Microtensiomètre pour la visualisation en microscopie confocale d’interfaces dynamiques

Steven V. Iasella; Sourav Barman; Clara Ciutara; Boxun Huang; Michael L. Davidson; Joseph A. Zasadzinski

doi:10.3791/64110

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Article de méthode

Microtensiomètre pour la visualisation en microscopie confocale d’interfaces dynamiques

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DOI :

10.3791/64110

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9 septembre 2022

Steven V. Iasella¹ , Sourav Barman¹ , Clara Ciutara¹ , Boxun Huang¹ , Michael L. Davidson² , Joseph A. Zasadzinski¹

¹Department of Chemical Engineering and Materials Science, University of Minnesota, ²Department of Chemical Engineering, Carnegie Mellon University

Dans cet article

Résumé

Ce manuscrit décrit la conception et le fonctionnement d’un microtensiomètre/microscope confocal pour effectuer des mesures simultanées de la tension interfaciale et de la rhéologie dilatationnelle de surface tout en visualisant la morphologie interfaciale. Cela fournit la construction en temps réel des relations structure-propriété des interfaces importantes en technologie et en physiologie.

Résumé

L’adsorption de molécules tensio-actives aux interfaces fluide-fluide est omniprésente dans la nature. Pour caractériser ces interfaces, il faut mesurer les taux d’adsorption des tensioactifs, évaluer les tensions superficielles d’équilibre en fonction de la concentration en vrac de tensioactifs et relier la façon dont la tension superficielle change avec les changements dans la zone interfaciale après l’équilibre. La visualisation simultanée de l’interface à l’aide de l’imagerie par fluorescence avec un microscope confocal à grande vitesse permet l’évaluation directe des relations structure-fonction. Dans le microtensiomètre à pression capillaire (CPM), une bulle d’air hémisphérique est épinglée à l’extrémité du capillaire dans un réservoir de liquide de volume de 1 mL. La pression capillaire à travers l’interface de bulle est contrôlée via un régulateur de débit microfluidique commercial qui permet un contrôle de la pression, de la courbure de bulle ou de la zone de bulle basé sur un modèle basé sur l’équation de Laplace. Par rapport aux techniques précédentes telles que l’auge de Langmuir et la goutte pendentive, la précision de mesure et de contrôle et le temps de réponse sont considérablement améliorés; les variations de pression capillaire peuvent être appliquées et contrôlées en quelques millisecondes. La réponse dynamique de l’interface à bulles est visualisée via une deuxième lentille optique à mesure que la bulle se dilate et se contracte. Le contour de la bulle est ajusté à un profil circulaire pour déterminer le rayon de courbure de la bulle, R, ainsi que tout écart par rapport à la circularité qui invaliderait les résultats. L’équation de Laplace est utilisée pour déterminer la tension superficielle dynamique de l’interface. Après l’équilibrage, de petites oscillations de pression peuvent être imposées par la pompe microfluidique contrôlée par ordinateur pour faire osciller le rayon de la bulle (fréquences de 0,001-100 cycles/min) pour déterminer le module dilatationnel Les dimensions globales du système sont suffisamment petites pour que le microtensiomètre passe sous la lentille d’un microscope confocal à grande vitesse permettant de suivre quantitativement les espèces chimiques marquées par fluorescence avec une résolution latérale submicronique.

Introduction

Les interfaces air-eau recouvertes de films tensioactifs sont omniprésentes dans la vie quotidienne. Les injections d’eau tensioactive sont utilisées pour améliorer la récupération du pétrole des champs épuisés et sont utilisées comme solutions de fracturation hydraulique pour le gaz et le pétrole de schiste. Les mousses gaz-liquides et les émulsions liquide-liquide sont communes à de nombreux procédés industriels et scientifiques en tant que lubrifiants et agents de nettoyage et sont courantes dans les aliments. Les tensioactifs et les protéines aux interfaces stabilisent les conformations d’anticorps pendant l’emballage, le stockage et ^{l’administrat....}