ההדמיה confocal של רגיעה מרותקת ותערובות קולואיד פולימר מזרימים

סיכום

מיקרוסקופיה confocal משמשת לתערובות תמונה שקטה וזורמים קולואיד פולימר, הנלמדים כמערכות מודל להשעיות אטרקטיביות. אלגוריתמי ניתוח תמונה משמשים לחישוב מדדים מבניים ודינמיים לחלקיקי colloidal המודדים שינויים עקב כליאה גיאומטרית.

תקציר

ההתנהגות של מתלי colloidal מרותקים עם אינטראקציות interparticle אטרקטיביות היא קריטית לעיצוב רציונלים של חומרים להרכבה בבימויו ^1-3, משלוח סמים ^{4, 5-7} הפחמימנים השתפר, ואלקטרודות flowable לאחסון אנרגיה ^8. מתלים המכילים קולואידים ניאון ופולימרים אינן adsorbing פונים מערכות מודל, כיחס של רדיוס הפולימר של הסתובבות לרדיוס החלקיקים וריכוז שליטה פולימר את הטווח ועוצמת המשיכה interparticle, בהתאמה. על ידי כוונון מאפייני הפולימר ועוצמת השבר של קולואידים, נוזלי קולואיד, נוזלים של אשכולות, ניתן להשיג ג'לים, גבישים, וכוסות ^9. מיקרוסקופיה confocal, גרסה של מיקרוסקופ פלואורסצנטי, מאפשרת דגימה שקופה אופטי וניאון להיות צילמה עם גבוה במרחב וברזולוציה של זמן בשלושה ממדים. בטכניקה זו, חריר קטן או חריץ בלוקים אור הניאון הנפלט מאזורים של המדגם, כי הם מחוץ לנפח המוקד של המערכת האופטית מיקרוסקופ. כתוצאה מכך, סעיף דק בלבד של המדגם במישור המוקד הוא הדמיה. טכניקה זו היא גם מתאימה במיוחד כדי לחקור את המבנה ודינמיקה בהשעיות colloidal צפופות בקנה מידת חלקיק היחיד: החלקיקים הם גדולים מספיק כדי להיפתר באמצעות אור נראה ולפזר לאט מספיק כדי לנפול בפח במהירויות סריקה טיפוסיות של מערכות confocal מסחריות ¹⁰ . גם שיפורים במהירויות סריקה וניתוח אלגוריתמים אפשרו confocal הדמיה כמותית של השעיות זורמים ^11-16,37. במאמר זה, אנו מדגימים ניסויי מיקרוסקופיה confocal לחקור מרותקת התנהגות השלב ותכונות זרימה של תערובות קולואיד פולימר. אנחנו הראשונים להכין את קולתערובות OID-פולימר שהן צפיפות ושבירה מדד מתאים. בשלב הבא, אנו מדווחים פרוטוקול סטנדרטי להדמית תערובות קולואיד פולימר צפופות שקטה תחת כליאה שונה בתאים בצורת טריז דקים. לבסוף, אנחנו מדגימים פרוטוקול הדמיה תערובות קולואיד פולימר במהלך זרימת microchannel.

מבוא

מסמך זה מדגים (א) confocal הדמיה של תערובות שקטים וזורמים מרותקים קולואיד פולימר בשתיים ושלושה ממדים ו( ב) חלקיקי מעקב ומתאם הניתוחים של תמונות שנוצרה כדי לקבל מידע כמוני על התנהגות השלב ותכונות זרימה.

השעיות קולואיד עם אינטראקציות interparticle אטרקטיביות להופיע בכל מקום ביישומים טכנולוגיים כחומרים להרכבה בבימויו ^1-3, משלוח סמים ^{4, 5-7} הפחמימנים משופר, ואחסון אנרגיית ^8. תכונה משותפת של יישומים אלה היא שצריכים זרמו החלקיקים באמצעות גיאומטריות עדינות, כגון חרירים, ראשי הדפסה, microchannels, או תווך נקבובי, ו / או להיות מעוצבים לתוך סרטים או מוטות דקים. טכניקות בשימוש כדי לחקור את המבנה של קולואידים בגודל של מיקרון בגיאומטריות מוגבלות, כוללים מיקרוסקופ אלקטרונים ^17,18, מיקרוסקופיה רנטגן ^19, ומטר לייזר עקיפהicroscopy ^20, ניתן להשתמש בם כדי למדוד את המבנה ודינמיקה של חלקיקים על microscale. טכניקות אלה, עם זאת, אינן מאפשרות גישה למסלולים של חלקיקים בודדים, שממנו ניתן לחשב מדדים מבניים ודינמיים להשוואה ישירה לסימולציות מספריות ^21,22.

מיקרוסקופיה confocal הינה נגזרת של מיקרוסקופ פלואורסצנטי המאפשר הדמיה של חלקים דקים של מדגם ניאון. למדע colloidal ^10, טכניקה זו שימושית במיוחד עבור הדמיה עמוקה בתוך השעיות צפופות או בשלושה ממדים. אלגוריתמי חלקיקים מעקב ²³ להחיל שתיים או סדרת זמן תלת ממדי של micrographs confocal יניבו את המסלולים של כל החלקיקים הנראים לעין. כתוצאה מכך, השילוב של מיקרוסקופיה confocal וחלקיקי מעקב יושם ללמוד את התנהגות השלב, מבנה ודינמיקה של תרחיפי colloidal, כולל גבישי הורה ^24-27 והפרעהed משקפי ^28-31 וג'לים ^32-35.

ניתן ליישם אלגוריתמי ניתוח תמונה אחרים למדידת חלקיקי דינמיקת סדרת זמן של micrographs confocal מ. לדוגמא, ניתן ללמוד את הדינמיקה של חלקיקי diffusive ידי ניתוח התנודות בעוצמה לאורך זמן באמצעות מיקרוסקופ דינמי ההפרש confocal ^36. כאשר התקות החלקיקים גדולות יותר מאשר מרווח interparticle, מתאם תמונה ³⁷ מבוסס על velocimetry תמונת חלקיקי ^38-40 ניתן ליישם כדי למדוד מהירות פרופילים של החלקיקים. השילוב של אלגוריתמי מעקב ומתאם אפשר דינמיקת colloidal להימדד מערכות עוברות זרימה איטית ומהירה ^11-16,41-45.

אנו משתמשים בתערובות קולואיד פולימר כמודלים להשעיות colloidal אטרקטיביות ^9. בתערובות אלה, מגוון ועוצמתו של פוטנציאל interparticle אטרקטיבי נשלטים באמצעות היחסשל רדיוס הפולימר של הסתובבות לרדיוס החלקיקים והריכוז של הפולימר והדחייה אלקטרוסטטית נשלט באמצעות התוספת של חד ערכי אורגני מלח ^46. מכיוון שיכולים להיות מכוון אינטראקציות interparticle זהירות, המיצוק של תערובות אלה נחקר בהרחבה עם מיקרוסקופיה confocal ^34,47-51.

כאן אנו מדגימים confocal הדמיה וניתוח תמונה ³⁷ תערובות קולואיד פולימר שקטים וזורמים, שבו חלק קולואיד הנפח מוחזק קבוע בΦ = 0.15, בדיקה כי ההשפעה של כליאה בהתנהגות השלב ותכונות זרימה של תערובות אלה. טכניקות אלה הן נרחב החלים על מערכות חלקיקים כי הם שבירה ובי יכולים להיות מתויגים החלקיקים ו / או ממס עם פלורסנט לצבוע בהתאמה מדד.

פרוטוקול

1. הכנת תערובות קולואיד פולימר

הערה: פרוטוקול זה משתמש פולי (מתיל) (PMMA) חלקיקים, sterically התייצב באמצעות פולי (חומצת 12 hydroxystearic) וכותרתו עם צבע פלואורסצנטי (כגון הנילוס אדום, rhodamine B, או העמסה), שהיו מסונתזים הבאים סטנדרטי מתכון ^52.

1. הכן 3:01 w / w תערובת של רומיד cyclohexyl (CXB) וdecahydronaphthalene (DHN) כממס מניות. תערובת זו כמעט תואמת את הצפיפות ואינדקס שבירה של החלקיקים. להוסיף מלח אורגני, כלוריד tetrabutylammonium (TBAC) ^46, לממס בריכוז של 1.5 מ"מ למסך באופן חלקי את ההאשמות על החלקיקים.
2. בדיוק על מנת לקבוע את הצפיפות של החלקיקים, להכין השעיה בכל חלק חלקיקים בנפח משוער Φ = 0.10 בCXB: ממס DHN. צנטריפוגה ההשעיה בXG 800 ל75 דקות ולהוסיף CXB או dropwise DHN כדי לשפר את כוח העילויהתאמה. בניסויים אלה, הצפיפות של חלקיקי PMMA נמדדה להיות ρ = 1.223 גר '/ מיליליטר.
3. הכן השעיה מרוכזת המניה של חלקיקי PMMA (כאן, Φ = 0.40) בCXB: תערובת ממס DHN.
4. הכן פתרון מרוכז של קלקר ליניארי (PS) בCXB: תערובת ממס DHN. כאן, פתרון של PS של M משקל המולקולרי _w ≈ 3,000,000 (רדיוס של ההסתובבות r _g = 15 ננומטר) מוכן _{בעמ 'ריכוז} ג ≈ 50 מ"ג / מיליליטר.
5. מערבבים את המשקולות מתאימות של החלקיקים, פולימרים, ותערובות מניית ממס לגבש השעיות בריכוזים הרצויים של חלקיקים ופולימרים.
   הערה: כאן, השעיות של חלקיקי monodispersed מוכנים בשבריר קולואיד נפח קבוע Φ = 0.15 וריכוז פולימר משתנה _בעמ ⁵³ ג הנפח החופשי = 0-25 מ"ג / מיליליטר, וbidispersed השעיות המכילות שני גדלים של חלקיקי colloidal, Wה-i כל גודל נושאת תווית ניאון שונה, ערוכים בסך הכל חלק קטן קולואיד נפח קבוע Φ = 0.15, יחס עוצמת שבר של חלקיקים קטנים r = 0.50, וריכוז פולימר בנפח החופשי של 5 או 25 מ"ג / מיליליטר.
6. אחרי כל השעיה מוכנה, להוסיף dropwise CXB או DHN צנטריפוגות הדגימות ב XG 800 לפחות 75 דקות כדי לוודא שהחלקיקים ואשכולות בתוך ההשעיה יישארו ציפה מתאים.
7. לאזן את כל הדגימות לפחות 24 שעות לפני ניסויי הדמיה.

. 2 ניסויים מדגמים רגיעה: התנהגות שלב

1. כדי לקבוע את השלב בתפזורת ההתנהגות, לפברק תאים מלבניים מהזכוכית coverslips (איור 1 א). לתערובות קולואיד הפולימר במחקר זה, תאים של שעות = מ"מ עובי 1 (שנקבע על ידי העובי של שקופיות מיקרוסקופ) נותנים התנהגות בתפזורת.
2. כדי לגשת ללידות מרובות בניסוי מיקרוסקופיה יחיד, לפברק דק טריזצורת תאים, באמצעות coverslip יחיד כשומר רווח על טריז אחד (איור 1b). זווית הפתיחה של החדר היא <0.5 °, כך שבשדה בודד מבט הקירות כמעט במקביל. קאמרי יציג מאפשר גישה לעוביי כליאה של שעות = 6 ל> 100 מיקרומטר.
3. לבנות תאים על בסיס coverslip להדמיה על מיקרוסקופ הפוכה ולאטום עם אפוקסי UV-לריפוי, אשר אינו מתמוסס בתערובת ממס CXB-DHN.
4. דגימות תמונה באמצעות מיקרוסקופ confocal. פרוטוקול זה מדגים הדמיה עם confocal קו סריקה מצורף למיקרוסקופ הפוכה מצוידות בעדשת טבילת שמן 100X של צמצם מספרי NA = 1.40.
5. להלהיב את הצבעים באמצעות מקור לייזר. הנה אורכי הגל λ = 491 או 561 ננומטר משמשים כדי לעורר את ההעמסה וצבעי rhodamine / הנילוס אדום, בהתאמה.
6. בשיטת הניקוד לסריקת, ליצור תמונה על ידי הסריקה במהירות לנקודה שעל פני מדגם המוקד (בx-מטוס y) באמצעות תוכנת confocal. תמונה דו ממדית של 512 פיקסלים x 512 פיקסלים, המכסים כ 50 מיקרומטר x 50 מיקרומטר, ניתן לרכוש ב1/32 שניות. לשפר את איכות תמונה על ידי חישוב ממוצע של מספר תמונות או להגדיל את זמן הרכישה.
7. אתר את החלק התחתון של החדר (z = 0), למשל על ידי התמקדות בחלקיקים דבקו בתחתית שלה. בהגדרה זו, הגובה (z) עם הגדלת מיקוד לתוך התא.
8. כדוגמא, לאפיין את ההשפעה של כליאה בדינמיקה של החלקיקים על ידי רכישת סדרת 2-D זמן של תמונות (במישור XY) בmidplane של החדר. בניסוי טיפוסי, 500 תמונות של ממד 512 פיקסלים x 512 פיקסלים נרכשות במסגרת שיעור של 1 מסגרת / שניות (זמן מרווח שניות Δt = 1).
9. כדוגמא שנייה, לאפיין את מבנה 3-D של חלקיקים על ידי רכישת סדרה תלת ממדית של תמונות (x, y, z). בניסוי טיפוסי, תמונות דו ממדיות (512 פיקסלים x 512 פיקסלים) הןרכש בתפקידי z מרובים בתוך התא, עם מרווח קבוע של Δz = 0.2 מיקרומטר בין תמונות רצופות שנקבעו על ידי piezo. מחסנית בנפח כיסוי בעובי של שעות = 30 מיקרומטר וכך מכיל 151 תמונות.
10. אתר וחלקיקים במסלול לאורך זמן ב2-D או 3-D באמצעות תוכנת מעקב חלקיקים נכתבה ^ב23,54-56 IDL, MATLAB ^57,58, LabView ^59, או Python ^60. אלגוריתמים אלה בדרך כלל מאפשרים למרכזים של החלקיקים להיפתר בתוך 40-50 ננומטר. מעקב אחר חלקיקים מוצלחים דורש כי החלקיקים לנוע פחות ממרווח interparticle בין מסגרות ברציפות.
11. מעמדות החלקיקים, לחשב מדדים מבניים ודינמיים. שלושה מדדים נוחים המוצגים כאן הם גרם 3-D פונקציית מתאם זוג (r) ^61, עקירת 2-D הממוצע בריבוע (MSD) ^58,62, וחלק עצמי 2-D של פונקציית המתאם ואן הוב G _s ( x, t) ⁵⁸. שני המדדים האחרונים ניתן מחושבים גם ב 3-D.

. 3 ניסויים זורמים: מאפייני תזרים

1. לפברק תא זרימה פשוט באמצעות microcapillary זכוכית עם חתך מרובע (100 מיקרומטר x 100 מיקרומטר) שמודבק צינורות טפלון. השתמש coverslips זכוכית לתמוך בנימים ולספק קשיחות מכאנית, כפי שמוצג בסכמטי באיור 7.
2. טען את תערובת קולואיד הפולימר לתוך מזרק זכוכית. צרף את המזרק למערכת מחלק נוזל פנאומטי משאבה או מזרק.
3. הר התקנת תא זרימה על מיקרוסקופ ההפוכה. שמור את המזרק, תא זרימה, ולשקע באותו הגובה כדי למזער את ההשפעה של כוח הכבידה על תזרים הפרופיל.
4. לשלוט על קצב הזרימה של ההשעיה דרך תא הזרימה בקצב זרימת הנפחית (למשאבת המזרק) או לחץ מופעל (לתיבת הלחץ). המהירות הממוצעת של ההשעיה בmicrochannel תלויה גם suניסוח spension. ערכים אופייניים של המהירות המרבית בmicrochannel רבוע שנמדד כאן הם 200-2,000 מיקרומטר / sec.
5. במהלך זרימה, לרכוש סדרת זמן confocal 2-D במסגרת שיעורים מהירים. הנה, 500 תמונות של ממד 512 פיקסלים x 512 פיקסלים נרכשים ב32 מסגרות / שניות (t Δ זמן מרווח = 1/32 שניות) בגבהים שונים מעל תחתית microchannel (z = 0 מיקרומטר) החל z = 5 - 50 מיקרומטר. כל תמונה מכסה כמחצית מרוחב הממד (y) של microchannel, כפי שמוצג בהבלעה באיור 7. אם החלקיקים מופיעים אליפטי, להגביר את קצב המסגרת של רכישה.
6. כמו בניסויים שקטים, לאתר את החלקיקים ב2-D באמצעות אלגוריתמים סטנדרטיים לאיתור ומעקב אחר החלקיקים בIDL או MATLAB. לתזרימי איטיים, שבו חלקיקים לנוע פחות מהמרחק interparticle הממוצע בין מסגרות, משתמשים באלגוריתמי מעקב להשיג מסלולים.
7. השתמש במתאם תמונה לCalculate מהירות הפרופילים לתזרים מהיר.
   1. לחלק את התמונה לתמונות אופקית בגובה קבוע (y) לאורך כיוון הזרימה (x). לשתי תמונות רציפים אני ₁ (x, y) ולי ₂ (x, y) להעביר את התמונה האחרונה בפקטור Δx ולאחר מכן לחשב את השונות המשותפת הצולבות ביני ₁ (x, y) ולי ₂ (x + Δx, y).
   2. זהה את מיקום השיא של היסטוגרמה של ערכי Δx כי למקסם את השונות המשותפת הצולבות בין כל זוג תמונות כדי להשיג את מהירות advection הממוצעת בכל y עמדה לרוחב. אם חלוקה זו אינה בתוקף הגיעה לשיא, לרכוש תמונות במסגרת שיעור מהיר יותר.

תוצאות

כדי להדגים הדמיה confocal וחלקיקי מעקב, החוקרים בחנו את ההשפעה של כליאה בשלב ההתנהגות של תערובות קולואיד פולימר ^63-65. בניסויים אלה בקוטר קולואיד היה 2 = 0.865 מיקרומטר. שבריר קולואיד הנפח נקבע על Φ = 0.15 והריכוז של _p הפולימר ג היה מגוון 0-23.6 מ"ג / מיליליטר. תמונות confocal נציג מוצגות באיור 2 ^63, בעמודה שמאלית. מעמדות החלקיקים שהושגו באמצעות אלגוריתמי מעקב, חישבנו את המדדים מבניים ודינמיים נציג, כוללים פו...

דיון

השעיות Colloidal הם נחקרו באופן נרחב כמודלים למרותקים שלב התנהגות, משום שחלקיקי colloidal בגודל של מיקרון מפגינים דינמיקה איטית יותר באופן משמעותי מאטומים ומולקולות, ולכן יכולים להיות צילמו בקלות ולעקוב אחריו לאורך זמן ^10. ללימודי יסוד אלה, להבין את ההשפעה של אטרקציות interparticle על מרותקת שלב התנהגות מציע את ההזדמנות כדי לחקור תופעות כגון עיבוי נימים ^ו21,22,67 אידוי. בנוסף, השעיות אטרקטיביות מוגבלות מופיעות בכל מקום ביישומים תעשייתיים וטכנולוגיים. למחקרים ...

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
ציקלוהקסיל ברומיד	סיגמא אולדריץ'	135194	מספר CAS  108-85-0, משקל מולקולרי = 163.06, משמש במלאי ממס
Decahydronapthalene	Sigma Aldrich	D251	CAS מספר 91-17-8, משקל מולקולרי = 138.25, משמש במלאי ממס
נילוס אדום	סיגמא אולדריץ'	72485	צבע פלואורסצנטי פלואורסצין
5(6)-איזותיוציאנט	סיגמא אולדריץ'	F3651	צבע פלואורסצנטי
רודמין B	סיגמא אולדריץ'	83689	צבע פלואורסצנטי
פיזור אור דינמי	BI-APD	מבית Brookhaven Instruments	המשמש למדידת גודל חלקיקים
פוליסטירן	Varian/Agilent	PL20138-23	פוליסטירן (פולימר) לגרימת משיכת דלדול
טטרה-בוטיל (אמוניום כלוריד) (TBAC)	Sigma Aldrich	86870	מלח חד ערכי
דבק UV	דבק נורלנד	NOA 68T	מספר חלק 68T01 (דבק מרפא UV)
VT Eye	Visitech	VT	סורק עיניים קונפוקלי
VT Infinity	Visitech	VT	סורק קונפוקלי
מיקרוסקופ	Leica	DMI3000B	צנטריפוגה מיקרוסקופ
	הפוך תרמו מדעי	Sorvall ST 16	1-5,000 סל"ד
צינורות טפלון	חלקים קטנים	SLTT 26-72	Zeus PTFE Sublite צינורות קיר 26 AWG 0.016 אינץ' מזהה x 0.003 אינץ' קיר
אפוקסי	Devcon	DA051	5 דקות מזרק אפוקסי
	Micromate / Cadence	5004	מזרק זכוכית עם מתכת לואר קצה נעילה
קצות מזרק	Nordson	7018462	32 טיפים לדיוק GA
משאבת מזרק	מערכת משאבות עידן חדשה בע"מ	NE1002X	משאבה מיקרופלואידית ניתנת לתכנות (syringepump.com)
איזון שקילה	מטלר טולדו	AB204-S	0.0001-220 גרם
חלקיקי PMMA	מסונתזים		פולי (מתיל-מתקרילט) חלקיקים קולואידים

ציוד DLS אינפיניטי