Die konfokale Bildgebung von Enge und Ruhe Fließende Kolloid-Polymer-Mischungen

Zusammenfassung

Die konfokale Mikroskopie ist mit Bild und fließende Ruhe Kolloid-Polymer-Mischungen, die als Modellsysteme für attraktive Suspensionen untersucht werden. Bildanalysealgorithmen werden verwendet, um strukturelle und dynamische Messgrößen für die kolloidalen Partikel, die aufgrund von geometrischen Änderungen Haft Messung berechnen.

Zusammenfassung

Das Verhalten beschränkt kolloidalen Suspensionen mit attraktiven Wechselwirkungen zwischen ist entscheidend für das rationale Design von Materialien für die Montage gerichtet ^1-3, Drug Delivery ^4, verbesserte Kohlenwasserstoffgewinnung ^5-7, und fließfähigen Elektroden zur Energiespeicherung ^8. Suspensionen, Kolloiden fluoreszierenden und nicht-adsorbierende Polymere sind ansprechend Modellsysteme, wie das Verhältnis des Polymers der Trägheitsradius an der Partikelradius und der Konzentration des Polymers Steuer der Bereich und die Stärke der Anziehung zwischen jeweils. Durch Abstimmung der Polymereigenschaften und der Volumenanteil der Kolloide, Kolloidflüssigkeiten, Flüssigkeiten von Clustern, Gele, Kristalle und Gläser erhalten werden ^9. Konfokale Mikroskopie, eine Variante der Fluoreszenzmikroskopie ermöglicht eine optisch transparente und fluoreszierende abzubildenden Probe mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung in drei Dimensionen. Bei dieser Technik wird eine kleine Loch-oder Schlitzblöcke das emittierte Fluoreszenzlicht von Bereichen der Probe, die außerhalb des Fokusvolumens des Mikroskopoptik sind. Als Ergebnis wird nur ein dünner Abschnitt der Probe in der Bildebene abgebildet wird. Diese Technik ist besonders gut geeignet, um die Struktur und Dynamik in dichten kolloidalen Suspensionen an der Ein-Teilchen-Skala zu untersuchen: die Teilchen groß genug, um mit sichtbarem Licht gelöst werden und diffundieren langsam genug, um bei typischen Scan-Geschwindigkeiten von konfokalen Handelssysteme ¹⁰ erfasst werden . Verbesserungen in der Scan-Geschwindigkeiten und-Analyse-Algorithmen wurden ebenfalls aktiviert quantitative konfokale Abbildung fließt Suspensionen ^11-16,37. In dieser Arbeit zeigen wir, konfokale Mikroskopie Experimente zur begrenzten Phasenverhalten und die Fließeigenschaften von Kolloidpolymermischungen zu untersuchen. Wir bereiten erste colloid-Polymermischungen, die Dichte-und Brechungsindex angepaßt sind. Weiter berichten wir ein Standard-Protokoll für die Abbildung Ruhe dichten Kolloid-Polymer-Mischungen unter wechselnden Haft in dünnen keilförmigen Zellen. Schließlich zeigen wir, ein Protokoll für die Abbildung Kolloid-Polymer-Mischungen in Mikrokanalströmung.

Einleitung

Dieses Papier zeigt (a) konfokale Bildgebung von ruhenden und fließenden beschränkt Kolloid-Polymer-Mischungen in zwei und drei Dimensionen und (b) Partikel-Tracking-und Korrelationsanalyse der erhaltenen Bilder, quantitative Informationen über das Phasenverhalten und die Fließeigenschaften zu erhalten.

Kolloidale Suspensionen mit attraktiven Wechselwirkungen zwischen erscheinen ubiquitär in technologischen Anwendungen als Materialien für die Montage gerichtet ^1-3, Drug Delivery ^4, verbesserte Kohlenwasserstoffgewinnung ^{5-7, 8} und Energiespeicher. Ein gemeinsames Merkmal dieser Anwendungen ist, dass die Teilchen durch feine Geometrien, wie Düsen, Druckköpfe, Mikrokanäle oder poröse Medium durchströmt werden, und / oder zu dünnen Filmen oder Stäben geformt werden. Techniken verwendet, um die Struktur der Mikrongröße Kolloide in eingeschränkten Geometrien, einschließlich ^17,18 Elektronenmikroskopie, Röntgenmikroskopie ¹⁹ und Laser-Beugungs m Sondenicroscopy ²⁰ kann verwendet werden, um die Struktur und Dynamik von Teilchen im Mikromaßstab zu messen. Diese Techniken sind jedoch nicht den Zugriff auf den Trajektorien der einzelnen Partikel, aus denen strukturelle und dynamische Metriken können für den direkten Vergleich mit numerischen Simulationen ^21,22 berechnet werden.

Die konfokale Mikroskopie ist eine Variante der Fluoreszenz-Mikroskopie, die Bildgebung des Dünnschnitten von einem fluoreszierenden Probe ermöglicht. Für Kolloidforschung ^10, ist diese Technik besonders geeignet zum Abbilden tief in dichten Suspensionen oder in drei Dimensionen. , Zwei-oder drei-dimensionale Zeitreihe der konfokalen Mikroaufnahmen Particle-Tracking-Algorithmen ²³ angelegt ergeben sich die Flugbahnen aller sichtbaren Teilchen. Als Ergebnis hat die Kombination von konfokaler Mikroskopie und Partikelverfolgungs angewendet worden, um das Phasenverhalten, Struktur und Dynamik von kolloidalen Suspensionen zu untersuchen, einschließlich geordnete Kristalle ^24-27 und Unordnunged Gläser und Gele ^{28-31 32-35.}

Andere können die Bildanalyse-Algorithmen angewandt werden, um die Partikeldynamik von Zeitreihen der konfokalen Mikroaufnahmen zu messen. Zum Beispiel kann Diffusionspartikeldynamik durch die Analyse der Schwankungen in der Intensität über die Zeit mit Hilfe der konfokalen Mikroskopie dynamischen Differential ³⁶ untersucht werden. Wenn die Partikel Verschiebungen größer als der Abstand interpartikulär können Bildkorrelations ³⁷ basierend auf Particle Image Velocimetry ^38-40 aufgebracht werden, um Geschwindigkeitsprofile der Partikel zu messen. Die Kombination von Tracking-und Korrelationsalgorithmen erlaubt hat kolloidalen Dynamik in Systemen unterziehen langsamen und schnellen Strömung ^11-16,41-45 gemessen werden.

Wir verwenden Kolloid-Polymer-Mischungen als Modelle für attraktive kolloidalen Suspensionen ^9. In diesen Mischungen sind die Reichweite und Stärke der attraktiven interpartikulären Potential über das Verhältnis gesteuertdes Polymers Gyrationsradius der Partikelradius und der Konzentration des Polymers und der elektrostatischen Abstoßung durch die Zugabe eines einwertigen organischen Salzes ⁴⁶ gesteuert. Da die Wechselwirkungen zwischen den Partikeln kann genau eingestellt werden, die Verfestigung dieser Mischungen wurde ausgiebig mit ^34,47-51 konfokale Mikroskopie untersucht.

Hier zeigen wir, konfokale Bildgebung und Bildanalyse ³⁷ von ruhenden und fließenden Kolloid-Polymer-Gemischen, bei dem das Kolloid Volumenanteil fixiert auf Φ = 0,15 gehalten, daß die Wirkung der Sonde Haft auf das Phasenverhalten und die Fließeigenschaften dieser Gemische. Diese Techniken sind allgemein anwendbar, um partikuläre Systeme, sind Brechungsindex angepassten und in dem die Teilchen und / oder Lösemittel kann mit einem fluoreszierenden Farbstoff markiert werden.

Protokoll

1. Vorbereitung für Kolloid-Polymer-Mischungen

Hinweis: Dieses Protokoll verwendet Poly (methylmethacrylat) (PMMA)-Teilchen, unter Verwendung von Poly (12-Hydroxystearinsäure) und sterisch stabilisiert mit einem Fluoreszenzfarbstoff (z. B. Nile Red, Rhodamin B, oder Fluorescein), die nach einem Standard synthetisiert markierten Rezept ^52.

1. Bereiten Sie eine 3:1 w / w Mischung Cyclohexylbromid (CXB) und Dekahydronaphthalin (DHN) als Aktien Lösungsmittel. Diese Mischung entspricht fast der Dichte und der Brechungsindex der Partikel. Hinzufügen eines organischen Salzes, Tetrabutylammoniumchlorid (TBAC) ^46, zu dem Lösungsmittel in einer Konzentration von 1,5 mM, um teilweise zu screenen die Ladungen auf den Teilchen.
2. Um die Dichte der Teilchen genau zu bestimmen, bereiten eine Suspension bei ungefähre Partikelvolumenanteil Φ = 0,10 in der CXB: DHN Lösungsmittel. Zentrifugieren Sie die Suspension bei 800 g für 75 min und fügen CXB oder DHN tropfenweise, um den Auftrieb zu verbessernMatching. In diesen Experimenten wurde die Dichte der PMMA-Teilchen gemessen, ρ = 1,223 g / ml ist.
3. Bereiten Sie eine konzentrierte Stamm Aussetzung der PMMA-Partikel (hier Φ = 0,40) in der CXB: DHN Lösungsmittelgemisches.
4. Vorbereitung einer konzentrierten Lösung von linearem Polystyrol (PS) in der CBX: DHN Lösungsmittelgemisches. Hier wurde eine Lösung von PS mit einem Molekulargewicht _Mw ≈ 3.000.000 (Trägheitsradius R _g = 15 nm) wird bei einer Konzentration c _p ≈ 50 mg / ml hergestellt.
5. Mischen geeignete Gewichte der Teilchen, Polymer und Lösungsmittel Lager Mischungen von Suspensionen in den gewünschten Konzentrationen von Teilchen und Polymeren zu formulieren.
   Anmerkung: Hier werden Suspensionen von monodispersen Teilchen mit konstanter Kolloidvolumenfraktion Φ = 0,15 hergestellt und variable Polymerkonzentration in dem freien Volumen ⁵³ c _p = 0-25 mg / ml, und bidispersed Suspensionen, die zwei Größen von kolloidalen Partikeln, with jede Größe mit einen eigenen Fluoreszenzmarkierung, in festen Gesamtkolloidvolumenfraktion Φ = 0,15 hergestellt, Volumenbruchverhältnis kleiner Partikel r = 0,50, und die Polymerkonzentration in dem freien Volumen von 5 oder 25 mg / ml.
6. Nach jeder Suspension wird vorbereitet, fügen CXB oder DHN tropft und Zentrifuge die Proben bei 800 g für mindestens 75 min, um zu bestätigen, dass die Teilchen und Cluster in der Suspension verbleiben Auftrieb abgestimmt.
7. Äquilibrieren alle Proben für mindestens 24 Stunden vor der Bildgebung Experimente.

. 2 Ruhebeispielexperimente: Phasenverhalten

1. Um die Großphasenverhalten bestimmen, fabrizieren rechteckigen Kammern von Deckgläsern (Abb. 1a). Für die Kolloid-Polymer-Mischungen in dieser Studie, Kammern Dicke h = 1 mm (von der Dicke eines Mikroskop-Objektträger gesetzt) ​​geben Groß Verhalten.
2. Um mehrere Entbindungen in einem einzigen Experiment Mikroskopie zuzugreifen, fabrizieren dünnen keil(Fig. 1b) förmigen Kammern, mit einer einzigen Deckglas als Abstandhalter auf einer Keil. Der Öffnungswinkel der Kammer ist <0,5 °, so dass in einem einzigen Sichtfeld der die Wände nahezu parallel. Ein Vertreter Kammer ermöglicht den Zugriff auf Haft Dicken von h = 6 bis> 100 um.
3. Aufbau Kammern auf einem Deckglas für die Bildgebung auf Basis eines umgekehrten Mikroskops und Dichtung mit UV-härtbaren Epoxidharz, das nicht in der CBX-DHN Lösungsmittelgemisch löst.
4. Bildproben mit einem konfokalen Mikroskop. Dieses Protokoll zeigt, Bildgebung mit einer linien konfokalen einem invertierten Mikroskop mit einer 100X-Ölimmersionslinse der numerischen Apertur NA = 1,40 ausgestattet angebracht.
5. Erregen die Farbstoffe unter Verwendung einer Laserquelle. Hier Wellenlängen λ = 491 bzw. 561 nm verwendet, um die Fluorescein und Rhodamin / Nile Red-Farbstoffe anzuregen sind.
6. Im Punkt-Scanning-System, erzeugen ein Bild durch schnelles Scannen des Brennpunkts in der Probe (in der x-y-Ebene) mit der konfokalen Software. Ein zweidimensionales Bild 512 Pixel x 512 Pixel, die ungefähr 50 &mgr; m × 50 &mgr; m, kann in 1/32 sec erfasst werden. Verbesserung der Bildqualität durch Mittelung mehrerer Bilder oder die Erhöhung der Aufnahmezeit.
7. Finde den Boden der Kammer (z = 0), beispielsweise indem sie sich auf Partikel zu seinem Boden befestigt. In diesem Setup die Höhe (z) steigt mit zunehmender Fokus in die Kammer.
8. Als ein Beispiel, charakterisieren die Wirkung der Beschränkung auf die Dynamik der Partikel durch den Erwerb einer 2-D-Zeitserie von Bildern (in der xy-Ebene) in der Mittelebene der Kammer. In einem typischen Experiment wurden 500 Bilder der Dimension 512 Pixel x 512 Pixel mit einer Bildrate von 1 Rahmen / sec (Zeitabstand &Dgr; t = 1 sec) erworben.
9. Als ein zweites Beispiel, charakterisieren die 3-D-Struktur von Teilchen durch den Erwerb einer dreidimensionalen Reihe von Bildern (x, y, z). In einem typischen Experiment (512 Pixel x 512 Pixel) sind zweidimensionale Bilderan verschiedenen z-Positionen innerhalb der Kammer erworben, mit einem konstanten Abstand von Az = zwischen aufeinanderfolgenden Bildern von einem piezo eingestellt 0,2 um. Ein Volumen-Stack für eine Dicke von h = enthält 30 um somit 151 Bilder.
10. Suchen und Track Partikel über die Zeit in 2-D oder 3-D mit Partikel-Tracking-Software in IDL ^23,54-56, MATLAB ^57,58, LabView ^{59, 60} oder Python geschrieben. Diese Algorithmen erlauben typischerweise die Zentren der Partikel innerhalb von 40-50 nm aufgelöst werden. Erfolgreiche Partikelverfolgung erfordert, dass die Teilchen bewegen sich weniger als die interpartikulären Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Frames.
11. Von den Partikelpositionen berechnen strukturellen und dynamischen Metriken. Drei hier gezeigten bequem Metriken sind die 3-D-Paarkorrelationsfunktion g (r) ^61, die 2-D mittleren quadratischen Verschiebung (MSD) ^58,62, und die 2-D-Selbst Teil der van Hove Korrelationsfunktion G _s ( x, t) ⁵⁸. Die letzteren zwei Metriken können auch in 3-D zu berechnen.

. 3 Fließende Experimente: Fließeigenschaften

1. Herstellen eines einfachen Durchflusszelle mit einem Glas Mikrokapillare mit quadratischem Querschnitt (100 &mgr; m × 100 &mgr; m), die Teflonschlauch befestigt ist. Deckgläser verwenden, um die Kapillare zu unterstützen und mechanische Festigkeit, wie in dem Schema in Fig. 7 gezeigt.
2. Laden Sie die Kolloid-Polymer-Mischung in eine Glasspritze. Die Spritze mit einer Spritzenpumpe oder pneumatischen Fluidabgabesystem.
3. Montieren Sie die Durchflusszelle Setup auf die inverse Mikroskop. Die Spritze, die Durchflusszelle und Auslass auf der gleichen Höhe, um die Wirkung der Schwerkraft auf das Strömungsprofil zu minimieren.
4. Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit der Suspension durch die Strömungszelle durch die volumetrische Strömungsgeschwindigkeit (die Spritzenpumpe) oder dem angelegten Druck (Druckkammer). Die Durchschnittsgeschwindigkeit der Suspension in den Mikrokanal hängt auch von der suspension Formulierung. Typische Werte für die maximale Geschwindigkeit in der quadratischen Mikro hier gemessenen 200-2000 &mgr; m / Sek.
5. Während Flow, erwerben ein 2-D-konfokalen Zeitreihen bei schnellen Bildraten. Hier 500 Bilder der Dimension 512 x 512 Pixel Pixel mit 32 Bildern / sec in verschiedenen Höhen über dem Boden des Mikrokanals (z = 0 &mgr; m) im Bereich von z = 5 erfasst (zeitliche Abstand Δ t = 1/32 sec) - 50 um. Jedes Bild deckt etwa die Hälfte des Querdimension (y) des Mikrokanals, wie in der Neben bis Abbildung 7. Sind die Teilchen elliptisch erscheinen, erhöhen Sie die Bildrate des Erwerbs.
6. Wie in Ruhe Experimente, suchen die Teilchen in 2-D mit Standard-Algorithmen für die Ortung und Verfolgung Partikel in IDL oder MATLAB. Für langsame Strömungen, in denen Teilchen bewegen sich weniger als die durchschnittliche Partikelabstand zwischen Frames, verwenden Sie Tracking-Algorithmen, um die Flugbahnen zu erhalten.
7. Verwenden Sie Bildkorrelations Calculate die Geschwindigkeitsprofile für schnelle Strömungen.
   1. Unterteilung des Bildes in horizontaler Bilder mit konstanter Höhe (y) entlang der Strömungsrichtung (x). Für zwei aufeinanderfolgende Bilder I ₁ (x, y) und I ₂ (x, y) verschieben das letztere Bild um den Faktor Ax und dann die Berechnung der Kreuzkovarianz zwischen I ₁ (x, y) und I ₂ (x + &Dgr; x, y).
   2. Identifizieren der Spitzenposition des Histogramms der Werte &Dgr; x, der die Quer Kovarianz zwischen jedem Paar von Bildern zu maximieren, um die Durchschnitts Advektionsgeschwindigkeit an jeder seitlichen Position y zu erhalten. Wenn diese Verteilung nicht stark ihren Höhepunkt erreicht, Bilder zu erwerben mit einer schnelleren Bildrate.

Ergebnisse

Konfokale Bildgebung und Partikelverfolgung zeigen, untersuchten wir die Wirkung der Beschränkung auf das Phasenverhalten der Polymermischungen kolloid ^63-65. Für diese Experimente wurde das Kolloid Durchmesser 2a = 0,865 &mgr; m. Das Kolloid Volumenfraktion wurde bei Φ = 0,15 festgelegt, und die Konzentration von Polymer C wurde _p 0 bis 23,6 mg / ml variiert. Repräsentative konfokale Bilder sind in Fig. 2 ^63, linke Spalte gezeigt. Von ...

Diskussion

Kolloidale Suspensionen werden häufig als Modelle für beschränkt Phasenverhalten untersucht, weil Mikrometergröße kolloidale Partikel zeigen deutlich langsamer Dynamik als Atome und Moleküle und somit leicht abgebildet und im Laufe der Zeit ¹⁰ verfolgt werden. Für diese Grundlagenstudien, das Verständnis der Wirkung von interpartikulären Attraktionen beschränkt Phasenverhalten bietet die Möglichkeit, Phänomene wie Kapillar-Kondensation und Verdampfung ^21,22,67 erkunden. Außerdem schein...

Materialien

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