Microtensiometer voor confocale microscopie visualisatie van dynamische interfaces

Summary

Dit manuscript beschrijft het ontwerp en de werking van een microtensiometer / confocale microscoop om gelijktijdige metingen van interfaciale spanning en oppervlaktedilatationale reologie uit te voeren terwijl de interfaciale morfologie wordt gevisualiseerd. Dit biedt de real-time constructie van structuur-eigenschap relaties van interfaces die belangrijk zijn in technologie en fysiologie.

Abstract

Adsorptie van oppervlakte-actieve moleculen aan vloeistof-vloeistof interfaces is alomtegenwoordig in de natuur. Het karakteriseren van deze interfaces vereist het meten van adsorptiesnelheden van oppervlakteactieve stoffen, het evalueren van evenwichtsoppervlakspanningen als een functie van de bulkoppervlakteactieve stofconcentratie en het relateren van hoe oppervlaktespanning verandert met veranderingen in het interfaciale gebied na equilibratie. Gelijktijdige visualisatie van de interface met behulp van fluorescentiebeeldvorming met een snelle confocale microscoop maakt de directe evaluatie van structuur-functierelaties mogelijk. In de capillaire drukmicrotensiometer (CPM) wordt een hemisferische luchtbel aan het einde van het capillair vastgepind in een vloeistofreservoir met een volume van 1 ml. De capillaire druk over de belleninterface wordt geregeld via een commerciële microfluïdische stroomregelaar die modelgebaseerde druk, bubbelkromming of bubbelgebiedregeling mogelijk maakt op basis van de Laplace-vergelijking. In vergelijking met eerdere technieken zoals de Langmuir trog en hanger drop, zijn de meet- en regelprecisie en responstijd sterk verbeterd; capillaire drukvariaties kunnen in milliseconden worden toegepast en geregeld. De dynamische respons van de bubbelinterface wordt gevisualiseerd via een tweede optische lens terwijl de bel uitzet en samentrekt. De bubbelcontour is geschikt voor een cirkelvormig profiel om de krommingsradius van de bel, R, te bepalen, evenals eventuele afwijkingen van circulariteit die de resultaten ongeldig zouden maken. De Laplace-vergelijking wordt gebruikt om de dynamische oppervlaktespanning van de interface te bepalen. Na equilibratie kunnen kleine drukoscillaties worden opgelegd door de computergestuurde microfluïdische pomp om de bubbelradius (frequenties van 0,001-100 cycli / min) te oscilleren om de dilatatiemodulus te bepalen De totale afmetingen van het systeem zijn zo klein dat de microtensiometer onder de lens van een snelle confocale microscoop past, waardoor fluorescerend gelabelde chemische soorten kwantitatief kunnen worden gevolgd met submicron laterale resolutie.

Introduction

Lucht-water interfaces bedekt met oppervlakteactieve films zijn alomtegenwoordig in het dagelijks leven. Oppervlakteactieve waterinjecties worden gebruikt om de oliewinning uit uitgeputte velden te verbeteren en worden gebruikt als hydraulische breukoplossingen voor schaliegas en -olie. Gas-vloeistof schuimen en vloeistof-vloeistof emulsies zijn gebruikelijk voor veel industriële en wetenschappelijke processen als smeermiddelen en reinigingsmiddelen en komen veel voor in voedsel. Oppervlakteactieve stoffen en eiwitten op interfaces stabiliseren antilichaamconformaties tijdens verpakking, opslag en toediening 1,2,3,4,5

Protocol

1. Bereiding van capillaire buisjes

1. Plaats het capillair in een capillaire trekker en voer het gewenste trekprogramma uit om twee taps toelopende haarvaten te maken met een buitendiameter (OD) van ~ 1 μm aan de punt.
   OPMERKING: De OD van het capillair voordat u gaat trekken, moet de OD zijn die is gespecificeerd om in de capillaire houder in de microtensiometercel te passen. De binnendiameter (ID) van het capillair kan variëren, maar heeft invloed op de kritische straal van het capillair na het trekken. Er wordt gekozen voor een pulling-programma, zodat de resulterende taper in eerste instantie de capillaire OD en ID snel vermindert, verv....

Results

Een belangrijke bron van meetfouten ontstaat door de haarvaten met defecten van het snijproces (figuur 5A, B) of het coatingproces (figuur 5D). Beide soorten defecten leiden tot fouten bij het bepalen van de vorm en grootte van de bel door het optische beeldanalysesysteem, wat leidt tot onnauwkeurige oppervlaktespanningswaarden. Het is belangrijk om elk nieuw capillair zorgvuldig te onderzoeken nadat het is getrokken en gecoat onder de optische .......

Discussion

De gecombineerde CPM/CFM is een krachtig hulpmiddel voor het onderzoeken van interfaciale dynamica, evenwichten en morfologie. Dit protocol beschrijft de stappen die nodig zijn voor het verkrijgen van gegevens met CPM/CFM.

Figuur 2 toont het celontwerp met kanalen voor het capillair, oplosmiddel en warmte-uitwisseling aangegeven. De inlaat voor oplosmiddeluitwisseling moet zich aan de onderkant van de cel bevinden, terwijl de uitlaat zich aan de bovenkant moet bev.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
1.5 O.D. Tygon tubing	Fischer Scientific		Tubing
A1RHD Multiphoton upright confocal microscope	Nikon		Confocal Microscope
Acid Cleaning Solution			Zwavelzuur en Alnochromix verdund met water 50% vol, wacht tot het helder is voordat je verder verdunt
Alnochromix	Alconox	2510	Gemengd met zwavelzuur volgens pakketinstructies en verdund om zure reinigingsoplossing te maken
Ceramic glass cutter	Sutter Instruments
Chloroform	Sigma-Aldrich	650471	HPLC Plus
Curosurf	Chiesi		Longoppervlakteactieve stof
Di Water			18.5 MΩ-cm
Ethanol	any		200 proof gebruikt voor hydrofobiëring, gedenatureerd gebruikt voor reiniging
Fiber-Lite Model 190 fiber optic illuminator	Dolan-Jenner Industries Inc.	281900100	Lichtbron; andere lichtbronnen zouden ook moeten werken
Flow EZ F69 mbar w/Link Module	Fluigent	LU-FEZ-0069	Microfluidische pomp
Fluigent SDK VIs	Fluigent		Vereist voor CPM virtuele interface
Fluoroelastomer gaskets			Gefreesd uit 1 mm dik Viton-blad, zie figuur 3
Gas filter	Norgren	F07-100-A3TG	Geplaatst tussen microfluïdische pomp en drukregelaar
Gas regulator	Norgren	10R0400R	Verlaagt de druk van de bron naar het bereik van de pomp, verbonden met gasfilter bereik 2-120 psi
Glass Capilary	Sutter Instruments	B150-86-10	Boorsilicaatglas O.D. 1,5 mm I.D. 0,86 mm
Glass Slide	any		75 mm x 25 mm
Glass Syringe	Hamilton	84878	25 µL glazen spuit
Hydrophobizing Agent	Sigma-Aldrich	667420	1H,1H,2H,2H-Perfluoro-octyltriethoxysilaan 98%, andere hydrofobe triethoxysilaan kan worden vervangen
Insoluble surfactant	Avanti	850355C-200mg	16:0 DPPC in chloroform
LabVIEW Software	National Instruments		2017
Longpass Filter	ThorLabs	FEL0650	650 nm Longpass filter, golflengte moet excitatie laserfrequentie verwijderen
Lyso-PC	Avanti	855675P	16:0 Lyso PC 1-palmitoyl-2-hydroxy-sn-glycero-3-fosfocholine
Masterflex L/S variable speed analog consol pump system w/  Easy-Load II pump head	Masterflex	HV-77916-20	Peristaltiekpomp
MATLAB	Mathworks		R2019
Micropipette Puller P-1000	Sutter Instruments		Capillairtrekker
Microtensiometer Cell and Holder			Cel gemaakt uit PEEK, houder gemaakt uit aluminium, zie Figuur 3 en 4
Microtensiometer Objective	Nikon		Fluor 20x/0.50W DIC M/N2 ∞/0 WD 2,0 mm
NI Vision Development Module	National Instruments		Vereist voor CPM virtuele interface
PEEK finger tight fittings	IDEX	F-120x	10-32 Kegelpoorten
PEEK plug	IDEX	P-551	10-31 Kegelpoorten
pippette tips	Eppendorf	22492225	100 µL - 1000 µL, Autogeklaard
Plastic Forceps	Thermo Scientific	6320-0010
Plastic Syringe	Fischer Scientific	14-955-459	10 mL
Plumbing parts	Fischer Scientific		3-weg kleppen en andere sanitaire onderdelen om slangen aan te sluiten.
Research Plus 1-channel 100 µL–1000 µL	Eppendorf	3123000063	Micropipetter
Sulfuric Acid	any		Gebruikt voor zure reinigingsoplossing
T Plan SLWD 20x/0.30 OFN25 WD 30 mm	Nikon		Confocal Microscope Objectief
Texas Red DHPE triethylammonim salt	Thermo Fischer Scientific	1395MP	Fluorofoor
Vaccum Pump	Gast	DOA-P704-AA