JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Declarações
Acknowledgements
Materials
Referências
Tadução automática
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Química

Конфокальной микроскопии из замкнутого покоя и Измельчитель коллоидной-полимерных смесей

Published: May 20, 2014
doi:
10.3791/51461
, ,
1Chemical and Biomolecular Engineering Department,University of Houston

Summary

Конфокальной микроскопии используется для изображения покоя и впадающих коллоидно-полимерных смесей, которые изучаются в качестве модельных систем для привлекательных суспензий. Алгоритмы анализа изображения используются для расчета структурных и динамических показателей для коллоидных частиц, которые измеряют изменения в связи с геометрической заключения.

Abstract

Поведение ограниченных коллоидных суспензий с привлекательными межчастичных взаимодействий имеет решающее значение для рационального проектирования материалов для направленной сборки 1-3 доставки лекарств 4, улучшение углеводородного восстановления 5-7, и текучих электродов для хранения энергии 8. Суспензии, содержащие флуоресцентные коллоиды и неадсорбирующим полимеры являются привлекательными модельные системы, как отношение полимерной радиуса инерции к радиусу частиц и концентрации полимера контроля диапазон и сила притяжения между частицами, соответственно. Путем настройки свойств полимера и объемной доли коллоидов, коллоидных жидкостей, жидкостей кластеров, гели, кристаллы, и стаканы могут быть получены 9. Конфокальной микроскопии, вариант флуоресцентной микроскопии, позволяет оптически прозрачным и флуоресцентный образец для включения в образ с высоким пространственным и временным разрешением в трех измерениях. В этой технике, небольшой точечным или щель блокирует излучаемый флуоресцентный свет от областей образца, которые находятся вне фокальной объема микроскопа оптической системы. В результате, только тонкий срез образца в фокальной плоскости изображается. Этот метод особенно хорошо подходит для исследования структуры и динамики в плотных коллоидных суспензий в масштабе одночастичном: частицы достаточно велики, чтобы быть разрешен с помощью видимого света и диффузных достаточно медленно, чтобы быть захвачены при типичных скоростях сканирования коммерческих систем конфокальной 10 . Улучшения в скорости воспроизведения и алгоритмов анализа также позволили количественно конфокальной микроскопии, протекающего суспензий 11-16,37. В этой статье мы покажем, конфокальные эксперименты микроскопии для исследования поведения ограниченного фазы и реологические свойства коллоидно-полимерных смесей. Мы сначала подготовить коллподъязычная-полимерные смеси, которые плотности и показателя преломления совпадают. Далее, мы сообщаем стандартный протокол для работы с изображениями покоящиеся плотные коллоидно-полимерные смеси при различных родов в тонких клиновидных клеток. Наконец, мы демонстрируем протокол для визуализации коллоидно-полимерные смеси во микроканальном потока.

Introduction

Эта статья демонстрирует (а) конфокальной микроскопии из покоящихся и впадающих ограниченном коллоидно-полимерных смесей в двух и трех измерениях и (б) частиц отслеживания и корреляционного анализа полученных изображений, чтобы получить количественную информацию о поведении фазы и реологических свойств.

Коллоидные суспензии с привлекательными межчастичных взаимодействий появляются повсеместно в технологических приложениях, как материалов для направленной сборки 1-3 доставки лекарств 4, улучшенной 5-7 извлечения углеводородов и энергии хранения 8. Общей чертой этих приложений является то, что частицы должны быть мелкими текла через геометрий, таких как сопел печатающих головок, микроканалов, или пористых сред и / или быть придана тонких пленок или стержней. Методы, используемые для исследования структуры микронных размеров коллоидов в ограниченном геометрий, в том числе электронной микроскопии 17,18, рентгеновской микроскопии 19, и лазер-дифракционного мicroscopy 20, может быть использован для измерения структуры и динамики частиц на микроуровне. Эти методы, однако, не позволяют доступ к траекторий отдельных частиц, из которых структурные и динамические показатели могут быть вычислены для прямого сравнения с численным моделированием 21,22.

Конфокальной микроскопии является вариантом флуоресцентной микроскопии, который позволяет визуализации тонких срезов флуоресцентным образца. Для коллоидной науке 10, этот метод особенно полезен для визуализации глубоко внутри плотных суспензий или в трех измерениях. Частица слежения алгоритмы 23 применяется до двух-или трехмерное временных рядов конфокальной микрофотографии дают траектории всех видимых частиц. В результате, сочетание конфокальной микроскопии и частиц слежения был применен для изучения поведения фаз, структуру и динамику коллоидных суспензий, в том числе кристаллах 24-27 и расстройстваред очки 28-31 и гели 32-35.

Другие алгоритмы анализа изображений может быть применен для измерения динамики частиц из временного ряда конфокальных микрофотографии. Например, динамика диффузные частиц можно изучать на основе анализа колебания интенсивности по времени с использованием конфокальной дифференциального динамического микроскопии 36. Когда смещения частиц крупнее, чем расстояние между частицами, корреляция изображения 37 на основе скорости Изображения Частиц 38-40 может применяться для измерения профилей скорости частиц. Сочетание отслеживания и корреляции алгоритмов позволила коллоидные динамика для измерения в системах, подвергающихся медленный и быстрый поток 11-16,41-45.

Мы используем коллоидно-полимерные смеси в качестве моделей для привлекательных коллоидных суспензий 9. В этих смесях, диапазон и сила притяжения между частицами потенциала управляются через отношениеполимерного радиуса инерции к радиусу частиц и концентрации полимера и электростатического отталкивания управляется с помощью добавления одновалентной органической соли 46. Потому межчастичные взаимодействия могут быть тщательно настроены, затвердевание этих смесей была тщательно изучена с конфокальной микроскопии 34,47-51.

Здесь мы показываем, конфокальной микроскопии и анализа изображений 37 из покоящихся и впадающих коллоидно-полимерных смесей, в которых проводится объем коллоидная фракция зафиксирована на уровне Φ = 0,15, что зонд эффект конфайнмента на фазового поведения и свойств текучести этих смесей. Эти методы широко применимы к системам частиц, которые преломления соответствием и в котором частицы и / или растворитель может быть помечен флуоресцентным красителем.

Protocol

1. Подготовка коллоидной-полимерных смесей Примечание: Этот протокол использует поли (метилметакрилата) (ПММА) частицы, стерически стабилизированный с использованием поли (12-гидроксистеариновой кислоты) и метили флуоресцентным красителем (например, Нила красный, родами?…

Representative Results

Чтобы продемонстрировать конфокальной микроскопии и частиц-отслеживание, мы исследовали влияние конфайнмента на фазовой поведения коллоидно-полимерных смесей 63-65. В этих экспериментах было диаметр коллоидный 2 = 0,865 мкм. Объем коллоидный фракция была зафиксирована на уровне Φ = 0…

Discussion

Коллоидные суспензии широко изучен в качестве моделей поведения ограниченного фазы, так микронного размера коллоидные частицы обладают значительно медленнее, чем динамики атомов и молекул и, следовательно, может быть легко отображены и проследить во времени 10. Для этих фундаме?…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Исследования сообщили в этой публикации была поддержана университет Хьюстона Новый факультет Грант, семян субсидии из Техаса Центра сверхпроводимости, и Научно-исследовательского фонда Американского химического общества Petroleum (52537-DNI).

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referências

  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).

Tags

Confocal ImagingConfined Colloid-polymer MixturesColloidal SuspensionsAttractive Interparticle InteractionsFluorescent ColloidsNon-adsorbing PolymersPolymer Radius Of GyrationColloid FluidsGelsCrystalsGlassesFluorescence MicroscopyThree-dimensional ImagingSingle-particle ScaleFlowing SuspensionsWedge-shaped CellsMicrochannel Flow

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artigo
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).
Baixar citação
Reimpressões e Permissões

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image