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Chemistry

Imaging confocale di confinati riposo e fluenti miscele colloidali e polimeri

Published: May 20, 2014 doi: 10.3791/51461
Automatic Translation
*1, *1, 1
1Chemical and Biomolecular Engineering Department, University of Houston
* These authors contributed equally

Summary

La microscopia confocale viene utilizzato per immagini miscele colloide-polimero quiescenti e fluenti, che vengono studiati come sistemi modello per sospensioni interessanti. Algoritmi di analisi dell'immagine sono utilizzati per calcolare le metriche strutturali e dinamici per le particelle colloidali che misurano le variazioni dovute al confino geometrica.

Abstract

Il comportamento di sospensioni colloidali confinati con interazioni interparticellari attraenti è fondamentale per il disegno razionale di materiali per il montaggio diretto 1-3, drug delivery 4, 5-7 migliorato recupero di idrocarburi, e elettrodi fluidi di immagazzinamento 8. Sospensioni contenenti colloidi fluorescenti e polimeri non adsorbenti sono interessanti sistemi modello, come il rapporto tra il raggio di girazione polimero al raggio delle particelle e la concentrazione del controllo polimero rispettivamente l'intervallo e la forza di attrazione interparticellare,. Sintonizzando le proprietà del polimero e la frazione volumetrica dei colloidi, fluidi colloidali, fluidi di cluster, gel, cristalli e vetri possono essere ottenuti 9. Microscopia confocale, una variante di microscopia a fluorescenza, permette un campione otticamente trasparente e fluorescente da acquisire con elevata risoluzione spaziale e temporale in tre dimensioni. In questa tecnica, un piccolo foro o fessura blocca la luce fluorescente emessa dalle regioni del campione che sono al di fuori del volume focale del sistema ottico del microscopio. Di conseguenza, solo una sezione sottile del campione nel piano focale viene esposta. Questa tecnica è particolarmente adatta per sondare la struttura e la dinamica in sospensioni colloidali dense a scala singola particella: le particelle sono abbastanza grandi da essere risolto utilizzando luce visibile e diffondono abbastanza lentamente da catturare a velocità di scansione tipiche dei sistemi confocali commerciali 10 . Miglioramenti nella velocità di scansione e algoritmi di analisi hanno inoltre consentito confocale imaging quantitativo di sospensioni fluide 11-16,37. In questo lavoro, dimostriamo esperimenti di microscopia confocale per sondare il comportamento di fase confinata e fluidità di miscele colloide-polimero. Per prima cosa prepariamo collmiscele oid-polimero che sono densità e indice di rifrazione abbinati. Poi, riportiamo un protocollo standard per l'imaging miscele colloide-polimero densi quiescenti sotto diversi confinamento nelle cellule a forma di cuneo sottili. Infine, dimostriamo un protocollo per l'imaging miscele colloide-polimero durante il flusso microcanali.

Introduction

Questo documento dimostra (a) confocale di miscele colloide-polimero quiescenti e fluenti confinati in due e tre dimensioni e (b) particelle di monitoraggio e correlazione analisi delle immagini risultanti per ottenere informazioni quantitative sul comportamento di fase e proprietà di flusso.

Sospensioni colloidali con interazioni interparticellari interessanti appaiono ubiquitariamente in applicazioni tecnologiche come materiali per il montaggio diretto 1-3, la consegna della droga 4, migliorato 5-7 il recupero di idrocarburi e stoccaggio di energia 8. Una caratteristica comune di queste applicazioni è che le particelle devono essere attraversati geometrie pregiati, quali ugelli, testine di stampa, microcanali o supporti porosi, e / o essere trasformati in film sottili o aste. Le tecniche utilizzate per sondare la struttura di colloidi micron di dimensioni in geometrie confinate, comprese microscopia elettronica 17,18, microscopia a raggi X 19, e diffrazione laser microscopy 20, può essere utilizzato per misurare la struttura e la dinamica di particelle su microscala. Queste tecniche, tuttavia, non consentono l'accesso alle traiettorie delle singole particelle, da cui metriche strutturali e dinamiche possono essere calcolati per confronto diretto simulazioni numeriche 21,22.

Microscopia confocale è una variante di microscopia a fluorescenza che permette l'imaging di sezioni sottili di un campione fluorescente. Per la scienza colloidale 10, questa tecnica è particolarmente utile per l'imaging in profondità all'interno sospensioni dense o in tre dimensioni. Algoritmi di Particle-tracking 23 applicati a due o serie temporali tridimensionale di micrografie confocali cedere le traiettorie di tutte le particelle visibili. Di conseguenza, la combinazione di microscopia confocale e particella-inseguimento è stato applicato per studiare il comportamento di fase, la struttura e la dinamica di sospensioni colloidali, compresi cristalli ordinati 24-27 e disturboed occhiali 28-31 e 32-35 gel.

Altri algoritmi di analisi dell'immagine possono essere applicati per misurare la dinamica delle particelle di serie temporali di micrografie confocale. Ad esempio, la dinamica delle particelle diffusiva possono essere studiati analizzando le fluttuazioni di intensità nel tempo utilizzando differenziale microscopia confocale dinamico 36. Quando gli spostamenti delle particelle sono più grandi della spaziatura interparticellare, immagine correlazione 37 basato su particelle immagine velocimetry 38-40 può essere applicato per misurare profili di velocità delle particelle. La combinazione di algoritmi di localizzazione e di correlazione ha permesso dinamiche colloidali da misurare nei sistemi sottoposti a lento e veloce il flusso 11-16,41-45.

Usiamo miscele colloide-polimero come modelli per interessanti sospensioni colloidali 9. In queste miscele, la copertura e il livello della interessante potenziale interparticellare sono controllati tramite il rapportodel raggio di girazione polimero al raggio delle particelle e la concentrazione del polimero e la repulsione elettrostatica è controllata tramite l'aggiunta di un sale organico monovalente 46. Poiché le interazioni interparticellari possono essere messi a punto, la solidificazione di queste miscele è stata ampiamente studiata con microscopia confocale 34,47-51.

Qui mostriamo confocale e analisi di immagine 37 di miscele colloide-polimero quiescenti e scorre, in cui la frazione di volume colloide è tenuta fissa a Φ = 0,15, che sonda l'effetto di contenimento sul comportamento di fase e proprietà di flusso di queste miscele. Queste tecniche sono ampiamente applicabili a sistemi particellari che sono indice di rifrazione-coincidenti ed in cui le particelle e / o solvente possono essere marcate con un colorante fluorescente.

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Protocol

1. Preparazione di miscele colloidali e polimeri

Nota: Questo protocollo utilizza poli (metilmetacrilato) (PMMA) particelle, stericamente stabilizzati usando poli (acido 12-idrossistearico) e marcato con un colorante fluorescente (come Nilo Rosso, rodamina B, o fluoresceina), che sono stati sintetizzato seguendo uno standard ricetta 52.

  1. Preparare un w / w miscela di cicloesil bromuro (CXB) e decaidronaftalene (DHN) come uno stock di solvente 3:1. Questa miscela corrisponde quasi la densità e l'indice di rifrazione delle particelle. Aggiungere un sale organico, cloruro di tetrabutilammonio (TBAC) 46, a solvente ad una concentrazione di 1,5 mM per schermare parzialmente le cariche sulle particelle.
  2. Per determinare con precisione la densità delle particelle, preparare una sospensione in frazione approssimativa volume di particelle Φ = 0,10 nel CXB: solvente DHN. Centrifugare la sospensione a 800 xg per 75 minuti e aggiungere CXB o DHN goccia a goccia per migliorare la galleggiabilitàcorrispondenza. In questi esperimenti, la densità delle particelle di PMMA è stata misurata da ρ = 1.223 g / ml.
  3. Preparare uno stock sospensione concentrata di particelle di PMMA (qui, Φ = 0,40) nel CXB: miscela di solventi DHN.
  4. Preparare una soluzione concentrata di polistirene lineare (PS) nel CXB: miscela di solventi DHN. Qui, una soluzione di PS di peso molecolare M w ≈ 3.000.000 (raggio di girazione r g = 15 nm) viene preparato in concentrazione c p ≈ 50 mg / ml.
  5. Mescolare pesi adatti della particella, polimero, e miscele di solventi archivi formulare sospensioni alle concentrazioni desiderate di particelle e polimeri.
    Nota: Qui, sospensioni di particelle monodisperse sono predisposti alla frazione di volume colloide costante Φ = 0,15 e concentrazione di polimero variabile nel volume libero 53 c p = 0,25 mg / ml, e bidispersed sospensioni contenenti due dimensioni di particelle colloidali, with ogni formato muniti di una etichetta fluorescente distinta, sono preparati a frazione volumetrica colloide fisso totale Φ = 0,15, rapporto frazione volumetrica di piccole particelle r = 0,50, e la concentrazione di polimero nel volume libero di 5 o 25 mg / ml.
  6. Dopo ogni sospensione è disposta, aggiungere CXB o DHN goccia a goccia e centrifugare i campioni a 800 xg per almeno 75 minuti per confermare che le particelle e cluster all'interno della sospensione rimangono galleggiabilità abbinato.
  7. Equilibrare tutti i campioni per almeno 24 ore prima di esperimenti di imaging.

. 2 Esperimenti campione quiescenti: Fase di Comportamento

  1. Per determinare il comportamento di fase bulk, fabbricare camere rettangolari da vetrini (Figura 1a). Per le miscele colloide polimeriche in questo studio, camere di spessore h = 1 mm (impostato dallo spessore di un vetrino da microscopio) danno comportamento rinfusa.
  2. Per accedere a più confini in un singolo esperimento microscopia, fabbricare sottile cuneocamere di forma, utilizzando un unico coprioggetto da distanziatore su un cuneo (Figura 1b). L'angolo della camera di apertura è <0,5 °, in modo che in un unico campo visivo le pareti sono quasi parallele. Una camera di rappresentante consente l'accesso a spessori di confinamento di h = 6> 100 micron.
  3. Costruire delle camere su una base coprioggetto per l'esposizione su un microscopio invertito e sigillare con resina epossidica UV, che non si scioglie nella miscela solvente CXB-DHN.
  4. Campioni di immagini utilizzando un microscopio confocale. Questo protocollo dimostra l'imaging confocale con una scansione lineare collegato ad un microscopio invertito dotato di una lente immersione in olio 100X di apertura numerica NA = 1,40.
  5. Eccitare i coloranti utilizzando una sorgente laser. Qui lunghezze d'onda λ = 491 o 561 nm sono usati per eccitare la fluoresceina e rodamina coloranti / Nilo Rossi, rispettivamente.
  6. Nel sistema punto-scansione, generare un'immagine mediante una rapida scansione del punto focale attraverso il campione (in x-y piano) utilizzando il software confocale. Una immagine bidimensionale di 512 pixel x 512 pixel, che coprono circa il 50 micron x 50 micron, possono essere acquisiti in 1/32 sec. Migliorare la qualità dell'immagine media più immagini o aumentando il tempo di acquisizione.
  7. Individuare il fondo della camera (z = 0), ad esempio concentrando sulle particelle attaccate al suo fondo. In questa configurazione, l'altezza (z) aumenta con l'aumentare fuoco nella camera.
  8. Come esempio, caratterizzare l'effetto di confinamento sulla dinamica delle particelle con l'acquisizione di una serie temporale 2-D di immagini (nel piano xy) al piano medio della camera. In un tipico esperimento, 500 immagini di dimensione 512 pixel x 512 pixel vengono acquisiti ad un frame rate di 1 frame / sec (tempo di spaziatura At = 1 sec).
  9. Come secondo esempio, caratterizzare la struttura 3-D di particelle acquisendo una serie tridimensionale di immagini (x, y, z). In un tipico esperimento, le immagini bidimensionali (512 pixel x 512 pixel) sonoacquisita in più posizioni z all'interno della camera, con un passo costante di Az = 0,2 micron tra immagini consecutive stabiliti da un piezo. Una pila di volume copre spessore h = 30 um contiene quindi 151 immagini.
  10. Individuare e particelle di pista nel corso del tempo in 2-D e 3-D utilizzando il software di particelle di monitoraggio scritto in IDL 23,54-56, MATLAB 57,58, LabView 59, 60 o Python. Questi algoritmi permettono generalmente centri delle particelle da risolvere entro 40-50 nm. Particle tracking successo richiede che le particelle si muovono meno la spaziatura interparticellare tra fotogrammi consecutivi.
  11. Dalle posizioni delle particelle, calcolare le metriche strutturali e dinamiche. Tre metriche convenienti qui indicati sono la funzione paio di correlazione 3-D g (r) 61, lo spostamento 2-D quadratico medio (MSD) 58,62, e l'auto parte 2-D della funzione di correlazione van Hove G s ( x, t) 58. Gli ultimi due parametri possono essere calcolati anche in 3-D.

. 3 Esperimenti Flowing: proprietà di flusso

  1. Fabbricare una cella di flusso semplice mediante un microcapillare vetro con sezione quadrata (100 micron x 100 micron) che viene apposto al tubo in Teflon. Utilizzare vetrini per sostenere il capillare e fornire rigidità meccanica, come mostrato nello schema di figura 7.
  2. Caricare la miscela colloidale-polimero in una siringa di vetro. Attaccare la siringa pompa a siringa o un sistema di erogazione di fluido pneumatico.
  3. Montare la configurazione della cella di flusso sul microscopio invertito. Conservare la siringa, cella di flusso, e la presa alla stessa altezza per minimizzare l'effetto della gravità sul profilo di flusso.
  4. Controllare la portata della sospensione attraverso la cella di flusso dalla portata volumetrica (per la pompa a siringa) o la pressione applicata (per la casella pressione). La velocità media della sospensione nei microcanali dipende anche suformulazione spension. Valori tipici della velocità massima dei microcanali quadrati misurati qui sono 200-2.000 micron / sec.
  5. Durante il flusso, acquisire una serie temporale confocale 2-D a frame rate veloci. Qui, 500 immagini di dimensione 512 pixel x 512 pixel vengono acquisiti a 32 fotogrammi / sec (tempo spaziatura Δ t = 1/32 sec) a diverse altezze sopra il fondo della microcanali (z = 0 micron) vanno da z = 5 - 50 pm. Ogni immagine copre circa la metà della dimensione laterale (y) dei microcanali, come mostrato nel riquadro alla Figura 7. Se le particelle appaiono ellittica, aumentare il frame rate di acquisizione.
  6. Come negli esperimenti quiescenti, individuare le particelle in 2-D utilizzando algoritmi standard per la localizzazione e il monitoraggio di particelle in IDL e MATLAB. Per flussi lenti, in cui le particelle si muovono meno della distanza media tra i fotogrammi interparticellare, utilizzano algoritmi di monitoraggio avere le traiettorie.
  7. Utilizzare l'immagine correlazione calcUlate i profili di velocità per i flussi veloci.
    1. Suddividere l'immagine in immagini orizzontali di altezza costante (y) lungo la direzione del flusso (x). Per due immagini sequenziali I 1 (x, y) e 2 (x, y) spostare quest'ultima immagine di un fattore Ax e quindi calcolare il cross-covarianza tra I 1 (x, y) e 2 (x + Dx, y).
    2. Identificare la posizione picco dell'istogramma dei valori Ax che massimizzano il cross-covarianza tra ogni coppia di immagini per avere la velocità avvezione medio in ciascuna posizione laterale y. Se questa distribuzione non è fortemente raggiunto il picco, acquisire immagini ad un frame rate più veloce.

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Representative Results

Per dimostrare confocale e particelle-tracking, abbiamo studiato l'effetto del confinamento sul comportamento di fase di miscele colloide-polimero 63-65. Per questi esperimenti il diametro colloide era 2 a = 0,865 micron. La frazione di volume colloide è fissato a Φ = 0,15 e la concentrazione del polimero c p è stata variata 0-23,6 mg / ml. Immagini confocali rappresentativi sono riportati nella Figura 2 63, colonna a sinistra. Dalle posizioni delle particelle ottenute utilizzando algoritmi di monitoraggio, abbiamo calcolato i parametri strutturali e dinamiche rappresentative, tra cui la funzione coppia di correlazione (Figura 2, colonna centrale) e lo spostamento quadratico medio (Figura 2, colonna di destra). Le immagini e le metriche strutturali e dinamiche ci ha permesso di distinguere tra gel colloidali (Figura 2, fila in alto), i fluidi di cluster (Figura 2, riga al centro), e liquidi (<strong> Figura 2, riga in basso).

Queste metriche ci ha permesso di valutare quantitativamente i cambiamenti di confinamento indotti nella struttura delle particelle e dinamica. Ad esempio, il primo picco nella funzione di correlazione coppia di un campione con concentrazione di polimero c p = 16,6 mg / ml è posizionato a separazioni più brevi come lo spessore confinamento diminuisce (Figura 3 63). Analogamente, la parte autonoma della funzione di correlazione van Hove per un campione con c p = 16,6 mg / ml restringe come lo spessore confinamento è diminuita e sulla minima confinamento presenta il profilo altamente non-Gaussiano di un gel arrestato (Figura 4 63) . Anche per un campione con c p = 23,6 mg / ml, che è un gel arrestato tutti confini, diminuendo lo spessore confinamento porta ad un profilo più stretto e più non-Gaussiano. Queste modifiche hanno suggerito che confinamento indirettamente indotto un aumento di tegli attrazione interparticellari efficace.

Queste tecniche possono essere applicate anche per valutare gli effetti del confinamento in miscele bidispersed di particelle muniti di etichette fluorescenti distinti. Immagini rappresentative di una miscela di particelle di grandi dimensioni (diametro 2 a L = 1,48 micron) e piccole (diametro 2 a S = 0,73 micron) particelle, con un volume di particelle frazione Φ tot totale = 0,15 e un rapporto frazione di volume di piccole particelle r = 0.50, mostrano che la diminuzione dello spessore confinamento induce la formazione di un solido simile fase gel colloidale contenente particelle grandi e piccole (Figura 5 65). Questo effetto è particolarmente pronunciato per le sospensioni che sono liquidi alla rinfusa (Figura 5a-d). I DMS delle particelle di grandi dimensioni diminuiscono in quanto il sistema è sempre più limitato: per un campione con la c p = 5 mg / ml, le patologie muscoloscheletriche diventano arrestati dinamico, coerente wesima transizione solidificazione (Figura 6a 65). Per un campione con c p = 25 mg / ml, che forma un gel arrestato, forte confinamento induce dinamiche rallentato (figura 6b); le differenze tra il campione più confinato e meno confinato sono più grandi rispetto alla risoluzione di questa tecnica (~ 40 nm, che determiniamo dal intercetta y del MSD in una concentrazione molto diluita di particelle con Φ <0.01).

Microscopia confocale e analisi di immagine consentono anche differenze tra le proprietà di flusso di particelle debolmente e fortemente attraente durante flusso confinato ad essere caratterizzato 66. Per questi esperimenti, sospensioni di particelle di diametro 2a = 1.55 micron sono state concentrate per una percentuale in volume di Φ = 0,15 con una concentrazione di polimero sia c p = 5 mg / ml, corrispondente ad un interparticellare debole attrazione o c p = 25 mg / ml, corrispondente ad unaforte attrazione interparticellari. Immagini rappresentative sono mostrati in figura 8 per le sospensioni quiescenti e fluenti.

Profili di densità numero rivelato differenze tra la distribuzione delle particelle in sospensione debolmente e fortemente attraenti durante il flusso (mostrati per una portata di 10 μ l / ora in Figura 9 66): quelli di una sospensione debolmente attraente (c p = 5 mg / ml, Figure 9a e 9b) aumentare drammaticamente più verso il centro del microcanali quelli della sospensione fortemente attraente (c p = 5 mg / ml, Figure 9c e 9d).

Analogamente, sospensione debolmente e fortemente attraente esposto differenze nella forma di profili di velocità (mostrato per una portata di 8 μ l / ora in Figura 10 66). I profili di velocità per sospensioni conuna debole attrazione (c p = 5 mg / ml, figure 10a e 10b) sono vicini a quelli previsti per un fluido newtoniano che scorre in un microcanali quadrato. Per contro, i profili di velocità per sospensioni con una forte attrazione (c p = 25 mg / ml, Figure 10c e 10d) si discostano sensibilmente dal profilo newtoniano vicino alle pareti laterali del microcanali (vicino y / L = 0).

Figura 1
Figura 1. Schema di camere per esperimenti quiescenti. (A) camera di forma rettangolare, di spessore costante di 1 mm prescritto dallo spessore di un vetrino. (B) camera a forma di cuneo, con uno spessore variabile tra 6-170 micron. Lo spessore massimo èset da quella di un vetrino coprioggetto.

Figura 2
.. Figura 2 Segni particolari di fluidi, liquidi di cluster, e gel colonna sinistra: microscopio confocale. Colonna centrale: coppia particella funzione di correlazione g (r) in funzione della separazione normalizzata r / 2 a. Colonna di destra: spostamento quadratico medio normalizzato MSD / 4 a 2 in funzione del tempo di ritardo. Da cima a fondo le immagini e funzioni di correlazione mostrano esempi rappresentativi di un gel (c p = 23,6 mg / ml e h / 2 = 8.7), un fluido di cluster (c p = 16,6 mg / ml e h / 2 = 17), e un fluido colloidale (c p = 0 mg / ml e h / 2 a> 116). Il diametro delle particelle è 2 a = 0,865 μ m. Questa cifra è stata modificata da Spannuth e Conrad, Phys. Rev. Lett.. 109, 028.301 (2012). Copyright 2012 dalla American Physical Society.

Figura 3
Funzione di correlazione Figura 3. Pair indica cambiamenti strutturali confinamento funzione di correlazione. Pair per un campione con c p = 16,6 mg / ml in h / 2 a> 116 e h / 2 = 69, 35, 17, e 8,7 dall'alto verso inferiore. Campione è un fluido di cluster affatto h tranne h / 2 = 8,7, che è un gel. Colori indicano la fase come in Figura 2. Il diametro delle particelle è 2 a = 0,865 μ m. Questa cifra è stata modificata da Spannuth e Conrad, Phys. Rev. Lett.. 109, 028301 (2012). Copyright 2012 dalla American Physical Society.

Figura 4
Figura 4. Funzione di correlazione van Hove e lo spostamento quadratico medio indicano cambiamenti in cella. Parte autonoma della funzione di correlazione van Hove e (riquadro) di spostamento quadratico medio per campioni con (a) c p = 16,6 mg / ml e (b ) c p = 23,6 mg / ml in funzione di confinamento (h / 2 a = 69 (cerchi), 17 (quadrati) e 8.7 (triangoli)). In (a), il campione è un fluido di cluster per h / 2 = 69 e 17, ma un gel per h / 2 = 8.7. In (b), il campione è un gel per ogni h. Il diametro delle particelle è 2 a = 0,865 μ m. Questa figura ha apen modificato da Spannuth e Conrad, Phys. Rev. Lett.. 109, 028.301 (2012). Copyright 2012 dalla American Physical Society.

Figura 5
Figura 5. Rappresentante confocale microscopio di miscele bidispersed. Microscopio confocale delle popolazioni piccole e grandi particelle (sia mostrata in grigio, con particelle più grandi hanno una maggiore intensità), per sospensioni con una costante volume totale frazione Φ tot = 0,15, per cento del volume di piccole particelle r = 0,50, concentrazione di polimero depletant c p (ac) 5 mg / ml o (df) 25 mg / ml, (a, d) alla rinfusa o (bc, ef) confinato in un normalizzato un'altezza h/2a L di ( b e) 20, o (c, f) <5,5. I grandi e piccoli diametri delle particelle sono 2 a L = 1,48 μ m e 2a S = 0,73 μ m, rispettivamente. La barra della scala è di 10 μ m.

Figura 6
Figura 6. Quadratico medio spostamento della grande popolazione di particelle esibisce rallentamento confinamento indotta. Normalizzato spostamento quadratico medio in funzione del ritardo τ di grandi particelle in sospensione binari con volume percentuale di piccole particelle r = 0,50 e variando la concentrazione di polimero depletant di (a) c p = 5 mg / ml o (b) p c = 25 mg / ml. Confinamento spessori h / 2 L: bulk ( ), 20 ( diamante ), E <5.5 ( lato ). Le linee tratteggiate indicano una pendenza di 1. L'ampio diametro delle particelle è 2 a L = 1,48 μ m. Questa cifra è stata modificata da Pandey e Conrad, Soft Matter, 9, 10.617-10.626 (2013). Riprodotto con il permesso della Royal Society of Chemistry (http://dx.doi.org/10.1039/c c3sm51879e).

Figura 7
Figura 7. Schema di dispositivo per esperimenti di flusso microcanali. L'consi dispositivosts di un microcapillare vetro che è collegato a una pompa a siringa con tubo in Teflon. Lo schema come mostrato è invertito rispetto al setup sperimentale, che utilizza un microscopio invertito. Il sistema di coordinate è indicato: x è orientata lungo la direzione del flusso, y è orientata lungo la larghezza del microcanali, ez è orientata lungo la direzione verticale. Inset: schema di protocollo di imaging. Film 2-D sono acquisiti di metà della larghezza del microcanali a dieci diverse altezze sopra la superficie inferiore. Questa cifra è stata modificata da Pandey e Conrad, Soft Matter 8, 10.695-10.703 (2012). Riprodotto con il permesso della Royal Society of Chemistry (http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d).

Figura 8
Figura 8. Rappresentativa confocale micrografie particelledurante il flusso microcanali. micrografie confocale di sospensioni colloidali con concentrazione di polimero c p di (ac) 5 mg / ml e (df) 25 mg / ml. Immagini (a) e (d) mostrano il campione di riposo; immagini (bc) e (ef) sono state acquisite durante il flusso ad una altezza (z) di (b, e) 5 μ m e (c, f) 50 μ m sopra la superficie inferiore del microcanali. Il bordo del canale è sul lato sinistro di ogni immagine (bc) e (ef), e il flusso è nella direzione verso il basso come indicato. La barra della scala è di 10 μ m. Il diametro delle particelle è 2 a = 1.546 μ m. Questa cifra è stata modificata da Pandey e Conrad, Soft Matter 8, 10.695-10.703 (2012). Riprodotto con il permesso della Royal Society of Chemistry (http :/ / dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d).

Figura 9
Figura 9. Forza di attrazione modifica il profilo di densità numero di particelle. Numero di particelle in funzione della posizione laterale normalizzato di tutti i microcanali y / L per sospensioni con frazione di volume Φ = 0,15 e polimero concentrazione c p di (a, b) 5 mg / ml e (c, d) 25 mg / ml, acquisita a posizioni a valle normalizzati x / L = (a, c) e 50 (b, d) 200. dati sono presenti due altezze normalizzati, z / L = 0,05 (rosso scuro triangolo ) E 0.50 (azzurro latoμ l / h. Le linee mostrate sono guide per l'occhio, e le barre di errore indicano la deviazione standard delle misurazioni. Il diametro delle particelle è 2 a = 1.546 μ m. Questa cifra è stata modificata da Pandey e Conrad, Soft Matter 8, 10.695-10.703 (2012). Riprodotto con il permesso della Royal Society of Chemistry (http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d).

Figura 10
Figura 10. Forza di attrazione modifica i profili di velocità. Profili di velocità normalizzate in funzione della posizione laterale normalizzato di tutti i microcanali y / L per sospensioni con frazione di volume Φ = 0,15 e polimero concentrazione c p di ( b) 5 mg / ml e (c, d) 25 mg / ml, acquisita a posizioni a valle normalizzati x / L = (a, c) e 50 (b, d) 200. dati sono presenti per due normalizzato altezze, z / L = 0,05 (rosso scuro) e 0.50 (azzurro). La portata era di 8 μ l / h. Le barre di errore indicano la deviazione standard delle misurazioni. Le linee tratteggiate indicano adatta al profilo di flusso newtoniano previsto per il flusso in microcanali quadrato. Questa cifra è stata modificata da Pandey e Conrad, Soft Matter 8, 10.695-10.703 (2012). Riprodotto con il permesso della Royal Society of Chemistry (http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d).

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Discussion

Sospensioni colloidali sono ampiamente studiati come modelli di comportamento di fase limitata, perché le particelle colloidali micron di dimensioni mostrano dinamiche notevolmente più lento di atomi e molecole e quindi possono essere facilmente esposte e monitorati nel tempo 10. Per questi studi fondamentali, capire l'effetto delle attrazioni interparticellari sul comportamento di fase confinata offre l'opportunità di esplorare fenomeni come la condensazione capillare ed evaporazione 21,22,67. Inoltre, le sospensioni interessanti confinati appaiono ubiquitariamente in applicazioni industriali e tecnologiche. Per questi studi applicati, capire l'effetto della formulazione sospensione sul flusso confinato può portare a migliori formulazioni di materie prime e inchiostri per la prototipazione rapida 1-3, la consegna della droga 4, rafforzata 5-7 il recupero del petrolio, e le applicazioni di storage di energia 8.

Altre tecniche utilizzate per sondare la struttura di micron di dimensioni colloids in geometrie sottili includono microscopia elettronica 17,18, microscopia a raggi x 19, e microscopia laser di diffrazione 20. La combinazione di algoritmi di microscopia e analisi delle immagini confocale offre due vantaggi fondamentali per gli studi di sospensioni colloidali confinati. In primo luogo, la microscopia confocale permette l'imaging in profondità all'interno sospensioni dense e fluorescenti. In secondo luogo, traiettorie delle particelle ottenuti da micrografie confocale possono essere utilizzati per calcolare le metriche dinamiche e strutturali di singole particelle colloidali di dimensioni micron. Queste misure facilitano il confronto diretto con le simulazioni 21,22. Altri algoritmi di analisi dell'immagine, come immagine di correlazione 37 basato su immagini di particelle velocimetry 38, possono essere applicati a micrografie confocali in cui gli spostamenti delle particelle più grandi della distanza interparticellare per sondare le dinamiche.

Abbiamo dimostrato di protocolli per l'imaging di riposo e fluente colloimiscele d-polimero in geometrie confinate utilizzando la microscopia confocale. Utilizzando i parametri rappresentativi descritte in questo documento, abbiamo identificato una transizione solidificazione in sospensioni quiescenti che è indotto dal confinamento 63,64. Abbiamo anche dimostrato che cambiando la forza di attrazione modifica la portata della migrazione delle particelle e il consolidamento durante il flusso di miscele colloide-polimero a microcanali 66.

Per gli esperimenti di flusso, una limitazione di questo protocollo è la difficoltà di rappresentazione in 3-D durante il flusso microcanali veloce, come particelle di solito si muovono le grandi distanze tra fotogrammi consecutivi. Questa limitazione può essere evitato a portate più lenti da imaging di una fetta sottile 3-D. Esperimenti ripetuti in posizioni verticali distinti all'interno del canale possono quindi produrre la velocità e la densità profili tridimensionali completi. Questo approccio è stato applicato con successo da altri gruppi di ricerca alle sospensioni di quasi-hard-sfera di colloidi che form occhiali 13,14 o cristalli 41, ma non sono ancora stato applicato ai gel colloidale meno concentrati come quelli qui presentati.

Entrambi i metodi di analisi delle immagini descritte (particella-tracking e l'immagine di correlazione) presentano limitazioni. Per gli algoritmi di monitoraggio delle particelle, le risoluzioni di un decimo della dimensione dei pixel sono stati segnalati 23 per particelle ben separati. La risoluzione aumenta con l'aumento del segnale-rumore. Sia l'algoritmo di raccordo gaussiana e un algoritmo più recente che calcola i punti di massima simmetria radiale raggiungere risoluzioni di monitoraggio che si trovano vicino al massimo teorico 68. La risoluzione nei nostri esperimenti era leggermente inferiore (un quarto della dimensione dei pixel); perché le particelle di gel sono in stretto contatto, il centro di intensità in una regione locale è quindi non necessariamente trova sul baricentro particella. La risoluzione nel rilevamento di particelle in gel può essere migliorata mediante l'etichettatura solonuclei delle particelle 69-71. Per immagini di particelle velocimetry, i metodi riportati qui resa misure accurate di spostamento anche per grandi spostamenti di diverse centinaia di pixel 37, fintanto che le regioni di velocità advective quasi costante sono correlati. Questi metodi non possono essere utilizzati quando le particelle subiscono significativo movimento relativo o moto non affine; in questo caso gli spostamenti sono limitati ad una frazione della dimensione delle particelle.

Questi protocolli possono essere applicati a studi sulle proprietà comportamento di fase, struttura, la dinamica di flusso e di una vasta gamma di sospensioni colloidali, incluse particelle di forma o anisotropia chimici e solventi che sono liquidi non-Newtoniani, in 2-D e 3 - D confini. L'applicazione di queste tecniche richiede ulteriore aumento del tasso di imaging in 2-D e 3-D, nuovi algoritmi per analizzare immagini di particelle anisotrope, e progressi nella realizzazione di geometrie di confinamento realistiche e interfacce.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Ricerca riportata in questa pubblicazione è stato sostenuto da una Università di Houston Nuova Facoltà Grant, una sovvenzione seme dal Centro Texas per la superconduttività e la Petroleum Research Fund American Chemical Society (52537-DNI).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Cyclohexyl bromide Sigma Aldrich 135194 CAS Number  108-85-0, Molecular wt. = 163.06, Used in stock solvent
Decahydronapthalene Sigma Aldrich D251 CAS Number 91-17-8, Molecular wt. = 138.25, Used in stock solvent
Nile Red Sigma Aldrich 72485 Fluorescent dye
Fluorescein 5(6)-isothiocyanate Sigma Aldrich F3651 Fluorescent dye
Rhodamine B Sigma Aldrich 83689 Fluorescent dye
Dynamic Light Scattering  Brookhaven Instruments BI-APD DLS equipment used for particle size measurement
Polystyrene  Varian/Agilent PL20138-23 Polystyrene (polymer) for inducing depletion attraction
Tetrabutyl(ammonium chloride) (TBAC) Sigma Aldrich 86870 monovalent salt
UV Adhesive Norland Adhesive NOA 68T Part Number 68T01 (UV cured adhesive)
VT Eye Visitech VT Eye confocal scanner
VT Infinity Visitech VT Infinity confocal scanner
Microscope  Leica DMI3000B Inverted Microscope
Centrifuge Thermo Scientific Sorvall ST 16 1-5,000 rpm
Teflon tubing smallparts SLTT 26-72 Zeus PTFE Sublite Wall Tubing 26 AWG 0.016" ID x 0.003" Wall
Epoxy Devcon DA051 5 min epoxy
Syringe Micromate/Cadence 5004 glass syringe with metal luer lock tip
Syringe tips  Nordson 7018462 32 GA precision tips 
Syringe pump  New Era Pump system Inc. NE1002X Programmable microfluidic pump (syringepump.com)
Weigh balance Mettler Toledo AB204-S 0.0001-220 g
PMMA particles synthesized poly(methylmethacrylate) colloidal particles

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References

  1. Shereda, L. T., Larson, R. G., Solomon, M. J. Local stress control of spatiotemporal ordering of colloidal crystals in complex flows. Physical Review Letters. 101, 038301-0310 (2008).
  2. Conrad, J. C., et al. Designing colloidal suspensions for directed materials assembly. Current Opinion in Colloid and Interface Science. 16, 71-79 (2011).
  3. Lewis, J. A. Direct ink writing of 3D functional materials. Advanced Functional Materials. 16, 2193-2204 (2006).
  4. Mishra, B., Patel, B. B., Tiwari, S. Colloidal nanocarriers: a review on formulation technology, types and applications toward targeted drug delivery. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine. 6, 9-24 (2010).
  5. Maitland, G. C. Oil and gas production. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 5, 301-311 (2000).
  6. Kelessidis, V., Maglione, R., Tsamantaki, C., Aspirtakis, Y. Optimal determination of rheological parameters for Herschel–Bulkley drilling fluids and impact on pressure drop, velocity profiles and penetration rates during drilling. J. Petrol. Sci. Eng. 53, 203-224 (2006).
  7. Ponnapati, R., et al. Polymer-functionalized nanoparticles for improving waterflood sweep efficiency: Characterization and transport properties. Industrial and Engineering Chemistry Research. 50, 13030-13036 (2011).
  8. Duduta, M., et al. Semi-solid lithium rechargeable flow battery. Advanced Energy Materials. 1, 511-516 (2011).
  9. Poon, W. C. K. The physics of a model colloid-polymer mixture. Journal of Physics: Condensed Matter. 14, (2002).
  10. Prasad, V., Semwogerere, D., Weeks, E. R. Confocal microscopy of colloids. Journal of Physics: Condensed Matter. 19, 113102-1110 (2007).
  11. Kogan, M., Solomon, M. J. Electric-field-induced yielding of colloidal gels in microfluidic capillaries. Langmuir. 26, 1207-1213 (2010).
  12. Frank, M., Anderson, D., Weeks, E. R., Morris, J. F. Particle migration in pressure-driven flow of a Brownian suspension. Journal of Fluid Mechanics. 493, 363-378 (2003).
  13. Isa, L., Besseling, R., Morozov, A. N., Poon, W. C. K. Velocity oscillations in microfluidic flows of concentrated colloidal suspensions. Physical Review Letters. 102, 058302-0510 (2009).
  14. Isa, L., Besseling, R., Poon, W. C. K. Shear zones and wall slip in the capillary flow of concentrated colloidal suspensions. Physical Review Letters. 98, (2007).
  15. Semwogerere, D., Morris, J. F., Weeks, E. R. Development of particle migration in pressure-driven flow of a Brownian suspension. Journal of Fluid Mechanics. 581, 437-451 (2007).
  16. Semwogerere, D., Weeks, E. R. Shear-induced particle migration in binary colloidal suspensions. Phys. Fluids. 20, (2008).
  17. Ramiro-Manzano, F., Bonet, E., Rodriguez, I., Meseguer, F. Layering transitions in confined colloidal crystals: The hcp-like phase. Physical Review E. 76, 050401-0510 (2007).
  18. Ramiro-Manzano, F., Meseguer, F., Bonet, E., Rodriguez, I. Faceting and commensurability in crystal structures of colloidal thin films. Physical Review Letters. 97, 028304-0210 (2006).
  19. Hilhorst, J., et al. hree-dimensional structure and defects in colloidal photonic crystals revealed by tomographic scanning transmission X-ray microscopy. Langmuir. 28, 3614-3820 (2012).
  20. Luo, Y. -Y., Hu, S. -X., Lu, Y., Mai, Z. -H., Li, M. Real time observation of partial dislocations in thin colloidal crystals. Applied Physics Letters. 95. 174107, (2009).
  21. Binder, K., Horbach, J., Vink, R. L. C., De Virgiliis, A. Confinement effects on phase behavior of soft matter systems. Soft Matter. 4, 1555-1568 (2008).
  22. De Virgiliis, A., Vink, R. L. C., Horbach, J., Binder, K. From capillary condensation to interface localization transitions in colloid-polymer mixtures confined in thin-film geometry. Physical Review E. 78, 041604-0410 (2008).
  23. Crocker, J. C., Grier, D. G. Methods of digital video microscopy for colloidal studies. J. Colloid Interface Sci. 179, 298-310 (1996).
  24. Gasser, U., Weeks, E. R., Schofield, A. B., Pusey, P. N., Weitz, D. A. Real-space imaging of nucleation and growth in colloidal crystallization. Science. 292, 258-262 (2001).
  25. Alsayed, A. M., Islam, M. F., Zhang, J., Collings, P., Yodh, A. G. Premelting at defects within bulk colloidal crystals. Science. 309, 1207-1210 (2005).
  26. Leunissen, M. E., et al. Ionic colloidal crystals of oppositely charged particles. Nature. 437, 235-240 (2005).
  27. Nagamanasa, K. H., Gokhale, S., Ganapathy, R., Sood, A. K. Confined glassy dynamics at grain boundaries in colloidal crystals. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108. , 11323-11326 (2011).
  28. Kaya, D., Green, N. L., Maloney, C. E., Islam, M. F. Normal modes and density of states of disordered colloidal solids. Science. 329, 656-658 (2010).
  29. Weeks, E. R., Crocker, J. C., Levitt, A. C., Schofield, A. B., Weitz, D. A. Three-dimensional direct imaging of structural relaxation near the colloidal glass transition. Science. 287, 627-631 (2000).
  30. Sarangapani, P. S., Schofield, A. B., Zhu, Y. Direct experimental evidence of growing dynamic length scales in confined colloidal liquids. Phys. Rev. E. 83, 030502-0310 (2011).
  31. Sarangapani, P. S., Schofield, A. B., Zhu, Y. Relationship between cooperative motion and the confinement length scale in confined colloidal liquids. Soft Matter. 8, 814-818 (2012).
  32. Dibble, C. J., Kogan, M., Solomon, M. J. Structure and dynamics of colloidal depletion gels: Coincidence of transitions and heterogeneity. Phys. Rev. E. 74, 041403-0410 (2006).
  33. Dibble, C. J., Kogan, M., Solomon, M. J. Structural origins of dynamical heterogeneity in colloidal gels. Phys. Rev. E. 77, 050401-0510 (2008).
  34. Lu, P. J., et al. Gelation of particles with short-range attraction. Nature. 453, 499-504 (2008).
  35. Hsiao, L. C., Newman, R. S., Glotzer, S. C., Solomon, M. J. Role of isostaticity and load-bearing microstructure in the elasticity of yielded colloidal gels. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109. , 16029-16034 (2012).
  36. Lu, P. J., et al. Characterizing concentrated, multiply scattering, and actively driven fluorescent systems with confocal differential dynamic microscopy. Physical Review Letters. 108, 218103-2110 (2012).
  37. Besseling, R., Isa, L., Weeks, E. R., Poon, W. C. K. Quantitative imaging of colloidal flows. Advances In Colloid and Interface Science. 146. , 1-17 (2009).
  38. Wereley, S. T., Meinhart, C. D. Micron-resolution particle image velocimetry. Microscale Diagnostic Techniques. , 1-62 (2005).
  39. Angele, K. P., Suzuki, Y., Miwa, J., Kasagi, N. Development of a high-speed scanning micro PIV system using a rotating disc. Measurement Science and Technology. 17, 1639-1646 (2006).
  40. Klein, S. A., Posner, J. D. Improvement in two-frame correlations by confocal microscopy for temporally resolved micro particle imaging velocimetry. Measurement Science and Technology. 21, 105409-1010 (2010).
  41. Derks, D., Wu, Y. L., Van Blaaderen, A., Imhof, A. Dynamics of colloidal crystals in shear flow. Soft Matter. 5, 1060-1065 (2009).
  42. Ballesta, P., Besseling, R., Isa, L., Petekidis, G., Poon, W. C. K. Slip and flow of hard sphere colloidal glasses. Physical Review Letters. 101, 258301-2510 (2008).
  43. Rajaram, B., Mohraz, A. Microstructural response of dilute colloidal gels to nonlinear shear deformation. Soft Matter. 6, 2246-2259 (2010).
  44. Rajaram, B., Mohraz, A. Dynamics of shear-induced yielding and flow in dilute colloidal gels. Physical Review E. 84, (2011).
  45. Rajaram, B., Mohraz, A. Steady shear microstructure in dilute colloid–polymer mixtures. Soft Matter. 8, 3699-3707 (2012).
  46. Yethiraj, A., Van Blaaderen, A. A colloidal model system with an interaction tunable from hard sphere to soft and dipolar. Nature. 421, 513-517 (2003).
  47. Campbell, A. I., Anderson, V., Van Duijneveldt, J. S., Bartlett, P. Dynamical arrest in attractive colloids: The effect of long-range repulsion. Physical Review Letters. 94, 208301-2010 (2005).
  48. Klix, C. L., Royall, C. P., Tanaka, H. Structural and dynamical features of multiple metastable glassy states in a colloidal system with competing interactions. Physical Review Letters. 104, 165702-1610 (2010).
  49. Sedgwick, H., Egelhaaf, S. U., Poon, W. C. K. Clusters and gels in systems of sticky particles. Journal of Physics: Condensed Matter. 16, 10-1088 (2004).
  50. Zhang, T. H., Klok, J., Tromp, R. H., Groenewold, J., Kegel, W. K. Non-equilibrium cluster states in colloids with competing interactions. Soft Matter. 8, (2012).
  51. Dinsmore, A. D., Prasad, V., Wong, I. Y., Weitz, D. A. Microscopic structure and elasticity of weakly aggregated colloidal gels. Physical Review Letters. 96, (2006).
  52. Antl, L., et al. The preparation of poly(methyl methacrylate) latices in nonaqueous media. Colloid Surf. 17, 67-78 (1986).
  53. Aarts, D. G. A. L., Tuinier, R., Lekkerkerker, H. N. W. Phase behaviour of mixtures of colloidal spheres and excluded-volume polymer chains. Journal of Physics: Condensed Matter. 14, 7551-7561 (2002).
  54. Crocker, J. C., Weeks, E. R. Particle tracking using IDL. , (2011).
  55. Grier Grier, D. G. Lab Downloadable Software. , (2012).
  56. Smith, R., Friendly Spalding, G. U. ser- Freeware Image Segmentation and Particle Tracking. , (2005).
  57. Blair, D. L., Dufresne, E. R. The Matlab Particle Tracking Code Repository. , (2008).
  58. Kilfoil, M. L. Biological Physics Software. , (2009).
  59. Milne, G. Particle Tracking. , (2006).
  60. Caswell, T. trackpy: A pure python implementation of Crocker-Grier for single particle tracking. , (2012).
  61. Weeks, E. R. IDL routines to calculate the pair correlation function g(r). , (2005).
  62. Breedveld, V., Crocker, J. C., Weeks, E. R. M. S. D. , (2005).
  63. Spannuth, M., Conrad, J. C. Confinement-induced solidification of colloid-polymer depletion mixtures. Phys. Rev. Lett. 109, (2012).
  64. Spannuth, M., Conrad, J. C. Dynamics of confined colloid-polymer mixtures. AIP Conf. Proc. 1518, 351-356 (2013).
  65. Pandey, R., Conrad, J. C. Dynamics of confined depletion mixtures of polymers and bidispersed colloids. Soft Matter. , (2013).
  66. Pandey, R., Conrad, J. C. Effects of attraction strength on microchannel flow of colloid–polymer depletion mixtures. Soft Matter. 8, 10695-10703 (2012).
  67. Gelb, L., Gubbins, K. E., Radhakrishnan, R., Sliwinska-Bartkowiak, M. Phase separation in confined systems. Reports on Progress in Physics. 62, 1573-1659 (1999).
  68. Parthasarathy, R. Rapid accurate particle tracking by calculation of radial symmetry centers. Nature Methods. 9, 724-726 (2012).
  69. Peng, B., vander Wee, E., Imhof, A., Van Blaaderen, A. Synthesis of monodisperse, highly cross linked, fluorescent PMMA particles by dispersion polymerization. Langmuir. 28, 6776-6785 (2012).
  70. Elsesser, M. T., Hollingsworth, A. D., Edmond, K. V., Pine, D. J. Large core-shell poly(methyl methacrylate) colloidal clusters: synthesis, characterization, and tracking. Langmuir. 27, 917-927 (2011).
  71. Dullens, R. P. A., Derks, D., van Blaaderen, A., Kegel, W. K. Monodisperse core-shell poly(methyl methacrylate latex colloids). Langmuir. 19, 5963-5966 (2003).

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Pandey, R., Spannuth, M., Conrad, J. C. Confocal Imaging of Confined Quiescent and Flowing Colloid-polymer Mixtures. J. Vis. Exp. (87), e51461, doi:10.3791/51461 (2014).

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