Summary
我们演示了一个微流控装置的制造和使用, 使多粒子跟踪 microrheology 测量, 以研究重复相变的流变效应对软物质。
Abstract
软物质的显微结构直接影响宏观流变性能, 可通过在前相变化和应用剪切过程中的胶体重排等因素来改变。为了确定这些变化的程度, 我们开发了一种微流控装置, 它能使周围流体和微观流变学特性的交换引起的重复相变, 同时限制试样的剪切。此技术µ2流变学, 微流体和 microrheology 的组合。微流控装置是两层设计, 其对称入口流进入取样室, 在流体交换过程中捕获凝胶样品。吸力可以应用在远离样品室, 把液体拉入样品室。利用多粒子跟踪 microrheology (等离子体) 对材料的流变性能进行了表征。在微波等离子体中, 荧光探针粒子嵌入到材料中, 探针的布朗运动使用视频显微镜进行记录。对粒子的运动进行了跟踪, 计算了平均平方位移。利用广义斯托克斯-爱因斯坦关系, 该方法与宏观流变性质有关。通过与临界松弛指数的比较, 确定了材料的相位, 并用时间-固化叠加法确定。纤维胶体凝胶的测量表明了该技术的实用性。这种凝胶有一个微妙的结构, 可以不可逆转地改变时, 剪切应用。µ2流变数据表明, 材料在每次相变后反复 equilibrates 到相同的流变性质, 表明相转变在显微结构变化中不起作用。为了确定剪切的作用, 样品可以在注入到我们的微流控装置之前被剪切。µ2流变学是一种广泛适用的技术, 用于对软物质进行表征, 使在相变过程中, 单个样品中微细微结构的流变特性能够得到测定, 以响应周围环境条件。
Introduction
软物质中的相变可以改变脚手架结构, 这在材料的处理和最终稳定性方面有影响1,2,3。在动态相变过程中, 软材料的表征为结构演化与平衡结构和流变特性之间的关系提供了重要的信息。例如, 许多家庭护理产品需要在消费者使用期间发生阶段性变化。此外, 在生产过程中, 加工步骤, 包括稀释和混合, 可以传递剪切影响的流变性能和最终显微组织的产品。了解整个相变的流变特性, 确保产品按设计进行。此外, 如果力改变材料在制造过程中的开始流变, 相变会产生意想不到的和不希望的结果, 改变预期的功能和效果。在临界凝胶点, 定义为物质从相关胶体或聚合物溶液过渡到样品生成凝胶网络的点, 材料性质随联想的细微变化而急剧变化。在关键凝胶点上对结构的任何修改都会影响最终产品4。在这些动态过渡过程中, 软材料具有弱的机械性能和测量, 使用经典的实验技术可以在测量噪声限制下5,6,7。为此, 在低模量范围 (10-3 -4 Pa) 中敏感的 microrheology 技术被用来表征弱初凝胶在动态演化过程中的特征。有些材料因外力而易受显微组织的变化, 这在表征过程中提出了挑战, 因为任何材料或流体的转移都可能影响结构, 最终材料的性能也会受到冲击。为了避免改变材料的显微结构, 我们开发了一种微流控装置, 可以在试样周围交换环境流体, 同时尽量减少剪切。通过交换流体环境, 在相变过程中测量流变特性和显微组织的变化, 并以最小的剪切贡献。该装置与多粒子跟踪 microrheology (等离子体) 结合在一种称为µ2流变学的技术中。该技术用于在凝胶的连续相变过程中, 对外部驱动力进行定量测定材料性能。该技术将说明使用纤维胶体凝胶, 氢化蓖麻油 (HCO)9,10,11。
凝胶支架由于其示例环境12,13,14,15, 可能会经历联想和离解的变化。胶凝和降解的驱动力是具体的材料, 必须为每个感兴趣的材料量身定做。µ2流变学可用于表征对外部刺激反应的凝胶系统, 包括胶体和聚合网络。改变 pH, 渗透压力或盐浓度是驱动力的例子, 可以引起材料微观结构的变化。例如, HCO 通过创建渗透压力梯度来经历控制的相变。当浓缩的 HCO 凝胶样品 (4 wt% HCO) 淹没在水中时, 胶体颗粒之间的吸引力减弱, 导致降解。或者, 当 HCO (0.125 wt% HCO) 的稀释溶液与亲水性材料 (称为凝胶剂, 主要由甘油和表面活性剂组成) 接触时, 吸引力会返回, 导致凝胶化。此凝胶系统将用于显示设备的操作, 作为测量单个示例9、10上的连续相转换的工具。为了表征这些凝胶支架在动态过渡过程中的特征, 以及在临界相变时的微妙初始凝胶结构, 我们利用等离子体来表征这些材料的高时空分辨率。
Microrheology 是用来确定凝胶的性质和结构, 特别是在关键的过渡, 一系列软材料, 包括胶体和聚合物凝胶5,6,9,16。微波等离子体是一种被动微观流变学技术, 它使用视频显微镜记录在样品中嵌入的荧光探针粒子的布朗运动。整个视频中的粒子位置精确地确定为使用经典跟踪算法17,18的像素的 1/10th 。从这些粒子轨迹计算了集合平均均方根位移 (本, Δr2(t))。该方法与材料性能有关, 如蠕变符合性, 使用广义斯托克斯-爱因斯坦关系17,19,20,21,22, 23。该材料的状态是通过计算该曲线的对数斜率作为滞后时间的函数来确定的, α,
其中t为滞后时间, 并将其与临界松弛指数 ( n) 进行比较。n是使用时间固化叠加法确定的, 一种记录良好的技术, 它经过拉森和 Furst6进行了修改, 以分析等离子体数据。通过比较n到α材料的状态定量地被确定。当α > n材料为溶胶时, 当α < n材料为凝胶时。以前的工作使用 microrheology 来确定临界松弛指数9的 HCO 系统的特征。使用这些信息, 我们精确地确定在实验中材料何时从凝胶转变为溶胶。此外, 非高斯参数, αNG, 可以计算, 以确定系统的结构异质性的程度,
其中Δx(t) 是x方向上的一维粒子移动。使用等离子体, 我们可以表征一个单相过渡, 但通过表征材料与微波微流体装置, 我们能够操纵周围的流体环境和收集数据的几个相变的单一凝胶样品。
该微流控装置的设计目的是研究单个凝胶样品的临界过渡, 以响应周围流体环境的变化而进行相变。当该装置在凝胶或溶胶状态下, 通过锁定样品以诱导相变, 同时最小化剪切时, 该设备会交换样品周围的流体。溶剂盆地位于样品室的正上方, 由六个对称间隔的入口通道连接。这种对称性允许液体从溶剂盆地交换到样品室, 同时在样品周围产生同样的压力, 将其锁定到位。已经有几项研究将这种技术用于单粒子和 DNA 捕获, 但这项工作将从单个分子到大约10µL24、25、26的样本量扩展。这种独特的设计还能在相变过程中实现实时的微观流变学特性。
µ2流变学是一种适用于许多软物质系统的健壮技术。本文所描述的技术是为胶体凝胶设计的, 但它可以很容易地适应其他材料, 如聚合物或胶束溶液。利用这一技术, 我们不仅确定了相变对平衡材料性能的影响, 而且还决定了不同加工步骤对材料的流变演化和最终脚手架结构的持久影响, 以及性能。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. 微流控装置的制作
- 微流控邮票制作。
注: 此步骤要求使用挥发性材料, 应在化学油烟机中进行。- 使用带有与玻璃幻灯片 (75×50 mm) 相同尺寸的负打印设计、彩色白色的通道和背景色黑色 (请参见图 1)。在透明醋酸板材上打印此设计 (透明度), 分辨率为 1200年 dpi。
- 如果透明度的黑暗部分仍然允许光通过, 层数底片和坚持使用双面胶带。
- 打开高强度紫外线 (UV) 光源, 使其预热至恒定输出 (约30分钟)。
注: 使用高强度紫外线光源时应佩戴紫外线防护眼镜。 - 用丙酮、乙醇和蒸馏水填充三150毫升培养皿。
- 在靠近高输出紫外线源的平坦表面上放置一个空白透明度, 但不能直接在 uv 光下。这将提供一个基地, 以制造微流控印章。
- 勾勒出 75 x 50 毫米玻璃幻灯片的角落, 在空白透明的中心使用一个永久性的标志, 并放置四玻璃间隔 (约 30 x 30 x 1 毫米) 在轮廓矩形的角落。
- 倒入大约5毫升的 UV 固化硫醇: 烯树脂在垫片的中心, 然后小心地放置一个 75 x 50 x 1 毫米玻璃幻灯片上的玻璃隔板, 使胶水完全覆盖的玻璃幻灯片没有气泡。
- 将透明度与打印的底片放在玻璃滑梯上, 并移动所有上述组件 (从下到上: 空白透明度, 玻璃隔板和 UV 胶水, 玻璃滑动, 和负印刷透明度), 小心拖动空白透明度紫外线光源下。
- 允许 UV 光通过底片照射到树脂上并固化。固化时间可以调整以改变通道的高度。四十五年代治愈时间的结果, 通道高度为1毫米, 使用我们的光源。
- 将元件移离 UV 源, 并卸下底片印刷透明度和玻璃滑块。用 UV 胶水制作的通道的玻璃滑块现在被称为微流控标记。
- 放弃透明度和玻璃垫片。
- 将微流控标记浸在丙酮浴中, 然后再用乙醇浴。重复此步骤两次。丙酮会降解 UV 胶, 所以不要在邮票上留下丙酮大于十年代。
- 在拿着邮票的同时, 将邮票浸入水中, 用棉签除去其余的反应树脂。不要直接擦除固化的部分, 因为它会使通道粗糙.
- 将邮票放在纸巾上, 并返回紫外线源至少30分钟, 以确保完全固化。
- 烷成型
- 将70克的基硅烷碱倒入透明杯中, 并将交联剂添加到基部, 其重量比为1:10。这些是制造商推荐的比率。不要使用玻璃容器.
- 将交联器和底座与金属搅拌器彻底混合;混合物应该是混浊的, 因为包裹的气泡一旦适当混合。
- 将其放入真空烤箱中, 并在混合的聚硅烷上拉真空。如果溶液开始从杯中溢出, 则关闭真空, 然后在溢出消退后恢复真空。真空烤箱的总压力无关紧要, 因为真空只会加速脱气过程。离开房间, 直到所有的气泡从混合物中撤离 (大约60分钟)。
- 将微流控标记放在一个空的150毫米直径塑料培养皿中, 然后慢慢地将其倒入培养皿中, 完全覆盖微流控标记。接近培养皿的表面, 以最小化的泡沫重整在。
- 覆盖培养皿和放置在一个55摄氏度烤箱过夜治疗。一旦完全治愈, 用刀子切割图案的, 并从邮票中删除。为构建溶剂盆地 (协议步骤 1.6.3) 和 (协议步骤 2.2.1.1) 保留多余的。
- 使用0.5 毫米活检冲床, 在以下位置切割孔: 一个在每个角落, 一个在靠近通道边缘的吸入室中, 六在样品室对称地放置的, 和一个在样品室的中心。为了确保对称放置的孔打印一张纸上的图案和在样品室下的地方。由于这是明确的, 你可以很容易地看到孔需要放置。
- 微流控装置中制造玻璃壁的溶胶-凝胶溶液的制备
- 在100毫升罐中, 加入25毫升90% 乙醇, 25 毫升 pH 值 4 (0.0001 米) 盐酸溶液, 25 毫升 98% tetraethoxysilane, 25 毫升 98% methyltriethoxysilane。放置100毫升溶液, 现在称为 preconverted 流体, 在微波发现10秒, 然后放置在80°c 过夜。
- 设备组件
- 将阵列的两种方法和 75 x 50 x 0.10 毫米玻璃滑入等离子清洗器, 并将3路阀门设置为 off 位置。
- 打开真空泵, 允许一分钟疏散房间。
- 把3路阀门放在控制器位置, 让房间平衡5秒。流量控制器的位置允许小流量的空气进入等离子清洗器, 低到足以保持室在低压。打开射频 (RF) 开关到介质40秒钟, 然后关闭 RF 开关和真空泵。
- 将3路阀门放在打开的位置, 将会议厅返回大气条件。删除阵列和玻璃滑块。
- 通过将两个表面相互接触, 仔细地将经过阵列的玻纤片粘贴到玻璃滑梯上。
- 在低强度紫外光下, 将紫外光固化树脂应用于有图案的聚甲基丙烯酸酯的接缝上, 固化5分钟。
- 在微流控通道中制作玻璃幕墙。
注意: 这一步必须在等离子治疗30分钟内完成, 因为它依赖于在等离子处理过程中发生的表面变化。该层的厚度将约为5-10 µm。这一步骤要求使用挥发性材料, 应在化学油烟机中进行。- 设置一个热板到100°c, 并准备四注射器 (三30毫升和一个3毫升) 与18口径针和大约 30 cm 长度的透明热塑性管材。
- 分别用乙醇、氯仿和空气填充三30毫升注射器。用 preconverted 液填充一3毫升注射器 (从协议步骤 1.3.1)。
- 使用不锈钢连接器将透明热塑性管材插入到阵列中的每个孔中, 除一个角孔外。这个洞将作为一个入口, 而所有其他将是插座。
- 用 preconverted 液将微流控装置装入注射器, 然后将微流控装置放在100摄氏度热板上, 使底部玻璃接触热板表面。
- 在10秒内通过微流控装置流3毫升的 preconverted 流体。通过改变 preconverted 流体的流速来调整玻璃壁的厚度。
- 从热板中取出微流控设备。用空气注射器替换 preconverted 溶液注射器, 并推出任何多余的 preconverted 液。
- 用氯仿注射器替换空气注射器, 通过微流控装置慢慢地流动15毫升氯仿。用乙醇注射器取代氯仿注射器, 通过微流控装置缓慢地将30毫升乙醇流动。这些步骤大约需要1分钟。
- 用空气注射器替换乙醇注射器, 通过微流控装置流动空气直至干燥。
- 玻璃支座与溶剂盆的应用
- 从 75 x 25 x 1 毫米玻璃片中剪下 75 x 10 x 1 毫米的玻璃条。
- 将 UV 固化树脂应用于玻璃带上。将微流控装置放到小条上, 并朝上。在低强度紫外线光源下移动5分钟。
- 切割 30 x 30 毫米的聚硅烷。使用活检冲床, 切一个足够大的孔, 以覆盖10毫米样品室。
- 将该芯片和微流控装置置于等离子清洗器中, 然后将3路阀置于关闭位置并打开真空泵。
- 允许一分钟疏散房间。把3路阀门放到流量控制器的位置, 让房间平衡5秒。
- 将射频开关转换为介质40秒钟, 然后关闭射频开关和真空泵。
- 将3路阀门放在打开的位置, 将会议厅返回大气条件。
- 将溶剂盆和微流控装置从等离子腔中取出, 并通过接触表面进行粘附。一定要把溶剂盆放在样品室上。
2. µ2流变过程
-
软物质样品的制备
- 洗涤探针微粒
- 吸管水和0.5 µm 探针入一个离心管在水的比率到探针10:1。彻底混合使用吸管混合, 然后将离心管放入离心, 旋转 4600 x g 10 分钟。
注: 本工作中使用的探头溶液在水中悬浮, 初始浓度为2.6% 固体/体积, 样品中所用探针的最终浓度为0.1% 固体/体积。 - 取出离心管并取出上清液。用底水代替上清液。重复离心共三次。
- 将离心管放在 sonicator 中, 油脂实验低15分钟, 以除去任何骨料。
- 吸管水和0.5 µm 探针入一个离心管在水的比率到探针10:1。彻底混合使用吸管混合, 然后将离心管放入离心, 旋转 4600 x g 10 分钟。
- 结合探头和软物质。
注: 本程序采用胶体凝胶作为软物质样品。- 在 75 x 50 毫米玻璃滑动, 测量1毫升样品材料。吸管40µL 探针溶液进入样品的中心。
- 用金属铲轻轻地折叠样品, 直到完全结合。十五年代将样品舀入离心管中, 离心机在 2340 x g 处去除被包裹的空气。
- 用探针/HCO 混合物填充1毫升注射器, 装有18口径针和透明热塑性导管。
- 洗涤探针微粒
-
流体交换诱发的连续相变
- 填充微流控装置
- 要创建 1.2.5, 请使用来自协议步骤的过量的来自该组的。使用0.5 毫米直径的活检冲床, 把一个洞中途切到了。将不锈钢接头插入 0.5 mm 直径孔中。
- 将热塑性管材连接到拐角入口通道和吸入室出口通道的三。使用连接到设备的注射器将设备完全填满。确保取样室或微流控通道中没有气泡.用硅烷塞子堵住剩余的角孔。
- 溶剂盆地应部分填入台阶 2.2.1.2;如果没有填充, 请用清水填满溶剂盆。
- 使用该注射器从协议步骤 2.1.2.3, 注入10µL 样品/探针混合物通过中心通道进入样品室约2µL/秒, 然后使用一个注射剂的塞子, 以阻止中心通道在样品室。
- 收集微观流变学数据
- 将摄像机设置转换为最优化的, 以尽量减少静态和动态粒子跟踪错误, 然后切换到63×水浸泡目标, 并将水滴滴入透镜。
- 将微流控装置置于显微镜阶段, 并提高其目标, 直至其聚焦于样品。
- 拍摄探测器的布朗运动的视频, 时间间隔适合于相变的总长度。对于凝胶, 继续拍摄视频, 直到探针运动已完全停止。
注: 我们每10分钟收集一次数据。如果我们从退化实验开始, 就会收集数据直到探针完全扩散。
- 在样品室中交换流体 (重力流动, 用高密度流体交换低密度流体)
- 从显微镜阶段取出微流控装置。
- 用转移吸管将溶剂盆中的水吸出, 然后将4毫升高浓度流体注入溶剂盆地。
- 将微流控装置返回显微镜阶段, 并重复步骤2.2.2。3
- 在样品室中交换液体 (吸入流动, 交换更高密度流体的低密度流体)
- 从显微镜阶段取出微流控装置, 并从吸入室中取出该硅烷塞子。
- 在吸入室通道内插入装有18口径针和透明热塑性导管的注射器, 并将注射器与注射器泵挂钩。设置注射器泵以1毫升/分钟的拉力。
- 在溶剂盆中除去多余的胶凝剂, 用清水冲洗三次, 然后将溶剂盆灌入, 然后吸出冲洗液。
- 用注射器泵开始吸入, 同时将水添加到溶剂盆中一分钟。不要让溶剂盆完全空着, 因为这会把空气拉进样品室.
- 将注射器从微流控装置中取出, 并更换吸入腔上的硅烷塞子。
- 将微流控装置返回显微镜阶段并继续取样
- 填充微流控装置
- 继续在降解/凝胶循环期间定期取样, 直到所需的周期数完成或测量探头不足。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
两层微流控装置是用在微流控标记上进行阵列的 (图 1a、b) 构造的。图章的设计显示在图 1c中。不正确的实验设置会导致在周围流体交换过程中被动 microrheology 和微流控流的错误 (图 2)。在讨论部分中详细介绍了不正确的实验设置示例。在设备操作过程中, 围绕凝胶样品周围的流体进行交换。这种液体交换发生时, 材料是在凝胶和溶胶相。这种微流控装置的设计具有交换流体的能力, 而不会造成大量的胶凝材料和嵌入探针微粒的损失。使用两种类型的流体交换, 重力流 (当从低到高密度流体) 或吸入流 (从高到低密度流体时)。在我们的 HCO 凝胶系统中, 利用吸力流诱导降解, 同时利用重力流诱导凝胶。两种流动都对试样进行最小剪切, 分别对 0.01 pa 和 1 pa 进行吸力和重力流的剪切。这些剪刀的屈服应力下的凝胶, 这是按顺序 10 Pa9,10。
采用多粒子跟踪 microrheology, 定量表征了凝胶试样的状态、结构和流变特性。在微波等离子体中, 探针粒子使用经典跟踪算法27,28进行跟踪。在连续相变过程中, 从粒子轨迹 (图 3) 计算出集合平均均方根位移。Microrheology 数据 (图 3) 表明在 HCO 凝胶系统中实现了连续相变。在α→ 0 (凝胶) 和α→ 1 (溶胶) 之间的可选曲线交替。本实验设置 (0.001 µm2) 的可测量的极限强度高于本试验设定的下限。这个极限是通过将探针粘附在样品室中的玻璃来确定的, 这是通过允许粒子在重力下过夜来完成的。测量了所述被捕获探针粒子的整体平均可测性, 获得了该实验装置所依赖的低极限。
计算了该曲线 (α) 和非高斯参数 (αNG) 的对数斜率, 并通过与临界松弛指数 (n) (图 4) 的比较, 定量确定了材料的状态。本实验以 HCO 为模型凝胶, 测量了共九个转变。材料开始作为凝胶 (α→ 0) 和五退化 (α→ 1) 和四 gelations (α→ 0) 被测量1500分钟。每个相变的时间是物质依赖性的。相变是由流体交换引起的。当没有流体交换, 如在溶胶阶段的延长的期间在 800-1400 分钟之间显示, 探针微粒保持在样品之内, 并且没有变动对流变性物产。一旦液体交换发生, 材料再凝胶。
我们从该设备获得的数据提供了有关材料的流变特性和结构的一些信息。我们不测量从重复相变的平衡流变性质的变化。这是明显的α在每个阶段返回到相同的值。当材料在溶胶阶段, 它到达α, = 0.90, 并且, 当在凝胶阶段, α = 0.20。α在溶胶阶段的值表明, 即使在降解后, 材料仍保持一定的结构。一个完全退化为胶体粒子溶液的胶体系统将有α = 1.0, 而 HCO 的溶胶相的平衡值为α = 0.90, 表示某些结构被保留。另外, 胶体重排可以在流体交换后立即发生, 这是由α的增加所表明的。最后, 非高斯参数, 即量化材料的异质性的αNG表明, 在降解 (凝胶到溶胶) 过渡过程中, 凝胶的结构异质度增加。这在αNG的峰值中很明显。
图 1:微流控设备.(a) 两层微流控装置的图像, 在交换周围流体的同时, 捕捉到样品的位置。第一层有两个腔, 一个用于取样, 另一个用于吸力。洞位于每个角落, 以及一个在吸入室和七在样品室。在取样室的上方, 第二层的聚硅烷被粘附在装置上作为溶剂盆。(b) 样品通过中间通道注入样品室。样品在流体传输过程中被锁住, 对称入口流进入样品室, 在试样周围产生同样的压力。(c) 用于为设备的 1st层创建微流控标记的设计。每个腔的直径为10毫米, 而通道的宽度为1毫米。所产生的通道和腔室的高度是在四十五年代紫外线照射后的1毫米。从 Wehrman et . 201710中复制, 并获得皇家化学学会的许可。请单击此处查看此图的较大版本.
图 2: 不正确填充的微流控设备的图像.注入到该装置中的气泡会对两种微观流变学数据产生负面影响 (由于粒子在气液界面上的定向运动) 和溶液交换过程中的微流控流。请单击此处查看此图的较大版本.
图 3:在降解 (a、c) 和凝胶 (b、d) 中氢化蓖麻油凝胶的平均平方位移曲线.2个nd (a、b) 和 3rd (c、d) 相变显示在9个总转换中。临界过渡点 (凝胶溶胶或溶胶-凝胶) 由虚线在n = α = 0.77 表示, 并且代表每相变化以在线之上的一条曲线是溶胶和在胶凝体之下。从 Wehrman et . 201710中复制, 并获得皇家化学学会的许可。请单击此处查看此图的较大版本.
图 4:对数斜率 (, 闭合) 和非高斯参数 (αNG, 打开), 用于在重复相变过程中单个样品的 4 wt% 氢化蓖麻油凝胶.临界转换由水平虚线 (n = 0.77) 表示, 并由以前的微观流变学实验9 10 确定.垂直线表示溶剂交换, 白色背景表明溶剂盆地中有水, 在溶剂盆地中有凝胶剂的灰色区域。白色和灰色之间的颜色变化表明渗透梯度的反向。如果颜色在垂直线上不变, 则表示样品室正用相同的溶剂重新冲洗。这发生在没有足够的流体被去除, 并且经常发生, 当更高的密度流体在样品室由于它的大黏度。从 Wehrman et . 201710中复制, 并获得皇家化学学会的许可。请单击此处查看此图的较大版本.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
通过以下经过充分记录的微流控芯片制造技术29, 可以轻松地进行双层微流控设备 (图 1)。在装置的底部添加玻璃支撑, 以减少振动对探针运动的影响。玻璃滑动是非常稀薄的 (0.10 毫米) 为了容纳显微镜目标的工作距离。这使得该设备易受建筑物中的小振动和样品环境的影响, 然后用高速相机测量。玻璃支持成功地抵消了这些外部刺激。选择短工作距离目标, 收集精确的等离子体数据, 要求: (1) 每个粒子至少4个像素, (2) 一个有限的工作距离, 以避免不在2D 平面上的成像粒子。
此设备的设计,图 1-c是基于以前的调查, 将 microrheology 与微流体结合在一起。舒尔茨和 Furst 开发了µ2流变学, 使用了与我们的工作相同的微流体制造技术。他们的设备被设计创造 50-100 样品的水凝胶材料, 分离由连续阶段, 与梯度在聚合物骨干和交叉链接器集中16,29。此外, 使用聚合微流控流的技术已被证明对于捕获单个粒子或大分子25,26非常有用。我们将舒尔茨和 Furst 的制造技术结合起来, 以及他们在新装置中采用微流控装置进行微观流变学测量的想法, 并进行了放大的微流控捕获设计。在我们的设计中, 我们创建1毫米方形通道, 当一层玻璃在通道内使用溶胶-凝胶化学30时, 圆角。选择通道尺寸以避免探针粒子与微流控设备31的壁之间的相互作用。对于探头尺寸 (0.5 µm) 和通道高度 (1 毫米), 探头上玻璃上的水动力是按F ≈ 10-18 N 的顺序排列的, 表明从玻璃墙上的这种力不会对探针粒子的运动产生明显的影响。31. 此外, 探针粒子将必须在墙的10µm 内, 以影响粒子的运动, 因为粒子与壁的相互作用。所有数据从墙上收集了超过10µm。玻璃是在微流控渠道制造的, 以防止在我们的实验时间尺度, 这是按小时顺序, 在我们的试验期间的溶剂吸收。通过使用允许10µL 样本大小 (对应于通道高度1毫米) 和聚合微流控流的制造技术, 我们可以将捕获方法从单一分子扩展到10µL。
2层设计是为了防止在单层设备中出现的流不稳定性而合并的。在这项工作的早期迭代期间, 整个设备是一层。两个输入流 (每个具有相同的流体, 无论是水或胶凝剂) 从设备的两个角落开始, 只有通过长通道运行的长度的设备, 切线到样品室。然而, 通道之间的任何流动不稳定导致了样品室的流动和样品的损失, 结束了实验。第二层, 连同大吸尘室的添加, 消除这些不稳定性, 只使用一个吸力源和创造相同的压力周围的样本, 捕获样品在实验期间。第二层有一个非常简单的设计, 并打算把新的周围流体在样品室之上。
µ2流变数据是使用上述协议成功收集的。安装的第一阶段, 灌装设备, 是一个成功的实验的关键。不适当的填充会导致通道或取样室中出现气泡, 这将对微流控设备的 microrheology 和功能产生负面影响 (图 2)。避免微流控装置中气泡的最简单方法是在填充设备之前, 完全填充注射器 (确保没有气泡)。另外, 气泡可以通过引入大流量的溶剂 (通过用力按压注射器的柱塞) 或轻轻地敲击设备直到气泡移动到出口通道来去除。样品腔内的气泡会导致探针在空气液界面上的定向运动。微波等离子体测量要求探头经过纯布朗运动来测量材料的性能。微流控通道中的气泡也会影响流体交换过程中的流动, 从而导致压力的变化, 并将凝胶样品移出腔内。这两个问题都可以避免, 确保设备和溶剂室是完全充满液体之前, 样品注入。样品输入步骤会给样品带来一些剪切, 但不会对材料的流变性能和结构产生负面影响。这是通过大量的流变测量的样品加载没有剪切和样品加载到流变仪使用相同的输入技术作为微流控装置。设备正确填充后, 上述过程大纲可确保实验过程中的正常功能。
在流体交换过程中, 材料损失极小。这在实验期间是明显的: (1) 胶体材料有足够的纤维继续形成凝胶网络的能力和 (2) 探针微粒的集中保持足够高收集统计学上重要的微波等离子体测量。此外, 单个样品能够达到九的相变, 进一步表明在流体交换过程中损失极小。可观察到的转换的总数取决于在溶胶阶段, 由于样品的扩散而丢失的探针的数量。当材料为溶胶时, 探针是扩散的, 并且在每次凝胶-溶胶转换后, 少量的会扩散到样品中。探头的数量将限制设备可能的转换量。
实验表明, 该装置可用于测量材料性能, 确定在反复相变过程中软物质的显微组织。进入取样室的入口端口的对称性捕获了一个样本, 允许在单个样品上进行重复的相变, 而不损失样品。该设备的设计可以很容易地适应不同的系统, 包括聚合物水凝胶, 改变结构由于 pH 或生物和表面活性剂材料的变化响应盐浓度的变化, 使可再生的结果, 以确定了连续相变过程中凝胶系统的流变特性和结构。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
这项工作没有披露。
Acknowledgments
这项工作的资金由 DNI7 & 赌博公司和美国化学学会石油研究基金 (54462-) 提供。对美国化学学会石油研究基金的捐助者的承认是对这项研究的部分支持。作者想感谢马可 Caggioni 博士的有益讨论。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 150 x 15 mm Petri Dish | Corning, Inc. | 351058 | |
| 75 x 50 x 0.15 mm glass slide | Fisher Scientific | Custom | |
| 75 x 50 x 1.0 mm glass slide | Fisher Scientific | 12-550-C | |
| 75 x 25 x 1.0 mm glass Slide | Fisher Scientific | 12-550-A3 | |
| 22 x 22 Glass cover slips | Fisher Scientific | 12-542-B | |
| Acetone, 99.5% | VWR Analytical | 67-64-1 | |
| Low intensity UV source | UVP | UVL-56 | |
| Chloroform, 99.9% | Fisher Chemical | C298-500 | |
| Cotton Swabs | Q-tips | 83289205 | |
| Ethanol, 90% | Fisher Chemical | A962-4 | |
| Fluoresbrite® YG Carboxylate Microspheres 0.50µm | Polysciences, Inc. | 15700-10 | |
| High-Intensity UV Lamp | Spectroline Corp. | SB-100P | |
| Hot plate | Corning, Inc. | PC-420 | |
| Hydrochloric Acid, 6N | Ricca Chemical Company | 3750-32 | |
| Methyltriethyoxysilane, 98% | Acros Organics | 174622500 | |
| Microcentrifuge | Eppendorf | 5424 | |
| Plasma cleaner | Harrick Plasma, Inc. | PDC-32G | |
| Polydimethylsiloxane (PDMS) | Robert McKwown Company | 2065622 | |
| Sonicator | Branson, Emerson Electric | 1800 | |
| Steel connectors, ID 0.023 inch | New England Small Tube Corp. | Custom | |
| Tetraethoxysilane, 98% | Alfa Aesar | A14965 | |
| Thiol-ene Resin (UV curable) | Norland Products, Inc. | NOA81 | |
| Transparency | Staples Inc. | 21828 | |
| Tygon tubing, ID 1/32 inch | McMaster-Carr | E-3603 | |
| Vacuum oven | Fisher Scientific | 282A | |
| Biopsy punch 8 mm | World Precision Instruments | 504535 | |
| Bioposy punch 0.5 mm | World Precision Instruments | 504528 | |
| Syringe, 30 mL | BD | 309659 | |
| Syringe, 3 mL | BD | 309651 | |
| Needle, 18 gauge | BD | 305195 | |
| Microcentrifuge tube, 1.5 mL | Eppendorf | 22-36-320-4 | |
| High-speed Camera | Vision Research | Miro M120 | |
| Microscope | Carl Zeiss AG | Zeiss Observer, Z1 | |
| Syringe pump | New Era Pump Systems | NE-300 | |
| Hydrogenated castor oil | Procter & Gamble | N/A | |
| Afício MP 6002 Printer | Ricoh Company, Ltd. | 415877 |
References
- Mitchell, P.
- Haber, C. Microfluidics in commercial applications; an industry perspective. Lab Chip. 6, 1118-1121 (2006).
- Whitesides, G. M. The origins and the future of microfluidics. Nature. 442, 368-373 (2006).
- Huang, X., Raghavan, S. R., Terech, P., Weiss, R. G. Distinct kinetic pathways generate organogel networks with contrasting fractality and thixotropic properties. J. Am. Chem. Soc. 128, 15341-15352 (2006).
- Larsen, T. H., Schultz, K. M., Furst, E. M. Hydrogel microrheology near the liquid-solid transition. Korea-Aust. Rheol. J. 20, 165-173 (2008).
- Larsen, T. H., Furst, E. M. Microrheology of the liquid-solid transition during gelation. Phys. Rev. Lett. 100, 146001 (2008).
- Schultz, K. M., Baldwin, A. D., Kiick, K. L., Furst, E. M. Rapid rheological screening to identify conditions of biomaterial hydrogelation. Soft Matter. 5, 740-742 (2009).
- Switzer, L. H., Klingenberg, D. J. Flocculation in simulations of sheared fiber suspensions. Int. J. Multiph. Flow. 30, 67-87 (2004).
- Wehrman, M. D., Lindberg, S., Schultz, K. M. Quantifying the dynamic transition of hydrogenated castor oil gels measured via multiple particle tracking microrheology. Soft Matter. 12, 6463-6472 (2016).
- Wehrman, M. D., Milstrey, M. J., Lindberg, S., Schultz, K. M. Using µ2rheology to quantify rheological properties during repeated reversible phase transitions of soft matter. Lab Chip. 17, 2085-2094 (2017).
- Wehrman, M. D., Lindberg, S. E., Schultz, K. M. Impact of shear on the structure and rheological properties of a hydrogenated castor oil colloidal gel during dynamic phase transitions. J. Rheol. , (2018).
- Loh, X. J. Dual-responsive "reversible micelles". J. Appl. Polym. Sci. 127, 992-1000 (2013).
- Kern, F., Zana, R., Candau, S. J. Rheological properties of semidilute and concentrated aqueous solutions of cetyltrimethylammonium chloride in the presence of sodium salicylate and sodium chloride. Langmuir. 7, 1344-1351 (1991).
- Trappe, V., Prasad, V., Cipelletti, L., Segre, P. N., Weitz, D. A. Jamming phase diagram for attractive particles. Nature. 411, 772-775 (2001).
- Philipse, A. P., Wierenga, A. M. On the density and structure formation in gels and clusters of colloidal rods and fibers. Langmuir. 14, 49-54 (1998).
- Schultz, K. M., Bayles, A. V., Baldwin, A. D., Kiick, K. L., Furst, E. M. Rapid, high resolution screening of biomaterial hydrogelators by mu2rheology. Biomacromolecules. 12, 4178-4182 (2011).
- Crocker, J. C., Grier, D. G. Methods of digital video microscopy for colloidal studies. J. Colloid Interface Sci. 179, 298-310 (1996).
- Crocker, J. C., Weeks, E. R. Particle tracking using IDL. , Available from: http://www.physics.emory.edu/faculty/weeks//idl/tracking.html (2011).
- Mason, T. G. Estimating the viscoelastic moduli of complex fluids using the generalized Stokes--Einstein equation. Rheol. Actac. 39, 371-378 (2000).
- Mason, T. G., Ganesan, K., van Zanten, J. H., Wirtz, D., Kuo, S. C. Particle tracking microrheology of complex fluids. Phys. Rev. Lett. 79, 3282-3285 (1997).
- Mason, T. G., Weitz, D. A. Optical measurements of frequency-dependent linear viscoelastic moduli of complex fluids. Phys. Rev. Lett. 74, 1250-1253 (1995).
- Squires, T. M., Mason, T. G. Fluid mechanics of microrheology. Annu. Rev. Fluid Mech. 42, 413-438 (2010).
- Gittes, F., Schnurr, B., Olmsted, P. D., MacKintosh, F. C., Schmidt, C. F. Microscopic viscoelasticity: shear moduli of soft materials determined from thermal fluctuations. Phys. Rev. Lett. 79, 3286-3289 (1997).
- Mai, D. J., Brockman, C., Schroeder, C. M. Microfluidic systems for single DNA dynamics. Soft Matter. 8 (41), 10560-10572 (2012).
- Tanyeri, M., Ranka, M., Sittipolkul, N., Schroeder, C. M. A microfluidic-based hydrodynamic trap: design and implementation. Lab Chip. 11, 1786-1794 (2011).
- Lee, J. S., Dylla-Spears, R., Teclemariam, N. P., Muller, S. J. Microfluidic four-roll mill for all flow types. Appl. Phys. Lett. 90, 074103 (2007).
- Crocker, J. C., Grier, D. G. Methods of digital video microscopy for colloidal studies. J. Colloid Interface Sci. 179 (1), 298-310 (1996).
- Mason, T. G., Weitz, D. Optical measurements of frequency-dependent linear viscoelastic moduli of complex fluids. Phys. Rev. Lett. 74 (7), 1250 (1995).
- Schultz, K. M., Furst, E. M. High-throughput rheology in a microfluidic device. Lab on a chip. 11, 3802-3809 (2011).
- Abate, A. R., Lee, D., Do, T., Holtze, C., Weitz, D. A. Glass coating for PDMS microfluidic channels by sol-gel methods. Lab Chip. 8, 516-518 (2008).
- Happel, J., Brenner, H. Low Reynolds Number Hydrodynamics: with special applications to particulate media. , Prentice-Hall. (1965).
