Summary

Kuşatılmış Quiescent ve akan Koloidno polimer Karışımlarının Eşodaklı Görüntüleme

Published: May 20, 2014
doi:

Summary

Konfokal mikroskopi çekici süspansiyonlar için model sistemler olarak incelenmiştir hareketsiz resim ve koloit akıcı polimer karışımları için kullanılır. Görüntü analizi algoritmaları geometrik hapsi nedeniyle değişiklikleri ölçmek kolloidal parçacıkları için yapısal ve dinamik ölçümleri hesaplamak için kullanılır.

Abstract

Çekici parçacıklar arası etkileşimleri ile sınırlı koloid süspansiyonlarının davranışı yönlendirilmiş düzeneğinin 1-3, İlaç Verilmesi 4 için malzeme rasyonel tasarımı, gelişmiş bir hidrokarbon geri kazanım 5-7, ve enerji depolama 8 akabilir elektrotlar için çok önemlidir. Floresan kolloidler olmayan adsorbe polimerler içeren süspansiyonlar yelpazesi ve parçalar arası çekim gücü, sırasıyla kontrol polimer parçacık yarıçapı ve konsantrasyona dönme polimer yarıçapının oranı olarak, model sistemler hitap etmektedir. Polimer özellikleri ve kolloidlerin hacmi fraksiyonu ayarlayarak, kolloid sıvıları, kümelerin sıvılar, jeller, kristaller, ve camlar 9 elde edilebilir. Konfokal mikroskopi, floresan mikroskobu bir varyantı, bir optik olarak transparan ve floresan örnek yansıması sağlar: yüksek uzaysal ve üç boyutlu zamansal çözünürlüğe sahip. Bu teknikte, küçük bir iğne deliği veya mikroskop optik sistemin odak hacmi dışında numunenin bölgelerinden blokları yayılan floresan ışığı yarık. Bunun bir sonucu olarak, odak düzlemi içinde numunenin sadece ince bir kesit görüntüsü alınır. Bu teknik, özellikle de tek parçacık ölçeğinde yoğun koloidal süspansiyonlar içinde yapısını ve dinamiğini araştırmak için uygundur: parçacıklar görünür ışık kullanılarak çözülmesi için yeterince büyük olan ve ticari konfokal sistemlerinin 10 tipik bir tarama hızlarında çekilecek kadar yavaş nüfuz . Tarama hızları ve analiz algoritmaları gelişmeler de akan süspansiyonlar 11-16,37 kantitatif konfokal görüntüleme sağlamıştır. Bu yazıda, sınırlı faz davranışı ve kolloid-polimer karışımlarının akış özelliklerini araştırmak için konfokal mikroskopi deneyler göstermektedir. Biz ilk argo hazırlamakyoğunluk ve refraktif indeksi olan oid-polimer karışımları eşleşti. Sonra, ince kama şeklindeki hücrelerde değişen hapsi altında hareketsiz yoğun kolloid-polimer karışımlarının görüntüleme için standart bir protokol rapor. Son olarak, mikro kanal akışı sırasında koloit-polimer karışımlarının görüntüleme için bir protokolü göstermektedir.

Introduction

Bu çalışma, hareketsiz ve akan sınırlı koloit-polimer iki karışımları ve üç boyutta ve (b) partikül izleme ve korelasyon faz davranışı ve akış özellikleri hakkında niceliksel bilgi elde etmek için elde edilen görüntüleri analiz: (a) konfokal görüntüleme gösterir.

Çekici interparticle etkileşimleri ile kolloidal süspansiyonlar yönettiği montaj 1-3, ilaç salınımı 4, geliştirilmiş hidrokarbon kurtarma 5-7, ve enerji depolama 8 için malzeme gibi teknolojik uygulamalarda ubiquitously görünür. Bu uygulamaların ortak bir özelliği, parçacıklar, püskürtme, baskı kafaları, mikro ya da gözenekli ortam maddesi olarak ince geometriler, aktıktan gerekir, ve / veya ince filmler ya da çubuklar halinde şekillendirilebilir olmasıdır. Elektron mikroskobu 17,18, x-ışını mikroskopi 19 ve lazer difraksiyon m dahil olmak üzere sınırlı geometride, in mikron boyutlu kolloid yapısını incelemek için kullanılan teknikler20 icroscopy, böylece mikro üzerinde parçacıkların yapısı ve dinamikleri ölçmek için kullanılabilir. Bu teknikler, ancak, yapısal ve dinamik ölçümlerini sayısal simülasyonları 21,22 doğrudan karşılaştırma için hesaplanan edilebileceği tek tek parçacıkların yörüngeleri erişime izin vermez.

Konfokal mikroskopi bir floresan numunenin ince bir bölme görüntülemeyi sağlayan floresan mikroskobu bir çeşididir. Koloidal bilim 10 için, bu teknik, derin yoğun süspansiyon içinde ya da üç boyutlu olarak görüntülenmesi için yararlıdır. Partikül izleme algoritmaları 23 görünür tüm parçacıkların yörüngelerini verim iki-veya konfokal mikrograflarından üç-boyutlu zaman serisi uygulanmıştır. Bunun bir sonucu olarak, konfokal mikroskopi ve partikül izleme kombine sipariş kristaller 24-27 ve bozukluk da dahil olmak üzere, evre davranışı, yapı, ve koloidal süspansiyonlar dinamiklerini incelemek için uygulanmışed 28-31 ve jelleri 32-35 gözlük.

Diğer görüntü analizi algoritmaları konfokal mikrograflarından zamanı dizi parçacık dinamiklerini ölçmek için uygulanabilir. Örneğin, dağılır parçacık dinamiği konfokal diferansiyel dinamik mikroskopi 36 kullanılarak zamanla şiddeti dalgalanmaları analiz ederek ele alınabilir. Parçacık değiştirmeler-arası mesafeden daha geniş olduğunda, Parçacık Hızı 38-40 göre görüntü korelasyonu 37 parçacıkların hız profillerinin ölçülmesi için tatbik edilebilir. Izleme ve korelasyon algoritmalarının kombinasyonu kolloidal dinamikleri yavaş ve hızlı akışını 11-16,41-45 geçiren sistemlerinde ölçülebilir sağladı.

Bu çekici bir koloidal süspansiyonlar 9 için model olarak koloit-polimer karışımlarının kullanılması. Bu karışımlarda, çekici-arası potansiyelinin aralığı ve gücü oranı ile kontrol edilirparçacık çapı ve polimer ve elektrostatik itme konsantrasyonuna dönme polimer yarıçapının bir tek değerli organik bir tuzu 46 ilavesi ile kontrol edilir. Arası etkileşimin dikkatli bir şekilde ayarlanabilir olduğundan, bu karışımların katılaştırılması yaygın konfokal mikroskopi 34,47-51 ile incelenmiştir.

Burada koloit hacim fraksiyonu Φ de sabit tutulduğu, hareketsiz ve koloit akıcı polimer karışımlarının konfokal görüntü ve görüntü analizi 37 göstermek = 0.15, bu prob faz davranışı ve bu karışımların akış özelliklerine lohusalık etkisi. Bu teknikler refraktif olan parçacık halinde sistemler için geniş çapta uygulanabilir göstergesi eşlemeli ve burada parçacıklar ve / veya çözücü bir floresan boya ile etiketlenebilir.

Protocol

Koloidno Polimer Karışımlarının 1. Hazırlanması Not: Bu protokol, poli (metil metakrilat) (PMMA) parçacıkları, sterik olarak poli (12-hidroksistearik asit) kullanılarak stabilize edilmiş ve bir standart, izlenerek elde edilmiştir (örneğin, Nil kırmızısı, rodamin B veya floresan gibi), bir floresan boya ile işaretlenmiş kullanır tarifi 52. Bir hisse senedi çözücü olarak sikloheksil bromür (CXB) ve dekahidronaptalen (DHN) 3:1 w / w karışımı …

Representative Results

Konfokal görüntüleme ve partikül izleme göstermek için, kolloid-polimer karışımlarının 63-65 faz davranışları üzerindeki lohusalık etkisi araştırıldı. Bu deneyler için, kolloid çapı 2 a = 0.865 mikron idi. Koloit hacim fraksiyonu Φ = 0.15 sabitlendi ve polimer c p konsantrasyonu 0 ilâ 23.6 mg / ml 'ye değişmiştir. Temsilcisi konfokal görüntüleri Şekil 2 63, sol sütunda gösterilmiştir. Izleme algoritmaları kullanı…

Discussion

Mikron boyutlu kolloidal parçacıkları, atom ve moleküllerin çok daha yavaş dinamiklerini sergilemek ve böylece kolayca görüntülü ve zaman 10 üzerinden izlenebilir, çünkü kolloidal süspansiyonlar yaygın, sınırlı faz davranışları için model olarak incelenmektedir. Bu temel çalışmalar için, sınırlı faz davranışı üzerinde tanecikarası turistik etkisini anlamak gibi kılcal yoğunlaşma ve buharlaşma 21,22,67 gibi olguları keşfetmek için bir fırsat sunuyor. Buna …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu yayında bildirilen araştırma University of Houston Yeni Fakülte Grant, Süperiletkenlik için Texas Merkezi'nden bir tohum hibe ve American Chemical Society Petrol Araştırma Fonu (52537-DNI) tarafından desteklenmiştir.

Materials

Name of Material/ Equipment Company Catalog Number Comments/Description
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
Cover slips Fisher Scientific 12-518-210  48⨉65 mm
Cover slips Fisher Scientific 12-540B 22⨉22 mm
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 1-5000 rpm
Glass slides VWR 48382-171 25⨉75 mm, 1.0 mm thick
microcapillary Vitrocom 8510-100 0.1⨉0.1 mm square cross section, 100 mm length
Teflon tubing smallparts SLTT 26-72 Zeus PTFE Sublite Wall Tubing 26 AWG .016" ID x .0030" Wall
Epoxy Devcon DA051 5 minute 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

References

  1. Shereda, L. T., Larson, R. G., Solomon, M. J. Local stress control of spatiotemporal ordering of colloidal crystals in complex flows. Physical Review Letters. 101, 038301-0310 (2008).
  2. Conrad, J. C., et al. Designing colloidal suspensions for directed materials assembly. Current Opinion in Colloid and Interface Science. 16, 71-79 (2011).
  3. Lewis, J. A. Direct ink writing of 3D functional materials. Advanced Functional Materials. 16, 2193-2204 (2006).
  4. Mishra, B., Patel, B. B., Tiwari, S. Colloidal nanocarriers: a review on formulation technology, types and applications toward targeted drug delivery. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine. 6, 9-24 (2010).
  5. Maitland, G. C. Oil and gas production. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 5, 301-311 (2000).
  6. Kelessidis, V., Maglione, R., Tsamantaki, C., Aspirtakis, Y. Optimal determination of rheological parameters for Herschel–Bulkley drilling fluids and impact on pressure drop, velocity profiles and penetration rates during drilling. J. Petrol. Sci. Eng. 53, 203-224 (2006).
  7. Ponnapati, R., et al. Polymer-functionalized nanoparticles for improving waterflood sweep efficiency: Characterization and transport properties. Industrial and Engineering Chemistry Research. 50, 13030-13036 (2011).
  8. Duduta, M., et al. Semi-solid lithium rechargeable flow battery. Advanced Energy Materials. 1, 511-516 (2011).
  9. Poon, W. C. K. The physics of a model colloid-polymer mixture. Journal of Physics: Condensed Matter. 14, (2002).
  10. Prasad, V., Semwogerere, D., Weeks, E. R. Confocal microscopy of colloids. Journal of Physics: Condensed Matter. 19, 113102-1110 (2007).
  11. Kogan, M., Solomon, M. J. Electric-field-induced yielding of colloidal gels in microfluidic capillaries. Langmuir. 26, 1207-1213 (2010).
  12. Frank, M., Anderson, D., Weeks, E. R., Morris, J. F. Particle migration in pressure-driven flow of a Brownian suspension. Journal of Fluid Mechanics. 493, 363-378 (2003).
  13. Isa, L., Besseling, R., Morozov, A. N., Poon, W. C. K. Velocity oscillations in microfluidic flows of concentrated colloidal suspensions. Physical Review Letters. 102, 058302-0510 (2009).
  14. Isa, L., Besseling, R., Poon, W. C. K. Shear zones and wall slip in the capillary flow of concentrated colloidal suspensions. Physical Review Letters. 98, (2007).
  15. Semwogerere, D., Morris, J. F., Weeks, E. R. Development of particle migration in pressure-driven flow of a Brownian suspension. Journal of Fluid Mechanics. 581, 437-451 (2007).
  16. Semwogerere, D., Weeks, E. R. Shear-induced particle migration in binary colloidal suspensions. Phys. Fluids. 20, (2008).
  17. Ramiro-Manzano, F., Bonet, E., Rodriguez, I., Meseguer, F. Layering transitions in confined colloidal crystals: The hcp-like phase. Physical Review E. 76, 050401-0510 (2007).
  18. Ramiro-Manzano, F., Meseguer, F., Bonet, E., Rodriguez, I. Faceting and commensurability in crystal structures of colloidal thin films. Physical Review Letters. 97, 028304-0210 (2006).
  19. Hilhorst, J., et al. hree-dimensional structure and defects in colloidal photonic crystals revealed by tomographic scanning transmission X-ray microscopy. Langmuir. 28, 3614-3820 (2012).
  20. Luo, Y. -. Y., Hu, S. -. X., Lu, Y., Mai, Z. -. H., Li, M. Real time observation of partial dislocations in thin colloidal crystals. Applied Physics Letters. 95. 174107, (2009).
  21. Binder, K., Horbach, J., Vink, R. L. C., De Virgiliis, A. Confinement effects on phase behavior of soft matter systems. Soft Matter. 4, 1555-1568 (2008).
  22. De Virgiliis, A., Vink, R. L. C., Horbach, J., Binder, K. From capillary condensation to interface localization transitions in colloid-polymer mixtures confined in thin-film geometry. Physical Review E. 78, 041604-0410 (2008).
  23. Crocker, J. C., Grier, D. G. Methods of digital video microscopy for colloidal studies. J. Colloid Interface Sci. 179, 298-310 (1996).
  24. Gasser, U., Weeks, E. R., Schofield, A. B., Pusey, P. N., Weitz, D. A. Real-space imaging of nucleation and growth in colloidal crystallization. Science. 292, 258-262 (2001).
  25. Alsayed, A. M., Islam, M. F., Zhang, J., Collings, P., Yodh, A. G. Premelting at defects within bulk colloidal crystals. Science. 309, 1207-1210 (2005).
  26. Leunissen, M. E., et al. Ionic colloidal crystals of oppositely charged particles. Nature. 437, 235-240 (2005).
  27. Nagamanasa, K. H., Gokhale, S., Ganapathy, R., Sood, A. K. Confined glassy dynamics at grain boundaries in colloidal crystals. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108. , 11323-11326 (2011).
  28. Kaya, D., Green, N. L., Maloney, C. E., Islam, M. F. Normal modes and density of states of disordered colloidal solids. Science. 329, 656-658 (2010).
  29. Weeks, E. R., Crocker, J. C., Levitt, A. C., Schofield, A. B., Weitz, D. A. Three-dimensional direct imaging of structural relaxation near the colloidal glass transition. Science. 287, 627-631 (2000).
  30. Sarangapani, P. S., Schofield, A. B., Zhu, Y. Direct experimental evidence of growing dynamic length scales in confined colloidal liquids. Phys. Rev. E. 83, 030502-0310 (2011).
  31. Sarangapani, P. S., Schofield, A. B., Zhu, Y. Relationship between cooperative motion and the confinement length scale in confined colloidal liquids. Soft Matter. 8, 814-818 (2012).
  32. Dibble, C. J., Kogan, M., Solomon, M. J. Structure and dynamics of colloidal depletion gels: Coincidence of transitions and heterogeneity. Phys. Rev. E. 74, 041403-0410 (2006).
  33. Dibble, C. J., Kogan, M., Solomon, M. J. Structural origins of dynamical heterogeneity in colloidal gels. Phys. Rev. E. 77, 050401-0510 (2008).
  34. Lu, P. J., et al. Gelation of particles with short-range attraction. Nature. 453, 499-504 (2008).
  35. Hsiao, L. C., Newman, R. S., Glotzer, S. C., Solomon, M. J. Role of isostaticity and load-bearing microstructure in the elasticity of yielded colloidal gels. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109. , 16029-16034 (2012).
  36. Lu, P. J., et al. Characterizing concentrated, multiply scattering, and actively driven fluorescent systems with confocal differential dynamic microscopy. Physical Review Letters. 108, 218103-2110 (2012).
  37. Besseling, R., Isa, L., Weeks, E. R., Poon, W. C. K. Quantitative imaging of colloidal flows. Advances In Colloid and Interface Science. 146. , 1-17 (2009).
  38. Wereley, S. T., Meinhart, C. D. Micron-resolution particle image velocimetry. Microscale Diagnostic Techniques. , 1-62 (2005).
  39. Angele, K. P., Suzuki, Y., Miwa, J., Kasagi, N. Development of a high-speed scanning micro PIV system using a rotating disc. Measurement Science and Technology. 17, 1639-1646 (2006).
  40. Klein, S. A., Posner, J. D. Improvement in two-frame correlations by confocal microscopy for temporally resolved micro particle imaging velocimetry. Measurement Science and Technology. 21, 105409-1010 (2010).
  41. Derks, D., Wu, Y. L., Van Blaaderen, A., Imhof, A. Dynamics of colloidal crystals in shear flow. Soft Matter. 5, 1060-1065 (2009).
  42. Ballesta, P., Besseling, R., Isa, L., Petekidis, G., Poon, W. C. K. Slip and flow of hard sphere colloidal glasses. Physical Review Letters. 101, 258301-2510 (2008).
  43. Rajaram, B., Mohraz, A. Microstructural response of dilute colloidal gels to nonlinear shear deformation. Soft Matter. 6, 2246-2259 (2010).
  44. Rajaram, B., Mohraz, A. Dynamics of shear-induced yielding and flow in dilute colloidal gels. Physical Review E. 84, (2011).
  45. Rajaram, B., Mohraz, A. Steady shear microstructure in dilute colloid–polymer mixtures. Soft Matter. 8, 3699-3707 (2012).
  46. Yethiraj, A., Van Blaaderen, A. A colloidal model system with an interaction tunable from hard sphere to soft and dipolar. Nature. 421, 513-517 (2003).
  47. Campbell, A. I., Anderson, V., Van Duijneveldt, J. S., Bartlett, P. Dynamical arrest in attractive colloids: The effect of long-range repulsion. Physical Review Letters. 94, 208301-2010 (2005).
  48. Klix, C. L., Royall, C. P., Tanaka, H. Structural and dynamical features of multiple metastable glassy states in a colloidal system with competing interactions. Physical Review Letters. 104, 165702-1610 (2010).
  49. Sedgwick, H., Egelhaaf, S. U., Poon, W. C. K. Clusters and gels in systems of sticky particles. Journal of Physics: Condensed Matter. 16, 10-1088 (2004).
  50. Zhang, T. H., Klok, J., Tromp, R. H., Groenewold, J., Kegel, W. K. Non-equilibrium cluster states in colloids with competing interactions. Soft Matter. 8, (2012).
  51. Dinsmore, A. D., Prasad, V., Wong, I. Y., Weitz, D. A. Microscopic structure and elasticity of weakly aggregated colloidal gels. Physical Review Letters. 96, (2006).
  52. Antl, L., et al. The preparation of poly(methyl methacrylate) latices in nonaqueous media. Colloid Surf. 17, 67-78 (1986).
  53. Aarts, D. G. A. L., Tuinier, R., Lekkerkerker, H. N. W. Phase behaviour of mixtures of colloidal spheres and excluded-volume polymer chains. Journal of Physics: Condensed Matter. 14, 7551-7561 (2002).
  54. Crocker, J. C., Weeks, E. R. Particle tracking using IDL. , (2011).
  55. Grier Grier, D. G. Lab Downloadable Software. , (2012).
  56. Smith, R., Friendly Spalding, G. U. s. e. r. -. . Freeware Image Segmentation and Particle Tracking. , (2005).
  57. Blair, D. L., Dufresne, E. R. The Matlab Particle Tracking Code Repository. , (2008).
  58. Kilfoil, M. L. . Biological Physics Software. , (2009).
  59. Milne, G. Particle Tracking. , (2006).
  60. Caswell, T. trackpy: A pure python implementation of Crocker-Grier for single particle tracking. , (2012).
  61. Weeks, E. R. IDL routines to calculate the pair correlation function g(r). , (2005).
  62. Breedveld, V., Crocker, J. C., Weeks, E. R. M. S. D. . , (2005).
  63. Spannuth, M., Conrad, J. C. Confinement-induced solidification of colloid-polymer depletion mixtures. Phys. Rev. Lett. 109, (2012).
  64. Spannuth, M., Conrad, J. C. Dynamics of confined colloid-polymer mixtures. AIP Conf. Proc. 1518, 351-356 (2013).
  65. Pandey, R., Conrad, J. C. Dynamics of confined depletion mixtures of polymers and bidispersed colloids. Soft Matter. , (2013).
  66. Pandey, R., Conrad, J. C. Effects of attraction strength on microchannel flow of colloid–polymer depletion mixtures. Soft Matter. 8, 10695-10703 (2012).
  67. Gelb, L., Gubbins, K. E., Radhakrishnan, R., Sliwinska-Bartkowiak, M. Phase separation in confined systems. Reports on Progress in Physics. 62, 1573-1659 (1999).
  68. Parthasarathy, R. Rapid accurate particle tracking by calculation of radial symmetry centers. Nature Methods. 9, 724-726 (2012).
  69. Peng, B., vander Wee, E., Imhof, A., Van Blaaderen, A. Synthesis of monodisperse, highly cross linked, fluorescent PMMA particles by dispersion polymerization. Langmuir. 28, 6776-6785 (2012).
  70. Elsesser, M. T., Hollingsworth, A. D., Edmond, K. V., Pine, D. J. Large core-shell poly(methyl methacrylate) colloidal clusters: synthesis, characterization, and tracking. Langmuir. 27, 917-927 (2011).
  71. Dullens, R. P. A., Derks, D., van Blaaderen, A., Kegel, W. K. Monodisperse core-shell poly(methyl methacrylate latex colloids). Langmuir. 19, 5963-5966 (2003).

Play Video

Cite This Article
Pandey, R., Spannuth, M., Conrad, J. C. Confocal Imaging of Confined Quiescent and Flowing Colloid-polymer Mixtures. J. Vis. Exp. (87), e51461, doi:10.3791/51461 (2014).

View Video