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單層膜界面上亞微米顆粒表面張力阻力系數修正——膜的性質及實驗方法
來源： 實驗流體力學 瀏覽 872 次 發布時間:2025-04-22
1膜的性質及實驗方法
1.1膜的表面張力與微觀結構
實驗采用的生物膜—肺表面活性劑膜萃取自固爾蘇Curosurf豬肺磷脂注射液（80 mg/mL）。固爾蘇主要成分為二棕櫚酸磷脂酰膽堿（Dipalmitoyl-phosphatidylcholine,DPPC），摩爾分數為25%，質量分數為47%，其余為多不飽和脂肪酸磷脂PUFA–PL（26 mol%）、縮醛磷脂（3.8 mol%）和極少量的膽固醇（0.08 mol%）和蛋白質。實驗采用氯仿?甲醇法對固爾蘇進行萃取，制備好的樣品為1 mg/mL的固爾蘇–氯仿溶液，同時摻混了熒光劑Texas Red（1,2-dihexadecanoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine,triethylammonium salt,TR-DHPE），與固爾蘇中DPPC的混合摩爾比為99.8∶0.2。
采用課題組自主研發的約束液滴表面測量儀（Constrained Drop Surfactometry,CDS）測量膜在不同密度下的表面張力，如圖1所示，圖中x與z分別代表水平與豎直方向，s代表液滴表面切向方向，ψ為液滴表面與水平方向內夾角，R0為液滴半徑，ρ為液滴密度，g為重力加速度。CDS上的圓形基座用于盛放純水液滴（約10μL），以微量進樣針將稀釋的固爾蘇–氯仿溶液滴定到液滴表面，形成形狀類似于肺泡的水?氣界面固爾蘇肺表面活性劑膜。基座中央的小孔通過導管與注射器相連，注/抽水速度由Labview編程的推進器控制，以此調節液滴表面積的變化速率。實驗測量的是膜在壓縮過程中表面張力與膜密度變化的關系，液滴表面積以0.05的準靜態速率縮小。液滴的輪廓由照相機拍攝。膜表面張力和表面積以ADSA（Axisymmetric Drop Shape Analysis）方法分析得出。膜表面壓強，其中，純水表面張力。
圖1約束液滴表面測量儀
圖2為膜表面壓強隨膜密度的變化曲線，（以DPPC磷脂分子所占平均面積作為衡量膜密度的物理量）。在顯微鏡下觀察了膜在不同密度下的形貌（圖2中4張照片）。膜被壓縮到100?2/molecule之前，處于液態擴張（Liquid Expanded,LE）相，磷脂分子排列較松散，膜表面結構均勻。當膜被壓縮到60～100?2/molecule時，膜上開始出現直徑為幾微米的磷脂凝聚（Tilted Condensed,TC）相（照片中斑點），TC區域內磷脂分子的排列比LE區域更緊密。熒光劑Texas red DHPE傾向于分布在LE區域，因此LE區域顯示為淺色，TC區域顯示為深色。膜繼續被壓縮，在LE?TC共存相階段，膜表面壓強恒定在45 mM/m左右，TC區域數量和面積占比增大。當膜被進一步壓縮（<60?2/molecule），此時膜表面幾乎被TC區域占據，TC區域相互擠壓，導致膜表面壓強直線上升，LE區域僅存在于TC區域之間的空隙。
圖2肺表面活性劑膜表面壓強隨膜密度的變化
1.2顆粒在膜上的擴散實驗系統制備
在培養皿中制備顆粒在水?氣界面肺表面活性劑膜上的擴散系統時，為防止顆粒沉淀，水相液體選用密度為1.15 g/mL的蔗糖?氯化鈉溶液，蔗糖質量分數為45%，氯化鈉質量濃度為9 g/L。選取內徑89 mm的玻璃培養皿作為承載膜的容器。先在培養皿內倒入厚約1 mm的蔗糖?氯化鈉溶液，之后用微量進樣針將固爾蘇?氯仿溶液滴定到蔗糖?氯化鈉溶液表面。本文實驗在界面上滴定了68、102、146和204?2/molecule共4個密度的膜，對應圖2中的4張照片。經過3次重復實驗，膜的形貌未發生明顯改變。
實驗采用的亞微米顆粒為羧酸鹽修飾的聚苯乙烯熒光微球，直徑分別為0.2、0.5和1.0μm。將該熒光微球稀釋至一定濃度后裝入噴霧器，噴霧器從高處緩緩將顆粒噴灑至膜表面。為防止表面對流干擾顆粒布朗運動的觀測，使用特氟龍圓環（外徑12 mm，內徑6 mm，高2.5 mm）隔絕出一部分區域的膜，再蓋上蓋玻片，靜置10 h后，可基本消除表面對流。
1.3顆粒布朗擴散的測量
實驗采用Olympus顯微鏡（配備60倍物鏡）觀察顆粒在膜上的布朗運動，同時利用電子增益高速攝像機（Andor 897 EMCCD）進行拍攝。每個視頻拍攝時間為200 s，幀頻為0.05 s，曝光時間5 ms，圖像尺寸為300像素×300像素，分辨率為0.26μm/m。采集原始圖像中的顆粒灰度值不符合標準高斯分布，因此使用圖像處理軟件ImageJ對圖像進行背景去噪聲（Background Subtraction）和高斯模糊（Gauss-ian Blur）處理（圖3（a）），使顆粒灰度值達到標準高斯分布（圖3（b））。之后用Video Spot Tracker軟件定位每個顆粒的灰度峰值（圖3（c）），即顆粒質心，定位誤差僅為0.5像素，進而對顆粒二維運動軌跡（平面）進行實時跟蹤。軟件自動將顆粒在每一時刻的像素位置坐標存入計算機中，使用MATLAB計算顆粒在不同時間間隔Δt內沿和方向的位移，計算公式如下：
圖3圖像處理與顆粒軌跡追蹤示意圖
