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單層膜界面上亞微米顆粒表面張力阻力系數(shù)修正——膜的性質(zhì)及實驗方法
來源: 實驗流體力學 瀏覽 290 次 發(fā)布時間:2025-04-22
1膜的性質(zhì)及實驗方法
1.1膜的表面張力與微觀結(jié)構(gòu)
實驗采用的生物膜—肺表面活性劑膜萃取自固爾蘇Curosurf豬肺磷脂注射液(80 mg/mL)。固爾蘇主要成分為二棕櫚酸磷脂酰膽堿(Dipalmitoyl-phosphatidylcholine,DPPC),摩爾分數(shù)為25%,質(zhì)量分數(shù)為47%,其余為多不飽和脂肪酸磷脂PUFA–PL(26 mol%)、縮醛磷脂(3.8 mol%)和極少量的膽固醇(0.08 mol%)和蛋白質(zhì)。實驗采用氯仿?甲醇法對固爾蘇進行萃取,制備好的樣品為1 mg/mL的固爾蘇–氯仿溶液,同時摻混了熒光劑Texas Red(1,2-dihexadecanoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine,triethylammonium salt,TR-DHPE),與固爾蘇中DPPC的混合摩爾比為99.8∶0.2。
采用課題組自主研發(fā)的約束液滴表面測量儀(Constrained Drop Surfactometry,CDS)測量膜在不同密度下的表面張力,如圖1所示,圖中x與z分別代表水平與豎直方向,s代表液滴表面切向方向,ψ為液滴表面與水平方向內(nèi)夾角,R0為液滴半徑,ρ為液滴密度,g為重力加速度。CDS上的圓形基座用于盛放純水液滴(約10μL),以微量進樣針將稀釋的固爾蘇–氯仿溶液滴定到液滴表面,形成形狀類似于肺泡的水?氣界面固爾蘇肺表面活性劑膜。基座中央的小孔通過導管與注射器相連,注/抽水速度由Labview編程的推進器控制,以此調(diào)節(jié)液滴表面積的變化速率。實驗測量的是膜在壓縮過程中表面張力與膜密度變化的關(guān)系,液滴表面積以0.05的準靜態(tài)速率縮小。液滴的輪廓由照相機拍攝。膜表面張力和表面積以ADSA(Axisymmetric Drop Shape Analysis)方法分析得出。膜表面壓強,其中,純水表面張力。
圖1約束液滴表面測量儀
圖2為膜表面壓強隨膜密度的變化曲線,(以DPPC磷脂分子所占平均面積作為衡量膜密度的物理量)。在顯微鏡下觀察了膜在不同密度下的形貌(圖2中4張照片)。膜被壓縮到100?2/molecule之前,處于液態(tài)擴張(Liquid Expanded,LE)相,磷脂分子排列較松散,膜表面結(jié)構(gòu)均勻。當膜被壓縮到60~100?2/molecule時,膜上開始出現(xiàn)直徑為幾微米的磷脂凝聚(Tilted Condensed,TC)相(照片中斑點),TC區(qū)域內(nèi)磷脂分子的排列比LE區(qū)域更緊密。熒光劑Texas red DHPE傾向于分布在LE區(qū)域,因此LE區(qū)域顯示為淺色,TC區(qū)域顯示為深色。膜繼續(xù)被壓縮,在LE?TC共存相階段,膜表面壓強恒定在45 mM/m左右,TC區(qū)域數(shù)量和面積占比增大。當膜被進一步壓縮(<60?2/molecule),此時膜表面幾乎被TC區(qū)域占據(jù),TC區(qū)域相互擠壓,導致膜表面壓強直線上升,LE區(qū)域僅存在于TC區(qū)域之間的空隙。
圖2肺表面活性劑膜表面壓強隨膜密度的變化
1.2顆粒在膜上的擴散實驗系統(tǒng)制備
在培養(yǎng)皿中制備顆粒在水?氣界面肺表面活性劑膜上的擴散系統(tǒng)時,為防止顆粒沉淀,水相液體選用密度為1.15 g/mL的蔗糖?氯化鈉溶液,蔗糖質(zhì)量分數(shù)為45%,氯化鈉質(zhì)量濃度為9 g/L。選取內(nèi)徑89 mm的玻璃培養(yǎng)皿作為承載膜的容器。先在培養(yǎng)皿內(nèi)倒入厚約1 mm的蔗糖?氯化鈉溶液,之后用微量進樣針將固爾蘇?氯仿溶液滴定到蔗糖?氯化鈉溶液表面。本文實驗在界面上滴定了68、102、146和204?2/molecule共4個密度的膜,對應圖2中的4張照片。經(jīng)過3次重復實驗,膜的形貌未發(fā)生明顯改變。
實驗采用的亞微米顆粒為羧酸鹽修飾的聚苯乙烯熒光微球,直徑分別為0.2、0.5和1.0μm。將該熒光微球稀釋至一定濃度后裝入噴霧器,噴霧器從高處緩緩將顆粒噴灑至膜表面。為防止表面對流干擾顆粒布朗運動的觀測,使用特氟龍圓環(huán)(外徑12 mm,內(nèi)徑6 mm,高2.5 mm)隔絕出一部分區(qū)域的膜,再蓋上蓋玻片,靜置10 h后,可基本消除表面對流。
1.3顆粒布朗擴散的測量
實驗采用Olympus顯微鏡(配備60倍物鏡)觀察顆粒在膜上的布朗運動,同時利用電子增益高速攝像機(Andor 897 EMCCD)進行拍攝。每個視頻拍攝時間為200 s,幀頻為0.05 s,曝光時間5 ms,圖像尺寸為300像素×300像素,分辨率為0.26μm/m。采集原始圖像中的顆?;叶戎挡环蠘藴矢咚狗植?,因此使用圖像處理軟件ImageJ對圖像進行背景去噪聲(Background Subtraction)和高斯模糊(Gauss-ian Blur)處理(圖3(a)),使顆?;叶戎颠_到標準高斯分布(圖3(b))。之后用Video Spot Tracker軟件定位每個顆粒的灰度峰值(圖3(c)),即顆粒質(zhì)心,定位誤差僅為0.5像素,進而對顆粒二維運動軌跡(平面)進行實時跟蹤。軟件自動將顆粒在每一時刻的像素位置坐標存入計算機中,使用MATLAB計算顆粒在不同時間間隔Δt內(nèi)沿和方向的位移,計算公式如下:
圖3圖像處理與顆粒軌跡追蹤示意圖