Imagen confocal de Confinados en reposo y que fluye mezclas de coloide y polímeros

La microscopía confocal se utiliza para obtener imágenes de las mezclas de coloides poliméricos en reposo y que fluyen, los cuales son estudiados como sistemas modelo para suspensiones atractivos. Algoritmos de análisis de imagen se utilizan para calcular las métricas estructurales y dinámicas para las partículas coloidales que miden cambios debido al confinamiento geométrico.

El objetivo general del siguiente experimento es cuantificar los cambios en el comportamiento de la fase confinada y las propiedades de transporte de suspensiones coloidales atractivas utilizando microscopía confocal. Esto se logra mediante la formulación de mezclas de polímeros coloidales para modelar suspensiones coloidales atractivas. Las mezclas se visualizan y se confinan en celdas de cuña delgadas para mostrar cómo el confinamiento modifica la estructura, la dinámica y el comportamiento de fase de estas mezclas.

Las siguientes mezclas se visualizan a medida que fluyen a través de microcanales para determinar el efecto de la fuerza de atracción entre los coloides en las propiedades de transporte confinado de las mezclas. El análisis automatizado de imágenes y los algoritmos de seguimiento de partículas pueden mostrar cómo el confinamiento inactivo conduce a la solidificación y la correlación de imágenes. Los algoritmos pueden mostrar cómo el aumento de la fuerza de atracción conduce a un comportamiento de flujo cada vez más no newtoniano.

La principal ventaja de esta técnica u otros métodos como el microscopio electrónico y la dispersión dinámica de la luz es que permite impuestos directos a los proyectores de una sola partícula a partir de los cuales se pueden calcular métricas dinámicas y estructurales para la comparación directa con las simulaciones. Este método estándar puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la física de la materia condensada blanda, como cómo la suspensión se autoensambla en presencia de interacciones entre partículas, o cómo las suspensiones ligeras sólidas ceden bajo una fuerza o tensión aplicada. Para este protocolo, se han preparado partículas de PMMA que están marcadas con un colorante consult, un material de referencia vinculado en el protocolo de texto para preparaciones estándar.

A continuación, haga una mezcla de tres a uno por peso de broy heane en deco hydro nataline lean, agregue tetra butil amonio y sal orgánica a 1,5 milimolar. El disolvente coincide con el índice de refracción de las partículas y filtra parcialmente su carga para determinar con precisión la densidad de las partículas para suspender las partículas a 0,1. Volumen a volumen en la centrífuga de disolvente preparada, la suspensión a 800 G durante 75 minutos.

Compruebe que las partículas no se sedimentan después de la centrifugación. Luego, para evitar que las partículas se asienten, agregue cualquiera de los solventes base gota a gota para que la densidad del solvente coincida con la de las partículas. A continuación, prepare una suspensión al 40% de las partículas de PMMA en la mezcla de disolvente preparada.

Prepare también policireno lineal en la mezcla de disolventes a una alta concentración. Por ejemplo, 50 miligramos por mililitro calculados a partir del peso molecular y el radio de giro del poliestireno. El uso de la suspensión concentrada de partículas de PMMA y la solución de poliestireno produce suspensiones de la concentración deseada de partículas con polímeros.

Aquí, la suspensión contiene un 15 por ciento de volumen de partículas de PMMA y la concentración del polímero oscila entre cero y 25 miligramos por mililitro mediante suspensiones dispersas de dos partículas de PMMA de diferentes tamaños y etiquetas diferentes en el mismo volumen. Las fracciones también se pueden mezclar con la solución polimérica. Después de mezclar cada suspensión, centrifugarlas y luego agregar un solvente gota a gota para que la densidad del solvente coincida con la de las partículas.

Por último, equilibra todas las muestras colocando las muestras selladas en un Tumblr durante al menos 24 horas antes de tomar imágenes de ellas. Comience ensamblando cámaras rectangulares a partir de cubreobjetos de vidrio. El espesor del portaobjetos del microscopio aquí es de un milímetro y, por lo tanto, el espesor de la cámara, lo que permite el comportamiento a granel de las mezclas de polímeros con collar.

Si se desea una cámara de varias alturas, haga cámaras delgadas en forma de cuña con un solo deslizamiento de cubierta espaciado en una cuña. El ángulo de apertura de la cámara es inferior a 0,5 grados y el grosor de la cámara aumenta de seis micras a un milímetro. Esta configuración permite variar continuamente el espesor del confinamiento, fabricar las cámaras para colocarlas en un microscopio invertido y sellarlas con un epoxi curable UV resistente a la mezcla de disolventes del microscopio utilizado.

Aquí hay un cabezal de escaneo confocal de escaneo lineal conectado a un microscopio invertido con una lente de inmersión en aceite de 100 x. Con una apertura numérica de 1,4, utilice las longitudes de onda adecuadas para excitar los tintes y tome imágenes cuadradas de 50 micras a 512 píxeles cuadrados. Comience con una exposición de un 32 de segundo y luego ajuste la calidad de la imagen.

A continuación, localiza el fondo de la cámara donde se adherirán las partículas. A continuación, mueva el foco al punto medio de la cámara. Ahora tome unas 500 imágenes a una velocidad de un fotograma por segundo en el plano medio para el análisis 2D.

Luego, para el análisis 3D, tome imágenes de pila Z con espacios de 0,2 micras sobre 30 micras en cualquier experimento de imágenes colaterales. Es fundamental optimizar las condiciones de imagen para obtener imágenes de alto contraste. Analice las imágenes utilizando un paquete de software de seguimiento de partículas.

Debería estar disponible un algoritmo que resuelva las partículas a 40 o 50 nanómetros. El seguimiento de partículas solo es posible si las partículas se mueven menos que el espaciado entre partículas entre fotogramas consecutivos. Para evaluar la estructura y la dinámica de las partículas, utilice las siguientes métricas.

Una función de correlación de pares 3D, un desplazamiento cuadrático medio 2D o 3D y una autoparte 2D o 3D de la función de correlación de Van Hove. Para este experimento, haga una celda de flujo simple a partir de un capilar de vidrio cuadrado de 100 micras de ancho. Conecte tubos de teflón y use cubreobjetos de vidrio como soporte estructural.

A continuación, cargue la mezcla de polímero coloidal de interés en una jeringa de vidrio y conéctela a un sistema de dispensación como una bomba. Ahora monte la configuración en el microscopio invertido como se usó en la sección anterior. La celda de flujo y la salida de la jeringa deben mantenerse lo más niveladas posible.

Ajuste el caudal de acuerdo con la mezcla de polímero coloidal. Se ha utilizado una concentración a través de capilares cuadrados de 200 a 2000 micras por segundo durante el flujo. Recoja imágenes 2D como se describe en la sección anterior a diferentes distancias del suelo del canal de cinco a 50 micras.

Si las partículas parecen elípticas, aumente la velocidad de fotogramas de adquisición. Utilice software de seguimiento e IDL o MATLAB para analizar el flujo. La obtención de una resolución de subpíxeles en el seguimiento de partículas requiere un ajuste cuidadoso de los parámetros de seguimiento para producir OID que no estén sesgados en una dirección particular.

Durante el flujo lento. Cuando las partículas se mueven menos que la distancia entre partículas entre fotogramas, las trayectorias se pueden obtener utilizando rutinas de seguimiento en un flujo más rápido. Utilice la correlación de imágenes para calcular la velocidad.

Subdivida cada imagen en imágenes horizontales en la dirección del flujo. En imágenes secuenciales, desplaza la segunda imagen para que coincida con la primera y utiliza la distancia de desplazamiento para calcular la velocidad entre pares de imágenes o cada subdivisión de las imágenes originales. Realice un histograma de todos los valores de desplazamiento calculados.

Si los valores no tienen un pico fuerte, repita el experimento a una velocidad de fotogramas más rápida. Las partículas de PMMA con un diámetro de 0,865 micras se suspendieron al 15% de volumen en volumen en 23,6 miligramos de polímero por mililitro de disolventes de mezcla. Las métricas estructurales y dinámicas se utilizan para evaluar las imágenes, incluida la correlación de pares y el desplazamiento cuadrático medio.

Cambiar la suspensión puede cambiar la estructura y la dinámica de las suspensiones confinadas. Por ejemplo, mediante una suspensión dispersa de partículas de 1,48 micras y 0,73 micras se formuló partículas que ocuparon el 15% del volumen disminuyendo el espesor de confinamiento. Se indujo una fase de gel coloidal similar a un sólido que contenía ambos tipos de partículas, el desplazamiento cuadrático medio de las partículas grandes disminuyó a medida que el sistema estaba cada vez más confinado.

De acuerdo con el flujo de solidificación, se compararon las propiedades de las partículas atractivas y fuertemente atractivas semanalmente. La concentración del polímero varió de cinco a 25 miligramos por mililitro. En las suspensiones, la atractiva suspensión semanal mostró un perfil de densidad que varió fuertemente con la posición a través del canal.

Durante un caudal de 10 microlitros por hora, el perfil de densidad de la suspensión fuertemente atractiva fue casi constante a través del canal en las mismas condiciones. Del mismo modo, hubo diferencias en los perfiles de velocidad de estas suspensiones. Las partículas atractivas semanales estaban cerca de la predicción newtoniana de su velocidad, mientras que las partículas fuertemente atractivas se desviaban ligeramente de la predicción newtoniana de su velocidad, especialmente más cerca de la pared lateral del canal donde Y es cero.

Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo usar la microscopía confocal para investigar el comportamiento de fase y las propiedades de la gripe de las suspensiones coloidales Siguiendo este procedimiento. Otras métricas, como los tamaños de los clústeres y las dimensiones fractales, se pueden calcular a partir de las posiciones de las partículas para responder a preguntas adicionales, como cómo el confinamiento modifica la forma de los grupos agregados.