Method Article

Микротензиометр для конфокальной микроскопии Визуализация динамических интерфейсов

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

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

Эта рукопись описывает конструкцию и работу микротензиометра / конфокального микроскопа для одновременного измерения межфазного натяжения и поверхностной дилатационной реологии при визуализации межфазной морфологии. Это обеспечивает построение в реальном времени отношений структура-свойство интерфейсов, важных в технике и физиологии.

Abstract

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

Адсорбция поверхностно-активных молекул к интерфейсам жидкость-жидкость повсеместно распространена в природе. Характеристика этих интерфейсов требует измерения скорости адсорбции поверхностно-активных веществ, оценки равновесного поверхностного напряжения как функции объемной концентрации поверхностно-активного вещества и сопоставления того, как поверхностное натяжение изменяется с изменениями в межфазной области после равновесия. Одновременная визуализация интерфейса с использованием флуоресцентной визуализации с помощью высокоскоростного конфокального микроскопа позволяет непосредственно оценить структурно-функциональные отношения. В микротензиометре капиллярного давления (CPM) полусферический воздушный пузырь зажимается на конце капилляра в резервуаре жидкости объемом 1 мл. Капиллярное давление через пузырьковый интерфейс контролируется с помощью коммерческого микрофлюидного контроллера потока, который позволяет управлять давлением на основе модели, кривизной пузырьков или зоной пузырьков на основе уравнения Лапласа. По сравнению с предыдущими методами, такими как желоб Ленгмюра и подвесное падение, точность измерения и управления и время отклика значительно улучшены; изменения капиллярного давления могут применяться и контролироваться в миллисекундах. Динамический отклик пузырькового интерфейса визуализируется через вторую оптическую линзу, когда пузырь расширяется и сжимается. Контур пузырька подходит к круглому профилю для определения радиуса кривизны пузырька, R, а также любых отклонений от циркулярности, которые могут аннулировать результаты. Уравнение Лапласа используется для определения динамического поверхностного натяжения интерфейса. После уравновешивания небольшие колебания давления могут быть наложены управляемым компьютером микрофлюидным насосом для колебания радиуса пузырька (частоты 0,001-100 циклов / мин) для определения модуля дилатации Общие размеры системы достаточно малы, чтобы микротензиометр помещался под линзой высокоскоростного конфокального микроскопа, позволяя количественно отслеживать флуоресцентно помеченные химические виды с субмикронным боковым разрешением.

Introduction

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

Воздушно-водные интерфейсы, покрытые поверхностно-активными пленками, повсеместно распространены в повседневной жизни. Закачки поверхностно-активного раствора используются для повышения нефтеотдачи с истощенных месторождений и используются в качестве решений для гидравлического разрыва сланцевого газа и нефти. Газожидкостные пены и жидко-жидкие эмульсии являются общими для многих промышленных и научных процессов в качестве смазочных материалов и чистящих средств и распространены в пищевых продуктах. Поверхностно-активные вещества и белки на границах раздела стабилизируют конформацию антител при упаковке, хранении и введении

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

Protocol

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

1. Подготовка капиллярных трубок

  1. Поместите капилляр в капиллярный съемник и запустите нужную программу вытягивания, чтобы сделать два конических капилляра с наружным диаметром (OD) ~ 1 мкм на кончике.
    ПРИМЕЧАНИЕ: OD капилляра перед вытягиванием должен соответствовать OD, указанному для размещения в капиллярном держателе в ячейке микротензиометра. Внутренний диаметр (ID) капилляра может варьироваться, но будет влиять на критический радиус капилляра после вытягивания. Программа вытягивания выбирается таким образом, что полученный конус сначала быстро уменьшает капиллярные OD и ID, затем достигает радиуса вблизи нужных капиллярных OD и ID, а....

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

Results

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

Основным источником погрешности измерений являются капилляры, дефекты которых возникают либо в процессе резки (рисунок 5A, B), либо в процессе нанесения покрытия (рисунок 5D). Оба типа дефектов приводят к ошибкам в определении формы и размера пузырьков системой оптического анализа изображений, что приводит к неточным значениям поверхностного натяжения. Важно тщательно изучить каждый новый капилляр после того, как он вытянут и покрыт под оптическ.......

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

Discussion

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

Комбинированный CPM/CFM является мощным инструментом для изучения межфазной динамики, равновесия и морфологии. Этот протокол описывает шаги, необходимые для получения данных с помощью CPM/CFM.

На фиг.2 показана конструкция ячейки с указанными каналами для капилляра, растворителя и теплообмена. Входное отверстие для обмена растворителем должно находиться в нижней части ячейки, в то время как выходное отверстие должно быть в верхней части, что позволяет ячейке не пе.......

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

Disclosures

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

У авторов нет конфликта интересов для раскрытия.

Acknowledgements

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

Все изображения конфокальной микроскопии были получены с помощью многофотонного конфокального микроскопа Nikon A1RHD. Мы признаем руководство и помощь вспомогательного персонала, особенно Гильермо Маркеса, в Университетском центре визуализации в Университете Миннесоты. Эта работа была поддержана грантом NIH HL51177. SI был поддержан грантом Рут Л. Киршштейн NRSA на институциональную исследовательскую подготовку 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. Tygon трубкаFischer ScientificTubing
A1RHD Многофотонный вертикальный конфокальный микроскопNikonКонфокальный микроскоп
Раствор для чисткиСерная кислота и Alnochromix разбавленные водой на 50% по объему, дождаться до прозрачности перед разбавлением
AlnochromixAlconox2510Смешивается с серной кислотой в соответствии с инструкцией по упаковке и разбавляется для получения кислотного чистящего раствора
Керамический стеклорезSutter Instruments
ХлороформSigma-Aldrich650471HPLC Plus
CurosurfChiesi  Легочное поверхностно-активное вещество
Di Water18.5 MΩ - см
Этаноллюбой200 пробы, используемый для гидрофобизации, денатурированный используется для очистки
волоконно-оптического осветителя Fiber-Lite Model 190Dolan-Jenner Industries Inc.281900100Источник света; другие источники света также должны работать
Flow EZ F69 мбар с модулем LinkFluigentLU-FEZ-0069Микрофлюидный насос
Fluigent SDK VIsFluigentТребуется для CPM виртуальный интерфейс
ФторэластомерныеИзготовлены из листа витона толщиной 1 мм, см. рисунок 3
Газовый фильтрNorgrenF07-100-A3TGПомещен между микрофлюидным насосом и регулятором давления
Газовый регуляторNorgren10R0400RСтупенчатое понижение давления от сорса до диапазона насоса, подключенного к газовому фильтру диапазона 2-120 фунтов на квадратный дюйм
Стеклянный капиллярныйSutter InstrumentsB150-86-10Боросиликатное стекло Внешний диаметр 1,5 мм Внутренний диаметр 0,86 мм
Стеклянный предметный предметлюбой75 мм x 25 мм
Стеклянный шприцHamilton8487825 μ L стеклянный шприц
Гидрофобизирующий агентSigma-Aldrich6674201H,1H,2H,2H-Perfluoro-octyltriethoxysilane 98%, другие гидрофобные триэтоксисиланы могут быть заменены
Нерастворимое поверхностно-активное веществоAvanti850355C-200mg16:0 DPPC в хлороформе
Программное обеспечение LabVIEW Программное обеспечениеNational Instruments2017
Длиннопроходный фильтрThorLabsFEL0650650 нм Длинночастотный фильтр, длина волны должна устранять возбуждение лазера частоты
Lyso-PCAvanti855675P16:0 Lyso PC 1-пальмитоил-2-гидрокси-sn-глицеро-3-фосфохолин
Masterflex L/S Регулируемая скорость аналоговая консольная насосная система с   Легконагруженная головка IIНасосная головка MasterflexHV-77916-20Перистальтический насос
MATLABMathworksR2019
Съемщик микропипеток P-1000Sutter InstrumentsКапиллярный съемник
Ячейка и держатель Ячейка и держательизготовлены из PEEK, держатель изготовлен из алюминия, см. Рисунки 3 и 4
Объектив микротензиометраNikonFluor 20x/0.50W DIC M/N2 ∞/0 WD 2.0 мм
NI Модуль развития зренияNational InstrumentsТребуется для CPM виртуальный интерфейс
PEEK палец плотные фитингиIDEXF-120x10-32 Конусные порты
PEEK ЗаглушкаIDEXP-55110-31 Конусные порты
наконечники пипеттеEppendorf22492225100 μ Л - 1000 L, Автоклавные пластиковые
щипцыThermo Scientific6320-0010
Пластиковый шприцFischer Scientific14-955-45910 мл
Сантехнические деталиFischer Scientific3-ходовые клапаны и другие сантехнические детали для подключения трубок.
Исследования Плюс 1-канальный 100 μ Л&ндаш; 1000 μ LEppendorf3123000063Микродозатор
Серная кислоталюбойИспользуется для кислотной очистки раствор
T Plan SLWD 20x/0.30 OFN25 WD 30 ммNikonКонфокальный микроскоп Объектив
Техас Красный DHPE триэтиламмоним сольThermo Fischer Scientific1395MPФлуорофорный
вакуумный насосGastDOA-P704-AA
кислотой прокладки

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