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Engineering

繰り返し相転移の間に柔らかい物質のレオロジー的性質を決定するためのマイクロ流体システムとレオロジーを組み合わせること

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

複数の粒子がソフトの問題に対する反復相転移のレオロジー効果を研究するレオロジー測定を追跡を可能にするマイクロ流体デバイスの作製使いを紹介しています。

Abstract

ソフトマターの微細構造は直接巨視的物性に影響を与えると前の段階の変更時にコロイドの転位を含む要因によって変更することができます、せん断を適用しました。これらの変更の範囲を決定するためのサンプルにせん断を抑えながら周囲流体と microrheological 特性の交換による相転移を有効に繰り返しマイクロ流体デバイスを開発しました。この手法は、μ2レオロジー、マイクロ流体システムとレオロジーの組み合わせです。マイクロ流体デバイス、2 層設計対称入口ストリーム流体交換中に場所にゲルのサンプルをトラップするサンプル室に入る。吸引は、サンプル室に流体をプルする試料室から遠くに適用できます。レオロジー (MPT) の追跡複数の粒子を用いた材料のレオロジー特性が特徴です。郵政省、蛍光プローブ粒子が材料に埋め込まれているされビデオ顕微鏡を用いたプローブのブラウン運動が記録されます。粒子の動きを追跡し、平均二乗変位 (MSD) が計算されます。MSD は、一般化されたストークス アインシュタイン関係を用いた巨視的物性に関連です。材料の相臨界緩和の指数を比較することにより識別される、時間治療の重ね合わせを使用して決定します。線維性コロイドのゲルの測定手法の有用性を示しています。このゲルは、せん断が適用される不可逆的変更できる繊細な構造を持ちます。μ2レオロジー データは、相転移が微構造変化の役割を果たしていないことを示す、各相転移後、材料繰り返し同じのレオロジー的性質にあるを示しています。せん断の役割を決定するには、サンプルは当社マイクロ流体デバイスへの注入前にせん断することができます。μ2レオロジーはソフトマターの相転移の繰り返された変更に応答中に単一サンプルの繊細な微細構造のレオロジー的性質の決定を有効にするのに広く適用可能な手法、周囲の環境条件。

Introduction

ソフトマターの相転移は、素材1,2,3の処理と最終的な安定性への影響は、足場の構造を変更できます。ソフトマテリアルの動的相転移の間に特性評価は、構造変化と平衡構造とレオロジー特性の関係に関する重要な情報を提供します。たとえば、多くのホームケア製品消費者の使用時に相変化が必要です。また、製造中に、処理手順など希釈したり、ミキシングはせん断のレオロジー的性質と、製品の最終的な微細構造に影響を与えずに伝えることができます。製品が設計どおりに実行することにより、相変化中のレオロジー特性を理解すること。さらに、軍は、製造時に材料の開始のレオロジーを変更、相転移は本来の機能性の変更、予期しない、望ましくない結果をもたらすことができます。素材がサンプルにまたがるゲル ネットワークに関連付けられているコロイドや高分子の溶液から遷移ポイントとして定義されている重要なゲル化の時点で材料特性大幅に変更わずかな変化と協会に。臨界ゲルの時点で構造に変更を加えるは4最終製品に影響を与えます。これらの動的切り替え中に柔らかい材料がある弱い機械的性質と古典的な実験技術を使用して測定は測定ノイズの制限5,6,7内することができます。低弾性範囲で敏感であるレオロジーなど、このテクニックを考慮して (10-3 - 4 Pa)、ダイナミックな進化の中に弱い初期ゲルを特徴付けるために使用されます。いくつかの材料は、材料や流体の任意の転送することができます構造と、最終的には、最終的な材料特性に影響を与える特性の中に課題を外部勢力による微細構造の変化を受けやすい。材料の微細構造を変更することを避けるため、せん断を最小限に抑えながら、サンプルの周囲の環境流体を交換できるマイクロ流体デバイスを開発しました。流体環境を交換することによってせん断から最小限の貢献と相転移レオロジー特性と微細構造の変化を測定します。デバイスは、μ2レオロジーと呼ばれるレオロジー (MPT) の追跡複数の粒子と結合されます。このテクニックを使用して、外部の原動力への応答におけるゲルの連続相変化の間に材料特性を定量化します。技術は、繊維状のコロイドのゲル, 水添ヒマシ油 (HCO)9,10,11を使って説明します。

ゲルの足場は、協会とそのサンプル環境12,の13,14,15による解離の変化を受けることができます。ゲル化と分解のための原動力は特定の素材し、関心のある各素材に合わせて調整する必要があります。μ2レオロジーは、コロイド ・高分子ネットワークを含む、外部刺激に応答ゲル系の特性評価に使用できます。PH、浸透圧または塩分濃度の変更の原動力材料の微細構造の変化を誘発することができますの例を示します。たとえば、HCO は浸透圧勾配を作成することにより制御された相転移を経る。集中 HCO ゲル サンプル (4 wt %hco) は、水に沈んで、コロイド粒子間の引力が弱く、劣化を引き起こしています。またとき HCO の希薄溶液 (0.125 wt %hco) は親水性材料 (ゲル化剤と呼ばれる、主にグリセリンと界面活性剤から成る) と連絡を取り、魅力的な強制的に戻り、ゲル化を引き起こしています。このジェル システムは、単一サンプル9,10連続相転移を測定するためのツールとして、デバイスの動作を表示する使用されます。動的転移と臨界相転移における繊細な初期ゲル構造の中にこれらのゲルの足場を特徴付ける高時空間的解像度でこれらの材料を特徴付けるに MPT を使用します。

レオロジーは、ゲルの物性と構造、特に軟質材料、コロイド ・高分子ゲル5,6,9,16を含む配列の重要な移行を決定するために使用されます。郵政省は、サンプルに埋め込まれた蛍光プローブ粒子のブラウン運動のレコードにビデオ顕微鏡を使用してパッシブ microrheological 手法です。動画中のパーティクルの位置正確に 1/10thのピクセルを使用して古典的な追跡アルゴリズム17,18内で決定されます。アンサンブル平均平均二乗変位 (MSD、(Δr2(t)))、これらの粒子の軌道から計算されます。MSD は、一般化されたストークス アインシュタイン関係17,19,20,21,22を使用して材料特性、クリープ ・ コンプライアンスなどに関連 23。ラグ タイム、α の関数として、対数曲線の傾き、MSD を計算することによって物質の状態を決定します。

Equation 1

tはラグ タイム、および重要な緩和の指数部nと比較することです。nは、時間治療重ね合わせ、ラーセンとファースト6により郵政省データを分析するが変更されたよく文書化された手法を使用して決定されます。ちなみにn α は、物質の状態、定量的に決まります。とき α > n材料は、ソルと α < n材料はゲル。前作は、レオロジーを使用して重要な緩和指数9を決定する HCO システムを特徴としています。この情報を使用して、我々 は正確に判断材料が実験中にゾル、ゲルから遷移とき。さらに、非ガウス パラメーター αNGシステムの構造不均一性の程度を判断する計算できます。

Equation 2

Δx(t) はx軸方向に一次元粒子運動です。郵政省を使用すると、単一フェーズの移行を特徴付けることができるが、郵政省マイクロ流体デバイス材料の特性、我々 は周囲の流体環境を操作し、単一のゲルのサンプルのいくつかの相転移のデータを収集することができます。

このマイクロ流体デバイスは周辺の流動環境の変化への応答の位相変化を受ける単一ゲル サンプルの重要な転移を調査するために設計されています。デバイスは、剪断を最小限に抑えながら相転移を誘発する場所のサンプルをロックすることでゲルやゾルの状態で、するときにサンプルを取り巻く体液を交換します。溶媒の盆地は、六つの対称的に間隔をあけられた入口チャネルによって接続される試料室の真上に。この対称性は、試料室に溶媒の盆地から液の交換、位置の固定、サンプルのまわりの等しい圧力を作成中単一粒子と DNA のトラップにこの手法を使用するいくつかの研究がされているが、この作品はスケール約 10 μ L24,25,26サンプルを単一分子からボリューム アップ。このユニークなデザインは、相転移中にリアルタイム microrheological 評価もできます。

μ2レオロジーは、ソフトの問題の多くのシステムに適用可能な堅牢な手法です。本稿で説明する手法は、コロイドのゲル用に設計されましたが、高分子やミセルなど他の材料に簡単に適応できます。この手法により、我々 動作を決定するだけではなく相転移平衡物性が、また方法別の処理手順は、材料および最終的な足場構造のレオロジーの進化に及ぼす影響を永続的なを持つことができ、プロパティ。

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Protocol

1. マイクロ流体デバイスの作製

  1. マイクロ スタンプ作製。
    注: この手順は揮発性物質の使用を必要とする、化学発煙のフードで行う必要があります。
    1. スライド (75 × 50 mm)、チャンネル色ホワイトのガラスと同じ寸法で否定的なプリント デザインを使用して、背景色の黒 (参照してください図 1)。1200 dpi の解像度を持つ明確なアセテート シート (透明度) にこのデザインを印刷します。
    2. 透明の暗い部分は、まだ光を許可している場合いくつかのネガをレイヤーし、両面テープを使用して付着します。
    3. 高強度紫外線 (UV) 光源をオンにし、一定の出力 (約 30 分) にウォーム アップすること。
      注: 高輝度光源を使用する場合は、UV 保護メガネを着用ください。
    4. アセトン、エタノール蒸留水と塗りつぶし 3 150 mL シャーレ。
    5. 空の透明度を平らな面に近い高出力紫外光源が直接紫外線光に配置します。これはマイクロ スタンプを作製するベースを提供します。
    6. 輪郭の四角形の角で、永久的なマーカーと場所 4 ガラス スペーサー (約 30 × 30 × 1 mm) を使用して空白の透明性のセンターでの 75 × 50 mm ガラス スライドのコーナーを概説します。
    7. UV 硬化性チオール: ene 樹脂スペーサーの中心部に約 5 mL を注ぎ、接着剤は完全に空気泡無しでスライド ガラスで覆われているように慎重にガラス スペーサーの上にスライド ガラス 1 mm x 50 x 75 を配置します。
    8. スライド ガラスの上に印刷された負の透明性を置き、上記のすべてのコンポーネントを移動する (下から上に: 空白の透明性、ガラス スペーサーと UV 接着剤、ガラス スライドと負の印刷された透明) 空の透明度を慎重にドラッグして下 UV 光源です。
    9. UV 光輝く樹脂と治療に否定的なことを許可します。チャネルの高さを変更するのには、硬化時間を調整できます。45 s 治療時間結果チャネル高さ 1 mm、私たちの光源を用いたします。
    10. 紫外光源からコンポーネントを移動し、負の印刷された透明性とスライド ガラスを削除します。UV 接着剤で作製したチャンネルでスライド ガラスはマイクロ スタンプとして指す今。
    11. 透明性とガラスのスペーサーを破棄します。
    12. エタノールお風呂に続いてアセトン浴でマイクロ スタンプを浸しなさい。この手順を 2 回繰り返します。アセトンは 10 以上のスタンプでアセトンを残していないので、UV 接着剤を低下させる s。
    13. スタンプを押しながら水でスタンプを水没や綿棒を使用して未反応のガレージの残りの部分を削除します。で直接拭かないで硬化部分と大まかなチャネルになる。
    14. ペーパー タオルの上にスタンプを配置、完全硬化を確認して、少なくとも 30 分間紫外線源に戻ります。
  2. ポリジメチルシロキサン (PDMS) 成形
    1. クリア カップ注ぎ、PDMS ベースの 70 グラム、重量比 1:10 でベースに架橋剤を追加する架橋剤。これらは、比のオススメ メーカーです。ガラス製の容器を使用しないでください。
    2. 架橋剤を混合し、金属攪拌; との基本に徹底的に混合物は適切に混合したら溜まった空気を気泡による混濁する必要があります。
    3. 混合 PDMS の真空オーブンとプルの真空に、PDMS を置きます。オフ真空ソリューション開始カップからオーバーフローし、オーバーフローが治まる後掃除を再開します。真空脱ガス過程を速めるだけとして、真空オーブンの全圧は特に問題ではないです。すべてのバブルは、混合物 (約 60 分) から避難しているまで商工会議所を残してください。
    4. 空 150 mm 径プラスチック シャーレ、マイクロ スタンプの場所、ゆっくりと注ぎ、PDMS シャーレ、マイクロ スタンプを完全に覆います。泡、PDMS の改質を最小限に抑えるためのシャーレの表面近くに注ぐ。
    5. ペトリ皿をカバーし、一晩を治すための 55 ° C のオーブンで配置します。完全に硬化後は、ナイフを使用してパターンの PDMS を切り取ってスタンプから削除します。溶剤盆地 (プロトコル手順 1.6.3) と PDMS ストッパー (プロトコル手順 2.2.1.1) を構築するため余分な PDMS を保持します。
    6. 0.5 mm 生検パンチを使用して、次の場所に穴を切り: 吸引チャンネル、六つの対称に配置されて 60 ° 離れて、試料室と試料室の中心の 1 つの端の近くで 1 つそれぞれの角に 1 つずつ。穴を対称的に配置は紙とサンプル室の下の場所のシートでパターンを印刷します。PDMS がクリアされているので簡単に穴が配置する必要がありますを見ることができます。
  3. マイクロ流体デバイスでガラスの壁を作成するためゾル-ゲル溶液の準備
    1. 90% エタノール、pH 4 (0.0001 M) の 25 の mL の 25 の mL を追加し 100 mL の瓶に塩酸溶液、98% テトラエトキシシラン、25 mL と 98% メチルトリエトキシシランの 25 mL。今電子レンジで preconverted の流体と呼ぶ 100 mL の溶液を一晩 10 秒、その後 80 ° C の場所の発見の場所。
  4. デバイス アセンブリ
    1. パターンの両方の PDMS を配置と 75 × 50 × 0.10 mm プラズマにスライド ガラスのクリーナーと三方弁をオフの位置に設定します。
    2. 真空ポンプをオンにし、商工会議所を避難させるために 1 分を許可します。
    3. コント ローラーの位置を流れとは商工会議所を 5 秒間平衡に三方弁を置きます。フロー コント ローラーの位置は、低圧チャンバーを保つために十分に低いプラズマ クリーナーを入力する空気の小流量をことができます。40 秒間、媒体に無線周波数 (RF) スイッチをオンにし、RF スイッチ、真空ポンプをオフにします。
    4. 三方弁を開いた位置にチャンバーを大気の状態に戻るに配置します。パターンの PDMS、ガラスのスライドを削除します。
    5. 互いに接触の 2 つの表面を置くことによってスライド ガラスに模様の PDMS を慎重に従います。
    6. 縫い目パターンの PDMS と低強度紫外線の下で 5 分間治療に紫外線硬化型樹脂を適用します。
  5. マイクロ流路のガラス壁の作製。
    注: この手順を完了するプラズマ処理の 30 分以内それはプラズマ処理中に発生した PDMS 表面変化に依存します。層の厚さは約 5-10 μ m になります。この手順は、揮発性物質の使用を必要とする、化学の発煙のフードで行う必要があります。
    1. ホット プレートを 100 ° C に設定して、18 ゲージ針と透明な熱可塑性の管のおよそ 30 cm の長さ、4 つの注射器 (3 30 mL と 1 つ 3 mL) を準備します。
    2. エタノール、クロロホルム、空気と 3 30 mL 注射器をそれぞれ入力します。(プロトコル手順 1.3.1。) から preconverted の体液でいっぱいに 1 つの 3 mL シリンジ
    3. それぞれの 1 つの角穴を除いて、パターンの PDMS の穴にステンレス製コネクタを使用して明確な熱可塑性の管を挿入します。この穴は、他のすべてはアウトレットになる一方、入口として使用されます。
    4. 注射器、preconverted 液とマイクロ流体デバイスを記入、下ガラス ホット プレートの表面に触れているので 100 ° C のホット プレートにマイクロ流体デバイスを配置します。
    5. 10 秒以上マイクロ流体デバイスを preconverted 液 3 mL を流れます。ガラスの壁の厚さは、preconverted の流体の流量を変更することによって調整されます。
    6. マイクロ流体デバイス、ホット プレートから取り外します。空気注射器 preconverted ソリューション注射器を交換し、任意の余分な preconverted の水分を押し出します。
    7. 空気シリンジを置き換えてクロロホルム シリンジ、マイクロ流体デバイスをクロロホルム 15 mL をゆっくりと流れます。クロロホルム シリンジを置き換えますエタノール注射器とマイクロ流体デバイスをエタノール 30 mL をゆっくりと流れます。これらの手順は、各約 1 分を取る必要があります。
    8. 乾燥するまで、マイクロ流体デバイスを介して空気注射器と流れ空気とエタノール注射器を交換してください。
  6. ガラスのサポートと溶媒の盆地のアプリケーション
    1. 75 × 10 × 1 mm カット 75 × 25 × 1 からガラスのストリップ mm ガラスのスライド。
    2. 紫外線硬化型樹脂をガラス板に適用します。PDMS 面をにして、ストリップにマイクロ流体デバイスを設置します。低強度紫外線光源の下で 5 分間を移動します。
    3. 30 × 30 mm PDMS の正方形をカットします。10 mm 試料室をカバーするのに十分な大きさの穴を切り取り生検パンチを使用しています。
    4. クリーナー、プラズマに PDMS 正方形やマイクロ流体デバイスを配置し、三方弁をオフの位置に置くし、真空ポンプをオンに。
    5. 商工会議所を避難させるために 1 分を許可します。フロー コント ローラー位置に三方弁を入れ、5 秒間平衡商工会議所を聞かせてください。
    6. 40 秒の中に RF スイッチをオンにし、RF スイッチ、真空ポンプをオフにします。
    7. 三方弁を開いた位置にチャンバーを大気の状態に戻るに配置します。
    8. プラズマ室から溶媒の盆地とマイクロ流体デバイスを削除し、表面に連絡して付着します。必ずサンプル室の上の溶媒の盆地を配置してください。

2. μ2レオロジーの手順

  1. ソフトマター試料の調製
    1. 洗浄プローブ粒子
      1. 10:1 のプローブに水の比率で遠心管にピペットの水と 0.5 μ m プローブ。ピペットの混合を使用して徹底的にミックスし、10 分間遠心・ 4600 x g でスピンの遠心チューブを置き。
        注: この作業で使用するプローブ ソリューションは 2.6% 固体/ボリュームの初期濃度の水で中断されたが受信され、サンプルで使用されているプローブの最終濃度は 0.1% 固体/ボリューム。
      2. 微量遠心チューブと上澄みをピペットを取り外します。上清を純水に置き換えます。計 3 回の遠心分離を繰り返します。
      3. 超音波発生装置で遠心チューブを置き、すべての集計を削除する 15 分の低超音波。
    2. 合成プローブとソフトの問題。
      注: この手順では、コロイドのゲルはソフトマターのサンプルとして使用されました。
      1. 75 × 50 mm、スライド ガラスに 1 mL の試料を測定します。サンプルの中心にプローブ溶液 40 μ L をピペットします。
      2. ゆっくり完全に結合されるまで金属のヘラでサンプルを折る。微量遠心チューブに 2340 × g で遠心する 15 のサンプルをスクープの空気を削除する s。
      3. 塗りつぶし 1 mL の注射器には 18 g 針とプローブ/HCO の混合物と明確な熱可塑性管が装備。
  2. 流体交換による連続相転移
    1. マイクロ流体デバイスを充填
      1. PDMS ストッパーを作成するには、PDMS の 5 mm の正方形断面をカット プロトコル手順、1.2.5 から余分な PDMS を使用します。0.5 mm 径生検パンチを使用して穴を開ける途中で PDMS ストッパーに。ステンレス製コネクタを 0.5 mm 径の穴に挿入します。
      2. 熱可塑性管を 3 つのコーナーの入口チャネルと吸引アウトレット チャネルに接続します。デバイスをデバイスに接続されている注射器を使用して水で完全に塗りつぶします。泡試料室またはマイクロ チャネルがないことを確認します。PDMS ストッパーと残りの角の穴をブロックします。
      3. 部分的にステップ 2.2.1.2; から満ちる溶剤盆地入力されていない場合は、水で溶剤の盆地を埋めます。
      4. プロトコル手順 2.1.2.3 から注射器を使用して、中央のチャネルからサンプル/プローブ混合物の 10 μ L を注入約 2 μ L/秒で、試料室、PDMS のストッパーを使用して試料室にセンター チャンネルをブロックします。
    2. Microrheological データの収集
      1. トラッキング エラー、静的および動的なパーティクルを最小限に抑えるために最適化されたものにカメラの設定を有効にし、63 × 水浸対物レンズに切り替え、ピペットのレンズの上に水を一滴。
      2. 顕微鏡ステージ上マイクロ流体デバイスを配置し、目的を上げるまでサンプルを当てています。
      3. 相変化の全体の長さのために適切な時間間隔をプローブのブラウン運動の動画を引き継ぐ。ゲル、プローブの動きが完全に停止するまで動画の撮影を続けます。
        注: 10 分毎のデータを収集します。分解実験を始めたら、プローブが完全に拡散するまでにデータが収集されます。
    3. (重力流、高密度流体と低密度流体の交換) の試料室に液を交換
      1. 顕微鏡ステージからマイクロ流体デバイスを削除します。
      2. 転送ピペットを使用して溶媒の流域から水を吸引し、溶媒の盆地に高い密度液 4 mL をピペットします。
      3. マイクロ流体デバイスを顕微鏡のステージに戻り、2.2.2.3 の手順を繰り返します
    4. (吸引流量, 低密度流体と高密度流体の交換) の試料室に液を交換
      1. 顕微鏡ステージからマイクロ流体デバイス、吸引から PDMS ストッパーを取り外します。
      2. 18 g 針と透明な熱可塑性チューブ吸引チャンネルを搭載した注射器を挿入し、シリンジ ポンプまで注射器をフックします。1 mL/分でプルするシリンジ ポンプを設定します。
      3. 溶媒の盆地で余分なゲル化剤を削除し、すすぎ 3 回水溶剤の盆地を充填し、リンス液を吸引し。
      4. 開始 1 分の溶媒の盆地に水を追加するときシリンジ ポンプと吸引。てはいけない溶媒洗面器が空、完全にこれは、サンプル室に空気を引っ張ってくると。
      5. マイクロ流体デバイスからシリンジを外し、吸引に PDMS ストッパーに取って代わる。
      6. マイクロ流体デバイスを顕微鏡のステージに戻り、サンプルを取り続ける
  3. まで必要なサイクル数が完了すると、十分な測定プローブ サイクル劣化/ゲル化中に一定の間隔でサンプルを服用し続けます。

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Representative Results

2 層マイクロ流体デバイスは、マイクロ スタンプの柄は PDMS (図 1a、b) で構成されます。スタンプのデザインは、図 1のcに表示されます。不適切な実験装置は周囲の流体交換 (図 2) の間に受動的なレオロジーとマイクロ フローのエラーの両方を可能性があります。不適切な実験装置の例はディスカッション セクションで詳細に説明します。デバイス操作中にゲルのサンプルの周り周囲の流体が交換されます。この液を交換は、材料がゲルとゾル フェーズの両方場合に発生します。このマイクロ流体デバイス設計流体ゲル化材および埋め込まれたプローブ粒子の実質的な損失なしに交換する機能があります。交流が使用される流体の 2 種類、重力流 (行ったら高い低密度流体から) または (より低い流体密度高いから行く) とフローを吸引します。HCO ゲル体制吸込流がゲル化を誘発する重力流を使用しながら劣化を誘導するために使用されます。両方の流れを伝える 0.01 程度耐震サンプル」に最小せん断 Pa、1 Pa の吸引と重力のために流れ、それぞれ。これらの鋏は、10 Pa9,10の順序であるゲルの降伏応力の下で。

複数粒子のレオロジー (MPT) を追跡を使用して、状態、構造およびゲルのサンプルのレオロジー的性質が定量的特徴付けられます。郵政省のプローブ粒子は古典的な追跡アルゴリズム27,28を使用して追跡されます。アンサンブル平均平均二乗変位 (MSD) は、逐次相転移中粒子軌道 (図 3) から計算されます。レオロジー データ (図 3) は、HCO ジェル システムの逐次相転移を実現することを示します。MSD カーブ α → 0 (ゲル) と α → 1 (sol) 交互に。MSD 曲線の大きさは、測定可能な MSD 下限のこの実験のセットアップ (0.001 μ m2) です。この制限は、実験的重力の下で一晩を解決する粒子により行われ、サンプル室のガラスに付着したプローブによって決まります。逮捕されたプローブ粒子の平均の MSD は特定の実験装置に依存しては、MSD の下限値を取得する測定アンサンブル。

MSD 曲線 (α) と非ガウス パラメーター (αNG) の対数の斜面が計算され、物質の状態は定量的臨界緩和指数 (n) (図 4) に比較すると定めます。この実験、HCO モデル ゲルとして 9 遷移の合計を測定します。ゲル (α → 0) および 5 つの低下 (α → 1) として、材料を開始、4 つなど (α → 0) は 1,500 分以上が測定されます。各フェーズ遷移のタイミングは材料の扶養家族です。相変化は、流体の交換によって誘導されます。800-1400 分間ソル相で長期間で示すように、液を交換がない、サンプル内にプローブ粒子が残っているし、レオロジー特性に変更がないです。液交換が行われる、一度材料は再びゲルします。

我々 は、このデバイスから取得するデータでは、レオロジー特性、いくつかの方法で物質の構造について説明します。我々 は繰り返し相変化から平衡物性の変化を測定していません。これは同じ値を返す各段階で α によって明白です。素材は、ソルの段階では、α に達する = 0.90、ゲル相、α のとき = 0.20。ソルの段階で α の値は、材料が劣化後もいくつかの構造を保持することを示します。コロイド粒子の溶液に劣化は完全にコロイド系が α = ソル相の平衡値 1.0 HCO は α = 0.90 を示すいくつかの構造が保持されます。さらに、コロイド状転位、α の増加によって示される流体交換の直後に発生します。最後に、ゲルが劣化 (ソル ゲル) 移行中に構造の不均一性の増加を経る αNG材料の不均一性を定量化する非ガウス性パラメーターを示しています。これは αNGのピークによって明白です。

Figure 1
図 1:マイクロ流体デバイス。(a) トラップの場所でサンプルの周囲の流体を交換しながら 2 層マイクロ流体デバイスのイメージ。最初の層は 2 つの部屋、サンプルと吸引。各コーナーと同様に吸引とサンプル室の 7 つ穴があります。試料室上記溶剤盆地として動作するデバイスに PDMS の第 2 層を付着します。(b) サンプルは、中央のチャネルを介して試料室に注入されます。サンプルは、サンプルのまわりの等しい圧力を作成するサンプル室に対称入口流れによって流体移送中に場所でロックされます。(c) 設計、マイクロ流体デバイスの 1stレイヤー スタンプを作成するために使用します。室各チャンネル 1 ミリメートルの幅を持っている 10 の mm の直径があります。チャネルおよび部屋の両方の結果として得られる高さは 1 mm 45 後紫外線照射の s。Wehrmanら201710から、王立化学会から許可を得て再現。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 2
図 2: 正しく記入マイクロ流体デバイスのイメージ。気泡注入によるデバイス ソリューション交換中に (気液界面における粒子の方向の運動) のための microrheological データとマイクロ フローに対するマイナスの効果を持つことができます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 3
図 3:水添ヒマシ油の平均二乗変位曲線の劣化 (c) と (b, d) ゲルの中にゲルします。2nd (a、b) と 3rd (c、d) 相転移の移行の合計 9 のとおりです。重要な移行ポイント (ゲル - ゾルまたはゾル - ゲル)、 nに破線で表されます = α = 0.77 と各相の変化を表す線の上の曲線は、MSD ゾルとゲルの下。Wehrmanら201710から、王立化学会から許可を得て再現。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 4
図 4:対数斜面 (、終了) 4 wt % の単一サンプルの非ガウス性パラメーター (αNG開く) 繰り返し相転移中にヒマシ油ゲルを水添と。重要な移行が水平の破線で示される (n = 0.77) 前 microrheological 実験9,10から決定されたと。垂直線は、水溶媒盆地と溶媒におけるゲル化剤がある日陰の灰色の領域があることを示す白い背景を持つ溶媒交換を示します。白とグレーの間の色の変化は、浸透圧勾配の逆を示しています。垂直線で色が変化しない場合は、試料室が同じ溶媒再フラッシュされていることを示します。これは削除、不足の流体があるときに発生し、高い密度の流体は、その大きな粘度による試料室場合によく発生します。Wehrmanら201710から、王立化学会から許可を得て再現。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

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Discussion

2 層マイクロ流体デバイス (図 1) は、以下のよくとり上げられるマイクロ加工技術29によって簡単に作ることが。ガラスのサポートは、振動に及ぼすプローブの動きを抑えるデバイスの下部に追加されます。ガラス スライドは対物レンズの作動距離を収容するために非常に薄い (0.10 mm) です。これにより、デバイスは、建物と高速カメラで測定し、サンプル環境で微小振動を受けやすい。ガラス サポートは正常にこれらの外部からの刺激を否定します。短い作業距離目的は必要とする郵政省の正確なデータを収集するために選ばれた: 粒子と (2) 2 D の平面ではない粒子をイメージングを避けるために限られた作動距離につき (1) 少なくとも 4 ピクセル。

図 1cは、このデバイスのデザインは、マイクロ流体のレオロジーを組み合わせる前の調査に基づいています。シュルツとファーストは、我々 の仕事のために使用される同じマイクロ加工技術を用いた μ2レオロジーを開発しました。それらのデバイスは、両方ポリマー バックボーンと架橋剤濃度16,29でグラデーションの連続相で区切られたゲル材料の 50-100 サンプルを作成する設計されました。さらに、収束マイクロ ストリームを使用して技術は、単一粒子や高分子25,26のトラップのために有用であること示されています。我々 はシュルツとファーストと計測 microrheological 私たちの新しいデバイスのマイクロ流体デバイスの彼らのアイデアによる作製手法を組み合わせているとスケール アップ マイクロ トラップ デザイン。私たちのデザインは、ゾル-ゲル化学30を使用してチャンネルの内側にガラスの層が行われたときは、丸みを帯びた正方形のチャンネルを 1 mm に作成します。チャネル ディメンションは、プローブ粒子とマイクロ流体デバイス31の壁との間の相互作用を避けるために選択されます。当社のプローブ サイズ (0.5 μ m) との高さ (1 mm) ガラスから流体の力をチャネル プローブはF ≈ およそ 10-18 N、ガラスの壁からこの力がプローブ粒子の動きに大きな影響を持っていないを示す31します。 さらに、プローブ粒子の壁と粒子の相互作用による粒子の運動に影響を与える壁の 10 μ m 以内でなければなりません。すべてのデータを収集、壁から以上 10 μ m。時間の順序は私達の実験的時間スケールの中の PDMS によるガラス溶剤吸収を防ぐためにマイクロ チャンネルを作製しました。10 μ L のサンプル サイズ (チャネル高さ 1 mm に対応) では、加工技術を使用し、マイクロ ストリームを収束、我々 10 μ L を単一分子から捕集方法をスケール アップします。

2 層の設計は、単層素子で発生する流動不安定現象を防ぐために組み込まれます。この作品の初期のイテレーション中に全体のデバイスは 1 つの層だった。2 つの入力ストリーム (それぞれはどちらか水と同じ液体またはゲル化剤) デバイスの 2 つのコーナーから開始し、装置、試料室に正接の長さを実行して長いチャンネルのみ流れます。しかし、チャンネル間の流動は流れ試料室と実験を終了のサンプルの損失につながった。大型吸気チャンバーの導入に合わせて、2 番目の層は、のみ 1 つの吸引源を使用し、実験中にサンプルをトラップ サンプル中の等しい圧力を作成するこれらの不安定性を削除します。2 番目の層は非常にシンプルなデザインし、試料室上新しい周囲の液体を保持するものです。

μ2レオロジー データは、上記のプロトコルを使用して正常に収集されます。充填機、セットアップの最初の段階は、実験が成功に不可欠です。不適切な充填は、チャンネルや、レオロジー、マイクロ流体デバイス (図 2) の機能に悪影響を与える、試料室の泡になります。マイクロ流体デバイスの泡を避けるために最も簡単な方法は、完全にデバイスを充填する前にシリンジ (泡がないことを確かめる) を充填しています。また、泡は (難しく注射器のプランジャーを押すこと) によって溶媒の大流量を紹介いずれかで削除できますか出口チャネル泡まで優しくデバイスをタップして移動します。試料室内の泡は、気液界面におけるプローブの方向の運動を可能性があります。郵政省の測定は、材料特性を測定する純粋なブラウン運動を受けるプローブを必要です。マイクロ流路における気泡もし圧力の変化を引き起こす、チャンバーからゲルのサンプルを移動することができます流体交換中の流れに影響します。両方のこれらの問題を回避には、デバイスと溶媒の商工会議所が、注入前に流体で満たされる完全にことを確保します。しかしそれ、ない悪影響を及ぼすレオロジー特性と材料の構造、サンプルの入力手順は、サンプルにいくつかのせん断を伝えます。これは、せん断することがなくロードされたサンプルとマイクロ流体デバイスとして同じ入力技術を用いたレオメータに読み込まれるサンプルの一括レオロジー測定によって確認されました。デバイスが正しく記入後上記手順の概要は、実験中に適切な機能を保証します。

流体交換の際に材料のロスが最小限です。これは、実験中に明らか: (1) (2) 残りの統計的に有意な MPT 測定を収集するために十分に高いプローブ粒子の濃度とゲルのネットワークを形成していく十分な繊維を持っているコロイド材料の能力。さらに、1 つのサンプルは、さらに液を交換中に最小限の損失を示す、最大 9 つの相転移が可能です。観察可能な遷移の合計数は、ソルの段階だとサンプルが拡散により失われたプローブの量に依存します。プローブは、材料は、ソルとそれらの小さい量に各ゲル-ゾル転移後サンプルから拡散する拡散。プローブの量の変化デバイスの可能な量に制限されます。

材料特性を測定し、繰り返し相転移中にソフトマターの微細構造を決定するこのデバイスを使用できることを確認しました。試料室に入る入口ポートの対称性は、単一サンプル サンプルの損失なしで繰り返し相転移を許可する場所のサンプルをトラップします。デバイスの設計は構造または生物学的 pH の変化により変更高分子ヒドロゲルに再現性のある結果をできるように、塩分濃度の変化に敏感である界面活性剤材料など、さまざまなシステムに容易に適応することができます。連続相変化時レオロジー特性とジェル システムの構造を調べてください。

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Disclosures

この仕事のための開示はございません。

Acknowledgments

この仕事のための資金は、プロクター & ギャンブル社とアメリカ化学会石油研究基金 (54462 DNI7) によって提供されました。この研究の部分的なサポートのため、アメリカの化学社会石油研究基金のドナー受信確認が行われます。著者は、役に立つ議論のため博士マルコ Caggioni を認めたいと思います。

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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工学、問題 134、コロイド、ゲル、マイクロ、レオロジー、レオロジー、ソフトマター
繰り返し相転移の間に柔らかい物質のレオロジー的性質を決定するためのマイクロ流体システムとレオロジーを組み合わせること
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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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