用于动态界面共聚焦显微镜可视化的微量天体测量仪

表面活性剂薄膜覆盖的空气-水界面在日常生活中无处不在。表面活性剂-水注入用于提高枯竭油田的采收率，并用作页岩气和石油的水力压裂解决方案。气液泡沫和液液乳液在许多工业和科学过程中作为润滑剂和清洁剂很常见，在食品中很常见。界面处的表面活性剂和蛋白质在包装、储存和给药过程中稳定抗体构象^{1，2，3，4，5}，眼睛中的泪膜稳定性^6，7，8 和肺力学^{9，10，11，12，13，14，15}.

表面活性剂或表面活性剂吸附到界面及其性质的研究有着悠久的历史，具有许多不同的实验技术^{16，17，18，19，}20^{，21，22，23，24，25，26，27}.最近的发展是毛细管压力微量血压计（CPM），它允许在更小的长度尺度上检查高度弯曲界面上的界面性质，同时使用的材料明显少于其他常用方法^{9，23，24，25}。共聚焦荧光显微镜（CFM）可用于研究CPM 22中气水界面或Langmuir槽^{20，26，27，28，29}处脂质和蛋白质的形态。在这里，CPM和CFM相结合，将形态现象与动态和平衡界面性质联系起来，以发展生物和技术界面的结构 – 功能关系。

在界面表面活性剂系统中有许多重要的参数可供CPM-CFM使用。在CPM中，将直径为30-200μm的气泡固定在玻璃毛细管的尖端。在CPM的早期版本中，气泡内部和外部之间的毛细管压差 通过 水柱和振荡注射泵^9，30 控制;这里描述的新版本用更高精度的计算机控制微流体泵取代了这些。表面张力（γ） 通过 拉普拉斯方程ΔP = 2γ / R确定，该方程由泵ΔP设置的界面上的压降和对气泡曲率半径R的光学分析确定。在与含有可溶性表面活性剂的散装液体接触时产生新气泡后，界面的动态表面张力可以用10 ms的时间分辨率确定。表面活性剂的吸附动力学可以用经典的Ward-Tordai方程^10，31 来描述，以确定表面活性剂的基本性质，包括扩散率，表面覆盖率以及体积浓度与平衡表面张力之间的关系。一旦达到平衡的表面张力，界面面积就可以振荡以测量膨胀模量， 通过记录表面张力的变化，由气泡表面积的微小变化引起， A³²。对于发展自己的内部结构（如缠结聚合物或蛋白质）的更复杂的界面，表面张力被更一般的表面应力^4，33， 所取代。

呼吸期间的肺稳定性可直接与在肺泡气液界面^9，10处保持低表面张力和高扩张模量直接相关。所有肺内表面都衬有连续的，微米厚的上皮衬里液膜，以维持组织水合作用³⁴。这种上皮衬里液主要是水，含有盐和各种其他蛋白质，酶，糖和肺表面活性剂。与任何弯曲的液蒸气界面一样，毛细管压力随着肺泡（或气泡）内部压力的升高而诱导。然而，如果肺内各处的表面张力恒定，拉普拉斯方程ΔP = 2γ / R表明，较小的肺泡相对于较大的肺泡具有更高的内部压力，迫使较小肺泡的气体含量流向较大，压力较低的肺泡。这被称为“拉普拉斯不稳定性”^9，35。最终结果是，最小的肺泡会塌陷并充满液体，变得难以再充气，导致部分肺塌陷，其他部分会过度充气，这两者都是急性呼吸窘迫综合征（ARDS）的典型症状。然而，在功能正常的肺中，随着肺泡界面区域的空气 – 上皮流体界面在呼吸过程中扩张和收缩，表面张力动态变化。如果 ，或 ，拉普拉斯压力随着半径的减小而减小，并随着半径的增加而增加，以消除拉普拉斯的不稳定性，从而稳定肺⁹。因此， 以及它如何依赖于频率、单层形态和组成，以及肺泡液组成可能对肺的稳定性至关重要。CPM-CFM还首次证明了界面曲率对表面活性剂吸附²⁵、单层形貌²² 和膨胀模量⁹的影响。CPM中储液槽体积小（~1 mL）允许快速引入，去除或交换液相，并最大限度地减少所需数量的昂贵蛋白质或表面活性剂¹⁰。

CPM-CFM图像中的对比度是由于在界面^16，27处分布的荧光标记的脂质或蛋白质的一小部分。二维表面活性剂单层通常表现出横向相分离作为表面张力或表面压力的函数， π是清洁的流体 – 流体界面γ₀和表面活性剂覆盖的界面的表面张力之间的差异，π γ。在低表面压力下，脂质单层处于液体状无组织状态;这被称为液体膨胀（LE）相。随着表面压力的增加和每个脂质分子的面积减小，脂质彼此定向并且可以经历一阶相变，以长程有序液体凝结（LC）相^16，20，27。LE和LC相可以在各种表面压力下共存，并且可以可视化，因为荧光标记的脂质从LC相中排除并分离到LE相。因此，当使用CFM¹⁶成像时，LE相位是明亮的，LC相位是暗的。

本手稿的目的是描述构建和操作组合共聚焦显微镜微量血压计所需的步骤。这将允许读者在微米级的空气/水或油/水界面上同时进行吸附研究，测量表面张力，流变行为并检查界面形态。这包括讨论如何拉动、切割和疏水所需的毛细血管，使用压力、曲率和表面积控制模式的说明，以及将不溶性表面活性剂的界面转移到微量血压计曲面界面。