Summary
共焦点顕微鏡は、魅力的な懸濁液のためのモデル系として研究されている画像の静止や流れるコロイドポリマー混合物に使用されます。画像解析アルゴリズムは、幾何学的な閉じ込めに起因する変化を測定するコロイド粒子のための構造的および動的メトリックを計算するために使用される。
Abstract
魅力的な粒子間相互作用を有する閉じ込められたコロイド懸濁液の挙動は監督アセンブリ1-3、薬物送達の4のための材料の合理的な設計、改善された炭化水素の回復5-7、およびエネルギー貯蔵8ための流動性の電極に不可欠です。蛍光コロイドおよび非吸着性ポリマーを含有する懸濁液は、それぞれ、ポリマー制御の粒子半径と濃度に旋回の高分子半径の比粒子間引力の範囲や強度など、モデル系を訴えている。ポリマー特性及びコロイドの体積分率を調整することによって、コロイド流体は、クラスタの流体、ゲル、結晶、およびガラスが09を得ることができる。 共焦点顕微鏡、蛍光顕微鏡の変異体は、光学的に透明で蛍光試料が画像化されることを可能にする3次元での高空間分解能と時間分解能を持つ。この技術では、小さなピンホール又は顕微鏡光学系の焦点体積の外側にある試料の領域からブロックを発する蛍光スリット。その結果、焦点面における試料の唯一の薄い部分が画像化される。この技術は、特によく単一粒子スケールで緻密なコロイド懸濁液中の構造および動態を調べるのに適している：粒子は、可視光を使用して解決されるのに十分大きく、商業共焦点システム10の典型的な走査速度で捕捉される十分にゆっくり拡散する。スキャン速度と解析アルゴリズムの改善にも流れる懸濁液 11-16,37 の定量的な共焦点イメージングを可能にした。本稿では、限られた相挙動とコロイド-ポリマー混合物の流動特性を調べるために、共焦点顕微鏡実験を示しています。我々は最初のコルを準備密度及び屈折率であるOIDポリマーの混合物が一致しました。次に、薄いくさび形の細胞内の様々な密封下の静止密なコロイド - ポリマーの混合物を画像化するための標準プロトコルを報告する。最後に、我々はマイクロチャネル流中にコロイドポリマー混合物を撮像するためのプロトコルを示す。
Introduction
本論文では、2と3次元で静止して流れる閉じ込められたコロイドポリマー混合物（a）の共焦点イメージングを示し、（b）の粒子の追跡と相関関係が相挙動と流動特性に関する定量的情報を得るために、結果として得られる画像の解析。
魅力的な粒子間相互作用を有するコロイド懸濁液を指向アセンブリ1-3のための材料、薬物送達4、改良された炭化水素回収5-7のような技術的応用において遍在的に表示され、エネルギー貯蔵8。これらのアプリケーションの共通の特徴は、粒子は、ノズル、印字ヘッド、マイクロチャネル、または多孔性媒体の微細な幾何学的形状を流れなければならず、及び/又は薄いフィルムまたはロッドに成形されることである。電子顕微鏡17,18、X線顕微鏡19、およびレーザー回折Mを含む限られた幾何学的にミクロンサイズのコロイドの構造を調べるために使用される技術20 icroscopy、マイクロスケールでの粒子の構造および動態を測定するために使用することができる。これらの技術は、しかしながら、構造的および動的なメトリックは、数値シミュレーション21,22との直接の比較のために計算することができ、そこから個々の粒子の軌跡へのアクセスを許可しない。
共焦点顕微鏡は、蛍光試料の薄い切片のイメージングを可能にする蛍光顕微鏡の変形である。コロイド科学10については、この技術は、深い緻密懸濁液内または三次元的に画像化するために特に有用である。粒子追跡アルゴリズム23は、共焦点顕微鏡の2次元または3次元時系列に適用し、すべての可視の粒子の軌道を生じる。結果として、共焦点顕微鏡法および粒子追跡の組合せは、結晶秩序24-27および障害を含む、相の挙動、構造、およびコロイド懸濁液のダイナミクスを研究するために適用されているEDは28〜31およびゲル32〜35メガネ 。
他の画像解析アルゴリズムは、共焦点顕微鏡の時系列から粒子のダイナミクスを測定するために適用することができる。例えば、拡散粒子のダイナミクスは、共焦点差動的顕微鏡36を用いて経時的な強度の変動を分析することにより研究することができる。粒子変位が粒子間の間隔よりも大きい場合には、粒子画像流速38-40に基づいて、画像相関37は、粒子の速度分布を測定するために適用することができる。追跡と相関アルゴリズムの組み合わせは、コロイドダイナミクスが遅く、速い流れ11-16,41-45を受けているシステムで測定することができました。
我々は魅力的なコロイド懸濁液9のモデルとしてコロイドポリマーの混合物を使用しています。これらの混合物中、魅力的な粒子間ポテンシャルの範囲と強さの比を介して制御される粒子半径とポリマーとの静電反発の濃度のポリマー旋回半径の一価の有機塩46の添加を介して制御される。粒子間相互作用が慎重に調整することができるので、これらの混合物の固化が広く34,47-51共焦点顕微鏡を用いて研究されてきた。
ここでは、これらの混合物の相挙動および流動特性に閉じ込め効果を調べる共焦点イメージングおよび画像解析コロイド体積分率が、Φ= 0.15で固定保持された静止及び流れるコロイドポリマー混合物の37を 、実証している。これらの技術は、屈折率整合して粒子および/または溶媒を蛍光色素で標識することが可能である微粒子系に広く適用可能である。
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Protocol
1。コロイド - ポリマー混合物の製造に
注意：このプロトコルは、ポリ（メチルメタクリレート）（PMMA）粒子、立体的にポリ（12 - ヒドロキシステアリン酸）を用いて安定化標準に従って合成した（例えば、ナイルレッド、ローダミンB、またはフルオレセインなど）、蛍光色素で標識を使用してレシピ52。
- 株式溶媒としてシクロヘキシルブロマイド（CXB）とデカヒドロ（DHN）の3:1 w / wの混合物を準備します。この混合物は、ほぼ粒子の屈折の密度とインデックスと一致します。部分的に、粒子の電荷をスクリーニングする1.5 mMの濃度で溶媒中に、有機塩、テトラブチルアンモニウムクロリド（TBAC）46を追加します。
- DHN溶媒：正確に粒子の密度を決定するために、おおよその粒子の体積分率Φのサスペンション= CXB 0.10を準備。 75分間800×gで懸濁物を遠心分離し、浮力を向上させるためにCXBまたはDHN滴下するマッチング。これらの実験において、PMMA粒子の密度= 1.223グラム/ mlのρことが測定された。
- CXB（ここで、Φ= 0.40）PMMA粒子の濃縮ストック懸濁液を準備します。DHN混合溶媒。
- DHN混合溶媒：CXBの線形ポリスチレン（PS）の濃厚溶液を調製する。ここで3,000,000（回転半径R G = 15ナノメートル）≈分子量M wのPSの溶液を、濃度C pは ≈50ミリグラム/ mlに調製する。
- 粒子とポリマーの所望の濃度で懸濁物を配合するために、粒子、ポリマー、溶媒株式混合物の適切な重みを混ぜる。
注：ここでは、単分散粒子の懸濁液は、一定のコロイド体積分率Φで調製する=自由体積53cと pにおける0.15および可変ポリマー濃度= 0〜25 mg / mlであり、wは、コロイド粒子2つのサイズを含む懸濁液bidispersed異なる蛍光標識を有するi番目の各サイズは、固定された総コロイド体積分率Φで調製さ=小粒子の0.15、体積分率が5または25 mg / mlの自由体積中= 0.50 rは、ポリマー濃度。 - 各サスペンションを用意した後、懸濁液中の粒子やクラスターが浮力一致残っていることを確認するために、少なくとも75分間800×gでCXBまたはDHN滴下し、遠心分離器のサンプルを追加します。
- イメージング実験の前に少なくとも24時間のすべてのサンプルを平衡化させます。
2静止サンプル実験：。相挙動
- バルク相挙動を決定するために、ガラス製カバースリップ（ 図1a）から長方形のチャンバーを製作。本研究ではコロイド-ポリマー混合物については、（顕微鏡のスライドの厚さによって設定される）、厚さh = 1mmのチャンバーは、バルクの挙動を与える。
- シングル顕微鏡実験で複数の閉じ込めにアクセスするには、薄いくさびを製作1くさび上のスペーサーとして単一のカバースリップを使用して、チャンバ形状（ 図1b）。単一の視野の壁は非常にほぼ平行になるようにチャンバの開口角が、<0.5°である。代表室は、>100μmのH = 6の閉じ込め厚さへのアクセスを許可します。
- 倒立顕微鏡でのイメージングのためのカバーガラス基盤上のチャンバーを構築し、CXB-DHN混合溶媒に溶解しないUV硬化性エポキシで密封する。
- 共焦点顕微鏡を用いた画像サンプル。このプロトコルは、開口数NA = 1.40の100倍油浸レンズを備えた倒立顕微鏡に装着ラインスキャン共焦点とイメージングを示しています。
- レーザー光源を使用して色素を励起する。ここで、λ= 491または561nmでは、それぞれ、フルオレセインおよびローダミン/ナイルレッド色素を励起するために使用される波長。
- 点走査システムでは、急速に（x軸に試料を横切って焦点を走査して画像を生成する共焦点ソフトウェアを用いてy平面）。約50ミクロン×50ミクロンを覆う×512ピクセル512ピクセルの二次元画像は、1/32秒で取得することができる。複数の画像を平均化するか、取得時間を増加させることにより画質を向上させる。
- チャンバーの底の位置を確認します（Z = 0）、その底部に付着したパーティクルに注力するなど。このセットアップでは、高さ（z）はチャンバ内にフォーカスの増加に伴って増加する。
- 一例として、チャンバの中央平面において（x-y平面における）画像の2-Dの時系列を取得することにより、粒子のダイナミクスに閉じ込め効果を特徴付ける。典型的な実験では、500次元の画像は、512×512ピクセルのピクセルは1フレーム/秒のフレームレート（時間Δt= 1秒間隔）で取得される。
- 第2の例として、画像の三次元シリーズ（x、y、z）を取得することにより、粒子の3-D構造を特徴付ける。典型的な実験では、2次元画像（512ピクセル×512ピクセル）であるピエゾで設定された連続した画像間の=0.2μmのΔzの一定の間隔で、チャンバ内の複数のz位置で取得しました。 H =30μmの厚さをカバーするボリューム·スタックは、このように151の画像が含まれています。
- IDL 23,54-56、MATLAB 57,58と、LabVIEW 59、やPython 60で書かれた粒子追跡ソフトウェアを使用して、2次元または3次元に時間をかけて探して、トラック粒子。これらのアルゴリズムは、典型的には、粒子の中心が40〜50ナノメートル以内に解決されることを可能にする。成功した粒子追跡は、粒子が連続するフレーム間の粒子間の間隔よりも少ないを移動する必要があります。
- パーティクルの位置から、構造的かつダイナミックなメトリックを計算します。ここに示した三つの便利な測定基準は、（3-D対相関関数g（r）は 61 ,2-Dの平均二乗変位（MSD）58,62、およびファンホーブ相関関数G sを2-D自己一部であるx、t）が58。後者の2つのメトリックはまた、3次元で計算することができる。
3フローイング実験：流動特性
- テフロンチューブに固定された正方形の断面（100ミクロン×100ミクロン）でガラスマイクロキャピラリーを使用した簡単なフローセルを製作。 図7の概略図に示すように、キャピラリを支持し、機械的剛性を提供するために、カバーガラスを使用する。
- ガラスシリンジにコロイドポリマー混合物をロードします。シリンジポンプまたは空気圧流体分配システムに注射器を取り付けます。
- 倒立顕微鏡上にフローセルセットアップをマウントします。流れプロファイルに対する重力の影響を最小限にするために同じ高さで、細胞、および出口を流れる、シリンジを保つ。
- （シリンジポンプの場合）体積流量又は（圧力ボックス）に加えられる圧力によってフローセルを通して懸濁液の流量を制御する。マイクロチャネル中の懸濁液の平均速度はまた、suの依存spension配合。ここで測定平方マイクロチャネル内の最大速度の典型的な値は200〜2,000程度/秒である。
- 流れの間、速いフレームレートで2-D共焦点時系列を取得する。ここで、寸法は512ピクセルの500の画像が×512ピクセルは、z = 5に至るまで、マイクロチャネルの底部の上の異なる高さ（Z = 0ミクロン）で32フレーム/秒（時間ΔT = 1/32秒間隔）で取得される- 50μmである。各画像は、挿入図に示すように、粒子は楕円表示された場合、 図7を参照する 、マイクロチャネルの横方向寸法（y）の略半分を覆う、取得フレームレートを増加させる。
- 静止実験のように、IDL、またはMATLABでの粒子の位置を特定し、追跡するための標準的なアルゴリズムを使用して、2次元での粒子の位置を確認します。粒子は、フレーム間の平均粒子間距離よりも短い移動軌跡を取得するための追跡アルゴリズムを使用する遅い流れ、である。
- カルクに画像相関を使用しキュレートの高速フローの速度分布。
- 流れの方向に沿って一定の高さ（y）の水平方向の画像に画像を分割（x）である。二つの連続画像I 1（x、y）及びI 2（x、y）の係数Δxだけ後者の像をシフトした後、I 1（x、y）及びI 2（x +Δxとの間の相互共分散を計算するためy）とする。
- 各横位置yでの平均移流速度を得るために、画像の各対の間の相互共分散を最大化Δxの値のヒストグラムのピーク位置を特定する。この分布が強くピークに達していない場合は、より速いフレームレートで画像を取得する。
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Representative Results
共焦点イメージングおよび粒子追跡を実証するために、我々は、コロイドポリマー混合63-65の相挙動に対する閉じ込めの効果を調べた。これらの実験のためにコロイド直径は2 = 0.865であった。コロイドの体積分率は、Φ= 0.15に固定し、 ポリマー c pの濃度は、0〜23.6 mg / mlのに変化させた。代表的な共焦点画像は、 図2 63、左の列に示されている。追跡アルゴリズムを用いて得られたパーティクルの位置から、我々は、対相関関数（ 図2、中央の列）、および平均二乗変位（ 図2、右欄）を含む代表的な構造的および動的な指標を算出。画像と構造と動的メトリックは、私たちは、コロイド状のゲルを区別することができます（ 図2、一番上の行）、クラスターの流体（ 図2、中段）、および流体（<強い>図2、下の列）。
これらのメトリックは、私たちは定量的に粒子構造とダイナミクスにおける閉じ込めによる変化を評価することができました。例えば、ポリマー濃度 c pを有するサンプルの対相関関数の最初のピークは、=閉じ込め厚みより短い分離に16.6 mg / mlの移動（ 図3 の63）が減少する。同様に、C pのサンプルについてのファンホーブ相関関数の自己部は= 16.6 mg / mlでは、閉じ込め厚さが減少するにつれて狭くなり、最小の閉じ込めで停止ゲル（ 図4の 63）の高度に非ガウスプロフィールを示す。偶数C pのサンプルについて=閉じ込め厚さを減少させる、全ての閉じ込めで逮捕ゲルで23.6 mg / mlでは、狭く、複数の非ガウス分布をもたらす。これらの変更は、閉じ込めが間接的にTの増加を誘導したことを示唆し彼効果的な粒子間の魅力。
これらの技術はまた、異なる蛍光標識を有する粒子のbidispersed混合物中の閉じ込めの効果を評価するために適用することができる。大きな粒子（直径2、L = 1.48μm）で全粒子の体積分率、ΦTOT = 0.15と小さい粒子の体積分率R =と小さな（直径2 S = 0.73μm）の粒子の混合物の代表的な画像0.50は、閉じ込めの厚さを減少させると、大小両方の粒子を含有する固体状のコロイド状ゲル相（ 図5の 65）の形成を誘導することを示している。この効果は、特に、バルク流体（ 図5a-d）は、懸濁剤のために顕著である。システムがますます限られているような大きな粒子のMSDSは減少します。C P = 5 mg / mlのとサンプルについては、MSDSは、動的にW一貫した、逮捕になるi番目の凝固遷移（ 図6a 65）。でサンプルのC P = 25 mg / mlの、逮捕ゲルを形成する、強い閉じ込めが遅くダイナミクスを誘導する（ 図6b）;ほとんどの閉じ込めと少なくとも閉じ込めサンプルとの違いは、（我々はΦ<0.01の粒子の非常に希薄な濃度で、MSD のy切片から決定する〜40ナノメートル、）この技術の解像度よりも大きい。
共焦点顕微鏡及び画像分析はまた、66を特徴とする流れ中に閉じ込められた弱く強く魅力的な粒子の流動特性間の差異を可能にする。これらの実験のために、直径2aの粒子の懸濁液は、=1.55μmで、弱い粒子間引力に対応するいずれかのC はp = 5 mg / mlの、ポリマー濃度、または、c pは = 25 mgのΦ= 0.15の体積分率まで濃縮しに相当/ mlの強力な粒子間の魅力。代表的な画像は、静止及び流動性懸濁液については、図8に示す。
弱魅力的なサスペンションのもの（C型はp = 5：数密度分布（ 図9 66 10μリットル/ hrの流量について示す）が流れている間弱と強く魅力的な懸濁液中の粒子の分布の違いを明らかにしたミリグラム/ mlで、9aおよび9b）が強く吸引性懸濁液の （c はp = 5 mg / mlの、 図9cおよび図9d）に比べて、マイクロチャネルの中心に向かって、より劇的に増大示す 。
同様に、弱く強く魅力的な懸濁液を、（ 図10の 66 8μリットル/ hrの流量のために示されている）の速度プロファイルの形状の違いを示した。との懸濁液のための速度プロファイル弱い観光する（C P = 5 mg / mlの、 図10aおよび10b）は正方形のマイクロ流路内を流れるニュートン流体のために予測されるものと近い。これとは対照的に、より強力な魅力（ のC P = 25 mg / mlの、 図10Cおよび10D）との懸濁液のための速度プロファイルは、（Y / L = 0に近い）、マイクロチャネルの側壁に近いニュートンプロファイルから著しく逸脱。
図1、静止実験用の室の回路図（a）の長方形チャンバースライドガラスの厚さによって設定さ1mmの一定の厚さを有する。 （b）は、ウェッジ形チャンバを6-170ミクロンに至るまで様々な厚さを持つ。最大厚さであるカバーガラスのそれによって設定された。
図2流体、クラスターの流体、およびゲルの特徴的な機能左の列：共焦点顕微鏡写真。中央カラム：粒子対相関関数g（r）を正規化された分離でR / 2の関数として示す。右の列：正規化された平均二乗変位MSD / 4 2遅れ時間の関数として。上から下への画像との相関関数がゲルの代表例を示しての （c pは = 23.6 mg / mlであり、h / 2 = 8.7）、クラスターの流体の （c pは = 16.6 mg / mlであり、h / 2 = 17）、およびコロイド液（CのP = 0 mg / mlであり、h / 2> 116）。粒子径が2、A = 0.8である65μmの 。この図は、Spannuthとコンラッド、 理から変更されている。牧師LETT。109、028301（2012）。アメリカ物理学会による著作権2012。
図3。対相関関数は、閉じ込めの構造変化 のC P = 16.6 mg / mlのH / 2で> 116とH / 2 = 69、35、17、および8.7上からへと試料について。対相関関数を示している一番下。サンプルはゲルであるH / 2 A = 8.7、以外のすべての時間でのクラスターの流体である。色は、 図2のように位相を示す。粒子径は= 0.865μM 2 Aである。この図は、Spannuthとコンラッド、 理から変更されている。牧師LETT。109、028301（2012）。アメリカ物理学会による著作権2012。
図4。ファンホーベ相関関数と平均二乗変位は閉じ込めの変化を示す。ファンホーベ相関関数と、（A） は、C P = 16.6 mg / mlのと、（bとサンプルのための（挿入図）平均二乗変位の自己一部） は、C P = 23.6ミリグラム/閉じ込めの機能（H / 2 A = 69（円）、17（四角）、および8.7（三角形））としてミリリットル。 の（a）において、サンプルは69 = 17 時間 / 2a のためのクラスターの流体であるが、ゲルは、h / 2 = 8.7。 （b）の形態において、試料はすべて時間、ゲルである。粒子径は= 0.865μM 2 Aである。この図は、蜂を持っているN Spannuthとコンラッド、 理から変更。牧師LETT。109、028301（2012）。アメリカ物理学会による著作権2012。
図5 bidispersed混合物の代表的な共焦点顕微鏡写真。小規模および大規模な粒子集団の共焦点顕微鏡写真（いずれも大きな粒子は、より大きな強度を有する、灰色で示される）、一定の総体積分率Φtotは = 0.15を有する懸濁液のため、小粒子の体積パーセントR = 0.50、depletantポリマーCのP（AC）の濃度（5 mg / mlのか（DF）25 mg / mlの、（d）はバルクまたは（BC、EF）内の正規化された高さh/2a Lに限定さB 電子 ）20、または（c、f）は <5.5。大小の粒径がそれぞれ2 L = 1.48μm及び図2a S = 0.73μmである。スケールバーは10μmである。
大規模な粒子集団の姿6。平均二乗変位が閉じ込め誘発の減速を示す。小さな粒子の体積パーセントでバイナリ懸濁液中の大きな粒子の遅れ時間τの関数として正規化された平均二乗変位= 0.50とdepletantポリマーの様々な濃度のrは（a）からc pは = 5 mg / mlのまたは（b）C型はp = 25 mg / mlである。 （バルク：閉じ込めがH / 2 Lは厚さ
）、および<5.5（ 
）。破線は、1の傾きを示している。大粒子径が2 L = 1.48μmである。この図は、Pandeyさんとコンラッド、 ソフトマター 、9、10617から10626（2013）から変更されている。王立化学協会（http://dx.doi.org/10.1039/c c3sm51879e）の許可を得て再現しました。
図7。マイクロフロー実験のための装置の概略。デバイスconsiテフロンチューブを使用して、シリンジポンプに取り付けられたガラスマイクロキャピラリーの編む。示すように、概略、倒立顕微鏡を使用して実験と比較して反転される。座標系が示されている：xは流れの方向に沿って配向され、yがマイクロチャネルの幅に沿って配向され、およびzは、垂直方向に配向されている。挿入図：撮影プロトコルの概略図。 2-Dムービーは、その底面上の10の異なる高さで、マイクロチャネルの幅の半分を取得する。この図は、Pandeyさんとコンラッド、 ソフトマター 8、10695から10703（2012）から変更されている。王立化学協会（http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d）の許可を得て再現しました。
図8。粒子の代表的な共焦点顕微鏡写真マイクロチャネルの流れの間（AC）の 5 mg / mlの及び（DF）25 mg / mlのポリマーの濃度 c pを有するコロイド懸濁液の共焦点顕微鏡写真。画像（a）と（d）は 、静止サンプルを示し;画像（BC）及び（EF）は（B、E）5μm とマイクロチャネルの底面と、上記の（c、f）の 50μメートルの高さ（z）が流れている間に取得した。チャネルのエッジが（BC）の各画像の左側にあると示されているように（EF）、および流れが下向き方向である。スケールバーは10μmである。粒子径は= 1.546μM 2 Aである。この図は、Pandeyさんとコンラッド、 ソフトマター 8、10695から10703（2012）から変更されている。王立化学協会（hの許可を得て複製TTP :/ / dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d）。
図9引力の強さは、粒子の数密度プロファイルを修正する。（a、b）が 5の体積分率Φ= 0.15、ポリマー濃度 c pを有する懸濁液のためのマイクロチャネルのy / Lの両端正規化された横方向位置の関数としての粒子数mg / mlの、正規化の下流の位置のx / L =（と、c）50および（b、d）は 200で取得した（C、D）25 mg / mlの、データが正規化された2つの高さはz / L = 0.05について示されている（ダークレッド
）と0.50（ライトブルー、10μリットル / hrであった。図示線は、眼へのガイドであり、エラーバーは測定値の標準偏差を示す。粒子径は= 1.546μM 2 Aである。この図は、Pandeyさんとコンラッド、 ソフトマター 8、10695から10703（2012）から変更されている。王立化学協会（http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d）の許可を得て再現しました。
引力の図10の強度は速度プロファイルを修正する。正規化された速度プロファイルを体積分率Φ= 0.15およびポリマー濃度 c のp（と懸濁液のためのマイクロチャネルのy / Lの両端正規化された横方向位置の関数として
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Discussion
ミクロンサイズのコロイド粒子は、原子や分子よりも有意に遅いダイナミクスを示し、このように容易に画像化し、時間10的に追跡することができるため、コロイド懸濁液は広く、限られた相挙動のモデルとして研究されている。これらの基本的な研究のために、限られた相挙動に対する粒子間の観光スポットの影響を理解することは、このような毛管凝縮と蒸発21,22,67などの現象を探求する機会を提供しています。また、限られた魅力的な懸濁液は、産業技術のアプリケーションで普遍的に表示されます。これらの印加試験のために、閉じ込められた流れに懸濁製剤の効果を理解することは、ラピッドプロトタイピング1-3、薬物送達4、原油回収増進5-7、およびエネルギー貯蔵用途8供給原料及びインクの改良された製剤をもたらし得る。
ミクロンサイズのコルの構造を調べるために使用される他の技術薄いジオメトリ内のOIDは、電子顕微鏡17,18、X線顕微鏡19、およびレーザー回折顕微鏡20が含まれています。共焦点顕微鏡と画像解析アルゴリズムの組み合わせは、閉じ込められたコロイド懸濁液の研究のための二つの重要な利点を提供しています。まず、共焦点顕微鏡は、深い緻密で蛍光懸濁液内のイメージングを可能にする。第二に、共焦点顕微鏡から得られた粒子軌道は、個々のミクロンサイズのコロイド粒子のための動的および構造メトリックを計算するために使用することができる。これらの測定は、シミュレーション21,22との直接比較を容易にする。このような粒子画像流速38に基づいて、画像相関37等の他の画像分析アルゴリズムは、粒子変位がダイナミクスをプローブ間距離よりも大きいた共焦点顕微鏡にも適用することができる。
我々は、静止状態を撮像しcolloiを流すためのプロトコルを実証した共焦点顕微鏡を用いて閉じ込められた幾何学形状におけるd-ポリマーの混合物である。本論文で概説代表メトリックを使用して、我々は閉じ込め63,64により誘導される静止懸濁液中の凝固遷移を同定した。また、引力の強さを変更すると、マイクロチャネル66内のコロイドポリマー混合物の流れの中の粒子の移動および連結の程度を変更することを示した。
粒子は、典型的には、連続するフレーム間の大きな距離を移動すると、フロー実験のために、このプロトコルの一つの制限は、高速マイクロチャネル流中の3-Dでの撮像が困難なことである。この制限は、薄い3次元スライスを撮像して遅い流速で回避することができる。チャネル内の異なる垂直位置での繰り返し実験は、このように完全な3次元の速度および密度プロファイルを得ることができる。このアプローチは、正常にはfほぼ剛体球コロイドの懸濁液に、他の研究グループによって適用されているORMは13,14または結晶41メガネが、まだそのようなここで提示されるような低濃度のコロイド状のゲルに適用されていない。
両方の画像解析方法は、（粒子追跡と画像相関）の出品の制限を記載した。粒子追跡アルゴリズムについては、画素サイズの10分の1解像度が十分に分離された粒子23が報告されている。解像度が増加した信号対ノイズと共に増加する。ガウシアンフィッティングアルゴリズムと最大ラジアル対称のポイントは68理論上の最大値に近いトラッキング解像度を実現する計算より新しいアルゴリズムの両方。我々の実験の解像度が幾分少ない（画素サイズの4分の1）であった;ゲル中の粒子が密着しているため、局所領域内の強度の中心は、必ずしもこのように、粒子の重心に位置していない。ゲル中の粒子の追跡の分解能は、標識することによって改善することができる粒子69〜71のコア。粒子画像流速については、ここに報告された方法であれほぼ一定の移流速度の領域が相関しているように、場合によっては数百個のピクセル37の大きな変位する変位の正確な測定が得られる。粒子は有意な相対運動又は非アフィン運動を受けるときに、これらの方法は使用できません。この場合、変位は、粒子サイズの画分に制限されている。
これらのプロトコルは、2次元形状または化学異方性および非ニュートン流体である溶媒を有する粒子、および3を含むコロイド懸濁液、多種多様の相挙動、構造、ダイナミクス、および流動特性の研究に適用することができる - 開発閉じ込め。これらの技術を適用すると2-Dおよび3-Dにおける撮像レートのさらなる増加、異方性粒子の画像を分析するための新しいアルゴリズム、および現実的な拘束幾何形状およびインターフェイスの製造における進歩を必要とする。
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Disclosures
著者らは、開示することは何もありません。
Acknowledgments
この刊行物で報告された研究は、ヒューストン大学の新学部·グラント、超伝導テキサスセンターからシード助成金、および米国化学会石油研究基金（52537-DNI）によってサポートされていました。
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 |
References
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