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

Abstract

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.