Authors:	Yordanov, Stoyan
Title:	Total internal reflection fluorescence cross-correlation spectroscopy: theory and application for studying boundary slip phenomenon
Online publication date:	14-Oct-2011
Year of first publication:	2011
Language:	english
Abstract:	I present a new experimental method called Total Internal Reflection Fluorescence Cross-Correlation Spectroscopy (TIR-FCCS). It is a method that can probe hydrodynamic flows near solid surfaces, on length scales of tens of nanometres. Fluorescent tracers flowing with the liquid are excited by evanescent light, produced by epi-illumination through the periphery of a high NA oil-immersion objective. Due to the fast decay of the evanescent wave, fluorescence only occurs for tracers in the ~100 nm proximity of the surface, thus resulting in very high normal resolution. The time-resolved fluorescence intensity signals from two laterally shifted (in flow direction) observation volumes, created by two confocal pinholes are independently measured and recorded. The cross-correlation of these signals provides important information for the tracers’ motion and thus their flow velocity. Due to the high sensitivity of the method, fluorescent species with different size, down to single dye molecules can be used as tracers. The aim of my work was to build an experimental setup for TIR-FCCS and use it to experimentally measure the shear rate and slip length of water flowing on hydrophilic and hydrophobic surfaces. However, in order to extract these parameters from the measured correlation curves a quantitative data analysis is needed. This is not straightforward task due to the complexity of the problem, which makes the derivation of analytical expressions for the correlation functions needed to fit the experimental data, impossible. Therefore in order to process and interpret the experimental results I also describe a new numerical method of data analysis of the acquired auto- and cross-correlation curves – Brownian Dynamics techniques are used to produce simulated auto- and cross-correlation functions and to fit the corresponding experimental data. I show how to combine detailed and fairly realistic theoretical modelling of the phenomena with accurate measurements of the correlation functions, in order to establish a fully quantitative method to retrieve the flow properties from the experiments. An importance-sampling Monte Carlo procedure is employed in order to fit the experiments. This provides the optimum parameter values together with their statistical error bars. The approach is well suited for both modern desktop PC machines and massively parallel computers. The latter allows making the data analysis within short computing times. I applied this method to study flow of aqueous electrolyte solution near smooth hydrophilic and hydrophobic surfaces. Generally on hydrophilic surface slip is not expected, while on hydrophobic surface some slippage may exists. Our results show that on both hydrophilic and moderately hydrophobic (contact angle ~85°) surfaces the slip length is ~10-15nm or lower, and within the limitations of the experiments and the model, indistinguishable from zero. Im Rahmen dieser Arbeit wird die neue experimentelle Technik der Totalen Internen Reflexions Fluoreszenz-Kreuz-Korrelations-Spektroskopie (TIR-FKKS) vorgestellt. Mit dieser Methode können hydrodynamische Strömungen in Längenskalen von bis zu einigen 10-nm zu Festkörperoberflächen untersucht werden. Fluoreszierende Farbstoffe strömen mit der Flüssigkeit und werden mit evaneszentem Licht, welches mit Hilfe eines konfokalen Mikroskops und einem Öl-Immersions Objektiv mit einer hohen numerischen Apertur erzeugt wird, angeregt. Auf Grund des schnellen Abklingens der evaneszenten Welle tritt Fluoreszenz nur in unmittelbarer Nähe von etwa 100 nm zur Oberfläche auf, was eine sehr hohe Auflösung zur Folge hat. Die zeitaufgelösten Fluoreszenzsignale von zwei in Strömugsrichtung lateral verschobenen Detektionsvolumina, welche durch zwei konfokale Lochblenden erzeugt werden, werden unabhängig voneinander gemessen und aufgezeichnet. Die Kreuz-Korrelation dieser Signale liefert wichtige Informationen über die Bewegung der Farbstoffe und daher ihrer Strömungsgeschwindigkeit. Auf Grund der hohen Sensitivität der Methode können fluoreszierende Sorten von Farbstoffen, bis hin zu einzelnen Farbstoffmolekülen verwendet werden. Das Ziel dieser Arbeit war es den experimentellen Aufbau für TIR-FKKS zu konstruieren und damit die Scher-Rate und das Abgleiten von strömendem Wasser an hydrophilen, als auch hydrophoben Oberflächen zu messen. Um diese Informationen aus den gemessenen Korrelationskurven zu erhalten ist eine quantitative Datenanalyse notwendig. Dies ist nicht unkomliziert, wegen der Komplexität des Problems, die dass Ableiten einer analytische Lösung zur Bescheibung der Korrelationsfunktionen unmöglich macht. Um die experimentellen Daten zu bearbeiten und zu interpretieren, wird im Rahmen dieser Arbeit auch eine neue numerische Methode der Datenanalyse der erhaltenen Auto- und Kreuz-Korrelationskurven vorgestellt. Simulation von Brownschen Dynamiken werden benutzt um simulierte Auto- und Kreuzkorrelationsfunktionen zu erzeugen und die dazugehörigen experimentellen Daten zu beschreiben. Ich zeige wie detailierte und realistische theoretische Modelle des Phänomens mit genauen Messungen der Korrelationskurven kombiniert werden müssen um eine vollständig quantitative Methode zu entwickeln um die Ströumgeigenschaften aus dem Experiment abzuleiten. Eine Monte Carlo Simulation wird angewendet um die Exprimente zu beschreiben. Diese liefert die optimalen Parameterwerte und den statistischen Fehler. Diese Anwendung is sowohl geeignet für moderne Desktop PC‘s, als auch für parallel geschaltete Supercomputer. Der Letzere ermöglicht die Datenanalyse innerhalb kurzer Rechenzeiten. Ich habe diese Methode angewendet um die Strömungen von wässirigen Elektrolytlösungen in der Nähe von glatten hydrophilen und hydrophoben Oberflächen zu untersuchen. Im Allgemeinen wird an hydrophilen Oberflächen kein Abgleiten erwartet, während an hydrophoben Oberflächen Abgleiten auftreten kann. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Längen des Abgleitens etwa 10-15 nm oder geringer sind, sowohl auf hydrophilen als auch auf moderat hydrophoben (Kontaktwinkel etwa 85°) Oberflächen und damit im Rahmen der Fehler der Experimente nicht unterscheidbar von null.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3200
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-28960
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen