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Engineering

गतिशील इंटरफेस के कन्फोकल माइक्रोस्कोपी विज़ुअलाइज़ेशन के लिए माइक्रोटेंसियोमीटर

Published: September 9, 2022 doi: 10.3791/64110
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 2, 1
1Department of Chemical Engineering and Materials Science, University of Minnesota, 2Department of Chemical Engineering, Carnegie Mellon University

Summary

यह पांडुलिपि इंटरफेशियल आकृति विज्ञान की कल्पना करते हुए इंटरफेशियल तनाव और सतह फैलाव रियोलॉजी के एक साथ माप करने के लिए एक माइक्रोटेंसियोमीटर / कॉन्फोकल माइक्रोस्कोप के डिजाइन और संचालन का वर्णन करती है। यह प्रौद्योगिकी और शरीर विज्ञान में महत्वपूर्ण इंटरफेस के संरचना-संपत्ति संबंधों का वास्तविक समय निर्माण प्रदान करता है।

Abstract

द्रव-द्रव इंटरफेस के लिए सतह-सक्रिय अणुओं का सोखना प्रकृति में सर्वव्यापी है। इन इंटरफेस की विशेषता के लिए सर्फेक्टेंट सोखना दरों को मापने, थोक सर्फैक्टेंट एकाग्रता के एक समारोह के रूप में संतुलन सतह तनाव का मूल्यांकन करने और संतुलन के बाद इंटरफेशियल क्षेत्र में परिवर्तन के साथ सतह तनाव कैसे बदलता है, इससे संबंधित है। एक उच्च गति कॉन्फोकल माइक्रोस्कोप के साथ प्रतिदीप्ति इमेजिंग का उपयोग करके इंटरफ़ेस का एक साथ दृश्य संरचना-कार्य संबंधों के प्रत्यक्ष मूल्यांकन की अनुमति देता है। केशिका दबाव माइक्रोटेंसियोमीटर (सीपीएम) में, 1 एमएल वॉल्यूम तरल जलाशय में केशिका के अंत में एक अर्धगोलाकार हवा का बुलबुला पिन किया जाता है। बुलबुला इंटरफ़ेस में केशिका दबाव को एक वाणिज्यिक माइक्रोफ्लुइडिक प्रवाह नियंत्रक के माध्यम से नियंत्रित किया जाता है जो लाप्लास समीकरण के आधार पर मॉडल-आधारित दबाव, बुलबुला वक्रता या बुलबुला क्षेत्र नियंत्रण की अनुमति देता है। लैंगमुइर गर्त और लटकन ड्रॉप जैसी पिछली तकनीकों की तुलना में, माप और नियंत्रण परिशुद्धता और प्रतिक्रिया समय बहुत बढ़ाया जाता है; केशिका दबाव विविधताओं को मिलीसेकंड में लागू और नियंत्रित किया जा सकता है। बुलबुला इंटरफ़ेस की गतिशील प्रतिक्रिया को दूसरे ऑप्टिकल लेंस के माध्यम से कल्पना की जाती है क्योंकि बुलबुला फैलता है और अनुबंध करता है। बुलबुला समोच्च बुलबुला वक्रता त्रिज्या, आर, साथ ही परिपत्रता से किसी भी विचलन को निर्धारित करने के लिए एक परिपत्र प्रोफ़ाइल के लिए फिट है जो परिणामों को अमान्य कर देगा। लाप्लास समीकरण का उपयोग इंटरफ़ेस की गतिशील सतह तनाव को निर्धारित करने के लिए किया जाता है। संतुलन के बाद, छोटे दबाव दोलनों को कंप्यूटर-नियंत्रित माइक्रोफ्लुइडिक पंप द्वारा बुलबुला त्रिज्या (0.001-100 चक्र / मिनट की आवृत्तियों) को दोलन करने के लिए लगाया जा सकता है ताकि फैलाव मापांक निर्धारित किया जा सके सिस्टम के समग्र आयाम पर्याप्त रूप से छोटे होते हैं कि माइक्रोटेंसियोमीटर एक उच्च गति वाले कॉन्फोकल माइक्रोस्कोप के लेंस के नीचे फिट बैठता है जिससे फ्लोरोसेंटली टैग की गई रासायनिक प्रजातियों को मात्रात्मक रूप से ट्रैक किया जा सके।

Introduction

सर्फेक्टेंट फिल्मों द्वारा कवर किए गए एयर-वॉटर इंटरफेस दैनिक जीवन में सर्वव्यापी हैं। सर्फेक्टेंट-वॉटर इंजेक्शन का उपयोग समाप्त क्षेत्रों से तेल की वसूली को बढ़ाने के लिए किया जाता है और शेल गैस और तेल के लिए हाइड्रोलिक फ्रैक्चरिंग समाधान के रूप में उपयोग किया जाता है। गैस-तरल फोम और तरल-तरल पायस स्नेहक और सफाई एजेंटों के रूप में कई औद्योगिक और वैज्ञानिक प्रक्रियाओं के लिए आम हैं और भोजन में आम हैं। इंटरफेस पर सर्फेक्टेंट और प्रोटीन पैकेजिंग, भंडारण और प्रशासन 1,2,3,4,5, आंखों में आंसू फिल्म स्थिरता 6,7,8, और फुफ्फुसीय यांत्रिकी 9,10,11,12,13,14 के दौरान एंटीबॉडी विरूपण को स्थिर करते हैं, 15.

इंटरफेस और उनके गुणों के लिए सोखने वाले सतह-सक्रिय एजेंटों या सर्फेक्टेंट्स के अध्ययन का कई अलग-अलग प्रयोगात्मक तकनीकों के साथ एक लंबा इतिहास है 16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27 . एक हालिया विकास केशिका दबाव माइक्रोटेंसियोमीटर (सीपीएम) है, जो अन्य सामान्य तरीकों 9,23,24,25 की तुलना में काफी कम सामग्रियों का उपयोग करते हुए, बहुत कम लंबाई के तराजू पर अत्यधिक घुमावदार इंटरफेस पर इंटरफेशियल गुणों की परीक्षा की अनुमति देता है। कॉन्फोकल फ्लोरेसेंस माइक्रोस्कोपी (सीएफएम) का उपयोग सीपीएम22 में हवा-पानी के इंटरफेस पर लिपिड और प्रोटीन की आकृति विज्ञान का अध्ययन करने के लिए किया जा सकता है या लैंगमुइर गर्तों 20,26,27,28,29 पर किया जा सकता है। यहां जैविक और तकनीकी इंटरफेस के लिए संरचना-कार्य संबंधों को विकसित करने के लिए रूपात्मक घटनाओं को गतिशील और संतुलन इंटरफेशियल गुणों से जोड़ने के लिए एक सीपीएम और सीएफएम को जोड़ा गया है।

सीपीएम-सीएफएम के लिए सुलभ इंटरफेशियल सर्फेक्टेंट सिस्टम में महत्व के कई पैरामीटर हैं। सीपीएम में, एक 30-200 μm व्यास हवा का बुलबुला एक ग्लास केशिका ट्यूब की नोक पर पिन किया जाता है। सीपीएम के पहले के संस्करणों में, बुलबुले के अंदर और बाहर के बीच केशिका दबाव अंतर को पानी के स्तंभ और दोलन सिरिंज पंप 9,30 के माध्यम से नियंत्रित किया गया था; यहां वर्णित नया संस्करण इन्हें उच्च परिशुद्धता, कंप्यूटर-नियंत्रित माइक्रोफ्लुइडिक पंप के साथ बदल देता है। सतह तनाव (γ) लाप्लास समीकरण के माध्यम से निर्धारित किया जाता है, ΔP = 2γ/R, पंप, ΔP द्वारा निर्धारित इंटरफ़ेस में दबाव ड्रॉप से, और बुलबुले, R के वक्रता की त्रिज्या के ऑप्टिकल विश्लेषण से। इंटरफ़ेस की गतिशील सतह तनाव को घुलनशील सर्फेक्टेंट युक्त थोक तरल के संपर्क में एक नए बुलबुले की पीढ़ी के बाद 10 एमएस समय संकल्प के साथ निर्धारित किया जा सकता है। सर्फेक्टेंट सोखना गतिशीलता को क्लासिक वार्ड-टोरडाई समीकरण10,31 द्वारा सर्फैक्टेंट के आवश्यक गुणों को निर्धारित करने के लिए वर्णित किया जा सकता है, जिसमें फैलाव, सतह कवरेज और थोक एकाग्रता और संतुलन सतह तनाव के बीच संबंध शामिल हैं। एक बार एक संतुलन सतह तनाव प्राप्त हो जाने के बाद, इंटरफेशियल क्षेत्र को फैलाव मापांक को मापने के लिए दोलन किया जा सकता है, Equation 1सतह तनाव में परिवर्तन को रिकॉर्ड करके, बुलबुला सतह क्षेत्र में छोटे परिवर्तनों से प्रेरित, ए32। अधिक जटिल इंटरफेस के लिए जो अपनी आंतरिक संरचनाओं जैसे उलझे हुए पॉलिमर या प्रोटीन को विकसित करते हैं, सतह तनाव, को अधिक सामान्य सतह तनाव 4,33 द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। Equation 2

श्वास के दौरान फेफड़ों की स्थिरता सीधे वायुकोशीय वायु-तरल इंटरफ़ेस 9,10 पर कम सतह तनाव और एक उच्च फैलाव मापांक दोनों को बनाए रखने के लिए बंधी हो सकती है। सभी आंतरिक फेफड़ों की सतहों को ऊतक जलयोजन34 को बनाए रखने के लिए उपकला अस्तर तरल पदार्थ की एक निरंतर, माइक्रोन-मोटी फिल्म के साथ पंक्तिबद्ध किया जाता है। यह उपकला अस्तर तरल पदार्थ मुख्य रूप से पानी है, जिसमें लवण और विभिन्न अन्य प्रोटीन, एंजाइम, शर्करा और फेफड़े के सर्फेक्टेंट होते हैं। जैसा कि किसी भी घुमावदार तरल-वाष्प इंटरफ़ेस के मामले में होता है, एक केशिका दबाव एल्वियोलस (या बुलबुला) के अंदर अधिक दबाव के साथ प्रेरित होता है। हालांकि, यदि फेफड़ों के भीतर सतह का तनाव हर जगह स्थिर था, तो लाप्लास समीकरण, ΔP = 2γ/R, से पता चलता है कि छोटे एल्वियोली में बड़े एल्वियोली के सापेक्ष उच्च आंतरिक दबाव होगा, जिससे छोटे एल्वियोली की गैस सामग्री बड़े, कम दबाव एल्वियोली में प्रवाहित होती है। इसे "लाप्लास अस्थिरता" 9,35 के रूप में जाना जाता है। शुद्ध परिणाम यह है कि सबसे छोटा एल्वियोली ढह जाएगा और तरल से भर जाएगा और फेफड़ों के हिस्से को ढहने के कारण फिर से फुलाना मुश्किल हो जाएगा, और अन्य भाग ओवर-फुलाए जाएंगे, जिनमें से दोनों तीव्र श्वसन संकट सिंड्रोम (एआरडीएस) के विशिष्ट लक्षण हैं। हालांकि, ठीक से काम करने वाले फेफड़ों में, सतह तनाव गतिशील रूप से बदलता है क्योंकि एल्वियोलस इंटरफेशियल क्षेत्र में वायु-उपकला द्रव इंटरफ़ेस सांस लेने के दौरान फैलता है और सिकुड़ता है। यदि Equation 3, या Equation 4, लाप्लास दबाव घटती त्रिज्या के साथ कम हो जाता है और बढ़ती त्रिज्या के साथ बढ़ता है ताकि लाप्लास अस्थिरता को खत्म किया जा सके, जिससे फेफड़े 9 स्थिर होजाएं। इसलिए, Equation 5और यह आवृत्ति, मोनोलेयर आकृति विज्ञान और संरचना पर कैसे निर्भर करता है, और वायुकोशीय द्रव संरचना फेफड़ों की स्थिरता के लिए आवश्यक हो सकती है। सीपीएम-सीएफएम ने सर्फेक्टेंट सोखना 25, मोनोलेयरआकृति विज्ञान 22 और फैलाव मापांक9 पर इंटरफेशियल वक्रता के प्रभावों का पहला प्रदर्शन भी प्रदान किया है। सीपीएम में जलाशय की छोटी मात्रा (~ 1 एमएल) तरल चरण के त्वरित परिचय, हटाने या विनिमय की अनुमति देती है और महंगे प्रोटीन यासर्फैक्टेंट्स 10 की आवश्यक मात्रा को कम करती है।

सीपीएम-सीएफएम छवि में कंट्रास्ट इंटरफ़ेस16,27 पर फ्लोरोसेंटली टैग किए गए लिपिड या प्रोटीन के छोटे अंशों के वितरण के कारण होता है। द्वि-आयामी सर्फेक्टेंट मोनोलेयर अक्सर सतह तनाव या सतह के दबाव के एक समारोह के रूप में पार्श्व चरण पृथक्करण प्रदर्शित करते हैं, Equation 6 π एक साफ द्रव-द्रव इंटरफ़ेस की सतह तनाव के बीच का अंतर है, γ0, और एक सर्फैक्टेंट-कवर इंटरफ़ेस, γ π इंटरफ़ेस पर सर्फैक्टेंट अणुओं की बातचीत के कारण 2-डी "दबाव" के रूप में सोचा जा सकता है जो शुद्ध द्रव सतह तनाव को कम करने के लिए कार्य करता है। कम सतह के दबाव में, लिपिड मोनोलेयर तरल जैसी अव्यवस्थित अवस्था में होते हैं; इसे तरल विस्तारित (एलई) चरण के रूप में जाना जाता है। जैसे-जैसे सतह का दबाव बढ़ता है और प्रति लिपिड अणु का क्षेत्र कम हो जाता है, लिपिड एक दूसरे के साथ उन्मुख होते हैं और लंबी दूरी के तरल संघनित (एलसी) चरण 16,20,27 में पहले क्रम चरण संक्रमण से गुजर सकते हैं। एलई और एलसी चरण विभिन्न सतह दबावों पर सह-अस्तित्व में रह सकते हैं और फ्लोरोसेंटली टैग किए गए लिपिड को एलसी चरण से बाहर रखा जाता है और एलई चरण में अलग किया जा सकता है। इस प्रकार, एलई चरण उज्ज्वल है और सीएफएम16 के साथ चित्रित होने पर एलसी चरण अंधेरा है।

इस पांडुलिपि का लक्ष्य संयुक्त कॉन्फोकल माइक्रोस्कोप माइक्रोटेंसियोमीटर के निर्माण और संचालन के लिए आवश्यक चरणों का वर्णन करना है। यह पाठक को सोखना अध्ययन करने, सतह तनाव, रियोलॉजिकल व्यवहार को मापने और माइक्रोन-स्केल एयर / पानी या तेल / पानी इंटरफ़ेस पर एक साथ इंटरफेशियल आकृति विज्ञान की जांच करने की अनुमति देगा। इसमें आवश्यक केशिकाओं को खींचने, काटने और हाइड्रोफोबाइज़ करने के तरीके, दबाव, वक्रता और सतह क्षेत्र नियंत्रण मोड का उपयोग करने के निर्देश, और माइक्रोटेंसियोमीटर घुमावदार इंटरफ़ेस में अघुलनशील सर्फैक्टेंट के इंटरफेशियल ट्रांसफर की चर्चा शामिल है।

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Protocol

1. केशिका ट्यूबों की तैयारी

  1. केशिका को एक केशिका खींचने वाले में रखें और टिप पर ~ 1 μm के बाहरी व्यास (ओडी) के साथ दो पतला केशिकाएं बनाने के लिए वांछित खींचने वाले कार्यक्रम को चलाएं।
    नोट: खींचने से पहले केशिका का आयुध डिपो माइक्रोटेंसियोमीटर सेल में केशिका धारक में फिट होने के लिए निर्दिष्ट आयुध डिपो होना चाहिए। केशिका का आंतरिक व्यास (आईडी) भिन्न हो सकता है, लेकिन खींचने के बाद केशिका के महत्वपूर्ण त्रिज्या को प्रभावित करेगा। एक खींचने वाला कार्यक्रम चुना जाता है ताकि परिणामस्वरूप टेपर शुरू में केशिका ओडी और आईडी को जल्दी से कम कर दे, फिर वांछित केशिका ओडी और आईडी के पास एक त्रिज्या तक पहुंच जाए, और फिर व्यास में अधिक धीरे-धीरे कम हो जाए। यह एक अधिक केशिका लंबाई बनाएगा जिसे आईडी में 30-100 μm की प्रयोग करने योग्य केशिका उत्पन्न करने के लिए स्कोर किया जा सकता है।
  2. 30-100 μm की एक आईडी प्राप्त करने और टिप को तोड़ने के लिए वांछित स्थान पर केशिका की नोक स्कोर। केशिका में अब टिप (चित्रा 1 ए) पर वांछित त्रिज्या का एक आयुध डिपो और आईडी होगा। केशिकाओं को चरण 2 तक संग्रहीत किया जा सकता है।
    नोट: केशिका का कट किनारा 90 ° साफ ब्रेक होना चाहिए। कट किनारे में कोई भी दोष केशिका और खराब सतह संपत्ति माप के लिए बुलबुले के खराब पिनिंग के लिए नेतृत्व करेगा। पतला केशिका युक्तियाँ बहुत नाजुक हैं। यदि वे समाधान (जैसे, शीशी की दीवारें, एयर नोजल) के अलावा किसी अन्य चीज़ के संपर्क में आते हैं तो वे नष्ट हो जाएंगे।

2. केशिकाओं का हाइड्रोफोबाइजेशन

  1. खींचे गए ग्लास केशिकाओं, एसिड सफाई समाधान, प्लास्टिक चिमटी, विआयनीकृत (डीआई) पानी, हाइड्रोफोबाइजेशन समाधान (इथेनॉल में 2% सिलेन), वैक्यूम पंप और इथेनॉल समाधान इकट्ठा करें। विवरण के लिए सामग्री की तालिका देखें।
    सावधानी: एसिड सफाई समाधान एक्यूटली विषाक्त है, त्वचा और आंखों के जंग / जलन का कारण बनता है, ऑक्सीकरण कर रहा है। हाइड्रोफोबाइजेशन समाधान एक त्वचा / आंख / श्वसन अड़चन है। आंखों की सुरक्षा, प्रयोगशाला कोट और दस्ताने पहनें और एक धूआं हुड में समाधान के साथ काम करें।
  2. एसिड-केशिका को साफ करें
    नोट: एसिड-सफाई केशिका केशिका के अंदर किसी भी कार्बनिक अवशेष को हटा देती है और सिलेनाइजेशन प्रतिक्रिया के लिए कांच की सतह तैयार करती है जो केशिका हाइड्रोफोबिक को प्रस्तुत करती है।
    1. चिमटी के साथ अपने विस्तृत छोर के पास दृढ़ता से एक केशिका पकड़ो।
    2. वैक्यूम पंप से केशिका के विस्तृत छोर तक नली संलग्न करते समय एसिड सफाई समाधान में पतला टिप डुबोएं। यह समाधान को केशिका में चूस लेगा।
      नोट: केशिका अंत के साथ एक बेहतर फिट के लिए अनुमति देने के लिए केशिका नली के अंत से एक विंदुक टिप संलग्न किया जा सकता है।
    3. बंद करो जब एसिड सफाई समाधान केशिका के बारे में आधा भर गया है।
      नोट: एसिड सफाई समाधान से केशिका टिप को हटाने के बाद, केशिका के बाहरी हिस्से पर समाधान अक्सर केशिका टिप के पास एक मनका बनाता है। अतिरिक्त समाधान को हटाने के लिए समाधान शीशी की गर्दन पर धीरे-धीरे केशिका को स्पर्श करें।
    4. एसिड सफाई समाधान को कम से कम 30 मिनट के लिए केशिकाओं में रहने दें, यह सुनिश्चित करते हुए कि तरल का प्लग केशिका के पतला छोर पर रहता है।
    5. चिमटी के साथ केशिका को दृढ़ता से पकड़कर और केशिका के बड़े छोर से तरल खींचने के लिए वैक्यूम नली का उपयोग करके केशिका से एसिड सफाई समाधान निकालें।
  3. केशिका कुल्ला
    1. केशिका के पतला छोर को डीआई पानी में डुबोएं ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि यह एसिड सफाई समाधान में डूबे किसी भी बाहरी को कवर करने के लिए पर्याप्त गहराई से डूबा हुआ है। जबकि टिप जलमग्न है, केशिका के माध्यम से डीआई पानी खींचने के लिए वैक्यूम नली का उपयोग करें। पानी से केशिका निकालें और वैक्यूम नली के साथ शेष पानी को हटा दें।
    2. उपरोक्त चरण को कम से कम 4x दोहराएं।
  4. चरण 2.3 फिर से डीआई पानी के लिए इथेनॉल प्रतिस्थापन करें।
  5. केशिका के इंटीरियर से इथेनॉल पूरी तरह से वाष्पित होने तक लगातार चूषण लागू करें। इथेनॉल वाष्पित होने लगता है लेकिन 30 से 45 एस के बाद साफ हो जाएगा केशिका बादल और स्पर्श करने के लिए ठंडा हो जाएगा।
  6. हाइड्रोफोबाइजेशन समाधान के साथ केशिका को कोट करें
    1. संक्षेप में इथेनॉल समाधान में ~ 2% सिलेन में केशिका के विस्तृत अंत डुबकी। केशिका क्रिया केशिका के भीतर कोटिंग समाधान का कारण बनेगी। एक ~ 1 सेमी आकार प्लग केशिका के भीतर बढ़ गया है एक बार समाधान से केशिका निकालें।
    2. केशिका को उन्मुख करें ताकि पतला टिप नीचे की ओर सामना करे, जिससे कोटिंग समाधान पतला टिप की ओर गुरुत्वाकर्षण के साथ गिर सके।
    3. कोटिंग समाधान को कम से कम 3 मिनट के लिए केशिका में रहने दें।
      नोट: टेप टिप के इंटीरियर के संपर्क में है कि कोटिंग समाधान के प्लग में कोई हवा बुलबुले होना चाहिए। यदि एक हवा का बुलबुला है, तो केशिका इंटीरियर चरण 2.5 में पर्याप्त रूप से सूखने की संभावना नहीं थी। इसे ठीक करने के लिए, आवश्यकतानुसार चरण 2.4-2.6 दोहराएं।
  7. चरण 2.3 के रूप में एक ही तरीके से इथेनॉल 1x के साथ केशिकाओं कुल्ला।
  8. केशिका पर हाइड्रोफोबिक कोटिंग सेट करें
    1. 120 डिग्री सेल्सियस पर सेट वैक्यूम ओवन में साफ और सूखी जगमगाहट शीशियों रखें। शीशी के आधार पर आराम करने वाले चौड़े सिरों के साथ शीशियों (आदर्श रूप से प्रति शीशी एक केशिका) में लेपित केशिकाएं रखें। केशिकाओं को हाइड्रोफोबिक सिलेन परत के स्थायी बंधन को प्राप्त करने के लिए केशिकाओं को कम से कम 6 घंटे (रात भर पसंदीदा) के लिए ओवन में रहने दें। केशिकाओं को चरण 4 तक संग्रहीत किया जा सकता है।

3. नमूना तैयारी और भंडारण

  1. संदूषण से बचने के लिए साफ एसिड-धोए गए शीशियों में सर्फैक्टेंट और फ्लोरोफोर समाधानों को मिलाएं और स्टोर करें।
    नोट: व्यावसायिक रूप से उपलब्ध लिपिड उच्चतम शुद्धता का होना चाहिए और उपयोग के बीच संग्रहीत होना चाहिए - 20 डिग्री सेल्सियस। पुराने या दूषित लिपिड अक्सर परिणामों को पुन: उत्पन्न करना मुश्किल बनाते हैं।

4. माइक्रोटेंसियोमीटर की स्थापना

  1. चित्रा 2 में वर्णित के रूप में सीपीएम सेल इकट्ठा।
    1. सीपीएम सेल के शीर्ष में केशिका के बड़े पक्ष को तब तक रखें जब तक कि यह सेल के नीचे तक धक्का न दे।
    2. धीरे-धीरे केशिका को सुरक्षित करने के लिए पीक प्लग को कस लें, और फिर माइक्रोफ्लुइडिक पंप से ट्यूब को केशिका के बड़े पक्ष में संलग्न करें। सावधान रहें कि पतला केशिका टिप को न छुएं।
  2. आवश्यकतानुसार, सीपीएम सेल (चित्रा 2) पर संबंधित इनलेट और आउटलेट के लिए जलाशय विनिमय और / या तापमान नियंत्रण होसेस संलग्न करें; अन्यथा, अप्रयुक्त इनलेट और आउटलेट प्लग करें।
  3. सीपीएम सेल को कॉन्फोकल माइक्रोस्कोप चरण में संलग्न करें, मोटे तौर पर इसे सीएफएम उद्देश्य, सीपीएम कैमरा और सीपीएम प्रकाश स्रोत (चित्रा 3) के साथ संरेखित करें।
  4. पंप के अनुशंसित ऑपरेटिंग दबाव (यहां उपयोग किए जाने वाले माइक्रोफ्लुइडिक पंप के लिए 150 एमबार) पर माइक्रोफ्लुइडिक पंप में गैस प्रवाह खोलें और सुनिश्चित करें कि केशिका में प्रवाह खुला है।
  5. केशिका दबाव दोलन आवृत्ति और आयाम शून्य (चित्रा 4-7) के साथ दबाव नियंत्रण मोड में सीपीएम वर्चुअल इंटरफ़ेस (पूरक कोडिंग फ़ाइल 1: माइक्रोटेन्सियोमीटर वर्चुअल Interface.vi) चलाना शुरू करें। चित्रा 4 आभासी इंटरफ़ेस का एक स्क्रीनशॉट दिखाता है। डीआई पानी और ~ 35 μm की केशिका त्रिज्या के लिए, ~ 20 mbar का दबाव यह सुनिश्चित करता है कि कोई पानी केशिका में प्रवेश न करे।
  6. एक पिपेट का उपयोग कर पानी के साथ सीपीएम सेल भरें।
  7. माइक्रोटेंसियोमीटर कैमरे का उपयोग करके केशिका टिप पर ध्यान केंद्रित करें।
  8. सीएफएम के साथ केशिका टिप पर ध्यान केंद्रित करें। यदि केशिका को खोजने में कठिनाई होती है, तो सीएफएम उद्देश्य खोजने के लिए सीपीएम कैमरे का उपयोग करें। यह सीएफएम उद्देश्य और बुलबुले के बीच की दूरी का अनुमान लगाने में मदद करेगा, सही कामकाजी दूरी प्राप्त करेगा।
  9. वार्षिकी (ग्रीन सेक्टर प्रोजेक्शन) बुलबुले पर केंद्रित होने के बाद, मैन्युअल रूप से फोकस समायोजित करें ताकि बुलबुला किनारे को स्पष्ट रूप से देखा जा सके (चित्रा 4-3)।
    नोट: स्थिति, प्रारंभ और अंत कोण, और वार्षिकी की आंतरिक और बाहरी त्रिज्या को दृश्य विंडो के नीचे मेनू के माध्यम से समायोजित किया जा सकता है।
  10. रीसेट बबल पर क्लिक करें, और सुनिश्चित करें कि एक नया बुलबुला बनता है (कोई पुराना बुलबुला पॉप सुन पाएगा, और नया बुलबुला नियंत्रण कक्ष देखने वाली खिड़की से अवलोकन योग्य होगा; चित्र 4-3)। यदि बबल पॉप नहीं होता है, तो रीसेट दबाव बढ़ाएँ या देखने वाली विंडो के नीचे बबल रीसेट टैब में रीसेट विलंब समय बढ़ाएँ. जांचें कि सतह तनाव लगभग 73 एमएन / मीटर (खारा या पानी / हवा के बुलबुले के लिए) (चित्रा 4-9) है या नहीं।
  11. डायरेक्ट-टू-सेल सिरिंज (चित्रा 3-13) के माध्यम से पानी निकालें, इसे खाली करें, और इसे फिर से संलग्न करें। नमूना प्रयोग चलाने के लिए लोड करने के लिए तैयार है।

5. सोखना अध्ययन

  1. दबाव नियंत्रण मोड में सीपीएम सॉफ्टवेयर रखने एक आटोक्लेव विंदुक का उपयोग कर वांछित नमूने के साथ सेल भरें। सुनिश्चित करें कि प्रारंभिक सतह तनाव लगभग 73 एमएन / मीटर है जब एक नया बुलबुला इंटरफ़ेस बनाया जाता है।
  2. नवगठित बुलबुले और इनपुट की त्रिज्या निर्धारित करें जो केंद्र रेखा क्षेत्र नियंत्रण (चित्रा 4-7) में मान देता है और क्षेत्र नियंत्रण टैब (चित्रा 4-8) पर क्लिक करके नियंत्रण प्रकार को क्षेत्र नियंत्रण में बदल देता है।
    नोट: निरंतर दबाव नियंत्रण का भी उपयोग किया जा सकता है, लेकिन यह इंटरफ़ेस की सतह तनाव के रूप में बुलबुला त्रिज्या को लगातार बदलने का कारण बनता है। यह बदलता क्षेत्र सर्फेक्टेंट सोखना दरों के विश्लेषण को जटिल कर सकता है और अध्ययन के दौरान बुलबुले को पॉप करने का कारण बन सकता है।
  3. कॉन्फोकल वीडियो रिकॉर्ड करना शुरू करें।
  4. रीसेट बबल (चित्रा 4-5) पर क्लिक करें, और तुरंत डेटा एकत्र करें (चित्रा 4-6) पर क्लिक करें। बटन पर सिग्नलिंग लाइट ग्रीन हो जाएगी।
  5. चित्रा 4-6 में दिखाए गए बार को फिसलने से नमूने की एकाग्रता के अनुसार डेटा रिकॉर्डिंग दर समायोजित करें। धीमी सोखना के लिए, धीमी रिकॉर्डिंग दर का उपयोग करें। यह एक रन के बीच में समायोजित किया जा सकता है यदि एक उच्च रिकॉर्डिंग दर जल्दी वांछित है, लेकिन फ़ाइल आकार को कम करने के लिए लंबे अध्ययन के लिए धीमी दर बेहतर है।
  6. प्रयोग के अंत के बाद (जब एक अंतिम सतह तनाव पठार तक पहुँच गया है), सही फ़ाइल पथ (चित्रा 4-1) का चयन करके और सहेजें बटन (चित्रा 4-2) पर क्लिक करके फ़ाइल को बचाने के लिए।
  7. सीएफएम पर रिकॉर्डिंग को रोकें और सहेजें।

6. दोलन/विश्राम अध्ययन

  1. दबाव नियंत्रण मोड में सीपीएम सॉफ्टवेयर रखने एक आटोक्लेव विंदुक का उपयोग कर नमूना के साथ सेल भरें। सुनिश्चित करें कि सतह तनाव लगभग 73 एमएन / मीटर है जब एक नया बुलबुला इंटरफ़ेस बनाया जाता है।
  2. तब तक प्रतीक्षा करें जब तक कि नमूना इंटरफ़ेस पर पूरी तरह से अधिशोषित न हो जाए। यह एक नए बुलबुला इंटरफ़ेस के साथ शुरू करने के बजाय सोखना अध्ययन के बाद सीधे किया जा सकता है।
  3. तय करें कि क्या दोलन उचित टैब (चित्रा 4-8) का चयन करके और वांछित आधारभूत मूल्य, दोलन% और दोलन आवृत्ति (चित्रा 4-7) दर्ज करके एक दबाव दोलन, क्षेत्र दोलन, या वक्रता दोलन होगा।
    नोट: सॉटूथ, वर्ग, और त्रिकोणीय तरंग क्षेत्र दोलन अन्य क्षेत्र दोलन टैब में ड्रॉप-डाउन मेनू से भी सुलभ हैं।
  4. कॉन्फोकल वीडियो की रिकॉर्डिंग शुरू करें और सीपीएम सॉफ्टवेयर पर डेटा एकत्र करें (चित्रा 4-6) पर क्लिक करें।
  5. दोलन प्रारंभ करें। सर्वोत्तम परिणामों के लिए कम से कम सात चक्र रिकॉर्ड करना सुनिश्चित करें। प्रत्येक दोलन चक्र के लिए पर्याप्त संख्या में डेटा बिंदु देने के लिए एक डेटा अधिग्रहण दर (चित्रा 4-6) चुनें।
  6. यदि अन्य दोलन आयाम या आवृत्तियों वांछित हैं, तो प्रयोग के दौरान मूल्यों को बदलें।
  7. चरण 5.6 और 5.7 में के रूप में परिणाम सहेजें।

7. विलायक विनिमय अध्ययन

  1. दबाव नियंत्रण मोड में सीपीएम सॉफ्टवेयर रखने एक आटोक्लेव विंदुक का उपयोग कर नमूना के साथ सेल भरें। सुनिश्चित करें कि सतह तनाव लगभग 73 एमएन / मीटर है, जब एक नया बुलबुला इंटरफ़ेस बनाया जाता है।
    नोट: विलायक विनिमय अध्ययन से पहले सोखना और / या दोलन अध्ययन किया जा सकता है।
  2. पेरिस्टाल्टिक पंप (चित्रा 3-10) के लिए वांछित विनिमय समाधान (चित्रा 3-11) की बोतल के साथ इनलेट ट्यूब कनेक्ट करें।
  3. कॉन्फोकल सॉफ़्टवेयर में वीडियो की रिकॉर्डिंग शुरू करें और सीपीएम सॉफ़्टवेयर पर डेटा एकत्र करें (चित्रा 4-6) पर क्लिक करें।
  4. पेरिस्टाल्टिक पंप गति सेट करें। यह द्रव विनिमय की दर को नियंत्रित करेगा और प्रयोग के लिए आवश्यकताओं के आधार पर चुना जाना चाहिए, अर्थात, विलायक का कितनी तेजी से आदान-प्रदान करने की आवश्यकता है।
  5. यदि कई तरल पदार्थों का आदान-प्रदान करने की आवश्यकता है, तो पेरिस्टाल्टिक पंप को रोकें, और इनलेट को किसी अन्य विनिमय समाधान से कनेक्ट करें।
  6. विनिमय समाप्त होने के बाद (~ 20 मिनट), चरण 5.6 और 5.7 के रूप में परिणाम सहेजें।

8. अघुलनशील सर्फेक्टेंट सोखना

नोट: यदि सोखने के लिए सर्फेक्टेंट जलाशय तरल में घुलनशील नहीं है, तो इस विधि का उपयोग सेल की हवा /पानी के इंटरफ़ेस से बुलबुला सतह पर मोनोलेयर को स्थानांतरित करने के लिए किया जा सकता है। कई बाइलेयर बनाने वाले लिपिड खारा समाधान में लगभग अघुलनशील होते हैं और जलाशय समाधान में निलंबित होने पर अनायास बुलबुले को अवशोषित नहीं करते हैं।

  1. दबाव नियंत्रण मोड में सीपीएम सॉफ्टवेयर रखने एक आटोक्लेव विंदुक का उपयोग कर नमूना के साथ सेल भरें। सुनिश्चित करें कि सतह तनाव लगभग 73 एमएन / मीटर है, जब एक नया बुलबुला इंटरफ़ेस बनाया जाता है।
  2. वाष्पशील कार्बनिक समाधान में एक समाधान से सेल के वायु-जल इंटरफ़ेस पर अघुलनशील सर्फेक्टेंट का एक मोनोलेयर जमा करें। एक सिरिंज का उपयोग करके, इंटरफ़ेस पर छोटी बूंदों को जमा करें और विलायक को लिपिड को एक पतली फिल्म के रूप में पीछे छोड़कर वाष्पित करने की अनुमति दें।
    सावधानी: क्लोरोफॉर्म का उपयोग फॉस्फोलिपिड्स जैसे फॉस्फेटिडिलकोलिन और फैटी एसिड के लिए विलायक के रूप में किया जाता है। प्रसार समाधान आमतौर पर विलायक के प्रति एमएल लिपिड के 0.01-0.02 मिलीग्राम होते हैं। क्लोरोफॉर्म तीव्रता से विषाक्त है, त्वचा और आंखों में जलन पैदा कर सकता है, और कार्सिनोजेनिक है। उचित आंखों की सुरक्षा, प्रयोगशाला कोट और दस्ताने पहनें और एक धूआं हुड में समाधान बनाएं।
  3. बुलबुले के सेंटरलाइन दबाव नियंत्रण (चित्रा 4-7) के माध्यम से सतह क्षेत्र को कम करें जब तक कि यह लगभग सपाट न हो। यह सर्फेक्टेंट के सोखने के बाद बुलबुले को पॉपिंग से रोकता है।
  4. डायरेक्ट-टू-सेल सिरिंज के माध्यम से सेल से जलाशय तरल निकालें जब तक कि हवा / पानी इंटरफ़ेस केशिका की नोक से आगे नहीं बढ़ता है। जबकि एक सिरिंज पंप का उपयोग किया जा सकता है, इस चरण को सिरिंज का मैन्युअल रूप से उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है।
  5. जलाशय तरल ऊंचाई को अपने प्रारंभिक स्तर तक बढ़ाएं।
    नोट: टिप को फिर से सबमिट करने के बाद, बुलबुला सर्फेक्टेंट के कारण बड़ा होगा जो अब इंटरफ़ेस पर अधिशोषित है। मोनोलेयर अब दोलन या विलायक विनिमय प्रयोगों के लिए तैयार होगा।

9. साफ करें

  1. सीएफएम बंद करें।
  2. दबाव नियंत्रण मोड में परिवर्तित करें।
  3. एक पिपेट का उपयोग कर सेल से नमूना निकालें। डीआई पानी के साथ सेल लोड करें और बुलबुले को लगातार केशिका से बचने और केशिका टिप को साफ करने के लिए ~ 50 एमबार पर दबाव डालें। इस प्रक्रिया को 2x दोहराएं।
  4. सुरक्षा वाल्व बंद करें और ऊपरी-बाएं कोने में लाल बटन पर क्लिक करके सीपीएम को बंद करें, प्रकाश और नीले दबाव नियंत्रण कक्ष को बंद करें, और दबाव स्रोत को बंद करें।
  5. कॉन्फोकल माइक्रोस्कोप चरण से सेल निकालें। इथेनॉल और डीआई पानी के साथ सेल को कुल्ला। सीपीएम सेल से केशिका ट्यूब निकालें।

10. सेल की सफाई

  1. कोशिका को अलग करें। डीआई पानी के नीचे कुल्ला करते समय टूथब्रश के साथ अंदर की दीवार को ब्रश करें। इथेनॉल में भागों को डुबोएं और ~ 30 मिनट के लिए इसे सोनीकेट करें।
  2. सभी भागों को कुछ बार डीआई पानी से धो लें। भागों को या तो नाइट्रोजन गैस के साथ उड़ाकर या वैक्यूम ओवन के अंदर सुखाकर सुखाएं।

11. दोलन विश्लेषण

  1. सीपीएम वर्चुअल इंटरफ़ेस से सहेजी गई वांछित फ़ाइल का चयन करते हुए Dilatational_Rheology_Analysis कोड (पूरक कोडिंग फ़ाइल 2) चलाएं। नमूना डेटा पूरक फ़ाइलों में शामिल है।
  2. दबाव बनाम समय साजिश के रूप में अनुपूरक चित्रा 1 में दिखाया गया है दिखाई देगा। उस बिंदु पर बाएं-क्लिक करें जहां दोलन शुरू होता है और फिर से बाएं-क्लिक करें जहां दोलन समाप्त होता है। यदि डेटा में एकाधिक दोलन हैं, तो सभी दोलनों के लिए इस प्रक्रिया को दोहराएं।
    1. जब सभी प्रारंभ और अंत बिंदु बाएँ-क्लिक किए गए हों, तो माउस को कहीं भी राइट-क्लिक करें. उदाहरण के लिए, जैसा कि पूरक चित्र 1 में दिखाया गया है, कोई भी बिंदु 1, 2, 3 और 4 पर बाएं क्लिक कर सकता है, इसके बाद राइट-क्लिक कर सकता है।
      नोट: कोड फैलाव मापांक और चरण कोण की गणना करेगा और परिणाम मूल फ़ाइल स्थान में एक नई .csv फ़ाइल में लिखे जाएंगे। नमूना डेटा के परिणाम पूरक कोडिंग फ़ाइल 2 में दिए गए कोड परिणामों में देखे जा सकते हैं। मैटलैब डेटा के कई ग्राफिकल अभ्यावेदन भी उत्पन्न करेगा जैसा कि पूरक चित्र 2 में दिखाया गया है।

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Representative Results

माप त्रुटि का एक प्रमुख स्रोत केशिकाओं से उत्पन्न होता है जिसमें काटने की प्रक्रिया (चित्रा 5 ए, बी) या कोटिंग प्रक्रिया (चित्रा 5 डी) से दोष होते हैं। दोनों प्रकार के दोष ऑप्टिकल छवि विश्लेषण प्रणाली द्वारा बुलबुला आकार और आकार निर्धारित करने में त्रुटियों का कारण बनते हैं, जिससे गलत सतह तनाव मूल्य होते हैं। सीपीएम में केशिका डालने से पहले ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के नीचे खींचने और लेपित होने के बाद प्रत्येक नई केशिका की सावधानीपूर्वक जांच करना महत्वपूर्ण है। एक मिसकट केशिका को त्याग दिया जाना चाहिए, लेकिन केशिका (प्रोटोकॉल के चरण 2) के अंत में बुलबुला पिनिंग में सुधार करने के लिए एक खराब लेपित केशिका को एसिड-साफ और फिर से लेपित किया जा सकता है। केशिकाएं सबसे अच्छा काम करती हैं यदि अंत कटौती केशिका (चित्रा 5 सी) के लिए पूरी तरह से लंबवत है और केशिका (चित्रा 5 ई) के अंत में सीधे बुलबुला पिन। केशिका पर हाइड्रोफोबिक कोटिंग उपयोग के साथ पिन करने में कम प्रभावी हो जाएगी, जिससे केशिका को फिर से साफ करने और फिर से लेपित करने की आवश्यकता होगी।

सर्फेक्टेंट सोखना बनाम समय के लिए प्रतिनिधि डेटा चित्रा 6 में प्रस्तुत किया गया है। सर्फेक्टेंट सोखना को मापने के लिए उपयोग की जाने वाली लटकन या सेसाइल बूंदों जैसी पिछली प्रयोगात्मक तकनीकों में केशिका दबाव को गतिशील रूप से समायोजित करने के लिए एक तंत्र नहीं था क्योंकि सतह के तनाव में परिवर्तन सोखना30,36,37 के दौरान बुलबुला क्षेत्र को बदलने का कारण बनता है। वास्तव में, बड़े बुलबुले और बूंदों के लिए, इंटरफ़ेस आकार के विश्लेषण से सतह तनाव को निर्धारित करने के लिए बुलबुले या ड्रॉप आकार (और इसलिए सतह क्षेत्र) में परिवर्तन की आवश्यकता होती है क्योंकि केशिका दबाव स्वतंत्र रूप से मापा नहीं जाता है और केशिका दबाव ड्रॉप या बुलबुला सतह37 पर भिन्न होता है। यह सोखना के विश्लेषण को भी जटिल बनाता है क्योंकि इंटरफ़ेस के लिए सर्फेक्टेंट सोखना के रूप में, सतह तनाव कम हो जाता है, और लाप्लास समीकरण को संतुष्ट करने के लिए बुलबुले की सतह क्षेत्र में वृद्धि होनी चाहिए, संतुलन तक पहुंचने के लिए सोखने के लिए अतिरिक्त सर्फैक्टेंट की आवश्यकता होती है। सीपीएम में, एक निश्चित केशिका दबाव की आवश्यकता होती है कि प्रारंभिक बुलबुला त्रिज्या सर्फेक्टेंट सोखना से पहले एक छोटी सीमा के भीतर होनी चाहिए ताकि बुलबुले को केशिका से बाहर निकलने से रोका जा सके यदि सतह तनाव बहुत कम हो जाता है। सर्फेक्टेंट सोखना गतिशीलता को अक्सर क्लासिक वार्ड-टोरडाई समीकरण31 द्वारा मॉडलिंग किया जाता है, जो निरंतर इंटरफेशियल क्षेत्र के एक साफ इंटरफ़ेस के लिए सर्फैक्टेंट अणुओं के सोखना का वर्णन करता है। जबकि वार्ड-टोरडाई समीकरण को बदलते सतह क्षेत्र के लिए खाते में संशोधित किया जा सकता है, यह अतिरिक्त मापदंडों का परिचय देता है और विश्लेषण38,39 को बहुत जटिल बनाता है।

इन मुद्दों को दूर करने के लिए, लाप्लास समीकरण का उपयोग करके एक मॉडल-आधारित फीडबैक लूप विकसित किया गया था जो केशिका दबाव को गतिशील रूप से समायोजित करके सोखना प्रक्रिया में बुलबुले की वक्रता (और सतह क्षेत्र) को स्थिर रखता है। सतह तनाव के परिवर्तन की दर में महत्वपूर्ण अंतर हैं क्योंकि बुलबुले का क्षेत्र लगातार नहीं बढ़ रहा है। सोखना के दौरान बुलबुला क्षेत्र में परिवर्तन समय के साथ स्थिर नहीं होते हैं क्योंकि सतह का तनाव पहले धीरे-धीरे बदलता है, और फिर संतुलन से पहले तेजी से तेज हो जाता है। एक अतिरिक्त जटिलता यह है कि क्षेत्र में आंशिक परिवर्तन प्रारंभिक बुलबुला त्रिज्या पर निर्भर करता है। निरंतर बुलबुला त्रिज्या का एक अतिरिक्त लाभ यह है कि इमेजिंग इंटरफ़ेस को सरल बनाया जाता है क्योंकि बुलबुला सतह तय रहती है, जो सीएफएम पर ध्यान केंद्रित करने को सरल बनाती है। सोखना प्रक्रिया के दौरान, इंटरफ़ेस (वीडियो 1) के लिए सर्फेक्टेंट सोखना के रूप में, इंटरफ़ेस से फ्लोरोसेंट सिग्नल बढ़ जाता है। यदि सर्फैक्टेंट सतह डोमेन बनाता है, तो इन डोमेन को22 बनाने और बढ़ते हुए देखा जा सकता है।

क्षेत्र दोलनों के दौरान सतह तनाव में परिवर्तन चित्रा 7 में दिखाया गया है। सीपीएम के पिछले संस्करणों में, बुलबुला केशिका दबाव में दोलन किए गए थे; हालाँकि, केशिका दबाव में एक साइन तरंग उत्पन्न करना सीधे सतह क्षेत्र में एक साइन तरंग में अनुवाद नहीं करता है क्योंकि दोनों लाप्लास समीकरण के माध्यम से संबंधित हैं। लाप्लास समीकरण का उपयोग करके एक मॉडल-आधारित फीडबैक लूप का लाभ उठाकर, केशिका दबाव के बजाय क्षेत्र में दोलन बनाए जाते हैं, जिससे डेटा होता है जो आयामों की एक बड़ी श्रृंखला पर विश्लेषण और एकत्र करना आसान होता है। नतीजतन, इस विधि से एकत्र किए गए सतह तनाव बनाम क्षेत्र डेटा का उपयोग सर्फेक्टेंट परत के इंटरफेशियल फैलाव मापांक की सीधे गणना करने के लिए किया जा सकता है: Equation 7 (चित्रा 8), जहां Equation 8 सिस्टम का कुल तनाव है और ωतनावगैर-आइसोट्रोपिक विचलन तनाव है जो अक्सर सरल सर्फेक्टेंट समाधान 4,33 में अनुपस्थित होता है। इस प्रकार, एक सरल सर्फेक्टेंट प्रणाली के लिए, Equation 9। इंटरफेस के लिए जहां लोचदार नेटवर्क का गठन किया जा सकता है, जैसे कि सतह-सक्रिय प्रोटीन, अतिरिक्त तनाव अक्सर मौजूद होते हैं और इस प्रकार फैलाव मापांक को परिभाषित करते समय इसका हिसाब होना चाहिए। वीडियो 2 फॉस्फोलिपिड मोनोलेयर्स में एक निरंतर रंगीन एलई चरण मैट्रिक्स में काले एलसी डोमेन की गति का एक सीएफएम वीडियो दिखाता है। इंटरफ़ेस पर अलग-अलग एलसी डोमेन एक ब्रांचिंग नेटवर्क में पुनर्गठित होते हैं जो घुमावदार बुलबुला22,40 पर दोलन होने पर इंटरफ़ेस को कवर करता है। अन्य क्षेत्र दोलन टैब का उपयोग पूरक चित्रा 3 में देखे गए सॉटूथ, वर्ग और त्रिकोणीय तरंगों को बनाने के लिए किया जा सकता है और संपीड़न टैब निरंतर दर क्षेत्र संपीड़न और विस्तार की अनुमति देता है।

विलायक विनिमय अध्ययन के लिए, एक सर्फैक्टेंट को पहले इंटरफ़ेस में सोखने की अनुमति दी जाती है, और फिर जलाशय तरल का आदान-प्रदान किया जाता है ताकि दूसरी सतह-सक्रिय प्रजातियों को उस इंटरफ़ेस से संपर्क करने की अनुमति मिल सके। सतह के तनाव में परिवर्तन की जांच करना संभव है क्योंकि दूसरा सर्फैक्टेंट इंटरफ़ेस पर मूल सर्फैक्टेंट के साथ प्रतिस्पर्धा करता है। सतह फैलाव मापांक अक्सर सीएफएम के माध्यम से सतह आकृति विज्ञान के साथ सर्फेक्टेंट एक्सचेंज की अधिक संवेदनशील जांच होती है। चित्रा 9 सतह तनाव, सतह फैलाव मापांक, और सतह आकृति विज्ञान में परिवर्तन को दर्शाता है क्योंकि ऐसा विलायक विनिमय होता है। जबकि इस तरह के विनिमय की बारीकियां भिन्न हो सकती हैं, तीन गुणों में से किसी में भी बदलाव मोनोलेयर में दूसरे घटक के एकीकरण या थोक में प्राथमिक घटक के विलायक का संकेत दे सकता है। सीएफएम छवियों से इंटरफ़ेस के साथ इसकी बातचीत का निरीक्षण करने के लिए द्वितीयक प्रजातियों से एक दूसरा फ्लोरोसेंट टैग संलग्न किया जा सकता है।

Figure 1
चित्रा 1: केशिका उपचार( ए) केशिका के स्कोरिंग को दिखाते हुए छवि। ग्लास स्कोरिंग सिरेमिक को स्थिर रखने के लिए एक क्लैंप में रखा जाता है। (बी) केशिका की एसिड-सफाई। एसिड सफाई समाधान वैक्यूम पंप के साथ केशिका में खींच लिया जाता है। (सी) केशिका का हाइड्रोफोबाइजेशन। सिलेन समाधान प्लग केशिका के अंदर आयोजित कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
(1) बड़े एल्यूमीनियम सेल धारक, (2) फ्लोरोइलास्टोमर गैसकेट (कुल चार), (3) ग्लास स्लाइड (कुल मिलाकर दो), (4) पीक सेल, और (5) छोटे एल्यूमीनियम सेल धारक। इकट्ठा होने पर, प्रत्येक ग्लास स्लाइड के दोनों ओर एक फ्लोरोइलास्टोमर गैस्केट रखा जाता है। सेल को शिकंजा और बोल्ट के साथ एक साथ रखा जाता है। पीक सेल की ज़ूम-इन छवि विभिन्न बंदरगाहों के स्थानों को दर्शाती है: (6) केशिका बंदरगाह, (7) विलायक विनिमय इनलेट, (8) विलायक विनिमय आउटलेट, और (9,10) तापमान नियंत्रण जैकेट इनलेट और आउटलेट। ट्यूबिंग या केशिका को सेल में संलग्न करने के लिए एक पीक प्लग का उपयोग किया जा सकता है। जिन बंदरगाहों का उपयोग नहीं किया जा रहा है, उन्हें चैनलों के बिना प्लग द्वारा पूरी तरह से बंद किया जा सकता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 3
चित्रा 3: सीपीएम /सीएफएम की योजनाबद्ध, पैमाने पर नहीं। (1) सीपीएम सेल, (2) टिप पर एक बुलबुले के साथ केशिका ट्यूब, (3) कॉन्फोकल माइक्रोस्कोप उद्देश्य, (4) फिल्टर के साथ माइक्रोस्कोप कैमरा उद्देश्य, (5) सीपीएम प्रकाश स्रोत, (6) माइक्रोफ्लुइडिक पंप, (7) सुरक्षा वाल्व, (8) द्रव विनिमय इनलेट, (9) द्रव विनिमय आउटलेट, (10) पेरिस्टाल्टिक पंप, (11) विनिमय द्रव जलाशय, (12) द्रव विनिमय अपशिष्ट, (12) (14) तापमान नियंत्रण जैकेट इनलेट और आउटलेट, और (15) तापमान-नियंत्रित जलाशय और पंप। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 4
चित्रा 4: सीपीएम वर्चुअल इंटरफ़ेस( 1) फ़ाइल पथ जहां डेटा सहेजा जाएगा; (2) सिस्टम पैरामीटर, टिप्पणियाँ, और सहेजें बटन। इस क्षेत्र के सभी फ़ील्ड अंतिम डेटा फ़ाइल में सहेजे जाते हैं; (3) सीपीएम कैमरा छवि; (4) छवि विश्लेषण, वार्षिकी माप, बुलबुला रीसेट, और फ्रेम प्रति सेकंड ट्रैकिंग को नियंत्रित करने वाली सेटिंग्स; (5) बुलबुला रीसेट बटन; (6) डेटा एकत्र करें बटन, डेटा रिकॉर्डिंग दर नियंत्रण, और डेटा संग्रह संकेतक; (7) सभी ऑपरेटिंग मोड सेंटरलाइन मूल्यों, दोलन आयाम और दोलन आवृत्ति के लिए नियंत्रण; (8) ऑपरेटिंग मोड स्विच: प्रत्येक टैब पर क्लिक करने से उस नियंत्रण मोड में परिवर्तन होता है। प्रत्येक मोड "दबाव सिग्नल" ग्राफ के साथ-साथ कुछ अतिरिक्त नियंत्रणों में पंप को भेजे जा रहे दबाव सिग्नल को दिखाता है; (9) लाइव सतह तनाव डेटा; (10) लाइव प्रेशर डेटा; (11) वक्रता डेटा की लाइव त्रिज्या; (12) लाइव सतह क्षेत्र डेटा; और (13) जीवित सतह तनाव और सतह क्षेत्र डेटा, जिसका उपयोग दोलन अध्ययन के दौरान चरण कोण को मोटे तौर पर निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 5
चित्रा 5: केशिका दोष( ए) और (बी) मिसकट केशिकाएं; (सी) सही ढंग से केशिका काट, (डी) खराब या अपमानित कोटिंग के कारण खराब पिनिंग के साथ केशिका, और (ई) ठीक से पिन केशिका। डी और ई में लाल तीर इंगित करते हैं कि बुलबुले कहां पिन किए गए हैं। सर्वोत्तम परिणामों के लिए, बुलबुला केशिका टिप पर पिन करेगा। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 6
चित्रा 6: सोखना अध्ययन माइक्रोटेन्सियोमीटर दोनों निरंतर दबाव (नारंगी) और निरंतर क्षेत्र (नीला) सोखना के लिए परिणाम। निरंतर क्षेत्र सोखना के लिए बुलबुला सतह क्षेत्र पूरे अध्ययन में काफी बढ़ जाता है और सोखना को एक ही सतह तनाव तक पहुंचने में अधिक समय लगता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 7
चित्रा 7: विशिष्ट सतह क्षेत्र नियंत्रण दोलन( ए) दबाव, (बी) वक्रता, और (सी) सतह क्षेत्र डेटा। सतह क्षेत्र डेटा एक साइनसोइड है जबकि दबाव और वक्रता डेटा नहीं हैं, जैसा कि दोलन के मध्य बिंदु पर नहीं होने वाले केंद्ररेखा मूल्यों से स्पष्ट है। तीन मूल्यों के बीच गणितीय संबंध का मतलब है कि केवल एक ही एक सच्चा साइनसोइड हो सकता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 8
चित्रा 8: विश्लेषण के बाद नमूना रियोलॉजिकल परिणाम। ~45 μm त्रिज्या बुलबुले के लिए लाइसो पीसी की सांद्रता बढ़ाने के लिए आवृत्ति के एक समारोह के रूप में लाइसो पीसी (1-पामिटोयल-2-हाइड्रॉक्सी-एसएन-ग्लिसरो-3-फॉस्फोकोलाइन) का फैलाव मापांक। लाइसो पीसी >0.1 एमएम की सांद्रता जो सूजन के साथ होती है, 2 ε बनाने के लिए सामान्य वेंटिलेशन / श्वास दर (पीले) की सीमा पर फैलाव मापांक को कम करती है-γ < 0, जो लाप्लास अस्थिरता (बिंदीदार लाल रेखा) को प्रेरित करने के लिए क्रॉसओवर मूल्य है। लाइसो पीसी ≤0.01 एमएम की कम सांद्रता, जो सामान्य फेफड़ों में हो सकती है, अस्थिरता को प्रेरित नहीं करती है। सेकंड > आवृत्तियों पर, सभी लाइसो पीसी सांद्रता क्रॉसओवर से ऊपर हैं, और लाप्लास अस्थिरता के लिए अतिसंवेदनशील नहीं होंगे। ठोस लाल रेखाएं डेटा के लिए सिद्धांत के फिट बैठती हैं। संदर्भ9 से पुन: प्रस्तुत चित्रा। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 9
चित्रा 9: सीएफएम और सीपीएम परिणाम फेफड़ों के सर्फेक्टेंट के लिए एक विलायक विनिमय अध्ययन के लिए डीआई पानी और फिर लाइसो पीसी के साथ आदान-प्रदान करते हैं ( ए) से पता चलता है कि पूरे अध्ययन में सतह तनाव और सतह फैलाव मापांक कैसे बदलता है। ग्राफ को चार क्षेत्रों में विभाजित किया जाता है: जब फेफड़े के सर्फेक्टेंट को इंटरफ़ेस (नीला) में अवशोषित किया जाता है, जब एलएस को डीआई पानी (हरा) के साथ आदान-प्रदान किया जाता है, जब एक्सचेंज समाधान को लाइसो पीसी समाधान (लाल) पर स्विच किया जाता है, और जब सेल लाइसो पीसी समाधान (नारंगी) से भर जाता है। गुणों को विभिन्न एक्सचेंजों में बदलने के लिए देखा जा सकता है जो इंगित करता है कि इंटरफ़ेस बदल रहा है। (बी) विनिमय से पहले इंटरफ़ेस के लिए अधिशोषित फेफड़ों के सर्फेक्टेंट की एक कॉन्फोकल छवि दिखाता है और (सी) लाइसो पीसी समाधान के साथ विनिमय पूरा होने के बाद एक ही सतह दिखाता है। दोनों मामलों में, सफेद धराशायी सर्कल केशिका के आंतरिक किनारे को इंगित करता है। मोनोलेयर पर डोमेन की संरचना विलायक विनिमय के बाद काफी बदल जाती है, जो सीपीएम परिणामों की पुष्टि करती है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

वीडियो 1: फेफड़ों के सर्फेक्टेंट के लिए निरंतर दबाव सोखना अध्ययन का कॉन्फोकल वीडियो। झूठा रंग वीडियो के बाईं ओर रंग पट्टी के साथ जेड-दिशा में दूरी दिखाता है, जिसमें बैंगनी केशिका के पास बुलबुले का संकेत देता है और हरा बुलबुले का शीर्ष होता है। इंटरफ़ेस शुरू में मंद रूप से प्रबुद्ध होता है क्योंकि फ्लोरोसेंट सर्फेक्टेंट का केवल थोड़ा सा अधिशोषित होता है। जैसे-जैसे अधिक से अधिक सर्फेक्टेंट सोखता है, बुलबुला बढ़ने लगता है क्योंकि रंग हरे रंग में अधिक स्थानांतरित हो जाता है और इंटरफ़ेस काले एलसी डोमेन द्वारा आबाद हो जाता है जो इंटरफ़ेस में स्थानांतरित हो सकता है। समाधान में सर्फैक्टेंट के समुच्चय को उज्ज्वल अनाकार आकृतियों के रूप में समाधान में तैरते हुए देखा जा सकता है और कई बुलबुला इंटरफ़ेस पर बसते हैं, इंटरफ़ेस पर अपने सर्फैक्टेंट को विघटित और जमा करते हैं। कृपया इस वीडियो को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें।

वीडियो 2: फेफड़ों के सर्फेक्टेंट के लिए दोलन अध्ययन का कॉन्फोकल वीडियो। झूठा-रंग वीडियो के बाईं ओर रंग पट्टी के साथ जेड-दिशा में दूरी दिखाता है। सतह को कई अलग-अलग दोलन आवृत्तियों के अधीन किया जाता है और इंटरफ़ेस पर अंधेरे एलसी डोमेन को दोलनों में बदलने के लिए देखा जा सकता है। कृपया इस वीडियो को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें।

अनुपूरक चित्रा 1: फैलाव रियोलॉजी निर्धारित करने के लिए कोड में एक मध्यवर्ती चरण का उदाहरण। जब यह स्क्रीन प्रकट होती है, तो उपयोगकर्ता को विश्लेषण करने के लिए दोलन के बाएं-सबसे किनारे पर बाएं-क्लिक करना चाहिए, और फिर दाएं-सबसे किनारे पर बाएं-क्लिक करना चाहिए। एकाधिक दोलनों का विश्लेषण किया जा सकता है ताकि उपयोगकर्ता 1, 2, 3 और 4 पर बाएं-क्लिक कर सके, और फिर उन दो दोलनों का विश्लेषण करने के लिए राइट-क्लिक करें। दिखाए गए दोलन विभिन्न आयामों और आवृत्तियों के हैं। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

पूरक चित्रा 2: फैलाव रियोलॉजी कोड द्वारा उत्पादित ग्राफिकल परिणामों का उदाहरण। यह दबाव, त्रिज्या, सतह क्षेत्र और सतह तनाव में दोलनों के साथ-साथ प्रत्येक दोलन के फूरियर रूपांतरण के लिए साइनसोइड्स के फिट बैठता है। आदर्श रूप से, फूरियर रूपांतरण में दूसरा हार्मोनिक सतह क्षेत्र और सतह तनाव के लिए पहले हार्मोनिक के 10% से कम होना चाहिए। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

अनुपूरक चित्रा 3: वैकल्पिक ऑपरेशन मोड। (ए) साइन वेव, (बी) सॉटूथ तरंग, (सी) स्क्वायर वेव, (डी) त्रिकोणीय तरंग, (ई) निरंतर दर विस्तार, और (एफ) निरंतर दर संपीड़न। संपीड़न और विशाल मोड अघुलनशील सर्फैक्टेंट के लिए लैंगमुइर प्रकार के आइसोथर्म बनाने की अनुमति देते हैं। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

पूरक कोडिंग फ़ाइल 1: माइक्रोटेंसियोमीटर वर्चुअल Interface.vi। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

पूरक कोडिंग फ़ाइल 2: Dilatational_Rheology_Analysis.एम. कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

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Discussion

सीएफएम इंटरफेशियल गतिशीलता, संतुलन और आकृति विज्ञान की जांच के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है। यह प्रोटोकॉल सीपीएम/सीएफएम के साथ डेटा प्राप्त करने के लिए आवश्यक चरणों का वर्णन करता है।

चित्रा 2 संकेत केशिका, विलायक, और गर्मी विनिमय के लिए चैनलों के साथ सेल डिजाइन से पता चलता है। विलायक विनिमय के लिए इनलेट सेल के नीचे होना चाहिए जबकि आउटलेट शीर्ष पर होना चाहिए, जिससे सेल एक्सचेंज के दौरान ओवरफ्लो नहीं हो सकता है। व्यवहार में, इनलेट और आउटलेट प्रवाह दर एक ही पेरिस्टाल्टिक पंप के लिए थोड़ा अलग हो सकती है। इस सेल डिजाइन के साथ एक आम समस्या सेल से लीक हो रही है। यह अक्सर सेल और कनेक्शन में से एक के बीच खराब कनेक्शन के कारण होता है, लेकिन यदि सभी कनेक्शन सूखे हैं और लीक नहीं होते हैं, तो यह सेल के आसपास के बोल्ट के अधिक कसने के कारण सेल की ग्लास स्लाइड में दरार के कारण हो सकता है।

चित्रा 3 विभिन्न पंपों और सेल के साथ-साथ सीएफएम और सीपीएम उद्देश्यों के साथ सेल के संरेखण के बीच कनेक्शन दिखाता है। सीपीएम कैमरा (4) का उपयोग ऑपरेशन के दौरान बुलबुला आकार को चित्रित करने के लिए किया जाता है। सीपीएम कैमरे को एक ऑप्टिकल फिल्टर के साथ आउटफिट किया जाना चाहिए जो सीएफएम रोमांचक लेजर लाइट को सीपीएम कैमरे में प्रवेश करने से रोकता है। अन्यथा, सीएफएम लेजर सीपीएम कैमरे में छवियों को अत्यधिक शोर और छवि विश्लेषण का उपयोग करके फिट करना मुश्किल बनाता है। एक सुरक्षा वाल्व केशिका और माइक्रोफ्लुइडिक पंप (7) को जोड़ता है और पंप तक पहुंचने वाले सेल से बैकफ्लो के जोखिम के बिना पंप और वायु दबाव स्रोत में परिवर्तन करने की अनुमति देता है। एक दूसरा वाल्व (13) जलाशय के अंदर और बाहर तरल पदार्थ के प्रत्यक्ष इंजेक्शन की अनुमति देने के लिए एक सिरिंज तक पहुंच प्रदान करता है। रिसाव के मामले में जलाशय में तरल पदार्थ को जोड़ने की आवश्यकता हो सकती है और प्रोटोकॉल (अघुलनशील सर्फेक्टेंट सोखना) के चरण 8 के लिए या केशिका से शुद्ध बुलबुले को हटाने की आवश्यकता हो सकती है यदि वे कॉन्फोकल उद्देश्य से जुड़े हैं।

प्रत्येक प्रयोग के दौरान, कई महत्वपूर्ण चरणों को सावधानीपूर्वक किया जाना चाहिए। साधन चलने के बाद होने वाली अधिकांश समस्याएं, केशिका को ही शामिल करती हैं। इस प्रकार, सावधानीपूर्वक काटने और कोटिंग कठिनाइयों को कम कर सकती है। केशिका को वांछित व्यास में काटना एक कठिन और कम उपज प्रक्रिया है। केशिका की नोक में कोई चिप या असमानता बुलबुला त्रिज्या के खराब रीडिंग को जन्म देगी। इसके अतिरिक्त, यदि हाइड्रोफोबिक कोटिंग को सही ढंग से लागू नहीं किया जाता है, या यदि यह समय और उपयोग के साथ खराब हो जाता है, तो बुलबुला केशिका की नोक पर ठीक से पिन नहीं होगा। यह बुलबुले द्वारा इंगित किया जा सकता है जो केशिका के अंदर पिन किया जाता है या एक दोलन अध्ययन के दौरान केशिका के अंदर फिसलने लगता है। एक केशिका जिसे अच्छी तरह से काटा जाता है लेकिन ठीक से पिन नहीं किया जाता है, उसे फिर से साफ किया जा सकता है और हाइड्रोफोबिक रूप से इलाज किया जा सकता है।

एक और महत्वपूर्ण कदम और त्रुटि का संभावित स्रोत विभिन्न सामग्रियों या एक ही सामग्री की विभिन्न सांद्रता के बीच सेल जलाशय, ट्यूबिंग और केशिका की सफाई कर रहा है। जलाशय में कई छोटी दरारें हैं और सर्फेक्टेंट ठीक से साफ नहीं होने पर बाद के समय में लिए गए माप को सोख सकता है और बदल सकता है। किसी भी अतिरिक्त सतह-सक्रिय सामग्री को हटाने को सुनिश्चित करने के लिए अक्सर सेल के पूर्ण विघटन और भिगोने की आवश्यकता होती है। यदि एक ही सर्फैक्टेंट की सांद्रता की एक श्रृंखला का अध्ययन किया जाना है तो सबसे कम एकाग्रता का उपयोग करके शुरू करना बेहतर है।

कभी-कभी, कॉन्फोकल उद्देश्य के साथ केशिका ट्यूब को अस्तर करना मुश्किल हो सकता है। माइक्रोटेंसियोमीटर कैमरे का उपयोग कॉन्फोकल उद्देश्य को संरेखित करने में मदद करने के लिए किया जा सकता है, लेकिन सीएफएम उद्देश्य की एक बड़ी कामकाजी दूरी के लिए, यह सहायक नहीं हो सकता है। यदि कॉन्फोकल माइक्रोस्कोप केशिका की नोक से परे केंद्रित है, तो केशिका क्रॉस-सेक्शन, किसी भी फ्लोरोसेंट सामग्री से रहित क्षेत्र, उद्देश्य को उन्मुख करने में मदद करने के लिए भी इस्तेमाल किया जा सकता है। यदि केशिका बुलबुला बाहर नहीं निकलता है, तो केशिका को आपूर्ति किए जा रहे दबाव के साथ एक समस्या हो सकती है (जिसे सामान्य ऑपरेशन के तहत 150 एमबार माना जाता है)। दबाव नियंत्रण मोड में प्रवेश करके और दबाव को उच्च मूल्य पर सेट करके इसकी जांच की जा सकती है। यदि दबाव निर्धारित दबाव तक नहीं पहुंचता है, तो माइक्रोफ्लुइडिक पंप से ट्यूबिंग में रिसाव होने की संभावना है या पंप को पर्याप्त गैस दबाव नहीं मिल रहा है। सतह विज्ञान से जुड़े कई अध्ययनों के साथ, यह सुनिश्चित करना महत्वपूर्ण है कि किसी भी बिंदु पर समाधान के लिए कोई दूषित सामग्री पेश नहीं की जाती है। यदि रीडिंग अपेक्षित नहीं है (सतह तनाव बहुत कम शुरू होता है या बहुत जल्दी कम हो जाता है), तो एक नया नमूना बनाना, या एक अच्छी तरह से अध्ययन किए गए नमूने या शुद्ध तरल का उपयोग करना भी समस्या निवारण में एक अच्छा प्रारंभिक कदम है।

अन्य प्रायोगिक लक्ष्यों को प्राप्त करने के लिए उपकरण में कई संशोधन किए जा सकते हैं। तेल या पानी को केशिका में जोड़ा जा सकता है जो हवा-पानी के इंटरफेस के बजाय तेल-पानी के अध्ययन की अनुमति देता है39. यह पंप में बैकफ्लो के जोखिम को बढ़ाता है इसलिए अतिरिक्त देखभाल की जानी चाहिए, संभावित रूप से पंप और केशिका के बीच टयूबिंग में तेल जाल जोड़ना भी आवश्यक हो सकता है।

सीपीएम/सीएफएम की कई सीमाएं हैं। सीपीएम में केशिका आकार की एक सीमित कामकाजी सीमा है, सिस्टम में पंप और प्रकाशिकी के लिए केशिका आयुध डिपो के लिए 20-300 μm। हालांकि विलायक विनिमय41 या यहां वर्णित विधि का उपयोग करके इंटरफ़ेस में अघुलनशील सर्फैक्टेंट जोड़ना संभव है, सतह एकाग्रता को केवल सतह तनाव बनाम क्षेत्र आइसोथर्म करने और लैंगमुइर गर्त से प्राप्त लोगों की तुलना करने से अनुमान लगाया जा सकता है। सीएफएम केवल फ्लोरोसेंट सामग्री का पता लगा सकता है, इसलिए किसी भी गैर-फ्लोरोसेंट या गैर-फ्लोरोसेंटली टैग की गई सामग्री की कल्पना नहीं की जा सकती है। कई सर्फैक्टेंट छोटे अणु होते हैं, और उन्हें टैग करने से संभावित रूप से उनके गुण बदल सकते हैं, हालांकि यह प्रोटीन या पॉलिमर26,27 जैसे बड़े सतह-सक्रिय अणुओं के लिए एक समस्या से कम होना चाहिए।

सर्फेक्टेंट-लेटे हुए इंटरफेस के पिछले सीपीएम और सीएफएम विश्लेषणों पर इस पद्धति के कई प्रमुख फायदे हैं। सबसे महत्वपूर्ण यह है कि हाइब्रिड उपकरण इंटरफ़ेस के दृश्य के लिए अनुमति देता है जबकि विभिन्न गतिशील और संतुलन सतह गुणों को मापा जा रहा है। इंटरफ़ेस की आकृति विज्ञान में परिवर्तन सीधे इंटरफेशियल गतिशीलता और रियोलॉजिकल गुणों से जुड़ा हो सकता है। सर्फैक्टेंट-लेटे हुए इंटरफेस का पिछला सीएफएम एक फ्लैट लैंगमुइर गर्त 16,20,28,29,42,43,44,45,46,47 का उपयोग करके किया गया था, जबकि यहां वर्णित विधि अत्यधिक घुमावदार इंटरफेस22 पर की जा सकती है . इसके अतिरिक्त, पूरे इंटरफ़ेस को एक बार में चित्रित किया जा सकता है, विशिष्ट डोमेन का वास्तविक समय ट्रैक करने योग्य परिवर्तन दिखा रहा है, जबकि लैंगमुइर गर्त पर सतह के प्रवाह ने कन्फोकल दृश्य विंडो के अंदर और बाहर बहने वाले डोमेन का नेतृत्व किया। इस उपकरण पर सतह संपीड़न भी आइसोट्रोपिक हैं, जबकि लैंगमुइर गर्तों पर बाधाओं में विशेष संपीड़न दिशाएं हैं। सीपीएम लैंगमुइर गर्त पर संभव होने की तुलना में बहुत तेजी से क्षेत्र दोलनों की अनुमति देता है।

इस अध्ययन में नए वक्रता और क्षेत्र-आधारित नियंत्रण में सीपीएम30 के पिछले संस्करणों पर प्रमुख फायदे हैं। आमतौर पर, बुलबुला आकार एक निश्चित केशिका दबाव सेट करके नियंत्रित किया गया था; फैलाव मॉड्यूली माप के लिए, केशिका दबाव दोलन किया गया था। जब केशिका दबाव को स्थिर रखा जाता है, क्योंकि इंटरफ़ेस में सर्फेक्टेंट सोखना होता है, तो बुलबुले की सतह का तनाव कम हो जाता है। लाप्लास समीकरण को संतुष्ट करने के लिए, ΔP = 2γ/R, वक्रता की त्रिज्या कम होनी चाहिए क्योंकि सतह तनाव कम हो जाता है। सीपीएम में गोलार्द्ध बुलबुले के लिए, वक्रता के बुलबुला त्रिज्या को कम करने से बुलबुला क्षेत्र 9,48 बढ़ जाता है:

Equation 10

जिसमें आरसीकेशिका त्रिज्या है और आर वक्रता का बुलबुला त्रिज्या है। बुलबुले की बदलती त्रिज्या सोखना के दौरान इंटरफ़ेस के क्षेत्र को बदलदेती है, जो वार्ड-टोरडाईसमीकरणों 10,38 का उपयोग करके सोखना के विश्लेषण को जटिल बनाती है इसके अतिरिक्त, यदि बुलबुले की सतह तनाव पर्याप्त कम हो जाती है, तो बुलबुला त्रिज्या केशिका त्रिज्या से छोटा हो जाएगा और बुलबुला बाहर निकल जाएगा। सीएफएम में फीडबैक लूप पूरे सोखना में बुलबुला क्षेत्र को स्थिर रखता है, जिसका अर्थ है कि मूल वार्ड-टोरडाई समीकरण का उपयोग किया जा सकता है, बुलबुला इजेक्शन का कोई खतरा नहीं है, और सोखना अधिक तेज़ी से होता है क्योंकि सतह क्षेत्र में नहीं बढ़ रही है। दोलन अध्ययन के लिए, दबाव में एक साइन तरंग का उत्पादन सतह क्षेत्र48 में एक साइन तरंग का उत्पादन नहीं करता है। पिछले सीपीएम विधियों ने एक साइन तरंग48 का अनुमान लगाने के लिए दबाव-चालित दोलन के कारण क्षेत्र परिवर्तन के लिए दोलनों को छोटा रखने पर भरोसा किया। वर्णित विधि सीधे बुलबुले के क्षेत्र को नियंत्रित करती है और इसका उपयोग इंटरफेशियल क्षेत्र में सच्चे साइन तरंग दोलनों को बनाने के लिए किया जा सकता है। फैलाव मापांक की गणना करने के लिए तनाव (सतह तनाव में परिवर्तन) को इंटरफेशियल तनाव (सतह क्षेत्र में परिवर्तन) से सीधे संबंधित करना संभव है।

इस प्रोटोकॉल के कार्यान्वयन में मदद करने के लिए, माइक्रोटेंसियोमीटर को नियंत्रित करने वाले कोड का एक संक्षिप्त विवरण यहां वर्णित है। कोड में लूप में तीन खंड होते हैं: एक माइक्रोफ्लुइडिक पंप को कमांड जारी करता है, एक बुलबुले के रीसेट तंत्र को नियंत्रित करता है, और एक बुलबुले की त्रिज्या को मापता है और गणना किए गए मूल्यों को बचाता है। पंप नियंत्रक में तीन मुख्य ऑपरेटिंग मोड हैं: दबाव नियंत्रण, वक्रता नियंत्रण और क्षेत्र नियंत्रण। दबाव नियंत्रण में, उपयोगकर्ता सीधे पंप द्वारा बनाए गए दबाव के लिए एक निर्धारित बिंदु इनपुट करता है। यह मोड महत्वपूर्ण है क्योंकि इसे फीडबैक लूप की आवश्यकता नहीं है, और इस तरह मोड का सबसे स्थिर है। वक्रता नियंत्रण पहले मापा सतह के दबाव और लाप्लास समीकरण का उपयोग करता है ताकि यह गणना की जा सके कि किसी दिए गए वक्रता का इंटरफ़ेस बनाने के लिए किस दबाव की आवश्यकता है। सतह क्षेत्र नियंत्रण मोड इस पर गणना करके बनाता है कि गोलाकार टोपी की ज्यामिति के आधार पर किसी दिए गए सतह क्षेत्र को बनाने के लिए क्या वक्रता की आवश्यकता होती है, जिसके लिए केशिका त्रिज्या के सटीक माप की भी आवश्यकता होती है। ये दो मोड सोखना और दोलन अध्ययन के लिए विशेष रूप से उपयोगी हैं लेकिन लगातार सतह दबाव डेटा की एक स्थिर धारा की आवश्यकता होती है। इस प्रकार, इन दो नियंत्रकों में फ़ीड को बेहतर कार्य के लिए कच्चे डेटा से चिकना करने की आवश्यकता हो सकती है। जब समाधान पर्याप्त स्पष्ट नहीं होता है, तो अक्सर अत्यधिक टर्बिड नमूने के कारण, यह मोड ठीक से काम नहीं करेगा क्योंकि बुलबुला इंटरफ़ेस की अच्छी छवि प्राप्त करना संभव नहीं है। दोलन के लिए नियंत्रण भी कोड के इस खंड में शामिल हैं। कोड का मध्य खंड बुलबुले को केशिका से साफ करने की अनुमति देता है। यहां, केशिका का सेट दबाव एक उच्च मूल्य पर सेट किया जाता है और बुलबुले को पॉप करने और एक नया इंटरफ़ेस बनाने की अनुमति देने के लिए एक निर्धारित समय के लिए वहां रखा जाता है। कोड का अंतिम खंड बुलबुले के किनारे को ट्रैक करने और इसकी त्रिज्या को मापने के लिए दृष्टि अधिग्रहण सॉफ्टवेयर का उपयोग करता है। इस त्रिज्या का उपयोग तब सतह तनाव की गणना करने के लिए लाप्लास समीकरण के साथ किया जाता है, जिसे तब लूप के प्रारंभिक भाग में खिलाया जाता है।

यह हाइब्रिड सीपीएम / सीएफएम तकनीक हवा-पानी इंटरफेस पर मॉडल और नैदानिक फेफड़ों के सर्फैक्टेंट के हमारे अध्ययन के लिए बहुत फायदेमंद साबित हुई है। बुलबुला आयाम मानव फेफड़ों में एल्वियोली में उन लोगों का अनुमान लगाते हैं और फेफड़ों के सर्फेक्टेंट मोनोलेयर की आकृति विज्ञान और गतिशीलता पर इंटरफेशियल वक्रता के प्रभाव 9,10,22 देखे जा सकते हैं। हाइब्रिड उपकरण अन्य सतह-सक्रिय सामग्रियों के अध्ययन के लिए भी महत्वपूर्ण होगा जो पेट्रोकेमिकल से लेकर घरेलू रसायनों तक, आंसू फिल्मों से एंटीबॉडी स्थिरीकरण तक के अनुप्रयोगों के साथ सर्वव्यापी हैं। सीएफएम हमें चरण-पृथक डोमेन के पैमाने पर गतिशील इंटरफेशियल गुणों की जांच करने और बाहरी स्थितियों में परिवर्तन के रूप में सतह पर आकृति विज्ञान की कल्पना करने की अनुमति देता है। यह विधि उन अनुप्रयोगों में विशेष रूप से उपयोगी है जहां महंगी सामग्रियों को न्यूनतम आकार के नमूनों का उपयोग करने की आवश्यकता होती है। इंटरफेशियल डायनेमिक्स और मोनोलेयर आकृति विज्ञान का एक साथ अवलोकन किसी भी अन्य तकनीक के साथ लगभग असंभव है, जिससे यह इंटरफेशियल विज्ञान के क्षेत्र में मोटे तौर पर लागू होता है।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए हितों का कोई टकराव नहीं है।

Acknowledgments

सभी कॉन्फोकल माइक्रोस्कोपी छवियों को निकॉन ए 1 आरएचडी मल्टीफोटॉन ईमानदार कॉन्फोकल माइक्रोस्कोप का उपयोग करके प्राप्त किया गया था। हम मिनेसोटा विश्वविद्यालय में यूनिवर्सिटी इमेजिंग सेंटर में सहायक कर्मचारियों, विशेष रूप से गिलर्मो मार्केस के मार्गदर्शन और सहायता को स्वीकार करते हैं। इस काम को एनआईएच ग्रांट एचएल 51177 द्वारा समर्थित किया गया था। एसआई को रूथ एल किर्शस्टीन एनआरएसए संस्थागत अनुसंधान प्रशिक्षण अनुदान एफ 32 एचएल 151128 द्वारा समर्थित किया गया था।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1.5 O.D. Tygon tubing Fischer Scientific Tubing
A1RHD Multiphoton upright confocal microscope Nikon Confocal Microscope
Acid Cleaning Solution Sulfuric acid and Alnochromix diluted with water 50% by volume, wait until clear befor diluting
Alnochromix Alconox 2510 Mixed with sulfuric acid to package instructionand diluted to make acid cleaning solution
Ceramic glass cutter Sutter Instruments
Chloroform Sigma-Aldrich 650471 HPLC Plus
Curosurf Chiesi  Lung Surfactant
Di Water 18.5 MΩ - cm
Ethanol any 200 proof used for hydrophobization, denatured used for cleaning
Fiber-Lite Model 190 fiber optic illuminator Dolan-Jenner Industries Inc. 281900100 Light source; other light sources should work as well
Flow EZ F69 mbar w/Link Module Fluigent LU-FEZ-0069 Microfluidic Pump
Fluigent SDK VIs Fluigent Required for CPM virtual Interface
Fluoroelastomer gaskets Machined from 1 mm thick Viton sheet, See figure 3
Gas filter Norgren F07-100-A3TG Put between microfluidic pump and pressure regulator
Gas regulator Norgren 10R0400R Steps down pressure from sorce to range of pump, connected to gas filter range 2-120 psi
Glass Capilary Sutter Instruments B150-86-10 Borosilicate glass O.D. 1.5 mm I.D. 0.86 mm
Glass Slide any 75 mm x 25 mm
Glass Syringe Hamilton 84878 25 μL glass syringe
Hydrophobizing Agent Sigma-Aldrich 667420 1H,1H,2H,2H-Perfluoro-octyltriethoxysilane 98%, other hydrophobic triethoxysilane can be substituted
Insoluble surfactant Avanti 850355C-200mg 16:0 DPPC in chloroform
LabVIEW Software National Instruments 2017
Longpass Filter ThorLabs FEL0650 650 nm Longpass filter, wavelength must remove excitation lazer frequence
Lyso-PC Avanti 855675P 16:0 Lyso PC 1-palmitoyl-2-hydroxy-sn-glycero-3-phosphocholine
Masterflex L/S variable speed analog consol pump system w/  Easy-Load II pump head Masterflex HV-77916-20 Peristaltic Pump
MATLAB Mathworks R2019
Micropipette Puller P-1000 Sutter Instruments Capillary Puller
Microtensiometer Cell and Holder Cell machined from PEEK, holder machined from aluminum, See Figure 3 and 4
Microtensiometer Objective Nikon Fluor 20x/0.50W DIC M/N2 ∞/0 WD 2.0 mm
NI Vision Development Module National Instruments Required for CPM virtual Interface
PEEK finger tight fittings IDEX F-120x 10-32 Coned Ports
PEEK plug IDEX P-551 10-31 Coned Ports
pippette tips Eppendorf 22492225 100 μL - 1000 μL, Autoclaved
Plastic Forceps Thermo Scientific 6320-0010
Plastic Syringe Fischer Scientific 14-955-459 10 mL
Plumbing parts Fischer Scientific 3-way valves and other plumbing parts to connect tubing.
Research Plus 1-channel 100 μL–1000 μL Eppendorf 3123000063 Micro pipetter
Sulfuric Acid any Used for acid cleaning solution
T Plan SLWD 20x/0.30 OFN25 WD 30 mm Nikon Confocal Microscope Objective
Texas Red DHPE triethylammonim salt Thermo Fischer Scientific 1395MP Fluorophore
Vaccum Pump Gast DOA-P704-AA

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Iasella, S. V., Barman, S., Ciutara, C., Huang, B., Davidson, M. L., Zasadzinski, J. A. Microtensiometer for Confocal Microscopy Visualization of Dynamic Interfaces. J. Vis. Exp. (187), e64110, doi:10.3791/64110 (2022).

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