Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Конфокальной микроскопии из замкнутого покоя и Измельчитель коллоидной-полимерных смесей

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

Конфокальной микроскопии используется для изображения покоя и впадающих коллоидно-полимерных смесей, которые изучаются в качестве модельных систем для привлекательных суспензий. Алгоритмы анализа изображения используются для расчета структурных и динамических показателей для коллоидных частиц, которые измеряют изменения в связи с геометрической заключения.

Abstract

Поведение ограниченных коллоидных суспензий с привлекательными межчастичных взаимодействий имеет решающее значение для рационального проектирования материалов для направленной сборки 1-3 доставки лекарств 4, улучшение углеводородного восстановления 5-7, и текучих электродов для хранения энергии 8. Суспензии, содержащие флуоресцентные коллоиды и неадсорбирующим полимеры являются привлекательными модельные системы, как отношение полимерной радиуса инерции к радиусу частиц и концентрации полимера контроля диапазон и сила притяжения между частицами, соответственно. Путем настройки свойств полимера и объемной доли коллоидов, коллоидных жидкостей, жидкостей кластеров, гели, кристаллы, и стаканы могут быть получены 9. Конфокальной микроскопии, вариант флуоресцентной микроскопии, позволяет оптически прозрачным и флуоресцентный образец для включения в образ с высоким пространственным и временным разрешением в трех измерениях. В этой технике, небольшой точечным или щель блокирует излучаемый флуоресцентный свет от областей образца, которые находятся вне фокальной объема микроскопа оптической системы. В результате, только тонкий срез образца в фокальной плоскости изображается. Этот метод особенно хорошо подходит для исследования структуры и динамики в плотных коллоидных суспензий в масштабе одночастичном: частицы достаточно велики, чтобы быть разрешен с помощью видимого света и диффузных достаточно медленно, чтобы быть захвачены при типичных скоростях сканирования коммерческих систем конфокальной 10 . Улучшения в скорости воспроизведения и алгоритмов анализа также позволили количественно конфокальной микроскопии, протекающего суспензий 11-16,37. В этой статье мы покажем, конфокальные эксперименты микроскопии для исследования поведения ограниченного фазы и реологические свойства коллоидно-полимерных смесей. Мы сначала подготовить коллподъязычная-полимерные смеси, которые плотности и показателя преломления совпадают. Далее, мы сообщаем стандартный протокол для работы с изображениями покоящиеся плотные коллоидно-полимерные смеси при различных родов в тонких клиновидных клеток. Наконец, мы демонстрируем протокол для визуализации коллоидно-полимерные смеси во микроканальном потока.

Introduction

Эта статья демонстрирует (а) конфокальной микроскопии из покоящихся и впадающих ограниченном коллоидно-полимерных смесей в двух и трех измерениях и (б) частиц отслеживания и корреляционного анализа полученных изображений, чтобы получить количественную информацию о поведении фазы и реологических свойств.

Коллоидные суспензии с привлекательными межчастичных взаимодействий появляются повсеместно в технологических приложениях, как материалов для направленной сборки 1-3 доставки лекарств 4, улучшенной 5-7 извлечения углеводородов и энергии хранения 8. Общей чертой этих приложений является то, что частицы должны быть мелкими текла через геометрий, таких как сопел печатающих головок, микроканалов, или пористых сред и / или быть придана тонких пленок или стержней. Методы, используемые для исследования структуры микронных размеров коллоидов в ограниченном геометрий, в том числе электронной микроскопии 17,18, рентгеновской микроскопии 19, и лазер-дифракционного мicroscopy 20, может быть использован для измерения структуры и динамики частиц на микроуровне. Эти методы, однако, не позволяют доступ к траекторий отдельных частиц, из которых структурные и динамические показатели могут быть вычислены для прямого сравнения с численным моделированием 21,22.

Конфокальной микроскопии является вариантом флуоресцентной микроскопии, который позволяет визуализации тонких срезов флуоресцентным образца. Для коллоидной науке 10, этот метод особенно полезен для визуализации глубоко внутри плотных суспензий или в трех измерениях. Частица слежения алгоритмы 23 применяется до двух-или трехмерное временных рядов конфокальной микрофотографии дают траектории всех видимых частиц. В результате, сочетание конфокальной микроскопии и частиц слежения был применен для изучения поведения фаз, структуру и динамику коллоидных суспензий, в том числе кристаллах 24-27 и расстройстваред очки 28-31 и гели 32-35.

Другие алгоритмы анализа изображений может быть применен для измерения динамики частиц из временного ряда конфокальных микрофотографии. Например, динамика диффузные частиц можно изучать на основе анализа колебания интенсивности по времени с использованием конфокальной дифференциального динамического микроскопии 36. Когда смещения частиц крупнее, чем расстояние между частицами, корреляция изображения 37 на основе скорости Изображения Частиц 38-40 может применяться для измерения профилей скорости частиц. Сочетание отслеживания и корреляции алгоритмов позволила коллоидные динамика для измерения в системах, подвергающихся медленный и быстрый поток 11-16,41-45.

Мы используем коллоидно-полимерные смеси в качестве моделей для привлекательных коллоидных суспензий 9. В этих смесях, диапазон и сила притяжения между частицами потенциала управляются через отношениеполимерного радиуса инерции к радиусу частиц и концентрации полимера и электростатического отталкивания управляется с помощью добавления одновалентной органической соли 46. Потому межчастичные взаимодействия могут быть тщательно настроены, затвердевание этих смесей была тщательно изучена с конфокальной микроскопии 34,47-51.

Здесь мы показываем, конфокальной микроскопии и анализа изображений 37 из покоящихся и впадающих коллоидно-полимерных смесей, в которых проводится объем коллоидная фракция зафиксирована на уровне Φ = 0,15, что зонд эффект конфайнмента на фазового поведения и свойств текучести этих смесей. Эти методы широко применимы к системам частиц, которые преломления соответствием и в котором частицы и / или растворитель может быть помечен флуоресцентным красителем.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Подготовка коллоидной-полимерных смесей

Примечание: Этот протокол использует поли (метилметакрилата) (ПММА) частицы, стерически стабилизированный с использованием поли (12-гидроксистеариновой кислоты) и метили флуоресцентным красителем (например, Нила красный, родамин В или флуоресцеин), которые были синтезированы в соответствии со стандартной Рецепт 52.

  1. Подготовьте 3:01 вес / вес смесь циклогексильной бромида (CXB) и декагидронафталина (DHN), как фондовый растворителя. Эта смесь почти совпадает с плотностью и показателем преломления частиц. Добавить органическую соль, хлорид тетрабутиламмония (TBAC) 46, чтобы растворитель в концентрации от 1,5 мм до частично экранируют заряды на частицах.
  2. Чтобы точно определить плотность частиц, приготовить суспензию на приблизительная фракции объем частицы Φ = 0,10 в CXB: DHN растворителя. Центрифугируют суспензию с 800 мкг в течение 75 мин и добавляют CXB или по каплям DHN улучшить плавучестьсоответствия. В этих экспериментах плотность частиц ПММА измеряли быть ρ = 1,223 г / мл.
  3. Подготовка концентрированный фондовый приостановление ПММА частиц (здесь, Φ = 0,40) в CXB: DHN смесь растворителей.
  4. Подготовка концентрированный раствор линейного полистирола (PS) в CXB: DHN смесь растворителей. Здесь, раствор ПС молекулярной массой M W ≈ 3000000 (радиус вращения R G = 15 нм) получают при концентрации C P ≈ 50 мг / мл.
  5. Смешайте соответствующие веса частицы, полимер и растворитель фондовых смесей сформулировать суспензии при требуемой концентрации частиц и полимеров.
    Примечание: Здесь, суспензии монодисперсных частиц готовят постоянной фракции объем коллоидный Φ = 0,15 и переменная концентрация полимера в свободном объеме 53 C P = 0-25 мг / мл, и bidispersed суспензий, содержащих два размера коллоидных частиц, шIth размер каждого подшипника отчетливый флуоресцентную метку, получают при фиксированных общий объем фракции коллоидный Φ = 0,15, объемное соотношение фракции мелких частиц г = 0,50, и концентрацию полимера в свободном объеме 5 или 25 мг / мл.
  6. После каждого суспензию получают, добавьте CXB или DHN каплям центрифуге образцов при 800 х г в течение по крайней мере 75 мин, чтобы подтвердить, что частицы и кластеры в пределах суспензии оставаться плавучесть совпадают.
  7. Равновесие все образцы в течение по крайней мере 24 часов до экспериментов визуализации.

. 2 покоя Примеры Эксперименты: фазовое поведение

  1. Чтобы определить поведение объемной фазы, изготовления прямоугольных камер от покровные стекла (рис. 1а). Для коллоидно-полимерных смесей в этом исследовании, камеры толщиной H = 1 мм (установленного толщины стекло микроскопа) дают объемную поведение.
  2. Чтобы получить доступ к нескольким стойлами в одном эксперименте микроскопии, изготовить тонкую клин-в форме камеры, с использованием одного покровное в качестве спейсера на одной клина (рис. 1b). Угол открытия камеры составляет <0,5 °, так что в одном поле зрения стены очень почти параллельно. Представитель камера позволяет получить доступ к отбыванию толщин ч = 6 на> 100 мкм.
  3. Сборка камер на покровное базы для работы с изображениями на инвертированный микроскоп и печать с УФ-отверждаемые эпоксидные, который не растворяется в смеси растворителей CXB-DHN.
  4. Образцы изображений с помощью конфокальной микроскопии. Этот протокол демонстрирует изображений с линии сканирующей конфокальной прикрепленной к инвертированным микроскопом, снабженный погружной 100X масло линзы числовой апертурой NA = 1,40.
  5. Excite красителей с использованием лазерного источника. Здесь длины волн λ = 491 или 561 нм используются для возбуждения флуоресцеин и родамин / Нил Красные красители, соответственно.
  6. В системе точка-сканирования, создания изображения путем быстрого сканирования координационный центр на образце (в х-Y плоскости) с помощью конфокальной программного обеспечения. Двухмерное изображение 512 пикселей х 512 пикселей, охватывающих примерно 50 мкм х 50 мкм, могут быть приобретены в 1/32 сек. Улучшение качества изображения путем усреднения нескольких изображений или увеличения времени приобретения.
  7. Расположить в нижней части камеры (Z = 0), например, путем фокусировки на частицы, прикрепленные к его нижней части. В этой конфигурации, высота (г) возрастает с увеличением фокус в камеру.
  8. В качестве примера, характеризуют влияние конфайнмента на динамику частиц путем приобретения 2-D времени серии изображений (в плоскости ху) в средней плоскости камеры. В типичном эксперименте, 500 изображений размерности 512 пикселей х 512 пикселей приобретаются с частотой кадров 1 кадр / сек (время расстояние DT = 1 сек).
  9. В качестве второго примера, характеризуют 3-D структуру частиц путем приобретения трехмерную серии изображений (х, у, г). В типичном эксперименте, двумерные изображения (512 пикселей х 512 пикселей) являютсяприобрел в нескольких положениях г в камере, с постоянным шагом Δz = 0,2 мкм между последовательными набора изображений с помощью пьезо. Стек объем покрытия толщиной ч = 30 мкм, таким образом, содержит 151 фотографий.
  10. Найдите и следа частицы с течением времени в 2-D или 3-D с использованием частиц отслеживания программное обеспечение, написанное в IDL 23,54-56, MATLAB 57,58, LabView 59, или Python 60. Эти алгоритмы обычно позволяют центры частиц, которые будут решены в течение 40-50 нм. Отслеживание Успешное частиц требуется, что частицы движутся меньше, чем расстояние между частицами между последовательными кадрами.
  11. С позиций частиц, вычислить структурные и динамические показатели. Три удобные метрики, показанные здесь, 3-D парная корреляционная функция г (г) 61, 2-D средний квадрат смещения (MSD) 58,62, а 2-D самостоятельно часть корреляционной функции ван Хоув G с ( х, т) 58. Последние две метрики может быть также рассчитана в 3-D.

. 3 Плавные Эксперименты: реологические свойства

  1. Изготовление простой проточную кювету с использованием стеклянного микрокапилл с квадратным поперечным сечением (100 мкм × 100 мкм), прикрепленной к тефлоновой трубки. Используйте покровные стекла для поддержки капилляр и обеспечивают механическую жесткость, как показано на схеме на рисунке 7.
  2. Загрузите коллоидно-полимерной смеси в стеклянный шприц. Прикрепите шприц для шприцевой насос или пневматической системой выдачи жидкости.
  3. Установите настройки проточной ячейки на инвертированный микроскоп. Держите шприц, клетку и выход потока на той же высоте, чтобы минимизировать влияние гравитации на профиль потока.
  4. Контролировать скорость потока суспензии через проточную кювету с помощью объемного расхода (для шприцевого насоса) или приложенного давления (для коробки давлением). Средняя скорость суспензии в микроканале также зависит от суspension формулировка. Типичные значения максимальной скорости в квадратных микроканале измеренных вот 200-2,000 мкм / сек.
  5. Во потока, приобрести 2-D времени конфокальной серию на высокой частоте смены кадров. Здесь, 500 изображений размерности 512 пикселей х 512 пикселей приобретены в 32 кадров / сек (интервал времени Δ Т = 1/32 сек) при различных высотах над нижней части микроканала (г = 0 мкм) в пределах от г = 5 - 50 мкм. Каждое изображение охватывает примерно половину боковом измерении (у) микроканала, как показано на вставке на рисунке 7. Если частицы появляются эллиптические, увеличить частоту кадров приобретения.
  6. Как и в спокойных экспериментов, найдите частиц в 2-D, используя стандартные алгоритмы для обнаружения и отслеживания частиц в IDL или MATLAB. Для медленных потоков, в которых частицы движутся меньше, чем среднее расстояние между частицами между кадрами, использовать отслеживание алгоритмы для получения траектории.
  7. Используйте корреляцию изображения известковоУлате профили скорости для быстрых потоков.
    1. Разделить изображение в горизонтальной изображений постоянной высоте (у) вдоль направления потока (х). В течение двух последовательных изображений I 1 (х, у), и я 2 (х, у) сместить последний изображение с коэффициентом Δx, а затем рассчитать кросс-ковариации между I 1 (х, у), и я 2 (х + Δx, у).
    2. Определить положение пика гистограммы значений Δx, которые максимизируют поперечное ковариации между каждой парой изображений, чтобы получить среднюю скорость адвекции на каждом боковом положении у. Если это распределение не острый пик, как получить изображения с более высокой скоростью кадров.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Чтобы продемонстрировать конфокальной микроскопии и частиц-отслеживание, мы исследовали влияние конфайнмента на фазовой поведения коллоидно-полимерных смесей 63-65. В этих экспериментах было диаметр коллоидный 2 = 0,865 мкм. Объем коллоидный фракция была зафиксирована на уровне Φ = 0,15 и концентрация полимера C P варьировали от 0 до 23,6 мг / мл. Представительства конфокальные изображения показано на рисунке 2 63, левой колонке. С позиций частиц, полученных с помощью алгоритмов отслеживания, мы рассчитали характерные структурные и динамические показатели, в том числе парной корреляционной функции (рис. 2, центральной колонки) и средний квадрат смещения (рис. 2, правая колонка). Образы и структурные и динамические показатели позволили нам провести различие между коллоидных гелей (рис. 2, верхний ряд), жидкости кластеров (рис. 2, средний ряд) и жидкостей (<сильный> рис. 2, нижний ряд).

Эти показатели позволили нам количественно оценить конфайнмента индуцированных изменений в структуре частиц и динамики. Например, первый пик в парной корреляционной функции образца с полимерной концентрация C P = 16,6 мг / мл перемещается в более короткие разделений как толщины удержания уменьшается (рис. 3 63). Кроме того, само часть корреляционной функции ван Хоув для образца с C P = 16,6 мг / мл сужает, как толщина удержания уменьшается, и на самый малый заключения демонстрирует весьма негауссову профиля арестованного геля (рис. 4 63) . Даже для образца с C P = 23,6 мг / мл, который задержан гель на всех помещения заключенных, уменьшении толщины удержания приводит к более узкой и более негауссовой профиля. Эти изменения предложил заключение косвенно вызвало увеличение тон эффективное притяжение между частицами.

Эти методы могут также применяться для оценки последствий заключения в bidispersed смесей частиц, несущих различные флуоресцентные метки. Типичные изображения смеси крупных частиц (диаметр 2 L = 1,48 мкм) и небольшие (диаметр 2 A S = 0,73 мкм) частиц, с общей объемной доли частиц Φ TOT = 0,15 и отношение объемной доли мелких частиц R = 0.50, показывают, что уменьшение толщины удержания индуцирует образование твердого как фазы коллоидного геля, содержащего больших и малых частиц (рис. 5 65). Этот эффект особенно выражен для суспензий, которые сыпучих жидкости (рис. 5а-г). Паспорт безопасности из крупных частиц уменьшится, так как система все больше ограничивается: для образца с с р = 5 мг / мл, паспорт безопасности становятся динамически арестован, в соответствии соIth затвердевание переход (рис. 6а 65). Для образца с с р = 25 мг / мл, который образует арестован гель, сильный заключение вызывает замедлился динамику (рис. 6, б); различия между наиболее ограниченном и наименее ограниченном образца больше, чем разрешение этой техники (~ 40 нм, который мы определяем из у-перехвата МСД в очень разбавленной концентрации частиц с Φ <0,01).

Конфокальной микроскопии и анализа изображений позволяют также различия между реологические свойства слабо и сильно привлекательных частиц во время ограниченного потока, характеризуется 66. Для этих экспериментов суспензии частиц диаметром 2а = 1,55 мкм были сосредоточены на объемной долей Φ = 0,15 с концентрацией полимера либо с р = 5 мг / мл, что соответствует слабой межчастичного притяжения или С р = 25 мг / мл, что соответствуетсильное притяжение между частицами. Представитель изображения показаны на рисунке 8 для покоя и сыпучих суспензий.

Количество профили плотности показали различий между распределением частиц в слабо-и сильно-привлекательных суспензий при течении (показанные на скорости потока 10 μ л / ч на рисунке 9 66): те, слабо-привлекательной суспензии (с р = 5 мг / мл, 9А и 9В) увеличение более резко к центру микроканала, чем у сильно-привлекательной суспензии (C P = 5 мг / мл, показатели 9c и 9d).

Аналогично, слабо и сильно привлекательным подвеска выставлены различия в форме профилей скорости (показан на скорости потока 8 μ л / ч на рисунке 10 66). Профили скорости для суспензий сслабого притяжения (с р = 5 мг / мл, показатели 10a и 10b) близки к предсказанным для ньютоновской жидкости, протекающей в квадратной микроканале. Напротив, профили скорости для суспензий с более сильной притяжения (с р = 25 мг / мл, показатели 10c и 10d) значительно отличается от ньютоновского профиля вблизи боковых стенок микроканала (около г / L = 0).

Рисунок 1
Рисунок 1. Схема камер для покоящихся экспериментов. (А) Прямоугольная камера, с постоянной толщиной 1 мм, установленных на толщину предметное стекло. (Б) Клинообразная камеру, с переменным толщиной от 6-170 мкм. Максимальная толщинаустанавливается, что из покровного стекла.

Рисунок 2
.. Конфокальные микрофотографии: Рисунок 2 Отличительные черты жидкостей, жидкостей кластеров, и гели колонку слева. Колонка центр: пара частиц корреляционная функция г (г) в зависимости от нормированной разделения R / 2 с. Правая колонка: Нормализованный средний квадрат смещения MSD / 4 2 в зависимости от времени задержки. Сверху вниз изображения и корреляционные функции показывают характерные примеры геля (с р = 23,6 мг / мл и ч / 2 = 8,7), жидкость кластеров (с р = 16,6 мг / мл и ч / 2 = 17), и коллоидный жидкость (с р = 0 мг / мл и ч / 2> 116). Диаметр частиц составляет 2 = 0,865 μ м. Эта цифра была изменена с Spannuth и Конрада, Phys. Преподобный латыш. 109, 028301 (2012). Copyright 2012 по Американского физического общества.

Рисунок 3
Рисунок 3. Парная корреляционная функция указывает структурные изменения в заключении. Корреляционная функция пара для образца с с р = 16,6 мг / мл при ч / 2> 116 и ч / 2 = 69, 35, 17, и 8.7 сверху нижняя. Образец жидкости из кластеров на всех ч за исключением Н / 2 = 8,7, который является гель. Цвета показывают фазы как на рисунке 2. Диаметр частиц составляет 2 = 0,865 μ м. Эта цифра была изменена с Spannuth и Конрада, Phys. Преподобный латыш. 109, 028301 (2012). Copyright 2012 по Американского физического общества.

Рисунок 4
Рисунок 4. Корреляционная функция ван Хоув и средний квадрат смещения указывают на изменения в заключении. Самостоятельная часть функции ван Хоув корреляции и (вставка) средний квадрат смещения для образцов с (а) с р = 16,6 мг / мл и (б ) с р = 23,6 мг / мл в зависимости от родов (ч / 2 = 69 (кружки), 17 (квадраты) и 8,7 (треугольники)). В (а), образец представляет собой жидкость кластеров для ч / 2 = 69 и 17, но гель для ч / 2 = 8,7. В (б) образец представляет собой гель для всех часов. Диаметр частиц составляет 2 = 0,865 μ м. Эта цифра имеет пчелун редактировался Spannuth и Конрада, Phys. Преподобный латыш. 109, 028301 (2012). Copyright 2012 по Американского физического общества.

Рисунок 5
Рисунок 5. Представитель конфокальные микрофотографии bidispersed смесей. Конфокальные микрофотографии малых и больших групп населения частиц (как показано в серый, с более крупными частицами, имеющими большую интенсивность), для суспензий с постоянной общий объем фракция Φ малыш = 0,15, объемных процентов малых частиц г = 0,50, концентрация depletant полимер C P (AC) 5 мг / мл или (DF) 25 мг / мл, (а, г) в натуральном выражении или (BC, EF) приурочены к нормализованной высоты h/2a л ( б д) 20, или (C, F) <5,5. Большие и малые диаметры частиц 2 L = 1,48 μ м и 2а S = 0,73 μ м, соответственно. Масштабная линейка 10 μ м.

Рисунок 6
Рисунок 6. Среднеквадратической смещение большой популяции частиц демонстрирует удержания индуцированного замедление. Нормализованный средний квадрат смещения в зависимости от времени задержки τ крупных частиц в бинарных суспензий с объемных процентов мелких частиц г = 0,50 и различную концентрацию полимера depletant (а) с р = 5 мг / мл или (б) с р = 25 мг / мл. Удержание толщиной ч / 2 с L: Bulk ( ), 20 ( алмаз ) И <5.5 ( сторона ). Пунктирные линии указывают на наклон 1. Большой диаметр частиц 2 L = 1,48 μ м. Эта цифра была изменена с Пандей и Конрад, Soft Matter, 9, 10617-10626 (2013). Воспроизводится с разрешения Королевского химического общества (http://dx.doi.org/10.1039/c c3sm51879e).

Рисунок 7
Рисунок 7. Схема устройства для экспериментов микроканальная потока. ПОСЛУЖИТЬ устройствоп. из стеклянной микрокапилляр, который прилагается к шприцевой насос, используя тефлоновую трубку. Схема, как показано инвертируется по сравнению с экспериментальной установки, в которой используется инвертированного микроскопа. Система координат указано: х ориентирована вдоль направления потока, у ориентирована вдоль ширины микроканала, и Z ориентирована вдоль вертикального направления. Врезка: схема протокола изображения. 2-D фильмы приобретены из половины ширины микроканала в десять разных высотах над ее нижней поверхности. Эта цифра была изменена с Пандей и Конрад, Soft Matter 8, 10695-10703 (2012). Воспроизводится с разрешения Королевского химического общества (http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d).

Рисунок 8
Рисунок 8. Представитель конфокальные микрофотографии частицво микроканальном потока. Конфокальные микрофотографии коллоидных суспензий с концентрацией полимера С р (AC) 5 мг / мл и (DF) 25 мг / мл. Изображения (а) и (г) показывают покоя образца; изображения (BC) и (е) были приобретены во время прохождения на высоте (г) (В, Е) 5 μ м и (C, F) 50 μ м над нижней поверхности микроканала. Край канала на левой стороне каждого изображения в (BC) и (е), и потока в направлении вниз, как указано. Масштабная линейка 10 μ м. Диаметр частиц составляет 2 = 1,546 μ м. Эта цифра была изменена с Пандей и Конрад, Soft Matter 8, 10695-10703 (2012). Воспроизводится с разрешения Королевского химического общества (чTTP :/ / dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d).

Рисунок 9
Рисунок 9. Сила притяжения изменяет профиль плотности числа частиц. Число частиц в зависимости от нормированной боковом положении через микроканальном г / л для суспензий с объемной доли Φ = 0,15 и полимер концентрация с р из (а, ​​Ь) 5 мг / мл и (в, г) 25 мг / мл, приобретенные в нормированных вниз по течению позиций х / L = (а, с) 50 и (B, D) 200. Данные представлены в течение двух нормированных высот, г / л = 0,05 (темно-красный треугольник ) И 0,50 (светло-голубой сторонаμ л / час. Линии Указаны направляющие для глаз, и ошибки означает стандартное отклонение измерений. Диаметр частиц составляет 2 = 1,546 μ м. Эта цифра была изменена с Пандей и Конрад, Soft Matter 8, 10695-10703 (2012). Воспроизводится с разрешения Королевского химического общества (http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d).

Рисунок 10
Рисунок 10. Сила притяжения изменяет профили скорости. Нормированные профили скорости в зависимости от нормированной боковом положении через микроканальной г / л для суспензий с объемной доли Φ = 0,15 и полимер концентрация C P из ( б) 5 мг / мл и (в, г) 25 мг / мл, приобретенные в нормированных вниз по течению позиций х / L = (а, с) 50 и (б, г) 200. Данные представлены в течение двух нормализуется Высоты, г / л = 0,05 (темно-красный) и 0,50 (светло-голубой). Скорость потока составляла 8 μ л / час. Столбики ошибок указывают стандартное отклонение измерений. Пунктирные линии указывают приступы к профилю ньютоновской потока, ожидаемого для течения в квадратной микроканале. Эта цифра была изменена с Пандей и Конрад, Soft Matter 8, 10695-10703 (2012). Воспроизводится с разрешения Королевского химического общества (http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Коллоидные суспензии широко изучен в качестве моделей поведения ограниченного фазы, так микронного размера коллоидные частицы обладают значительно медленнее, чем динамики атомов и молекул и, следовательно, может быть легко отображены и проследить во времени 10. Для этих фундаментальных исследований, понимая влияние межчастичных достопримечательностей на ограниченном фазового поведения предлагает возможность исследовать такие явления, как капиллярной конденсации и испарения 21,22,67. Кроме того, ограниченные привлекательные суспензии появляются повсеместно в промышленных и технологических применений. Для этих прикладных исследований, понимая влияние суспензионной композиции на ограниченном потока может привести к улучшению формулировок сырья и красок для быстрого прототипирования 1-3 доставки лекарств 4, расширенной 5-7 нефтеотдачи и хранения энергии приложений 8.

Другие методы, используемые для исследования структуры микронного размера CollOIDs в тонких геометрии включают электронной микроскопии 17,18, рентгеновская микроскопия 19 и лазерной дифракции микроскопии 20. Сочетание конфокальной микроскопии и анализа изображений алгоритмов предлагает два основных преимущества для изучения ограниченных коллоидных суспензий. Во-первых, конфокальной микроскопии позволяет осмотреть глубоко внутри плотных и люминесцентных суспензий. Во-вторых, траектории частиц, полученных из конфокальных микрофотографии можно использовать для вычисления динамических и структурных показателей для отдельных микронного размера коллоидных частиц. Эти измерения облегчить прямое сравнение с моделированием 21,22. Другие алгоритмы анализа изображений, такие как корреляции изображений 37 на основе изображения частиц 38, могут быть применены к конфокальных микрофотографий в которой смещения частиц больше, чем расстояние между частицами, чтобы исследовать динамику.

Мы показали протоколы для работы с изображениями в состоянии покоя и течет colloiг-полимерные смеси в ограниченном геометрией с использованием конфокальной микроскопии. Используя представительства показатели, изложенные в этой статье, мы определили затвердевания переход в покоящихся суспензий, который, вызванных конфайнмента 63,64. Мы также показали, что изменение силы притяжения изменяет степень миграции частиц и консолидации при протекании коллоидно-полимерных смесей в микроканалов 66.

Для экспериментов потока, одно ограничение этого протокола является трудность в визуализации в 3-D во время быстрого потока микроканальном, как частицы обычно перемещать большие расстояния между последовательными кадрами. Это ограничение можно избежать на более медленных скоростях потока по визуализации тонкий 3-D кусочек. Повторные эксперименты в различных вертикальных положениях в пределах канала, таким образом, дают полные трехмерные скорости и плотности профилей. Этот подход был успешно применен другими исследовательскими группами, чтобы суспензий почти-хард-сфере коллоидов, что еОРМ очки 13,14 или 41 кристаллы, но еще не были применены к менее концентрированными коллоидных гелей, таких, как те, представленные здесь.

Оба метода анализа изображений описано (частица-слежения и корреляция изображение) ограничения выставляется. Для алгоритмов отслеживания частиц, постановлений одной десятой размера пикселя были зарегистрированы 23 для хорошо разделенных частиц. В резолюции увеличивается с увеличением сигнал-шум. Оба гауссова фитинг алгоритм и новее алгоритм, который вычисляет точки максимальной радиальной симметрии добиться отслеживания резолюции, которые близки к теоретическому максимуму 68. В резолюции в наших экспериментах было несколько меньше (одна четвертая часть размера пикселя); потому что частицы в гели находятся в тесном контакте, центр интенсивности в локальной области, таким образом, не обязательно расположены в центре тяжести частиц. Разрешение в отслеживания частиц в геле может быть улучшена путем маркировки толькоЯдра частиц 69-71. Для изображения частиц, методы, представленные здесь дают точные измерения смещения даже при больших смещений нескольких сотен пикселей 37, при условии, что регионы почти постоянной скоростью адвективного коррелируют. Эти методы не могут быть использованы, когда частицы испытывают значительное относительное движение или не-аффинное движение; в этом случае перемещения ограничены долю от размера частиц.

Эти протоколы могут быть применены к исследованию свойств фазового поведения, структура и динамика, и потока самых разнообразных коллоидных суспензий, в том числе частиц с формой или химической анизотропии и растворителей, которые неньютоновскими жидкостями, в 2-D и 3 - D стойлами. Применяя эти методы требует дальнейшего увеличения скорости визуализации в 2-D и 3-D, новые алгоритмы для анализа изображений анизотропных частиц и достижения в области изготовления реалистичных ограничительных геометрии и интерфейсов.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Acknowledgments

Исследования сообщили в этой публикации была поддержана университет Хьюстона Новый факультет Грант, семян субсидии из Техаса Центра сверхпроводимости, и Научно-исследовательского фонда Американского химического общества Petroleum (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

Химия выпуск 87 конфокальной микроскопии отслеживание частиц коллоидов суспензий заключение гелеобразования микрофлюидики корреляция изображений динамика подвеска поток
Конфокальной микроскопии из замкнутого покоя и Измельчитель коллоидной-полимерных смесей
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