[논문 리뷰] Experimental analysis of single particle deformations and rotations in colloidal and granular systems

Marcel Roth, Michael Franzmann외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 06. 18.

Geotechnical and Geomechanical Engineering인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 형광 라벨링과 편광에 의존하는 광분해를 이용하여 콜로이드 및 입자계에서 3차원 입자 위치, 변형, 그리고 회전을 동시에 측정하는 공형 현미경 기반 방법을 제시한다. 광분해된 입자에서 강도 변화를 분석함으로써, 국소화 정확도를 훼손하지 않은 채 밀도가 높고 운동이 정지된 시스템에서 자동으로 단일 입자 해상도로 회전 상태와 변형을 정량화할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 공형 현미경을 이용하여 3차원 콜로이드 및 입자계에서 개별 입자의 회전 및 변형 상태를 추출하는 방법을 개발하는 것.
• 기존 공형 영상 기술이 부족한 회전 데이터로 인해 미끄러짐과 굴림 운동을 구분할 수 없는 한계를 극복하는 것.
• 외부 자극(예: 비틀림 또는 압축)에 의해 정지 상태에 놓인 시스템에서 힘 전달 및 입자 재조직의 정량적 분석을 가능하게 하는 것.
• 국소화 정확도를 유지하면서 변형 및 회전 정보를 추가함으로써 국소화 품질이 악화되지 않도록 하는 것.
• 밀도가 높고 무질서한 구형 입자 시스템에 적용 가능한 완전 자동화된 단일 입자 수준의 분석 기법을 제공하는 것.

제안 방법

• 형광으로 표시된 입자를 사용하는 공형 현미경을 활용하고, ~0.05 µm 정확도로 3차원 위치를 결정하기 위한 국소화 알고리즘을 적용한다.
• 변형 분석을 위해, 미세한 형태 변화에 민감한 형광 강도 분포를 갖는 빈 구형 입자를 사용하여 타원형 변형을 감지한다.
• 회전 분석을 위해, 각도에 따라 흡수 특성이 달라지는 염료 분자를 사용하여 편광 선택적 광분해를 통해 광학적으로 이방성 입자를 만든다.
• 광분해 및 영상의 편광 방향 간 상대 각도를 변화시킬 때 발생하는 강도 변동을 측정함으로써 회전 상태를 측정한다.
• 회전 반응을 정량화하기 위해 정규화된 강도 대비 ΔI = I_f^norm(a,90°) − I_f^norm(a,0°) 를 적용하고, 지수 n=2인 sin²(α) 의존성에 맞추어 피팅한다.
• 공간 필터링 및 여러 각도에 걸친 영상 평균을 적용하여 신호 대 잡음 비를 향상시키고 신뢰할 수 있는 회전 대비를 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀도가 높은 콜로이드 및 입자계에서 개별 입자의 회전 운동을 국소화 정확도를 훼손하지 않고 공형 현미경으로 정량화할 수 있는가?
• RQ2 형광 강도 패tern을 사용하여 3차원에서 압력 하에서 입자의 변형을 높은 민감도로 측정할 수 있는가?
• RQ3 편광에 의존하는 광분해를 통해 형광 입자에 회전 상태를 얼마나 잘 인코딩할 수 있는가?
• RQ4 이 방법은 운동이 정지된 시스템에서 굴림과 미끄러짐 운동의 차이를 구별할 수 있는가?
• RQ5 회전 대비를 최대화하면서도 국소화에 필요한 충분한 형광을 유지하기 위해 최적의 광분해 강도는 얼마인가?

주요 결과

• 이 방법은 형광 강도 분포가 미세한 형태 변화에 민감한 빈 구형 입자에서 변형 상태를 성공적으로 추출하였다.
• 편광에 의존하는 광분해로 유도된 강도 대비를 통해 회전 상태를 정량화하였으며, 상대 편광 각도가 0°에서 90°로 변할 때 약 40%의 측정 가능한 ΔI 가 관측되었다.
• 상대 편광 각도에 따른 강도 응답은 이론적 모델인 이방성 염료 흡수에 부합하는 sin²(α) 의존성에 잘 맞아떨어졌다.
• 이 기법은 국소화 정확도를 ±0.05 µm로 유지하면서도 변형 및 회전 데이터를 추가하여 입자 추적 성능이 악화되지 않았다.
• 입자당 0.16 µJ의 광분해로 형광 강도가 초기 값의 약 30%로 감소하여 대비는 충분히 확보하면서도 탐지 가능성은 유지되었다.
• 이 방법은 밀도가 높은 시스템에 적용 가능하며, 정지 상태에서의 재조직 과정에 대한 자동화된 단일 입자 수준의 분석을 가능하게 하였다.