Kvantitativna volumetrična mikroskopija za karakterizacijo kapljičnih emulzij in tekočih kristalov v mikrofluidičnih okoljih brez označevanja

Kapljične emulzije in tekoči kristali v mikrofluidičnem okolju nudijo edinstveno platformo za raziskave novih pojavov v mehki snovi, ki omogočajo občutljivo zaznavanje kemičnih spojin in bioloških struktur ter na ta način obetajo številne rešitve za ključne probleme v biologiji in medicini. Na eni strani lahko kapljične emulzije obravnavamo kot mikroreaktorje, ki nudijo številne prednosti, kot so majhna poraba vzorcev, izboljšan nadzor nad prenosom snovi ali toplote, monodisperznost, visokozmogljiva analiza, enkapsulacija kemijskih reakcij in preprečevanje kontaminacije vzorcev. Po drugi strani tekoče kristale uvrščamo med anizotropne tekočine z orientacijskim redom dolgega dosega, ki kažejo visoko odzivnost na zunanja polja in gradiente kemijskih spojin v okoliških medijih. Kvantitativna karakterizacija je ključna za razumevanje osnovnih fizikalnih in kemijskih pojavov, ki vključujejo kapljične emulzije in tekoče kristale. Takšna karakterizacija se trenutno izvaja z različnimi tehnikami optične mikroskopije, ki zajemajo polarizirano svetlobo, fluorescenco, vzbujeno praznjenje emisije in Ramanovo sipanje. Te tehnike ne zagotavljajo tridimenzionalnih informacij, zahtevajo fluorescenčno označevanje in imajo nizko časovno učinkovitost. Zato je ključno, da se uvede nova mikroskopska metoda, ki bo omogočila časovno učinkovito kvantitativno karakterizacijo dinamičnih procesov brez označevanja, ki temeljijo na mikrofluidnih kapljicah in tekočih kristalih. Za ta namen je idealna izbira digitalna holografska mikroskopija, ki temelji na digitalnem zapisu interferenčnega vzorca (znanega kot hologram) med referenčnim svetlobnim valom in sipanim svetlobnim valom, ki nastane na mikroskopskih objektih. Zajeti hologram je mogoče računalniško rekonstruirati v kvantitativne informacije, kot sta morfologija in tridimenzionalna porazdelitev lomnega količnika mikro-objektov. Porazdelitev lomnega količnika razkriva splošno strukturo objektov, lokalne variacije koncentracij molekul in njihovih orientacij, kvantitativne informacije, ki se nanašajo na masni transport in optično dvolomnost. Te informacije se bodo izkazale za ključne na področju kapljičnih emulzij in tekočih kristalov v mikrofluidiki, zaradi česar bo to postala pomembna raziskovalna tema. Cilj predlaganega raziskovalnega projekta je zasnovati in promovirati nove kvantitativne metode brez označevanja, ki temeljijo na digitalni holografski mikroskopiji za karakterizacijo morfologije in tridimenzionalne porazdelitve lomnega količnika mikrofluidnih kapljic in tekočekristalnih emulzij. Osrednji cilji predlaganih raziskav so: 1) razvoj analitičnih in numeričnih modelov za sipanje in širjenje svetlobe skozi kapljične emulzije, tekoče kristale in optične elemente, 2) razvoj inverznih modelov in rekonstrukcijskih algoritmov za določanje morfologije in tridimenzionalnih porazdelitev lomnega količnika v mikrofluidnih kapljicah in tekočih kristalih, 3) eksperimentalna realizacija več različnih konfiguracij digitalne holografske mikroskopije, ki temeljijo na sistemih svetlobnih poti na osi in izven osi, 4) vzpostavitev referenčnega standarda za kapljične emulzije za kritično oceno in primerjavo modelov z eksperimentalnimi postavitvami, 5) časovno učinkovito izboljšanje rekonstrukcijskih algoritmov in konfiguracij digitalne holografske mikroskopije, in nazadnje 6) karakterizacija dinamičnih procesov in pojavov znotraj kapljičnih emulzij in tekočih kristalov. Predvidevamo, da realizacija predlaganih metodologij ne bo zagotovila le novih kvantitativnih tehnologij brez označevanja za odkrivanje in analizo kapljičnih emulzij in tekočih kristalov, temveč bo odprla nove poti za uporabo v interdisciplinarnih znanostih in industriji, kjer so se aktualne metode za optično detekcijo izkazale za neprimerne.