Original title:
Fluorescenční korelační spektroskopie ve studiu vlastností koloidních systémů
Translated title:
Fluorescence correlation spectroscopy in the study of the properties of colloidal systems
Authors:
Marková, Kateřina ; Lehocký, Marián (referee) ; Kapusta, Peter (referee) ; Pekař, Miloslav (advisor) Document type: Doctoral theses
Year:
2024
Language:
cze Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta chemická Abstract:
[cze][eng]
Hydrogely jsou pro své vlastnosti vyhledávanou matricí pro medicínské účely. Často jsou tyto vlastnosti podmíněné jejich strukturou, proto je kladen důraz na přesně definovanou polymerní síť. Vrámci předložené dizertační práce byly různé typy hydrogelů zkoumány pomocí fluorescenční korelační spektroskopie (FCS) ve spojení smikroreologií. Spojení těchto metod se při zjišťování vlastností hydrogelů využívá minimálně, proto byla potřeba standardizace aoptimalizace metody. Pro tyto účely byly vybrány fluorescenčně značené silikátové nanočástice sneutrálním povrchovým nábojem. Vrámci optimalizace metody byly zjištěny limity přístroje, kdy se naměřené difúzní koeficienty ještě daly považovat zavalidní. Dále byly určeny parametry, které ovlivňují MSD křivku, tedy mají vliv také nasprávnost samotných naměřených dat. Jako modelový koloidní systém byl vybrán vodný roztok agarózy, který se vzávislosti nakoncentraci pohybuje vrozmezí viskoelastické kapaliny, až po tuhý hydrogel. Na něm byly testovány difúzní vlastnosti použitých nanočástic, ale také strukturní vlastnosti samotného systému. Byly zjištěny limitní koncentrace, kdy difúzní koeficient přestal být vybranou technikou detekovatelný. Tento limit se podařilo částečně posunout úpravou korelačního času, kdy ovšem rozptyl hodnot difúzního koeficientu byl velmi vysoký. Takto naměřené hodnoty byly srovnány sbezkalibrační metodou dvouohniskové fluorescenční korelační spektroskopie (2f-FCS). Dále byly zjišťovány změny vdifúzním koeficientu vzávislosti na typu přípravy vzorků. Současně stěmito experimenty byla provedena i obrazová analýza, která ve spojení sFCS přinesla zajímavé výsledky. Posledním experimentem, který přinesl informace o vlastnostech jak vložených nanočástic, tak polymerním systému, bylo vymývání částic ze struktury hydrogelu. Jako poslední a nejpokročilejší analýza polymerní sítě, která definovala systém novým, alternativním, způsobem, byla vybrána metoda maximální entropie a analýza pomocí log-normální distribuce difúzních koeficientů. Hodnoty získané těmito pokročilými analýzami byly podobné jako data vypočítaná matematickým modelem anomální difúze. Novým přístupem byl popis vlastností pomocí reologických modulů. Ty se získaly řadou přepočtů znaměřené autokorelační křivky. Výstupem byl tedy reologický modul získaný zmikroreologických dat. Tvar křivky je srovnatelný sklasickou (makro)reologií, nicméně číselné hodnoty jsou řádově nižší. Nejmenší částice se vcelé koncentrační řadě chovaly jako včistě viskózním prostředí, největší částice definovaly chování systému vzávislosti nakoncentraci od velmi viskózního po viskoelastické. Posledním typem měření bylo studium hyaluronanu pomocí vybraných nanočástic a dále pomocí jeho fluorescenčně značeného analogu. Veškeré metody, které byly použity ve studiu agarózového hydrogelu se aplikovaly na viskoelastický systém hyaluronanu, kdy se zjišťovala použitelnost vybraných metod pro nový koloidní systém.
Because of their properties, hydrogels are a highly sought-after matrix for medical purposes. These properties are often conditioned by the structure, therefore the emphasis is put on a precisely defined polymer network. In the presented dissertation, different types of hydrogels were researched using fluorescence correlation spectroscopy (FCS) in conjunction with microrheology. The combination of aforementioned methods is rarely used when determining the properties of hydrogels, and therefore, the method had to be standardized and optimized. For these purposes, fluorescently labeled silicate nanoparticles with a neutral surface charge were selected. In the course of the method optimization, the limits of the device were discovered within which the measured diffusion coefficients could still be considered valid. Furthermore, we have determined the parameters that affect the MSD curve and thus also the correctness of the actual measured data. An aqueous solution of agarose was chosen as a model colloidal system, as it ranges from a viscoelastic liquid to a solid hydrogel depending on the concentration. On this colloidal system, the diffusion properties of the nanoparticles used were tested as well as the structural properties of the system itself. Limit concentrations were found when the diffusion coefficient could no longer be detected using the selected method. The limit was successfully partially extended by adjusting the correlation time, however, the dispersion of the diffusion coefficient values was very high in such case. The values measured in this way were compared with the calibration-free method of bifocal fluorescence correlation spectroscopy (2f–FCS). Furthermore, changes in the diffusion coefficient were determined depending on the type of sample preparation. Alongside these experiments, image analysis was also performed, which provided interesting results in conjunction with FCS. The last experiment, which provided information about the properties of both the embedded nanoparticles and the polymer system, consisted of washing out of the particles from the hydrogel structure. The maximum entropy method with an analysis using log-normal distribution of diffusion coefficients was selected as the last and the most advanced polymer network analysis of the, which defined the system in a new and an alternative way. The results obtained using these advanced analyses were similar to the data calculated using the mathematical model of anomalous diffusion. The description of properties using rheological modules was a completely new approach. The properties were obtained using a series of conversions from the measured autocorrelation curve. Therefore, a rheological module obtained from microrheological data was the output of the approach. The shape of the curve is comparable to classical (macro)rheology, but the numerical values are lower by an entire order of magnitude. The smallest particles in the entire concentration range behaved as if they were in a purely viscous environment while the largest particles defined the behavior of the system depending on the concentration from very viscous to viscoelastic. The last type of measurement was the study of hyaluronan using selected nanoparticles and its fluorescently labeled analogue. All the methods that were used in the study of agarose hydrogel were applied to the viscoelastic system of hyaluronan to verify their applicability.
Keywords:
2f-FCS; fluorescence correlation spectroscopy; fluorescence lifetime imaging microscopy; log-normal distribution; maximum entropy method; microrheology; 2f-FCS; FLIM; fluorescenční korelační spektroskopie; log-normální distribuce; MEM; mikroreologie
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: https://hdl.handle.net/11012/249134
guest ::
