التصوير متحد البؤر المحصورة من هادئة ويتدفق مخاليط البوليمر المادة الغروية

Summary

ويستخدم المجهر متحد البؤر لصورة مخاليط البوليمر الغروانية هادئة وتتدفق، والتي يتم دراستها كما نظم نموذج للمعلقات جذابة. وتستخدم خوارزميات تحليل الصور لحساب المقاييس الهيكلية وديناميكية للالجسيمات الغروية التي تقيس التغيرات بسبب الحبس هندسية.

Abstract

سلوك المعلقات الغروية تقتصر التفاعلات بين الجسيمات مع جذابة أمر حاسم لتصميم الرشيد للمواد موجهة لتجميع ^1-3، تسليم المخدرات ^4، وتحسين الانتعاش ^5-7 الهيدروكربونية، وأقطاب flowable لتخزين الطاقة ^8. معلقات تحتوي على الغرويات والبوليمرات الفلورية غير التكثيف-جذابة أنظمة النموذج، كما أن نسبة نصف قطر الدوران البوليمر إلى دائرة نصف قطرها الجسيمات وتركيز السيطرة بوليمر مدى وقوة الجذب بين الجسيمات، على التوالي. عن طريق ضبط خصائص البوليمر وجزء حجم الغرويات والسوائل الغروانية، والسوائل التجمعات، والمواد الهلامية، والبلورات، والنظارات ويمكن الحصول على ^9. المجهري متحد البؤر، وهو البديل من مضان المجهري، يسمح للعينة شفافة بصريا والفلورسنت ليمكن تصوير مع مكانية عالية والقرار الزماني في ثلاثة أبعاد. في هذه التقنية، وهي ذات الثقب صغير أو شق كتل ضوء الفلورسنت المنبعثة من المناطق من العينة التي هي خارج الحجم البؤري للنظام بصري المجهر. ونتيجة لذلك، يتم تصوير سوى جزء رقيقة من العينة في المستوى البؤري. بشكل خاص يناسب هذه التقنية بشكل جيد لتحقيق بنية وديناميات في تعليق الغروية كثيفة في نطاق واحد الجسيمات: الجسيمات هي كبيرة بما يكفي لحلها باستخدام الضوء المرئي ومنتشر ببطء بما فيه الكفاية ليتم القبض بسرعات المسح نموذجية نظم متحد البؤر التجارية ¹⁰ . وقد مكنت التحسينات في سرعة المسح الضوئي وخوارزميات التحليل أيضا التصوير متحد البؤر الكمية المتدفقة تعليق ^11-16،37. في هذه الورقة، ونحن لشرح التجارب المجهري متحد البؤر للتحقيق في سلوك المرحلة المحصورة وخصائص تدفق مخاليط الغروانية البوليمر. علينا أولا إعداد كولالخلائط OID البوليمر التي هي الكثافة والانكسار مؤشر المتطابقة. المقبل، ونحن التقرير بروتوكول قياسي لتصوير هادئة مخاليط البوليمر الغروانية كثيفة تحت الحبس متفاوتة في الخلايا على شكل وتد رقيقة. أخيرا، علينا أن نظهر بروتوكول لتصوير مخاليط البوليمر الغروانية خلال تدفق متناهية.

Introduction

يوضح هذه الورقة (أ) التصوير متحد البؤر مخاليط البوليمر الغروانية تقتصر هادئة وتتدفق في بعدين وثلاثة أبعاد و(ب) الجسيمات تتبع وتحليل العلاقة من الصور الناتجة للحصول على معلومات كمية عن السلوك المرحلة وخصائص التدفق.

تظهر المعلقات الغروية مع التفاعلات بين الجسيمات جذابة بتواجد مطلق في التطبيقات التكنولوجية كمواد موجهة لتجميع ^1-3، تسليم المخدرات ^4، وتحسين الانتعاش ^5-7 الهيدروكربونية، وتخزين الطاقة ^8. ثمة سمة مشتركة بين هذه التطبيقات هو أن الجسيمات يجب أن تتدفق من خلال هندستها الجميلة، مثل الفوهات، رؤوس الطباعة، microchannels، أو وسائل الإعلام التي يسهل اختراقها، و / أو أن تكون على شكل في الأغشية الرقيقة أو قضبان. التقنيات المستخدمة لتحقيق هيكل الغرويات ميكرون الحجم في هندستها المحصورة، بما في ذلك الإلكترون المجهري ^17،18، المجهر الأشعة السينية ^19، والليزر حيود مicroscopy ^20، ويمكن استخدامها لقياس هيكل وديناميكية الجزيئات على الميكروسكيل. هذه التقنيات، ومع ذلك، لا تسمح بالوصول إلى مسارات الجزيئات الفردية، والتي من المقاييس الهيكلية وديناميكية يمكن حسابها للمقارنة مباشرة إلى المحاكاة العددية ^21،22.

المجهري متحد البؤر هو البديل من مضان المجهر تمكن من التصوير أقسام رقيقة من عينة الفلورسنت. للعلم الغروية ^10، هذه التقنية مفيدة بشكل خاص للتصوير في أعماق تعليق كثيفة أو في ثلاثة أبعاد. الخوارزميات الجسيمات تتبع ²³ تطبيقها على اثنين أو سلسلة زمنية ثلاثية الأبعاد من الميكروسكوب متحد البؤر تسفر عن مسارات جميع الجزيئات مرئية. ونتيجة لذلك، تم تطبيق مزيج من المجهري متحد البؤر والجسيمات تتبع لدراسة سلوك المرحلة، وهيكل، وديناميات تعليق الغروية، بما في ذلك بلورات أمر ^24-27 والفوضىإد نظارات ^{28-31 32-35} والمواد الهلامية.

غيرها من خوارزميات تحليل الصور يمكن تطبيقها لقياس ديناميكية الجسيمات من سلسلة زمنية من الميكروسكوب متحد البؤر. على سبيل المثال، وديناميات الجسيمات ناشر يمكن دراستها من خلال تحليل التقلبات في كثافة بمرور الوقت باستخدام المجهر متحد البؤر الفرق ديناميكية ^36. عندما التشريد الجسيمات أكبر من التباعد بين الجسيمات، وصورة العلاقة القائمة على ³⁷ صورة الجسيمات velocimetry ^38-40 يمكن تطبيقها لقياس ملامح سرعة الجسيمات. سمح مزيج من تتبع وارتباط خوارزميات ديناميات الغروية التي يمكن قياسها في النظم تمر بطيئة وسريعة التدفق ^{11-16،41-45.}

نستخدم مخاليط البوليمر الغروانية كنماذج لتعليق الغروية جذابة ^9. في هذه الخلائط، يتم التحكم في مدى وقوة محتملة بين الجسيمات جذابة عن طريق نسبةفي دائرة نصف قطرها من الدوران البوليمر إلى دائرة نصف قطرها الجسيمات وتركيز البوليمر والتنافر الكهربائي يتم التحكم فيها عن طريق إضافة الملح العضوية الأحادي التكافؤ ^46. لأن التفاعلات بين الجسيمات يمكن ضبطها بعناية، وترسيخ هذه الخلائط وقد درس على نطاق واسع مع المجهري متحد البؤر ^34،47-51.

نحن هنا لشرح التصوير متحد البؤر وتحليل الصور ³⁷ من مخاليط البوليمر الغروانية هادئة وتتدفق، والذي يقام على جزء من حجم الغروانية ثابتة في Φ = 0.15، وهذا التحقيق أثر الحبس على سلوك المرحلة وخصائص تدفق هذه الخلائط. هذه التقنيات قابلة للتطبيق على نطاق واسع لأنظمة الجسيمات التي هي الانكسار وفيها الجسيمات و / أو المذيبات يمكن المسمى مع صبغة الفلورسنت يقابل مؤشر.

Protocol

1. إعداد خلطات المادة الغروية البوليمر

ملاحظة: يستخدم هذا البروتوكول بولي (ميتاكريليت الميثيل) (البولى ميثيل ميثا أكريلات) الجسيمات، استقرت sterically باستخدام بولي (حمض 12 hydroxystearic) والمسمى مع صبغة الفلورسنت (مثل النيل الأحمر، رودامين B، أو فلوريسئين)، التي تم توليفها بعد القياسية وصفة ^52.

1. إعداد 03:01 ث / ث خليط من بروميد cyclohexyl (CXB) وdecahydronaphthalene (DHN) كمذيب الأسهم. هذا الخليط مباريات تقريبا الكثافة ومعامل الانكسار من الجزيئات. إضافة الملح العضوي، وكلوريد tetrabutylammonium (TBAC) ^46، للمذيب بتركيز 1.5 ملم إلى الشاشة جزئيا الرسوم على الجسيمات.
2. ان يحدد بدقة كثافة الجسيمات، وإعداد تعليق على حجم الجسيمات تقريبي جزء Φ = 0.10 في CXB: المذيبات DHN. الطرد المركزي تعليق في 800 x ج لمدة 75 دقيقة وإضافة CXB أو DHN نقطه نقطه لتحسين الطفومطابقة. في هذه التجارب، وقد تم قياس كثافة الجسيمات PMMA أن ρ = 1.223 جم / مل.
3. إعداد تعليق المركزة الأسهم الجسيمات البولى ميثيل ميثا أكريلات (هنا، Φ = 0.40) في CXB: DHN خليط المذيبات.
4. إعداد محلول مركز من البوليسترين الخطية (PS) في CXB: DHN خليط المذيبات. هنا، وإيجاد حل لPS من الوزن الجزيئي M _ث ≈ 3،000،000 تم إعداد (نصف قطر الدوران ص _ز = 15 نانومتر) في تركيز ج _ع ≈ 50 ملغ / مل.
5. مزيج الأوزان المناسبة للجسيمات، البوليمر، ومخاليط المذيبات الأسهم لصياغة تعليق على تركيزات الجسيمات المرجوة من والبوليمرات.
   ملاحظة: وهنا، يتم إعداد تعليق الجسيمات monodispersed في حجم ثابت الغروانية جزء Φ = 0.15 وتركيز البوليمر المتغير في حجم حرة ⁵³ ج _ص = 0-25 ملغ / مل، وbidispersed تعليق يحتوي على اثنين من أحجام الجسيمات الغروية، ثيتم إعداد إيث كل حجم تحمل تسمية الفلورسنت متميزة، ثابتة في مجموع جزء من حجم الغروانية Φ = 0.15، نسبة حجم جزء من جسيمات صغيرة ص = 0.50، وتركيز البوليمر في حجم خالية من 5 أو 25 ملغ / مل.
6. بعد إعداد كل تعليق، أو إضافة CXB DHN نقطه نقطه وأجهزة الطرد المركزي العينات في 800 x ج لمدة 75 دقيقة على الأقل للتأكد من أن الجزيئات وكتل داخل التعليق تبقى الطفو المتطابقة.
7. تتوازن جميع العينات لمدة 24 ساعة على الأقل قبل تجارب التصوير.

2 عينة هادئة التجارب: المرحلة السلوك

1. لتحديد سلوك المرحلة السائبة، وافتعال غرف مستطيلة من الزجاج coverslips (الشكل 1A). لمخاليط الغروانية البوليمر في هذه الدراسة، وغرف سمك ح = 1 ملم (التي وضعتها سمك شريحة المجهر) تعطي السلوك بكميات كبيرة.
2. للوصول إلى زنازين متعددة في التجربة المجهري واحد، افتعال رقيقة إسفينعلى شكل دوائر، وذلك باستخدام واحدة ساترة كفاصل على واحد إسفين (الشكل 1B). افتتاح زاوية من الغرفة هو <0.5 درجة، حتى أنه في حقل واحد من عرض الجدران وموازية تقريبا للغاية. A غرفة ممثل يسمح بالوصول إلى سمك الحبس من ح = 6 ل> 100 ميكرون.
3. بناء غرف على قاعدة ساترة للتصوير على مجهر مقلوب وختم مع الأشعة فوق البنفسجية للشفاء الايبوكسي، والتي لا تذوب في خليط المذيبات CXB-DHN.
4. عينات الصورة باستخدام المجهر متحد البؤر. يوضح هذا البروتوكول التصوير مع خط متحد البؤر المسح تعلق على مجهر مقلوب مجهزة 100X عدسة الغمر النفط من الفتحة العددية NA = 1.40.
5. تثير الأصباغ باستخدام مصدر ليزر. أمواج بطول هنا تستخدم λ = 491 نانومتر أو 561 لإثارة فلوريسئين والأصباغ رودامين / النيل الأحمر، على التوالي.
6. في نقطة نظام المسح الضوئي، وتوليد صورة عن طريق المسح الضوئي بسرعة النقطة المحورية عبر العينة (في سطائرة ذ) باستخدام برنامج متحد البؤر. صورة ثنائية الأبعاد من 512 بكسل × 512 بكسل، والتي تغطي ما يقرب من 50 ميكرومتر × 50 ميكرون، ويمكن الحصول عليها في 1/32 ثانية. تحسين جودة الصورة من خلال صور متعددة في المتوسط ​​أو زيادة اكتساب الوقت.
7. تحديد الجزء السفلي من الغرفة (ض = 0)، على سبيل المثال من خلال التركيز على جزيئات انضمت إلى القاع. في هذا الإعداد، وارتفاع (ض) يزيد مع زيادة التركيز في الغرفة.
8. كمثال على ذلك، تميز أثر الحبس على ديناميات من الجسيمات من خلال الحصول على سلسلة زمنية 2-D من الصور (في الطائرة س ص) في المستوى الناصف للغرفة. في تجربة نموذجية، 500 صورة من البعد يتم الحصول على 512 بكسل × 512 بكسل بمعدل إطار 1 إطار / ثانية (الوقت تباعد Δt = 1 ثانية).
9. كمثال الثانية وتوصيف هيكل 3-D من الجزيئات من خلال الحصول على سلسلة من ثلاثة الأبعاد للصور (س، ص، ض). في تجربة نموذجية، والصور ثنائية الأبعاد (512 بكسل × 512 بكسل) والمكتسبة في المواقف ض متعددة داخل الغرفة، مع تباعد مستمر من Δz = 0.2 ميكرومتر بين الصور المتتالية التي وضعتها بيزو. A كومة حجم تغطي سمك ح = 30 ميكرون وبالتالي يحتوي على 151 صورة.
10. تحديد موقع ومسار الجسيمات على مر الزمن في 2-D أو 3-D باستخدام برنامج تتبع الجسيمات مكتوب في IDL ^23،54-56، MATLAB ^{57،58، 59} ابفيف، أو بايثون ^60. تسمح هذه الخوارزميات عادة مراكز للجسيمات التي يتعين حلها في غضون 40-50 نانومتر. يتطلب نجاح تتبع الجسيمات أن الجسيمات تتحرك أقل من التباعد بين الجسيمات بين إطارات متتالية.
11. من المواقف الجسيمات، وحساب المقاييس الهيكلية وديناميكية. ثلاثة مقاييس مريحة المعروضة هنا هي 3-D وظيفة الزوج الارتباط ز (ص) ^61، وتشريد يعني-التربيعية 2-D (MSD) ^58،62، والنفس جزء 2-D وظيفة الارتباط فان هوف G _ق ( س، ر) ⁵⁸. ويمكن حساب هذا الأخير مقياسين أيضا في 3-D.

3 تجارب يتدفق: خصائص التدفق

1. افتعال خلية تدفق بسيط باستخدام microcapillary الزجاج مع مربع المقطع العرضي (100 × 100 ميكرومتر ميكرومتر) التي يتم تثبيتها لتفلون أنابيب. استخدام coverslips الزجاج لدعم الشعرية وتوفير صلابة ميكانيكية، كما هو مبين في التخطيطي في الشكل 7.
2. تحميل الخليط الغروانية البوليمر في حقنة زجاجية. نعلق المحقنة إلى ضخ حقنة أو نظام صرف السوائل الهوائية.
3. جبل الإعداد خلية تدفق على مجهر مقلوب. الحفاظ على حقنة، وتدفق الخلايا، ومخرج في نفس الارتفاع لتقليل تأثير الجاذبية على تدفق البيانات الشخصية.
4. التحكم في معدل تدفق تعليق من خلال خلية تدفق بمعدل تدفق الحجمي (لضخ حقنة) أو الضغوط التي مورست (لمربع الضغط). متوسط ​​السرعة لتعليق في متناهية يعتمد أيضا على سوصياغة spension. القيم النموذجية الحد الأقصى للسرعة في مربع قياس متناهية هنا 200-2،000 ميكرون / ثانية.
5. خلال التدفق، والحصول على 2-D سلسلة زمنية متحد البؤر في إطار معدلات سريعة. هنا، 500 صورة من البعد يتم الحصول على 512 بكسل × 512 بكسل عند 32 لقطة / ثانية (الوقت تباعد Δ ر = 1/32 ثانية) على ارتفاعات مختلفة فوق الجزء السفلي من متناهية (ض = 0 ميكرومتر) التي تتراوح بين ض = 5 - 50 ميكرون. يغطي كل صورة تقريبا نصف البعد الأفقي (ذ) من متناهية، كما هو مبين في الشكل أقحم 7. إذا ظهرت جزيئات بيضاوي الشكل، وزيادة معدل الإطار الحيازة.
6. كما هو الحال في التجارب هادئة، موقع الجسيمات في 2-D باستخدام خوارزميات قياسية لتحديد وتتبع الجسيمات في المختبر الدولي للألماس أو MATLAB. لتدفقات بطيئة، والتي تتحرك الجسيمات أقل من متوسط ​​المسافة بين الجسيمات بين الإطارات، استخدام خوارزميات تتبع للحصول على مسارات.
7. استخدام صورة لارتباط أحسبulate لمحات عن سرعة تدفق سريع.
   1. تقسيم الصورة إلى صور الأفقي للارتفاع المستمر (ص) على طول اتجاه تدفق (خ). لصورتين متتابعة I ₁ (س، ص) وأنا ₂ (س، ص) تحول الصورة الأخيرة بعامل Δx ثم حساب التباين المشترك المتبادل بين I ₁ (س، ص) وأنا ₂ (س + Δx، ذ).
   2. تحديد موقف ذروة الرسم البياني للقيم Δx التي تزيد التباين المشترك المتبادل بين كل زوج من الصور للحصول على متوسط ​​سرعة حركة الهواء الأفقية في كل موقف ذ الجانبية. إذا لم يتم هذا التوزيع بلغت ذروتها بقوة، الحصول على صور بمعدل أسرع الإطار.

النتائج

لإثبات التصوير متحد البؤر والجسيمات تتبع، ونحن دراسة تأثير الحبس على سلوك المرحلة مخاليط البوليمر الغروانية ^63-65. لهذه التجارب كانت قطر الغروانية 2 أ = 0.865 ميكرون. تم إصلاح الكسر حجم الغروي في Φ = 0.15 وكان تباينت تركيز البوليمر ج _ع 0-23،6 ملغ / مل. وتظهر ...

Discussion

ودرس المعلقات الغروية على نطاق واسع كنماذج للسلوك المرحلة المحصورة، لأن الجسيمات الغروية ميكرون الحجم يحمل ديناميات أبطأ بكثير من الذرات والجزيئات، وبالتالي يمكن تصويرها بسهولة وتعقب على مر الزمن ^10. لهذه الدراسات الأساسية، وفهم تأثير الجذب بين الجسيمات على ?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Cyclohexyl bromide	Sigma Aldrich	135194	CAS Number  108-85-0, Molecular wt. = 163.06, Used in stock solvent
Decahydronapthalene	Sigma Aldrich	D251	CAS Number 91-17-8, Molecular wt. = 138.25, Used in stock solvent
Nile Red	Sigma Aldrich	72485	Fluorescent dye
Fluorescein 5(6)-isothiocyanate	Sigma Aldrich	F3651	Fluorescent dye
Rhodamine B	Sigma Aldrich	83689	Fluorescent dye
Dynamic Light Scattering	Brookhaven Instruments	BI-APD	DLS equipment used for particle size measurement
Polystyrene	Varian/Agilent	PL20138-23	Polystyrene (polymer) for inducing depletion attraction
Tetrabutyl(ammonium chloride) (TBAC)	Sigma Aldrich	86870	monovalent salt
UV Adhesive	Norland Adhesive	NOA 68T	Part Number 68T01 (UV cured adhesive)
VT Eye	Visitech	VT Eye	confocal scanner
VT Infinity	Visitech	VT Infinity	confocal scanner
Microscope	Leica	DMI3000B	Inverted Microscope
Centrifuge	Thermo Scientific	Sorvall ST 16	1-5,000 rpm
Teflon tubing	smallparts	SLTT 26-72	Zeus PTFE Sublite Wall Tubing 26 AWG 0.016" ID x 0.003" Wall
Epoxy	Devcon	DA051	5 min epoxy
Syringe	Micromate/Cadence	5004	glass syringe with metal luer lock tip
Syringe tips	Nordson	7018462	32 GA precision tips
Syringe pump	New Era Pump system Inc.	NE1002X	Programmable microfluidic pump (syringepump.com)
Weigh balance	Mettler Toledo	AB204-S	0.0001-220 g
PMMA particles	synthesized		poly(methylmethacrylate) colloidal particles