Methodenartikel

Combinatie van Microfluidics en Microrheology om te bepalen de Rheologische eigenschappen van zachte materie tijdens herhaalde fase-overgangen

7.9K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/57429

⸱

19 april 2018

 ,  ,  , 
1Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Lehigh University, 2Process and Engineering Development, Procter & Gamble Co.

In dit artikel

Samenvatting

We laten zien dat de fabricage en het gebruik van een microfluidic apparaat waarmee meerdere deeltje bijhouden microrheology afmetingen om te bestuderen van de reologische effecten van herhaalde fase-overgangen op zachte materie.

Samenvatting

De microstructuur van zachte materie rechtstreeks invloed op macroscopische Rheologische eigenschappen en kan worden gewijzigd door factoren met inbegrip van colloïdale omlegging tijdens vorige fase veranderingen en schuintrekken toegepast. Om te bepalen van de omvang van deze veranderingen, hebben we een microfluidic apparaat dat hiermee herhaald fase-overgangen geïnduceerd door uitwisseling van de omliggende vloeistof en microrheological karakterisatie terwijl het beperken van de afschuiving van de steekproef. Deze techniek is µ2reologie, de combinatie van microfluidics en microrheology. Het microfluidic-apparaat is een twee-laag ontwerp met symmetrische inlaat stromen een monsterkamer waarmee het gel monster in plaats tijdens vloeistof uitwisseling invoeren. Zuig toepasbaar zijn ver weg van de monsterkamer om te trekken van vloeistoffen in de monsterkamer. Rheologische eigenschappen van het materiaal worden gekarakteriseerd met behulp van meerdere deeltje bijhouden van microrheology (MPT). In MPT, fluorescente sonde deeltjes zijn ingebed in het materiaal en de Brownse beweging van de sondes is opgenomen met behulp van videomicroscopie. De beweging van de deeltjes wordt bijgehouden en de verplaatsing van gemiddelde van het kwadraat (MSD) wordt berekend. De MSD is gerelateerd aan macroscopische Rheologische eigenschappen, met behulp van de Generalized Stokes-Einstein relatie. De fase van het materiaal in vergelijking tot de kritische ontspanning exponent is aangeduid, bepaald met behulp van tijd-cure superpositie. Metingen van een vezelige colloïdale gel illustreren het nut van de techniek. Deze gel heeft een fijne structuur die onherroepelijk kan worden gewijzigd wanneer schuintrekken wordt toegepast. µ2reologie gegevens blijkt dat het materiaal herhaaldelijk equilibrates naar de dezelfde Rheologische eigenschappen na elke faseovergang, die aangeeft dat fase-overgangen niet een rol in microstructurele veranderingen spelen. Om te bepalen van de rol van shear, kunnen monsters worden schuingetrokken vóór injectie in onze microfluidic-apparaat. µ2reologie is een breed toepasbaar techniek voor de karakterisering van zachte materie waardoor de bepaling van Rheologische eigenschappen van delicate microstructuren in één sample tijdens fase-overgangen in antwoord op herhaalde veranderingen in de omringende milieu-omstandigheden.

Inleiding

Fase-overgangen in zachte materie kunnen wijzigen de structuur van de steiger, hetgeen zijn weerslag in de verwerking en definitieve stabiliteit van het materiaal1,2,3 heeft. De karakterisering van zachte materialen tijdens dynamische fase-overgangen bevat essentiële informatie over de relatie tussen structurele evolutie en evenwicht structuur en reologische eigenschappen. Bijvoorbeeld, vereisen veel thuiszorg producten een fase verandering tijdens gebruik door de consument. Ook tijdens de fabricage, kan verwerking van stappen, met inbegrip van verdunning en vermenging, schuintrekken beïnvloeden de Rheologische eigenschappen en de uiteindelijke microstructuur van het product geven. Inzicht in de Rheologische eigenschappen in een fase verandering zorgt ervoor dat het product wordt uitgevoerd zoals ontworpen. Bovendien als krachten de startende reologie van het materiaal tijdens het productieproces wijzigt, fase-overgangen kunnen onverwachte en ongewenste resultaten opleveren, veranderen de beoogde functie en doeltreffendheid. Op het punt van de kritische gelering, gedefinieerd als het punt waar het materiaal van een oplossing van de bijbehorende colloïden of polymeren met een monster-spanning gel netwerk overgangen, materiaaleigenschappen drastisch veranderen met lichte wijzigingen aan vereniging. Elke wijziging van de structuur op het punt van de kritische gel kan invloed hebben op het eindproduct4. Tijdens deze dynamische overgangen, zachte materialen hebben zwakke mechanische eigenschappen en metingen die gebruikmaken van klassieke experimentele technieken kunnen worden binnen de meting lawaai limiet5,6,7. Voor deze, technieken zoals microrheology, die gevoelig is in het lage moduli bereik (10-3 - 4 Pa), worden gebruikt voor het karakteriseren van de zwakke beginnende gel tijdens dynamische evolutie. Sommige materialen zijn gevoelig voor veranderingen in de microstructuur als gevolg van externe krachten, die een uitdaging tijdens karakterisering, zoals elke overdracht van materiaal of vloeistof kan invloed hebben op de structuur en, uiteindelijk, de uiteindelijke eigenschappen van het materiaal. Om te voorkomen dat de materiële microstructuur te veranderen, hebben we een microfluidic apparaat die het milieu vloeistof rond een steekproef uitwisselen kunt terwijl het minimaliseren van shear. Door de vloeistof milieu uit te wisselen, worden wijzigingen in Rheologische eigenschappen en microstructuur gemeten tijdens fase-overgangen met minimale bijdragen van shear. Het apparaat wordt gecombineerd met meerdere deeltjes bijhouden van microrheology (MPT) in een techniek genaamd µ2reologie. Deze techniek wordt gebruikt voor het kwantificeren van materiaaleigenschappen tijdens opeenvolgende fase wijzigingen van een gel in reactie op een externe drijvende kracht. De techniek wordt geïllustreerd met behulp van een vezelige colloïdale gel, gehydrogeneerde ricinusolie (HCO)9,10,11.

Gel steigers kunnen ondergaan veranderingen in associatie en dissociatie als gevolg van hun monster milieu12,13,14,15. De drijvende kracht voor gelering en afbraak specifieke materiaal zijn en moeten worden aangepast voor elk materiaal van belang. µ2reologie kan worden gebruikt voor het karakteriseren van gel systemen die op externe prikkels reageren, met inbegrip van colloïdale en polymere netwerken. Wijziging van de pH, osmotische druk of zoutconcentratie zijn voorbeelden van de drijvende krachten die de veranderingen in de materiële microstructuur kunnen veroorzaken. Bijvoorbeeld, ondergaat HCO gecontroleerde fase-overgangen door het creëren van een verloop van de osmotische druk. Als een geconcentreerde HCO gel monster (4 wt % HCO) is ondergedompeld in water, verzwakken de aantrekkelijke krachten tussen colloïdale deeltjes, achteruitgang veroorzaakt. Als alternatief, wanneer een verdunde oplossing van HCO (0,125 wt % HCO) contact wordt opgenomen met een hydrofiele materiaal (hierna aangeduid als de Geleermiddel en samengesteld uit meestal glycerine en oppervlakteactieve stof), de aantrekkelijke gedwongen terugkeer, gelering veroorzaakt. Dit gel systeem zal worden gebruikt om de werking van het apparaat als een instrument voor het meten van de opeenvolgende fase-overgangen op een monster9,10. Karakteriseren deze gel steigers tijdens dynamische overgangen en de delicate beginnende gel structuur tijdens de kritieke fase-overgang, gebruiken we MPT te karakteriseren deze materialen met hoge spatio-temporele resolutie.

Microrheology wordt gebruikt om de eigenschappen van de gel en structuur, met name op de kritische overgang, van een matrix van zachte materialen, met inbegrip van colloïdale en polymere gels5,,6,,9,16te bepalen. MPT is een passieve microrheological-techniek die gebruikt videomicroscopie naar record de Brownse beweging van fluorescente sonde deeltjes ingebed in een steekproef. De posities van de deeltjes in de video's zijn het juist vastbesloten om binnen 1/10th van een pixel met klassieke algoritmen17,18bijhouden. Het ensemble gemiddeld verplaatsing gemiddelde van het kwadraat (MSD, (Δr2(t))) wordt berekend op basis van deze trajecten deeltje. De MSD is gerelateerd aan de eigenschappen van het materiaal, zoals de kruip naleving, gebruik van de Generalized Stokes-Einstein relatie17,19,20,21,22, 23. De staat van het materiaal wordt bepaald door berekening van de logaritmische helling van de MSD-curve als een functie van de vertragingstijd, α,

figure-introduction-1

t is waar de vertragingstijd, en vergelijken met de kritieke ontspanning exponent, n. n is bepaald met behulp van tijd-cure superpositie, een goed gedocumenteerde techniek die werd gewijzigd om MPT gegevens te analyseren door Larsen en Furst6. Door vergelijking van n naar α is de staat van het materiaal kwantitatief bepaald. Als α > n het materiaal is een sol, en wanneer α < n het materiaal is een gel. Vorige werk heeft het HCO-systeem met behulp van microrheology om te bepalen van de kritische ontspanning exponent9gekenmerkt. Met behulp van deze informatie, bepalen wij precies wanneer het materiaal overgangen van een gel een Sol tijdens een experiment. Bovendien, kan de niet-Gaussiaans parameter, αNG, worden berekend om te bepalen van de omvang van de structurele heterogeniteit van een systeem,

figure-introduction-2

waar is Δx(t) de beweging van de eendimensionale deeltje in de x -richting. Met behulp van MPT, kunnen wij een enkele fase-overgang karakteriseren, maar door het karakteriseren van materialen met MPT in een microfluidic apparaat, zijn wij in staat om te manipuleren van de vloeistof omgeving en gegevens verzamelen van verschillende fase-overgangen van een steekproef van enkele gel.

Dit microfluidic apparaat is ontworpen voor het onderzoeken van de kritische overgangen van een steekproef van enkele gel die fase veranderingen in reactie op veranderingen in de omgeving van de vloeistof ondergaat. De uitwisseling van apparaat vloeistof rondom het monster wanneer it's either in de gel of sol staat door het blokkeren van het monster in plaats voor het opwekken van een faseovergang terwijl het minimaliseren van shear. Een oplosmiddel bekken bevindt zich direct boven de monsterkamer, die zijn verbonden door zes symmetrisch verdeelde inlaat kanalen. Deze symmetrie zorgt voor de uitwisseling van de vloeistof uit het oplosmiddel bekken aan de monsterkamer terwijl het creëren van gelijke druk rond het monster, locken in plaats. Zijn er verschillende studies die deze techniek voor één deeltje en DNA overlapping gebruiken, maar dit werk Hiermee schaalt u het volume van afzonderlijke moleculen aan samples die ongeveer 10 µL24,25,26. Dit unieke ontwerp kunt ook real-time microrheological karakterisering tijdens fase-overgangen.

µ2reologie is een robuuste techniek die geldt voor veel zachte materie systemen. De techniek die in dit artikel wordt beschreven is ontworpen voor colloïdale gels, maar het kan gemakkelijk worden aangepast aan andere materialen zoals polymeer of micellaire oplossingen. Met deze techniek, wij bepalen niet alleen hoe faseovergangen invloed zijn op de materiaaleigenschappen van evenwicht, maar ook hoe verschillende stappen kunnen hebben blijvende gevolgen voor de Rheologische evolutie van het materiaal en de structuur van de definitieve steiger en Eigenschappen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. fabricage van het Microfluidic-apparaat

  1. Microfluidic stempel fabricage.
    Opmerking: Deze stap vereist het gebruik van vluchtige materialen en moet gebeuren in een chemische zuurkast.
    1. Gebruik een negatieve gedrukte ontwerp met dezelfde afmetingen als het glasplaatje (75 × 50 mm), de kanalen wit gekleurd, en de achtergrond kleur zwart (Zie Figuur 1). Dit ontwerp op een duidelijke acetaat vel (transparantie) met een resolutie van 1200 dpi afdrukken.
    2. Als het donkere gedeelte van de transparantie staat nog steeds licht door, laag aantal negatieven en houden met behulp van dubbele dubbelzijdige tape.
    3. Zet op de hoge intensiteit ultraviolet (UV) licht bron en laat het opwarmen naar een constante output (ongeveer 30 min).
      Opmerking: UV beschermende brillen moet gedragen worden bij het gebruik van de hoge intensiteit UV-lichtbron.
    4. Vul drie 150 mL petrischaaltjes met aceton, ethanol en gedestilleerd water.
    5. Plaats een lege transparantie op een vlakke ondergrond, dicht bij de hoge output UV-bron, maar niet direct onder de UV-licht. Dit zorgt voor een uitvalsbasis om de stempel van de microfluidic.
    6. Een overzicht van de hoeken van een 75 × 50 mm glasplaatje in het midden van de lege transparantie met behulp van een permanent marker en plaats vier glazen spacers (ongeveer 30 × 30 × 1 mm) in de hoeken van de aangegeven rechthoek.
    7. Giet ongeveer 5 mL van UV drogende thiol: Ono hars in het midden van de afstandhouders, dan zorgvuldig plaatst een 75 x 50 x 1 mm glasplaatje op het glas afstandhouders, zodat de lijm is volledig wordt bedekt door het glasplaatje met geen luchtbellen.
    8. Plaats de transparantie met gedrukte negatief op de top van het glasplaatje en verplaatsen van alle bovenstaande onderdelen (van beneden naar boven: lege transparantie, glas spacers en UV lijm glasplaatje en negatieve transparant) door te slepen de lege transparantie zorgvuldig onder de UV-lichtbron.
    9. Laat de UV licht schijnen door het negatieve naar de hars en de remedie. De genezing tijd kan worden aangepast als de hoogte van het kanaal wilt wijzigen. Een 45 s genezing tijd resultaten in een kanaal hoogte van 1 mm, met behulp van onze lichtbron.
    10. De onderdelen afgestapt van de UV-bron en verwijder de negatieve gedrukte transparantie en glasplaatje. Het glasplaatje met het vervaardigd in UV lijm kanalen zal nu worden hierna aangeduid als de microfluidic-stempel.
    11. Gooi de transparantie en glas afstandhouders.
    12. Dompel het stempel van de microfluidic in het bad van aceton, gevolgd door de ethanol-bad. Herhaal deze stap tweemaal. Aceton zal degraderen de UV lijm, dus laat geen aceton op de tijdstempel voor groter is dan 10 s.
    13. Houd de stempel en dompelen de stempel in het water en gebruik een wattenstaafje om te verwijderen van de rest van de spoorverontreiniging hars. Doen niet direct veeg de uitgeharde porties, als het zal de kanalen ruwe.
    14. Leg de stempel op een papieren handdoek en terugkeren naar de UV-bron voor ten minste 30 minuten om volledig genezen.
  2. Polydimethylsiloxaan (PDMS) molding
    1. 70 g gekristalliseerd PDMS base giet in een duidelijke kop en de cross-linking agent toe te voegen aan de basis in een massaverhouding van 1:10 crosslinker te baseren. Dit zijn de aanbevolen ratio's van de fabrikant. Gebruik geen een glazen container.
    2. Meng de cross-linker en baseren grondig met een metalen roerder; het mengsel moet troebel als gevolg van prikroller luchtbellen zodra goed gemengd.
    3. De PDMS gestoken door een vacuüm oven en haal vacuüm op de gemengde PDMS. Vacuüm uitschakelen als de oplossing begint te overflow uit de beker, dan vacuüm worden hervat nadat de overflow afneemt. De totale druk in de vacuüm oven maakt niet uit, als het vacuüm alleen het ontgassen versnelt. Laat in de kamer totdat alle bubbels zijn geëvacueerd uit het mengsel (ongeveer 60 min).
    4. Plaats de microfluidic stempel in een lege 150 mm diameter kunststof petrischaal, vervolgens langzaam giet het PDMS in de petrischaal, volledig die betrekking hebben op de stempel van de microfluidic. Giet dicht onder de oppervlakte van de petrischaal om te minimaliseren van de bubbels in het PDMS te hervormen.
    5. Bedek de petrischaal en zet in een oven van 55 ° C's nachts om te genezen. Eenmaal volledig genezen, knip het patroon PDMS gebruikend een mes en verwijderen uit de stempel. Overtollige PDMS behouden voor de bouw van het oplosmiddel bekken (Protocol stap 1.6.3) en PDMS stoppers (Protocol stap 2.2.1.1).
    6. Met behulp van een 0,5 mm biopsy punch, snij gaatjes in de volgende locaties: één op elke hoek, één in de zuig kamer in de buurt van de rand van het kanaal, zes in de monsterkamer symmetrisch geplaatst 60° uit elkaar, en een in het midden van de monsterkamer. Om ervoor te zorgen afdrukken symmetrisch geplaatste gaten een patroon op een vel papier en plaats onder de monsterkamer. Aangezien de PDMS duidelijk is, kunt u gemakkelijk zien waar de gaten moeten worden geplaatst.
  3. Bereiding van de oplossing van de sol-gel om te maken van glazen wanden in microfluidic apparaat
    1. In een pot van 100 mL, voeg 90% ethanol, 25 mL pH 4 (0.0001 M) 25 mL zoutzuur, 25 mL voor 98% tetraethoxysilane en 25 mL van 98% methyltriethoxysilane. Plaats de 100 mL oplossing, nu de preconverted vloeistof, in de magnetron genoemd aan het licht voor 10 seconden, dan plaats in een 80 ° C's nachts gebracht.
  4. Apparaat vergadering
    1. Plaats zowel de patroon PDMS en een 75 × 50 × 0.10 mm dia naar de plasma reiniger glas en de 3-wegkraan ingesteld op de uit-stand.
    2. Zet op de vacuümpomp en laat een minuut te evacueren van de kamer.
    3. Zet de 3-wegkraan om stromen controller positie en laat de kamer equilibreer gedurende 5 seconden. De stroom verantwoordelijke positie laat een klein debiet van lucht naar het invoeren van het schoner, plasma laag genoeg te houden van de zaal op lage druk. Zet de schakelaar van de radiofrequentie (RF) op gemiddeld gedurende 40 seconden, dan de RF schakelaar en vacuümpomp uitschakelen.
    4. Plaats de 3-wegkraan naar de open positie terug te keren van de kamer naar de atmosferische omstandigheden. Verwijder de patroon dia voor PDMS en glas.
    5. Zorgvuldig de patroon PDMS aan het glasplaatje houden door de invoering van de twee oppervlakken met elkaar in contact.
    6. Het toepassen van UV drogende hars op de naden rond het patroon PDMS en remedie voor 5 min onder lage intensiteit UV-licht.
  5. Fabricage van glazen wanden in de kanalen van de microfluidic.
    Opmerking: Deze stap moet worden voltooid binnen 30 minuten van plasma behandeling, zoals zij beroept zich op PDMS oppervlak veranderingen die zich tijdens de plasma behandeling voordoen. De dikte van de laag zullen ongeveer 5-10 µm. Deze stap vereist het gebruik van vluchtige materialen en moet gebeuren in een chemische zuurkast.
    1. Een kookplaat ingesteld op 100 ° C en vier spuiten (drie 30 mL en één 3 mL) met 18 gauge naalden en ongeveer 30 cm lengte van duidelijk Thermoplastische buizen te bereiden.
    2. Vul drie 30 mL spuiten met ethanol, chloroform en lucht, respectievelijk. Vul één 3 mL spuit met preconverted vloeistof (uit Protocol stap 1.3.1.)
    3. Plaats duidelijk Thermoplastische buizen met behulp van roestvrij staal connectoren in elk van de gaten in het patroon PDMS, met uitzondering van één hoek gat. Dit gat zal worden gebruikt als een inham, terwijl alle anderen verkooppunten zullen.
    4. Vul het microfluidic-apparaat met preconverted vloeistof uit de spuit, dan plaatst u het microfluidic op de 100 ° C hete plaat zodat het onderste glas het oppervlak van de verwarmingsplaat raakt.
    5. Stromen van 3 mL preconverted vloeistof via het microfluidic apparaat gedurende 10 seconden. De dikte van de wanden van glas is aangepast door het veranderen van het debiet van de preconverted vloeistof.
    6. Verwijder het apparaat van de microfluidic van de kookplaat. Vervangen van de spuit preconverted oplossing met de lucht spuit en eventuele overtollige preconverted vocht uitduwen.
    7. Vervang de lucht spuit met de chloroform spuit en 15 mL chloroform langzaam doorstromen in het microfluidic-apparaat. Vervang de chloroform spuit met de spuit ethanol en 30 mL ethanol langzaam doorstromen in het microfluidic-apparaat. Deze stappen moeten nemen ongeveer 1 minuut.
    8. Vervangen door de ethanol spuit de lucht spuit en stroom lucht via het microfluidic apparaat tot droog.
  6. Toepassing van glazen ondersteunt en oplosmiddel bekken
    1. Knippen van 75 × 10 × 1 mm glas stroken glas van 75 × 25 × 1 mm dia's.
    2. Toepassing UV drogende hars op de stroken glas. Plaats het apparaat van de microfluidic op de strips, met de PDMS zijde naar boven. Verplaats onder lage intensiteit UV-lichtbron voor 5 minuten.
    3. Snijd een 30 × 30 mm vierkant PDMS. Met behulp van een biopsie punch, een gat groot genoeg ter dekking van de monsterkamer 10 mm.
    4. Plaats het PDMS vierkante en microfluidic apparaat in het plasma schoner, dan zet de 3-wegkraan in de uit-stand en zet de vacuümpomp.
    5. Toestaan dat een minuut te evacueren van de kamer. De 3-wegkraan naar de stroom controller positie en laat de kamer equilibreer gedurende 5 seconden.
    6. Zet RF schakelaar op gemiddeld gedurende 40 seconden, dan uitzetten RF schakelaar en vacuümpomp.
    7. Plaats de 3-wegkraan naar de open positie terug te keren van de kamer naar de atmosferische omstandigheden.
    8. Verwijder het oplosmiddel bekken en microfluidic apparaat van de plasma-zaal en houden door contact met de oppervlakken. Zorg ervoor dat het oplosmiddel bekken op de monsterkamer plaatst.

2. µ2reologie Procedure

  1. Bereiding van de monsters van de zachte materie
    1. Wassen sonde deeltjes
      1. Pipetteer water en 0,5 µm sondes in een buis van de microcentrifuge bij een verhouding van water tot sondes van 10:1. Meng grondig met behulp van Pipetteer mengen, dan plaatst u de buis microcentrifuge in de microcentrifuge en de spin op 4600 x g gedurende 10 minuten.
        Opmerking: De sonde-oplossing gebruikt bij dit werk wordt opgeschort in water met een initiële concentratie van 2,6% vaste stoffen/volume ontvangen, en de uiteindelijke concentratie van sondes gebruikt in de steekproef is 0,1% vaste stoffen/volume.
      2. Verwijder de microcentrifuge buis en de pipet uit het supernatant. De bovendrijvende substantie vervangen door DI water. Herhaal centrifugeren voor een totaal van drie keer.
      3. Plaats microcentrifuge buis in het ultrasoonapparaat en bewerk ultrasone trillingen ten op lage gedurende 15 minuten te verwijderen elke aggregaten.
    2. Combineren sondes en zachte materie.
      Opmerking: Voor deze procedure een colloïdale gel werd gebruikt als het monster zachte materie.
      1. Op een 75 × 50 mm glasplaatje, meet 1 mL monstermateriaal. Pipetteer 40 µL van sonde oplossing in het midden van het monster.
      2. Vouw voorzichtig het monster met een metalen spatel tot volledig gecombineerd. Schep het monster in een microcentrifuge buis en centrifugeer bij 2340 x g gedurende 15 s prikroller lucht te verwijderen.
      3. Vul een spuit van 1 mL, is voorzien van een 18 gauge naald en duidelijk thermoplastische slang met sonde/HCO mengsel.
  2. Opeenvolgende fase-overgangen geïnduceerd door vloeistof uitwisseling
    1. Vullen van het microfluidic-apparaat
      1. Als wilt maken PDMS stoppen, snij met behulp van overtollige PDMS van Protocol stap 1.2.5, een 5 mm vierkante sectie voor PDMS. Met behulp van een 0,5 mm diameter biopsy punch, gat een halverwege in de PDMS stop. Steek de connector van een roestvrij staal in de 0,5 mm diameter gat.
      2. Thermoplastische buizen sluit aan op drie van de hoek inlaat kanalen en het kanaal van de outlet zuig kamer. Het apparaat volledig wordt gevuld met water met behulp van een injectiespuit aangesloten op het apparaat. Zorgen er geen luchtbellen in de monsterkamer of in de kanalen microfluidic. Het blokkeren van het resterende gat van de hoek met de PDMS stoppers.
      3. Het oplosmiddel bekken moet gedeeltelijk worden gevuld uit stap 2.2.1.2; Als het niet is ingevuld, wordt het oplosmiddel bekken met water vullen.
      4. Met behulp van de spuit uit Protocol stap 2.1.2.3, 10 µL van sonde voor het nemen/mengsel door het middenkanaal injecteren in de monsterkamer op ongeveer 2 µL/s, gebruik dan een stopper PDMS te blokkeren van het middenkanaal in de monsterkamer.
    2. Verzamelen van gegevens van de microrheological
      1. Schakel de camera-instellingen die geoptimaliseerd om te minimaliseren van statische en dynamische deeltje voor het bijhouden van fouten, dan ga naar de 63 × water onderdompeling doelstelling en Pipetteer een druppel water op de lens.
      2. Plaats van het microfluidic-apparaat in het werkgebied van de Microscoop en de doelstelling te verhogen totdat het is gericht op het monster.
      3. Video's van de Brownse beweging van de sondes nemen tijdsintervallen geschikt is voor de totale lengte van de verandering van een fase. Gelering, blijven video's nemen totdat de beweging van de sonde is volledig gestopt.
        Opmerking: Wij verzamelen gegevens elke 10 min. Als we met een aantasting van het experiment beginnen, worden de gegevens verzameld totdat de sondes zijn volledig verspreiden.
    3. Uitwisselen van vloeistoffen in de monsterkamer (zwaartekracht stroom, uitwisseling van lagere dichtheid vloeistoffen met vloeistoffen met hogere dichtheid)
      1. Verwijder het apparaat van microfluidic vanaf het stadium van de Microscoop.
      2. Zuig het water uit het oplosmiddel bekken met behulp van een precisiepipet overdracht en Pipetteer 4 mL van hogere dichtheid vloeistof in het oplosmiddel bekken.
      3. Het microfluidic-apparaat terug naar de Microscoop fase en herhaal stap 2.2.2.3
    4. Uitwisselen van vloeistoffen in de monsterkamer (zuig stroom, uitwisseling van hogere dichtheid vloeistoffen met lagere dichtheid vloeistoffen)
      1. Verwijder het apparaat microfluidic vanaf het stadium van de Microscoop en de PDMS stop de zuig zaal uit.
      2. Invoegen van een injectiespuit voorzien van een 18 gauge naald en duidelijk Thermoplastische buizen naar de zuig kamer kanaal, en haak de injectiespuit tot een spuitpomp. Stel de spuitpomp te trekken op 1 mL/min.
      3. Verwijderen van overtollige Geleermiddel in het oplosmiddel bekken en spoel driemaal met water door het oplosmiddel bekken te vullen en vervolgens suctioning uit de vloeistof spoelen.
      4. Begin zuig met de spuitpomp terwijl het toevoegen van water aan het oplosmiddel bekken voor één minuut. Laat niet het oplosmiddel bekken lege volledig, zoals dit lucht in de monsterkamer trekken zal.
      5. De spuit uit het microfluidic-apparaat verwijderen en vervangen van de PDMS stop op de zuig kamer.
      6. Het microfluidic-apparaat terug naar de Microscoop fase en nemen van monsters
  3. Blijven nemen van monsters met regelmatige tussenpozen tijdens afbraak/gelering cycli totdat het gewenste aantal cycli is voltooid of er onvoldoende sondes voor het meten zijn.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Een twee-lagen microfluidic-apparaat wordt geconstrueerd met PDMS (Figuur 1a, b), die is patroon op een postzegel microfluidic. Het ontwerp van de stempel is afgebeeld in Figuur 1c. Onjuiste experimentele opstelling kan leiden tot zowel in fouten in passieve microrheology en microfluidic-stromen gedurende de omringende vloeistof exchange (Figuur 2). Voorbeelden van o...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Het twee-laag microfluidic apparaat (Figuur 1) kan gemakkelijk worden gemaakt door de volgende goedgedocumenteerde microfluidic fabricage technieken29. Glas ondersteunt worden toegevoegd aan de onderzijde van het apparaat te verminderen vibrationele gevolgen voor verkeer van de sonde. Het glasplaatje is zeer dunne (0,10 mm) om de afstand van de Microscoop doelstelling tegemoet te komen. Dit maakt het apparaat gevoelig voor kleine trillingen in de bouw en de voorbeeldo...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

Er zijn geen informatieverschaffing voor dit werk.

Dankbetuigingen

Financiering voor dit werk werd verzorgd door de Procter & Gamble Co. en de American Chemical Society Petroleum Research Fund (54462-DNI7). Erkenning geschiedt aan de donoren van de American Chemical Society Petroleum Research Fund voor gedeeltelijke ondersteuning van dit onderzoek. De auteurs wil erkennen van Dr. Marco Caggioni voor nuttige discussies.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
150 x 15 mm Petri DishCorning, Inc.351058
75 x 50 x 0.15 mm glazen plaatjeFisher ScientificCustom
75 x 50 x 1.0 mm glazen plaatjeFisher Scientific12-550-C
75 x 25 x 1.0 mm glazen plaatjeFisher Scientific12-550-A3
22 x 22 glazen dekglasjesFisher Scientific12-542-B
Aceton, 99,5%VWR Analytical67-64-1
UV-bron met lage intensiteitUVPUVL-56
Chloroform, 99,9%Fisher ChemicalC298-500
WattenstaafjesQ-tips83289205
Ethanol, 90%Fisher ChemicalA962-4
Fluoresbrite® YG Carboxylate Microspheres 0.50µmPolysciences, Inc. 15700-10
UV-lamp met hoge intensiteitSpectroline Corp.SB-100P
VerwarmingsplaatCorning, Inc.PC-420
Zoutzuur, 6NRicca Chemical Company3750-32
Methyltriethyoxysilaan, 98%Acros Organics174622500
MicrocentrifugeEppendorf5424
Plasma cleanerHarrick Plasma, Inc.PDC-32G
Polydimethylsiloxaan (PDMS)Robert McKwown Company2065622
SonicatorBranson, Emerson Electric1800
Stalen connectoren, ID 0,023 inchNew England Small Tube Corp.Custom
Tetraethoxysilaan, 98%Alfa AesarA14965
Thiol-eenhars (UV-uithardbaar)Norland Products, Inc. NOA81
TransparantieStaples Inc. 21828
Tygon-slang, ID 1/32 inchMcMaster-CarrE-3603
VacuumovenFisher Scientific282A
Biopsiepons 8 mmWorld Precision Instruments504535
Biopsiepons 0,5 mmWorld Precision Instruments504528
Spuit, 30 mLBD309659
Spuit, 3 mLBD309651
Naald, 18 gaugeBD305195
Microcentrifugebuis, 1,5 mLEppendorf22-36-320-4
HogesnelheidscameraVision ResearchMiro M120 
MicroscoopCarl Zeiss AGZeiss Observer, Z1
SpuitpompNew Era Pump SystemsNE-300
Gehydrogeneerde ricinusolieProcter & GambleN/A
Afício MP 6002-printerRicoh Company, Ltd.415877

Referenties

  1. Mitchell, P. Microfluidics-downsizing large-scale biology. Nat. Biotech. 19, 717-721 (2001).
  2. Haber, C. Microfluidics in commercial applications; an industry perspective. Lab Chip. 6, 1118-1121 (2006).
  3. Whitesides, G. M. The origins and the future of microfluidics. Nature. 442, 368-373 (2006).
  4. Huang, X., Raghavan, S. R., Terech, P., Weiss, R. G. Distinct kinetic pathways generate organogel networks with contrasting fractality and thixotropic properties. J. Am. Chem. Soc. 128, 15341-15352 (2006).
  5. Larsen, T. H., Schultz, K. M., Furst, E. M. Hydrogel microrheology near the liquid-solid transition. Korea-Aust. Rheol. J. 20, 165-173 (2008).
  6. Larsen, T. H., Furst, E. M. Microrheology of the liquid-solid transition during gelation. Phys. Rev. Lett. 100, 146001(2008).
  7. Schultz, K. M., Baldwin, A. D., Kiick, K. L., Furst, E. M. Rapid rheological screening to identify conditions of biomaterial hydrogelation. Soft Matter. 5, 740-742 (2009).
  8. Switzer, L. H., Klingenberg, D. J. Flocculation in simulations of sheared fiber suspensions. Int. J. Multiph. Flow. 30, 67-87 (2004).
  9. Wehrman, M. D., Lindberg, S., Schultz, K. M. Quantifying the dynamic transition of hydrogenated castor oil gels measured via multiple particle tracking microrheology. Soft Matter. 12, 6463-6472 (2016).
  10. Wehrman, M. D., Milstrey, M. J., Lindberg, S., Schultz, K. M. Using µ2rheology to quantify rheological properties during repeated reversible phase transitions of soft matter. Lab Chip. 17, 2085-2094 (2017).
  11. Wehrman, M. D., Lindberg, S. E., Schultz, K. M. Impact of shear on the structure and rheological properties of a hydrogenated castor oil colloidal gel during dynamic phase transitions. J. Rheol. , (2018).
  12. Loh, X. J. Dual-responsive "reversible micelles". J. Appl. Polym. Sci. 127, 992-1000 (2013).
  13. Kern, F., Zana, R., Candau, S. J. Rheological properties of semidilute and concentrated aqueous solutions of cetyltrimethylammonium chloride in the presence of sodium salicylate and sodium chloride. Langmuir. 7, 1344-1351 (1991).
  14. Trappe, V., Prasad, V., Cipelletti, L., Segre, P. N., Weitz, D. A. Jamming phase diagram for attractive particles. Nature. 411, 772-775 (2001).
  15. Philipse, A. P., Wierenga, A. M. On the density and structure formation in gels and clusters of colloidal rods and fibers. Langmuir. 14, 49-54 (1998).
  16. Schultz, K. M., Bayles, A. V., Baldwin, A. D., Kiick, K. L., Furst, E. M. Rapid, high resolution screening of biomaterial hydrogelators by mu2rheology. Biomacromolecules. 12, 4178-4182 (2011).
  17. Crocker, J. C., Grier, D. G. Methods of digital video microscopy for colloidal studies. J. Colloid Interface Sci. 179, 298-310 (1996).
  18. Crocker, J. C., Weeks, E. R. Particle tracking using IDL. , Available from: http://www.physics.emory.edu/faculty/weeks//idl/tracking.html (2011).
  19. Mason, T. G. Estimating the viscoelastic moduli of complex fluids using the generalized Stokes--Einstein equation. Rheol. Actac. 39, 371-378 (2000).
  20. Mason, T. G., Ganesan, K., van Zanten, J. H., Wirtz, D., Kuo, S. C. Particle tracking microrheology of complex fluids. Phys. Rev. Lett. 79, 3282-3285 (1997).
  21. Mason, T. G., Weitz, D. A. Optical measurements of frequency-dependent linear viscoelastic moduli of complex fluids. Phys. Rev. Lett. 74, 1250-1253 (1995).
  22. Squires, T. M., Mason, T. G. Fluid mechanics of microrheology. Annu. Rev. Fluid Mech. 42, 413-438 (2010).
  23. Gittes, F., Schnurr, B., Olmsted, P. D., MacKintosh, F. C., Schmidt, C. F. Microscopic viscoelasticity: shear moduli of soft materials determined from thermal fluctuations. Phys. Rev. Lett. 79, 3286-3289 (1997).
  24. Mai, D. J., Brockman, C., Schroeder, C. M. Microfluidic systems for single DNA dynamics. Soft Matter. 8 (41), 10560-10572 (2012).
  25. Tanyeri, M., Ranka, M., Sittipolkul, N., Schroeder, C. M. A microfluidic-based hydrodynamic trap: design and implementation. Lab Chip. 11, 1786-1794 (2011).
  26. Lee, J. S., Dylla-Spears, R., Teclemariam, N. P., Muller, S. J. Microfluidic four-roll mill for all flow types. Appl. Phys. Lett. 90, 074103(2007).
  27. Crocker, J. C., Grier, D. G. Methods of digital video microscopy for colloidal studies. J. Colloid Interface Sci. 179 (1), 298-310 (1996).
  28. Mason, T. G., Weitz, D. Optical measurements of frequency-dependent linear viscoelastic moduli of complex fluids. Phys. Rev. Lett. 74 (7), 1250(1995).
  29. Schultz, K. M., Furst, E. M. High-throughput rheology in a microfluidic device. Lab on a chip. 11, 3802-3809 (2011).
  30. Abate, A. R., Lee, D., Do, T., Holtze, C., Weitz, D. A. Glass coating for PDMS microfluidic channels by sol-gel methods. Lab Chip. 8, 516-518 (2008).
  31. Happel, J., Brenner, H. Low Reynolds Number Hydrodynamics: with special applications to particulate media. , Prentice-Hall. (1965).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Microflu dische microrheologierheologie van zachte materiefaseovergangsanalysetracking van meerdere deeltjesgemiddelde kwadratische verplaatsinggegeneraliseerde Stokes Einsteintijd uitharding superpositievezelig collo daal gelvloeistofuitwisselingsmethodemicrorheologie via particle tracking

Gerelateerde artikelen