Mikroreologie - Microrheology
Mikroreologie[1] je technika používaná k měření reologické vlastnosti média, jako je mikroviskozita, měřením trajektorie a sledovač toku (A mikrometr velikosti částic). Je to nový způsob reologie, tradičně provádí pomocí reometr. Existují dva typy mikroreologie: pasivní mikroreologie a aktivní mikroreologie. Pasivní mikrorheologie využívá inherentní Termální energie k pohybu stopovačů, zatímco aktivní mikrorheologie využívá externě působící síly, například z a magnetické pole nebo optická pinzeta, udělat to tak. Mikrorheologie může být dále diferencována na 1- a 2-částicové metody.[2][3]
Pasivní mikroreologie
Pasivní mikroreologie využívá tepelnou energii (kT) pohybovat stopovacími látkami, ačkoli nedávné důkazy naznačují, že aktivní náhodné síly uvnitř buněk mohou místo toho pohybovat sledovacími prvky difuzním způsobem.[4] Dráhy stopovacích látek se měří opticky buď mikroskopicky nebo pomocí difúzní vlnová spektroskopie (DWS). Z střední čtvercový posun s ohledem na čas (uvedeno MSD nebo <Δr2>), lze vypočítat viskoelastické moduly G′(ω) a G″(ω) za použití zobecněný vztah Stokes – Einstein (GSER). Zde je pohled na trajektorii částice o velikosti mikrometru.
Typická trajektorie Brownovy částice (simulace)
Dva příklady MSD: jeden pro čistě viskózní tekutinu (volná difúze) a jeden pro viskózně-elastickou tekutinu (zachycenou elastickou sítí)
Animace částice v polymerové síti
Ve standardním pasivním mikrorheologickém testu je pohyb desítek sledovacích prvků sledován v jednom videu. Motivací je průměrovat pohyby stopovacích látek a vypočítat robustní profil MSD.
Pozorování MSD pro širokou škálu časových měřítek (nebo frekvencí) integrace poskytuje informace o mikrostruktuře média, kde difunduje sledovací látky.
Pokud sledovací látky procházejí volnou difúzí v čistě viskózním materiálu, měl by MSD růst lineárně s dobou integrace vzorkování:
.
Pokud se indikátory pohybují pružně v čistě elastickém materiálu, MSD by nemělo mít žádnou časovou závislost:
Ve většině případů indikátory vykazují závislost sublineární integrace na čase, což naznačuje, že médium má střední viskoelastické vlastnosti. Samozřejmě se sklon mění v různých časových měřítcích, protože povaha odezvy z materiálu závisí na frekvenci.
Mikroreologie je dalším způsobem, jak provádět lineární reologii. Protože zapojená síla je velmi slabá (řádově 10−15 N), mikroreologie je zaručena v tzv. Lineární oblasti vztahu napětí / napětí. Je také schopen měřit velmi malé objemy (biologické buňky).
Vzhledem ke složitému viskoelastickému modulu s G′(ω) pružná (konzervativní) část a G″(ω) viskózní (disipativní) část a ω=2πf pulzace. GSER je následující:
s
- : Laplace transformace G
- kB: Boltzmann konstantní
- T: teplota v kelvinech
- s: Laplaceova frekvence
- A: poloměr indikátoru
- : Laplaceova transformace středního čtvercového posunutí
Příbuzná metoda pasivní mikrorheologie zahrnuje sledování pozic částice při vysoké frekvenci, často kvadrantovou fotodiodou.[5] Z pozice , výkonové spektrum, lze najít a poté souvisí se skutečnou a imaginární částí funkce odezvy, .[6] Funkce odezvy vede přímo k výpočtu komplexního modulu smyku, přes:
Dvoubodová mikrorheologie[7]
Mohlo by existovat mnoho artefaktů, které mění hodnoty měřené pasivními mikrorheologickými testy, což vede k neshodě mezi mikrorheologií a normálními reologie. Mezi tyto artefakty patří interakce sledovací matice, nesoulad velikosti sledovací matice a další.
Jiný mikrorheologický přístup studuje vzájemná korelace dvou stopovacích látek ve stejném vzorku. V praxi místo měření MSD - , jsou měřeny pohyby dvou odlišných částic - . Následuje výpočet G (ω) média mezi sledovacími látkami:
Všimněte si, že tato rovnice nezávisí A, ale místo toho záleží na R - vzdálenost mezi stopovacími látkami (za předpokladu R >> a).
Některé studie ukázaly, že tato metoda je lepší při dosažení shody se standardními reologickými měřeními (v příslušných frekvencích a materiálech)
Aktivní mikrorheologie
Aktivní mikrorheologie může použít a magnetické pole ,[8][9][10][7][11][12] optická pinzeta[13][14][15][16][17] a Mikroskop pro atomovou sílu[18] aplikovat sílu na stopovač a poté najít vztah napětí / deformace.
Použitá síla je sinusová síla s amplitudou A a frekvencí ω -
Odezva indikátoru je faktorem viskoelastické povahy matice. Pokud je matice zcela elastická (pevná látka), měla by být reakce na působící sílu okamžitá a sledovací látky by měly být pozorovány při pohybu -
.
s .
Na druhou stranu, pokud je matice zcela viskózní (kapalina), měl by dojít k fázovému posunu o mezi napětím a stresem -
ve skutečnosti je většina materiálů viskoelastická, pozorovaný fázový posun je .
Když φ> 45 je matice považována většinou ve své „viskózní doméně“, a když φ <45 je matice považována většinou ve své „elastické doméně“.
Vzhledem k měřenému fázovému posunu odezvy φ (někdy označovanému jako δ) platí tento poměr:
Podobná fázová analýza odezvy se používá pravidelně reologie testování.
V poslední době byl vyvinut Mikroskopie silového spektra měřit příspěvky náhodných aktivních motorických proteinů k difuznímu pohybu v cytoskelet.[4]
Reference
- ^ Mason, Thomas G. & Weitz, David A. (1995). „Optická měření frekvenčně závislých lineárních viskoelastických modulů komplexních tekutin“. Dopisy o fyzické kontrole. 74 (7): 1250–1253. Bibcode:1995PhRvL..74,1250M. doi:10.1103 / physrevlett.74.1250. PMID 10058972.
- ^ Crocker, John C .; Valentine, M. T .; Weeks, Eric R .; Gisler, T .; et al. (2000). „Dvoubodová mikroreologie nehomogenních měkkých materiálů“. Dopisy o fyzické kontrole. 85 (4): 888–891. Bibcode:2000PhRvL..85..888C. doi:10.1103 / PhysRevLett.85.888. PMID 10991424.
- ^ Levine, Alex J. & Lubensky, T. C. (2000). „Jedno- a dvoučásticová mikroreologie“. Dopisy o fyzické kontrole. 85 (8): 1774–1777. arXiv:cond-mat / 0004103. Bibcode:2000PhRvL..85,1774L. doi:10.1103 / PhysRevLett.85.1774. PMID 10970611. S2CID 29305834.
- ^ A b Guo, Ming; et al. (2014). „Zkoumání stochastických, motorem poháněných vlastností cytoplazmy pomocí silové spektroskopie“. Buňka. 158 (4): 822–832. doi:10.1016 / j.cell.2014.06.051. PMC 4183065. PMID 25126787.
- ^ Schnurr, B .; Gittes, F .; MacKintosh, F. C. & Schmidt, C. F. (1997). "Stanovení mikroskopické viskoelasticity v flexibilních a semiflexibilních polymerních sítích z tepelných výkyvů". Makromolekuly. 30 (25): 7781–7792. arXiv:cond-mat / 9709231. Bibcode:1997MaMol..30.7781S. doi:10.1021 / ma970555n. S2CID 16785228.
- ^ Gittes, F .; Schnurr, B .; Olmsted, P. D .; MacKintosh, F. C .; et al. (1997). "Stanovení mikroskopické viskoelasticity v flexibilních a semiflexibilních polymerních sítích z tepelných výkyvů". Dopisy o fyzické kontrole. 79 (17): 3286–3289. arXiv:cond-mat / 9709228. Bibcode:1997PhRvL..79.3286G. doi:10.1103 / PhysRevLett.79.3286. S2CID 49563934.
- ^ A b Weitz, D. A., John C. Crocker (2000). „Dvoubodová mikroreologie nehomogenních měkkých materiálů“. Phys. Rev. Lett. 85 (4): 888–891. Bibcode:2000PhRvL..85..888C. doi:10.1103 / PhysRevLett.85.888. PMID 10991424.
- ^ A.R. Bausch; et al. (1999). „Měření lokální viskoelasticity a sil v živých buňkách magnetickou pinzetou“. Biofyzikální deník. 76 (1 Pt 1): 573–9. Bibcode:1999BpJ .... 76..573B. doi:10.1016 / S0006-3495 (99) 77225-5. PMC 1302547. PMID 9876170.
- ^ K.S. Zaner & P.A. Valberg (1989). "Viskoelasticita F-aktinu měřená magnetickými mikročásticemi". Journal of Cell Biology. 109 (5): 2233–43. doi:10.1083 / jcb.109.5.2233. PMC 2115855. PMID 2808527.
- ^ F. Ziemann; J. Radler a E. Sackmann (1994). „Lokální měření viskoelastických modulů zapletených aktinových sítí pomocí oscilačního magnetického kuličkového mikroireometru“. Biofyzikální deník. 66 (6): 2210–6. Bibcode:1994BpJ .... 66.2210Z. doi:10.1016 / S0006-3495 (94) 81017-3. PMC 1275947. PMID 8075354.
- ^ F. Amblard; et al. (1996). "Subdiffusion and Anomalous Local Viscoelasticity in Actin Networks". Dopisy o fyzické kontrole. 77 (21): 4470–4473. Bibcode:1996PhRvL..77,4470A. doi:10.1103 / PhysRevLett.77.4470. PMID 10062546.
- ^ Manlio Tassieri; et al. (2010). „Analýza lineární viskoelasticity polyelektrolytů magnetickou mikrorheometrií - experimenty s pulzním tečením a odezva jedné částice“. Journal of Rheology. 54 (1): 117–131. Bibcode:2010JRheo..54..117T. doi:10.1122/1.3266946.
- ^ E. Helfer; et al. (2000). "Mikrorheologie biopolymer-membránových komplexů" (PDF). Dopisy o fyzické kontrole. 85 (2): 457–60. Bibcode:2000PhRvL..85..457H. doi:10.1103 / PhysRevLett.85.457. PMID 10991307.
- ^ Manlio Tassieri; et al. (2009). "Měření paměťových a ztrátových modulů pomocí optické pinzety: širokopásmová mikrorheologie". Phys. Rev.. 81 (2): 026308. arXiv:0910.1339. Bibcode:2010PhRvE..81b6308T. doi:10.1103 / PhysRevE.81.026308. PMID 20365652. S2CID 9425957.
- ^ Daryl Preece; et al. (2011). "Optická pinzeta: širokopásmová mikrorheologie". Journal of Optics. 13 (11): 044022. arXiv:1005.1401. Bibcode:2011JOpt ... 13d4022P. doi:10.1088/2040-8978/13/4/044022. S2CID 119286693.
- ^ Manlio Tassieri; et al. (2012). „Mikrorheologie s optickou pinzetou: analýza dat“. New Journal of Physics. 14 (11): 115032. Bibcode:2012NJPh ... 14k5032T. doi:10.1088/1367-2630/14/11/115032.
- ^ David Engström; Michael C.M. Varney; Martin Persson; Rahul P. Trivedi; et al. (2012). „Netradiční optická manipulace s nanodráty s vysokým indexem v kapalných krystalech za pomoci struktury“. Optika Express. 20 (7): 7741–7748. Bibcode:2012Oexpr..20.7741E. doi:10.1364 / OE.20.007741. PMID 22453452. S2CID 13975852.
- ^ Rigato, Annafrancesca; Miyagi, Atsushi; Scheuring, Simon; Rico, Felix (01.05.2017). „Vysokofrekvenční mikrorheologie odhaluje dynamiku cytoskeletu v živých buňkách“. Fyzika přírody. předběžná online publikace (8): 771–775. Bibcode:2017NatPh..13..771R. doi:10.1038 / nphys4104. ISSN 1745-2481. PMC 5540170. PMID 28781604.