Połączenie mikrofluidyki i mikroreologii w celu określenia właściwości reologicznych miękkiej materii podczas powtarzających się przemian fazowych

Ogólnym celem tej procedury jest wykorzystanie mikrofluidyki do wywołania kolejnych przemian fazowych w pojedynczej próbce miękkiej masy poprzez wymianę otaczającego płynu przy jednoczesnym pomiarze zmian właściwości reologicznych za pomocą mikroreologii śledzenia wielu cząstek. Metoda ta może odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie miękkiej materii, takie jak wpływ przemian fazowych, w tym przegrupowania molekularnego lub koloidalnego, na dynamiczne właściwości reologiczne. Główną zaletą tej techniki jest to, że próbka pozostaje na miejscu podczas wielu przejść fazowych, co umożliwia charakteryzację w czasie rzeczywistym.

Pozwala to na ilościowe określenie właściwości reologicznych, zwłaszcza unikalnych właściwości w układach heterogenicznych. Aby rozpocząć procedurę, wydrukuj negatyw urządzenia mikroprzepływowego na przezroczystym arkuszu octanu i rozgrzej lampę UV o wysokiej intensywności. Na drugim przezroczystym arkuszu octanu obrysuj rogi szkiełka o wymiarach 75 milimetrów na 50 milimetrów.

Umieść szklane przekładki o wysokości jednego milimetra na rogach. Wlej około pięciu mililitrów utwardzanej promieniami UV żywicy tiolowo-enowej na środek przekładek. Ostrożnie połóż szkiełko o wymiarach 75 milimetrów na 50 milimetrów na jeden milimetr na przekładkach, aby zakryć żywicę.

Upewnij się, że między szkiełkiem a żywicą nie ma pęcherzyków powietrza. Umieść wydrukowany negatyw na szkiełku podstawowym. Ostrożnie przeciągnij zespół pod lampę UV i pozwól żywicy utwardzić się przez 45 sekund.

Następnie odsuń zespół od lampy UV i usuń wzorzyste szkiełko lub stempel mikroprzepływowy. Zanurz stempel mikroprzepływowy w acetonie na nie dłużej niż 10 sekund, a następnie zanurz stempel w etanolu na ten sam czas. Powtórz tę sekwencję zanurzenia raz.

Następnie zanurz stempel w wodzie destylowanej. Pracując przy minimalnym ruchu ręki, użyj bawełnianego wacika, aby usunąć pozostałą nieprzereagowaną żywicę bez dotykania utwardzonej żywicy. Wymień bawełniany wacik, gdy zostanie nasycony wodą.

Utwardź stempel w świetle UV przez kolejne 30 minut. Następnie wymieszaj 70 gramów zasady PDMS ze środkiem sieciującym w stosunku 1 do 10 i odgazowuj PDMS przez godzinę lub do momentu, gdy PDMS przestanie być mętny. Umieść stempel mikroprzepływowy stroną zadrukowaną do góry na 150-milimetrowej plastikowej szalce Petriego.

Powoli wlej PDMS do naczynia, wlewając blisko powierzchni naczynia, aby zminimalizować tworzenie się pęcherzyków, aby całkowicie zakryć stempel. Przykryj szalkę Petriego i utwardź PDMS w temperaturze 55 stopni Celsjusza przez noc. Użyj noża, aby odciąć nadmiar PDMS.

Oddziel ręcznie wzorzysty PDMS od stempla. Usunąć stempel i nadmiar PDMS z szalki Petriego. Następnie umieść naczynie na arkuszu papieru z nadrukowanymi miejscami symetrycznych otworów zewnętrznych do komory na próbkę.

Dopasuj wzorzysty PDMS do prowadnicy i użyj 5-milimetrowego stempla do biopsji, aby przebić otwory przez PDMS w zaznaczonych miejscach. Kluczową cechą tego urządzenia jest symetria pomiędzy kanałami dolotowymi a tą samą komorą. Umożliwia to wymianę płynu bez utraty próbki.

Ważne jest, aby używać wzoru prowadnicy, aby zapewnić dokładność podczas cięcia kanałów. Na koniec wybij otwór w środku komory próbki, na wewnętrznej krawędzi komory ssącej i na każdym końcu długich kanałów zewnętrznych. Przykryj szalkę Petriego podczas przechowywania wzorzystego PDMS.

Na dzień przed montażem urządzenia należy przygotować wstępnie przekształcony płyn, który posłuży do stworzenia szklanych ścianek w urządzeniu mikroprzepływowym. Aby rozpocząć montaż urządzenia, należy poddać plazmie wzorzysty PDMS i cienki szkiełko przez 40 sekund. Ostrożnie dociśnij do siebie powierzchnie szkiełka poddane obróbce plazmowej i wzorzyste PDMS.

Nałóż żywicę utwardzaną promieniami UV na szew między PDMS a szkiełkiem i utwardź żywicę w świetle UV o niskiej intensywności przez pięć minut. Następnie włóż rurkę termoplastyczną wyposażoną w łączniki ze stali nierdzewnej do wszystkich otworów narożnych wzorzystego PDMS z wyjątkiem jednego. Podłącz trzymililitrową strzykawkę z wstępnie przekształconym płynem do ostatniego otworu za pomocą igły o rozmiarze 18, rurki termoplastycznej i łącznika.

Napełnij urządzenie mikroprzepływowe wstępnie przekształconym płynem. Następnie umieść urządzenie na płycie grzejnej podgrzanej do 100 stopni Celsjusza i w ciągu 10 sekund przepuść przez urządzenie trzy mililitry wstępnie przekształconego płynu, aby wytworzyć szklane ścianki. Następnie zdejmij urządzenie z płyty grzejnej.

Użyj 30-mililitrowej strzykawki z powietrzem, aby usunąć nadmiar wstępnie przekształconego płynu. Powoli przepuść 15 mililitrów chloroformu przez urządzenie, a następnie 30 mililitrów etanolu, każdy w ciągu około jednej minuty. Następnie przepchnij powietrze przez urządzenie mikroprzepływowe, aż wyschnie.

Wyjmij rurkę z otworów. Następnie użyj żywicy utwardzanej promieniami UV, aby przymocować szklane paski o grubości jednego milimetra do spodu długich krawędzi urządzenia. Wytnij kawałek nadmiaru utwardzonego PDMS o wymiarach 30 na 30 milimetrów i wybij otwór szerszy niż komora na próbkę pośrodku, aby utworzyć miskę rozpuszczalnika.

Plazma oczyszcza basen i urządzenie mikroprzepływowe przez 40 sekund. Umieść pokrytą plazmą powierzchnię basenu na urządzeniu tak, aby komora na próbkę była wyśrodkowana w otworze. Delikatnie dociśnij, aby przymocować umywalkę do urządzenia.

Na koniec wytnij sześć pięciomilimetrowych kwadratów z nadmiaru PDMS. Użyj 5-milimetrowego dziurkacza do biopsji, aby wyciąć otwór w połowie każdego kwadratu. Włóż łącznik ze stali nierdzewnej do każdego otworu, aby utworzyć korki PDMS.

Po załadowaniu próbki miękkiej masy do strzykawki o pojemności jednego mililitra, włóż rurkę termoplastyczną do trzech narożnych kanałów wlotowych urządzenia i wylotu komory ssącej. Napełnij kolejną strzykawkę wodą dejonizowaną. Podłącz rurkę termoplastyczną do strzykawki i usuń wszelkie pęcherzyki powietrza.

Podłączyć strzykawkę do czwartego narożnego kanału wlotowego. Napełnij urządzenie i zbiornik rozpuszczalnika wodą dejonizowaną. Upewnij się, że w komorze próbki lub w kanałach mikroprzepływowych nie ma pęcherzyków powietrza.

W razie potrzeby uzupełnić wodę w zbiorniku na rozpuszczalnik pipetą transferową. Istotne jest, aby urządzenie mikroprzepływowe było prawidłowo skonfigurowane. Co najważniejsze, upewnij się, że w urządzeniu nie ma pęcherzyków powietrza, ponieważ mogą one zakłócić zarówno przepływ mikroprzepływów, jak i dane mikroreologiczne.

Następnie wstrzyknąć 10 mikrolitrów próbki miękkiej masy do komory próbki przez środkowy wlot z prędkością około dwóch mikrolitrów na sekundę. Zatkać środkowy wlot po załadowaniu próbki. Używając odwróconego mikroskopu i szybkiej kamery, nagraj co najmniej 20 filmów przedstawiających ruchy Browna sond w mieszaninie próbek w odstępach czasu odpowiednich dla czasu trwania przemiany fazowej.

W celu żelowania kontynuuj nagrywanie filmów, aż ruch sondy całkowicie się zatrzyma. W celu degradacji kontynuuj nagrywanie filmów, aż sondy będą całkowicie dyfuzyjne. Następnie wyjmij urządzenie ze stolika mikroskopu.

Aby wymienić wodę na płyn o większej gęstości, należy pobrać wodę z miski z rozpuszczalnikiem za pomocą pipety transferowej i odpipetować cztery mililitry płynu o większej gęstości do miski. Przywróć urządzenie do stolika mikroskopu i kontynuuj nagrywanie filmów. Aby wymienić płyn o większej gęstości na wodę lub inny płyn o mniejszej gęstości, podłącz strzykawkę do kanału komory ssącej za pomocą igły o rozmiarze 18 i rurki termoplastycznej.

Zamontować strzykawkę na pompie strzykawkowej ustawionej na pobieranie z prędkością jednego mililitra na minutę. Odpipetować większość płynu o dużej gęstości z miski na rozpuszczalnik i trzykrotnie przepłukać miskę płynem o niskiej gęstości, nigdy nie dopuszczając do całkowitego opróżnienia miski. Po spłukaniu napełnij miskę płynem o niskiej gęstości.

Napełnij pipetę transferową płynem o niskiej gęstości. Następnie użyj pompki strzykawkowej, aby pobrać płyn o dużej gęstości na jedną minutę. W razie potrzeby podczas wymiany płynu dodawać kroplami płyn o niskiej gęstości do miski.

Następnie zakorkuj komorę ssącą i zwróć urządzenie do stolika mikroskopu w celu nagrania. W ten sposób można nagrać filmy przedstawiające cykle żelowania degradacji dla żądanej liczby cykli lub do momentu, gdy nie będzie wystarczającej liczby sond do pomiaru. Uśrednione średniokwadratowe przemieszczenie cząstek sondy śledzono podczas kolejnych przemian fazowych układu uwodornionego oleju rycynowego między żelem a zolem.

Żelowanie indukowano przez grawitacyjną wymianę wody na środek żelujący o większej gęstości. Degradację indukowała zamiana przepływu ssania czynnika żelującego na wodę. Komora próbki została ponownie przepłukana wodą, gdy zachowanie fazowe sugerowało, że środek żelujący nie został całkowicie usunięty z komory.

Nie zaobserwowano zmian we właściwościach reologicznych, gdy próbkę pozostawiono w fazie zolowej bez wymiany płynu przez około 600 minut. Powtarzające się przejścia fazowe nie wywoływały obserwowalnych zmian we właściwościach reologicznych równowagi, na co wskazują logarytmiczne nachylenia krzywych MSD lub alfa powracająca do tych samych wartości dla każdej fazy. Wartość równowagi alfa fazy zolowej była mniejsza niż 1,0, co wskazuje, że materiał zachował pewną strukturę nawet po degradacji.

Żel uległ wzrostowi niejednorodności strukturalnej podczas przemiany fazowej żelu do zolu, na co wskazują piki parametrów niegaussowskich podczas cykli degradacji. Przegrupowanie koloidalne może nastąpić natychmiast po wymianie płynu, na co wskazuje wzrost alfa. Po raz pierwszy wpadliśmy na pomysł tej metody, aby ustalić, czy przejścia fazowe powodują trwałe zmiany właściwości reologicznych i mikrostruktury miękkiego materiału.

W układzie HCO urządzenie to umożliwiło pomiar dwóch możliwych mechanizmów tych trwałych zmian: przegrupowania koloidalnego podczas przemian fazowych lub ścinania wywołanego podczas przygotowania próbki. Po opanowaniu technika ta może być wykorzystana do identyfikacji właściwości reologicznych układu miękkiej materii w wielu przejściach fazowych w odpowiedzi na zmiany w otaczającym środowisku płynnym.