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Engineering

Microfluidics और Microrheology के संयोजन के लिए दोहराया चरण संक्रमण के दौरान नरम बात के Rheological गुण निर्धारित

Published: April 19, 2018 doi: 10.3791/57429
Automatic Translation
1, 1, 2, 1
1Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Lehigh University, 2Process and Engineering Development, Procter & Gamble Co.

Summary

हम निर्माण और एक microfluidic डिवाइस है कि कई कण पर नज़र रखने microrheology माप नरम बात पर दोहराया चरण संक्रमण के rheological प्रभाव का अध्ययन करने के लिए सक्षम बनाता है का उपयोग प्रदर्शित करता है ।

Abstract

microstructure नरम बात सीधे प्रभावों macroscopic rheological गुण और पिछले चरण परिवर्तन और लागू कतरनी के दौरान कोलाइडयन पुनर्व्यवस्था सहित कारकों द्वारा बदला जा सकता है । इन परिवर्तनों की सीमा निर्धारित करने के लिए, हम एक microfluidic डिवाइस है कि दोहराया चरण आसपास के द्रव और microrheological लक्षण वर्णन के आदान प्रदान द्वारा प्रेरित संक्रमण सक्षम बनाता है, जबकि नमूने पर कतरनी सीमित विकसित की है । यह तकनीक µ2rheology, microfluidics और microrheology का संयोजन है । microfluidic डिवाइस एक दो परत डिजाइन सममित प्रवेश धाराओं के साथ एक नमूना कक्ष है कि तरल पदार्थ विनिमय के दौरान जगह में जेल के नमूने जाल में प्रवेश है । सक्शन नमूना कक्ष में तरल पदार्थ खींचने के लिए दूर नमूना चैंबर से लागू किया जा सकता है । सामग्री rheological गुण एकाधिक कण ट्रैकिंग microrheology (एमपीटी) का उपयोग करते हुए विशेषता है । एमपीटी में, फ्लोरोसेंट जांच कणों सामग्री में एम्बेडेड हैं और जांच की Brownian गति वीडियो माइक्रोस्कोपी का उपयोग कर दर्ज की गई है । कणों की आवाजाही पर नज़र रखी जाती है और मतलब चुकता विस्थापन (एमएसडी) की गणना की जाती है । एमएसडी macroscopic rheological गुणों से संबंधित है, सामान्यीकृत स्टोक्स-आइंस्टीन के संबंध का उपयोग कर । सामग्री के चरण महत्वपूर्ण छूट नवोन्मेष की तुलना द्वारा पहचान की है, समय का उपयोग कर निर्धारित-इलाज superposition. एक रेशेदार कोलाइडयन जेल की माप तकनीक की उपयोगिता को वर्णन । यह जेल कतरनी लागू किया जाता है जब अचल बदला जा सकता है कि एक नाजुक संरचना है । µ2rheology डेटा से पता चलता है कि प्रत्येक चरण संक्रमण के बाद सामग्री समान rheological गुणों से equilibrates है, जो यह दर्शाता है कि चरण संक्रमण microstructural परिवर्तन में भूमिका नहीं निभाते हैं । कतरनी की भूमिका निर्धारित करने के लिए, नमूनों हमारे microfluidic डिवाइस में इंजेक्शन से पहले कतरनी जा सकता है । µ2rheology में दोहराया परिवर्तन के जवाब में चरण संक्रमण के दौरान एक एकल नमूना में नाजुक microstructures के rheological गुणों के निर्धारण को सक्षम करने के नरम पदार्थ के लक्षण वर्णन के लिए एक व्यापक रूप से लागू तकनीक है पर्यावरण की स्थिति के आसपास ।

Introduction

नरम मामले में चरण संक्रमण पाड़ संरचना है, जो प्रसंस्करण और सामग्री के अंतिम स्थिरता1,2,3में निहितार्थ है बदल सकते हैं । गतिशील चरण संक्रमण के दौरान नरम सामग्री के लक्षण वर्णन संरचनात्मक विकास और संतुलन संरचना और rheological गुणों के बीच संबंधों के बारे में आवश्यक जानकारी प्रदान करता है । उदाहरण के लिए, कई घरेलू देखभाल उत्पादों उपभोक्ता उपयोग के दौरान एक चरण परिवर्तन की आवश्यकता है । इसके अलावा, विनिर्माण के दौरान, कमजोर पड़ने और मिश्रण सहित प्रसंस्करण कदम, कतरनी rheological गुण और उत्पाद के अंतिम microstructure को प्रभावित करने प्रदान कर सकते हैं । चरण परिवर्तन के दौरान rheological गुणों को समझना सुनिश्चित करता है कि उत्पाद डिज़ाइन किया गया के रूप में कार्य करता है । इसके अतिरिक्त, यदि सेना निर्माण के दौरान सामग्री के शुरू rheology बदल, चरण संक्रमण अप्रत्याशित और अवांछित परिणाम उपज सकते हैं, इरादा समारोह और प्रभावशीलता बदल रहा है । महत्वपूर्ण जमाना बिंदु पर, बिंदु के रूप में परिभाषित जहां एसोसिएटेड colloids या पॉलिमर के समाधान से सामग्री संक्रमण एक नमूना-फैले जेल नेटवर्क के लिए, सामग्री गुण संघ के लिए मामूली परिवर्तन के साथ काफी बदल जाते हैं । महत्वपूर्ण जेल बिंदु पर संरचना करने के लिए कोई भी संशोधन अंत उत्पाद4को प्रभावित कर सकता है । इन गतिशील संक्रमण के दौरान, नरम सामग्री कमजोर यांत्रिक गुणों और माप है कि शास्त्रीय प्रयोगात्मक तकनीक का उपयोग माप शोर सीमा5,6,7के भीतर हो सकता है । इस के लिए खाते में, ऐसी microrheology, जो कम moduli रेंज में संवेदनशील है के रूप में तकनीक (10-3 -4 फिलीस्तीनी अथॉरिटी), गतिशील विकास के दौरान कमजोर प्रारंभिक जेल विशेषताएं किया जाता है । कुछ सामग्री बाह्य बलों, जो लक्षण वर्णन के दौरान एक चुनौती प्रस्तुत करता है के कारण microstructure में परिवर्तन करने के लिए अतिसंवेदनशील होते हैं, सामग्री या तरल पदार्थ के किसी भी हस्तांतरण के रूप में संरचना को प्रभावित कर सकते हैं और, अंत में, अंतिम सामग्री गुण. सामग्री microstructure फेरबदल से बचने के लिए, हम एक microfluidic डिवाइस है कि एक नमूना के आसपास पर्यावरण द्रव विनिमय जबकि कतरनी कम कर सकते है विकसित की है । द्रव वातावरण का आदान-प्रदान करके, rheological गुणों और microstructure में परिवर्तन कतरनी से न्यूनतम योगदान के साथ चरण संक्रमण के दौरान मापा जाता है । डिवाइस को µ2rheology नामक तकनीक में एकाधिक पार्टिकल ट्रैकिंग microrheology (एमपीटी) के साथ संयोजित किया गया है । इस तकनीक को एक बाहरी ड्राइविंग बल के जवाब में एक जेल के लगातार चरण परिवर्तन के दौरान सामग्री संपत्तियों को ठहराया जाता है । तकनीक एक रेशेदार कोलाइडयन जेल, हाइड्रोजनीकृत केस्टर तेल (HCO)9,10,11का उपयोग कर सचित्र किया जाएगा ।

जेल पाड़ एसोसिएशन और उनके नमूना पर्यावरण12,13,14,15के कारण पृथक्करण में बदलाव से गुजरना कर सकते हैं । जमाना और क्षरण के लिए ड्राइविंग बल विशिष्ट सामग्री है और ब्याज की प्रत्येक सामग्री के लिए सिलवाया होना चाहिए । µ2rheology कोलाइडयन और पॉलिमर नेटवर्क सहित बाहरी उत्तेजनाओं का जवाब है कि जेल प्रणालियों की विशेषता के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है । बदलने पीएच, आसमाटिक दबाव या नमक एकाग्रता बलों है कि सामग्री microstructure में परिवर्तन पैदा कर सकते है ड्राइविंग के उदाहरण हैं । उदाहरण के लिए, HCO एक आसमाटिक दबाव ढाल बनाने के द्वारा चरण संक्रमण नियंत्रित किया जाता है । जब एक केंद्रित HCO जेल नमूना (4 wt% HCO) पानी में डूब गया है, कोलाइडयन कणों के बीच आकर्षक बलों कमजोर, क्षरण के कारण । वैकल्पिक रूप से, जब HCO का एक पतला समाधान (०.१२५ wt% HCO) एक हाइड्रोफिलिक सामग्री के साथ संपर्क किया है (बीच बढ़िया तालमेल एजेंट के रूप में कहा जाता है और ज्यादातर ग्लिसरीन और surfactant से बना), आकर्षक बलों वापस, कारण जमाना । इस जेल प्रणाली एक एकल नमूना9,10पर लगातार चरण संक्रमण को मापने के लिए एक उपकरण के रूप में उपकरण का संचालन दिखाने के लिए इस्तेमाल किया जाएगा । इन जेल पाड़ों को गतिशील संक्रमण के दौरान और नाजुक प्रारंभिक जेल संरचना को महत्वपूर्ण चरण के संक्रमण के दौरान चिह्नित करने के लिए, हम इन सामग्रियों को उच्च spatio-लौकिक रिज़ॉल्यूशन से चिह्नित करने के लिए एमपीटी का उपयोग करते हैं ।

Microrheology जेल गुण और संरचना, विशेष रूप से महत्वपूर्ण संक्रमण पर, कोलाइडयन और बहुलक जैल5,6,9,16सहित नरम सामग्री, की एक सरणी का निर्धारण करने के लिए प्रयोग किया जाता है । एमपीटी एक निष्क्रिय microrheological तकनीक है जो एक नमूना के भीतर एंबेडेड फ्लोरोसेंट जांच कणों की Brownian गति को रिकॉर्ड करने के लिए वीडियो माइक्रोस्कोपी का उपयोग करता है । वीडियो भर में कण पदों को ठीक करने के लिए 1/10वें शास्त्रीय ट्रैकिंग एल्गोरिदम का उपयोग कर एक पिक्सेल के17,18के भीतर निर्धारित कर रहे हैं । पहनावा औसत अर्थ चुकता विस्थापन (एमएसडी, (Δआर2(टी))) इन कण पथ से गणना की है । एमएसडी इस तरह के रेंगना अनुपालन के रूप में सामग्री संपत्तियों से संबंधित है, सामान्यीकृत स्टोक्स का उपयोग-आइंस्टीन रिलेशन17,19,20,21,22, 23. सामग्री की स्थिति अंतराल समय, α के एक समारोह के रूप में एमएसडी वक्र के लघुगणक ढलान की गणना द्वारा निर्धारित किया जाता है,

Equation 1

जहां t अंतराल समय है, और यह महत्वपूर्ण विश्राम नवोन्मेष की तुलना, n। n समय-चिकित्सा superposition, एक अच्छी तरह से प्रलेखित तकनीक का उपयोग करके निर्धारित किया जाता है जिसे लार्सन एंड Furst6द्वारा एमपीटी डेटा का विश्लेषण करने के लिए संशोधित कर दिया गया था । n की तुलना करके सामग्री की स्थिति को α मात्रा में निर्धारित किया गया है । जब α > n सामग्री एक सोल है, और जब α < n सामग्री एक जेल है । पिछले काम HCO प्रणाली की विशेषता है microrheology का उपयोग करने के लिए महत्वपूर्ण छूट प्रतिपादन9निर्धारित करते हैं । इस जानकारी का उपयोग करना, हम ठीक जब एक प्रयोग के दौरान एक जेल से एक सोल के लिए सामग्री संक्रमण निर्धारित करते हैं । इसके अतिरिक्त, गैर-गाऊसी पैरामीटर, αएनजी, किसी सिस्टम के संरचनात्मक विविधता की सीमा निर्धारित करने के लिए परिकलित किया जा सकता है,

Equation 2

जहां Δx(t) x दिशा में एक आयामी कण आंदोलन है । एमपीटी का उपयोग करते हुए, हम एक चरण संक्रमण की विशेषता कर सकते हैं, लेकिन एक microfluidic डिवाइस में एमपीटी के साथ निस्र्पक सामग्रियों द्वारा, हम आसपास के द्रव वातावरण में हेरफेर और एक ही जेल नमूने पर कई चरण संक्रमण का डेटा एकत्र करने में सक्षम हैं ।

इस microfluidic डिवाइस एक जेल नमूना है कि आसपास के द्रव वातावरण में परिवर्तन के जवाब में चरण परिवर्तन की महत्वपूर्ण संक्रमण की जांच करने के लिए बनाया गया है । डिवाइस एक्सचेंजों नमूना आसपास के द्रव जब यह जेल या sol राज्य में जगह में नमूना ताला बंद करने के लिए एक चरण संक्रमण प्रेरित है, जबकि कतरनी ंयूनतम द्वारा है । एक विलायक बेसिन सीधे नमूना कक्ष है, जो छह सममित स्थान प्रवेश चैनलों से जुड़े हुए है ऊपर स्थित है । यह समरूपता विलायक बेसिन से तरल पदार्थ का नमूना चैंबर में विनिमय के लिए अनुमति देता है, जबकि नमूना चारों ओर समान दबाव बनाने, यह जगह में ताला लगा । वहां कई अध्ययनों कि एकल कण और डीएनए फँसाने के लिए इस तकनीक का उपयोग किया गया है, लेकिन इस काम के नमूनों कि लगभग 10 µ एल24,25,26के लिए एक अणुओं से मात्रा तराजू । यह अनूठा डिजाइन भी चरण संक्रमण के दौरान वास्तविक समय microrheological लक्षण वर्णन सक्षम बनाता है ।

µ2rheology एक दमदार तकनीक है जो कई सॉफ्ट मैटर सिस्टम पर लागू होती है । इस पत्र में वर्णित तकनीक कोलाइडयन जैल के लिए डिजाइन किया गया था, लेकिन यह आसानी से अंय सामग्री जैसे बहुलक या micellar समाधान के लिए अनुकूलित किया जा सकता है । इस तकनीक के साथ, हम न सिर्फ कैसे चरण संक्रमण संतुलन सामग्री गुणों को प्रभावित करते हैं, लेकिन यह भी कैसे अलग प्रसंस्करण कदम सामग्री और अंतिम पाड़ संरचना के rheological विकास पर स्थाई प्रभाव हो सकता है और गुण.

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Protocol

1. Microfluidic डिवाइस का निर्माण

  1. Microfluidic स्टांप निर्माण ।
    नोट: यह कदम अस्थिर सामग्री के उपयोग की आवश्यकता है और एक रासायनिक धुएं हुड में किया जाना चाहिए ।
    1. ग्लास स्लाइड (75 × 50 मिमी) के रूप में एक ही आयाम के साथ एक नकारात्मक मुद्रित डिजाइन का उपयोग करें, सफेद रंग के चैनल, और पृष्ठभूमि रंग का काला ( चित्रा 1देखें) । इस डिज़ाइन को एक साफ़ एसीटेट पत्रक (पारदर्शिता) पर १२०० dpi के रिज़ॉल्यूशन के साथ मुद्रित करें ।
    2. यदि पारदर्शिता के अंधेरे अनुभाग अभी भी अनुमति देता है के माध्यम से प्रकाश, परत कई नकारात्मक और पालन का उपयोग कर डबल पक्षीय टेप ।
    3. उच्च तीव्रता पराबैंगनी (यूवी) प्रकाश स्रोत पर बारी और यह एक निरंतर उत्पादन करने के लिए गर्म करने के लिए अनुमति (लगभग 30 मिनट).
      नोट: यूवी सुरक्षात्मक eyewear जब उच्च तीव्रता यूवी प्रकाश स्रोत का उपयोग कर पहना जाना चाहिए ।
    4. एसीटोन, इथेनॉल और आसुत जल के साथ ३ १५० मिलीलीटर पेट्री व्यंजन भरें ।
    5. उच्च उत्पादन यूवी स्रोत के लिए एक सपाट सतह करीब पर एक खाली पारदर्शिता प्लेस, लेकिन सीधे यूवी प्रकाश के तहत नहीं । यह एक आधार प्रदान करने के लिए microfluidic स्टांप बनाना होगा ।
    6. एक स्थाई मार्कर का उपयोग कर रिक्त पारदर्शिता के केंद्र में एक ७५ × ५० mm ग्लास स्लाइड के कोनों रूपरेखा और चार ग्लास स्पेसर्स (लगभग 30 × 30 × 1 मिमी) रेखांकित आयत के कोनों में जगह ।
    7. लगभग 5 यूवी का इलाज thiol के मिलीलीटर डालो: स्पेसर्स के केंद्र में िेने राल, तो ध्यान से एक ७५ x ५० x 1 मिमी ग्लास स्लाइड ग्लास स्पेसर्स पर जगह है, ताकि गोंद पूरी तरह से कोई हवा बुलबुले के साथ कांच स्लाइड द्वारा कवर किया जाता है ।
    8. कांच स्लाइड के शीर्ष पर मुद्रित नकारात्मक के साथ पारदर्शिता प्लेस और सभी उपरोक्त घटकों को स्थानांतरित (नीचे से ऊपर तक: रिक्त पारदर्शिता, ग्लास स्पेसर्स और यूवी गोंद, ग्लास स्लाइड, और नकारात्मक मुद्रित पारदर्शिता) खाली पारदर्शिता सावधानी से खींचकर यूवी प्रकाश स्रोत के तहत ।
    9. यूवी प्रकाश राल और इलाज पर नकारात्मक के माध्यम से चमक करने की अनुमति दें । इलाज के समय चैनल की ऊंचाई को बदलने के लिए समायोजित किया जा सकता है । एक ४५ एस 1 मिमी के एक चैनल की ऊंचाई में समय के परिणाम का इलाज, हमारे प्रकाश स्रोत का उपयोग कर ।
    10. घटकों को दूर यूवी स्रोत से ले जाएं और नकारात्मक मुद्रित पारदर्शिता और ग्लास स्लाइड को दूर । यूवी गोंद में गढ़े चैनलों के साथ कांच स्लाइड अब microfluidic स्टांप के रूप में भेजा जाएगा ।
    11. पारदर्शिता और ग्लास स्पेसर्स छोड़ें ।
    12. एसीटोन स्नान में microfluidic टिकट डुबकी, इथेनॉल स्नान के बाद । इस चरण को दो बार दोहराएं । एसीटोन यूवी गोंद नीचा होगा, इसलिए अधिक से अधिक 10 एस के लिए टिकट पर एसीटोन छोड़ नहीं है ।
    13. जबकि स्टांप पकड़, पानी में स्टांप जलमग्न और एक कपास झाड़ू का उपयोग करने के लिए प्रतिक्रिया राल के बाकी हटा दें । सीधे ठीक भागों पोंछ नहीं है, के रूप में यह किसी न किसी चैनल कर देगा ।
    14. एक कागज तौलिया पर स्टांप प्लेस और यूवी स्रोत के लिए वापसी के लिए ंयूनतम 30 मिनट के लिए पूरा इलाज सुनिश्चित करते हैं ।
  2. Polydimethylsiloxane (PDMS) मोल्डिंग
    1. एक स्पष्ट कप में PDMS बेस के ७० जी डालो और पार जोड़ने के एजेंट 1:10 crosslinker के आधार पर एक वजन अनुपात में आधार करने के लिए । ये निर्माता की सिफारिश की अनुपात कर रहे हैं । एक ग्लास कंटेनर का उपयोग न करें.
    2. एक धातु सरगर्मी के साथ पार लिंकर और आधार अच्छी तरह से मिश्रण; मिश्रण एक बार ठीक से मिश्रित फंस हवा के बुलबुले के कारण पंकिल होना चाहिए ।
    3. एक वैक्यूम ओवन में PDMS रखो और मिश्रित PDMS पर निर्वात खींचो । वैक्यूम बंद करें यदि समाधान कप से ओवरफ़्लो होना शुरू होता है, तो ओवरफ़्लो उपस्थिती के बाद वैक्यूम फिर से शुरू करें. वैक्यूम ओवन में कुल दबाव बात नहीं है, के रूप में वैक्यूम केवल degassing प्रक्रिया को गति । चैंबर में छोड़ दो जब तक सभी बुलबुले मिश्रण से खाली कर दिया गया है (लगभग ६० मिनट) ।
    4. एक खाली १५० मिमी व्यास प्लास्टिक पेट्री डिश में microfluidic स्टांप प्लेस, फिर धीरे पेट्री पकवान में PDMS डालना, पूरी तरह से microfluidic स्टांप को कवर । PDMS में सुधार बुलबुले को कम करने के लिए पेट्री पकवान की सतह के करीब डालो ।
    5. एक ५५ डिग्री सेल्सियस ओवन में पेट्री पकवान और जगह को कवर इलाज के लिए रातोंरात । एक बार पूरी तरह से ठीक हो, नमूनों PDMS एक चाकू का उपयोग कर काट और टिकट से हटा दें । विलायक बेसिन (प्रोटोकॉल कदम 1.6.3) और PDMS डाट (प्रोटोकॉल कदम 2.2.1.1) के निर्माण के लिए अतिरिक्त PDMS बनाए रखने ।
    6. एक ०.५ मिमी बायोप्सी पंच का उपयोग करना, निम्न स्थानों में छेद में कटौती: प्रत्येक कोने में एक, चैनल के किनारे के पास सक्शन चैंबर में एक, छह नमूना चैंबर में सममित ६० डिग्री के अलावा रखा, और नमूना चैंबर के केंद्र में से एक. संतुलित रखा छेद सुनिश्चित करने के लिए नमूना चैंबर के तहत कागज और जगह के एक पत्रक पर एक पैटर्न का मुद्रण । चूंकि PDMS स्पष्ट है, आप आसानी से देख सकते है जहां छेद की जरूरत है रखा जाएगा ।
  3. microfluidic डिवाइस में कांच की दीवार बनाने के लिए सोल-जेल समाधान की तैयारी
    1. एक १०० मिलीलीटर जार में, ९०% इथेनॉल के 25 मिलीलीटर, पीएच 4 (०.०००१ एम) हाइड्रोक्लोरिक एसिड समाधान के 25 मिलीलीटर, ९८% tetraethoxysilane के 25 मिलीलीटर, और ९८% methyltriethoxysilane के 25 एमएल जोड़ें । १०० मिलीलीटर समाधान रखें, अब 10 सेकंड के लिए खुला माइक्रोवेव में, फिर से, एक ८० डिग्री सेल्सियस रात भर में जगह में कनवर्टेड द्रव के रूप में भेजा ।
  4. डिवाइस असेंबली
    1. दोनों नमूनों PDMS और एक ७५ × ५० × ०.१० mm प्लाज्मा क्लीनर में ग्लास स्लाइड प्लेस और बंद की स्थिति के लिए 3 तरह के वाल्व सेट ।
    2. वैक्यूम पंप पर मुड़ें और एक मिनट की अनुमति के लिए चैंबर खाली ।
    3. नियंत्रक स्थिति प्रवाह और 5 सेकंड के लिए चैंबर equilibrate जाने के लिए 3 तरह के वाल्व रखो । प्रवाह नियंत्रक स्थिति हवा के एक छोटे से प्रवाह की दर प्लाज्मा क्लीनर में प्रवेश करने की अनुमति देता है, कम पर्याप्त कम दबाव पर चैंबर रखने के लिए । रेडियो आवृत्ति (आरएफ) पर बारी ४० सेकंड के लिए मध्यम करने के लिए स्विच, तो आरएफ स्विच और वैक्यूम पंप बंद ।
    4. वातावरण की स्थिति के लिए चैंबर वापस करने के लिए खुला स्थान के लिए 3 तरह के वाल्व प्लेस । नमूनों PDMS और ग्लास स्लाइड निकालें ।
    5. ध्यान से एक दूसरे के संपर्क में दो सतहों डाल द्वारा ग्लास स्लाइड करने के लिए नमूनों PDMS का पालन करें ।
    6. कम तीव्रता यूवी प्रकाश के तहत 5 मिनट के लिए नमूनों PDMS और इलाज के आसपास तेजी के लिए यूवी का इलाज राल लागू करें ।
  5. microfluidic चैनलों में कांच की दीवारों का निर्माण ।
    नोट: यह कदम प्लाज्मा उपचार के 30 मिनट के भीतर पूरा किया जाना चाहिए, के रूप में यह PDMS सतह परिवर्तन है कि प्लाज्मा उपचार के दौरान होने पर निर्भर करता है । परत की मोटाई लगभग 5-10 µm होगी. इस कदम के अस्थिर सामग्री के उपयोग की आवश्यकता है और एक रासायनिक धुएं हुड में किया जाना चाहिए ।
    1. १०० डिग्री सेल्सियस के लिए एक चूल्हा सेट और चार सिरिंज (३ ३० मिलीलीटर और एक 3 एमएल) 18 गेज सुई और स्पष्ट थर्माप्लास्टिक टयूबिंग के लगभग 30 सेमी लंबाई के साथ तैयार करते हैं ।
    2. क्रमशः इथेनॉल, क्लोरोफॉर्म और वायु के साथ ३ ३० मिलीलीटर सीरिंज भरें । (प्रोटोकॉल चरण 1.3.1 से) एक से अधिक के साथ एक 3 मिलीलीटर सिरिंज में कनवर्ट द्रव भरें
    3. एक कोने छेद के अपवाद के साथ, नमूनों PDMS में छेद में से प्रत्येक में स्टेनलेस स्टील connectors का उपयोग कर स्पष्ट थर्माप्लास्टिक टयूबिंग डालें. यह छेद एक प्रवेश के रूप में इस्तेमाल किया जाएगा, जबकि अंय सभी दुकानों होगा ।
    4. सिरिंज से कनवर्टेड द्रव के साथ microfluidic डिवाइस भरें, तो १०० ° c गर्म प्लेट पर microfluidic डिवाइस जगह तो नीचे कांच गर्म थाली की सतह को छू रहा है.
    5. 10 सेकंड से अधिक microfluidic डिवाइस के माध्यम से, कनवर्टेड द्रव के 3 मिलीलीटर प्रवाह । काँच की दीवारों की मोटाई को रूपांतरित द्रव की प्रवाह दर को बदलकर समायोजित किया जाता है.
    6. चूल्हा से microfluidic डिवाइस निकालें । एयर सिरिंज के साथ कनवर्ट की गई हल सिरिंज की जगह और किसी भी अतिरिक्त रूपांतरित द्रव बाहर धक्का.
    7. क्लोरोफॉर्म सिरिंज के साथ हवा सिरिंज की जगह और धीरे microfluidic डिवाइस के माध्यम से क्लोरोफॉर्म के 15 मिलीलीटर प्रवाह. इथेनॉल सिरिंज के साथ क्लोरोफॉर्म सिरिंज की जगह और धीरे microfluidic डिवाइस के माध्यम से इथेनॉल के 30 मिलीलीटर प्रवाह. इन चरणों लगभग 1 मिनट प्रत्येक ले जाना चाहिए ।
    8. एयर सिरिंज के साथ इथेनॉल सिरिंज की जगह और सूखी जब तक microfluidic डिवाइस के माध्यम से हवा प्रवाह.
  6. ग्लास का समर्थन करता है और विलायक बेसिन के आवेदन
    1. ७५ × 25 × 1 मिमी कांच स्लाइड से ७५ × 10 × 1 मिमी कांच के स्ट्रिप्स कट ।
    2. कांच स्ट्रिप्स के लिए यूवी का इलाज राल लागू करें । स्ट्रिप्स पर microfluidic डिवाइस प्लेस, PDMS पक्ष के साथ ऊपर का सामना करना पड़. 5 मिनट के लिए कम तीव्रता यूवी प्रकाश स्रोत के तहत ले जाएँ ।
    3. PDMS के एक 30 × 30 मिमी वर्ग काट । एक बायोप्सी पंच का उपयोग करना, एक छेद काफी बड़े 10 मिमी नमूना चैंबर को कवर में कटौती.
    4. प्लाज्मा क्लीनर में PDMS स्क्वायर और microfluidic डिवाइस प्लेस, तो बंद की स्थिति के लिए 3 तरह के वाल्व डाल दिया और वैक्यूम पंप पर बारी ।
    5. एक मिनट की अनुमति चैंबर खाली करने के लिए । प्रवाह नियंत्रक स्थिति के लिए 3 तरह के वाल्व रखो और 5 सेकंड के लिए चैंबर equilibrate चलो ।
    6. ४० सेकंड के लिए मध्यम करने के लिए आरएफ स्विच चालू करें, तो आरएफ स्विच और वैक्यूम पंप बंद कर देते हैं ।
    7. वातावरण की स्थिति के लिए चैंबर वापस करने के लिए खुला स्थान के लिए 3 तरह के वाल्व प्लेस ।
    8. प्लाज्मा चैंबर से विलायक बेसिन और microfluidic डिवाइस निकालें और सतहों से संपर्क करके पालन करें । नमूना चैंबर पर विलायक बेसिन जगह सुनिश्चित करें ।

२. µ२rheology कार्यविधि

  1. मुलायम मामले के नमूने तैयार
    1. धुलाई जांच कणों
      1. पिपेट पानी और ०.५ µm जांच एक microcentrifuge ट्यूब में पानी के अनुपात में 10:1 की जांच करने के लिए । मिश्रण अच्छी तरह से पिपेट मिश्रण का उपयोग कर, तो microcentrifuge में microcentrifuge ट्यूब जगह और 10 मिनट के लिए ४६०० x g पर स्पिन ।
        नोट: जांच समाधान इस काम में इस्तेमाल किया २.६% ठोस के एक प्रारंभिक एकाग्रता के साथ पानी में निलंबित प्राप्त/मात्रा, और जांच नमूना में इस्तेमाल किया की अंतिम एकाग्रता है ०.१% ठोस/
      2. microcentrifuge ट्यूब निकालें और supernatant बाहर पिपेट । supernatant को डीआई वॉटर से बदलें । तीन बार की कुल के लिए केंद्रापसारक को दोहराने ।
      3. sonicator में microcentrifuge ट्यूब प्लेस और कम पर 15 मिनट के लिए sonicate किसी भी समुच्चय को दूर करने के लिए ।
    2. जांच और नरम मामले का मेल ।
      नोट: इस प्रक्रिया के लिए, एक कोलाइडयन जेल नरम बात नमूना के रूप में इस्तेमाल किया गया था ।
      1. एक ७५ × ५० मिमी ग्लास स्लाइड पर, नमूना सामग्री के 1 मिलीलीटर उपाय । पिपेट ४० नमूना के केंद्र में जांच समाधान के µ एल ।
      2. धीरे से एक धातु रंग के साथ नमूना गुना जब तक पूरी तरह से संयुक्त । एक microcentrifuge ट्यूब में नमूना स्कूप और 15 एस फंस हवा को दूर करने के लिए २३४० x g पर केंद्रापसारक ।
      3. एक 1 मिलीलीटर एक 18 गेज सुई और जांच/HCO मिश्रण के साथ स्पष्ट थर्माप्लास्टिक टयूबिंग के साथ लगे सिरिंज भरें ।
  2. लगातार चरण द्रव विनिमय द्वारा प्रेरित संक्रमण
    1. microfluidic डिवाइस भरना
      1. PDMS डाट बनाने के लिए, प्रोटोकॉल चरण 1.2.5 से अतिरिक्त PDMS का उपयोग करते हुए, PDMS के 5 मिमी वर्ग अनुभाग को काटें । एक ०.५ मिमी व्यास बायोप्सी पंच का उपयोग कर, PDMS डाट में एक छेद आधे रास्ते में कटौती । ०.५ mm व्यास छेद में एक स्टेनलेस स्टील कनेक्टर डालें ।
      2. कोने प्रवेश चैनलों और चूषण चैंबर आउटलेट चैनल के तीन करने के लिए थर्माप्लास्टिक टयूबिंग कनेक्ट । पूरी तरह से एक डिवाइस से जुड़े सिरिंज का उपयोग कर पानी के साथ डिवाइस भरें. सुनिश्चित करें कि नमूना कक्ष में या microfluidic चैनलों में कोई बुलबुले हैं । PDMS डाट के साथ शेष कोने छेद ब्लॉक ।
      3. विलायक बेसिन आंशिक रूप से कदम 2.2.1.2 से भरा जाना चाहिए; यदि यह भरा नहीं है, पानी के साथ विलायक बेसिन भरें ।
      4. प्रोटोकॉल कदम 2.1.2.3 से सिरिंज का उपयोग करना, नमूना चैंबर में लगभग 2 µ एल पर केंद्र चैनल के माध्यम से नमूना/जांच मिश्रण के 10 µ एल इंजेक्षन, तो नमूना कक्ष में केंद्र चैनल ब्लॉक करने के लिए एक PDMS डाट का उपयोग करें.
    2. microrheological डेटा एकत्रित करना
      1. स्थिर और गतिशील कण ट्रैकिंग त्रुटियों को कम करने के लिए अनुकूलित उन लोगों के लिए कैमरा सेटिंग्स बारी है, तो ६३ × जल विसर्जन उद्देश्य के लिए स्विच और लेंस पर पानी की एक बूंद पिपेट ।
      2. खुर्दबीन स्टेज पर microfluidic डिवाइस प्लेस और उद्देश्य बढ़ाने जब तक यह नमूना पर ध्यान केंद्रित है ।
      3. एक चरण परिवर्तन की कुल लंबाई के लिए उपयुक्त समय अंतराल पर जांच की Brownian गति के वीडियो ले लो । जमाना के लिए, वीडियो ले जारी जब तक जांच आंदोलन पूरी तरह से बंद कर दिया गया है ।
        नोट: हम हर 10 मिनट में डेटा एकत्रित करते हैं. अगर हम एक क्षरण प्रयोग के साथ शुरू करते हैं, जब तक जांच पूरी तरह से फैलाना है डेटा एकत्र कर रहे हैं ।
    3. नमूना चैंबर में तरल पदार्थ का आदान प्रदान (गुरुत्वाकर्षण प्रवाह, उच्च घनत्व तरल पदार्थ के साथ कम घनत्व तरल पदार्थ का आदान प्रदान)
      1. माइक्रोस्कोप स्टेज से microfluidic डिवाइस निकालें ।
      2. एक हस्तांतरण पिपेट का उपयोग कर विलायक बेसिन से बाहर पानी सक्शन, तो पिपेट विलायक बेसिन में उच्च घनत्व द्रव के 4 मिलीलीटर ।
      3. माइक्रोस्कोप चरण के लिए microfluidic डिवाइस लौटें और चरण 2.2.2.3 करने के लिए दोहराएँ
    4. नमूना चैंबर में तरल पदार्थ का आदान प्रदान (चूषण प्रवाह, कम घनत्व तरल पदार्थ के साथ उच्च घनत्व तरल पदार्थ का आदान प्रदान)
      1. माइक्रोस्कोप के मंच से microfluidic डिवाइस निकालें और सक्शन चैंबर से PDMS डाट निकालें ।
      2. एक 18 गेज सुई और सक्शन चैंबर चैनल के लिए स्पष्ट थर्माप्लास्टिक टयूबिंग के साथ सुसज्जित सिरिंज डालें, और एक सिरिंज पंप करने के लिए सिरिंज हुक. सिरिंज पंप सेट पर खींचने के लिए 1 मिलीलीटर/
      3. विलायक बेसिन में अतिरिक्त बीच बढ़िया तालमेल एजेंट को हटा दें और विलायक बेसिन भरने और फिर कुल्ला द्रव बाहर चूषण द्वारा पानी के साथ तीन बार कुल्ला ।
      4. सिरिंज पंप के साथ सक्शन शुरू करते हुए एक मिनट के लिए विलायक बेसिन के लिए पानी जोड़ने । विलायक बेसिन पूरी तरह से खाली मत करो, के रूप में यह नमूना कक्ष में हवा खींच जाएगा ।
      5. microfluidic डिवाइस से सिरिंज निकालें और सक्शन चैंबर पर PDMS डाट की जगह.
      6. माइक्रोस्कोप चरण के लिए microfluidic डिवाइस लौटें और नमूने लेने जारी
  3. चक्र की वांछित संख्या पूरा हो गया है या माप के लिए अपर्याप्त जांच कर रहे हैं जब तक क्षरण/जमाना चक्र के दौरान नियमित अंतराल पर नमूने लेने जारी रखें ।

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Representative Results

एक दो स्तरित microfluidic डिवाइस PDMS (चित्रा 1ए, बी) है, जो एक microfluidic स्टांप पर patterned है के साथ निर्माण किया है । स्टांप का डिजाइन चित्रा 1सीमें दिखाया गया है । अनुचित प्रयोगात्मक सेटअप दोनों निष्क्रिय microrheology में त्रुटियों में परिणाम कर सकते है और आसपास के द्रव विनिमय के दौरान microfluidic बहती है (चित्रा 2) । अनुचित प्रयोगात्मक सेटअप के उदाहरण चर्चा अनुभाग में विस्तृत रहे हैं । डिवाइस आपरेशन के दौरान, एक जेल नमूने के आसपास चारों ओर तरल पदार्थ का आदान प्रदान किया है । यह द्रव विनिमय तब होता है जब सामग्री जेल और सोल दोनों चरण में है । इस microfluidic डिवाइस डिजाइन बीच बढ़िया तालमेल सामग्री और एम्बेडेड जांच कणों की पर्याप्त हानि के बिना तरल पदार्थ का आदान प्रदान करने की क्षमता है । दो प्रकार के द्रव आदान-प्रदान का उपयोग कर रहे हैं, गुरुत्वाकर्षण प्रवाह (जब उच्च घनत्व द्रव के लिए कम से जा रहा) या चूषण प्रवाह (जब उच्च से कम घनत्व द्रव के लिए जा रहा). हमारे HCO जेल प्रणाली में, चूषण प्रवाह गिरावट पैदा करने के लिए प्रयोग किया जाता है, जबकि गुरुत्वाकर्षण प्रवाह जमाना प्रेरित करने के लिए प्रयोग किया जाता है । दोनों प्रवाह के नमूने पर ंयूनतम कतरनी प्रदान ०.०१ फिलीस्तीनी अथॉरिटी और चूषण और गुरुत्वाकर्षण प्रवाह के लिए 1 pa, क्रमशः के आदेश पर कतरनी के साथ । ये कैंची जेल, जो 10 पीए9,10के आदेश पर है की उपज तनाव के तहत कर रहे हैं ।

स्थिति, संरचना और जेल नमूने के rheological गुण मात्रात्मक एकाधिक कण ट्रैकिंग microrheology (एमपीटी) का उपयोग करते हुए विशेषता है । एमपीटी में, जांच कणों क्लासिक ट्रैकिंग एल्गोरिदम का उपयोग कर ट्रैक कर रहे हैं27,28. पहनावा औसत अर्थ चुकता विस्थापन (एमएसडी) कण पथ से गणना की है (चित्रा 3) क्रमिक चरण संक्रमण के दौरान. Microrheology डेटा (चित्रा 3) बताते है कि क्रमिक चरण संक्रमण HCO जेल प्रणाली में प्राप्त कर रहे हैं । एमएसडी α → 0 (जेल) और α → 1 (sol) के बीच वैकल्पिक घटता है । एमएसडी curves की भयावहता इस प्रायोगिक सेटअप (०.००१ µm2) की निचली औसत दर्जे की एमएसडी सीमा से ऊपर है । यह सीमा एक नमूना कक्ष है, जो कणों के गुरुत्वाकर्षण के तहत व्यवस्थित करने के लिए रात भर की अनुमति द्वारा किया जाता है में शीशे को जांच का पालन करके प्रयोग से निर्धारित होता है । पहनावा औसत एमएसडी गिरफ्तार जांच कणों के एमएसडी, जो विशिष्ट प्रयोगात्मक उपकरण पर निर्भर है की निचली सीमा प्राप्त करने के लिए मापा जाता है ।

एमएसडी वक्र (α) के लघुगणकीय ढलान और गैर-गाऊसी पैरामीटर (αएनजी) की गणना की जाती है और सामग्री की स्थिति को महत्वपूर्ण विश्राम नवोन्मेष (n) (आरेख 4) की तुलना द्वारा मात्रात्मक रूप से निर्धारित किया जाता है । इस प्रयोग के लिए, एक मॉडल जेल के रूप में HCO का उपयोग, कुल नौ संक्रमण मापा जाता है । सामग्री एक जेल (α → 0) और पांच गिरावट (α → 1) और चार gelations (α → 0) के रूप में शुरू होता है १,५०० मिनट से अधिक मापा जाता है । प्रत्येक चरण संक्रमण के समय सामग्री निर्भर है । चरण परिवर्तन द्रव के आदान-प्रदान से प्रेरित होते हैं । जब कोई द्रव विनिमय, के रूप में ८००-१४०० मिनट के बीच सोल चरण में विस्तारित अवधि के द्वारा दिखाया गया है, जांच कणों नमूने के भीतर रहते है और वहां rheological संपत्तियों में कोई परिवर्तन नहीं कर रहे हैं । एक बार एक द्रव विनिमय जगह लेता है, सामग्री फिर जैल ।

हम इस उपकरण से प्राप्त डेटा rheological गुण और कई मायनों में सामग्री की संरचना के बारे में जानकारी प्रदान करता है । हम दोहराया चरण परिवर्तन से संतुलन rheological गुणों में परिवर्तन का उपाय नहीं है । यह एक ही मूल्य को लौट चरण में α द्वारा स्पष्ट है । जब सामग्री सोल चरण में है, यह α पहुंचता है, = ०.९०, और जब जेल चरण में, α = ०.२० । सोल चरण में α के मूल्य इंगित करता है कि सामग्री के क्षरण के बाद भी कुछ संरचना बरकरार रखती है । एक कोलाइडयन प्रणाली है कि पूरी तरह से कोलाइडयन कणों के समाधान में नीचा है α = १.० होगा, जबकि HCO के लिए सोल चरण में संतुलन मूल्य α = ०.९० है, कुछ संरचना का संकेत रखा है । इसके अतिरिक्त, कोलाइडयन reअरेंजमेंट तुरंत द्रव विनिमय के बाद हो सकता है, जो α में वृद्धि से संकेत दिया है । अंत में, गैर गाऊसी पैरामीटर, αएनजी, जो सामग्री के विविधता quantifies, पता चलता है कि जेल (सोल को जेल) संक्रमण क्षरण के दौरान संरचनात्मक विविधता में वृद्धि हुई । यह αएनजीमें चोटी से स्पष्ट है ।

Figure 1
चित्र 1: Microfluidic डिवाइस । (एक) दो परत microfluidic डिवाइस की छवि है कि जगह में एक नमूना जाल जबकि आसपास के द्रव विमर्श किया है । पहली परत दो कक्षों, नमूने के लिए एक और चूषण के लिए एक और है । छेद कोनों में से प्रत्येक में स्थित हैं, साथ ही सक्शन चैंबर में एक और नमूना चैंबर में सात । नमूना चैंबर PDMS के एक दूसरे परत के ऊपर एक विलायक बेसिन के रूप में कार्य करने के लिए डिवाइस का पालन किया है । (ख) नमूना मध्य चैनल के माध्यम से नमूना कक्ष में इंजेक्शन है । नमूना नमूना चारों ओर समान दबाव बनाने नमूना चैंबर में सममित प्रवेश धाराओं से द्रव हस्तांतरण के दौरान जगह में बंद कर दिया है । (ग) डिजाइन डिवाइस के 1st परत के लिए microfluidic स्टांप बनाने के लिए इस्तेमाल किया । मंडलों प्रत्येक 10 मिमी का व्यास है, जबकि चैनल 1 मिमी की चौड़ाई है । दोनों चैनलों और मंडलों के लिए परिणामी ऊंचाई यूवी जोखिम के ४५ एस के बाद 1 मिमी है । रसायन विज्ञान के रॉयल सोसायटी से अनुमति के साथ Wehrman एट अल २०१७10 से reproduced । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्र 2 : एक गलत तरीके से भरा microfluidic डिवाइस की छवि. एयर बुलबुले डिवाइस में इंजेक्शन दोनों microrheological डेटा पर नकारात्मक प्रभाव हो सकता है (गैस तरल अंतरफलक पर कणों की गति निर्देशित करने के लिए कारण) और समाधान विनिमय के दौरान microfluidic बहती है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्रा 3: गिरावट के दौरान एक हाइड्रोजनीकृत केस्टर तेल जेल का मतलब चुकता विस्थापन curves (ए, सी) और जमाना (बी, डी) । 2nd (a, b) और 3rd (c, d) चरण संक्रमण 9 कुल संक्रमण से बाहर दिखाए जाते हैं । महत्वपूर्ण संक्रमण बिंदु (जेल-सोल या सोल-जेल) में एक डैश्ड लाइन द्वारा चिह्नित है n = α = ०.७७ और रेखा से ऊपर एमएसडी curves के साथ प्रत्येक चरण परिवर्तन का प्रतिनिधित्व करता है एक सोल और एक जेल के नीचे हैं । रसायन विज्ञान के रॉयल सोसायटी से अनुमति के साथ Wehrman एट अल २०१७10 से reproduced । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 4
चित्रा 4: लघुगणकीय ढलान (, बंद) और गैर-गाऊसी पैरामीटर (αएनजी, खुला) के एक एकल नमूने के लिए 4 wt% हाइड्रोजनीकृत बार चरण संक्रमण के दौरान केस्टर तेल जेल । महत्वपूर्ण संक्रमण क्षैतिज डैश्ड रेखा (n = ०.७७) द्वारा चिह्नित है और पिछले microrheological प्रयोगों9,10से निर्धारित किया गया था । ऊर्ध्वाधर लाइनों विलायक, सफेद पृष्ठभूमि का संकेत है कि विलायक बेसिन और छायांकित ग्रे क्षेत्रों है कि वहां विलायक बेसिन में बीच बढ़िया तालमेल एजेंट है में पानी के साथ विनिमय, संकेत मिलता है । सफेद और भूरे रंग में एक परिवर्तन आसमाटिक ढाल के एक रिवर्स इंगित करता है । यदि रंग किसी अनुलंब रेखा में परिवर्तित नहीं होता, तो यह इंगित करता है कि नमूना कक्ष समान विलायक के साथ पुनः फ़्लश किया जा रहा है । यह तब होता है जब अपर्याप्त द्रव हटा दिया जाता है, और अक्सर होता है जब उच्च घनत्व द्रव अपने बड़े चिपचिपापन के कारण नमूना कक्ष में है । रसायन विज्ञान के रॉयल सोसायटी से अनुमति के साथ Wehrman एट अल २०१७10 से reproduced । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

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Discussion

दो परत microfluidic उपकरण (चित्रा 1) आसानी से निंनलिखित अच्छी तरह से किया जा सकता है प्रलेखित microfluidic निर्माण तकनीक29। ग्लास का समर्थन करता है जांच आंदोलन पर कंपन प्रभाव को कम करने के लिए डिवाइस के नीचे करने के लिए जोड़ रहे हैं । कांच स्लाइड बहुत पतली (०.१० mm) है ताकि माइक्रोस्कोप उद्देश्य के काम की दूरी को समायोजित करने के लिए । यह उपकरण इमारत और नमूना वातावरण है कि फिर उच्च गति कैमरे के साथ मापा जाता है में छोटे कंपन करने के लिए अतिसंवेदनशील बनाता है । कांच सफलतापूर्वक इन बाहरी उत्तेजनाओं नकारना का समर्थन करता है । कम काम कर रहे दूरी उद्देश्य सटीक एमपीटी डेटा की आवश्यकता है जो इकट्ठा करने के लिए चुना जाता है: (1) कण और (2) एक सीमित काम की दूरी के लिए 4 पिक्सेल से बचने के लिए इमेजिंग कणों कि 2d विमान में नहीं हैं ।

इस उपकरण के डिजाइन, चित्रा 1ए सी, पिछले जांच है कि microfluidics के साथ microrheology गठबंधन पर आधारित है । Schultz और Furst µ2rheology विकसित, एक ही microfluidic निर्माण हमारे काम के लिए इस्तेमाल किया तकनीक का उपयोग कर । उनके उपकरण hydrogel सामग्री के ५०-१०० नमूने बनाने के लिए डिज़ाइन किया गया था, एक सतत चरण से अलग, दोनों बहुलक रीढ़ और पार-linker एकाग्रता16,29में ढाल के साथ । इसके अतिरिक्त, converging microfluidic धाराओं का उपयोग तकनीक एकल कणों या अणुओं25,26के फँसाने के लिए उपयोगी होने के लिए दिखाया गया है. हम Schultz और Furst और हमारे नए डिवाइस में एक microfluidic डिवाइस में microrheological माप लेने के उनके विचार के द्वारा निर्माण तकनीक को जोड़ दिया है और microfluidic फंसाने डिजाइन को स्केल्ड है । हमारे डिजाइन में, हम 1 मिमी वर्ग चैनल है कि गोल कर रहे हैं जब कांच की एक परत सोल जेल रसायन विज्ञान30का उपयोग चैनलों के अंदर पर किया जाता है बना. चैनल आयाम जांच कणों और microfluidic डिवाइस31की दीवारों के बीच बातचीत से बचने के लिए चुना जाता है । हमारी जांच के आकार के लिए (०.५ µm) और चैनल ऊंचाई (1 मिमी) जांच पर शीशे से hydrodynamic बल एफ ≈ 10-18 एन के आदेश पर है, शीशे की दीवार से इस बल का संकेत देने से जांच कणों की आवाजाही पर कोई असर नजर नहीं आएगा 31. इसके अतिरिक्त, जांच कणों दीवार के साथ कण बातचीत के कारण कणों की गति को प्रभावित करने के लिए दीवार के 10 µm के भीतर होना होगा । सभी डेटा दीवार से 10 से अधिक µm एकत्र की है । ग्लास microfluidic चैनलों में निर्मित है हमारे प्रयोगात्मक समय पैमाने पर है, जो घंटे के आदेश पर है के दौरान PDMS द्वारा विलायक ले रोकने के लिए । एक निर्माण तकनीक है कि 10 µ एल नमूना आकार के लिए अनुमति देता है का उपयोग करके (1 मिमी के एक चैनल ऊंचाई करने के लिए इसी) और converging microfluidic धाराओं, हम एक अणुओं से ट्रैपिंग विधि पैमाने पर कर सकते है 10 µ एल

2-परत डिज़ाइन एक एकल परत डिवाइस में होने वाले प्रवाह instabilities को रोकने के लिए शामिल किया गया है । इस काम की प्रारंभिक पुनरावृत्ति के दौरान पूरे उपकरण एक परत था । दो इनपुट धाराओं (एक ही तरल पदार्थ के साथ, या तो पानी या बीच बढ़िया तालमेल एजेंट) डिवाइस के दो कोनों से शुरू किया और केवल लंबे समय तक डिवाइस की लंबाई चल चैनलों के माध्यम से प्रवाहित, नमूना चैंबर के लिए स्पर्श. हालांकि, चैनलों के बीच किसी भी प्रवाह अस्थिरता नमूना चैंबर और नमूने की हानि के माध्यम से प्रवाह में हुई, प्रयोग समाप्त । दूसरी परत, बड़े चूषण चैंबर के अलावा के साथ, केवल एक चूषण स्रोत का उपयोग करके इन instabilities को हटा और नमूने के चारों ओर समान दबाव बनाने, प्रयोगों के दौरान नमूना फँसाने. दूसरी परत एक बहुत ही सरल डिजाइन किया है और नमूना चैंबर के ऊपर नए आसपास के द्रव पकड़ करने के लिए होती है ।

µ2rheology डेटा सफलतापूर्वक ऊपर प्रोटोकॉल का उपयोग कर एकत्र कर रहे हैं । सेटअप के पहले चरण, उपकरण भरने, एक सफल प्रयोग के लिए महत्वपूर्ण है । अनुचित भरने चैनलों में बुलबुले में या नमूना कक्ष है, जो नकारात्मक दोनों microrheology और microfluidic डिवाइस के समारोह (चित्रा 2) प्रभाव होगा में परिणाम कर सकते हैं । microfluidic डिवाइस में बुलबुले से बचने के लिए सबसे आसान तरीका पूरी तरह से सिरिंज भरने से है (सुनिश्चित करें कि वहाँ कोई बुलबुले हैं) डिवाइस को भरने से पहले. वैकल्पिक रूप से, बुलबुले या तो विलायक के एक बड़े प्रवाह की दर का परिचय द्वारा हटाया जा सकता है (कठिन सिरिंज के गोताख़ोर दबाकर) या बुलबुले एक निकास चैनल के लिए ले जाने तक धीरे डिवाइस दोहन से. नमूना चैंबर के भीतर बुलबुले हवा तरल अंतरफलक पर जांच की गति का निर्देश पैदा कर सकते हैं । एमपीटी माप की आवश्यकता जांच करने के लिए शुद्ध रूप से Brownian गति से गुजरना सामग्री संपत्तियों को मापने. microfluidic चैनलों में बुलबुले भी द्रव विनिमय के दौरान प्रवाह को प्रभावित करते हैं, जो तब दबाव में परिवर्तन का कारण बन सकता है और जेल नमूने को चैंबर से बाहर ले जा सकते हैं । इन मुद्दों के दोनों यह सुनिश्चित करने से बचा जा सकता है कि उपकरण और विलायक चैंबर पूरी तरह से तरल पदार्थ से पहले नमूना इंजेक्शन से भर रहे हैं । नमूना इनपुट चरण नमूने पर कुछ कतरनी प्रदान करेगा, लेकिन यह नकारात्मक rheological गुण और सामग्री की संरचना को प्रभावित नहीं करता है. यह microfluidic डिवाइस के रूप में एक ही इनपुट तकनीकों का उपयोग rheometer पर लोड कतरनी और नमूनों के बिना लोड नमूनों की थोक rheological माप द्वारा सत्यापित किया गया था. डिवाइस ठीक से भरा है के बाद, प्रक्रिया के ऊपर रूपरेखा प्रयोगों के दौरान उचित समारोह सुनिश्चित करता है ।

द्रव विनिमय के दौरान न्यूनतम सामग्री हानि है । इस द्वारा प्रयोगों के दौरान स्पष्ट है: (1) कोलाइडयन सामग्री की क्षमता के लिए पर्याप्त फाइबर के लिए एक जेल नेटवर्क बनाने के लिए जारी रखने के लिए और (2) जांच कणों की एकाग्रता सांख्यिकीय महत्वपूर्ण एमपीटी माप इकट्ठा करने के लिए पर्याप्त उच्च शेष । इसके अतिरिक्त, एक एकल नमूना नौ चरण संक्रमण के लिए सक्षम है, आगे द्रव विनिमय के दौरान ंयूनतम नुकसान का संकेत है । यह सोल चरण में है जब नमूने के बाहर प्रसार के कारण खो जांच की राशि पर अवलोकन संक्रमण की कुल संख्या पर निर्भर करता है । जांच प्रसार कर रहे है जब सामग्री एक सोल है, और उनमें से एक छोटी राशि के नमूने के बाहर प्रत्येक जेल-sol संक्रमण के बाद फैलाना होगा । जांच की राशि डिवाइस के लिए संभव संक्रमण की राशि की सीमा होगी ।

हमने दिखा दिया है कि इस उपकरण के लिए सामग्री संपत्तियों को मापने और दोहराया चरण संक्रमण के दौरान नरम मामले के microstructure निर्धारित किया जा सकता है । प्रवेश बंदरगाहों के समरूपता नमूना कक्ष जाल जगह में एक नमूना में प्रवेश, नमूना की हानि के बिना एक ही नमूना पर दोहराया चरण संक्रमण की अनुमति । डिवाइस डिजाइन आसानी से विभिंन प्रणालियों के लिए अनुकूलित किया जा सकता है, बहुलक hydrogels कि परिवर्तन पीएच या जैविक और surfactant सामग्री है कि नमक एकाग्रता में परिवर्तन करने के लिए उत्तरदाई है में परिवर्तन के कारण संरचना सहित, reproducible परिणाम की अनुमति rheological गुण और लगातार चरण परिवर्तन के दौरान एक जेल प्रणाली की संरचना का निर्धारण ।

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Disclosures

इस काम के लिए कोई खुलासे नहीं हो रहे हैं ।

Acknowledgments

इस काम के लिए फंडिंग प्रोक्टर एंड गैंबल कंपनी और अमेरिकन केमिकल सोसाइटी पेट्रोलियम रिसर्च फंड (५४४६२-DNI7) द्वारा प्रदान की गई थी । पावती अमेरिकन केमिकल सोसाइटी पेट्रोलियम रिसर्च फंड के दानदाताओं को इस शोध के आंशिक समर्थन के लिए बनाया गया है. लेखक डॉ मार्को Caggioni के लिए उपयोगी विचार विमर्श के लिए स्वीकार करना चाहते हैं ।

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

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References

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अभियांत्रिकी अंक १३४ Colloids gel microfluidics microrheology rheology नरम पदार्थ
Microfluidics और Microrheology के संयोजन के लिए दोहराया चरण संक्रमण के दौरान नरम बात के Rheological गुण निर्धारित
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Wehrman, M. D., Milstrey, M. J.,… More

Wehrman, M. D., Milstrey, M. J., Lindberg, S., Schultz, K. M. Combining Microfluidics and Microrheology to Determine Rheological Properties of Soft Matter during Repeated Phase Transitions. J. Vis. Exp. (134), e57429, doi:10.3791/57429 (2018).

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