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Chemistry

Imagerie confocale de clos de repos et Flowing mélanges colloïdes-polymères

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 microscopie confocale est utilisé pour les mélanges polymère-colloïde quiescentes et s'écoulant image, qui sont étudiés en tant que systèmes modèles pour des suspensions attractifs. des algorithmes d'analyse d'image sont utilisés pour calculer des paramètres structuraux et dynamiques par des particules colloïdales qui permettent de mesurer les changements dus au confinement géométrique.

Abstract

Le comportement des suspensions colloïdales confinés avec des interactions interparticulaires attractives est essentielle à la conception rationnelle de matériaux pour l'assemblage dirigé 1-3, l'administration de médicaments 4, l'amélioration de la récupération des hydrocarbures 5-7, et des électrodes fluides de stockage d'énergie 8. De suspensions contenant des colloïdes et polymères fluorescents non-adsorbantes sont attrayants systèmes modèles, comme le rapport du rayon de giration de polymère par rapport au rayon de la particule et la concentration de contrôle du polymère de la gamme et de la force de l'attraction interparticulaire, respectivement. En ajustant les propriétés du polymère et la fraction volumique des colloïdes, des fluides colloïdaux, les fluides de grappes, gels, cristaux, et les verres peuvent être obtenus 9. Microscopie confocale, une variante de la microscopie de fluorescence, permet à un échantillon optiquement transparent et fluorescent à imager avec une haute résolution spatiale et temporelle en trois dimensions. Dans cette technique, un petit trou d'épingle ou une fente bloque la lumière fluorescente émise à partir de régions de l'échantillon qui sont en dehors du volume focal du système optique du microscope. En conséquence, seule une mince section de l'échantillon dans le plan focal est imagé. Cette technique est particulièrement bien adaptée pour sonder la structure et la dynamique des suspensions colloïdales denses à l'échelle unique de particules: les particules sont assez grands pour être résolus en utilisant la lumière visible et diffusent suffisamment lentement pour être capturés à des vitesses typiques de balayage des systèmes confocaux commerciaux 10 . L'amélioration de la vitesse de balayage et des algorithmes d'analyse ont également permis l'imagerie confocale quantitative des suspensions découlant 11-16,37. Dans cet article, nous démontrons expériences de microscopie confocale à sonder le comportement de phase confiné et propriétés d'écoulement des mélanges colloïdes polymères. Nous préparons premier collmélanges oid-polymères qui sont la densité et l'indice de réfraction adaptés. Ensuite, nous présentons un protocole standard pour l'imagerie mélanges colloïdes polymères denses de repos sous divers confinement dans des cellules en forme de coin minces. Enfin, nous démontrons un protocole pour l'imagerie mélanges colloïdes polymères lors de l'écoulement de microcanaux.

Introduction

Cet article démontre (a) l'imagerie confocale de mélanges de repos et fluides confinés colloïdes polymères en deux et trois dimensions et (b) des particules suivi et analyses de corrélation des images résultantes pour obtenir des informations quantitatives sur le comportement de phase et propriétés d'écoulement.

Suspensions colloïdales avec les interactions entre particules intéressantes apparaissent de façon ubiquitaire dans les applications technologiques comme matériaux pour l'assemblage dirigé 1-3, l'administration de médicaments 4, l'amélioration de 5-7 de récupération des hydrocarbures, et le stockage d'énergie 8. Une caractéristique commune de ces applications est que les particules doivent être sous géométries fines, tels que des buses, têtes d'impression, des microcanaux ou des milieux poreux, et / ou être façonnés en couches minces ou de tiges. Les techniques utilisées pour sonder la structure des colloïdes de l'ordre du micromètre dans des géométries confinées, y compris la microscopie électronique 17,18, la microscopie à rayons X 19, et diffraction laser microscopy 20, peut être utilisé pour mesurer la structure et la dynamique des particules sur l'échelle microscopique. Ces techniques, cependant, ne permettent pas l'accès aux trajectoires des particules individuelles, dont les paramètres structurels et dynamiques peuvent être calculées pour une comparaison directe à des simulations numériques 21,22.

La microscopie confocale est une variante de la microscopie à fluorescence qui permet l'imagerie des sections minces d'un échantillon fluorescent. Pour la science colloïdale 10, cette technique est particulièrement utile pour l'imagerie profonde dans les suspensions denses ou en trois dimensions. Des algorithmes de poursuite de particules 23 appliqués à deux ou à une série de temps tridimensionnelles de micrographies confocales produire les trajectoires de toutes les particules visibles. Par conséquent, la combinaison de la microscopie confocale et de suivi des particules a été appliquée pour étudier le comportement de phase, la structure et la dynamique des suspensions colloïdales, notamment des cristaux de 24 à 27 commandés et troubleed lunettes 28-31 et 32-35 gels.

D'autres algorithmes d'analyse d'image peuvent être appliquées pour mesurer la dynamique des particules de série de temps de micrographies confocale. Par exemple, la dynamique des particules de diffusion peuvent être étudiés en analysant les fluctuations de l'intensité au fil du temps à l'aide différentielle de microscopie confocale dynamique 36. Lorsque les déplacements des particules sont plus grandes que l'espacement interparticulaire, la corrélation d'images sur la base de 37 particules vélocimétrie par image de 38 à 40 peut être appliquée pour mesurer les profils de vitesse des particules. La combinaison d'algorithmes de suivi et de corrélation a permis dynamique colloïdales qui doivent être mesurés dans des systèmes soumis à écoulement lent et rapide 11-16,41-45.

Nous utilisons des mélanges colloïdes polymères comme des modèles pour les suspensions colloïdales attrayantes 9. Dans ces mélanges, la plage et la force du potentiel interparticulaire attractive sont contrôlées par le rapportdu rayon de giration de polymère pour le rayon de la particule et la concentration du polymère et la répulsion électrostatique est commandé par l'intermédiaire de l'addition d'un sel organique monovalent 46. Etant donné que les interactions interparticulaires peuvent être réglées avec soin, la solidification de ces mélanges a été étudiée par microscopie confocale 34,47-51.

Ici, nous démontrons l'imagerie confocale et analyse d'image 37 de mélanges colloïdes polymères de repos et fluides, dans lequel la fraction de volume de colloïde est maintenu fixé à Φ = 0,15, qui sonde l'effet du confinement sur ​​le comportement de phase et les propriétés d'écoulement de ces mélanges. Ces techniques sont largement applicables à des systèmes de particules qui sont en correspondance l'indice de réfraction, et dans laquelle les particules et / ou de solvant peuvent être marqués avec un colorant fluorescent.

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Protocol

1. Préparation des mélanges colloïdes-polymères

Remarque: Ce protocole utilise le poly (méthacrylate de méthyle) (PMMA), des particules, stabilisées stériquement à l'aide de poly (acide 12-hydroxystéarique) et marqué avec un colorant fluorescent (comme Nile Red, la rhodamine B, ou la fluorescéine), qui ont été synthétisé en suivant une norme recette 52.

  1. Préparer un w / w mélange de bromure de cyclohexyle (CXB) et décahydronaphtalène (DHN) comme solvant d'actions 03h01. Ce mélange correspond à peu près la densité et l'indice de réfraction des particules. Ajouter un sel organique, le chlorure de tétrabutylammonium (TBAC) 46, pour le solvant à une concentration de 1,5 mM pour cribler partiellement les charges sur les particules.
  2. Pour déterminer avec précision la densité des particules, préparer une suspension à une fraction approximative du volume de particules Φ = 0,10 dans le CXB: solvant DHN. Centrifuger la suspension à 800 g pendant 75 min et ajouter CXB ou DHN goutte à goutte à améliorer la flottabilitél'appariement. Dans ces expériences, la densité des particules de PMMA a été mesurée à ρ = 1,223 g / ml.
  3. Préparer une suspension de concentré de particules de PMMA (ici, Φ = 0,40) dans le CXB: DHN mélange de solvants.
  4. Préparer une solution concentrée de polystyrène linéaire (PS) dans la CXB: DHN mélange de solvants. Ici, une solution de PS de masse moléculaire M w ≈ 3000000 (rayon de giration r g = 15 nm) est préparé à la concentration c p ≈ 50 mg / ml.
  5. Mélanger les poids appropriés de la particule, polymère, et mélanges de solvant d'actions de formuler des suspensions aux concentrations désirées de particules et de polymères.
    Remarque: ici, des suspensions de particules monodispersées sont préparées à une fraction constante du volume de colloïde Φ = 0,15 et la concentration en polymère variable dans le volume libre 53 c p = 0 à 25 mg / ml, et les suspensions contenant deux tailles différentes de particules colloïdales bidispersed, wrâce à chaque taille portant un marqueur fluorescent distinct, sont préparés à une fraction totale fixe du volume de colloïde Φ = 0,15, rapport volumique de fraction de petites particules r = 0,50, et la concentration de polymère dans le volume libre de 5 ou 25 mg / ml.
  6. Après chaque suspension est préparée, ajouter CXB ou DHN goutte à goutte et centrifuger les échantillons à 800 g pendant au moins 75 min pour confirmer que les particules et les clusters dans la suspension restent flottabilité identifié.
  7. Tous les échantillons s'équilibrer pendant au moins 24 heures avant des expériences d'imagerie.

. 2 exemples expériences quiescentes: Phase comportement

  1. Pour déterminer le comportement de phase en vrac, fabriquer chambres rectangulaires de lamelles de verre (figure 1a). Pour les mélanges colloïdes polymères dans cette étude, les chambres de l'épaisseur h = 1 mm (fixé par l'épaisseur d'une lame de microscope) donnent le comportement en vrac.
  2. Pour accéder à plusieurs accouchements dans une expérience de microscopie unique, fabriquer mince coinchambres en forme, à l'aide d'une seule lamelle couvre-objet comme un élément d'espacement sur ​​une cale (figure 1b). L'angle de la chambre d'ouverture est <0,5 °, de sorte que dans un seul champ de vision, les murs sont à peu près parallèles. Une chambre représentant permet d'accéder à des épaisseurs de confinement de h = 6 à> 100 um.
  3. Construire des enceintes sur une base de lamelle couvre-objet pour une imagerie sur un microscope inversé et sceller avec époxy durcissant aux UV, qui ne se dissout pas dans le mélange solvant-CXB DHN.
  4. échantillons de l'image à l'aide d'un microscope confocal. Ce protocole démontre l'imagerie confocale d'une ligne de balayage fixée à un microscope inversé équipé d'un objectif 100X à immersion dans l'huile de l'ouverture numérique NA = 1,40.
  5. Exciter les colorants à l'aide d'une source laser. Voici les longueurs d'onde λ = 491 nm ou 561 sont utilisés pour exciter la fluorescéine et la rhodamine colorants / Nil rouge, respectivement.
  6. Dans le système de point de balayage, de générer une image en balayant rapidement le point focal à travers l'échantillon (dans le x-y plane) en utilisant le logiciel confocal. Une image en deux dimensions de 512 pixels x 512 pixels, couvrant environ 50 um x 50 um, peuvent être acquises en 1/32 sec. Améliorer la qualité de l'image en faisant la moyenne de plusieurs images ou d'augmenter le temps d'acquisition.
  7. Localiser le fond de la chambre (z = 0), par exemple en mettant l'accent sur les particules adhérant à sa partie inférieure. Dans cette configuration, la hauteur (z) augmente avec la mise au point dans la chambre.
  8. A titre d'exemple, de caractériser l'effet de confinement sur la dynamique des particules par l'acquisition d'une série temporelle de 2-D des images (dans le plan xy) dans le plan médian de la chambre. Dans une expérience typique, 500 images de la dimension 512 pixels x 512 pixels sont acquises à une cadence de 1 image / s (temps d'espacement At = 1 s).
  9. Comme deuxième exemple, de caractériser la structure 3-D des particules en acquérant une série tridimensionnelle d'images (x, y, z). Dans une expérience typique, des images bidimensionnelles (512 pixels x 512 pixels) sontacquis à plusieurs positions z dans la chambre, avec un espacement constant de Az = 0,2 um entre les images consécutives fixées par un piézo. Une pile de volume couvrant une épaisseur h = 30 um contient donc 151 images.
  10. Recherchez et particules de piste dans le temps de 2-D ou 3-D à l'aide de logiciels de traces de particules écrite en IDL 23,54-56, MATLAB 57,58, LabView 59, ou Python 60. Ces algorithmes permettent généralement les centres des particules à être résolues dans les 40-50 nm. Suivi des particules réussie nécessite que les particules se déplacent inférieure à l'espacement interparticulaire entre les trames consécutives.
  11. De la position des particules, calculer des métriques structurelles et dynamiques. Trois mesures pratiques présentées ici sont la fonction de corrélation de paires 3-D g (r) 61, le déplacement quadratique moyenne 2-D (MSD) 58,62, et l'auto-partie 2 D de la fonction de corrélation van Hove G s ( x, t) 58. Les deux derniers paramètres peuvent également être calculées en 3-D.

. 3 expériences Flowing: propriétés d'écoulement

  1. Fabriquer une cellule d'écoulement simple à l'aide d'un micro-capillaire de verre à section transversale carrée (100 um x 100 um) qui est fixée à un tube de Téflon. Utilisation des lamelles de verre pour supporter le tube capillaire et une rigidité mécanique, comme le montre le schéma de la figure 7.
  2. Chargez le mélange colloïde-polymère dans une seringue en verre. Fixer la seringue à une pompe à seringue ou d'un système de distribution de fluide pneumatique.
  3. Montez la configuration de la cellule d'écoulement sur le microscope inversé. Conserver la seringue, la cellule, la sortie d'écoulement et à la même hauteur afin de minimiser l'effet de la gravité sur le profil d'écoulement.
  4. Contrôler la vitesse de la suspension d'écoulement à travers la cellule d'écoulement par le débit volumétrique d'écoulement (pour la pompe à seringue) ou la pression appliquée (pour la zone de pression). La vitesse moyenne de la suspension dans les microcanaux dépend aussi de la diformulation de spension. Les valeurs typiques de la vitesse maximale dans les micro-canaux carrés sont ici mesurées 200-2000 um / sec.
  5. Au cours de l'écoulement, d'acquérir une série de temps confocale 2-D à des cadences rapides. Ici, les images de dimension 500 512 pixels x 512 pixels sont acquis à 32 images / s (espacement temps Δ t = 1/32 sec) à des hauteurs différentes au-dessus du fond du micro-canal (z = 0 um) allant de z = 5 - 50 um. Chaque image couvre environ la moitié de la dimension latérale (y) du micro-canal, comme indiqué dans l'encart de la Figure 7. Si les particules apparaissent elliptique, augmenter le taux d'acquisition de trame.
  6. Comme dans les expériences de repos, de localiser les particules en 2-D en utilisant des algorithmes standard pour la localisation et le suivi des particules dans IDL ou MATLAB. Pour les flux lents, dans laquelle les particules se déplacent moins que la distance interparticulaire moyenne entre les cadres, utilisent des algorithmes de suivi pour obtenir les trajectoires.
  7. Utilisez la corrélation d'images à calcouler les profils de vitesse des flux rapides.
    1. Subdiviser l'image en des images horizontales de hauteur constante (y) le long de la direction d'écoulement (x). Pour deux images séquentielles I 1 (x, y) et I 2 (x, y) passer la dernière image par un facteur Ax et ensuite calculer la covariance croisée entre I 1 (x, y) et I 2 (x + Ax, y).
    2. Identifier la position du pic de l'histogramme des valeurs Ax qui maximisent la covariance croisée entre chaque paire d'images pour obtenir la vitesse d'advection moyen au niveau de chaque position latérale y. Si cette distribution n'est pas fortement atteint un sommet, d'acquérir des images à une cadence plus rapide.

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Representative Results

Pour démontrer l'imagerie confocale et particules de suivi, nous avons étudié l'effet du confinement sur ​​le comportement de phase de mélanges colloïdes polymères 63-65. Pour ces expériences, le diamètre des colloïdes est de 2 a = 0,865 um. La fraction volumique de colloïde a été fixé à Φ = 0,15 et la concentration du polymère c p a fait varier de 0 à 23,6 mg / ml. Images confocales représentatifs sont présentés dans la figure 2 63, colonne de gauche. À partir des positions des particules obtenues en utilisant des algorithmes de suivi, nous avons calculé mesures structurales et dynamiques représentatives, y compris la fonction de corrélation de paires (figure 2, colonne centrale) et le déplacement quadratique moyenne (Figure 2, colonne de droite). Les images et les mesures structurelles et dynamiques nous ont permis de distinguer les gels colloïdaux (Figure 2, rangée du haut), les fluides de clusters (Figure 2, rangée du milieu), et des fluides (<strong> Figure 2, rangée du bas).

Ces mesures nous ont permis d'évaluer quantitativement les changements induits dans la structure de confinement-particules et la dynamique. Par exemple, le premier pic de la fonction de corrélation de paires d'un échantillon de polymère concentration c p = 16,6 mg / ml se déplace à des séparations plus courtes que l'épaisseur de confinement est diminuée (Figure 3 63). De même, l'auto partie de la fonction de corrélation de van Hove pour un échantillon avec c p = 16,6 mg / ml se rétrécit à l'épaisseur de confinement est diminuée et à la plus petite confinement présente le profil fortement non-gaussienne d'un gel arrêté (Figure 4 63) . Même pour un échantillon avec c p = 23,6 mg / ml, ce qui est un gel arrêté à tous les confinements, diminuant l'épaisseur de confinement conduit à un profil plus étroit et non gaussienne. Ces changements ont suggéré que l'isolement indirectement induit une augmentation de til attraction interparticulaire efficace.

Ces techniques pourraient également être appliquées pour évaluer les effets de l'isolement dans des mélanges bidispersed de particules portant des étiquettes fluorescentes distinctes. Images représentatives d'un mélange de grosses particules (diamètre 2 a L = 1,48 um) et petit (diamètre 2 a S = 0,73 um) des particules, avec un volume total de particules fraction Φ tot = 0,15 et un taux de fraction volumique de petites particules r = 0,50, montrent que la diminution de l'épaisseur de confinement induit la formation d'une phase gel colloïdal solide-comme contenant des particules grandes et petites (Figure 5 65). Cet effet est particulièrement marqué pour les suspensions qui sont liquides en vrac (figure 5a-d). Les TMS des grosses particules diminuent à mesure que le système est de plus en plus limitée: pour un échantillon avec c p = 5 mg / ml, les TMS deviennent arrêtés dynamique, cohérente avecvec la transition de solidification (figure 6a 65). Pour un échantillon de c p = 25 mg / ml, ce qui forme un gel arrêté, fort confinement induit dynamique ralentis (Figure 6b); les différences entre l'échantillon le plus confiné et moins confinés sont plus grandes que la résolution de cette technique (~ 40 nm, dont on détermine à partir de l'ordonnée à l'origine de la MSD en une concentration très diluée de particules avec Φ <0,01).

la microscopie confocale et analyse d'images permettent également des différences entre les propriétés d'écoulement des particules faiblement et fortement attractifs pendant écoulement confiné à caractériser 66. Pour ces expériences, des suspensions de particules d'un diamètre 2a = 1,55 um ont été concentrées à une fraction volumique de Φ = 0,15 avec une concentration en polymère de chaque c p = 5 mg / ml, correspondant à une interparticulaire faible attraction, ou c p = 25 mg / ml, correspondant à uneforte attraction entre particules. Images représentatives sont présentés dans la figure 8 pour les suspensions de repos et fluides.

des profils de densité de Nombre révélé des différences entre la distribution des particules dans les suspensions faiblement et fortement attractifs pendant écoulement (indiquées pour une vitesse d'écoulement de 10 μ l / h sur la figure 9 66): ceux d'une suspension faiblement attracteur (c p = 5 mg / ml, les figures 9a et 9b) augmentent considérablement plus vers le centre du microcanal que ceux d'une suspension fortement attracteur (c p = 5 mg / ml, les figures 9c et 9d).

De même, la suspension faiblement et fortement attractif exposé différences dans la forme des profils de vitesse (indiqué pour un débit de 8 μ l / h à la figure 10 66). Les profils de vitesse pour les suspensions avecune attraction faible (c p = 5 mg / ml, les figures 10a et 10b) sont proches de ceux prévus pour un fluide newtonien s'écoulant dans un microcanal carré. En revanche, les profils de vitesse pour les suspensions avec une plus forte attraction (c p = 25 mg / ml, les figures 10c et 10d) s'écartent considérablement du profil newtonienne près des parois latérales du microcanal (près de y / L = 0).

Figure 1
Figure 1. Schématique des chambres pour les expériences de repos. (A) chambre de forme rectangulaire, d'une épaisseur constante de 1 mm fixés par l'épaisseur d'une lame de verre. (B) chambre Cunéiforme, avec une épaisseur variable allant de 6 à 170 um. L'épaisseur maximale estfixé par celle d'une lamelle de verre.

Figure 2
.. Figure 2 caractéristiques distinctives des fluides, fluides de clusters et gels colonne de gauche: micrographies confocale. Centre de colonne: Combinaison de particules de corrélation fonction g (r) en fonction de la séparation normalisée r / 2 a. Colonne de droite: Normalized déplacement quadratique moyenne MSD / 4 à 2 en fonction du temps de latence. De haut en bas, les images et les fonctions de corrélation montrent des exemples représentatifs d'un gel (c p = 23,6 mg / ml et h / 2 a = 8,7), un fluide de grappes (c p = 16,6 mg / ml et h / 2 a = 17), et un fluide colloïdal (c p = 0 mg / ml et h / 2 a> 116). Le diamètre des particules est de 2 a = 0,865 μ m. Ce chiffre a été modifié depuis Spannuth et Conrad, Phys. Rev Lett. 109, 028301 (2012). Copyright 2012 par l'American Physical Society.

Figure 3
Fonction de corrélation Figure 3. Paire indique des changements structurels dans l'accouchement. Fonction de corrélation pair pour un échantillon avec c p = 16,6 mg / ml à h / 2> 116 et h / 2 = 69, 35, 17, et 8,7 de haut en fond. L'échantillon est un fluide de grappes du tout, sauf h h / 2 a = 8,7, qui est un gel. Les couleurs indiquent la phase que sur la figure 2. Le diamètre des particules est de 2 a = 0,865 μ m. Ce chiffre a été modifié depuis Spannuth et Conrad, Phys. Rev Lett. 109, 028301 (2012). Copyright 2012 par l'American Physical Society.

Figure 4
Figure 4. Fonction de corrélation van Hove et le déplacement quadratique moyenne indiquent des changements dans l'accouchement. Self partie de la fonction de corrélation van Hove et (encastrés) de déplacement quadratique moyenne pour les échantillons avec (a) c p = 16,6 mg / ml et (b ) c p = 23,6 mg / ml en fonction de confinement (h / 2 = 69 (cercles), 17 (carrés) et 8.7 (triangles)). En (a), l'échantillon est un fluide de grappes de h / 2 a = 69 et 17, mais un gel de h / 2 a = 8,7. En (b), l'échantillon est un gel pour tous h. Le diamètre des particules est de 2 a = 0,865 μ m. Ce chiffre a abeillen modification de Spannuth et Conrad, Phys. Rev Lett. 109, 028301 (2012). Copyright 2012 par l'American Physical Society.

Figure 5
Figure 5. Représentant confocale micrographies de mélanges bidispersed. Des micrographies confocale des populations petites et grandes particules (à la fois représentés en gris, avec des particules plus grosses ayant une plus grande intensité), pour suspensions avec un volume total fraction Φ tot constante = 0,15, pour cent du volume des petites particules r = 0,50, la concentration de polymère de déplétion c p (ac) 5 mg / ml ou (df) 25 mg / ml, (a, d) en vrac ou (bc, ef) limitée à une hauteur normalisée h/2a L de ( b e) 20, ou (c, f) <5,5. Les grands et petits diamètres de particules sont un L 2 = 1,48 μ m et 2a S = 0,73 μ m, respectivement. La barre d'échelle est de 10 μ m.

Figure 6
Figure 6. Quadratique moyenne de déplacement de la population de grosses particules présente ralentissement induit confinement. Déplacement quadratique moyenne normalisée en fonction de τ de temps de latence de grosses particules dans les suspensions binaires pour cent en volume des petites particules r = 0,50 et une concentration variable de polymère de déplétion de (a) c p = 5 mg / ml ou (b) c p = 25 mg / ml. Confinement des épaisseurs h / 2 L: en vrac ( ), 20 ( diamant ) Et <5,5 ( côté ). Les lignes en pointillés indiquent une pente de 1. L'grand diamètre de particule est une L 2 = 1,48 μ m. Ce chiffre a été modifié depuis Pandey et Conrad, Soft Matter, 9, 10617-10626 (2013). Reproduit avec la permission de la Royal Society of Chemistry (http://dx.doi.org/10.1039/c c3sm51879e).

Figure 7
Figure 7. Schéma de dispositif pour des expériences de flux de microcanaux. L'consi dispositifm d'un micro-capillaire de verre qui est attachée à une pompe à seringue en utilisant un tube de Téflon. Le schéma est inversé comme indiqué par rapport à la configuration expérimentale, qui utilise un microscope inversé. Le système de coordonnées est indiqué: x est orienté selon la direction de l'écoulement, y est orienté le long de la largeur du micro-canal, et z est orienté selon la direction verticale. Encart: schéma de protocole d'imagerie. 2-d films sont acquises de la moitié de la largeur du microcanal à dix hauteurs différentes au-dessus de sa surface inférieure. Ce chiffre a été modifié depuis Pandey et Conrad, Soft Matter 8, 10695-10703 (2012). Reproduit avec la permission de la Royal Society of Chemistry (http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d).

Figure 8
Figure 8. Représentant confocale au microscope de particulespendant l'écoulement de microcanaux. micrographies confocales de suspensions colloïdales avec une concentration de polymère de c p (ac) 5 mg / ml et (df) 25 mg / ml. Images (a) et (d) montrent l'échantillon de repos; images (bc) et (ef) ont été acquis pendant l'écoulement à une hauteur (z) de (b, e) 5 μ m (c, f) 50 μ m au-dessus de la surface du fond du microcanal. Le bord du canal est sur ​​le côté gauche de chaque image en (bc) et (ef), et l'écoulement est dans la direction vers le bas comme indiqué. La barre d'échelle est de 10 μ m. Le diamètre des particules est de 2 a = 1,546 μ m. Ce chiffre a été modifié depuis Pandey et Conrad, Soft Matter 8, 10695-10703 (2012). Reproduit avec la permission de la Royal Society of Chemistry (de http :/ / dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d).

Figure 9
Figure 9. Force d'attraction modifie le profil de la densité en nombre de particules. Nombre de particules en fonction de la position latérale normalisé à travers le microcanal y / L pour les suspensions dont la fraction volumique Φ = 0,15 et polymère concentration c p (a, b) 5 mg / ml et (c, d) 25 mg / ml, acquis à des positions en aval normalisées x / L = (a, c) et 50 (b, d) 200. données sont présentées pour deux hauteurs normalisées, z / L = 0,05 (rouge foncé triangle ) Et 0,50 (bleu clair côtéμ l / h. Les lignes indiquées sont des guides pour les yeux, et les barres d'erreur indiquent l'écart-type des mesures. Le diamètre des particules est de 2 a = 1,546 μ m. Ce chiffre a été modifié depuis Pandey et Conrad, Soft Matter 8, 10695-10703 (2012). Reproduit avec la permission de la Royal Society of Chemistry (http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d).

Figure 10
Figure 10. Force d'attraction modifie les profils de vitesse. Profils de vitesse normalisés en fonction de la position latérale normalisée à travers le microcanal y / L pour les suspensions avec la fraction volumique Φ = 0,15 et p polymère concentration c de ( b) 5 mg / ml et (c, d) 25 mg / ml, acquis à des positions en aval normalisées x / L = (a, c) et 50 (b, d) 200. données sont présentées pour les deux normalisé hauteurs, z / L = 0,05 (rouge foncé) et 0,50 (bleu clair). Le débit était de 8 μ l / h. Les barres d'erreur indiquent l'écart type des mesures. Les lignes pointillées indiquent unique pour le profil d'écoulement newtonien prévu pour l'écoulement dans un microcanal carré. Ce chiffre a été modifié depuis Pandey et Conrad, Soft Matter 8, 10695-10703 (2012). Reproduit avec la permission de la Royal Society of Chemistry (http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25935d).

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Discussion

Suspensions colloïdales sont largement étudiés comme modèles de comportement de phase confinée, car les particules colloïdales de taille micronique présentent dynamique nettement plus lent que les atomes et les molécules et donc peuvent être facilement visualisés et suivis dans le temps 10. Pour ces études fondamentales, la compréhension de l'effet des attractions interparticulaires sur le comportement de phase confinée offre la possibilité d'explorer des phénomènes tels que la condensation capillaire et l'évaporation 21,22,67. En outre, les suspensions apparaissent attrayants confinés ubiquitaire dans les applications industrielles et technologiques. Pour ces études appliquées, la compréhension de l'effet de la formulation de suspension sur écoulement confiné peut conduire à des formulations améliorées de matières premières et d'encres pour le prototypage rapide 1-3, l'administration de médicaments 4, améliorée 5-7 de récupération du pétrole, et les applications de stockage d'énergie 8.

D'autres techniques utilisées pour sonder la structure de taille micronique colloids dans des géométries minces comprennent la microscopie électronique 17,18, la microscopie à rayons X 19, et diffraction laser microscopie 20. La combinaison d'algorithmes de microscopie et analyse d'image confocale offre deux avantages clés pour les études de suspensions colloïdales confinés. Tout d'abord, la microscopie confocale permet une imagerie plus profond de suspensions denses et fluorescentes. D'autre part, les trajectoires des particules obtenues à partir des micrographies confocales peuvent être utilisées pour calculer des métriques dynamiques et structurales pour des particules colloïdales de taille micronique individuels. Ces mesures facilitent la comparaison directe avec les simulations 21,22. D'autres algorithmes d'analyse d'image, tels que 37 l'image de corrélation sur la base de la vélocimétrie par image de particules 38, peuvent être appliqués aux micrographies confocales dans lequel les déplacements des particules sont plus grandes que l'espacement interparticulaire pour sonder la dynamique.

Nous avons démontré protocoles pour l'imagerie de repos et colloi couledes mélanges de polymères en d-géométries confinées à l'aide de la microscopie confocale. En utilisant les paramètres représentatifs décrits dans ce document, nous avons identifié une transition de solidification dans les suspensions de repos qui est induite par le confinement 63,64. Nous avons également montré que la modification de la force d'attraction modifie la mesure de la migration de particules et de consolidation pendant l'écoulement de mélanges colloïdes polymères dans des microcanaux 66.

Pour les expériences d'écoulement, une limitation de ce protocole est la difficulté de l'imagerie en 3-D pendant l'écoulement de microcanaux rapide, comme les particules se déplacent généralement de grandes distances entre les images consécutives. Cette limitation peut être évitée au ralentissement des débits par l'image d'une fine tranche 3-D. Expériences répétées à des positions verticales distinctes dans le canal peuvent donc donner des profils complets de vitesse et de densité tridimensionnelle. Cette approche a été appliquée avec succès par d'autres groupes de recherche à des suspensions de près-sphère dure colloïdes que form lunettes 13,14 ou 41 cristaux, mais n'ont pas encore été appliquée aux gels colloïdaux moins concentrés, tels que ceux présentés ici.

Les deux méthodes d'analyse d'image décrites (particules de suivi et la corrélation d'images) les limites d'exposition. Pour les algorithmes de poursuite de particules, les décisions de un dixième de la taille des pixels ont été rapportées pour 23 les particules bien séparées. La résolution augmente avec l'augmentation de rapport signal sur bruit. À la fois l'algorithme d'ajustement gaussien et un nouvel algorithme qui calcule les points de symétrie radiale maximale à atteindre des résolutions de repérage qui sont proches de la valeur théorique maximale de 68. La résolution dans nos expériences était un peu moins (un quart de la taille du pixel); parce que les particules dans les gels sont en contact étroit, le centre de l'intensité dans une région locale n'est donc pas nécessairement situé au centre de gravité des particules. La résolution dans le suivi des particules dans des gels peut être améliorée par le marquage uniquement l'les noyaux des particules de 69 à 71. Pour la vélocimétrie par images de particules, les procédés présentés ici fournissent des mesures précises de déplacement, même pour les grands déplacements de plusieurs centaines de pixels 37, tant que régions de la vitesse presque constante d'advection sont corrélés. Ces méthodes ne peuvent pas être utilisés lorsque les particules ont un mouvement relatif significatif ou d'une motion de non-affine; dans ce cas, les déplacements sont limités à une fraction de la taille des particules.

Ces protocoles peuvent être appliqués à l'étude des propriétés de comportement de phase, la structure, la dynamique, et écoulement d'une grande variété de suspensions colloïdales, y compris des particules ayant la forme ou l'anisotropie des produits chimiques et des solvants qui sont des fluides non-newtoniens, en 2-D et 3 - accouchements D. L'application de ces techniques nécessite en outre l'augmentation du taux de formation d'image en 2-D et 3-D, de nouveaux algorithmes pour l'analyse d'images de particules anisotropes, et les progrès de la fabrication des géométries et des interfaces de confinement réalistes.

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Disclosures

Les auteurs n'ont rien à révéler.

Acknowledgments

Recherche présentée dans cette publication a été soutenue par l'Université de Houston New Faculté Grant, une subvention de démarrage du Centre du Texas pour la supraconductivité, et le Fonds de recherche de l'American Petroleum 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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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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