[论文解读] Surface Nanobubble Nucleation Visualized with TIRF Microscopy

Chon U Chan, Claus‐Dieter Ohl|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2012

Minerals Flotation and Separation Techniques被引用 3

一句话总结

本研究展示了利用罗丹明6G染料的全内反射荧光（TIRF）显微镜技术，以高时间和空间分辨率可视化亲水玻璃表面纳米气泡成核过程。该技术实现了在水-乙醇-水交换过程中纳米气泡形成的实时观测，结果表明：在水替换后约4分钟内形成稳定的纳米气泡，表面密度达到0.55个/μm²；而瞬态气泡则在乙醇阶段形成并迅速消失。

ABSTRACT

Nanobubbles are observed with optical microscopy using the total internal reflection fluorescence (TIRF) excitation. We report on TIRF visualization using Rhodamine 6G at 5$μ\,$M concentration which results to strongly contrasted pictures. The preferential absorption and the high spatial resolution allow to detect nanobubbles with diameters of 230\,nm and above. We present a study of the nucleation dynamics from the water-ethanol-water exchange and report the size distributions. Nanobubble nucleation is observed within 4 min after the exchange, later a stable population of nanobubbles with a surface density of 0.55 bubbles\,/$μ$m$^2$ is formed. Interestingly, unstable, slowly dissolving nanobubbles are observed during the first stage of water-ethanol exchange; only after the ethanol-water exchange stable nanobubbles appear.

研究动机与目标

• 开发一种高时间分辨率的光学方法，用于研究亲水表面纳米气泡成核动力学。
• 通过实现实时观测纳米气泡的形成与演化，克服原子力显微镜（AFM）和红外光谱（IR spectroscopy）的局限性。
• 研究在水-乙醇-水交换过程中表面纳米气泡的成核动力学与稳定性。
• 量化纳米气泡尺寸分布及随时间变化的表面密度。
• 提供成核动力学与平衡成核的实验数据，以深化对纳米气泡物理机制的理解。

提出的方法

• 采用波长为532 nm的绿色激光和高数值孔径（NA 1.49）物镜，激发浓度为5 μM的罗丹明6G染料。
• 实现约70 nm的穿透深度和108 nm/像素的空间分辨率，能够检测直径≥230 nm的纳米气泡。
• 使用在玻璃盖玻片上制备的微流控PDMS通道（宽1 mm，高20 μm）控制液体交换与气泡形成。
• 通过注射泵以受控流速（1–125 μL/min）进行水-乙醇-水交换，初始快速流速以最小化T型接头处的扩散效应。
• 利用冷却CCD相机以18 fps（曝光时间25–40 ms）监测动态过程，实现56 ms的时间分辨率。
• 对各帧的荧光强度进行归一化处理，以追踪气泡形成与溶解随时间的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在水-乙醇-水交换过程中，表面纳米气泡的成核过程如何演变？
• RQ2 纳米气泡的形成与溶解具有怎样的时间序列？稳定纳米气泡在何时出现？
• RQ3 液体交换过程中的流速如何影响成核速度与最终纳米气泡密度？
• RQ4 可检测纳米气泡的尺寸分布如何？其与分辨率极限有何关联？
• RQ5 当成核过程达到平衡后，稳定纳米气泡的表面密度是多少？

主要发现

• 在完成水-乙醇-水交换后约4分钟内发生纳米气泡成核，稳定纳米气泡在乙醇相被替换后形成。
• 在成核后形成稳定的纳米气泡群体，其表面密度为0.55个/μm²。
• 在乙醇相期间出现不稳定且迅速溶解的纳米气泡，其存在时间不超过40秒，表明为瞬态成核。
• 在5 μL/min的流速下，纳米气泡密度从2.5分钟时的0.1个/μm²上升至6.5分钟时的0.4个/μm²，上升时间（从最大值的10%到90%）约为240秒。
• 分辨至230 nm（2像素）的纳米气泡尺寸分布显示，较大气泡占主导，低于分辨率极限的气泡无法被分辨。
• 成核过程具有流速依赖性：较高流速（如50 μL/min）可实现近乎瞬时的成核，而较低流速则延长整个过程。