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Diffusion and Flow on Microscopic Length Scales Studied with Fluorescence Correlation Spectroscopy

Diffusion und Fluss auf mikroskopischen Längenskalen untersucht mit Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie

Christoph Michael Pieper
Doctoral thesis
Date of Examination: 2012-10-23
Date of issue: 2012-10-30
Advisor: Enderlein, Jörg Prof. Dr.
Referee: Enderlein, Jörg Prof.
Referee: Grubmüller, Helmut Prof. Dr.
Referee: Salditt, Tim Prof. Dr.

Persistent Address: http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-000D-F0C3-6

 

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Name: pieper.pdf
Size: 4,3 MB
Format: PDF
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Abstract

English

The physics of fluids on microscopic lengthscales is fundamentally different from the one governing macroscopic fluid phenomena. On lengthscales up to a few micrometer, inertial forces of small particles and fluid elements are much weaker than friction and thermal forces. Consequently, fluids on microscopic length scales are characterized by laminar flow and diffusive mixing. This is of particular importance for miniaturized technical applications, such as microfluidic devices, and many biological systems. However, the exact behavior of many of these systems is not yet fully understood and difficult to predict, especially for complicated geometries or fluids containing large amounts of solutes and macromolecules (crowded solutions). Experimental methods for measuring diffusion and flow on microscopic lengthscales can significantly increase our knowedge on these systems. Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS), for example, can be used for measuring translational diffusion, rotational diffusion, and flow of small fluorescent particles or molecules in solution. Two model systems were investigated here, to study the physics of crowded solutions, using recently developed FCS approaches for rotational and translational diffusion measurements. The translational and rotational diffusion of the large protein aldolase was studied in Polyethylene Glycol (PEG) solutions for different PEG sizes and concentrations. For comparison, the macroscopic vicosity and the diffusion of small dye molecules was investigated in the same system. While all measurements indicated a similar dependence of the diffusion coefficients on PEG concentration, the extent of the reduction in the diffusion coefficients varied depending on the size of the molecule under investigation. The translational diffusion of small dyes, as well as the rotational diffusion of aldolase was less affected by an increase in PEG concentration than the macroscopic viscosity and translational diffusion of aldolase. As a second model system, the translational and rotational diffusion of the protein αB crystallin was investigated at concentrations up to 300 mg/ml. Crystallin showed a decrease in diffusion coefficients with increasing concentrations, similar to the one observed in the systems containing PEG as a crowder. Finally, flow profiles of aligned liquid crystals in microfluidic devices were studied using FCS. Importantly, a local increase in flow velocity could be observed around a defect structure in the liquid crystal for the first time. These results confirm the suitability of FCS for studying complicated crowded enviroments and microfluidic geometries, thereby contributing to a better understanding of these systems.
Keywords: diffusion; aldolase; crystallin; crowding; crowded; FCS; flow; rotation; translation

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Die Physik der Fluide auf mikroskopischen Längenskalen unterscheidet sich grundlegend von der Physik die makroskopische Fluidphänomene bestimmt. Auf Längenskalen um und unterhalb einiger Mikrometer sind die Trägheitskräfte kleiner Teilchen und Flüssigkeitselemente deutlich geringer als Reibungskräfte und thermische Kräfte. Als Folge ist die Physik der Fluide auf mikroskopischen Längenskalen durch laminare Strömung und diffusives Mischen charakterisiert. Dies ist von besonderer Bedeutung für miniaturisierte technische Anwendungen, wie die Mikrofluidik, und viele biologische Systeme. Dennoch ist das exakte Verhalten vieler dieser Systeme noch nicht vollständig verstanden und schwer vorherzusagen. Insbesondere betrifft dies komplizierte Geometrieen und Fluide mit hohen Konzentrationen an gelösten Molekülen (engl.: crowded solutions). Experimentelle Methoden zur Bestimmung von Fluss und Diffusion auf mikroskopischen Längenskalen können einen signifikanten Beitrag zum besseren Verständnis dieser Systeme leisten. So kann zum Beispiel die Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (engl.: FCS) verwendet werden um translations Diffusion, rotations Diffusion und Flussgeschwindigkeit fluoreszenter Teilchen in Lösung zu bestimmen. Zwei Modelsysteme wurden im Rahmen dieser Arbeit mit kürzlich entwickelten FCS-Methoden untersucht um die physikalischen Eigenschaften von crowded solutions zu bestimmen. Die Translations- und Rotationsdiffusion des Makromoleküls Aldolase wurde in Polyethylene Glycol (PEG) Lösungen für unterschiedliche PEG Größen und Konzentrationen untersucht. Zum Vergleich wurden in denselben Lösungen die makroskopische Viskosität und die Diffusion kleiner Farbstoffmoleküle gemessen. Obwohl alle Messungen eine ähnliche Abhängigkeit der Diffusionskoeffizienten von der PEG Konzentration zeigen variierte die Ausprägung der Verlangsamung des Diffusionskoeffizienten mit der Größe des untersuchten Moleküls. Die Translationsdiffusion des Farbstoffes und die Rotationsdiffusion von Aldolase werden durch eine Erhöhung der PEG Konzentration schwächer beeinflusst als die Translationsdiffusion von Aldolase. Als zweites Modelsystem wurde die Translations- und Rotationsdiffusion von αB crystallin bei Konzentration bis 300 mg/ml untersucht. Crystallin Lösungen zeigen eine Verringerung der Diffusionskoeffizienten bei steigender Konzentration ähnlich dem Verhalten der PEG Lösungen. Darüber hinaus wurden Strömungsprofile nematischer Flüssigkristalle mit FCS untersucht. Am bedeutendsten ist die hier erstmals beobachtete lokale Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit in und um eine Defektstruktur im Flüssigkristall. Diese Ergebnisse bestätigen die Eignung von FCS zur Untersuchung komplexer crowded Lösungen und Mikrofluidik Strukturen und tragen damit zu einem besseren Verständnis dieser Systeme bei.
Schlagwörter: Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie; Diffusion; Rotation; Translation; Fluss
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