Pixel mit einer Bildrate von 1 Rahmen / sec (Zeitabstand &Dgr; t = 1 sec) erworben.
  9. Als ein zweites Beispiel, charakterisieren die 3-D-Struktur von Teilchen durch den Erwerb einer dreidimensionalen Reihe von Bildern (x, y, z). In einem typischen Experiment (512 Pixel x 512 Pixel) sind zweidimensionale Bilderan verschiedenen z-Positionen innerhalb der Kammer erworben, mit einem konstanten Abstand von Az = zwischen aufeinanderfolgenden Bildern von einem piezo eingestellt 0,2 um. Ein Volumen-Stack für eine Dicke von h = enthält 30 um somit 151 Bilder.
  10. Suchen und Track Partikel über die Zeit in 2-D oder 3-D mit Partikel-Tracking-Software in IDL 23,54-56, MATLAB 57,58, LabView 59, 60 oder Python geschrieben. Diese Algorithmen erlauben typischerweise die Zentren der Partikel innerhalb von 40-50 nm aufgelöst werden. Erfolgreiche Partikelverfolgung erfordert, dass die Teilchen bewegen sich weniger als die interpartikulären Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Frames.
  11. Von den Partikelpositionen berechnen strukturellen und dynamischen Metriken. Drei hier gezeigten bequem Metriken sind die 3-D-Paarkorrelationsfunktion g (r) 61, die 2-D mittleren quadratischen Verschiebung (MSD) 58,62, und die 2-D-Selbst Teil der van Hove Korrelationsfunktion G s ( x, t) 58. Die letzteren zwei Metriken können auch in 3-D zu berechnen.

. 3 Fließende Experimente: Fließeigenschaften

  1. Herstellen eines einfachen Durchflusszelle mit einem Glas Mikrokapillare mit quadratischem Querschnitt (100 &mgr; m × 100 &mgr; m), die Teflonschlauch befestigt ist. Deckgläser verwenden, um die Kapillare zu unterstützen und mechanische Festigkeit, wie in dem Schema in Fig. 7 gezeigt.
  2. Laden Sie die Kolloid-Polymer-Mischung in eine Glasspritze. Die Spritze mit einer Spritzenpumpe oder pneumatischen Fluidabgabesystem.
  3. Montieren Sie die Durchflusszelle Setup auf die inverse Mikroskop. Die Spritze, die Durchflusszelle und Auslass auf der gleichen Höhe, um die Wirkung der Schwerkraft auf das Strömungsprofil zu minimieren.
  4. Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit der Suspension durch die Strömungszelle durch die volumetrische Strömungsgeschwindigkeit (die Spritzenpumpe) oder dem angelegten Druck (Druckkammer). Die Durchschnittsgeschwindigkeit der Suspension in den Mikrokanal hängt auch von der suspension Formulierung. Typische Werte für die maximale Geschwindigkeit in der quadratischen Mikro hier gemessenen 200-2000 &mgr; m / Sek.
  5. Während Flow, erwerben ein 2-D-konfokalen Zeitreihen bei schnellen Bildraten. Hier 500 Bilder der Dimension 512 x 512 Pixel Pixel mit 32 Bildern / sec in verschiedenen Höhen über dem Boden des Mikrokanals (z = 0 &mgr; m) im Bereich von z = 5 erfasst (zeitliche Abstand Δ t = 1/32 sec) - 50 um. Jedes Bild deckt etwa die Hälfte des Querdimension (y) des Mikrokanals, wie in der Neben bis Abbildung 7. Sind die Teilchen elliptisch erscheinen, erhöhen Sie die Bildrate des Erwerbs.
  6. Wie in Ruhe Experimente, suchen die Teilchen in 2-D mit Standard-Algorithmen für die Ortung und Verfolgung Partikel in IDL oder MATLAB. Für langsame Strömungen, in denen Teilchen bewegen sich weniger als die durchschnittliche Partikelabstand zwischen Frames, verwenden Sie Tracking-Algorithmen, um die Flugbahnen zu erhalten.
  7. Verwenden Sie Bildkorrelations Calculate die Geschwindigkeitsprofile für schnelle Strömungen.
    1. Unterteilung des Bildes in horizontaler Bilder mit konstanter Höhe (y) entlang der Strömungsrichtung (x). Für zwei aufeinanderfolgende Bilder I 1 (x, y) und I 2 (x, y) verschieben das letztere Bild um den Faktor Ax und dann die Berechnung der Kreuzkovarianz zwischen I 1 (x, y) und I 2 (x + &Dgr; x, y).
    2. Identifizieren der Spitzenposition des Histogramms der Werte &Dgr; x, der die Quer Kovarianz zwischen jedem Paar von Bildern zu maximieren, um die Durchschnitts Advektionsgeschwindigkeit an jeder seitlichen Position y zu erhalten. Wenn diese Verteilung nicht stark ihren Höhepunkt erreicht, Bilder zu erwerben mit einer schnelleren Bildrate.

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Representative Results

Konfokale Bildgebung und Partikelverfolgung zeigen, untersuchten wir die Wirkung der Beschränkung auf das Phasenverhalten der Polymermischungen kolloid 63-65. Für diese Experimente wurde das Kolloid Durchmesser 2a = 0,865 &mgr; m. Das Kolloid Volumenfraktion wurde bei Φ = 0,15 festgelegt, und die Konzentration von Polymer C wurde p 0 bis 23,6 mg / ml variiert. Repräsentative konfokale Bilder sind in Fig. 2 63, linke Spalte gezeigt. Von der Verwendung von Tracking-Algorithmen erhalten Partikelpositionen berechneten wir Vertreter strukturellen und dynamischen Metriken, einschließlich der Paarkorrelationsfunktion (Abbildung 2, mittlere Spalte) und der mittleren quadratischen Verschiebung (Abbildung 2, rechte Spalte). Die Bilder und die strukturellen und dynamischen Kennzahlen uns erlaubt, zwischen kolloidale Gele unterscheiden (Abbildung 2, obere Reihe), Flüssigkeiten von Clustern (Abbildung 2, mittlere Reihe) und Flüssigkeiten (<strong> Bild 2, untere Reihe).

Diese Messdaten konnten wir quantitativ beurteilen Haft-induzierte Veränderungen der Partikelstruktur und Dynamik. Z. B. die erste Spitze in der Paarkorrelationsfunktion einer Probe mit Polymerkonzentration c p = 16,6 mg / ml zu kürzeren Abstände als Einschlussstärke wird verringert (Fig. 3 63). Auch die Selbst Teil der van Hove Korrelationsfunktion für eine Probe mit c p = 16,6 mg / ml verengt als Haft Dicke verringert, und bei der kleinsten Haft zeigt die stark nicht Gauß-Profil einer verhaftet Gel (Abbildung 4 63) . Selbst für eine Probe mit c p = 23,6 mg / ml, die eine fest Gel bei allen Entbindungen ist, die Verringerung der Dicke der Entbindung zu einer engeren und Nicht-Gauss-Profil. Diese Änderungen vorgeschlagen, dass Haft indirekt induziert eine Zunahme der ter effektive Anziehung zwischen.

Diese Techniken können auch angewendet werden, um die Auswirkungen der Entbindung bidispersed Mischungen von Teilchen Lager unterschiedlichen fluoreszierenden Markierungen zu beurteilen. Repräsentative Bilder einer Mischung aus großen Teilchen (Durchmesser 2 a L = 1,48 um) und kleinen (Durchmesser 2 A S = 0,73 um) Teilchen mit einer Gesamtpartikelvolumenfraktion Φ tot = 0,15 und einem Volumenanteil an kleinen Partikeln Verhältnis r = 0.50, zeigen, dass die Verringerung der Dicke Haft induziert die Bildung von einem Fest wie kolloidales Gel-Phase große und kleine Partikel enthält (Abbildung 5 65). Dieser Effekt ist insbesondere für Suspensionen, die Flüssigkeitsmenge (5a-d) sind ausgeprägt. Die Skeletterkrankungen der großen Partikel zu verringern, da das System immer beschränkt ist: für eine Probe mit c p = 5 mg / ml, die Muskel-und Skelett werden dynamisch festgenommen, im Einklang with die Erstarrung Übergang (6a 65). Für eine Probe mit c p = 25 mg / ml, die bildet eine verhaftet Gel induziert starke Haft verlangsamte Dynamik (6b); die Unterschiede zwischen den am meisten und am wenigsten beschränkt beschränkt Probe größer ist als die Auflösung dieser Technik (~ 40 nm, was wir bestimmen, aus der y-Achsenabschnitt der MSD in einer sehr verdünnten Konzentration von Teilchen mit Φ <0.01).

Konfokale Mikroskopie und Bildanalyse ermöglichen auch Unterschiede zwischen den Fließeigenschaften der schwach und stark reiz Teilchen während umgrenzten Strömungs bis 66 dadurch gekennzeichnet werden. Für diese Experimente wurden Suspensionen von Teilchen mit einem Durchmesser 2a = 1,55 um wurden zu einem Volumenanteil von Φ = 0,15 mit einer Polymerkonzentration von entweder p c = 5 mg / ml, um eine schwache Anziehung zwischen oder c p = 25 mg entspricht engt / ml, um eine entsprechendestarke Anziehung zwischen. Repräsentative Bilder sind in Fig. 8 für ruhende und fließende Suspensionen gezeigt.

Anzahl Dichteprofile ergab Unterschiede zwischen der Verteilung der Partikel in schwach und stark reiz Suspensionen während der Strömung (für einen Durchsatz von 10 μ l / h in Fig. 9 gezeigten 66): die von einer schwach reiz Suspension (c p = 5 mg / ml, Fig. 9a und 9b) erhöht dramatisch mehr in Richtung der Mitte des Mikrokanals als die von einem stark reiz Suspension (c p = 5 mg / ml, Figuren 9c und 9d).

Ähnlich schwach und stark reiz Suspension zeigte Unterschiede in der Form der Geschwindigkeitsprofile (für eine Strömungsgeschwindigkeit von 8 μ l / h in Fig. 10 66 gezeigt). Die Geschwindigkeitsprofile für Suspensionen miteine schwache Anziehung (c p = 5 mg / ml, 10a und 10b) sind nahe an denen für eine in einem Quadratmikrokanal fließt Newtonsche Flüssigkeit vorhergesagt. Dagegen sind die Geschwindigkeitsprofile für Suspensionen mit einem stärkeren Anziehungs (c p = 25 mg / ml, Fig. 10c und 10d) erheblich von den Newtonschen Profil in der Nähe von den Seitenwänden des Mikrokanals (bei ​​y / L = 0).

Figur 1
Fig. 1 ist. Schema Kammern Ruhe Experimenten. (A) rechteckige Kammer, mit einer konstanten Dicke von 1 mm durch die Dicke einer Glasplatte gesetzt. (B) keilförmige Kammer, mit einer variablen Dicke im Bereich von 6 bis 170 &mgr; m. Die maximale Dicke istdurch die von einem Deckglas gesetzt.

Figur 2
.. Abbildung 2 Scheidungsmerkmale von Flüssigkeiten, Flüssigkeiten von Clustern und Gele Linke Spalte: Die konfokale Mikroaufnahmen. Säulenmittel: Partikelpaarkorrelationsfunktion g (r) als Funktion der normierten Abstand r / 2. Rechte Spalte: Normierte mittlere quadratische Verschiebung MSD / 4 a 2 als Funktion der Verzögerungszeit. Von oben nach unten werden die Bilder und Korrelationsfunktionen zeigen repräsentative Beispiele einer Gel (c p = 23,6 mg / ml und h / 2 a = 8,7), eine Flüssigkeit von Clustern (c p = 16,6 mg / ml und h / 2 a = 17) und ein kolloidales Fluid (c p = 0 mg / ml und H / 2> 116). Der Partikeldurchmesser 2 a = 0,865 μ m. Diese Zahl hat sich von Spannuth und Conrad, Phys geändert. Rev. Lett. 109, 028301 (2012). Copyright 2012 von der American Physical Society.

Fig. 3
Abbildung 3. Pair Korrelationsfunktion zeigt strukturelle Veränderungen in Haft. Pair Korrelationsfunktion für eine Probe mit c p = 16,6 mg / ml bei h / 2 a> 116 und h / 2 a = 69, 35, 17, und 8,7 von oben nach unten. Probe eine Flüssigkeit von Clustern auf allen außer h h / 2 a = 8,7, die ein Gel ist. Farben zeigen die Phase, wie in 2. Der Partikeldurchmesser beträgt 2 a = 0,865 μ m. Diese Zahl hat sich von Spannuth und Conrad, Phys geändert. Rev. Lett. 109, 028301 (2012). Copyright 2012 von der American Physical Society.

Fig. 4
Abbildung 4. Van Hove Korrelationsfunktion und der mittleren quadratischen Verschiebung zeigen Veränderungen in der Beschränkung. Selbst Teil der van Hove Korrelationsfunktion und (kleines Bild) mittlere quadratische Verschiebung für Proben mit (a) c p = 16,6 mg / ml und (b ) p c = 23,6 mg / ml als Funktion der Entbindung (h / 2 = 69 (Kreise), 17 (Quadrate), und 8,7 (Dreiecke)). In (a) ist die Probe eine Flüssigkeit von Clustern für h / 2 = 69 und 17, aber ein Gel für h / 2 = 8,7. In (b) ist die Probe ein Gel für alle Stunden. Der Partikeldurchmesser 2a = 0,865 μ m. Diese Zahl hat been von Spannuth und Conrad, Phys modifiziert. Rev. Lett. 109, 028301 (2012). Copyright 2012 von der American Physical Society.

Figur 5
Abbildung 5. Repräsentative konfokale Aufnahmen von bidispersed Mischungen. Konfokale Aufnahmen von kleinen und großen Partikelpopulationen (beide grau dargestellt, mit größeren Teilchen mit größerer Intensität), für Suspensionen mit einem konstanten Gesamtvolumenanteil Φ tot = 0,15, Volumen Prozent der kleinen Teilchen r = 0,50, Konzentration der Polymer-Depletionsmittel c p (ac) 5 mg / ml oder (df) 25 mg / ml, (a, d) in der Masse oder (BC, EF) auf eine normierte Höhe h/2a L beschränkt ( b e) 20 bzw. (c, f) <5.5. Die großen und kleinen Partikeldurchmesser 2 a L = 1,48 μ m und 2a S = 0,73 μ m sind. Der Maßstab ist 10 μ m.

Fig. 6
6. Mittleren quadratischen Verschiebung von großen Partikelpopulation aufweist Haft-induzierte Verlangsamung. Normalisierten mittleren quadratischen Verschiebung als Funktion der Verzögerungszeit τ von großen Partikeln in Suspensionen mit binären Volumenanteil an kleinen Partikeln mit R = 0,50 und verschiedene Konzentrationen an Polymer Depletionsmittel (a) p c = 5 mg / ml oder (b) C p = 25 mg / ml. Confinement Dicken h / 2 einen L: Groß ( ), 20 ( Diamant ) Und <5,5 ( Seite ). Die gestrichelten Linien zeigen eine Neigung von 1. Die große Partikeldurchmesser 2 a L = 1,48 μ m. Diese Zahl hat sich von Pandey und Conrad, Weiche Materie, 9, 10617 bis 10626 (2013) modifiziert. Mit Genehmigung der Royal Society of Chemistry (http://dx.doi.org/10.1039/c c3sm51879e) wiedergegeben.

Fig. 7
Abbildung 7. Schematische Darstellung der Vorrichtung zur Mikrokanalströmungsversuche. Das Gerät consiM. einer Glas Mikrokapillare, die mit einer Spritzenpumpe mit Teflonschlauch befestigt ist. Die schematische, wie gezeigt wird, verglichen mit der Versuchsanordnung, die ein umgekehrtes Mikroskop verwendet invertiert. Das Koordinatensystem wird angegeben: x ist entlang der Strömungsrichtung ausgerichtet ist y entlang der Breite des Mikrokanals orientiert ist und z entlang der vertikalen Richtung ausgerichtet. Einschub: Schema der Bildgebungsprotokoll. 2-D-Filme werden von der Hälfte der Breite des Mikrokanals an zehn verschiedenen Höhen oberhalb seiner Bodenfläche erfasst. Diese Zahl hat sich von Pandey und Conrad, Soft Matter 8, 10695-10703 (2012) modifiziert. Mit Genehmigung der Royal Society of Chemistry (http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d) wiedergegeben.

Fig. 8
Abbildung 8. Repräsentative konfokale Aufnahmen von Partikelnwährend der Mikrokanalströmung. Konfokale mikroskopische Aufnahmen von kolloidalen Suspensionen mit Polymerkonzentration c p (ac) 5 mg / ml und (DF) 25 mg / ml. Bilder (a) und (d) zeigen den Ruhe Probe; Bilder (bc) und (EF) wurden während der Strömung in der Höhe (z) (b, e) erworben 5 μ m und (c, f) 50 μ m über der Bodenfläche des Mikrokanals. Der Rand des Kanals ist an der linken Seite jedes Bild (bc) und (EF), und die Strömung in Abwärtsrichtung, wie angezeigt. Der Maßstab ist 10 μ m. Der Partikeldurchmesser 2a = 1,546 μ m. Diese Zahl hat sich von Pandey und Conrad, Soft Matter 8, 10695-10703 (2012) modifiziert. Mit Genehmigung der Royal Society of Chemistry (h wiedergegebenttp :/ / dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d).

Fig. 9
Abbildung 9. Stärke der Anziehung der Anzahl Dichteprofil von Partikeln. Anzahl der Partikel in Abhängigkeit von der normierten Seitenlage über den Mikrokanal y / L für Suspensionen mit Volumenanteil Φ = 0,15 und Polymerkonzentration c p (a, b) 5 modifiziert mg / ml und (c, d) 25 mg / ml, bei normalisierten stromabwärtigen Positionen x / L = (a, c) 50 und erfasst (b, d) 200. Die Daten sind für zwei normalisierten Höhen, z / L = 0,05 gezeigt (dunkelrot Dreieck ) Und 0,50 (hellblau Seiteμ l / Std. Die gezeigten Linien sind für das Auge, und die Fehlerbalken zeigen die Standardabweichung der Messungen. Der Partikeldurchmesser 2a = 1,546 μ m. Diese Zahl hat sich von Pandey und Conrad, Soft Matter 8, 10695-10703 (2012) modifiziert. Mit Genehmigung der Royal Society of Chemistry (http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d) wiedergegeben.

10
10. Kraft der Anziehung ändert die Geschwindigkeitsprofile. Normalisierte Geschwindigkeitsprofile als Funktion der normalisierten seitlichen Punkt des Mikro y / l für Suspensionen mit Volumenfraktion Φ = 0,15 und Polymerkonzentration c p ( b) 5 mg / ml und (c, d) 25 mg / ml, bei normalisierten stromabwärtigen Positionen erfasst x / L = (a, c) und 50 (b, d) 200. Die Daten sind für zwei normierten gezeigten Höhen, z / L = 0,05 (dunkelrot) und 0,50 (hellblau). Die Fließgeschwindigkeit betrug 8 μ l / Std. Die Fehlerbalken zeigen die Standardabweichung der Messungen. Die gepunkteten Linien ehesten der Newtonsche Strömungsprofil für eine Strömung in einem quadratischen Mikrokanal erwartet. Diese Zahl hat sich von Pandey und Conrad, Soft Matter 8, 10695-10703 (2012) modifiziert. Mit Genehmigung der Royal Society of Chemistry (http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d) wiedergegeben.

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Discussion

Kolloidale Suspensionen werden häufig als Modelle für beschränkt Phasenverhalten untersucht, weil Mikrometergröße kolloidale Partikel zeigen deutlich langsamer Dynamik als Atome und Moleküle und somit leicht abgebildet und im Laufe der Zeit 10 verfolgt werden. Für diese Grundlagenstudien, das Verständnis der Wirkung von interpartikulären Attraktionen beschränkt Phasenverhalten bietet die Möglichkeit, Phänomene wie Kapillar-Kondensation und Verdampfung 21,22,67 erkunden. Außerdem scheinen beschränkt attraktiv Suspensionen ubiquitär in der industriellen und technologischen Anwendungen. Für diese Studien angewendet, kann das Verständnis der Wirkung von Suspensionsformulierung beschränkt auf Fluss verbessert Formulierungen von Einsatzstoffen und Druckfarben für Rapid-Prototyping-3.1, Drug Delivery 4, Enhanced Oil Recovery 7.5 und Energiespeicheranwendungen 8 führen.

Andere Techniken verwendet, um die Struktur der Mikrongröße coll. Sondeoids in dünnen Geometrien sind Elektronenmikroskopie 17,18, Röntgenmikroskopie 19 und Laserbeugungsmikroskopie 20. Die Kombination der konfokalen Mikroskopie und Bildanalyse-Algorithmen bietet zwei wichtige Vorteile für die Untersuchung der kolloidalen Suspensionen beschränkt. Erstens ermöglicht die konfokale Mikroskopie tief in dichten und fluoreszierende Suspensionen. Zweitens kann der konfokalen Mikrophotographien erhalten Teilchenbahnen zur dynamischen und strukturellen Messwerte einzelner Mikrometergröße kolloidalen Teilchen zu berechnen. Diese Messungen ermöglichen den direkten Vergleich mit Simulationen 21,22. Andere Bildanalysealgorithmen, wie Bildkorrelations 37 basierend auf Particle Image Velocimetry 38 kann konfokale mikroskopische Aufnahmen, in denen die Partikel Verschiebungen größer als der interpartikulären Abstand, um die Dynamik der Sonde verwendet werden.

Wir haben Protokolle zur Abbildung Ruhe und fließenden colloi nachgewiesend-Polymer-Mischungen in eingeschränkten Geometrien mit Hilfe der konfokalen Mikroskopie. Mit der repräsentativen Metriken in diesem Papier skizzierten identifizierten wir einen Erstarrungs Übergang in Ruhe Suspensionen, die durch Haft 63,64 induziert wird. Wir zeigten auch, dass eine Änderung der Stärke der Anziehungskraft ändert das Ausmaß der Partikelmigration und Konsolidierung während der Strömung von Kolloid-Polymermischungen in Mikrokanälen 66.

Für Durchflussexperimenten, ist eine Einschränkung dieses Protokoll die Schwierigkeit bei der Bildgebung in der 3-D-Mikrokanal bei schneller fließen, als Partikel bewegen sich normalerweise große Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Frames. Diese Einschränkung kann bei langsameren Flussraten durch die Abbildung einer dünnen 3-D-Scheibe vermieden werden. Wiederholte Versuche an unterschiedlichen vertikalen Positionen innerhalb des Kanals kann so ergeben die volle dreidimensionale Geschwindigkeit und Dichteprofile. Dieser Ansatz wurde erfolgreich von anderen Forschungsgruppen zu Suspensionen von fast-Hartkugel angewendet Kolloide, die form Gläser 13,14 oder Kristalle 41, aber noch nicht zu den weniger konzentrierten kolloidalen Gele, wie sie hier vorgestellt angewendet.

Beide Bildanalyseverfahren beschrieben (Partikel-Tracking-und Bildkorrelation) weisen Einschränkungen. Für Partikelverfolgungsalgorithmen haben Auflösungen von einem Zehntel der Pixelgröße wurde berichtet, 23 für gut abgeschiedenen Partikel. Die Auflösung steigt mit erhöhten Signal-zu-Rausch. Sowohl die Gauß-Anpassungsalgorithmus und eine neuere Algorithmus, der die Punkte der maximalen Radialsymmetrie zu erreichen Tracking-Resolutionen, die nahe an das theoretische Maximum sind 68 berechnet. Die Auflösung in unseren Experimenten war etwas kleiner (ein Viertel der Pixelgröße); da die Teilchen in Gele sind in engem Kontakt, das Zentrum der Intensität in einem lokalen Bereich sind daher nicht notwendigerweise an der Partikelschwerpunkts liegt. Die Auflösung in der Verfolgung von Teilchen in Gele können nur durch die Kennzeichnung verbessert werden, dieKerne der Teilchen 69-71. Für Particle Image Velocimetry, die hier berichtet Methoden liefern genaue Messungen der Verschiebung auch für große Verschiebungen von mehreren hundert Pixel 37, so lange, wie Regionen nahezu konstante Geschwindigkeit advektiver korreliert sind. Diese Verfahren können nicht verwendet werden, wenn Partikel unterzogen signifikante relative Bewegung oder Nicht-affine Bewegung; in diesem Fall sind Verschiebungen zu einem Bruchteil der Partikelgröße begrenzt.

Diese Protokolle können Untersuchungen des Phasenverhaltens, Struktur, Dynamik und Fließeigenschaften einer Vielzahl von kolloidalen Suspensionen, einschließlich Teilchen mit Form oder chemischen Anisotropie und Lösungsmittel, nicht-Newtonsche Flüssigkeiten sind, in 2-D und 3 angewendet werden - D Entbindungen. Anwendung dieser Techniken erfordert eine weitere Erhöhung der Abbildungsgeschwindigkeit in 2-D und 3-D, neue Algorithmen, um Bilder von anisotropen Teilchen zu analysieren und Fortschritte in der Herstellung von realistischen Grenzgeometrien und Schnittstellen.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Acknowledgments

Forschung in dieser Veröffentlichung berichtet, wurde von einer von der Universität Houston Neue Fakultät Grant, einem Samen Zuschuss von der Texas Center for Supraleitung und der American Chemical Society Petroleum Research Fund (52537-DNI) unterstützt.

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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