Kombination von Mikrofluidik und Microrheology während wiederholter Phasenübergänge rheologische Eigenschaften der weichen Materie ermitteln

Summary

Wir zeigen die Herstellung und Verwendung eines mikrofluidischen Gerät, das mehrere Teilchen tracking Microrheology Messungen zur Untersuchung der rheologischen Auswirkungen wiederholter Phasenübergänge auf weiche Materie ermöglicht.

Abstract

Die Mikrostruktur der weichen Materie direkt wirkt sich makroskopische rheologische Eigenschaften und kann durch Faktoren wie kolloidale Umlagerung während der vorherigen Phasenänderungen geändert werden und Scherung angewendet. Um das Ausmaß dieser Veränderungen zu ermitteln, haben wir eine mikrofluidischen Gerät entwickelt, dass ermöglicht wiederholt Phasenübergänge induziert durch Austausch von der umgebenden Flüssigkeit und Microrheological Charakterisierung Scherkräfte auf die Probe zu begrenzen. Diese Technik ist µ²Rheologie, die Kombination von Mikrofluidik und Microrheology. Das mikrofluidischen Gerät ist ein zwei-Schicht-Design mit symmetrischen Eingang Streams in eine Probenkammer, die Gel-Probe im Ort während der Flüssigkeitsaustausch fallen. Absaugung kann weit entfernt von der Probenkammer, Flüssigkeiten in die Probenkammer ziehen angewendet werden. Rheologische Eigenschaften sind mit mehreren Teilchen tracking Microrheology (MPT) charakterisiert. MPT fluoreszierende Sonde Partikel in das Material eingebettet sind und die Brownsche Bewegung der Sonden ist mit Videomikroskopie aufgezeichnet. Die Bewegung der Teilchen wird verfolgt und die Mean-squared Verschiebung (MSD) berechnet. MSD bezieht sich auf makroskopische rheologischen Eigenschaften, indem Sie die verallgemeinert Stokes-Einstein-Beziehung. Die Phase des Materials ist im Vergleich zu der kritischen Entspannung Exponent identifiziert, anhand von Zeit-Heilung-Überlagerung. Messungen von faserigen kolloidalen Gel illustrieren das Dienstprogramm der Technik. Dieses Gel hat eine feine Struktur, die irreversibel geändert werden kann, wenn Scherung angewendet wird. µ²Rheologie Daten zeigt, dass das Material immer wieder an den gleichen rheologischen Eigenschaften nach jedem Phasenübergang gestalten, darauf hinweist, dass Phasenübergänge mikrostrukturellen Veränderungen keine Rolle spielen. Um die Rolle der Scherung zu bestimmen, können Proben vor der Injektion in unserem mikrofluidischen Gerät geschert. µ²Rheologie ist ein breit anwendbare Verfahren zur Charakterisierung von weicher Materie ermöglicht die Bestimmung der rheologischen Eigenschaften von feinen Mikrostrukturen in einer einzigen Probe bei Phasenübergängen in Reaktion auf wiederholte Änderungen in der umliegenden Umweltbedingungen.

Introduction

Phasenübergänge in weicher Materie können die Gerüst-Struktur ändern, die Auswirkungen in der Verarbeitung und endgültige Stabilität der Werkstoff-^1,2,3hat. Die Charakterisierung von weichen Materialien während der dynamischen Phasenübergänge bietet wichtige Informationen über die Beziehung zwischen strukturellen Entwicklung und Gleichgewicht Struktur und rheologischen Eigenschaften. Beispielsweise erfordern viele häusliche Pflege-Produkte einen Phasenwechsel bei Verwendung durch Verbraucher. Auch während der Herstellung, können Bearbeitungsschritte, einschließlich Verdünnung und mischen, vermitteln Scherung die rheologischen Eigenschaften und endgültige Mikrostruktur des Produktes beeinflussen. Verständnis der rheologischen Eigenschaften in einem Phasenwechsel wird sichergestellt, dass das Produkt funktioniert wie vorgesehen. Darüber hinaus ändert Kräfte die Ausgangspunkt Rheologie des Materials bei der Herstellung, können Phasenübergänge unerwartete und unerwünschte, ändern die beabsichtigte Funktion und Wirksamkeit Ergebnissen. Zeitpunkt der kritischen Gelierung, definiert als der Punkt, wo das Material von einer Lösung der damit verbundenen Kolloide oder Polymere mit einem Probe-spanning Gel Netzwerk, Übergänge, Materialeigenschaften drastisch ändern mit geringfügigen Änderungen Verband. Änderungen an der Struktur der kritischen gelierpunkt kann das Endprodukt⁴auswirken. Während diese dynamische Übergänge können weiche Materialien haben schwache mechanische Eigenschaften und Messungen, die klassischen experimentellen Techniken verwenden, innerhalb der Messung Lärm Limit^5,6,7. Zu dieser, Techniken wie Microrheology, entfallen die sensibel im Bereich von niedrigen Moduli (10^-3 – 4 Pa), werden verwendet, um das schwach beginnende Gel während dynamische Entwicklung zu charakterisieren. Einige Materialien sind anfällig für Veränderungen in der Mikrostruktur durch externe Kräfte, die während der Charakterisierung, eine Herausforderung darstellt, da die Übertragung von Material oder Flüssigkeit die Struktur und letztlich die endgültige Materialeigenschaften beeinflussen kann. Um zu vermeiden, die Material Mikrostruktur verändern, haben wir eine mikrofluidischen Gerät entwickelt, das die Umwelt Flüssigkeit um eine Probe austauschen kann, bei gleichzeitiger Minimierung der Scherung. Durch den Austausch von den sich ständig verändernden Umfeld, sind Veränderungen in der rheologischen Eigenschaften und Mikrostruktur während Phasenübergänge mit minimalen Beiträgen von Scherkräften gemessen. Das Gerät ist mit mehreren Teilchen tracking Microrheology (MPT) in eine Technik namens µ²Rheologie kombiniert. Diese Technik wird verwendet, um die Materialeigenschaften bei aufeinander folgenden Phasenänderungen eines Gels als Reaktion auf eine externe Antriebskraft zu quantifizieren. Die Technik wird mit einem faserigen kolloidalen Gel, hydriertes Rizinusöl (HCO)^9,10,11veranschaulicht werden.

Gel-Gerüste können Veränderungen in der Assoziation und Dissoziation aufgrund ihrer Probe Umwelt^12,13,14,15unterziehen. Die treibende Kraft für die Gelierung und Abbau sind bestimmte Material und muss für jedes Material von Interesse zugeschnitten werden. µ²Rheologie kann verwendet werden, um Gel-Systeme zu charakterisieren, die auf äußere Reize, einschließlich kolloidale und Polymere Netzwerke reagieren. Salzkonzentration, pH-Wert oder osmotischen Druck zu verändern, sind Beispiele für Antriebskräfte, die Änderungen in der materiellen Mikrostruktur auslösen können. Zum Beispiel erfährt HCO kontrollierten Phasenübergänge durch die Schaffung eines osmotischen Druckgradienten. Wenn eine konzentrierte HCO Gel Probe (4 Gew.-% HCO) in Wasser untergetaucht ist, schwächen die Anziehungskräfte zwischen den kolloidalen Teilchen, Abbau verursacht. Alternativ, wenn eine verdünnte Lösung des HCO (0,125 Gew.-% HCO) ist mit einem hydrophilen Material (als das Geliermittel bezeichnet und besteht aus meist Glycerin und Tensid) kontaktiert, die attraktive Kräfte zurück, wodurch Gelierung. Dieses Gel-System wird verwendet, den Betrieb des Geräts als Instrument zur Messung der aufeinander folgenden Phasenübergängen auf eine einzelne Probe^9,10zu zeigen. Um diese Gel-Gerüste während dynamische Übergänge und die zarten beginnende Gelstruktur am kritischen Phasenübergang zu charakterisieren, verwenden wir MPT, um diese Materialien mit hoher räumlich-zeitliche Auflösung zu charakterisieren.

Microrheology wird verwendet, um Gel Eigenschaften und Struktur, vor allem in den kritischen Übergang aus einem Array von weichen Materialien, einschließlich kolloidale und Polymere Gele^5,6,9,16zu bestimmen. MPT ist eine passive Microrheological-Technik, die Videomikroskopie Datensatz verwendet die Brownsche Bewegung von fluoreszierenden Sonde Partikel innerhalb einer Probe eingebettet. Die Partikelpositionen in den Videos sind genau bis auf 1/10^th eines Pixels mit klassischen tracking-Algorithmen^17,18bestimmt. Das Ensemble im Durchschnitt Mean-squared Verschiebung (MSD, (ΔR²(t))) errechnet sich aus diesen Teilchen Flugbahnen. Der MSD bezieht sich auf Materialeigenschaften, wie z. B. die Einhaltung kriechen mit der verallgemeinerten Stokes-Einstein-Beziehung^{17,19,20,21,22, 23}. Der Zustand des Materials wird bestimmt durch die Berechnung der logarithmischen Steigung der Kurve MSD als Funktion der Verzögerungszeit, α,

wobei t die Verzögerungszeit und vergleicht sie mit der kritischen Entspannung Exponent, nist. n wird mit der Zeit-Heilung Überlagerung, eine gut dokumentierte Technik, die geändert wurde, um MPT Datenanalyse von Larsen und Furst⁶ermittelt. Im Vergleich wird der Zustand des Materials von n zu α quantitativ bestimmt. Wenn α > n das Material ist ein Sol, und wenn α < n das Material ist ein Gel. Bisherigen Arbeit hat das HCO-System mit Microrheology um zu bestimmen, die kritische Entspannung Exponent⁹gekennzeichnet. Mithilfe dieser Informationen ermitteln wir genau, wann das Material von einem Gel in eine Sol während eines Experiments übergeht. Darüber hinaus kann der nicht-Gauß-Parameter α_NG, berechnet werden, um das Ausmaß der strukturellen Heterogenität eines Systems festzustellen,

ΔX(t) ist der eindimensionale Teilchenbewegung in X -Richtung. Mit MPT, können wir einen einzigen Phasenübergang charakterisieren, aber durch die Charakterisierung von Materialien mit MPT in einem mikrofluidischen Gerät, sind wir in der Lage, flüssige Umgebung zu manipulieren und sammeln Daten von mehreren Phasenübergänge an einer einzigen Gel-Probe.

Dieses mikrofluidischen Gerät soll die kritische Übergänge von einer einzigen Gel Probe zu untersuchen, die Phasenänderungen als Reaktion auf Änderungen in der flüssigen Umgebung erfährt. Das Gerät tauscht Flüssigkeit umgeben die Probe, wenn es entweder in der Gel- oder Sol Staat ist durch Sperren der Probe im Ort, um einen Phasenübergang bei gleichzeitiger Minimierung der Scherung zu induzieren. Ein Lösungsmittel Becken befindet sich direkt oberhalb der Probenkammer, die durch sechs symmetrisch angeordneten zulaufkanäle verbunden sind. Diese Symmetrie ermöglicht den Austausch von Flüssigkeit aus dem Lösungsmittel Becken die Probenkammer beim Erstellen gleich Druck um die Probe im Ort sperren. Wurden mehrere Studien, die diese Technik für Einzelkorn und DNA-Überfüllung verwenden, aber diese Arbeit skaliert die Lautstärke von einzelnen Molekülen zu Beispielen, die ca. 10 µL^24,25,26sind. Dieses einzigartige Design ermöglicht auch in Echtzeit Microrheological Charakterisierung während dieser Phasenübergänge.

µ²Rheologie ist eine robuste Technik, die auf viele weiche Materie Systeme anwendbar ist. In diesem Artikel beschriebene Verfahren wurde für kolloidale Gele entwickelt, aber es kann leicht an andere Materialien wie Kunststoff oder Mizellen Lösungen angepasst werden. Mit dieser Technik, wir bestimmen nicht nur, wie Phasenübergänge Materialeigenschaften Gleichgewicht beeinflussen, aber auch wie verschiedene Bearbeitungsschritte können nachhaltige Effekte auf die rheologischen Evolution des Materials und die endgültige Gerüst Struktur und Eigenschaften.

Protocol

1. Herstellung von mikrofluidischen Gerät Mikrofluidische Stempel Herstellung.Hinweis: Dieser Schritt erfordert die Verwendung von flüchtigen Stoffen und sollte in einem chemischen Abzug erfolgen. Verwenden Sie negative Design-Aufdruck mit denselben Abmessungen wie die Objektträger (75 × 50 mm), die Kanäle weiß eingefärbt, und Hintergrund farbig schwarz (siehe Abbildung 1). Drucken Sie dieses Design auf einem klaren Acetat Blatt (Transparenz) mit…

Representative Results

Eine zweischichtige mikrofluidischen Gerät baut mit PDMS (Abbildung 1a, b), die auf einer Briefmarke von mikrofluidischen gemustert ist. Das Design des Stempels ist in Abbildung 1cdargestellt. Unsachgemäße Versuchsaufbau kann dazu führen, dass beide Fehler in passive Microrheology und mikrofluidischen fließt während rund um Flüssigkeitsaustausch (Abbildung 2)….

Discussion

Das zweilagige mikrofluidischen Gerät (Abbildung 1) kann leicht durch folgende gut dokumentierten mikrofluidischen Herstellung Techniken²⁹gemacht werden. Glasträger ergänzen die Unterseite des Geräts, Schwingungs Auswirkungen auf die Bewegung der Sonde zu verringern. Die Glas-Folie ist sehr dünn (0,10 mm) um den Arbeitsabstand von das Mikroskopobjektiv gerecht zu werden. Dies macht das Gerät anfällig für kleine Schwingungen im Gebäude und Probe-Umfeld, die da…

Materials

150 x 15 mm Petri Dish	Corning, Inc.	351058
75 x 50 x 0.15 mm glass slide	Fisher Scientific	Custom
75 x 50 x 1.0 mm glass slide	Fisher Scientific	12-550-C
75 x 25 x 1.0 mm glass Slide	Fisher Scientific	12-550-A3
22 x 22 Glass cover slips	Fisher Scientific	12-542-B
Acetone, 99.5%	VWR Analytical	67-64-1
Low intensity UV source	UVP	UVL-56
Chloroform, 99.9%	Fisher Chemical	C298-500
Cotton Swabs	Q-tips	83289205
Ethanol, 90%	Fisher Chemical	A962-4
Fluoresbrite® YG Carboxylate Microspheres 0.50µm	Polysciences, Inc.	15700-10
High-Intensity UV Lamp	Spectroline Corp.	SB-100P
Hot plate	Corning, Inc.	PC-420
Hydrochloric Acid, 6N	Ricca Chemical Company	3750-32
Methyltriethyoxysilane, 98%	Acros Organics	174622500
Microcentrifuge	Eppendorf	5424
Plasma cleaner	Harrick Plasma, Inc.	PDC-32G
Polydimethylsiloxane (PDMS)	Robert McKwown Company	2065622
Sonicator	Branson, Emerson Electric	1800
Steel connectors, ID 0.023 inch	New England Small Tube Corp.	Custom
Tetraethoxysilane, 98%	Alfa Aesar	A14965
Thiol-ene Resin (UV curable)	Norland Products, Inc.	NOA81
Transparency	Staples Inc.	21828
Tygon tubing, ID 1/32 inch	McMaster-Carr	E-3603
Vacuum oven	Fisher Scientific	282A
Biopsy punch 8 mm	World Precision Instruments	504535
Bioposy punch 0.5 mm	World Precision Instruments	504528
Syringe, 30 mL	BD	309659
Syringe, 3 mL	BD	309651
Needle, 18 gauge	BD	305195
Microcentrifuge tube, 1.5 mL	Eppendorf	22-36-320-4
High-speed Camera	Vision Research	Miro M120
Microscope	Carl Zeiss AG	Zeiss Observer, Z1
Syringe pump	New Era Pump Systems	NE-300
Hydrogenated castor oil	Procter & Gamble	N/A
Afício MP 6002 Printer	Ricoh Company, Ltd.	415877