We present a new technique to measure the lateral diffusion of a surface active species at the fluid-fluid interface by merging a droplet monolayer onto a flat monolayer.
We introduce a new method to measure the lateral diffusivity of a surfactant monolayer at the fluid-fluid interface, called fluorescence recovery after merging (FRAM). FRAM adopts the same principles as the fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) technique, especially for measuring fluorescence recovery after bleaching a specific area, but FRAM uses a drop coalescence instead of photobleaching dye molecules to induce a chemical potential gradient of dye molecules. Our technique has several advantages over FRAP: it only requires a fluorescence microscope rather than a confocal microscope equipped with high power lasers; it is essentially free from the selection of fluorescence dyes; and it has far more freedom to define the measured diffusion area. Furthermore, FRAM potentially provides a route for studying the mixing or inter-diffusion of two different surfactants, when the monolayers at a surface of droplet and at a flat air/water interface are prepared with different species, independently.
Phospholipide sind wichtige Bestandteile der Zellmembranen und die Membranen von Organellen, und die Fließfähigkeit dieser Membranschichten oft auf Zellfunktionen durch Veränderung der Aktivität von Membranproteinen 1-3. B. Membran Lipidhomöostase durch Regulieren Membranfluidität, die von Membranproteinen detektiert wird erreicht, und ein ungewöhnlich hohes Fließvermögen verursacht schwere Krankheiten, wie Fettleber und Cholestase 4. Zusätzlich Fluidität einer Phospholipidschicht an der Luft-Fluid-Grenzfläche Alveolen hat wichtige Auswirkungen auf seine Funktionen. Hohe Fluidität des Lungensurfactant Phospholipidschicht erleichtert Ausbreiten der Schicht während der Inhalation, während eine geringe Fließfähigkeit ermöglicht die Schicht in den Alveolen während der Ausatmung 5,6 bleiben. Es ist daher wichtig, die Fließfähigkeit der Phospholipidschichten abzuschätzen, ihre Rollen zu verstehen.
_content "> ein direktes Maß für die Fließfähigkeit ist, die Viskosität und die Viskosität der Phospholipidschichten wurde durch die Verwendung von Mikrometergröße Kolloide 7, magnetische Nadeln 8,9 und magnetische Mikrotasten 6,10,11 gemessen. Diese Techniken sind relativ steifen Folien begrenzt und kann nicht weniger viskose Filmen zu messen. In solchen Fällen wäre Diffusivität eine Alternative zur Fluidität Phospholipidschichten quantifizieren. Seit mehreren Jahrzehnten wurden eine Vielzahl von Techniken, um die Diffusionseigenschaften der Phospholipidschichten messen entwickelt, wie Fluoreszenz Abschreckverfahren 12, gepulster Feldgradient NMR 13 und die Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS) 14. Eine der repräsentativen Methoden fluorescence recovery after photo (FRAP) 15,16. Aufgrund der Einfachheit des Messverfahrens und der damit verbundenen Theorien, mehrere Studien über die Diffusionseigenschaften Phospholipidschichten wurden durchgeführt unter Verwendung FRAP <sup> 17-19. Allerdings FRAP erfordert in der Regel eine teure konfokalen Mikroskop Setup mit einem Hochleistungslaser.Hier präsentieren wir eine neue Technik, um die laterale Diffusion von Phospholipid-Monoschichten, als Fluoreszenz bezeichnet Erholung nach der Zusammenführung (FRAM) zu messen. Der wesentliche Unterschied zwischen FRAP und FRAM ist, dass die Photobleichschritt wird durch das Zusammenwachsen von Tropfen ersetzt. Zusammenführen eines Tröpfchens durch nicht-Fluoreszenz-Monoschicht abgedeckt auf eine fluoreszenzmarkierte flache Monoschicht hinterlässt einen kreisförmigen dunklen Fleck auf einem hellen flachen Monoschicht, wodurch die Einrichtung des gleichen Anfangszustand mit dem Photobleichschritt. Wir beobachten dann die Fluoreszenz-Erholung in den dunklen Fleck mit der Zeit, um die laterale Diffusionsfähigkeit zu messen. Diese neue "Bleichen" Schritt Tropfenkoaleszenz bietet erhebliche Vorteile gegenüber FRAP: FRAM erfordert nur eine Fluoreszenzmikroskop anstatt eines teuren konfokalen Mikroskop mit einem Hochleistungslaser, die für FRAP notwendig ist. ichn Darüber hinaus hat FRAM eine breite Auswahl von Fluoreszenzfarbstoffen, da sie nicht die Photobleichprozess einzubeziehen. Schließlich können die zwei unterschiedlichen Monoschichten ein Tröpfchen Monoschicht und einer flachen Monoschicht können unabhängig hergestellt werden, so dass die Interdiffusion zu messen, wobei FRAP misst nur die Selbstdiffusion von Monoschichten.
FRAM bietet eine breite Palette von Diffusionsmessungen von hochviskosen Materialien auf nahezu reibungsfreie Materialien. Prinzipiell kann FRAM die maximale Diffusionsvermögen von 10 6 & mgr; m 2 / sec, die vergleichbar ist mit existierenden Techniken zu messen, wenn die Diffusion während der Zeit für den Abfall Koaleszenzprozeß (~ 10 ms), tritt über die Fläche 100 um 100 um. Darüber hinaus kann langsamen Diffusionsprozesses leicht gemessen werden, es sei denn Monoschichten sind fest. FRAM kann für beliebige Arten von oberflächenaktiven Materialien, solange geeignete fluoreszenzmarkierten Molekülen zur Verfügung stehen werden.
FRAM teilt eine Menge von grundlegenden Prinzipien mit FRAP, vor allem für die Messung der Fluoreszenz Erholung nach dem Bleichen einen bestimmten Bereich, aber FRAM verwendet einen Prozess der Zusammenführung ein Tröpfchen auf die flache Schnittstelle, einen gebleichten Bereich zu bilden, anstelle der Anwendung ein intensives Licht. Der Zusammenführungsprozess ist somit wichtigste Schritt im FRAM und vor allem die Form der dunklen Fleck auf dem flachen Monoschicht nach dem Zusammenführen eines Tröpfchens bestimmt die Genauigkeit der Diffusionsmessung. Insbesondere auf der Grundlage einer aktuellen Methode, wir nur den Kreis mit einem Radius R festgelegt als ein Bereich von Interesse, um die durchschnittliche Intensität der dunklen Fleck, in Verfahren 4 gezeigt zu berechnen, und wenn es eine zu starke Abweichung von der Kreisform, dies würde die genaue Messung des Diffusionskoeffizienten stören. Daher ist es notwendig, einen kreisförmigen dunklen Bereich zu erhalten, aber nicht kreisförmigen Formen werden manchmal aus verschiedenen Gründen gebildet. Erstens, wenn es eine konvektive Strömung in dem Haustierri Schale wird die Form des dunklen Bereichs entlang der Strömungsrichtung langgestreckt ist. Wie in Verfahren 1.3 erwähnt, hilft eine Kegelform Gerät, um die konvektive Strömung zu unterdrücken, und diese Dehnung minimiert werden würde. Zweitens, wenn das Spitzenende der Kapillare die flache Schnittstelle während eines Zusammenführungsprozess berührt, der dunkle Bereich ist mit einer Vielzahl von Formen gebildet, da die Kapillare Ende der Zusammenführungsprozess unterbricht. Mit dem Erwerb einer Tröpfchen, die nur hängen vom Ende der Kapillare, kann diese Unterbrechung verhindert werden. Insbesondere eine Hydrophobierung der Kapillare unterstützt die Tröpfchen am Ende der Kapillare sitzt. Daher obigen Probleme Schießereien und Modifikationen ermöglichen uns, Diffusionseigenschaften genauer zu messen.
Dieses gut Störungsbehebung Verfahren erlaubt somit FRAM, mehrere wesentliche Vorteile gegenüber FRAP haben. Zuerst FRAM erfordert einfachere Geräte im Vergleich zum FRAP. Für FRAM, die ausreicht, um eine einfache Fluoreszenz Mikros benutzen ist esgerecht zu werden, statt eines teuren konfokalen Mikroskop mit einem Hochleistungslaser, dessen Wellenlänge muß mit dem Absorptionsspektrum des Farbstoffes zu treffen. Darüber hinaus ist es notwendig, eine zusätzliche Vorrichtung verwenden, um die Größe auf dem gebleichten Bereich im FRAP einzustellen, während der FRAM steuert die Größe der Fläche, durch Einstellen der Größe der Tröpfchen oder der Oberflächendruck an der Tropfenoberfläche. Zweitens ist es möglich, verschiedene Arten von Farbstoffen in FRAM verwenden. FRAP verwendet nur Farbstoffmoleküle, deren Bleichverfahren ist viel schneller als die Diffusionsprozesses. Wenn während des Bleichprozesses die Diffusion der Farbstoffe auftritt, ist es schwierig, die Diffusionseigenschaft genau zu schätzen. Der FRAM, jedoch nicht ein Verfahren zum Bleichen von Farbstoffen erfordern, und dies ermöglicht somit die Verwendung von verschiedenen Arten von Farbstoffen in der Fluoreszenz-Bildgebungs. Darüber hinaus ist die FRAP erfordert zusätzliche Hochleistungslasern und Filtersätze, um die Farbstoffspezies verändern, während es nur notwendig ist, um die Filtersätze in der FRAM ersetzen. EndlichDa die Monoschichten an der Tropfenoberfläche und der ebenen Schnittstelle kann unabhängig ausgebildet werden, wodurch die Untersuchung von Interdiffusion oder Vermischung zwischen zwei Lipid-Monoschichten durch Zusammenführen A-Typ Monoschicht B-Typ-Monoschicht, während die FRAP misst nur die Selbstdiffusion einer Monoschicht.
Trotz dieser Vorteile kann der Prozess der Zusammenführung ein Tröpfchen auf eine flache Luft-Wasser-Grenzfläche diese Technik möglicherweise begrenzen auf mehrere Fragen, die von Bedeutung sein könnten, wie beispielsweise ein Oberflächendruck Missverhältnis zwischen den beiden Monoschichten, die Zeitskala der Zusammenführungsprozess und eine Erhöhung des Oberflächendrucks des flachen Monoschicht nach dem Zusammenführen Tröpfchen. Diese Probleme jedoch nicht signifikant auf die Diffusionsmessung aus den folgenden Gründen. Erstens, auch wenn die Oberflächendrücke an den beiden unterschiedlichen Monoschichten sind sehr unterschiedlich, eine Gleichgewichtseinstellung in einem sehr frühen Stadium bei der Wiederherstellung abgeschlossen ist. Wenn beispielsweise ter Oberflächendruck der Monoschicht an der Tropfenoberfläche ist höher als der der Monoschicht an der flachen Luft-Wasser-Grenzfläche, dehnt der dunkle Bereich, bis der Oberflächendruck ausgleicht. Da dieses Verfahren innerhalb von 10 ms beendet ist, wird der Oberflächendruck equilibriert, bevor es beeinflusst die Diffusion. Zweitens, wenn der Zeitmaßstab der Zusammenführungsprozess schnell genug ist, es nicht die Diffusionsmessung begrenzen überhaupt. Glücklicherweise ist eine typische Zusammenführungsprozess auch innerhalb von 10 ms abgeschlossen. Schließlich ist sogar mehrere Verschmelzen der Tröpfchen auf die flache Grenzfläche nicht den Oberflächendruck, da die Oberfläche des Trogs erhöht wesentlich größer ist als die Oberfläche des Tropfens. Entsprechend den Größen der Mulde und die Tröpfchen in dem Protokoll beschrieben, ist die Fläche pro Molekül erhöht weniger als 0,015% durch Zusammenführen eines Tröpfchens. Dementsprechend ist die Erhöhung der Oberflächendruck aufgrund der Änderung der Fläche pro Molekül weniger als 0,1%, das ist negligible weil sie viel kleiner als die typischen Fehler im Oberflächendruck, wie von Wilhelmy-Platten-Tensiometers gemessen.
Zusammenfassend haben wir eine neue Methode, um die laterale Diffusion Eigenschaft eines Phospholipid-Monoschicht durch die Zusammenlegung eines Tröpfchens Monoschicht auf der flachen Schnittstelle zu messen. Diese Technik erfordert eine relativ einfache Ausrüstung und ermöglicht auch die Verwendung von verschiedenen Arten von Farbstoffspezies. Der FRAM ist daher potentiell geeignet für Diffusions Messung einer oberflächenaktiven Mitteln, einschließlich Phospholipide, Blockcopolymere, Proteine und auch Nanopartikel in einem Flüssig-Flüssig-Grenzfläche. Darüber hinaus erwarten wir, dass die FRAM bietet einen neuen Weg, um die Interdiffusion oder Vermischung zwischen zwei verschiedenen oberflächenaktiven Mittel zu untersuchen.
The authors have nothing to disclose.
Diese Arbeit wird durch die KAIST finanzierten K-Tal RED & B-Projekt für 2014 und der Basic Science-Research-Programm durch die National Research Foundation of Korea (NRF- 2012R1A6A3A040395, NRF-2013R1A1A2057708, NRF- 2012R1A1A1011023) unterstützt.
Acetone | OCI corporation | Acetone 3.8L Extra Pure | Purity: ≥ 99.5%, Please consult material safety data sheets (MSDS) before use. |
Ethanol | OCI corporation | Ethanol 3.8L Extra Pure | Purity: ≥ 94%, Please consult material safety data sheets (MSDS) before use. |
Deionized water/Water purify system | Millipore | Milli-Q liocel | >18.2 MΩ·cm |
Dioleoylphosphatidylcholine, DOPC | Avanti Polar Lipids | 850375C | Please consult material safety data sheets (MSDS) before use. Chloroform is carcinogenic. |
Chloroform | LiChrosolv | Chloroform ultrapure (A3633) | Purity: ≥ 99.8%, Please consult material safety data sheets (MSDS) before use. Carcinogenic |
Rhodamine DPPE | Avanti Polar Lipids | 810158C, 810158P | Avoid direct light exposure to prevent photobleaching |
Wilhelmy plate tensiometer | R&K ultrathin organic film technology | Wilhelmy tensiometer | http://www.rieglerkirstein.de/index.htm |
Micropipette puller | Sutter instrument | P-1000 | |
Micro-injector | Eppendorf | Femtojet | |
Micromanipulator | Eppendorf | Micromanipulator 5171 | |
Microscope 1 | Objective lens: Olympus | Objective lens: UPlanFl 10x | Objective lens: 10x NA 0.3 |
Microscope 2 | Objective lens: Olympus, Tube lens: Thorlabs | Objective lens: UPlanFl 10x | Objective lens: 10x NA 0.3, tube lens: focal length 17 cm |
CCD for Microscope 1 | Jai | CV 950 camera | |
CCD for Microscope 2 | Andor | iXon3 EMCCD | |
Filter set | Chroma technology | Catalog Set 49004: ET545, T565, ET605 | Prepare suitable for dye molecules |
Sonicator | DAIHAN Scientific | Wiseclean WUC-D06H |