Microfluidics और Microrheology के संयोजन के लिए दोहराया चरण संक्रमण के दौरान नरम बात के Rheological गुण निर्धारित
Summary
हम निर्माण और एक microfluidic डिवाइस है कि कई कण पर नज़र रखने microrheology माप नरम बात पर दोहराया चरण संक्रमण के rheological प्रभाव का अध्ययन करने के लिए सक्षम बनाता है का उपयोग प्रदर्शित करता है ।
Abstract
microstructure नरम बात सीधे प्रभावों macroscopic rheological गुण और पिछले चरण परिवर्तन और लागू कतरनी के दौरान कोलाइडयन पुनर्व्यवस्था सहित कारकों द्वारा बदला जा सकता है । इन परिवर्तनों की सीमा निर्धारित करने के लिए, हम एक microfluidic डिवाइस है कि दोहराया चरण आसपास के द्रव और microrheological लक्षण वर्णन के आदान प्रदान द्वारा प्रेरित संक्रमण सक्षम बनाता है, जबकि नमूने पर कतरनी सीमित विकसित की है । यह तकनीक µ2rheology, microfluidics और microrheology का संयोजन है । microfluidic डिवाइस एक दो परत डिजाइन सममित प्रवेश धाराओं के साथ एक नमूना कक्ष है कि तरल पदार्थ विनिमय के दौरान जगह में जेल के नमूने जाल में प्रवेश है । सक्शन नमूना कक्ष में तरल पदार्थ खींचने के लिए दूर नमूना चैंबर से लागू किया जा सकता है । सामग्री rheological गुण एकाधिक कण ट्रैकिंग microrheology (एमपीटी) का उपयोग करते हुए विशेषता है । एमपीटी में, फ्लोरोसेंट जांच कणों सामग्री में एम्बेडेड हैं और जांच की Brownian गति वीडियो माइक्रोस्कोपी का उपयोग कर दर्ज की गई है । कणों की आवाजाही पर नज़र रखी जाती है और मतलब चुकता विस्थापन (एमएसडी) की गणना की जाती है । एमएसडी macroscopic rheological गुणों से संबंधित है, सामान्यीकृत स्टोक्स-आइंस्टीन के संबंध का उपयोग कर । सामग्री के चरण महत्वपूर्ण छूट नवोन्मेष की तुलना द्वारा पहचान की है, समय का उपयोग कर निर्धारित-इलाज superposition. एक रेशेदार कोलाइडयन जेल की माप तकनीक की उपयोगिता को वर्णन । यह जेल कतरनी लागू किया जाता है जब अचल बदला जा सकता है कि एक नाजुक संरचना है । µ2rheology डेटा से पता चलता है कि प्रत्येक चरण संक्रमण के बाद सामग्री समान rheological गुणों से equilibrates है, जो यह दर्शाता है कि चरण संक्रमण microstructural परिवर्तन में भूमिका नहीं निभाते हैं । कतरनी की भूमिका निर्धारित करने के लिए, नमूनों हमारे microfluidic डिवाइस में इंजेक्शन से पहले कतरनी जा सकता है । µ2rheology में दोहराया परिवर्तन के जवाब में चरण संक्रमण के दौरान एक एकल नमूना में नाजुक microstructures के rheological गुणों के निर्धारण को सक्षम करने के नरम पदार्थ के लक्षण वर्णन के लिए एक व्यापक रूप से लागू तकनीक है पर्यावरण की स्थिति के आसपास ।
Introduction
नरम मामले में चरण संक्रमण पाड़ संरचना है, जो प्रसंस्करण और सामग्री के अंतिम स्थिरता1,2,3में निहितार्थ है बदल सकते हैं । गतिशील चरण संक्रमण के दौरान नरम सामग्री के लक्षण वर्णन संरचनात्मक विकास और संतुलन संरचना और rheological गुणों के बीच संबंधों के बारे में आवश्यक जानकारी प्रदान करता है । उदाहरण के लिए, कई घरेलू देखभाल उत्पादों उपभोक्ता उपयोग के दौरान एक चरण परिवर्तन की आवश्यकता है । इसके अलावा, विनिर्माण के दौरान, कमजोर पड़ने और मिश्रण सहित प्रसंस्करण कदम, कतरनी rheological गुण और उत्पाद के अंतिम microstructure को प्रभावित करने प्रदान कर सकते हैं । चरण परिवर्तन के दौरान rheological गुणों को समझना सुनिश्चित करता है कि उत्पाद डिज़ाइन किया गया के रूप में कार्य करता है । इसके अतिरिक्त, यदि सेना निर्माण के दौरान सामग्री के शुरू rheology बदल, चरण संक्रमण अप्रत्याशित और अवांछित परिणाम उपज सकते हैं, इरादा समारोह और प्रभावशीलता बदल रहा है । महत्वपूर्ण जमाना बिंदु पर, बिंदु के रूप में परिभाषित जहां एसोसिएटेड colloids या पॉलिमर के समाधान से सामग्री संक्रमण एक नमूना-फैले जेल नेटवर्क के लिए, सामग्री गुण संघ के लिए मामूली परिवर्तन के साथ काफी बदल जाते हैं । महत्वपूर्ण जेल बिंदु पर संरचना करने के लिए कोई भी संशोधन अंत उत्पाद4को प्रभावित कर सकता है । इन गतिशील संक्रमण के दौरान, नरम सामग्री कमजोर यांत्रिक गुणों और माप है कि शास्त्रीय प्रयोगात्मक तकनीक का उपयोग माप शोर सीमा5,6,7के भीतर हो सकता है । इस के लिए खाते में, ऐसी microrheology, जो कम moduli रेंज में संवेदनशील है के रूप में तकनीक (10-3 -4 फिलीस्तीनी अथॉरिटी), गतिशील विकास के दौरान कमजोर प्रारंभिक जेल विशेषताएं किया जाता है । कुछ सामग्री बाह्य बलों, जो लक्षण वर्णन के दौरान एक चुनौती प्रस्तुत करता है के कारण microstructure में परिवर्तन करने के लिए अतिसंवेदनशील होते हैं, सामग्री या तरल पदार्थ के किसी भी हस्तांतरण के रूप में संरचना को प्रभावित कर सकते हैं और, अंत में, अंतिम सामग्री गुण. सामग्री microstructure फेरबदल से बचने के लिए, हम एक microfluidic डिवाइस है कि एक नमूना के आसपास पर्यावरण द्रव विनिमय जबकि कतरनी कम कर सकते है विकसित की है । द्रव वातावरण का आदान-प्रदान करके, rheological गुणों और microstructure में परिवर्तन कतरनी से न्यूनतम योगदान के साथ चरण संक्रमण के दौरान मापा जाता है । डिवाइस को µ2rheology नामक तकनीक में एकाधिक पार्टिकल ट्रैकिंग microrheology (एमपीटी) के साथ संयोजित किया गया है । इस तकनीक को एक बाहरी ड्राइविंग बल के जवाब में एक जेल के लगातार चरण परिवर्तन के दौरान सामग्री संपत्तियों को ठहराया जाता है । तकनीक एक रेशेदार कोलाइडयन जेल, हाइड्रोजनीकृत केस्टर तेल (HCO)9,10,11का उपयोग कर सचित्र किया जाएगा ।
जेल पाड़ एसोसिएशन और उनके नमूना पर्यावरण12,13,14,15के कारण पृथक्करण में बदलाव से गुजरना कर सकते हैं । जमाना और क्षरण के लिए ड्राइविंग बल विशिष्ट सामग्री है और ब्याज की प्रत्येक सामग्री के लिए सिलवाया होना चाहिए । µ2rheology कोलाइडयन और पॉलिमर नेटवर्क सहित बाहरी उत्तेजनाओं का जवाब है कि जेल प्रणालियों की विशेषता के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है । बदलने पीएच, आसमाटिक दबाव या नमक एकाग्रता बलों है कि सामग्री microstructure में परिवर्तन पैदा कर सकते है ड्राइविंग के उदाहरण हैं । उदाहरण के लिए, HCO एक आसमाटिक दबाव ढाल बनाने के द्वारा चरण संक्रमण नियंत्रित किया जाता है । जब एक केंद्रित HCO जेल नमूना (4 wt% HCO) पानी में डूब गया है, कोलाइडयन कणों के बीच आकर्षक बलों कमजोर, क्षरण के कारण । वैकल्पिक रूप से, जब HCO का एक पतला समाधान (०.१२५ wt% HCO) एक हाइड्रोफिलिक सामग्री के साथ संपर्क किया है (बीच बढ़िया तालमेल एजेंट के रूप में कहा जाता है और ज्यादातर ग्लिसरीन और surfactant से बना), आकर्षक बलों वापस, कारण जमाना । इस जेल प्रणाली एक एकल नमूना9,10पर लगातार चरण संक्रमण को मापने के लिए एक उपकरण के रूप में उपकरण का संचालन दिखाने के लिए इस्तेमाल किया जाएगा । इन जेल पाड़ों को गतिशील संक्रमण के दौरान और नाजुक प्रारंभिक जेल संरचना को महत्वपूर्ण चरण के संक्रमण के दौरान चिह्नित करने के लिए, हम इन सामग्रियों को उच्च spatio-लौकिक रिज़ॉल्यूशन से चिह्नित करने के लिए एमपीटी का उपयोग करते हैं ।
Microrheology जेल गुण और संरचना, विशेष रूप से महत्वपूर्ण संक्रमण पर, कोलाइडयन और बहुलक जैल5,6,9,16सहित नरम सामग्री, की एक सरणी का निर्धारण करने के लिए प्रयोग किया जाता है । एमपीटी एक निष्क्रिय microrheological तकनीक है जो एक नमूना के भीतर एंबेडेड फ्लोरोसेंट जांच कणों की Brownian गति को रिकॉर्ड करने के लिए वीडियो माइक्रोस्कोपी का उपयोग करता है । वीडियो भर में कण पदों को ठीक करने के लिए 1/10वें शास्त्रीय ट्रैकिंग एल्गोरिदम का उपयोग कर एक पिक्सेल के17,18के भीतर निर्धारित कर रहे हैं । पहनावा औसत अर्थ चुकता विस्थापन (एमएसडी, (Δआर2(टी))) इन कण पथ से गणना की है । एमएसडी इस तरह के रेंगना अनुपालन के रूप में सामग्री संपत्तियों से संबंधित है, सामान्यीकृत स्टोक्स का उपयोग-आइंस्टीन रिलेशन17,19,20,21,22, 23. सामग्री की स्थिति अंतराल समय, α के एक समारोह के रूप में एमएसडी वक्र के लघुगणक ढलान की गणना द्वारा निर्धारित किया जाता है,
जहां t अंतराल समय है, और यह महत्वपूर्ण विश्राम नवोन्मेष की तुलना, n। n समय-चिकित्सा superposition, एक अच्छी तरह से प्रलेखित तकनीक का उपयोग करके निर्धारित किया जाता है जिसे लार्सन एंड Furst6द्वारा एमपीटी डेटा का विश्लेषण करने के लिए संशोधित कर दिया गया था । n की तुलना करके सामग्री की स्थिति को α मात्रा में निर्धारित किया गया है । जब α > n सामग्री एक सोल है, और जब α < n सामग्री एक जेल है । पिछले काम HCO प्रणाली की विशेषता है microrheology का उपयोग करने के लिए महत्वपूर्ण छूट प्रतिपादन9निर्धारित करते हैं । इस जानकारी का उपयोग करना, हम ठीक जब एक प्रयोग के दौरान एक जेल से एक सोल के लिए सामग्री संक्रमण निर्धारित करते हैं । इसके अतिरिक्त, गैर-गाऊसी पैरामीटर, αएनजी, किसी सिस्टम के संरचनात्मक विविधता की सीमा निर्धारित करने के लिए परिकलित किया जा सकता है,
जहां Δx(t) x दिशा में एक आयामी कण आंदोलन है । एमपीटी का उपयोग करते हुए, हम एक चरण संक्रमण की विशेषता कर सकते हैं, लेकिन एक microfluidic डिवाइस में एमपीटी के साथ निस्र्पक सामग्रियों द्वारा, हम आसपास के द्रव वातावरण में हेरफेर और एक ही जेल नमूने पर कई चरण संक्रमण का डेटा एकत्र करने में सक्षम हैं ।
इस microfluidic डिवाइस एक जेल नमूना है कि आसपास के द्रव वातावरण में परिवर्तन के जवाब में चरण परिवर्तन की महत्वपूर्ण संक्रमण की जांच करने के लिए बनाया गया है । डिवाइस एक्सचेंजों नमूना आसपास के द्रव जब यह जेल या sol राज्य में जगह में नमूना ताला बंद करने के लिए एक चरण संक्रमण प्रेरित है, जबकि कतरनी ंयूनतम द्वारा है । एक विलायक बेसिन सीधे नमूना कक्ष है, जो छह सममित स्थान प्रवेश चैनलों से जुड़े हुए है ऊपर स्थित है । यह समरूपता विलायक बेसिन से तरल पदार्थ का नमूना चैंबर में विनिमय के लिए अनुमति देता है, जबकि नमूना चारों ओर समान दबाव बनाने, यह जगह में ताला लगा । वहां कई अध्ययनों कि एकल कण और डीएनए फँसाने के लिए इस तकनीक का उपयोग किया गया है, लेकिन इस काम के नमूनों कि लगभग 10 µ एल24,25,26के लिए एक अणुओं से मात्रा तराजू । यह अनूठा डिजाइन भी चरण संक्रमण के दौरान वास्तविक समय microrheological लक्षण वर्णन सक्षम बनाता है ।
µ2rheology एक दमदार तकनीक है जो कई सॉफ्ट मैटर सिस्टम पर लागू होती है । इस पत्र में वर्णित तकनीक कोलाइडयन जैल के लिए डिजाइन किया गया था, लेकिन यह आसानी से अंय सामग्री जैसे बहुलक या micellar समाधान के लिए अनुकूलित किया जा सकता है । इस तकनीक के साथ, हम न सिर्फ कैसे चरण संक्रमण संतुलन सामग्री गुणों को प्रभावित करते हैं, लेकिन यह भी कैसे अलग प्रसंस्करण कदम सामग्री और अंतिम पाड़ संरचना के rheological विकास पर स्थाई प्रभाव हो सकता है और गुण.
Protocol
Representative Results
Discussion
दो परत microfluidic उपकरण (चित्रा 1) आसानी से निंनलिखित अच्छी तरह से किया जा सकता है प्रलेखित microfluidic निर्माण तकनीक29। ग्लास का समर्थन करता है जांच आंदोलन पर कंपन प्रभाव को कम करने के लिए डिवाइस ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस काम के लिए फंडिंग प्रोक्टर एंड गैंबल कंपनी और अमेरिकन केमिकल सोसाइटी पेट्रोलियम रिसर्च फंड (५४४६२-DNI7) द्वारा प्रदान की गई थी । पावती अमेरिकन केमिकल सोसाइटी पेट्रोलियम रिसर्च फंड के दानदाताओं को इस शोध के आंशिक समर्थन के लिए बनाया गया है. लेखक डॉ मार्को Caggioni के लिए उपयोगी विचार विमर्श के लिए स्वीकार करना चाहते हैं ।
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 |
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