[論文レビュー] Experimental analysis of single particle deformations and rotations in colloidal and granular systems

Marcel Roth, Michael Franzmann+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2011

Geotechnical and Geomechanical Engineering被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、蛍光標識と偏光依存性光分解を用いて、コロイドおよびグラニュラー系において、3次元粒子位置、変形、回転を同時に測定する共焦点顕微鏡法を提示する。光分解された粒子における強度変動を分析することで、局在化精度を損なわず、局在化分解能を保ったまま、凝集状態にある密度の高い系においても、自動的かつ1粒子分解能で回転状態と変形を特定可能である。

ABSTRACT

Confocal microscopy of fluorescent labeled particles has been used to study the dynamical and structural properties of colloidal and granular matter in real space. Localization algorithms allow for a fully automatized determination of the three dimensional positions and translational motions of all constituent (spherical) particles in the observed volume. Though, particle deformations or rotational motions were hardly addressed. Here we present preparation and image processing techniques to also extract the deformation and rotational state of the particles. The deformation analysis is worked out for particles with a hollow sphere-like fluorescence intensity distribution that are more sensitive to small deformations. In the second case of rotations we utilize the angle dependence of the light absorption of the incorporated dye molecules to prepare optically anisotropic particles in analogy to polarized fluorescence after photobleaching. Rotations of these particles are expressed as intensity fluctuations in the confocal images. In contrast to existing methods our techniques do not reduce the quality of the actual particle localization. They can help understanding complex reorganization processes in arrested states of colloidal and granular materials during aging or under external stimuli such as shear or compression.

研究の動機と目的

• 共焦点顕微鏡を用いて、3次元コロイドおよびグラニュラー系における個々の粒子の回転状態と変形状態を抽出する手法を開発すること。
• 従来の共焦点画像法では回転データが欠落しているため、滑り運動と転がり運動を区別できないという限界を克服すること。
• せん断や圧縮などの外部刺激下における、停止状態にある系の力伝達と粒子再組織化を定量的に分析できること。
• 局在化精度を損なわず、変形および回転情報の追加を行うことで、局在化品質の低下を回避すること。
• 密度が高く無秩序な球状粒子系に適用可能な、完全に自動化された1粒子レベルの解析技術を提供すること。

提案手法

• 蛍光標識粒子を用いた共焦点顕微鏡を用い、3次元位置を約0.05 µmの精度で特定する局在化アルゴリズムを適用する。
• 変形解析のため、微小な形状変化に感受性な蛍光強度分布を持つ中空球状粒子を用い、楕円形変形の検出を可能にする。
• 回転解析のため、角度依存性吸収を示す染料分子を用い、偏光選択的光分解により光学的に異方性を持つ粒子を形成する。
• 光分解とイメージングの偏光の相対角度を変化させた際の強度変動を測定することで、回転状態を特定する。
• 回転応答を定量化するために、正規化強度対比 ΔI = I_f^norm(a,90°) − I_f^norm(a,0°) を用い、指数 n=2 の sin²(α) 依存性にフィットさせる。
• 空間フィルタリングと複数角度における画像平均化を適用し、信号対雑音比を向上させ、信頼性の高い回転対比を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共焦点顕微鏡を用いて、局在化精度を損なわず、密度の高いコロイドおよびグラニュラー系における個々の粒子の回転運動を定量的に測定可能か？
• RQ2 蛍光強度パターンを用いて、3次元的に高感度で応力下における粒子変形を測定する方法は何か？
• RQ3 偏光依存性光分解を用いて、蛍光粒子に回転状態をエンコードすることは、どの程度可能か？
• RQ4 この手法は、運動的停止状態にある系において、転がり運動と滑り運動の区別を解明できるか？
• RQ5 回転対比を最大限に高めつつ、局在化に十分な蛍光を維持する最適な光分解強度は何か？

主な発見

• 中空球状粒子の変形状態が、微小な形状変化に感受性な蛍光強度分布を有することを活かし、本手法により効果的に抽出された。
• 偏光依存性光分解による強度対比により回転状態が定量的に評価され、相対偏光角度が0°から90°に変化する際の測定可能なΔIは約40%であった。
• 相対偏光角度関数としての強度応答は、理論的モデルである異方性染料吸収のsin²(α)依存性に良好にフィットした。
• 本手法は、局在化精度（±0.05 µm）を維持したまま、回転および変形データを追加可能であり、粒子追跡性能の低下を引き起こさなかった。
• 粒子あたり0.16 µJの光分解により、蛍光強度が初期値の約30%に低下したが、これにより十分な対比が得られつつ、検出可能であった。
• 本手法は密度の高い系に適用可能であり、停止状態における再組織化プロセスの自動的かつ1粒子レベルの解析を可能にした。