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Mikrorheologie - Video Particle Tracking (VPT)

Mikrorheologie - Video Particle Tracking (VPT)
Ansprechpartner:Claude Oelschlaeger

Ziel

Viele komplexe Fluide sind heterogen auf einer μm-Längenskala. Dies gilt insbesondere für biologische Systeme, wie z. B. Proteinfilament-Netzwerke, die für die Stabilität und Mobilität eukaryotischer Zellen verantwortlich sind, aber auch für Lösungen von Polymeren biologischer oder synthetischer Herkunft, die z. B. als Verdicker in Lebensmitteln, Haushalts-, Kosmetik-, Pflanzenschutz- oder Farb- und Klebstoff-Formulierungen verwendet werden.

Video Particle Tracking (VPT) ist eine mikrorheologische Methode, die es erlaubt mikrostrukturelle und mikro-mechanische Inhomogenitäten zu studieren, denn sie ermöglicht die direkte Erfassung der Trajektorien und mittleren Verschiebungsquadrate von Tracer-Partikeln, die der Brownschen Bewegung unterliegen. Selbst lebende Zellen können mit hoher Auflösung untersucht werden. Aber auch die makrorheologischen Eigenschaften inhomogener Fluide können untersucht werden, wenn man die Kreuz-Korrelation von weit voneinander entfernten Partikeln analysiert (sog. Zwei-Punkt-Mikrorheologie).

Messprinzip

Wir nutzen einen Standard-Aufbau für die Partikelverfolgung, der aus einem invertierten Fluoreszenz-Mikroskop und einer CCD-Kamera für die Akquisition der Bilder von fluoreszenzmarkierten Molekülen oder kolloidalen Tracerpartikeln. Dieser Aufbau ermöglicht es einem weiten Zeitbereich von den Videosequenzraten von Hochgeschwindigkeitskameras bis zur quasi unbegrenzt langen Aufnahme von Videosequenzen abzudecken. Rund 100 Tracer-Partikel können gleichzeitig beobachtet werden. Mit Hilfe kommerzieller Bildanalyse-Software können die Partikel automatisch identifiziert und ihre Positionen mit Sub-Pixel-Genauigkeit bestimmt werden. Zur Berechnung der Trajektorien werden die Partikel-Positionen in aufeinander folgenden Bildsequenzen korreliert.

Abbildung 1: Invertiertes Fluoreszenz-Mikroskop AxioObserver D, Fa. Zeiss (links); C-Apochromat 40x Objektiv, 1.2 Numerische Apertur, Wasser-Immersion (rechts).

Spezifikationen

Mikroskop: Invertiertes Fluoreszenzmikroskop (AxioObserver D, Fa. Zeiss), LED-Lichtquelle (Colibri, Fa. Zeiss) zur Beleuchtung.
Objektiv: Fluar 100x, 1.3 Numerische Apertur, Öl-Immersionslinse; C-Apochromat 40x, 1.2 Numerische Apertur, Wasser-Immersionslinse.
Kamera: sCMOS camera Zyla X (Andor Technology), 50 fps, 2560 x 2160 pixel
Tracer: Fluorescent (green) Mikrokugeln: P(S/A/V-COOH) 0.13, 0.21, 0.51, 0.9 μm (Fa. Bangs Laboratories).
Partikelverfolgung: Image Processing System, Visiometrics iPS. Außerdem selbst geschriebenes MatLab-Programm, basierend auf Crocker-und-Grier-Algorithmus.

Anwendungen

  • Zellen und biologische Systeme, z. B. DNA, Myosin, F-actin, ...
  • Polymerlösungen
  • Tensidlösungnen
  • Suspensionen und Emulsionen

Literatur

  1. Mason, T. G., and D. A. Weitz. 1995. Optical measurements of frequency dependent linear viscoelastic moduli of complex fluids. Phys. Rev. Lett. 74:1250–1253
  2. Chen, D. T., E. R. Weeks, J. C. Crocker, M. F. Islam, R. Verma, J. Gruber, A. J. Levine, T. C. Lubensky, and A. G. Yodh. 2003. Rheological microscopy: local mechanical properties from microrheology. Phys. Rev. Lett. 90:108301
  3. Apgar, J., Y. Tseng, E. Fedorov, M. B. Herwig, S. C. Almo, and D. Wirtz. 2000. Multiple-particle tracking measurements of heterogeneities in solutions of actin filaments and actin bundles. Biophys. J. 79:1095–1106
  4. Valentine, M. T., P. D. Kaplan, D. Thota, J. C. Crocker, T. Gisler, R. K. Prud’homme, M. Beck, and D. A. Weitz. 2001. Investigating the microenvironments of inhomogeneous soft materials with multiple particle tracking. Phys. Rev. E. 64:061506