מיקרוטנסיומטר למיקרוסקופיה קונפוקלית הדמיה של ממשקים דינמיים

ממשקי אוויר-מים המכוסים על ידי סרטים פעילי שטח נמצאים בכל מקום בחיי היומיום. הזרקות מים פעילי שטח משמשות לשיפור התאוששות הנפט משדות מדולדלים ומשמשות כפתרונות שבירת הידראוליים לגז פצלי שמן ונפט. קצף גז-נוזלי ותחליב נוזלי-נוזלי נפוצים בתהליכים תעשייתיים ומדעיים רבים כחומרי סיכה וחומרי ניקוי והם נפוצים במזון. חומרים פעילי שטח וחלבונים בממשקים מייצבים את הקונפורמציות של נוגדנים במהלך^האריזה, האחסון והניהול 1,2,3,4,5, יציבות סרט הדמעות בעין ^6,7,8, ומכניקה ריאתית ^{9,10,11,12,13,14}, ¹⁵.

לחקר חומרים פעילים על פני השטח או חומרים פעילי שטח הסופחים לממשקים ולתכונותיהם יש היסטוריה ארוכה עם טכניקות ניסיוניות רבות ושונות 16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27 . התפתחות אחרונה היא מיקרוטנסומטר לחץ נימי (CPM), המאפשר בחינה של תכונות בין-פרצופיות בממשקים מעוקלים מאוד, בסקאלות אורך קטנות בהרבה, תוך שימוש בחומרים נמוכים משמעותית משיטות נפוצות אחרות 9,23,24,25. מיקרוסקופיה פלואורסצנטית קונפוקלית (CFM) יכולה לשמש לחקר המורפולוגיה של שומנים וחלבונים בממשקי האוויר-מים ב-CPM²² או ב-Langmuir troughs 20,26,27,28,29. כאן שולבו CPM ו- CFM כדי לחבר תופעות מורפולוגיות לתכונות בין-תחומיות דינמיות ושיווי משקל כדי לפתח יחסי מבנה-פונקציה עבור ממשקים ביולוגיים וטכנולוגיים.

ישנם פרמטרים רבים בעלי חשיבות במערכות פעילי שטח בין-תחומיים הנגישות ל- CPM-CFM. ב- CPM, בועת אוויר בקוטר 30-200 מיקרומטר מוצמדת לקצה צינור נימי זכוכית. בגרסאות מוקדמות יותר של ה-CPM, הפרש הלחץ הנימי בין החלק הפנימי והחיצוני של הבועה נשלט באמצעות עמוד מים ומשאבת מזרק מתנד ^9,30 ; הגרסה החדשה המתוארת כאן מחליפה אותם במשאבה מיקרופלואידית מדויקת יותר, הנשלטת על ידי מחשב. מתח הפנים (γ) נקבע באמצעות משוואת לפלס, ΔP = 2γ/R, מירידת הלחץ על פני הממשק שנקבע על ידי המשאבה, ΔP, וניתוח אופטי של רדיוס העקמומיות של הבועה, R. ניתן לקבוע את מתח הפנים הדינמי של הממשק ברזולוציית זמן של 10 אלפיות השנייה לאחר יצירת בועה חדשה במגע עם נוזל בתפזורת המכיל חומר פעילי שטח מסיס. ניתן לתאר את דינמיקת הספיחה של פעילי השטח על ידי משוואת וורד-טורדאי הקלאסית^10,31 כדי לקבוע תכונות חיוניות של חומר פעילי השטח, כולל הדפיזור, כיסוי פני השטח והקשר בין ריכוז בתפזורת למתח פני השטח של שיווי המשקל. ברגע שמושג מתח פנים של שיווי משקל, ניתן לתנוד את האזור הבין-צדדי כדי למדוד את המודולוס המתרחב, על ידי רישום השינויים במתח הפנים, המושרים על ידי שינויים קטנים בשטח הפנים של הבועה, A³². עבור ממשקים מורכבים יותר המפתחים מבנים פנימיים משלהם כגון פולימרים או חלבונים סבוכים, מתח הפנים, , מוחלף על ידי מתח פני השטח הכללי יותר ^4,33, .

יציבות הריאות במהלך הנשימה עשויה להיות קשורה ישירות לשמירה הן על מתח פנים נמוך והן על מודולוס מתרחב גבוה בממשק האוויר-נוזל הנאדי ^9,10. כל משטחי הריאה הפנימיים מרופדים בסרט רציף בעובי מיקרון של נוזל רירית אפיתל כדי לשמור על הידרציה של הרקמות³⁴. נוזל רירית אפיתל זה הוא בעיקר מים, עם מלחים וחלבונים שונים אחרים, אנזימים, סוכרים וחומרים פעילי שטח של הריאות. כמו בכל ממשק מעוקל של אדי נוזל, לחץ נימי מושרה עם הלחץ הגבוה יותר בחלק הפנימי של הנאדיות (או הבועה). עם זאת, אם מתח הפנים היה קבוע בכל מקום בתוך הריאות, משוואת לפלס, ΔP = 2γ/R, מראה כי נאדיות קטנות יותר היו בעלות לחץ פנימי גבוה יותר ביחס לנאדיות גדולות יותר, מה שמאלץ את תכולת הגז של הנאדיות הקטנות יותר לזרום לנאדיות גדולות יותר בלחץ נמוך יותר. זה ידוע בשם “חוסר יציבות לפלס”^9,35. התוצאה נטו היא שהנאדיות הקטנות ביותר יתמוטטו ויתמלאו בנוזל ויתקשו לנפח אותן מחדש ולגרום לחלק מהריאה להתמוטט, וחלקים אחרים יתנפחו יתר על המידה, שניהם תסמינים אופייניים לתסמונת מצוקה נשימתית חריפה (ARDS). עם זאת, בריאה המתפקדת כראוי, מתח הפנים משתנה באופן דינמי כאשר ממשק נוזל האוויר-אפיתל באזור הבין-פאזי של הנאדיות מתרחב ומתכווץ במהלך הנשימה. אם , או , לחץ לפלס יורד עם ירידה ברדיוס ועולה עם הגדלת הרדיוס כדי לחסל את חוסר היציבות של לפלס, ובכך לייצב את הריאה⁹. לפיכך, , וכיצד זה תלוי בתדירות, מורפולוגיה והרכב חד שכבתי יותר, והרכב נוזל נאדי עשוי להיות חיוני ליציבות הריאות. ה- CPM-CFM סיפק גם את ההדגמות הראשונות של ההשפעות של עקמומיות בין-אישית על^{ספיחה פעילי שטח 25}, מורפולוגיה חד-שכבתית²² ומודולוס⁹ מרחיב. הנפח הקטן (כ-1 מ”ל) של המאגר ב-CPM מאפשר הקדמה, הסרה או החלפה מהירה של השלב הנוזלי וממזער את הכמות הנדרשת של חלבונים יקרים או חומרים פעילי שטח¹⁰.

הניגודיות בתמונת CPM-CFM נובעת מהתפלגות של שברים קטנים של שומנים או חלבונים המתויגים באופן פלואורסצנטי בממשק^16,27. מונו-שכבות דו-ממדיות של פעילי שטח מפגינות לעתים קרובות הפרדת פאזה רוחבית כפונקציה של מתח פני השטח או לחץ פני השטח, π הוא ההבדל בין מתח הפנים של ממשק נוזל-נוזל נקי, γ₀, לבין ממשק מכוסה פעילי שטח, γ. ניתן לחשוב על π כ”לחץ ” הדו-ממדי הנגרם על ידי אינטראקציות של מולקולות פעילי שטח בממשק הפועל להורדת מתח פני השטח הנוזלי הטהור. בלחצים נמוכים על פני השטח, חד-שכבתיים של שומנים נמצאים במצב לא מאורגן דמוי נוזל; זה ידוע כשלב הנוזל המורחב (LE). ככל שהלחץ על פני השטח עולה והשטח למולקולת השומנים פוחת, השומנים מכוונים זה עם זה ויכולים לעבור מעבר פאזה מסדר ראשון לשלב ^16,20,27 של נוזל מסודר לטווח ארוך (LC) שלב 16,20,27. שלבי LE ו- LC יכולים להתקיים יחד בלחצים שונים על פני השטח וניתן לדמיין אותם כאשר שומנים המתויגים באופן פלואורסצנטי אינם נכללים בשלב ה- LC ומופרדים לשלב LE. לפיכך, שלב LE בהיר ופאזת ה- LC כהה כאשר היא מצולמת עם CFM¹⁶.

מטרתו של כתב יד זה היא לתאר את הצעדים הדרושים לבנייה ולתפעול של המיקרוטנסומטר המשולב של המיקרוסקופ הקונפוקלי. זה יאפשר לקורא לבצע מחקרי ספיחה, למדוד מתח פנים, התנהגות ריאולוגית, ולבחון מורפולוגיה בין-פאזית בו-זמנית בממשק אוויר/מים או שמן/מים בקנה מידה זעיר. זה כולל דיון כיצד למשוך, לחתוך ולהידריפוביזציה של הנימים הנדרשים, הוראות לשימוש במצבי לחץ, עקמומיות ובקרת שטח פנים, והעברה בין-אישית של חומר פעילי שטח בלתי מסיסים לממשק המעוקל של מיקרוטנציומטר.