Method Article

מיקרוטנסיומטר למיקרוסקופיה קונפוקלית הדמיה של ממשקים דינמיים

DOI:

10.3791/64110

⸱

September 9th, 2022

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

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

כתב יד זה מתאר את התכנון וההפעלה של מיקרוטנציומטר/מיקרוסקופ קונפוקלי לביצוע מדידות בו-זמניות של מתח בין-פאזי וריאולוגיה של הרחבת פני השטח תוך הדמיית המורפולוגיה הבין-פאזית. זה מספק את הבנייה בזמן אמת של יחסי מבנה-תכונה של ממשקים חשובים בטכנולוגיה ובפיזיולוגיה.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ספיחה של מולקולות פעילות על פני השטח לממשקי נוזל-נוזל נמצאת בכל מקום בטבע. אפיון ממשקים אלה דורש מדידת שיעורי ספיגה של חומרים פעילי שטח, הערכת מתחי פנים של שיווי משקל כפונקציה של ריכוז פעילי שטח בתפזורת, והתייחסות לאופן שבו מתח הפנים משתנה עם שינויים באזור הבין-חלקיקי לאחר שיווי המשקל. הדמיה סימולטנית של הממשק באמצעות הדמיה פלואורסצנטית עם מיקרוסקופ קונפוקלי במהירות גבוהה מאפשרת הערכה ישירה של יחסי מבנה-תפקוד. במיקרוטנסיומטר הלחץ הנימי (CPM), בועת אוויר המיספרית מוצמדת בקצה הנימים במאגר נוזלי בנפח 1 מ"ל. הלחץ הנימי על פני ממשק הבועה נשלט באמצעות בקר זרימה מיקרופלואידי מסחרי המאפשר לחץ מבוסס מודל, עקמומיות בועות או שליטה בשטח הבועה בהתבסס על משוואת לפלס. בהשוואה לטכניקות קודמות כגון שוקת Langmuir וירידת התליון, דיוק המדידה והבקרה וזמן התגובה משופרים מאוד; ניתן ליישם וריאציות לחץ נימיות ולשלוט בהן באלפיות השנייה. התגובה הדינמית של ממשק הבועה מוצגת באמצעות עדשה אופטית שנייה כאשר הבועה מתרחבת ומתכווצת. קו המתאר של הבועה מתאים לפרופיל מעגלי כדי לקבוע את רדיוס עקמומיות הבועה, R, וכן את כל הסטיות מהמעגליות שיבטלו את התוצאות. משוואת לפלס משמשת לקביעת מתח הפנים הדינמי של הממשק. לאחר שיווי המשקל, תנודות לחץ קטנות יכולות להיות מוטלות על ידי המשאבה המיקרופלואידית הנשלטת על ידי מחשב כדי לתנוד את רדיוס הבועה (תדרים של 0.001-100 מחזורים לדקה) כדי לקבוע את המודולוס המתרחב הממדים הכוללים של המערכת קטנים מספיק כדי שהמיקרוטנציומטר יתאים מתחת לעדשה של מיקרוסקופ קונפוקלי במהירות גבוהה המאפשר מעקב אחר מינים כימיים המתויגים באופן פלואורסצנטי באופן כמותי ברזולוציה צידית תת-מיקרונית.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ממשקי אוויר-מים המכוסים על ידי סרטים פעילי שטח נמצאים בכל מקום בחיי היומיום. הזרקות מים פעילי שטח משמשות לשיפור התאוששות הנפט משדות מדולדלים ומשמשות כפתרונות שבירת הידראוליים לגז פצלי שמן ונפט. קצף גז-נוזלי ותחליב נוזלי-נוזלי נפוצים בתהליכים תעשייתיים ומדעיים רבים כחומרי סיכה וחומרי ניקוי והם נפוצים במזון. חומרים פעילי שטח וחלבונים בממשקים מייצבים את הקונפורמציות של נוגדנים במהלךהאריזה, האחסון והניהול 1,2,3,4,5, יציבות סרט הדמעות בעין 6,7,8

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. הכנת צינורות נימיים

  1. מקם את הנימים במשיכה נימית והפעל את תוכנית המשיכה הרצויה כדי ליצור שני נימים מחודדים בקוטר חיצוני (OD) של ~ 1 מיקרומטר בקצה.
    הערה: ה- OD של הנימים לפני המשיכה חייב להיות ה- OD שצוין כך שיתאים למחזיק הנימים בתא המיקרוטנציומטר. הקוטר הפנימי (ID) של הנימים יכול להשתנות, אך ישפיע על הרדיוס הקריטי של הנימים לאחר המשיכה. תוכנית משיכה נבחרת כך שהמחדד המתקבל מפחית בתחילה את ה- OD וה- ID הנימיים במהירות, לאחר מכן מגיע לרדיוס ליד ה- OD וה- ID הנימי הרצויים, ולאחר מכן מקטין את קוטרו לאט יותר. פעולה זו תיצור אורך נימי גדול יותר שניתן להבקיע כדי להניב נימים שמישים של 30-100 מיקרומטר במזהה.
  2. הבקיע את קצה הנימים בנקודה הר....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מקור עיקרי של טעות מדידה נובע מהנימים שיש להם פגמים בתהליך החיתוך (איור 5A,B) או מתהליך הציפוי (איור 5D). שני סוגי הפגמים מובילים לטעויות בקביעת הצורה והגודל של הבועה על ידי מערכת ניתוח התמונה האופטית, מה שמוביל לערכי מתח פנים לא מדויקים. חשוב לבחון בקפידה כל נימי חדש לאחר משיכתו וציפייתו תחת המיקרוסקופ האופטי לפני החדרת הנימים לתוך ה-CPM. יש להשליך נימי טעות, אך נימי מצופה בצורה גרועה יכולים להיות מנוקים בחומצה ומצופים מחדש כדי לשפר את הצמדת הב.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ה-CPM/CFM המשולב הוא כלי רב עוצמה לבחינת דינמיקה בין-פאזית, שיווי משקל ומורפולוגיה. פרוטוקול זה מתאר את השלבים הדרושים לקבלת נתונים באמצעות CPM/CFM.

איור 2 מראה את עיצוב התא עם תעלות עבור הנימים, הממסים וחילופי החום שצוינו. הכניסה להחלפת ממסים צריכה להיות בתחתית התא בעוד שהשקע צריך להיות בחלק העליון, מה שמאפשר לתא לא לעלות על גדותיו במהלך ההחלפה. בפועל, קצבי הזרימה של הכניסה והיציאה עשויים להיות שונים במקצת עבור אותה משאבה פריסטלטית. אחת הבעיות הנפוצות בתכנון התא .......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

למחברים אין ניגודי עניינים לחשוף.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

כל תמונות המיקרוסקופיה הקונפוקלית התקבלו באמצעות המיקרוסקופ הקונפוקלי הזקוף Nikon A1RHD Multiphoton. אנו מכירים בהדרכה ובסיוע של צוות התמיכה, במיוחד גיירמו מרקס, במרכז ההדמיה האוניברסיטאי באוניברסיטת מינסוטה. עבודה זו נתמכה על ידי מענק NIH HL51177. SI נתמך על ידי מענק הכשרה למחקר מוסדי של רות ל. קירששטיין NRSA F32 HL151128.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
1.5 O.D. צינורות טיגוןפישר מדעיים
A1RHD מיקרוסקופ קונפוקלי זקוף מיקרוסקופ קונפוקליניקון
ניקוי חומצהחומצה גופרתית ואלנוכרומיקס מדולל במים 50% בנפח, המתן עד שצלול לפני דילול
אלנוכרומיקסאלקונוקס2510מעורבב עם חומצה גופרתית להוראות אריזה ומדולל להכנת תמיסת ניקוי חומצה
חותך זכוכית קרמיSutter Instruments
ChloroformSigma-Aldrich650471HPLC Plus
CurosurfChiesi  פעילי שטח ריאות
Di Water18.5 MΩ - ס"מ
אתנולכלהוכחה של 200 המשמש להידרופוביזציה, מפוגל המשמש לניקוי
Fiber-Lite דגם 190 תאורת סיביםאופטיים דולן-ג'נר תעשיות בע"מ.281900100מקור אור; מקורות אור אחרים אמורים לעבוד גם כן
Flow EZ F69 mbar עם מודול LinkFluigentLU-FEZ-0069משאבה מיקרופלואידית
Fluigent SDK VIsנדרש עבור ממשק וירטואלי CPM
אטמימעובדים מגיליון ויטון בעובי 1 מ"מ, ראה איור 3
מסנן גזNorgrenF07-100-A3TGלשים בין משאבה מיקרופלואידית לווסת לחץ
ווסת גזNorgren10R0400Rמוריד לחץ מסקע לטווח המשאבה, מחובר לטווח מסנן גז 2-120 psi
זכוכית CapilarySutter InstrumentsB150-86-10זכוכית בורוסיליקט OD 1.5 מ"מ מזהה 0.86 מ"מ
זכוכית שקופיתכל75 מ"מ x 25 מ"מ
מזרק זכוכיתהמילטון8487825 μ מזרק זכוכית L
סוכן הידרופוביסיגמא-אולדריץ'6674201H, 1H, 2H, 2H-Perfluoro-octyltriethoxysilane 98%, ניתן להחליף טריאתוקסילן הידרופובי אחר חומר
פעילי שטח בלתי מסיסAvanti850355C-200mg16:0 DPPC בכלורופורם
LabVIEW SoftwareNational Instruments2017
Longpass FilterThorLabsFEL0650מסנן 650 ננומטר Longpass, אורך גל חייב להסיר עירור תדירות לייזר
Lyso-PCAvanti855675P16:0 Lyso PC 1-palmitoyl-2-hydroxy-sn-glycero-3-phosphocholine
Masterflex L/S מערכת משאבת קונסול אנלוגית במהירות משתנה w/  ראש משאבה Easy-Load IIMasterflexHV-77916-20משאבה פריסטלטית
MATLABMathworksR2019
חולץ מיקרופיפטה P-1000Sutter Instrumentsחולץ נימי
תא מיקרוטנסיומטר ותא מחזיקבמכונה מ-PEEK, מחזיק במכונה מאלומיניום, ראה איור 3 ו-4
מיקרוטנסיומטר אובייקטניקוןפלואור 20x/0.50W DIC M/N2 ∞/0 WD 2.0 מ"מ
NI מודול פיתוח חזוןמכשירים לאומייםנדרשים לממשק וירטואלי
CPM אביזרי אצבעות הדוקיםIDEXF-120x10-32 יציאות קונד
תקעPEEK IDEXP-55110-31 יציאות קונד
קצות פיפטהEppendorf22492225100 μ L - 1000 μ L,
מלקחיים מפלסטיקתרמו מדעי6320-0010
מזרק פלסטיקפישר סיינטיפיק14-955-45910 מ"ל
שסתומים תלת כיווניים פישר סיינטיפיק וחלקי אינסטלציה אחרים לחיבור צינורות.
Research Plus ערוץ אחד 100 μ L– 1000 μ LEppendorf3123000063מיקרו פיפטר
חומצה גופרתיתכלמשמש לתמיסת ניקוי חומצה
T תוכנית SLWD 20x/0.30 OFN25 WD 30 מ"ממיקרוסקופ קונפוקלי ניקוןאובייקטיבי
טקסס אדום DHPE מלח טריאתילאמוניםתרמו פישר מדעי1395MPפלואורופור
משאבת ואקוםGastDOA-P704-AA
צינורות תמיסת מיקרוסקופ קונפוקלי פלואורואלסטומר חיטוי חלקי אינסטלציה

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Freer, E. M., Yim, K. S., Fuller, G. G., Radke, C. J. Interfacial rheology of globular and flexible proteins at the hexadecane/water interface: Comparison of shear and dilatation deformation. Journal of Physical Chemistry B. 108 (12), 3835-3844 (2004).
  2. Freer, E. M., Yim, K. S., Fuller, G. G., Radke, C. J.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Microtensiometer VisualizationConfocal MicroscopyDynamic InterfacesSurface Tension MeasurementCapillary PressureSurfactant AdsorptionBubble Interface ImagingDilatational ModulusLung SurfactantFluid Fluid Interfaces

Related Articles