[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出一种基于共聚焦显微镜的方法，通过荧光标记和偏振依赖性光漂白，同时测量胶体和颗粒体系中三维粒子的位置、形变和旋转状态。通过分析光漂白粒子的强度变化，该方法可在不牺牲定位精度的前提下，实现对密集、动力学冻结体系中粒子旋转态和形变的自动单粒子分辨。

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.

研究动机与目标

• 开发一种利用共聚焦显微镜提取三维胶体和颗粒体系中单个粒子旋转与形变状态的方法。
• 克服传统共聚焦成像的局限性，即由于缺乏旋转数据而无法区分滑动与滚动运动。
• 实现在剪切或压缩等外部刺激下，对冻结状态中力传递与粒子重排的定量分析。
• 在增加形变与旋转信息的同时保持高精度的粒子定位，避免定位质量下降。
• 提供一种完全自动化的、适用于密集无序球形粒子体系的单粒子水平分析技术。

提出的方法

• 利用荧光标记粒子的共聚焦显微镜，结合定位算法，实现三维位置的确定，精度约为0.05 µm。
• 对于形变分析，采用荧光强度分布对微小形状变化敏感的空心球形粒子，可检测椭球形变。
• 对于旋转分析，利用吸收具有角度依赖性的染料分子，通过选择性偏振光漂白形成光学各向异性的粒子。
• 通过改变光漂白与成像偏振方向之间的相对角度，检测共聚焦图像中的强度波动来测量旋转状态。
• 采用归一化强度对比度 ΔI = I_f^norm(a,90°) − I_f^norm(a,0°) 来量化旋转响应，并将其拟合为 sin²(α) 依赖关系，指数 n=2。
• 通过空间滤波和多角度图像平均，提高信噪比并提取可靠的旋转对比度。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够通过共聚焦显微镜在不牺牲粒子定位精度的前提下，对密集胶体和颗粒体系中单个粒子的旋转运动进行量化？
• RQ2 如何利用荧光强度图案在三维中高灵敏度地测量粒子在受力下的形变？
• RQ3 偏振依赖性光漂白在多大程度上可用于在荧光粒子中编码旋转状态？
• RQ4 该方法能否在动力学冻结体系中分辨滚动与滑动运动的区别？
• RQ5 为最大化旋转对比度同时保持足够荧光强度以实现定位，最佳光漂白强度应为多少？

主要发现

• 该方法成功提取了荧光强度分布对微小形状变化敏感的空心球形粒子的形变状态。
• 通过偏振依赖性光漂白获得的强度对比度量化了旋转状态，在0°与90°相对偏振角之间测得的ΔI约为40%。
• 作为相对偏振角函数的强度响应与 sin²(α) 依赖关系良好拟合，证实了各向异性染料吸收的理论模型。
• 该技术在保持高定位精度（±0.05 µm）的同时增加了旋转与形变数据，且未降低粒子追踪性能。
• 以0.16 µJ/粒子的强度进行光漂白，使荧光强度降低至初始值的约30%，在保证足够对比度的同时仍保持可检测性。
• 该方法适用于密集体系，并可实现对冻结状态下重排过程的自动化、单粒子水平分析。