الجمع بين ميكروفلويديكس وميكرورهيولوجي لتحديد خصائص انسيابية لينة المسألة أثناء التحولات المرحلة المتكررة
Summary
نبدي بتصنيع واستخدام جهاز موائع جزيئية يمكن متعددة الجسيمات تتبع القياسات ميكرورهيولوجي دراسة آثار التحولات المرحلة المتكررة في هذه المسألة لينة انسيابية.
Abstract
المجهرية للمسألة لينة مباشرة يؤثر خصائص انسيابية العيانية ويمكن أن تتغير من العوامل بما في ذلك إعادة ترتيب الغروية خلال المرحلة السابقة التغييرات وتطبيقها القص. لتحديد مدى هذه التغيرات، قمنا بتطوير جهاز موائع جزيئية أن يتيح تكرار المرحلة الانتقالية الناجمة عن تبادل لوصف السائل وميكرورهيولوجيكال المحيطة بها بينما يحد من القص في العينة. هذا الأسلوب هو ريولوجيا2μ، المزيج من ميكروفلويديكس وميكرورهيولوجي. الجهاز موائع جزيئية هو تصميم طبقتين مع تيارات مدخل متماثل دخول غرفة عينة التي يعوض العينة جل في المكان خلال تبادل السوائل. يمكن تطبيق شفط بعيداً من الدائرة عينة بسحب السوائل في الدائرة بعينه. وتتسم خصائص انسيابية المواد استخدام متعددة الجسيمات تتبع ميكرورهيولوجي (MPT). في MPT, الجسيمات الفلورية مسبار المضمنة في المواد وتسجل البراونية من تحقيقات استخدام الفحص المجهري الفيديو. يتم تعقب حركة الجسيمات ويحسب التشريد للتربيع يعني (MSD). MSD تتصل خصائص انسيابية العيانية، باستخدام “علاقة” ستوكس-اينشتاين المعمم. مرحلة المواد التي تم تعريفها بالمقارنة إلى الأس الاسترخاء حرجة، تحدد باستخدام تراكب الوقت-علاج. القياسات من جل الغروية الليفي توضيح فائدة هذه التقنية. وقد جل هذا بنية دقيقة التي يمكن تغييرها دون رجعة عند تطبيق القص. وتبين البيانات ريولوجيا2μ أن المواد اكويليبراتيس مرارا وتكرارا لنفس خصائص انسيابية بعد كل مرحلة انتقال، مشيراً إلى أن المرحلة الانتقالية لا تلعب دوراً في التغييرات ميكروستروكتورال. لتحديد دور القص، يمكن المنفصمة العينات قبل الحقن في لدينا جهاز موائع جزيئية. ريولوجيا2μ أسلوب التطبيق على نطاق واسع لوصف المسألة الناعمة مما يتيح تحديد خصائص انسيابية المجهرية الدقيقة في عينة واحدة خلال المرحلة الانتقالية في الاستجابة للتغيرات المتكررة في الظروف البيئية المحيطة بها.
Introduction
المرحلة الانتقالية في المسألة لينة يمكن تغيير هيكل سقالة، الذي تترتب عليه آثار في استقرار التجهيز والنهائي ل المواد1،،من23. توصيف مواد لينة خلال مرحلة دينامية التحولات يوفر معلومات أساسية حول العلاقة بين التطور الهيكلي وتوازن هيكل وخصائص انسيابية. على سبيل المثال، يتطلب العديد من منتجات العناية المنزلية تغيير مرحلة أثناء استخدام المستهلك. أيضا، أثناء التصنيع، خطوات معالجة، بما في ذلك التخفيف والاختلاط، يمكن نقلها القص التي تؤثر في خصائص انسيابية والمجهرية النهائية للمنتج. فهم خصائص انسيابية طوال مرحلة تغيير يضمن أن المنتج ينفذ كما تم تصميمها. بالإضافة إلى ذلك، في حالة تغيير القوات ريولوجيا انطلاق المواد أثناء التصنيع، المرحلة الانتقالية يمكن أن تسفر عن نتائج غير متوقعة وغير مرغوب فيها، تغيير الدالة المقصود وفعالية. عند نقطة جيليشن الحرجة، يعرف هذه النقطة حيث المواد بالانتقال من حل الغروية المرتبطة بها أو البوليمرات إلى شبكة هلام التي تغطي عينة، تغيير خصائص المواد جذريا مع تغييرات طفيفة للرابطة. يمكن أن يؤثر أي تعديل للهيكل في النقطة الحرجة جل المنتج النهائي4. خلال هذه التحولات الديناميكية، مواد لينة الخصائص الميكانيكية ضعيفة ويمكن أن تكون القياسات التي تستخدم تقنيات تجريبية الكلاسيكية ضمن قياس الضوضاء الحد5،،من67. لحساب هذا، التقنيات مثل ميكرورهيولوجي، حساسة في نطاق بواقي منخفضة (10-3 -4 السلطة الفلسطينية)، يتم استخدامها لتميز جل الوليدة ضعيفة خلال التطور الدينامي. بعض المواد عرضه للتغيرات في المجهرية بسبب القوى الخارجية، مما يشكل تحديا خلال التوصيف، أي نقل للمواد أو السوائل يمكن أن تؤثر على الهيكل، وفي نهاية المطاف، خصائص المواد النهائية. لتجنب تغيير المجهرية المادية، قمنا بتطوير جهاز موائع جزيئية يمكن تبادل السوائل البيئية حول عينة مع التقليل من القص. عن طريق تبادل السوائل البيئة، يتم قياس التغيرات في خصائص انسيابية والمجهرية خلال المرحلة الانتقالية مع الحد الأدنى من المساهمات من القص. الجهاز هو جنبا إلى جنب مع متعددة الجسيمات تتبع ميكرورهيولوجي (MPT) في تقنية تسمى ريولوجيا2μ. يتم استخدام هذا الأسلوب لتحديد خصائص المواد خلال مرحلة متتالية التغييرات من جل استجابة لقوة دافعة خارجية. سوف يتضح التقنية استخدام هلام الغروية الليفي، وزيت الخروع المهدرجة (HCO)9،،من1011.
هلام السقالات يمكن أن يخضع لتغييرات في الرابطة والانفصال بسبب هذه العينة12،البيئة13،،من1415. القوة الدافعة جيليشن وتدهور المواد محددة ويجب أن تكون مخصصة لكل مادة من الفائدة. يمكن استخدام ريولوجيا2μ لتوصيف نظم هلام التي تستجيب للمؤثرات الخارجية، بما في ذلك شبكات الغروية والبوليمر. تغيير درجة الحموضة، الضغط الاسموزي أو تركيز الملح أمثلة لقيادة القوات التي يمكن أن تحدث تغييرات في المجهرية المادية. على سبيل المثال، يخضع HCO التحولات المرحلة التي تسيطر عليها عن طريق إنشاء تدرج ضغط الاسموزي. عندما يتم غمر عينة جل HCO مركزة (4 wt % HCO) في المياه، تضعف قوي جاذبية بين الجسيمات الغروية، مما تسبب في تدهور. وبدلاً من ذلك، عندما حل مخفف من HCO (0.125 wt % HCO) يتم الاتصال بمادة ماء (المشار إليها كعامل مجمد ويتألف معظمهم من الغليسرين والفاعل)، والقوات جاذبية العودة، مما تسبب في جيليشن. سيتم استخدام هذا النظام جل لإظهار تشغيل الجهاز كأداة لقياس التحولات مرحلة متتالية على عينة واحدة9،10. لوصف هذه السقالات جل أثناء التحولات الديناميكية والهيكل هلام وليدة حساسة في مرحلة انتقالية المرحلة الحرجة، نستخدم MPT لوصف هذه المواد مع ارتفاع القرار الزمانية.
يتم استخدام ميكرورهيولوجي لتحديد خصائص هلام والهيكل، لا سيما في المرحلة الانتقالية الحرجة، طائفة واسعة من مواد لينة، بما في ذلك المواد الهلامية الغروية والبوليمر5،،من69،16. MPT هو أسلوب ميكرورهيولوجيكال سلبي الذي يستخدم الفيديو المجهري لسجل البراونية للجسيمات الفلورية مسبار مضمنة داخل عينة. التحديد مصممون مواقف الجسيمات في جميع أنحاء أشرطة الفيديو إلى حدود 1/10th بكسل باستخدام الكلاسيكية تتبع خوارزميات17،18. الفرقة متوسط التربيع يعني التشرد (MSD، (Δص2(t))) يحسب من هذه المسارات الجسيمات. MSD هو المتصلة بخصائص مادية، مثل الامتثال زحف، استخدام “علاقة” ستوكس-اينشتاين المعمم17،19،،من2021،22، 23. حالة المواد التي تتحدد بحساب انحدار لوغاريتمي المنحنى MSD كدالة لتأخر الوقت، α،
حيث t هو الفارق الزمني، ومقارنتها بالاس الاسترخاء حرجة، ن. n تحدد باستخدام الوقت-علاج تراكب، تقنية موثقة جيدا أن تعديل لتحليل البيانات MPT لارسن وفورست6. بالمقارنة من n إلى α كمي يحدد دولة المواد. عند α > n المواد سول، وعندما α < n المواد هلام. الأعمال السابقة اتسم النظام HCO باستخدام ميكرورهيولوجي لتحديد الأس الاسترخاء حرجة9. باستخدام هذه المعلومات، علينا أن نحدد تحديداً عندما التحولات المادية من جل إلى سول خلال تجربة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن حساب المعلمة غير غاوسي، αنغ، لتحديد مدى التغاير الهيكلي للنظام،
حيث Δx(t) هو حركة الجسيمات أحادية البعد في اتجاه x . استخدام MPT، نحن يمكن أن تميز انتقال من مرحلة واحدة، ولكن بتميز المواد مع MPT في جهاز موائع جزيئية، نحن قادرون على التعامل مع البيئة المحيطة السوائل وجمع البيانات من عدة المرحلة الانتقالية على عينة جل واحد.
تم تصميم هذا الجهاز موائع جزيئية للتحقيق في التحولات الحاسمة من عينة جل واحد يخضع لتغيرات المرحلة في استجابة للتغيرات في البيئة المحيطة السوائل. ويتبادل الجهاز السائل المحيط العينة عندما يكون أما في حالة جل أو سول بقفل العينة في مكان للحث على مرحلة انتقال مع التقليل من القص. حوض المذيبات يقع مباشرة فوق الدائرة عينة، التي ترتبط بها ست قنوات مدخل متباعدة بشكل متناظر. هذا التماثل تسمح بتبادل السوائل من حوض المذيبات إلى الدائرة عينة أثناء إنشاء الضغط المتساوي حول العينة، تأمينه في المكان. وهناك العديد من الدراسات التي تستخدم هذا الأسلوب للجسيمات مفردة وتعويض الحمض النووي، ولكن هذا العمل جداول يصل الحجم من جزيئات مفردة للعينات التي هي حوالي 10 ميليلتر24،،من2526. كما يتيح هذا التصميم الفريد توصيف ميكرورهيولوجيكال في الوقت الحقيقي أثناء المرحلة الانتقالية.
ريولوجيا2μ هو تقنية قوية التي تنطبق على نظم المسألة لينة كثيرة. الأسلوب الموصوفة في هذه الورقة، صمم للمواد الهلامية الغروية، ولكن فإنه يمكن تكييفها بسهولة لمواد أخرى مثل البوليمر أو حلول ميسيلار. مع هذا الأسلوب، علينا أن نحدد ليس فقط كيفية تأثير المرحلة الانتقالية على خصائص المواد التوازن، لكن خطوات المعالجة أيضا مختلفة كيف يمكن أن يكون آثار تطور انسيابية المواد وهيكل سقالة النهائية دائمة و خصائص.
Protocol
Representative Results
Discussion
يمكن بسهولة إجراء الجهاز موائع جزيئية طبقتين (الشكل 1) بتلفيق موائع جزيئية الموثقة التالية التقنيات29. يدعم الزجاج إضافة إلى الجزء السفلي من الجهاز لتقليل آثار الذبذبات على حركة التحقيق. الشريحة الزجاجية رقيقة جداً (0.10 ملم) من أجل استيعاب المسافة العمل الهدف ال…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم توفير التمويل لهذا العمل بروكتر & شركة مقامرة و “الأمريكية الكيميائية مجتمع البحث صندوق النفط” (54462-DNI7). وتتم اعتراف إلى الجهات المانحة “صندوق أبحاث البترول المجتمع الأمريكي الكيميائية” لدعم جزئي لهذا البحث. المؤلف يود أن ينوه الدكتور ماركو كاجيوني لإجراء مناقشات مفيدة.
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 |
References
- Mitchell, P. Microfluidics-downsizing large-scale biology. Nat. Biotech. 19, 717-721 (2001).
- Haber, C. Microfluidics in commercial applications; an industry perspective. Lab Chip. 6, 1118-1121 (2006).
- Whitesides, G. M. The origins and the future of microfluidics. Nature. 442, 368-373 (2006).
- Huang, X., Raghavan, S. R., Terech, P., Weiss, R. G. Distinct kinetic pathways generate organogel networks with contrasting fractality and thixotropic properties. J. Am. Chem. Soc. 128, 15341-15352 (2006).
- Larsen, T. H., Schultz, K. M., Furst, E. M. Hydrogel microrheology near the liquid-solid transition. Korea-Aust. Rheol. J. 20, 165-173 (2008).
- Larsen, T. H., Furst, E. M. Microrheology of the liquid-solid transition during gelation. Phys. Rev. Lett. 100, 146001 (2008).
- Schultz, K. M., Baldwin, A. D., Kiick, K. L., Furst, E. M. Rapid rheological screening to identify conditions of biomaterial hydrogelation. Soft Matter. 5, 740-742 (2009).
- Switzer, L. H., Klingenberg, D. J. Flocculation in simulations of sheared fiber suspensions. Int. J. Multiph. Flow. 30, 67-87 (2004).
- Wehrman, M. D., Lindberg, S., Schultz, K. M. Quantifying the dynamic transition of hydrogenated castor oil gels measured via multiple particle tracking microrheology. Soft Matter. 12, 6463-6472 (2016).
- Wehrman, M. D., Milstrey, M. J., Lindberg, S., Schultz, K. M. Using µ2rheology to quantify rheological properties during repeated reversible phase transitions of soft matter. Lab Chip. 17, 2085-2094 (2017).
- Wehrman, M. D., Lindberg, S. E., Schultz, K. M. Impact of shear on the structure and rheological properties of a hydrogenated castor oil colloidal gel during dynamic phase transitions. J. Rheol. , (2018).
- Loh, X. J. Dual-responsive “reversible micelles”. J. Appl. Polym. Sci. 127, 992-1000 (2013).
- Kern, F., Zana, R., Candau, S. J. Rheological properties of semidilute and concentrated aqueous solutions of cetyltrimethylammonium chloride in the presence of sodium salicylate and sodium chloride. Langmuir. 7, 1344-1351 (1991).
- Trappe, V., Prasad, V., Cipelletti, L., Segre, P. N., Weitz, D. A. Jamming phase diagram for attractive particles. Nature. 411, 772-775 (2001).
- Philipse, A. P., Wierenga, A. M. On the density and structure formation in gels and clusters of colloidal rods and fibers. Langmuir. 14, 49-54 (1998).
- Schultz, K. M., Bayles, A. V., Baldwin, A. D., Kiick, K. L., Furst, E. M. Rapid, high resolution screening of biomaterial hydrogelators by mu2rheology. Biomacromolecules. 12, 4178-4182 (2011).
- Crocker, J. C., Grier, D. G. Methods of digital video microscopy for colloidal studies. J. Colloid Interface Sci. 179, 298-310 (1996).
- Mason, T. G. Estimating the viscoelastic moduli of complex fluids using the generalized Stokes–Einstein equation. Rheol. Actac. 39, 371-378 (2000).
- Mason, T. G., Ganesan, K., van Zanten, J. H., Wirtz, D., Kuo, S. C. Particle tracking microrheology of complex fluids. Phys. Rev. Lett. 79, 3282-3285 (1997).
- Mason, T. G., Weitz, D. A. Optical measurements of frequency-dependent linear viscoelastic moduli of complex fluids. Phys. Rev. Lett. 74, 1250-1253 (1995).
- Squires, T. M., Mason, T. G. Fluid mechanics of microrheology. Annu. Rev. Fluid Mech. 42, 413-438 (2010).
- Gittes, F., Schnurr, B., Olmsted, P. D., MacKintosh, F. C., Schmidt, C. F. Microscopic viscoelasticity: shear moduli of soft materials determined from thermal fluctuations. Phys. Rev. Lett. 79, 3286-3289 (1997).
- Mai, D. J., Brockman, C., Schroeder, C. M. Microfluidic systems for single DNA dynamics. Soft Matter. 8 (41), 10560-10572 (2012).
- Tanyeri, M., Ranka, M., Sittipolkul, N., Schroeder, C. M. A microfluidic-based hydrodynamic trap: design and implementation. Lab Chip. 11, 1786-1794 (2011).
- Lee, J. S., Dylla-Spears, R., Teclemariam, N. P., Muller, S. J. Microfluidic four-roll mill for all flow types. Appl. Phys. Lett. 90, 074103 (2007).
- Crocker, J. C., Grier, D. G. Methods of digital video microscopy for colloidal studies. J. Colloid Interface Sci. 179 (1), 298-310 (1996).
- Mason, T. G., Weitz, D. Optical measurements of frequency-dependent linear viscoelastic moduli of complex fluids. Phys. Rev. Lett. 74 (7), 1250 (1995).
- Schultz, K. M., Furst, E. M. High-throughput rheology in a microfluidic device. Lab on a chip. 11, 3802-3809 (2011).
- Abate, A. R., Lee, D., Do, T., Holtze, C., Weitz, D. A. Glass coating for PDMS microfluidic channels by sol-gel methods. Lab Chip. 8, 516-518 (2008).
- Happel, J., Brenner, H. . Low Reynolds Number Hydrodynamics: with special applications to particulate media. , (1965).
