Microtensiometer voor confocale microscopie visualisatie van dynamische interfaces

Lucht-water interfaces bedekt met oppervlakteactieve films zijn alomtegenwoordig in het dagelijks leven. Oppervlakteactieve waterinjecties worden gebruikt om de oliewinning uit uitgeputte velden te verbeteren en worden gebruikt als hydraulische breukoplossingen voor schaliegas en -olie. Gas-vloeistof schuimen en vloeistof-vloeistof emulsies zijn gebruikelijk voor veel industriële en wetenschappelijke processen als smeermiddelen en reinigingsmiddelen en komen veel voor in voedsel. Oppervlakteactieve stoffen en eiwitten op interfaces stabiliseren antilichaamconformaties tijdens verpakking, opslag en toediening 1,2,3,4,5, scheurfilmstabiliteit in het oog ^6,7,8 en longmechanica 9,10,11,12,13,14, ¹⁵.

De studie van oppervlakteactieve stoffen of oppervlakteactieve stoffen die adsorberen aan interfaces en hun eigenschappen heeft een lange geschiedenis met veel verschillende experimentele technieken 16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27 . Een recente ontwikkeling is de capillaire drukmicrotensiometer (CPM), die het onderzoek van interfaciale eigenschappen op sterk gekromde interfaces mogelijk maakt, op veel kleinere lengteschalen, terwijl aanzienlijk minder materialen worden gebruikt dan andere gangbare methoden 9,23,24,25. Confocale fluorescentiemicroscopie (CFM) kan worden gebruikt om de morfologie van lipiden en eiwitten te bestuderen op de lucht-waterinterfaces in de CPM²² of op Langmuir-troggen 20,26,27,28,29. Hier zijn een CPM en CFM gecombineerd om morfologische verschijnselen te verbinden met dynamische en evenwichtsinterfaciale eigenschappen om structuur-functierelaties te ontwikkelen voor biologische en technologische interfaces.

Er zijn tal van parameters van belang in interfaciale oppervlakteactieve systemen die toegankelijk zijn voor de CPM-CFM. In de CPM wordt een luchtbel met een diameter van 30-200 μm vastgepind aan de punt van een glazen capillaire buis. In eerdere versies van de CPM werd het capillaire drukverschil tussen de binnen- en buitenkant van de bel geregeld via een waterkolom en een oscillerende spuitpomp ^9,30 ; de hier beschreven nieuwe versie vervangt deze door een hogere precisie, computergestuurde microfluïdische pomp. De oppervlaktespanning (γ) wordt bepaald via de Laplace-vergelijking, ΔP = 2γ/R, uit de drukval over het door de pomp ingestelde interface, ΔP, en optische analyse van de kromtestraal van de bel, R. De dynamische oppervlaktespanning van de interface kan worden bepaald met een tijdresolutie van 10 ms na het genereren van een nieuwe bel in contact met een bulkvloeistof die een oplosbare oppervlakteactieve stof bevat. De adsorptiedynamiek van oppervlakteactieve stoffen kan worden beschreven met de klassieke Ward-Tordai-vergelijking^10,31 om essentiële eigenschappen van de oppervlakteactieve stof te bepalen, waaronder de diffusiviteit, oppervlaktedekking en de relatie tussen bulkconcentratie en evenwichtsoppervlaktespanning. Zodra een evenwichtsoppervlaktespanning is bereikt, kan het interfaciale gebied worden geoscilleerd om de dilatatiemodulus te meten, door de veranderingen in oppervlaktespanning te registreren, geïnduceerd door kleine veranderingen in het beloppervlak, A³². Voor complexere interfaces die hun eigen interne structuren ontwikkelen, zoals verstrengelde polymeren of eiwitten, wordt de oppervlaktespanning, , vervangen door een meer algemene oppervlaktespanning ^4,33, .

Longstabiliteit tijdens de ademhaling kan direct worden gekoppeld aan het handhaven van zowel een lage oppervlaktespanning als een hoge dilatatiemodulus op de alveolaire lucht-vloeistofinterface ^9,10. Alle interne longoppervlakken zijn bekleed met een continue, micron dikke film van epitheliale voeringvloeistof om weefselhydratatie te behouden³⁴. Deze epitheliale voeringvloeistof is voornamelijk water, met zouten en verschillende andere eiwitten, enzymen, suikers en longsurfactant. Zoals het geval is voor elke gebogen vloeistof-dampinterface, wordt een capillaire druk geïnduceerd met de druk hoger aan de binnenkant van de alveolus (of bel). Als de oppervlaktespanning echter overal in de longen constant was, laat de Laplace-vergelijking, ΔP = 2γ / R, zien dat kleinere longblaasjes een hogere interne druk zouden hebben ten opzichte van grotere longblaasjes, waardoor het gasgehalte van de kleinere longblaasjes naar grotere longblaasjes met lagere druk zou stromen. Dit staat bekend als “Laplace Instability”^9,35. Het nettoresultaat is dat de kleinste longblaasjes zouden instorten en gevuld zouden worden met vloeistof en moeilijk opnieuw op te blazen, waardoor een deel van de long zou instorten, en andere delen zouden over-inflateren, die beide typische symptomen zijn van acute respiratory distress syndrome (ARDS). In een goed functionerende long verandert de oppervlaktespanning echter dynamisch als de lucht-epitheliale vloeistofinterface in het interfaciale gebied van alveolus uitzet en samentrekt tijdens het ademen. Als , of , neemt de Laplace-druk af met afnemende radius en neemt toe met toenemende radius om de Laplace-instabiliteit te elimineren, waardoor de long wordt gestabiliseerd⁹. Vandaar, en hoe het afhangt van frequentie, monolaag morfologie en samenstelling, en alveolaire vloeistofsamenstelling kan essentieel zijn voor de longstabiliteit. De CPM-CFM heeft ook de eerste demonstraties gegeven van de effecten van interfaciale kromming op oppervlakteactieve adsorptie²⁵, monolaagmorfologie²² en dilatatiemodulus⁹. Het kleine volume (~ 1 ml) van het reservoir in de CPM maakt de snelle introductie, verwijdering of uitwisseling van de vloeibare fase mogelijk en minimaliseert de vereiste hoeveelheid dure eiwitten of oppervlakteactieve stoffen¹⁰.

Contrast in een CPM-CFM-afbeelding is te wijten aan de verdeling van kleine fracties fluorescerend gelabelde lipiden of eiwitten op de interface^16,27. Tweedimensionale oppervlakteactieve monolagen vertonen vaak laterale fasescheiding als functie van oppervlaktespanning of oppervlaktedruk, π is het verschil tussen de oppervlaktespanning van een schone vloeistof-vloeistofinterface, γ₀, en een met oppervlakteactieve stof bedekte interface, γ. π kan worden beschouwd als de 2D “druk” veroorzaakt door de interacties van oppervlakteactieve moleculen op het grensvlak dat fungeert om de zuivere vloeistofoppervlakspanning te verlagen. Bij lage oppervlaktedrukken bevinden lipide monolagen zich in een vloeistofachtige ongeorganiseerde toestand; dit staat bekend als de vloeistof geëxpandeerde (LE) fase. Naarmate de oppervlaktedruk toeneemt en het gebied per lipidemolecuul afneemt, oriënteren de lipiden zich met elkaar en kunnen ze een eerste orde fase overgang ondergaan naar de lange afstand bestelde vloeistof gecondenseerde (LC) fase 16,20,27. De LE- en LC-fasen kunnen naast elkaar bestaan bij verschillende oppervlaktedrukken en kunnen worden gevisualiseerd als fluorescerend gelabelde lipiden worden uitgesloten van de LC-fase en worden gescheiden naar de LE-fase. De LE-fase is dus helder en de LC-fase is donker wanneer deze wordt afgebeeld met CFM¹⁶.

Het doel van dit manuscript is om de stappen te beschrijven die nodig zijn om de gecombineerde confocale micro microtensiometer te bouwen en te bedienen. Dit stelt de lezer in staat om adsorptiestudies uit te voeren, oppervlaktespanning, reologisch gedrag te meten en interfaciale morfologie tegelijkertijd te onderzoeken op een lucht / water- of olie / water-interface op micronschaal. Dit omvat een bespreking van het trekken, snijden en hydrofobiëren van de vereiste haarvaten, instructies voor het gebruik van druk-, krommings- en oppervlakteregelingsmodi en interfaciale overdracht van onoplosbare oppervlakteactieve stof naar de microtensiometer gebogen interface.