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Chemistry

밀폐 무부하 흐르는 콜로이드 중합체 혼합물의 공 촛점 이미징

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

공 초점 현미경은 매력적인 현탁액을위한 모델 시스템으로 공부하는 이미지 정지 흐르는 콜로이드 폴리머의 혼합물에 사용된다. 이미지 분석 알고리즘은 기하 구속에 의한 변화를 측정 콜로이드 입자의 구조 및 동적 메트릭을 계산하는 데 사용된다.

Abstract

매력적인 입자 간 상호 작용이 제한 콜로이드 현탁액의 동작은 직접 조립 1-3, 약물 전달 4 재료의 합리적인 디자인, 개선 된 탄화수소 복구 5-7, 에너지 저장 8 유동성 전극에 중요합니다. 형광 콜로이드 및 비 흡착 중합체를 함유하는 현탁액은 범위와 입자 간 장르의 강도, 각각 중합체 컨트롤의 입자 반경 농도 관성 중합체 반경의 비로서, 모델 시스템을 호소하고있다. 중합체 특성 및 콜로이드의 체적 분율을 튜닝함으로써, 콜로이드 유체가 클러스터의 유체, 겔, 결정 및 유리 구를 얻을 수있다. 공 초점 현미경, 형광 ​​현미경의 변형은, 광학적으로 투명한 형광 샘플이 묘화 될 수있게 높은 공간 및 세 가지 차원의 시간 해상도를 가진. 이 기술, 작은 핀홀이나에서 현미경 광학계의 초점 체적 벗어나는 시료의 영역에서 블록들 출사 형광 슬릿. 결과적으로, 초점 평면에서의 샘플 만 얇은 부분이 묘화된다. 이 기술은 특히 단일 입자의 규모 밀도 콜로이드 현탁액의 구조와 역학을 조사하는 데 적합합니다 : 입자는 가시 광선을 사용하여 해결 될 수있을만큼 큰 상업 공 초점 시스템 (10)의 전형적인 스캔 속도로 캡처 할 정도로 천천히 확산 . 스캔 속도 및 분석 알고리즘의 개선은 흐르는 현탁액 11-16,37의 양적 공 촛점 이미징을 사용할 수있다.이 논문에서, 우리는 좁은 상 거동 및 콜로이드 고분자 혼합물의 유동 특성을 조사하는 공 초점 현미경 실험을 보여줍니다. 우리는 먼저 콜을 준비밀도와 굴절율이다 OID 중합체 혼합물 일치. 다음으로, 우리는 얇은 쐐기 모양의 세포에 변화 감금에서 대기 밀도 콜로이드 고분자 혼합물 이미징을위한 표준 프로토콜을보고합니다. 마지막으로, 우리는 마이크로 유동 중에 콜로이드 중합체 혼합물을 이미징하는 프로토콜을 설명한다.

Introduction

이 논문은 대기 흐르는 국한 콜로이드 고분자 두의 혼합물 및 세 가지 차원와 (b) 입자 추적 및 상관 관계 상 거동 및 유동 특성에 대한 정량적 인 정보를 얻기 위해 생성 된 이미지의 분석 () 공 초점 영상을 보여줍니다.

매력적인 입자 간 상호 작용 콜로이드 현탁액은 직접 조립 1-3, 약물 전달 4, 개선 된 탄화수소 복구 5-7, 에너지 저장 8 재료로 기술 응용 프로그램에서 보편적으로 나타납니다. 이러한 응용 프로그램의 일반적인 특징은 입자는 노즐, 프린트 헤드, 마이크로, 또는 다공질 미세한 형상을 통해 유입되어야하며, 및 / 또는 얇은 필름 또는 봉으로 형성 될 것입니다. 전자 현미경 (17, 18), x-레이 현미경 (19), 및 레이저 회절 m 등 좁은 형상, 미크론 크기의 콜로이드의 구조를 조사하는 데 사용되는 기술20 icroscopy, 마이크로 스케일의 입자의 구조와 역학을 측정하는데 사용될 수있다. 이러한 기술은, 그러나, 구조 및 동적 메트릭 수치 시뮬레이션 21,22 직항 비교를 위해 계산 될 수있는 개별 입자의 궤적에 대한 액세스를 허용하지 않는다.

공 초점 현미경 형광 샘플의 얇은 부분의 영상을 가능하게 형광 현미경의 변종이다. 콜로이드 과학 (10)의 경우,이 기술은 깊은 밀도 현탁액 내에서 또는 세 가지 차원으로 이미징에 특히 유용합니다. 입자 추적 알고리즘 (23)는 보이는 모든 입자의 궤적을 수득 둘 또는 공 초점 현미경의 입체 시계열에 적용. 결과적으로, 공 초점 현미경 및 입자 추적의 조합 순서 결정 24-27 및 장애를 포함하여, 상 거동, 구조 및 콜로이드 현탁액의 동역학을 연구하기 위해 적용된ED는 28 ~ 31, 젤 32-35 안경.

기타 이미지 분석 알고리즘은 공 초점 현미경의 시계열로부터 입자 동역학을 측정하기 위해 적용될 수있다. 예를 들어, 확산 입자 역학 공 초점 차 동적 현미경 (36)를 사용하여 시간이 지남에 따라 강도의 변동을 분석하여 공부하실 수 있습니다. 입자 변위는 입자 간 간격보다 큰 경우, 입자 화상 유속계 38-40에 근거 화상 상관 관계 (37)는 입자의 속도 프로파일을 측정하기 위해 적용될 수있다. 추적 및 상관 관계 알고리즘의 조합은 콜로이드 역학 느리고 빠른 흐름 11-16,41-45을받은 시스템에서 측정 할 수있다.

우리는 매력적인 콜로이드 현탁액 9 모델로 콜로이드 폴리머의 혼합물을 사용합니다. 이러한 혼합물에서, 매력적인 입자 간 전위의 범위 및 강도 비율을 통해 제어된다입자 반경 및 중합체 및 정전 반발력 농도 관성 중합체 반경 가의 유기 염 (46)의 첨가를 통해 제어된다. 입자 간 상호 작용이 깊게 튜닝 될 수 있으므로, 이들의 혼합물의 고화는 광범위 34,47-51 공 촛점 현미경으로 연구되었다.

여기서 우리는 콜로이드 체적 분율이 Φ 고정 개최되는, 대기 흐르는 콜로이드 고분자 혼합물의 공 촛점 이미징 및 이미지 분석 (37)를 보여 = 0.15, 그 프로브 상 거동 및 이들의 혼합물의 유동 특성에 대한 제한의 효과. 이러한 기술은 굴절되어 입자상 시스템에 광범위하게 적용될 수있다 지수 일치하고있는 입자 및 / 또는 용매를 형광 염료로 표지 할 수있다.

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Protocol

콜로이드 중합체 혼합물의 하나. 제조

주 :이 프로토콜은 폴리 메틸 메타 크릴 레이트 (PMMA) 입자, 입체적 폴리 (12 - 하이드 록시 산)를 사용하여 안정화 및 표준 다음 합성 하였다 (예 나일 레드, 로다 민 B, 또는 플루오 레세 인 등) 형광 염료로 표지를 사용 조리법 52.

  1. 주식 용매로 헥실 브로마이드 (CXB)과 데카 (DHN)의 3:1 W / W 혼합물을 준비합니다. 이 혼합물은 거의 입자의 굴절의 밀도 및 인덱스와 일치합니다. 부분적으로 입자에 전하를 화면에 1.5 mm의 농도로 용매에 유기 염, 테트라 부틸 암모늄 클로라이드 (TBAC) 46을 추가합니다.
  2. DHN 용매 : 정확하게 입자의 밀도를 확인하려면 대략 입자의 부피 분율 Φ에서 서스펜션 = CXB 0.10를 준비합니다. 75 분 800 XG에 현탁액을 원심 분리기 및 부력을 향상시키기 위해 CXB 또는 DHN의 적하 추가일치. 이들 실험에서, PMMA 입자의 밀도 = 1.223 g / ㎖ ρ 될 측정 하였다.
  3. DHN 혼합 용매 : CXB의 PMMA 입자의 집중 주식 서스펜션 (여기서, Φ = 0.40) 준비합니다.
  4. DHN 혼합 용매 : CXB 선형 폴리스티렌 (PS)의 농축 된 용액을 준비합니다. 여기에, 3,000,000가 (선회 R G = 15 ㎚의 반경) 50 ㎎ / ㎖ ≈ 농도 C의 P에서 준비 ≈ W 분자량 M의 PS의 솔루션을 제공합니다.
  5. 입자와 고분자의 원하는 농도로 현탁액을 공식화하는 입자, 폴리머, 용제 주식 혼합물의 가중치를 적절하게 혼합한다.
    참고 : 여기에, 단 분산 입자의 현탁액은 일정 콜로이드 체적 분율 Φ에서 준비 = 무료 볼륨 53 C의 P 0.15 변수 중합체 농도 = 0 ~ 25 ㎎ / ㎖ 및 W, 콜로이드 입자의 두 가지 크기를 포함하는 현탁액을 bidispersed독특한 형광 라벨 담지 i 번째의 각 크기는 고정 된 전체 콜로이드 부피비 Φ로 제조된다 = 소립자 0.15, 체적 분율의 비율은 5 ~ 25 ㎎ / ㎖의 자유 부피 = 0.50 R 및 중합체 농도.
  6. 각 현탁액을 제조 한 후, 현탁액 내의 입자 클러스터 부력 일치 남아 있는지 확인하기 위해 최소 75 분 800 XG에 CXB 또는 DHN 적하 원심 분리기 샘플을 추가합니다.
  7. 이전의 영상 실험에 최소 24 시간 동안 모든 샘플을 평형.

. 2 대기 샘플 실험 : 위상 동작

  1. 벌크 상 거동을 결정하기 위해, 유리 커버 슬립 (그림 1a)에서 직사각형 챔버를 제작. 이 연구에서 콜로이드 고분자 혼합물의 경우, (현미경 슬라이드의 두께에 의해 설정) 두께 H = 1 ㎜의 챔버 대량 동작을 제공합니다.
  2. 하나의 현미경 실험에서 여러 confinements에 액세스하려면, 얇은 쐐기 - 제작하나의 웨지에 스페이서로서 단일 커버 슬립을 사용하여 실 모양 (도 1B). 뷰의 단일 필드에서 벽은 매우 거의 평행이되도​​록 챔버의 개방 각도는 <0.5 °이다. 대표적인 챔버> 100 μm의 = 6 시간의 구속 두께에 액세스 할 수 있습니다.
  3. 거꾸로 현미경에 이미징을위한 커버 슬립베이스에 실을 구축하고 CXB-DHN 혼합 용매에 용해되지 않는 UV 경화형 에폭시로 밀봉.
  4. 공 초점 현미경을 사용하여 이미지 샘플. 이 프로토콜은 NA가 1.40 = 개구의 100X 기름 침지 렌즈가 장착 된 거꾸로 현미경에 부착 된 라인 스캐닝 공 촛점과 영상을 보여줍니다.
  5. 레이저 소스를 사용하여 염료를 여기. 여기에서 λ = 491 또는 561 nm의 각각의 형광 및 로다 민 / 나일 레드 염료를 자극하는 데 사용되는 파장을.
  6. 포인트 - 스캔 시스템에서 급속에서 (샘플에 걸쳐 초점을 스캐닝 x-의해 화상을 생성공 초점 소프트웨어를 사용하여 Y 평면). 512 픽셀의 2 차원 이미지가 1 / 32 초에서 획득 할 수있는 약 50 ㎛ × 50 ㎛의를 덮고 512 픽셀, 배. 여러 이미지들을 평균하거나 획득 시간을 증가시킴으로써 화질을 향상시킨다.
  7. 챔버의 바닥을 찾습니다 (Z = 0), 그 아래에 부착 된 입자에 초점을 맞춤으로써, 예를 들어. 이 설정에서, 높이 (z)는 챔버 내로 포커스 증가와 함께 증가한다.
  8. 예로서, 챔버의 미드 플레인에서 (XY 평면) 화상의 2-D의 시계열을 취득함으로써 입자의 역학에 구속 효과를 특성화. 전형적인 실험에서, 치수 500 이미지가 X 512 픽셀 512 픽셀이 1 프레임 / 초의 프레임 속도 (시간의 Δt = 1 초 간격)에 인수된다.
  9. 두 번째 예로서, 화상의 입체 시리즈 (x, y, z)를 취득하여 입자의 3-D 구조를 특성화. 전형적인 실험에서, 이차원 이미지 (512 화소 × 512 화소)이다ΔZ의 일정한 간격 = 압전 설정 연속 된 이미지 사이에 0.2 μm의와, 챔버 내에서 여러 Z 위치에 인수했다. H의 두께를 포함하는 볼륨 스택 = 30 μm의, 따라서 151 이미지가 포함되어 있습니다.
  10. 찾기 및 2-D 또는 3-D에서 시간이 지남에 따라 추적 입자 IDL 23,54-56, MATLAB 57, 58, LabVIEW는 59, 파이썬 (60)로 작성 입자 추적 소프트웨어를 사용하여. 이러한 알고리즘은 일반적으로 입자의 중심이 40 ~ 50 나노 미터 내에 해결 될 수있다. 성공적인 입자 추적 입자가 연속 된 프레임 사이의 입자 간 간격보다 이동하는 것이 필요합니다.
  11. 입자의 위치에서, 구조 및 동적 통계를 계산합니다. 여기에 도시 된 세 가지 편리한 메트릭 (3-D 쌍 상관 함수 g (R) (61), 2-D, 평균 제곱 변위 (MSD) 58,62, 및 반 호브 상관 함수 G (S)의 2-D자가 일부인 x, t) 58. 후자의 두 메트릭은 또한 3-D로 계산 될 수있다.

. 3 흐르는 실험 : 유동 특성

  1. 테프론 튜브에 부착되어 사각형 단면 (100 μM × 100 μM)와 유리 마이크로 모세관을 사용하여 간단한 플로우 셀을 제조. 도 7에 개략적으로 도시 된 바와 같이, 모세관을 지원 및 기계적 강성을 제공하기 위해 유리 커버 슬립을 사용한다.
  2. 유리 주사기에 콜로이드 폴리머의 혼합물을로드합니다. 주사기 펌프 또는 공기 유체 분배 시스템에 주사기를 연결합니다.
  3. 거꾸로 현미경에 흐름 전지 설치를 탑재합니다. 유량 프로파일에 중력의 영향을 최소화하기 위해 동일한 높이로 셀 및 유출 흐름 주사기 유지.
  4. (시린지 펌프) 체적 유량 또는 (압력 상자)인가 압력에 의해 유동 셀을 통해 현탁액의 유량을 제어한다. 마이크로 채널에있는 현탁액의 평균 속도는 SU에 의존spension 제제. 여기에서 측정 된 사각형 마이크​​로의 최대 속도의 일반적인 값은 200-2,000 μm의 / 초이다.
  5. 흐름 동안, 빠른 프레임 속도에서 2-D 촛점 시계열을 획득. 여기서 차원의 500 이미지가 X 512 픽셀 512 픽셀 Z에서 = 5에 이르기까지 마이크로의 바닥 (Z = 0 μm의) 위의 서로 다른 높이에 (시간 간격 Δ의 T = 1 / 32 초) 32 프레임 / 초에 취득 - 50 ㎛. 7 그림 삽입과 같이 각각의 이미지는, 마이크로의 측면 치수 (Y)의 약 절반을 커버한다. 입자가 타원 나타날 경우 인수의 프레임 속도를 향상시킬 수 있습니다.
  6. 대기 실험에서와 같이, IDL 또는 MATLAB에서 입자의 위치 및 추적에 대한 표준 알고리즘을 사용하여 2-D의 입자를 찾습니다. 입자는, 프레임 사이의 평균 입자 간 거리보다 적게 이동 궤적을 구하는 추적 알고리즘을 사용하는 느린 흐름하십시오.
  7. CALC 이미지의 상관 관계를 사용하여ulate 빠른 흐름의 속도 프로파일.
    1. 흐름의 방향을 따라 일정한 높이 (Y)의 수평 이미지로 이미지를 세분 (X). 두 순차 이미지 I 1 (X, Y) 및 I 2 (X, Y)에 대한 계수 ΔX에 의해 후자의 이미지를 이동하고 나서 1 (X, Y) 사이의 교차 공분산을 계산하고 I 2 (X + ΔX, Y).
    2. 각각의 횡 방향 위치 (y)에서의 평균 이류 속도를 얻기 위해 이미지의 각 쌍 사이의 크로스 공분산을 최대화 ΔX 값들의 히스토그램의 피크 위치를 식별한다. 이러한 분포가 강하게 뾰족하지 않은 경우 빠른 프레임 레이트로 영상을 획득.

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Representative Results

공 촛점 이미징 및 입자 추적을 설명하기 위해, 우리는 콜로이드 폴리머의 혼합물을 63 ~ 65의 상 거동에 대한 제한의 효과를 조사 하였다. 이 실험을 위해 콜로이드 직경 2 = 0.865 ㎛,. 콜로이드 부피 분율은 Φ = 0.15로 고정시키고 중합체 C (P)의 농도는 0 내지 23.6 ㎎ / ㎖로 변화시켰다. 대표 공 촛점 이미지는 그림 2 (63), 왼쪽 열에 표시됩니다. 추적 알고리즘을 사용하여 얻어진 입자의 위치에서, 우리는 한 쌍의 상관 함수 (그림 2, 가운데 열), 평균 제곱 변위 (그림 2, 오른쪽 열) 등의 대표적인 구조 및 동적 통계를 계산합니다. 이미지와 구조 및 동적 측정은 <우리가 콜로이드 젤 사이에 (그림 2, 맨 윗줄), 클러스터의 유체 (그림 2, 중간 줄), 및 유체 (구별 할 수강한> 그림 2, 맨 아래 줄).

이러한 통계는 우리가 양적 입자 구조와 역학에 감금에 의한 변화를 평가하는 것을 허용했다. 예를 들어, 중합체 농도 C p를 가진 샘플의 페어 상관 함수의 첫 번째 피크는 = 협착 두께가 짧아 분리에 16.6 ㎎ / ㎖ 이동한다 (도 3 (63)) 감소한다. 유사하게, C p를 가진 샘플에 대한 반 호브 상관 함수의 자기 부분 = 16.6 ㎎ / ㎖가 한정 두께로 가늘어이 감소하고 최소 협착에서 검거 겔 높은 비 가우시안 프로파일 (도 4 (63))를 나타내고있다 . 심지어 C p를 샘플 = 구속 두께를 감소, 모든 confinements에서 체포 젤 23.6 ㎎ / ㎖가, 좁은 더 비 가우시안 프로파일로 연결됩니다. 이러한 변화는 감금 간접적 t의 증가를 유도하는 것이 좋습니다그는 효과적인 입자 간 명소.

이러한 기술은 또한 별개의 형광 라벨을 담지 입자 bidispersed 혼합물의 구속 효과를 평가하기 위해 적용될 수있다. 큰 입자의 혼합물 (직경 2 L = 1.48 μm의) 작은 (직경 2 S = 0.73 μM) 총 입자의 체적 분율 Φ 어린 아이를 가진 입자 = 0.15 작은 입자의 체적 분율 비 R = 대표 이미지 0.50, 협착 두께를 줄이면 크고 작은 입자를 함유하는 고체 형상 콜로이드 겔 상 (도 5 (65))의 형성을 유도하는 것으로 나타났다. 이 효과는 특히 대량 유체 (그림 5a-D)이다 현탁액 발음한다. 시스템이 점점 더 제한됩니다으로 큰 입자의 근골격계 질환은 감소 : C의 P = 5 ㎎ / ㎖, 근골격계가 동적으로 체포 될 일관성 W와 샘플i 번째 응고 전환 (그림 6a 65). 와 샘플 C의 P = 25 ㎎ / ㎖, 체포 젤을 형성, 강한 제한이 둔화 역학을 유도한다 (그림 6B) 대부분 밀폐 및 최소 국한 샘플 간의 차이 (우리는 Φ <0.01으로 입자의 매우 묽은 농도 MSD의 y 절편으로부터 결정 ~ 40 nm의)이 기술의 해상도보다 크다.

공 초점 현미경과 화상 해석도 66을 특성화 될 밀폐 흐름 동안 약하게 강하게 매력적인 입자의 유동 특성 사이의 차이를 가능하게한다. 이들 실험의 경우, 직경 (2a)의 입자의 현탁액 = 1.55 μM는 C의 P 하나 = 5 ㎎ / ㎖, 약한 입자 간 장르, 또는 C를 p = 25 mg의 대응의 중합체 농도로 Φ = 0.15의 부피 분율로 농축시켰다 / ㎖, 대응강한 입자 간 명소. 대표 이미지는 정지하고 흐르는 현탁액은 그림 8에 나타낸다.

약한 매력적인 서스펜션의 그 (C를 P = 5 : 번호 밀도 프로파일 (그림 9 66 10 μ 리터 / h의 유량에 대해 표시) 흐름 동안 약하게하고 강력한 매력 현탁액에있는 입자의 분포 사이의 차이점을 밝혀 MG는 / ㎖,도 9a 및도 9b) 강력한 매력 서스펜션 (C를 P = 5 ㎎ / ㎖,도 9C 및 9D)보다 마이크로의 중심을 향해 더 크게 증가한다.

마찬가지로, 약하게 강하게 매력적인 현탁액 (도 10 (66) 13 μ 리터 / h의 유량 도시) 속도 프로파일의 형상의 차이를 나타내었다. 와 현탁액의 속도 프로파일약한 매력 (C를 P = 5 ㎎ / ㎖,도 10a 및도 10b) 사각 마이크로 채널에 흐르는 뉴턴 유체에 대한 예측에 가까운 있습니다. 대조적으로, 강한 매력 (C를 P = 25 ㎎ / ㎖,도 10C와 10D)와 현탁액의 속도 프로파일 (Y / L = 0에 가까운) 마이크로의 측면 벽 근처 뉴턴의 프로필에서 크게 일탈.

그림 1
유리 슬라이드의 두께에 의해 설정 1mm의 일정한 두께를 가진도 1. 무부하 실험 챔버의 개략도. (a) 직사각형 챔버. (B) 6-170 μm의에 이르기까지 변수 두께, 챔버를 쐐기 모양. 최대 두께는유리 커버 슬립의 설정.

그림 2
.. 공 초점 현미경 그림 2 유체의 구별 기능, 클러스터의 액체, 젤은 열을 떠났다. 센터 컬럼 : 입자 쌍 상관 함수 g (R) 정규화 분리 R / 2의 함수로서. 우측 컬럼 : 노멀라이징 평균 제곱 변위 MSD / 4이 지연 시간의 함수로서. 위에서 아래로 이미지와 상관 함수는 젤의 대표적인 예 표시 (C P는 = 23.6 ㎎ / ㎖ 및 H / 2 = 8.7), 클러스터의 유체 (C를 P = 16.6 ㎎ / ㎖ 및 H / 2 = 17), 및 콜로이드 액 (C를 P = 0 ㎎ / ㎖ 및 H / 2> 116). 입경은 0.8 = 2이며65 μ의 m. 이 그림은 Spannuth와 콘래드는 Phys에서 수정되었습니다. 목사 레트. 109, 028,301 (2012). 미국 물리 학회에 의해 저작권 2012.

그림 3
그림 3. 쌍의 상관 관계 기능을 제한 구조적 변화 C의 P = 16.6 ㎎ / ㎖ H / 2에서> (116) 및 H / 2 = 69, 35, 17, 8.7 위로부터에있는 샘플. 쌍의 상관 함수를 나타냅니다 바닥. 샘플 젤 = 8.7 H / 2,를 제외한 모든 시간에 클러스터의 유체이다. 색상은도 2에서와 같이 위상을 나타낸다. 입경 = 0.865 μ m 2이다. 이 그림은 Spannuth와 콘래드는 Phys에서 수정되었습니다. 목사 레트. 109, 028301 (2012). 미국 물리 학회에 의해 저작권 2012.

그림 4
그림 4. 반 호브 상관 함수와 평균 제곱 변위는 구속의 변화 밴 호브 상관 함수의. 셀프 부분 (삽입) (A) C의 P = 16.6 ㎎ / ㎖와 (b와 샘플에 대한 평균 제곱 변위를 나타냅니다 ) C의 P = 감금의 함수 (H / 2 = 69 (원), 17 (사각형), 8.7 (삼각형))와 같은 ML 23.6 ㎎ /. (a)에서, 샘플 (69) 및 (17) = H / 2에 대한 클러스터의 유체이지만, 겔은 H / 2 = 8.7. (B)에, 샘플은 모든 시간 동안 젤입니다. 입경은 μ = 0.865 m 2이다. 이 그림은 꿀벌을 가지고N Spannuth와 콘래드는 Phys에서 수정. 목사 레트. 109, 028,301 (2012). 미국 물리 학회에 의해 저작권 2012.

그림 5
bidispersed 혼합물의 그림 5. 대표 공 초점 현미경 사진. 일정 전체 부피 분율 Φ 어린 아이 = 0.15, 작은 입자의 부피 %로 현탁액을위한 크고 작은 입자 인구 (모두 큰 강도의 큰 입자에, 회색으로 표시), 공 초점 현미경 R = 0.50, depletant 폴리머 C의 P (AC)의 농도 (5 ㎎ / ㎖ 또는 (DF) 25 ㎎ / ㎖, (A, D) 대량 또는 (BC, EF)에서의 표준화 높이 h/2a의 L에 국한 B E) (20), 또는 (C, F) <5.5. 크고 작은 입자의 직경은 각각 2 L = 1.48 μ m 및 2A S = 0.73 μ m이다. 스케일 바는 10 μ의 M입니다.

그림 6
큰 입자 인구의 그림 6. 평균 제곱 변위가 구속 유도 둔화을 나타낸다. 작은 입자의 부피 % 이진 현탁액의 큰 입자의 지연 시간 τ의 함수로 정규화 된 평균 제곱 변위 = 0.50 depletant 폴리머의 다양한 농도를 r에 의 () C의 P = 5 ㎎ / ㎖ 또는 (b) C의 P = 25 ㎎ / ㎖. 벌크 (: 감금은 H / 2 L을은 두께 ), 20 ( 다이아몬드 ), 그리고 <5.5 ( 측면 ). 점선은 하나의 기울기를 나타낸다. 큰 입경이 L = 1.48 μ m이다. 이 그림은 Pandey 다음과 콘래드, 소프트 물질, 9, 10617-10626 (2013)에서 수정되었습니다. 화학의 왕립 학회 (http://dx.doi.org/10.1039/c c3sm51879e)의 허가에 의해 재현.

그림 7
그림 7. 마이크로 유동 실험 장치의 개략도. 장치 consi테프론 튜브를 사용하여 주사기 펌프에 부착 유리 마이크로 모세관의 STS. 같이 회로도는 거꾸로 현미경을 사용하는 실험 장치에 비해 반전된다. 좌표계가 표시된다 : x는 흐름의 방향을 따라 배향되는, Y는 마이크로 채널의 폭을 따라 배향되고, Z는 연직 방향을 따라 배향된다. 삽입 : 영상 프로토콜의 개략도. 2-D 영화는 그 바닥면 위의 열 서로 다른 높이에서 마이크로의 절반 폭의 취득. 이 그림은 Pandey 다음과 콘래드, 소프트 물질 8, 10695-10703 (2012)에서 수정되었습니다. 화학의 왕립 학회 (http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d)의 허가에 의해 재현.

그림 8
입자의 그림 8. 대표 공 초점 현미경마이크로 플로우시. (AC) 5 ㎎ / ㎖와 (DF) 25 ㎎ / ㎖의 폴리머 농도 C p를 콜로이드 현탁액의 공 초점 현미경 사진. 이미지 (a)와 (d)의 무부하 샘플을 보여준다; 이미지 (BC)와 (EF)는 (B, E)의 높이 (Z)에서 흐름 중에 취득한 5 μ m 및 (C, F) 마이크로의 바닥면 위의 50 μ의 m. 채널의 가장자리 (BC) 각 이미지의 왼쪽에 있고, 지시 된 바와 같이 (EF), 및 흐름은 아래 방향이다. 스케일 바는 10 μ의 M입니다. 입경은 μ = 1.546 m 2이다. 이 그림은 Pandey 다음과 콘래드, 소프트 물질 8, 10695-10703 (2012)에서 수정되었습니다. 왕립 화학 학회 (H의 허가에 의해 재현TTP :/ / dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d).

그림 9
장르의도 9. 힘은 입자의 개수 밀도 프로파일 부피비 Φ와 현탁액 마이크로 채널 Y / L에 걸쳐 정규화 된 횡 방향 위치 = (a, b) 5 0.15 및 중합체 농도 C (P)의 함수로서 입자. 번호를 수정 MG는 / ㎖와 (C, D) 25 ㎎ / ㎖, 정규화 된 다운 스트림 위치 X / L = (A, C) (50)에 인수 (B, D) 200. 데이터가 두 개의 표준화 된 높이, Z / ​​L =에 표시됩니다 0.05 (진한 빨강 삼각형 ) 및 0.50 (라이트 블루 측면μ 리터 / 시간이었다. 표시된 라인은 눈에 가이드되고, 오차 막대는 측정의 표준 편차를 나타낸다. 입경은 μ = 1.546 m 2이다. 이 그림은 Pandey 다음과 콘래드, 소프트 물질 8, 10695-10703 (2012)에서 수정되었습니다. 화학의 왕립 학회 (http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d)의 허가에 의해 재현.

그림 10
매력의 그림 10. 강도는 속도 프로파일을 수정합니다. 정상화 속도 프로파일을 부피비 Φ = 0.15 고분자 농도 C P (와 현탁액의 마이크로 채널 Y / L에 걸쳐 표준화 측면 위치의 함수로 B) 5 ㎎ / ㎖와 (C, D) 25 ㎎ / ㎖, 정규화 된 하류 위치에서 획득 한 X / L는 = (A, C) 50 (B, D) 200. 데이터는 두 개의 표준화에 표시됩니다 높이, Z / ​​L = 0.05 (진한 빨강) 및 0.50 (하늘색). 유속은 13 μ 리터 / 시간이었다. 오차 막대는 측정의 표준 편차를 나타낸다. 점선 사각형 마이크​​로의 흐름 예상 뉴턴 흐름 프로파일에 맞는을 나타냅니다. 이 그림은 Pandey 다음과 콘래드, 소프트 물질 8, 10695-10703 (2012)에서 수정되었습니다. 화학의 왕립 학회 (http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d)의 허가에 의해 재현.

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Discussion

마이크론 크기의 콜로이드 입자는 원자와 분자보다 훨씬 느린 역학을 전시하기 때문에 쉽게 몇 군데 시간 10 이상 추적 할 수 있기 때문에 콜로이드 현탁액은 널리 국한 상 거동에 대한 모델로 연구한다. 이러한 기초 연구의 경우, 밀폐 된 단계 행동에 입자 간 관광 명소의 효과를 이해하는 것은 모세관 응축 및 증발 21,22,67 등의 현상을 탐구 할 수있는 기회를 제공합니다. 또한, 밀폐 된 매력적인 현탁액은 산업 및 기술 응용 프로그램에서 보편적으로 나타납니다. 이러한 적용 연구의 경우, 제한된 흐름에 현탁 제제의 효과를 이해하는 것은 신속한 프로토 타입 1-3, 약물 전달 4, 강화 된 오일 복구 5-7, 에너지 스토리지 애플리케이션 8 원료 및 잉크의 개선 된 제제로 이어질 수 있습니다.

마이크론 크기 콜의 구조를 조사하는 데 사용되는 다른 기술얇은 형상의 OID를가 전자 현미경 (17, 18), X-선 현미경 19, 레이저 회절 현미경 (20)이 (가) 있습니다. 공 초점 현미경 영상 분석 알고리즘의 조합은 밀폐 된 콜로이드 현탁액의 연구에 대한 두 가지 중요한 이점을 제공합니다. 첫째, 공 초점 현미경 깊은 조밀 한 형광 현탁액 내 이미징을 할 수 있습니다. 둘째, 공 초점 현미경 사진으로부터 얻어진 입자의 궤적은 개별 미크론 크기의 콜로이드 입자의 동적 및 구조적 메트릭을 계산하기 위해 사용될 수있다. 이러한 측정 시뮬레이션 21,22 직접적인 비교를 용이하게한다. 이러한 입자상 속도계 (38)에 기초하여 화상의 상관 (37) 같은 다른 이미지 분석 알고리즘은 입자 변위 역학을 조사하는 입자 간 간격보다 크게되어있는 공 초점 현미경에 적용 할 수있다.

우리는 대기 이미징 및 colloi 흐르는위한 프로토콜을 증명하고있다공 초점 현미경을 사용하여 좁은 형상에서 D 중합체 혼합물. 이 문서에 설명 된 대표 지표를 사용하여, 우리는 구속 63, 64에 의해 유도되는 대기 현탁액의 응고 전환을 확인했다. 우리는 또한 매력의 강도를 변경하는 것은 마이크로 (66) 콜로이드 고분자 혼합물의 흐름 중에 입자 마이그레이션 및 통합의 범위를 수정하는 것으로 나타났다.

입자는 일반적으로 연속 된 프레임 사이의 먼 거리를 이동 흐름 실험을 위해,이 프로토콜의 한 제한은 빠른 마이크로 플로우 동안 3-D 이미징의 어려움이다. 이 제한은 얇은 3-D 슬라이스를 이미지화하여 느린 유속에서 회피 할 수있다. 채널 내의 별개의 수직 위치에서 반복 된 실험은 따라서 완전 입체 속도 및 밀도 프로파일을 수득 할 수있다. 이 방법은 성공적으로 거의 하드 구체의 현탁액에 다른 연구 그룹에 의해 콜로이드 적용된 F 그ORM은 13, 14 또는 결정 (41) 안경 아직 이러한 여기에 제시된 것과 덜 농축 된 콜로이드 젤에 적용되지 않았습니다.

두 이미지 분석 방법 (입자 추적 및 이미지의 상관 관계) 전시의 한계를 설명했다. 입자 추적 알고리즘, 화소 크기의 십분의 해상도는 잘 분리 된 입자 (23)를 위해보고되었다. 해상도는 증가 된 신호 - 대 - 잡음 증가한다. 가우스 피팅 알고리즘과 새로운 알고리즘 최대 방사 대칭의 포인트가 이론적 인 최대 68에 가까운 추적 해상도를 달성 계산합니다. 두 실험의 해상도 (픽셀 크기의 4 분) 다소 낮았다; 겔의 입자가 밀착되어 있기 때문에, 국소 영역에서의 강도의 중심 따라서 반드시 입자 중심에 위치되지 않는다. 겔 입자의 추적의 해상도는 라벨에 의해 개선 될 수있다입자가 69 ~ 71의 코어. 입자 영상 유속계를 들어, 여기에보고 된 방법은 너무 오래 거의 일정한 이류 속도의 영역이 상관 관계로, 심지어 수백 픽셀 (37)의 큰 변위에 대한 변위의 정확한 측정을 얻을 수 있습니다. 입자가 큰 상대 운동 또는 비 아핀 동의를 받아야 할 때이 방법을 사용할 수 없습니다; 이 경우에 변위는 입자 크기의 분수로 한정된다.

이러한 프로토콜은 2-D의 형상 또는 화학적 이방성 비 뉴턴 유체 솔벤트를 가진 입자, 3 등 콜로이드 현탁액의 다양한 상 거동, 구조, 역학 및 유동 특성의 연구에 적용될 수있다 - D의 confinements. 이러한 기술을 적용하면 추가 2-D의 영상 속도의 증가와 3-D, 이방성 입자의 이미지를 분석 할 수있는 새로운 알고리즘, 그리고 현실적인 수감 형상 및 인터페이스의 제작의 발전이 필요합니다.

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Disclosures

저자가 공개하는 게 없다.

Acknowledgments

이 책에서보고 된 연구는 휴스턴 대학의 새로운 능력을 부여, 초전도에 대한 텍사스 센터에서 시드 부여하고, 미국 화학 학회 석유 연구 기금 (52537-DNI)에 의해 지원되었다.

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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밀폐 무부하 흐르는 콜로이드 중합체 혼합물의 공 촛점 이미징
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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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