MRI: Development of Instrumentation for Direct Measurement of Forces Between a Colloidal Particle and a Surface

MRI:开发直接测量胶体颗粒与表面之间力的仪器

基本信息

  • 批准号:
    9977459
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 10.13万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    1999
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    1999-09-01 至 2001-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

CTS-9977459Dickinson, Richard BAbstractDevelopment of Instrumentation for Direct Measurement of Forces Between a Colloidal Particle and a Surface The interaction forces between particles and surfaces are of central importance to several current industry and biomedically relevant research projects at the University of Florida (UF). These include research efforts in the NSF Engineering Research Center for Particle Science and Technology (ERC) that focus on relating interparticle forces to dispersion and flocculation of particle suspensions. Of particular interest in this ERC is the role of polymer-induced colloidal forces such as steric and bridging interactions. The ERC is also investigating the role of particle surface properties in particle flocculation and deposition to surfaces in efforts to develop new and enhance existing particle separation processes. In other efforts at UF, the mechanism of bacterial attachment to biomaterial surfaces are being investigated in order to develop fundamental understanding the role of specific binding of cell surface macromolecule in the process of attachment. In other cell adhesion research, a collaborative seed project in the Biomedical Engineering Program funded by the Whitaker Foundation is investigating the physicochemical basis for specific cell adhesion to engineered biomaterial surfaces. Each of these current projects and similar envisioned projects would be greatly aided by the ability to directly measure the dynamic interaction forces between colloidal particle and a test surface. Furthermore, successful development of instrumentation to do so would have a broad impact on similar efforts elsewhere.An instrument that is capable of directly measuring static and dynamic forces between a single colloidal particle and a test surface. The instrument consists of a single-beam gradient laser trap (optical trap), which is used to micromanipulate the colloidal particle near the test surface. The particle position is precisely measured from the light scattered from an evanescent wave at the test surface. The force between the particle and the surface is measured from the deflection of the particle from the trap center. Scanning the trap position toward the surface allows measurement of the static interaction force as a function of separation distance. Furthermore, by analyzing the Brownian fluctuations of the particle position, more complex dynamic forces such asviscoelastic polymer-induced forces can be measured as a function of separation distance. To enhance this capability, a piezoelectric device will oscillate the optical trap at desired waveforms to allow analysis of the forces in response to an applied forcing function. The main novelty of this approach is to use the single beam gradient trap as a force transducer, analogous to a cantilever in atomic force microscopy, in combination with evanescent wave light scattering, which precisely measures the particle separation distance form the surface.A prototype of the instrument has been developed and has successfully demonstrated the proof-of-concept. The prototype is capable of simultaneously and accurately measuring static and dynamic forces vs. separation distance between an approximately one-micron colloidal particle and a transparent, optically flat surface. The sensitivity of the prototype ranges between 0.01 and ~5picoNewtons at ~ 1-3 nm spatial resolution. In terms of sensitivity, measurable particle sizes, and spatial resolution, this instrument has significant advantages over other available techniques for direct force measurement on colloidal particles. Based on the successful performance of the prototype, it is planned to develop a more sophisticated instrument for ultimate systematic use by multiple investigators in multidisciplinary research projects at UF. The proposed instrument will include a much more powerful trapping laser and a piezoelectric position device for more dynamic control on the position of the optical trap. Also, it will be capable of measuring backscattered light form the trapping laser, which will allow detection of submicroscopic particles in the trap and a means to calibrate the trap far from the surface. Cooled photomultiplier tubes will enhance the signal-to-noise ratio and provide more precise measurements. These features will greatly enhance the performance capabilities over the prototype.
CTS-9977459Dickinson, Richard BA摘要用于直接测量胶体颗粒和表面之间的力的仪器的开发颗粒和表面之间的相互作用力对于佛罗里达大学 (UF) 的几个当前工业和生物医学相关研究项目至关重要。 其中包括 NSF 粒子科学与技术工程研究中心 (ERC) 的研究工作,重点是将粒子间力与粒子悬浮液的分散和絮凝联系起来。 该 ERC 特别令人感兴趣的是聚合物诱导的胶体力的作用,例如空间相互作用和桥联相互作用。 ERC 还在研究颗粒表面特性在颗粒絮凝和表面沉积中的作用,以努力开发新的和增强现有的颗粒分离过程。 在超滤的其他工作中,正在研究细菌附着到生物材料表面的机制,以便从根本上了解细胞表面大分子特异性结合在附着过程中的作用。 在其他细胞粘附研究中,惠特克基金会资助的生物医学工程计划中的一个合作种子项目正在研究特定细胞粘附到工程生物材料表面的物理化学基础。 当前的每个项目和类似的设想项目都将因直接测量胶体颗粒和测试表面之间的动态相互作用力的能力而得到极大的帮助。 此外,成功开发出这样做的仪器将对其他地方的类似努力产生广泛的影响。一种能够直接测量单个胶体颗粒和测试表面之间的静态和动态力的仪器。 该仪器由单光束梯度激光阱(光阱)组成,用于对测试表面附近的胶体颗粒进行显微操作。 根据测试表面倏逝波散射的光精确测量颗粒位置。 颗粒和表面之间的力是根据颗粒相对于陷阱中心的偏转来测量的。 朝向表面扫描陷阱位置可以测量静态相互作用力作为间隔距离的函数。 此外,通过分析颗粒位置的布朗波动,可以测量更复杂的动态力,例如粘弹性聚合物引起的力,作为分离距离的函数。 为了增强这种能力,压电装置将以期望的波形振荡光阱,以允许分析响应于所施加的力函数的力。 这种方法的主要新颖之处在于使用单束梯度陷阱作为力传感器,类似于原子力显微镜中的悬臂梁,结合倏逝波光散射,精确测量粒子与表面的分离距离。该仪器已经开发出来并成功进行了概念验证。 该原型能够同时准确地测量静态力和动态力与大约一微米的胶体颗粒和透明光学平坦表面之间的间距。 原型的灵敏度范围在 0.01 至 5picoNewtons 之间,空间分辨率约为 1-3 nm。 在灵敏度、可测量颗粒尺寸和空间分辨率方面,该仪器比其他直接测量胶体颗粒力的现有技术具有显着优势。基于原型的成功性能,计划开发一种更复杂的仪器,供佛罗里达大学多学科研究项目的多名研究人员最终系统使用。 拟议的仪器将包括一个更强大的捕获激光器和一个压电定位装置,用于对光陷阱的位置进行更动态的控制。 此外,它还能够测量来自捕获激光器的反向散射光,这将允许检测捕获器中的亚微观粒子,并提供一种校准远离表面的捕获器的方法。 冷却光电倍增管将提高信噪比并提供更精确的测量。 这些功能将大大增强原型机的性能。

项目成果

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