Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Confocal Imaging av Confined Hvile og Flowing Kolloid-polymer blandinger

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

Konfokalmikroskopi brukes til bildehvil og flyter kolloid-polymerblandinger, som er studert som modellsystem for attraktive suspensjoner. Bildeanalyse algoritmer brukes til å beregne strukturelle og dynamiske beregninger for de kolloidale partikler som måler endringer på grunn av geometriske innesperring.

Abstract

Oppførselen til trange kolloidale suspensjoner med attraktive interpartikulær interaksjoner er kritisk til rasjonell utforming av materiell for rettet forsamlingen 1-3, levering av legemidler 4, økt hydrokarbonutvinning 5-7, og flytbare elektroder for energilagring åtte. Suspensjoner som inneholder fluorescerende kolloider og ikke-adsorbering av polymerer er tiltalende modellsystemer, som forholdet av polymeren radius treghets til partikkelradius og konsentrasjonen av polymerkontroll henholdsvis omfanget av og styrken på interpartikulær tiltrekning,. Ved å justere de polymer-egenskaper og volumandelen av de kolloider, kolloid væsker, væsker av klynger, geler, krystaller og glass kan fås 9. Konfokalmikroskopi, en variant av fluorescens-mikroskopi, kan et optisk transparent og fluorescerende prøven som skal avbildes med høy romlig og tidsmessig oppløsning i tre dimensjoner. I denne teknikken, en liten pinhole eller sliss blokkerer den emitterte fluorescerende lyset fra regioner av prøven som befinner seg utenfor det sentrale volumet av mikroskopet optiske system. Som et resultat, er bare en tynn seksjon av prøven i fokalplanet avbildes. Denne teknikk er spesielt godt egnet for å undersøke strukturen og dynamikken i tette kolloidale suspensjoner på enkelt-partikler skala: partiklene er store nok til å bli løst ved hjelp av synlig lys, og diffundere langsomt nok til å bli tatt ved typiske skanningshastighet på kommersielle confocal systemer 10 . Forbedringer i skannehastigheter og algoritmer har også aktivert kvantitativ confocal avbildning av flytende suspensjoner 11-16,37. I denne artikkelen viser vi konfokalmikroskopi eksperimenter for å sondere begrenset faseoppførsel og strømningsegenskaper kolloid-polymerblandinger. Vi først forberede colloid-polymer blandinger som er tetthet og brytningsindeks matchet. Deretter rapporterer vi en standard protokoll for imaging hvil tette kolloid-polymer blandinger under varierende innesperring i tynne kileformede celler. Til slutt viser vi en protokoll for imaging kolloid-polymer blandinger under microchannel flyt.

Introduction

Denne artikkelen viser (a) confocal avbildning av hvilende og flyter trange kolloid-polymerblandinger i to og tre dimensjoner og (b) partikkel-sporing og korrelasjon analyser av de resulterende bildene for å innhente kvantitativ informasjon om faseoppførsel og strømningsegenskaper.

Kolloidale suspensjoner med attraktive interpartikulær interaksjoner vises overalt i teknologiske anvendelser som materialer for rettet forsamlingen 1-3, levering av legemidler 4, økt hydrokarbonutvinning 5-7, og energilagring åtte. Felles for disse anvendelser er at partiklene må være strømmet gjennom fine geometrier, slik som dyser, skrivehoder, mikrokanaler eller porøse media, og / eller formes til tynne filmer eller staver. Teknikker som brukes til å undersøke strukturen av mikron-størrelse kolloider i trange geometrier, inkludert elektronmikroskopi 17,18, røntgen-mikros 19, og laser-diffraksjon microscopy 20, kan brukes til å måle strukturen og dynamikken for partikler på mikroskala. Disse teknikkene er imidlertid ikke tillater adgang til de baner av individuelle partikler, fra hvilke strukturelle og dynamiske beregninger kan beregnes for direkte sammenligning med numeriske simuleringer 21,22.

Konfokal mikroskopi er en variant av fluorescens-mikroskopi som muliggjør avbildning av tynne snitt av et fluorescerende prøven. For kolloidalt science 10, er spesielt nyttig for avbilding av dype innenfor tette suspensjoner, eller i tre dimensjoner av denne teknikken. Partikkel-sporingsalgoritmer 23 anvendes til to-eller tre-dimensjonale tidsserier av confocal mikrografer gi de baner av alle synlige partikler. Som et resultat, har en kombinasjon av konfokal mikroskopi og partikkel-sporing er anvendt for å studere faseoppførsel, strukturen og dynamikken i kolloidale suspensjoner, inkludert bestilt krystaller 24-27 og uordened briller 28-31 og geleer 32-35.

Andre bildeanalysealgoritmer kan anvendes for å måle partikkel dynamikk fra tid serie confocal mikrografer. For eksempel kan diffusive partikkeldynamikk bli studert ved å analysere svingninger i intensitet over tid ved hjelp confocal differensial dynamisk mikros 36. Når partikkel forskyvninger er større enn inter-avstand, kan bilde korrelasjon 37 basert på partikkelbildet velocimetry 38-40 anvendes for å måle hastighetsprofiler av partiklene. Kombinasjonen av sporing og korrelasjonsalgoritmer har tillatt kolloidale dynamikk som skal måles i systemer som gjennomgår langsom og rask flyt 11-16,41-45.

Vi bruker kolloid-polymerblandinger som modeller for attraktive kolloidale suspensjoner ni. I disse blandinger blir rekkevidden og styrken av den attraktive interpartikulær potensial styres via forholdetav polymeren radius treghets til partikkelradius og konsentrasjonen av polymeren, og den elektrostatiske frastøtning styres via tilsetning av et monovalent organisk salt 46. Fordi interpartikulær interaksjoner kan være nøye avstemt, har den størkning av disse blandingene blitt grundig studert med konfokalmikroskopi 34,47-51.

Her vi vise konfokal avbilding og bildeanalyse 37 av hvilende og flytende kolloid-polymer-blandinger, hvor kolloidet volumfraksjon er holdt fast ved Φ = 0.15, som probe effekten av innesperring på den faseoppførsel og flytegenskapene for disse blandinger. Disse teknikkene er allment partikkelsystemer som er brytningsindeks avstemt og hvor partiklene og / eller løsningsmiddel kan være merket med et fluorescent farvestoff.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

En. Utarbeidelse av kolloid-polymer blandinger

Merk: Denne protokoll benytter poly (metylmetakrylat) (PMMA) partikler, sterisk stabilisert ved bruk av poly (12-hydroksystearinsyre), og merket med et fluorescent farvestoff (for eksempel Nile Red, rodamin B, eller fluorescein), som ble syntetisert etter en standard oppskrift 52.

  1. Forbered en 03:01 w / w blanding av cykloheksylakrylat bromide (CXB) og Dekahydronaftalenet (DHN) som en aksje løsemiddel. Denne blandingen nesten stemmer overens med tettheten og brytningsindeksen av partiklene. Legg et organisk salt, tetrabutylammonium-klorid (TBAC) 46, til oppløsningsmidlet i en konsentrasjon på 1,5 mM til delvis skjerme de ladninger på partiklene.
  2. For å nøyaktig bestemme tettheten av partiklene, tilberedning av en suspensjon ved omtrentlig partikkelvolumfraksjon Φ = 0,10 i CXB: DHN oppløsningsmiddel. Sentrifuger suspensjonen ved 800 xg i 75 min og tilsett CXB eller DHN dråpevis for å forbedre oppdriftmatching. I disse eksperimentene, ble tettheten av PMMA-partikler målt til å være ρ = 1,223 g / ml.
  3. Forbered en konsentrert lager suspensjon av PMMA partikler (her, Φ = 0,40) i CXB: DHN løsemiddelblanding.
  4. Tilbered en konsentrert oppløsning av lineær polystyren (PS) i CXB: DHN oppløsningsmiddelblanding. Her ble en oppløsning av PS med molekylvekt M w ≈ 3000000 (radius treghets r g = 15 nm) ble fremstilt ved konsentrasjon c p ≈ 50 mg / ml.
  5. Bland hensiktsmessige vekter av partikkelen, polymer, og oppløsningsarkiv blandinger for å formulere suspensjoner ved de ønskede konsentrasjoner av partikler, og polymerer.
    Merk: Her blir suspensjoner av monodispersed partikler fremstilt ved konstant kolloid volumfraksjon Φ = 0,15 og variabel polymerkonsentrasjonen i det frie volum 53 c p = 0-25 mg / ml, og bidispersed suspensjoner inneholdende to størrelser av kolloidale partikler, wed hver størrelse som bærer en distinkt fluorescerende markør, fremstilles ved fast total kolloid volumfraksjon Φ = 0,15, volumfraksjonen forholdet av små partikler r = 0,50, og polymerkonsentrasjonen i det frie volum på 5 eller 25 mg / ml.
  6. Etter hver suspensjon fremstilles, tilsett CXB eller DHN dråpevis og sentrifuger prøvene ved 800 x g i minst 75 minutter for å bekrefte at partiklene og klynger i suspensjonen forbli oppdrift matchet.
  7. Stabilisere alle prøvene i minst 24 timer før bildebehandling eksperimenter.

. 2 Hvile Sample Experiments: faseoppførsel

  1. For å bestemme bulk faseoppførsel, dikte rektangulære kamre fra glass dekkglass (Figur 1a). For de kolloid-polymerblandinger i denne studien kamre av tykkelsen h = 1 mm (angitt ved at tykkelsen på et objektglass) gi bulk oppførsel.
  2. For å få tilgang til flere confinements i en enkelt mikros eksperiment, dikte tynn kile-formede kammer, ved hjelp av en enkelt dekkglass som et avstandsstykke på den ene kilen (Figur 1b). Denne åpningsvinkel av kammeret er <0,5 °, slik at i en enkelt synsfelt veggene er nesten parallelle. En representant kammer gir tilgang til innesperring tykkelser av h = 6 til> 100 mikrometer.
  3. Bygge kammer på et dekkglass base for avbildning på et invertert mikroskop og forsegling med UV-herdbare epoxy, som ikke oppløses i CXB-DHN oppløsningsmiddelblanding.
  4. Bilde prøver ved hjelp av en konfokalmikroskop. Denne protokollen demonstrerer bildebehandling med en line-skanning confocal festet til en invertert mikroskop utstyrt med en 100X oljeneddyppingsobjektivet linse av numerisk aperture NA = 1,40.
  5. Opphisse fargestoffer ved hjelp av en laser kilde. Her bølgelengder λ = 491 eller 561 nm brukes til å opphisse fluorescein og rhodamin / Nile Red fargestoffer, henholdsvis.
  6. I et punkt-scanning-system, generere et bilde ved hurtig skanning navet over prøven (i x-y planet) ved hjelp av konfokal programvare. En to-dimensjonalt bilde av 512 piksler x 512 piksler, som dekker omtrent 50 mikrometer x 50 mikrometer, kan bli kjøpt opp i 1/32 sek. Forbedre bildekvaliteten ved gjennomsnitt flere bilder eller øke oppkjøpet tid.
  7. Sted i bunnen av kammeret (z = 0), for eksempel ved å fokusere på partikler addert til dens bunn. I dette oppsettet, høyden (z) øker med økende fokus inn i kammeret.
  8. Som et eksempel, karakterisere virkningen av innesperring på dynamikken i partiklene ved å skaffe en 2D-tidsserie av bilder (i xy-planet) ved midtplan for kammeret. I et typisk eksperiment, 500 bilder av dimensjon 512 piksler x 512 piksler er kjøpt til en bildefrekvens på en ramme / sek (tid avstand At = 1 sek).
  9. Som et annet eksempel, karakter 3-D-strukturen av partiklene ved å skaffe en tre-dimensjonal rekke av bilder (x, y, z). I et typisk forsøk, to-dimensjonale bilder (512 piksler x 512 piksler) liggertatt ved flere z stillinger i kammeret, med en konstant avstand på åZ = 0,2 mikrometer mellom etterfølgende bilder som er fastsatt av en piezo. Et volum stabel som dekker en tykkelse på t = 30 um inneholder således 151 bilder.
  10. Lokalisere og spore partikler over tid i 2-D eller 3-D ved hjelp av partikkel-sporing programvare skrevet i IDL 23,54-56, MATLAB 57,58, LabView 59, eller Python 60 år. Disse algoritmene vanligvis tillater sentrene av partiklene til å bli løst i løpet av 40-50 nm. Vellykket partikkel sporing krever at partiklene beveger seg mindre enn interpartikulær avstanden mellom etterfølgende rammer.
  11. Fra partikkel stillinger, beregne strukturelle og dynamiske beregninger. Tre praktiske beregninger som vises her er den 3-D pair korrelasjon funksjon g (r) 61, 2-D bety-squared forskyvning (MSD) 58,62, og 2-D selv del av van Hove korrelasjon funksjon G s ( x, t) 58. De to sistnevnte beregninger kan også beregnes i 3-D.

. 3 Flowing Experiments: flyteegenskaper

  1. Fremstill en enkel strømningscelle ved hjelp av en glass microcapillary med kvadratisk tverrsnitt (100 pm x 100 pm) som er festet til teflonslange. Bruk glass dekkglass for å støtte den kapillære og gi mekanisk stivhet, slik det er vist i skjematisk i figur 7..
  2. Legg kolloid-polymerblandingen inn i en glassprøyte. Fest sprøyten til en sprøytepumpe eller en pneumatisk fluid utleveringssystemet.
  3. Monter flyt celle oppsett på invertert mikroskop. Oppbevar sprøyten, strømningscelle, og utløp i samme høyde for å minimere virkningen av tyngdekraften på strømningsprofil.
  4. Kontroll av strømningshastigheten for suspensjonen gjennom strømningscellen med den volumetriske strømningshastighet (for sprøytepumpe) eller påført trykk (for trykkboks). Den gjennomsnittlige hastighet av suspensjonen i mikrokanal er også avhengig av suspension formulering. Typiske verdier av maksimal hastighet i de firkantede microchannel målt her er 200-2,000 mikrometer / sek.
  5. Under flyt, erverve en 2-D konfokalmikroskoper tidsserier på rask bildefrekvens. Her, 500 bilder av dimensjon 512 piksler x 512 piksler er ervervet ved 32 bilder / sek (tidsmellomrom Δ t = 1/32 sek) i ulike høyder over bunnen av microchannel (z = 0 mikrometer) som strekker seg fra z = 5 - 50 mikrometer. Hvert bilde dekker omtrent halvparten av den laterale dimensjonen (y) av microchannel, som vist i den innfelte til figur 7.. Dersom partiklene synes elliptisk, øke bildefrekvens anskaffelse.
  6. Som i hvilende eksperimenter, finn partiklene i 2-D med standard algoritmer for å finne og sporing partikler i IDL eller MATLAB. For langsomme strømmer, hvor partiklene beveger seg mindre enn den gjennomsnittlige inter-avstanden mellom rammene, bruker sporingsalgoritmer for å oppnå baner.
  7. Bruk bilde korrelasjon til calcUlate hastighetsprofiler for raske strømmer.
    1. Dele bildet inn i horisontale bilder av konstant høyde (y) langs strømningsretningen (x). For to sekvensielle bilder I en (x, y) og I 2 (x, y) forskyve sistnevnte bilde med en faktor Δx og deretter beregne kryss kovariansen mellom I 1 (x, y) og I 2 (x + Δx, y).
    2. Identifiser peak stillingen av histogram av Δx verdier som maksimaliserer kryss kovariansen mellom hvert par av bilder for å få den midlere adveksjon hastigheten ved hver lateral posisjon y. Hvis denne fordelingen ikke er sterkt toppet seg, hente bilder på en raskere bildefrekvens.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

For å demonstrere konfokal avbildning og partikkel-sporing, undersøkte vi effekten av innesperring på den faseoppførsel av kolloid-polymer-blandinger 63-65. For disse eksperimentene diameteren kolloid var 2 a = 0,865 um. Den kolloid volumfraksjon ble satt til Φ = 0,15, og konsentrasjonen av polymer c p ble variert 0 til 23,6 mg / ml. Representative confocal bilder er vist i figur 2 63, venstre kolonne. Fra partikkelposisjoner innhentet ved hjelp av sporing algoritmer, vi beregnet representative strukturelle og dynamiske beregninger, inkludert paret korrelasjonsfunksjonen (Figur 2, midt-kolonnen), og gjennomsnittlig-squared forskyvning (figur 2, høyre kolonne). Bildene og de ​​strukturelle og dynamiske beregninger tillatt oss å skille mellom kolloidale gels (Figur 2, øverste rad), væsker av klynger (figur 2, midterste rad), og væsker (<strong> Figur 2, nederste rad).

Disse beregningene tillatt oss å vurdere kvantitativt nedkomst-induserte endringer i partikkelstruktur og dynamikk. For eksempel, den første toppen i paret korrelasjonsfunksjon av en prøve med polymerkonsentrasjonen c p = 16,6 mg / ml flyttes til kortere separasjoner som innesperring tykkelse er redusert (figur 3 63). Tilsvarende, selv en del av den van Hove korrelasjonsfunksjonen for en prøve med p c = 16,6 mg / ml smalner som innesperring tykkelse er redusert, og at den minste sperring oppviser den sterkeste ikke-gaussisk profil av en arrestert gel (figur 4 63) . Selv for en prøve med c p = 23,6 mg / ml, som er en arrestert gel i det hele tatt avgrensning, redusere sperring tykkelse fører til en smalere og mer ikke-gaussisk profil. Disse forandringer foreslått at sperring indirekte indusert økning i tHan effektiv interpartikulær attraksjon.

Disse teknikker kan også anvendes for å vurdere effektene av innesperring i bidispersed blandinger av partikler som bærer forskjellige fluorescerende markører. Representative bilder av en blanding av store partikler (diameter 2 a L = 1,48 mm) og små (diameter 2 a S = 0,73 um) partikler med en total partikkelvolumfraksjon Φ tot = 0,15 og en volumfraksjon andel av små partikler r = 0,50, viser at reduksjon av innesperring tykkelse induserer dannelsen av en faststoff-lignende kolloidal gel fase som inneholder både store og små partikler (figur 5 65). Denne effekt er spesielt uttalt for suspensjoner som er bulkvæsker (Figur 5a-d). De datablad av de store partikler reduseres etter hvert som systemet blir stadig mer begrenset: for en prøve med c p = 5 mg / ml, de muskel-og skjelettlidelser blir dynamisk arrestert, konsekvent wed størkningsovergang (figur 6a 65). For en prøve med c p = 25 mg / ml, som danner en arrestert gel, induserer sterkt sperring bremset dynamikk (figur 6b); forskjellene mellom de-begrenset, og minst-begrenset prøven er større enn oppløsningen på denne teknikken (~ 40 nm, som bestemmer vi fra y-aksen av MSD i en meget fortynnet konsentrasjon av partikler med Φ <0,01).

Konfokal mikroskopi og bildeanalyse også muliggjøre forskjeller mellom flytegenskapene for svakt og sterkt attraktiv partikler under begrenset strømning til å bli karakterisert 66. For disse eksperimentene, suspensjoner av partikler med diameter 2a = 1.55 mikrometer ble konsentrert til en volumfraksjon av Φ = 0,15 med en polymerkonsentrasjon på enten c p = 5 mg / ml, svarende til et svakt interpartikulær tiltrekning, eller c p = 25 mg / ml, svarende til ensterk interpartikulær attraksjon. Representative bildene er vist i figur 8 for hvilende og flytende suspensjoner.

Antall tetthetsprofiler avdekket forskjeller mellom fordelingen av partikler i en svak-og sterk-attraktive suspensjoner under strømning (vist for en strømningshastighet på 10 μ l / t i figur 9. 66): de av et svakt-attraktiv suspensjon (c p = 5 mg / ml, figurene 9a og 9b) øker dramatisk mer mot midten av microchannel enn de av et sterkt-attraktiv suspensjon (c p = 5 mg / ml, figurene 9c og 9d).

Tilsvarende, svakt og sterkt attraktiv suspensjon viste forskjeller i form av hastighetsprofiler (vist for en strømningshastighet på 8 μ l / t i figur 10 66). Hastighetsprofiler for suspensjoner meden svak tiltrekning (c p = 5 mg / ml, Figurene 10a og 10b) er i nærheten av de som forutsies for et Newtonsk fluidum som strømmer i en firkantet microchannel. I motsetning til dette vesentlig hastighetsprofiler for suspensjoner med en sterkere tiltrekning (c p = 25 mg / ml, figurene 10c og 10d) avviker fra den Newtonske profilen i nærheten av de laterale vegger av microchannel (nær y / L = 0).

Figur 1
Figur 1. Skjematisk av kamre for quiescent eksperimenter. (A) rektangulært kammer, med en konstant tykkelse på 1 mm som er satt av tykkelsen på en glass-slide. (B) kile-formet kammer med en variabel tykkelse varierer 6-170 mikrometer. Den maksimale tykkelse ersatt av som av et glass dekkglass.

Fig. 2
. Confocal mikrografer:. Figur 2 særtrekk av væsker, kolonne væsker av klynger, og geleer Venstre. Senter kolonne: Partikkel pair korrelasjonsfunksjonen g (r) som en funksjon av den normaliserte separasjons r / 2 for en. Høyre kolonne: Normalisert bety-squared forskyvning MSD / 4 en 2 som en funksjon av lag tid. Fra topp til bunn bildene og korrelasjonsfunksjoner viser representative eksempler på en gel (c p = 23,6 mg / ml, og h / 2 = 8,7), en væske av klynger (c p = 16,6 mg / ml, og h / 2 a = 17), og et kolloidalt fluid (c p = 0 mg / ml, og h / 2 a> 116). Partikkeldiameteren er 2 a = 0.865 μ m. Dette tallet har blitt forandret fra Spannuth og Conrad, Phys. Rev Lett. 109, 028 301 (2012). Copyright 2012 av American Physical Society.

Figur 3
Figur 3. Pair korrelasjon funksjon indikerer strukturelle endringer i innesperring. Pair korrelasjon funksjon for en prøve med c p = 16,6 mg / ml på h / 2 a> 116 og h / 2 a = 69, 35, 17, og 8.7 fra topp til bunnen. Prøve er en væske av klynger i det hele tatt, bortsett fra h h / 2 a = 8,7, som er en gel. Farger indikerer fase som i figur 2.. Partikkeldiameteren er 2 a = 0,865 μ m. Dette tallet har blitt forandret fra Spannuth og Conrad, Phys. Rev Lett. 109, 028301 (2012). Copyright 2012 av American Physical Society.

Figur 4
Fig. 4. Van Hove korrelasjonsfunksjonen og den midlere-kvadrat forskyvning indikerer endringer i lukket rom. Selv del av van Hove korrelasjonsfunksjon og (innfelt) midlere-kvadrat forskyvning for prøver med (a) c p = 16,6 mg / ml og (b ) c p = 23,6 mg / ml som funksjon av innesperring (h / 2 a = 69 (sirkler), 17 (firkanter), og 8,7 (trekanter)). I (a), er prøven en væske av klynger for h / 2 a = 69 og 17, men en gel for h / 2 = 8,7. I (b), er prøven en gel for alle timer. Partikkeldiameteren er 2 a = 0,865 μ m. Dette tallet har been endret fra Spannuth og Conrad, Phys. Rev Lett. 109, 028 301 (2012). Copyright 2012 av American Physical Society.

Figur 5
Figur 5. Representative confocal mikrografer av bidispersed blandinger. Confocal mikrografer av små og store partikkelpopulasjoner (begge vist i grått, med større partikler med større intensitet), for suspensjoner med en konstant total volumfraksjon Φ tot = 0,15, volumprosent av små partikler r = 0,50, konsentrasjonen av depletant polymer c p (ac) 5 mg / ml eller (df) 25 mg / ml, (a, d) i bulk eller (bc, ef) begrenset til en normaliserte høyde h/2a L av ( b e) 20 eller (c, f) <5,5. De store og små partikkeldiametere er to en L = 1,48 μ m og 2a S = 0,73 μ m, henholdsvis. Målestokk er 10 μ m.

Figur 6
Figur 6. Mean-squared forskyvning av stor partikkelpopulasjon fremviser sperring induserte bremse. Normalisert middel-kvadrat forskyvning som en funksjon av oppholdstid τ av store partikler i binære suspensjoner med volumprosenten av små partikler r = 0.50 og varierende konsentrasjon av polymer depletant av (a) c p = 5 mg / ml, eller (b) c p = 25 mg / ml. Confinement tykkelser h / 2 en L: bulk ( ), 20 ( diamant ), Og <5,5 ( side ). De stiplede linjene indikerer en helling på en. Den store partikkel diameter er 2 en L = 1,48 μ m. Dette tallet har blitt forandret fra Pandey og Conrad, Soft Matter, 9, 10617-10626 (2013). Gjengitt med tillatelse fra Royal Society of Chemistry (http://dx.doi.org/10.1039/c c3sm51879e).

Figur 7
Figur 7. Skjematisk av enhet for microchannel flømmingseksperimenter. Enheten consim av en glass microcapillary som er festet til en sprøytepumpe ved hjelp teflonslange. Den skjematisk som vist er invertert i forhold til det eksperimentelle oppsettet, som bruker et invertert mikroskop. Koordinatsystemet er angitt: x er orientert langs strømningsretningen, er y orientert langs bredden av microchannel, og z er orientert langs den vertikale retningen. Innfelt: skjematisk av bildebehandling protokollen. 2-d filmer er overtatt av halvparten av bredden av microchannel på ti forskjellige høyder over dens bunnflate. Dette tallet har blitt forandret fra Pandey og Conrad, Soft Matter 8, 10695-10703 (2012). Gjengitt med tillatelse fra Royal Society of Chemistry (http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d).

Figur 8
Figur 8. Representant confocal mikrografer av partiklerunder microchannel strømmen. Confocal mikrografer av kolloidale suspensjoner med polymerkonsentrasjonen c p av (ac) 5 mg / ml og (df) 25 mg / ml. Bilder (a) og (d) viser hvileprøven; bilder (bc) og (ef) ble ervervet under strømning i en høyde (z) av (b, e) 5 μ m, og (c, f) 50 μ m over bunnen overflaten av microchannel. Kanten av kanalen er på den venstre side av hvert bilde i (bc) og (ef), og strømningen er i den nedadgående retning, som angitt. Målestokk er 10 μ m. Partikkeldiameteren er 2 a = 1,546 μ m. Dette tallet har blitt forandret fra Pandey og Conrad, Soft Matter 8, 10695-10703 (2012). Gjengitt med tillatelse fra Royal Society of Chemistry (http :/ / dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d).

Figur 9
Fig. 9. Styrke for tiltrekning modifiserer antallet tetthet profil av partikler Antall partikler som en funksjon av normalisert lateral posisjon over microchannel y / L for suspensjoner med volumandel Φ = 0,15 og polymerkonsentrasjonen c p (a, b) 5. mg / ml, og (c, d) 25 mg / ml, overtatt i det normaliserte nedstrømsposisjoner x / L = (a, c) og 50 (b, d) 200. data er vist i to normaliserte høyder, z / L = 0,05 (mørk rød trekant ) Og 0,50 (lys blå sideμ l / time. De viste linjene er guider til øyet, og feilfeltene indikerer standardavviket av målingene. Partikkeldiameteren er 2 a = 1,546 μ m. Dette tallet har blitt forandret fra Pandey og Conrad, Soft Matter 8, 10695-10703 (2012). Gjengitt med tillatelse fra Royal Society of Chemistry (http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d).

Fig. 10
Figur 10. Styrke for tiltrekning endrer hastighets-profiler. Normalisert hastighetsprofil som funksjon av normaliserte tverrstilling på tvers av microchannel y / L for suspensjoner med volumandel Φ = 0,15 og polymerkonsentrasjonen c p i ( b) 5 mg / ml, og (c, d) 25 mg / ml, overtatt i det normaliserte nedstrømsposisjoner x / L = (a, c) 50 og (b, d) 200. data er vist for to normalisert høyder, z / L = 0,05 (mørk rød) og 0,50 (lys blå). Strømningsraten var 8 μ l / time. De feilfelt indikerer standardavviket av målingene. De stiplede linjene indikerer passer til newtonsk flow profil forventet for flyten i en firkant microchannel. Dette tallet har blitt forandret fra Pandey og Conrad, Soft Matter 8, 10695-10703 (2012). Gjengitt med tillatelse fra Royal Society of Chemistry (http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Kolloidale suspensjoner er mye studert som modeller for begrenset faseoppførsel, fordi mikron-størrelse kolloidale partikler oppviser betydelig langsommere dynamikk enn atomer og molekyler, og derfor lett kan avbildes og spores over tid ti. For disse grunnleggende studier, forstå effekten av interpartikulær attraksjoner på begrenset faseoppførsel tilbyr muligheten til å utforske fenomener som kapillær kondens og fordampning 21,22,67. I tillegg, trange attraktive suspensjoner vises overalt i industrielle og teknologiske anvendelser. For disse anvendte studier, kan forstå effekten av suspensjon formulering om begrenset flyt føre til bedre formuleringer av råstoffer og blekk for rapid prototyping 1-3, levering av legemidler 4, økt oljeutvinning 5-7, og energilagringsprogrammer åtte.

Andre teknikker som benyttes for å undersøke strukturen av mikron-størrelse collOIDer i tynne geometrier inkluderer elektronmikros 17,18, x-ray mikros 19, og laser-diffraksjon mikros 20. Kombinasjonen av konfokalmikroskopi og bildeanalyse algoritmer tilbyr to viktige fordeler for studier av trange kolloidale suspensjoner. Først gjør konfokalmikroskopi bildebehandling dypt inne tette og fluorescerende suspensjoner. For det andre, kan partikkelbaner innhentet fra confocal mikrografer brukes til å beregne dynamiske og strukturelle beregninger for enkelt mikron-størrelse kolloidale partikler. Disse målingene rette direkte sammenligning med simuleringer 21,22. Andre bildeanalysealgoritmer, slik som bilde korrelasjon 37 basert på partikkelbildet velocimetry 38, kan brukes på confocal mikrografer hvor partikkel forskyvninger er større enn inter-avstanden for å sondere dynamikken.

Vi har vist protokoller for imaging sovende og flyter colloid-polymerblandinger i trange geometrier ved hjelp konfokalmikroskopi. Ved hjelp av de representative beregninger som er skissert i denne artikkelen, har vi identifisert en størknings overgang i hvilsuspensjoner som er indusert av innesperring 63,64. Vi viste også at forandre styrken av tiltrekning endrer graden av partikkelmigrasjon og konsolidering under strømning av kolloid-polymerblandinger i mikrokanaler 66.

For flømmingseksperimenter, er en begrensning av denne protokollen vanskeligheten i bildebehandling i 3-D under rask microchannel flyt, som partikler typisk flytte store avstander mellom påfølgende rammer. Denne begrensningen kan unngås ved lavere strømningshastigheter ved imaging en tynn 3-D skive. Gjentatte forsøk ved forskjellige vertikale stillinger i kanalen kan således gi de fullstendige tredimensjonale hastighets-og tetthetsprofiler. Denne tilnærmingen har blitt brukt av andre forskningsgrupper til suspensjoner av nesten-hard-sfæren kolloider som fOrm briller 13,14 eller krystaller 41, men har ennå ikke blitt brukt på de mindre konsentrerte kolloidale gels slik som de presenteres her.

Begge bilde analysemetoder beskrevet (partikkel-sporing og bilde korrelasjon) viser begrensninger. For partikkel sporing algoritmer, har en oppløsning på én tiendedel av pikselstørrelsen blitt rapportert 23 for godt separerte partikler. Oppløsningen øker med økt signal-til-støy. Både Gaussian passende algoritme og en nyere algoritme som beregner avreise maksimal radial symmetri oppnå sporing oppløsninger som er nær det teoretiske maksimum 68. Oppløsningen i våre eksperimenter var noe mindre (en fjerdedel av pikselstørrelsen); fordi partiklene i geler er i nær kontakt, sentrum av intensiteten i et lokalt område er således ikke nødvendigvis plassert på partikkel sentroide. Oppløsningen i sporing av partikler i geler kan forbedres ved å kun merkingkjernepartiklene 69-71. For partikkelbildet velocimetry, metodene rapportert her gi nøyaktige målinger av forskyvning selv for store forskyvninger av flere hundre punkter 37, så lenge som regionene i nesten konstant advective hastighet er korrelert. Disse fremgangsmåter kan ikke brukes når partiklene gjennomgår betydelig relativ bevegelse eller ikke-bevegelse affine; i dette tilfellet forskyvninger er begrenset til en brøkdel av partikkelstørrelsen.

Disse protokoller kan anvendes på studier av faseoppførsel, struktur, dynamikk, og flytegenskapene for et bredt utvalg av kolloidale suspensjoner, inkludert partikler med form eller kjemisk anisotropi og løsemidler som er ikke-newtonske fluider, i 2-D og 3 - D confinements. Bruk av disse teknikkene krever ytterligere økning i bildefrekvensen i 2-D og 3-D, nye algoritmer for å analysere bilder av anisotrope partikler, og fremskritt innen fabrikasjon av realistiske avgrense geometrier og grensesnitt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Forskning rapportert i denne publikasjonen ble støttet av en University of Houston New Fakultet Grant, et frø stipend fra Texas Center for Superledning, og American Chemical Society Petroleum Research Fund (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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Tags

Kjemi konfokalmikroskopi partikkel sporing kolloider suspensjoner innesperring gelation MicroFluidics image korrelasjon dynamikk suspensjon flyt
Confocal Imaging av Confined Hvile og Flowing Kolloid-polymer blandinger
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Pandey, R., Spannuth, M., Conrad, J. … More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter