Name: Vorbereitung und 3D-Tracking von Catalytic Schwimmgeräte (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-07-01T15:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 50 s
Description: Erfahren Sie die 3D-Trajektorienmessung katalytischer Schwimmgeräte mit Fluoreszenzmikroskopie. Diese Methode ermöglicht die Verfolgung von Janus-Kolloiden in drei Dimensionen und erklärt ihre Reaktion auf chemische Gradienten.

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Diese Arbeit wurde unterstützt durch EPSRC Career Acceleration Grant EP/J002402/1.

ACHTUNG: Bitte konsultieren Sie alle relevanten Sicherheitsdatenblätter vor dem Gebrauch. Wasserstoffperoxid in diesem Protokoll verwendet schädlich ist, und die Entwicklung von Sauerstoffgas, wenn Platin ausgesetzt stellt eine Explosionsgefahr. Verwenden Sie alle erforderlichen Sicherheitskontrollen während dieses Protokoll einschließlich technische Kontrollen beim Umgang mit Peroxid-Lösungen (Abzug) und persönliche Schutzausrüstung (Schutzbrille, Handschuhe und Laborkittel). 1. Herstellung Catalytic Janus-Partikel <ol><li> Bereiten Sie Objektträger aus Glas - Substrat <ol><li> Reinigen Sie einen nicht verwendeten Standardobjektträger mit sequentieller Waschen für ein paar Minuten jeweils in entionisiertem (DI) Wasser, Glas Dekontaminationslösung und DI-Wasser. Dann waschen mit einem 70:30 V: V-Mischung aus Ethanol: DI-Wasser, und schließlich trocken blasen in einem sauberen Luft / Stickstoffstrom. </li><li> Untersuchen Sie den Glasobjektträger unter dem Mikroskop die Oberfläche zu überprüfen, ist sauber und frei von Anzeichen für Partikelverunreinigung. Wiederholen Sie Schritt 1.1.1, falls erforderlich. </li></ol></li><li> Bereiten kolloidale Dispersion zur Abscheidung <ol><li> Pipette 10 ul einer wässrigen Stamm fluoreszierenden Kolloidlösung (10% Gew.) In 990 ul Ethanol. Einstellen von Lautstärke als Stammlösung Konzentration erforderlich, je nach verwendeten bei etwa 0,1% Gew kolloidale Suspension zu gelangen. </li><li> Vortex-Mix für 10 Sek. </li></ol></li><li> Spin - Coating - kolloidale Dispersion auf Objektträger aus Glas - Substrat <ol><li> Anlegen eines Spin-Coater mit dem sauberen Glasobjektträger. Füllen einer Pipettenspitze mit 100 &amp; mgr; l der verdünnten kolloidalen Lösung oben hergestellt. Programm Spinnbeschichters 30 sec, 2000 Umdrehungen pro Minute Zyklus auszuführen. Starten Schleuderbeschichter und bei bis pipettieren zu beschleunigen kontinuierlich die hergestellte Lösung auf die Mitte des Spinnglasträger. </li><li> Entfernen Glasobjektträger aus dem Spin-Coater, kehren Sie zu dem optischen Mikroskop und stellen Sie sicher, dass eine gleichmäßige Verteilung von hauptsächlich nicht berührenden getrennten Kolloide deckt den mittleren Bereich of der Glasträger. </li></ol></li><li> Vakuum verdampfenden Platinmetall auf Kolloid dekoriert Glasträger <ol><li> Legen Sie die Kolloid beschichtete Glasobjektträger in einen Metallverdampfer. Stellen Sie sicher, das Kolloid Dekorseite der Verdampfungsquelle zugewandt ist. Installieren Sie eine Platinmetallverdampfungsquelle und deponieren 15 nm Platinmetall. Anmerkung: Nach der Metallabscheidung, Proben sollten in einer inerten Atmosphäre gelagert werden. </li></ol></li></ol> 2. &quot;Schwimmen&quot; Janus-Partikel <ol><li> Re-suspendieren Janus Colloids in eine Peroxid - Lösung <ol><li> Schneiden Sie ein 1 x 1 cm im Quadrat von Linsengewebe und dämpfen das Ende mit 10 &amp; mgr; l DI-Wasser. Halten mit einer Pinzette, und reiben sanft entlang der Oberfläche des Platin beschichteten Kolloid dekorierten Glasobjektträger (dieser Schritt physikalisch entfernt Kolloide von dem Substrat). </li><li> Legen Sie die Linsengewebe in 1,5 ml DI-Wasser und manuell kräftig schütteln für 30 Sekunden in einem verschlossenen tuSein. Entfernen Linsengewebe. </li><li> Pipette 1 ml des Kolloids enthaltenden Lösung in einen neuen Behälter, gefüllt mit 1 ml 30% w / v H 2 O 2 Stammlösung. Vorsichtig mischen die Lösungen, und legen Sie dann in einem Ultraschallbad bei Raumtemperatur für 5 Minuten, gefolgt von weiteren 25 min ungerührten Inkubationszeit. ACHTUNG: Diese Lösung Sauerstoff entwickeln kann; nicht verschließen. </li><li> Trocken 100 &amp; mgr; l der verbleibenden wässrigen kolloidalen Lösung auf einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) Stub SEM Verifikation der Kolloidstruktur Janus ermöglichen. 14 </li></ol></li><li> Vorbereitung einer Analyse Küvetten <ol><li> Fügen Sie eine weitere 1 ml DI-Wasser zu der inkubierten Lösung Peroxid und mit Platin beschichteten Kolloide enthält, bei einer geeigneten Brennstoff Stärke zu gelangen (10%) schnell Vortrieb zu ermöglichen. Hinweis: Die vorherige Inkubation Stufen wurden in höherer Konzentration Kraftstoffkonzentrationen ausgeführt, um die Platinkatalysatoroberfläche zu reinigen. </li><li> Füllen Sie ein low Volumen rechteckigen Quarzglaskuvette mit der inkubierten Lösung. Locker passen eine Push-in-Kappe. ACHTUNG: Explosionsgefahr - nicht ein Schraubverschluss. </li></ol></li></ol> 3. Die mikroskopische Beobachtung <ol><li> Wir liegen Partikel von Interesse <ol><li> Last Küvette in einem Fluoreszenzmikroskop mit einem geeigneten Ziel ausgestattet (beispielsweise 20X) und Fluorophor Emission unter Verwendung einer geeigneten Kombination von Filtern (Anregung 450-490 nm, Emission&gt; 515 nm) anzuregen. </li><li> suchen Sie manuell für fluoreszierende Kolloide in der Küvette. Hinweis: Einstellen Kolloiddichte unter Beibehaltung der Peroxid-Konzentration erforderlich sein kann. Zum Beispiel wird eine Verdünnung empfohlen, wenn die Kolloiddichte hoch ist, und zahlreiche Sauerstoffblasen Ströme produzieren vorhanden sind. Ein Kolloid-Volumen-Konzentration von etwa 0,003% ist eine empfohlene Ausgangspunkt. </li><li> Optimieren optische Einstellungen für 3D-Tracking: unter geeigneten Beleuchtungsbedingungen, iFokus n Kolloide als scharfe kreisförmige Objekte erscheinen. Jedoch als Antrieb der Kolloide in die und aus der Brennebene ein Unterscheidungsgröße ändern hellen Ring um die Kugel wird beobachtet, zentriert bewegt, wird dies verwendet, die z-Koordinate zu bestimmen, 3D-Tracking zu ermöglichen. </li></ol></li><li> Ein Video aufnehmen <ol><li> Video-Capture, fokussieren Sie das Mikroskop, so dass die Partikel von Interesse einen konzentrischen Ring erzeugt, mit dem Partikel &quot;unter&quot; der Fokusposition vor dem Start. Sie nicht die Fokusebene während der Videoaufnahme zu bewegen. </li><li> Nehmen Sie Videos von Partikeln von Interesse. Verwenden Sie 30 Sekunden Video Dauern mit Bildraten von über 30 Hz detaillierte Bahn Rekonstruktion zu ermöglichen. </li></ol></li><li> 3D - Trajektorie Wiederaufbau <ol><li> Kalibrieren z-Achse <ol><li> Machen Sie eine 2% Gew oben. Gellangummi-Lösung in Wasser, um eine Suspension von fluoreszierenden Janus-Partikel bei 60 ° C, in einer äquivalenten Küvette enthält,dass oben, verwendet und ermöglichen die Einrichtung eines steifen transparenten gelierten Probe mit festen statischen Kolloide zu bilden. </li><li> Konzentrieren Sie sich auf einen einzigen festen Kolloid unter Verwendung der gleichen Beleuchtungsbedingungen oben ausgewählt, notieren nun eine Reihe von Standbildern als z-Fokus wird durch bekannte Verschiebungen relativ zu dieser Ebene angehoben. </li><li> Bestimmen Sie den Radius des Rings an jedem bekannten Fokusposition 11. Hinweis: Dies wird am effizientesten durchgeführt durch ein Bildanalysealgorithmus verwendet, der noch als Batch-Prozess auf alle Kalibrierung angewendet werden können Frames und Videos. Ein typischer Ansatz beinhaltet die Bildglättung, Schwellwertbildung eine ungefähre Lage der Objekte Zentrum, zu identifizieren und dann die tatsächlichen x- und y-Koordinaten des Ringzentrums Ortung durch den Abstand zwischen den Intensitätsspitzen auf beiden Seiten des Rings zu messen. Die mittlere radiale Abstand zu den Intensitätsspitzen von der Ringmitte kann dann gefunden werden. 11 Auf diese Weise können sowohl der Radius des hellen Rings eind die xy-Koordinate mit Subpixel-Genauigkeit bestimmt werden. Durch Anordnen des x, y, z-Position einer Kugel Janus fixiert in Gellangummi 30 &amp; mgr; m von der Brennebene, in einer zeitlichen Abfolge von Bildern, Partikel mit einem Fehler von ± 25 nm entlang jeder Achse angeordnet sein. Der Fehler kann in den Bildern Rauschen zurückzuführen. Das Signal-Rausch-Verhältnis und daher die Genauigkeit der Ortungsalgorithmen hängt von der Intensität des detektierten Fluoreszenzlichts. Wenn ein Janus sphere weit von der Brennebene ist , wird ihre Intensität zu schwach , um sie genau zu verfolgen, beispielsweise für einen 4,8 &amp; mgr; m Durchmesser eine z-Bereich von Kolloid etwa 200 &amp; mgr; m möglich. Eine alternative nicht-algorithmischen Methode ist einfach manuelle Messung von x, y Mittelpunkt und Radius zu verwenden, jedoch wird diese Genauigkeit reduzieren. </li><li> Eichkurve Radius z-Position zu beziehen, und passen auf eine entsprechende Funktion (zB kubische Gleichung) zu ermöglichen Interpolation. 11 </li></ol></li> &lt;li&gt; Kalibrieren x, y - Achse <ol><li> unter Verwendung der gleichen Mikroskop Bedingungen gewählt in 3.2 Nehmen Sie noch ein optisches Mikroskopbild eines räumlichen Kalibrierung graticule Rahmen. </li><li> Messen Sie die &quot;in Pixel&quot; Dimension eines Objektes mit bekannten realen Welt Größe von dem Bild der räumlichen Kalibrierung graticule und verwenden diese ein Pixel Mikron Umrechnungsfaktor für die x, y Bildebene zu etablieren. </li></ol></li><li> rekonstruieren Trajektorie <ol><li> Bestimmen Sie die x- und y-Koordinaten und Radius für jeden Frame der Videosequenz wie in 3.3.1.3 beschrieben, verwenden Sie die in 3.3.1.4 gefunden Funktion Radius in z umwandeln und den Kalibrierungsfaktor in 3.3.2.2 gefunden zu konvertieren x und y Pixelkoordinaten in Mikron. Dieses Verfahren wird in einer genauen x, y, z ergeben sich für die propulsive Partikel Position als Funktion der Zeit zu koordinieren. 11 dieses Verfahren implementiert werden kann unter Verwendung eines Algorithmus, oder manuell erfolgen . </li><li> Bestimmen Sie die abgeleitete properties wie mittlere Geschwindigkeit, das Ausmaß der beobachteten katalytischen Schwimmen zu quantifizieren. </li></ol></li></ol></li></ol>

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<li>Dunderdale, G., Ebbens, S., Fairclough, P., Howse, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Importance+of+particle+tracking+and+calculating+the+mean-squared+displacement+in+distinguishing+nanopropulsion+from+other+processes%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Importance of particle tracking and calculating the mean-squared displacement in distinguishing nanopropulsion from other processes.</a> Langmuir. 28 (30), 10997-11006 (2012).</li>
</ol>

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Viele Variablen in der Präparationsprotokoll für Platin Janus-Partikel werden die beobachteten Bahnen beeinflussen. Die Parameter, wie unter Verwendung von 2 &amp; mgr; m Durchmesser Teilchen beschrieben werden Vortriebsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 10 &amp; mgr; m pro Sekunde geben. Werden kleinere Teilchen verwendet werden, erhöht sich Geschwindigkeiten, während zunehmender Partikelgröße wird Vortriebsgeschwindigkeit zu verringern. 12 Die Einzelheiten des Verdampfungs Protokoll verändern wird auch die Bahnen beobachtet. In diesem aktuellen Protokoll, eine spärliche Verteilung der Kolloide wird empfohlen, zusammen mit Metallverdampfungs senkrecht zu der Verschiebungs Orientierung. Diese Bedingungen führen zu einer symmetrischen Janus Strukturen wie in 2 gezeigt, die innerhalb der Grenzen der Brownsche Rotationsdiffusion zu linearen Bewegungsbahnen führen. 13. Umgekehrt, wenn dicht gepackte Kolloide unterworfen sind Glanzwinkelabscheidung, dann die Symmetrie der Janus Kappe kann gebrochen werden zu induzieren , das Verhalten zu drehen. 14 Die paRTIKELN hier erzeugte Anzeige relativ isotropen Bewegung in allen drei Dimensionen; aber wenn dicker Platinbeschichtungen oder größere Teilchen verwendet werden, eine nach oben vorspannen oder Gravitaxis kann verliehen werden. 11 Details der Lagerung der Janus Kolloide nach der Herstellung auch die Schwimmgeschwindigkeiten beobachtet bewirken kann. Die hohe Oberflächenenergie sauberen Platinoberfläche von der Verdampfungsstufe austretenden anfällig Verunreinigung beispielsweise von Kohlenwasserstoffen an der Oberfläche, insbesondere Thiole. 15 Darüber hinaus sind die Lösungseigenschaften in dem die Janus Kolloide resuspendiert sind kritisch für die Beobachtung Vortrieb. Niedrige Peroxid - Konzentrationen werden in langsamer Geschwindigkeiten führen, da die Geschwindigkeit der Zersetzungsreaktion produziert Bewegung reduziert. 6 Darüber hinaus geringe Konzentrationen von Salzen in einer dramatischen Verringerung der Antriebsgeschwindigkeit führen. 7 Ein wesentliches Merkmal der hier hergestellten Kolloide ist ihr neutral Auftrieb, die sie geeignet für 3D-Tracking macht. Im Allgemeinen hat sich das Gebiet der Schwimm Geräte wenig Aufmerksamkeit auf 3D - Effekte bezahlt, zum Teil auf einige prominente Beispiele aus dichten Metallen hergestellt werden, dass sie zu schnell Sediment, 16 , sondern auch aufgrund der Schwierigkeiten und Kosten im Zusammenhang mit der erforderlichen Messungen. Klare Nachteile für einige etablierte 3D-Tracking-Verfahren existieren für diese schnell bewegenden Kolloide zum Beispiel konfokalen Rasterlasermikroskopie die zeitliche Auflösung ausreichende Anzahl von Bildern aufzuzeichnen fehlen können Trajektorien zu lösen. In diesem Zusammenhang stellen die Methode, die wir hier hat den wesentlichen Vorteil, nur einen einzigen Rahmen erfordert Schätzung von z-Koordinate zu ermöglichen, die folglich hohe Frameraten ermöglicht. Auch als z-Koordinate Rekonstruktion beruht nur auf dem relativen Kontrast des out-of-focus-Kolloid in Einzelbildern, anstatt die absolute Fluoreszenzintensität, ist es widerstandsfähig gegenüber dem Abschrecken und Blinkeffektein dem Fluorophor. Diese Vorteile sind möglich, auf Kosten einer reduzierten Tiefe des Feldes, über die 3D-Trajektorie Rekonstruktion möglich ist, und die Forderung nach gut getrennt nicht überlappende Kolloide. Wir hoffen, dass das Protokoll beschreibt, andere Forschung erlauben wird Gruppen mit einem Interesse an 3D-Verhalten für ihre Schwimm Geräte diese Informationen ohne weiteres zuzugreifen und mit einem hohen Maß an Präzision. Es ist klar, dass das Verständnis dieser Geräte auf 3D erweitert wird erhebliche Reihe von interessanten zukünftigen Phänomene und Anwendungen erschließen. Leser, die sich in weiteren Einzelheiten der Flugbahn-Analyse sind in Richtung Referenz gerichtet 17, die gemeinsame Artefakte in Vortriebssystemen beschreibt und wie man die genaue Quantifizierung von Antriebsgeschwindigkeiten zu gewährleisten.

Katalytische Schwimm Geräte sind kleine, untethered Kolloide der Lage , autonom Bewegung in fluidischen Umgebungen zu erzeugen. 1,2 Diese Geräte ziehen bedeutende Forschung interessant , da sie das Potenzial zu ermöglichen aufregende neue Funktionen wie Arzneimittelabgabe, 3 Lab-on - Chip einem Transport haben 4 und Umweltsanierung. 5 ein weit untersuchtes Beispiel sind katalytische &quot;Janus&quot; Schwimmer. 6 Diese Partikel haben ihren Namen von mit zwei verschiedenen Seiten bekommen, oder Flächen (Janus ist ein zwei gegen römischen Gott). Eine Seite ist katalytisch aktiv und in der Lage eine Zersetzungsreaktion durchzuführen, während die andere inert ist. In Gegenwart von geeigneten gelösten Kraftstoffmoleküle, die sich ergebende asymmetrische chemische Reaktion erzeugt Gradienten um die Kolloide , die Bewegung durch Eigen Diffusiophorese / Elektrophorese produzieren. 7 Charakterisierung der Bewegung für diese sich schnell bewegenden Objekten ist cha<html> llenging und viele experimentelle Beobachtungen wurden bisher auf 2D beschränkt. Allerdings eventuelle Anwendungen sind wahrscheinlich katalytische Schwimmen Geräte Fähigkeit sich zu bewegen im gesamten Massen Lösungen in 3D zu nutzen. 8 an diese Adresse, beschreiben wir ein Protokoll , das genaue 3D - Bahnen zum Schwimmen Geräte ermöglicht bestimmt werden. Dieses Verfahren basiert darauf, die Ringstrukturen auf der Interpretation von außerhalb des Fokus fluoreszierenden Kolloide mit einem Fixfokus - Ziel beobachtet erzeugt, 9 und ist leicht mit herkömmlichen unmodifizierten Mikroskope anzuwenden. Durch die klare diese Methode hier zu beschreiben, andere Forscher auf diesem Gebiet profitieren durch die Möglichkeit, solche 3D-Informationen zugreifen zu können. Dies wird künftig Einblicke in die Bewegungseigenschaften für Schwimm Geräte unterstützen. Der Nachweis dieses Potenzials wird durch den jüngsten Bericht der Schwimmgeräte gegeben durch die Schwerkraft ausgerichtet ist, 10,11 Verhalten , das am leichtesten durch die Anwendung von 3D - Tracking sichtbar gemacht werden kann. 11 ove_content &quot;&gt; Das Papier dokumentiert auch eindeutig ein Verfahren katalytische Janus Partikel schwimmen Geräte herzustellen, die von weiteren Nutzen sein wird Methoden in den bestehenden Forschungsgruppen zu standardisieren, diese Geräte zu untersuchen, und führen zusätzlich neue Forscher daran interessiert, und Schwimmen Geräte zu untersuchen.

<table><tbody><tr><td>Verdampfer</td><td>Moorfield (UK)</td><td></td><td>Minilab 80 E-Beam-Verdampfer</td></tr><tr><td>Mikroskop</td><td>Nikon</td><td></td><td>Eclipse LV100</td></tr><tr><td>Fluoreszenzlichtquelle</td><td>Nikon</td><td></td><td>Nikon B2A Filterwürfel</td></tr><tr><td>Objektiv</td><td>Nikon</td><td></td><td>20X, 0,45 NA</td></tr><tr><td>Küvette</td><td>Hellma</td><td></td><td>Quarzglas, 40 x 10 x 1 mm</td></tr><tr><td>Vortex-Mischer</td><td>IKA</td><td></td><td>Lab Dancer S2</td></tr><tr><td>Schleuderbeschichter</td><td>Laurell Technologies Corp.</td><td></td><td>Modell WS-400BZ-6NPP/Lite</td></tr><tr><td>Ultraschallbad</td><td>Eumax</td><td></td><td>2 Liter</td></tr><tr><td>Linsengewebe</td><td>Whatman</td><td>2105 841</td><td></td></tr><tr><td>Wasserstoffperoxid</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>31642-1L</td><td>30 Gew.%</td></tr><tr><td>Platin</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>267171</td><td>0,25 mm, 99,99%</td></tr><tr><td>Kolloide</td><td>Thermo Scientific</td><td></td><td>Fluoro-Max PS Mikrosphären, d = 1,9&nbsp; Mikron</td></tr><tr><td>Dekontaminationslösung aus Glas</td><td>Fisher Scientific</td><td>D/0025/15</td><td>Decon 90</td></tr><tr><td>Ethanol</td><td>Fisher Scientific</td><td>E/0600DF/17</td><td>Absolute Ethanol</td></tr><tr><td>DI Wasser</td><td>Elga</td><td></td><td>Purelab Option Filtrationssystem (15 MW)</td></tr><tr><td>Gellangummi</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>P8169-100G</td><td>"Phytagel"</td></tr></tbody></table>

vorbereitung und 3d-tracking von catalytic schwimmgeräte

Preparation and 3D Tracking of Catalytic Swimming Devices

Wir berichten über eine Methode zur Herstellung katalytisch aktiver Janus-Kolloide, die in Flüssigkeiten "schwimmen", und beschreiben, wie man ihre 3D-Bewegung mittels Fluoreszenzmikroskopie bestimmt. Eine häufig eingesetzte Methode zur Erzeugung einer verstärkten Bewegung katalytisch aktiver Kolloide ist die asymmetrische Verteilung des Katalysators. Hier wird dies erreicht, indem eine dispergierte Schicht aus fluoreszierenden polymeren Kolloiden auf ein flaches planares Substrat geschleudert wird und dann unter Verwendung einer gerichteten Platinaufdampfabscheidung die freiliegende Kolloidoberfläche halb beschichtet wird, wodurch eine zweiseitige "Janus"-Struktur entsteht. Die Janus-Kolloide werden dann wieder vom planaren Substrat in eine wässrige Lösung suspendiert, die Wasserstoffperoxid enthält. Wasserstoffperoxid dient als Brennstoff für den Platinkatalysator, der in Wasser und Sauerstoff zersetzt wird, allerdings nur auf einer Seite des Kolloids. Die Asymmetrie führt zu Gradienten, die eine verstärkte Bewegung oder ein "Schwimmen" erzeugen. Mit einem Fluoreszenzmikroskop wird zusammen mit einer Videokamera die Bewegung einzelner Kolloide aufgezeichnet. Das Zentrum der Fluoreszenzemission wird mithilfe der Bildanalyse ermittelt, um für jedes Bild des Videos eine x- und y-Koordinate bereitzustellen. Während die Fokusposition des Mikroskops fixiert bleibt, erzeugt die Fluoreszenzemission des Kolloids ein charakteristisches konzentrisches Ringmuster, das einer Bildanalyse unterzogen wird, um die relative z-Position der Partikel zu bestimmen. Auf diese Weise werden 3D-Trajektorien für das Schwimmkolloid erhalten, die es ermöglichen, die Schwimmgeschwindigkeit genau zu messen und physikalische Phänomene wie die Schwerkraft, die die Bewegung des Kolloids verzerren können, zu erfassen.

Abbildung 1 zeigt eine typische Verteilung von Kolloiden auf einem sauberen Glasobjektträger vor dem Platin abgeschieden wird . Abbildung 2 zeigt ein typisches rückgestreute REM - Aufnahme für eine halbe Platin Janus Schwimmer beschichtet, unter diesem Abbildungsmodus der Platin beschichteten Bereich hellen Kontrast erzeugt. Die gewünschte hemisphärischen Platinschicht ist nicht ersichtlich. Abbildung 3 zeigt das Aussehen eines typischen fluoreszierenden Janus Schwimmer unter optimalen Beleuchtungsbedingungen in Gellangummi fixiert. Der Schwimmer wird als symmetrischer Ring Merkmal, und es ist der Radius des Ringes, der verwendet werden kann , die z-Position des Kolloids relativ zur Fokusposition zu bestimmen. Abbildung 4 zeigt repräsentative Querschnitte für die radiale Helligkeitsintensitätsverteilung, in Kombination mit Bildanalysealgorithmen verwendet , um das Zentrum und die scheinbare Radius des Kolloids genau zu lokalisieren. Abbildung 5 </stron<html> g&gt; enthält eine Kalibrierungskurve eine feste kolloidale Probe und einem kalibrierten Mikroskop z-Translationsstufe unter Verwendung von Fokusposition offensichtlich kolloidaler Größe und Abstand zu beziehen. Diese Kurve ist auf eine kubische Funktion ausgestattet, die verwendet wird, scheinbare Radius in z-Koordinate zu konvertieren. Schließlich zeigt Figur 6 eine typische x, y, z - Trajektorie für ein fluoreszierendes Janus Partikel Schwimmer. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig1.jpg" /> Abbildung 1. Optische Bild von 1,9 &amp; mgr; m Durchmesser Polystyrol - Mikrokügelchen. Microspheres sind auf einem gereinigten Glasträger vor Platinum Ablagerung dispergiert. Maßstabsbalken stellt 40 &amp; mgr; m. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig1large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig1large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> es / ftp_upload / 54247 / 54247fig2.jpg &quot;/&gt; Abbildung 2. REM - Backscatter - Bild von einem 1,9 &amp; mgr; m Durchmesser Polystyrol - Mikrokügelchen. Microspheres sind nach Platin Ablagerung gezeigt. Maßstabsbalken für 2 &amp; mgr; m. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig2large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig2large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig3.jpg" /> Abbildung 3. Kalibrierungsbilder eines 4,8 &amp; mgr; m Durchmesser fluoreszierendes sphere Polystyrol in Gellangummi fixiert ein 20x - Objektiv verwendet aufgezeichnet (0,4 NA). Die Abstände unter jedem Bild zeigen den Abstand der Brennebene des Objektivs über der Kugel. Da das Bild von 0 &amp; mgr; m bis 200 &amp; mgr; m die im Fokus Bild von einem hellen Scheibe Änderungen an einem hellen Ring defokussiert ist, ist der Radius, von denen bei Vergrößerung abhängig, die sphere Größe und ihr Abstand von der Brennebene. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig3large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig3large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Abbildung 4" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig4.jpg" /> Abbildung 4. X, y, z Partikel Tracking - Prozedur. Eine Reihe von selbstgeschriebenen Algorithmen verwendet werden , um zunächst die (x, y) Mitte des hellen Rings finden , indem Sie eine Reihe von vertikalen und horizontalen Linien zu extrahieren und die Suche nach der mittleren Mitte Punkt zwischen den hellen Spitzen (a). Der Ringradius wird dann von der Spitzenintensität eines Splines zu den durchschnittlichen Pixelgrauwerten versehen berechnet strahlt aus dem Ring - Center (b). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig4large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> Abbildung 5. Z-Koordinaten - Messprotokoll für Janus - Kugeln , die durch den hellen Ringradius von Kugeln Messung in Gellangummi fixiert (siehe Abbildungen 3 und 4). Das Kalibrierungsdiagramm wird von unserer Algorithmen , um die gemessenen Ringradius zu einem z- zu konvertieren koordinieren. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig5large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig5large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 6" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig6.jpg" /> Abbildung 6. Eine Bahn eines typischen fluoreszierenden Janus Kugel Schwimmvorrichtung. Eine Folge von Bildern des sich bewegenden Schwimmvorrichtung wurde über einen Zeitraum von 30 Sekunden bei einer Bildrate von 33 Hz aufgezeichnet. Die (x, y, z) Koordinaten der Bahn , indem der helle Ring - Center erhalten (FiAbbildung 4 (a)) und den gemessenen Ringradius auf das Kalibrierungsdiagramm für jedes Bild in der Folge zu vergleichen (4 (b) und 5). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig6large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig6large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

Eine Methode zur Herstellung katalytisch aktiver Januskolloide, die in Flüssigkeiten "schwimmen" und ihre 3D-Trajektorien bestimmen können, wird vorgestellt.

Vorbereitung und 3D-Tracking von Catalytic Schwimmgeräte

We report a method to prepare catalytically active Janus colloids that "swim" in fluids and describe how to determine their 3D motion using fluorescence ...

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments besteht darin, die 3D-Bewegungsbahn eines katalytischen Schwimmgeräts zu messen. Diese Technik kann helfen, eine Vielzahl von Phänomenen bei schwimmenden Geräten zu erklären, beispielsweise, wie sie auf chemische Gradienten und Gravitationsfelder reagieren, während sie sich in voltischen Lösungen bewegen. Ein entscheidender Vorteil dieser Methode ist, dass sie mit jedem herkömmlichen Fluoreszenzmikroskop angewendet werden kann.Diese Technik wird von meinem Doktoranden Richard Archer demonstriert. Für dieses Protokoll bereiten Sie Glasobjektträger gemäß der Beschreibung im Text vor. Bereiten Sie anschließend die kolloidale Dispersion zur Abscheidung auf dem Objektträger vor.Zunächst pipettieren Sie zehn Mikroliter einer wässrigen, 10 Gew.-%igen fluoreszierenden Kolloidlösung in 990 Mikroliter Ethanol, um eine ein Milliliter große, 0,1 Gew.-%ige kolloidale Suspension herzustellen. Anschließend mischen Sie die Lösung zehn Sekunden lang mit einem Vortex. Danach tragen Sie die kolloidale Dispersion mittels Spin-Beschichtung auf den vorbereiteten Glasobjektträger auf.Bereiten Sie vor, 100 Mikroliter der verdünnten kolloidalen Lösung auf den Objektträger aufzutragen. Sobald 2000 U/min erreicht sind, tragen Sie die Suspension allmählich in die Mitte des Objektträgers auf. Zentrifugieren Sie 30 Sekunden ab dem Beginn der Auftragung.Überführen Sie die beschichtete Glasplatte auf ein optisches Mikroskop und überprüfen Sie, ob eine gleichmäßige Verteilung weitgehend nicht berührender, separater Kolloide den zentralen Bereich der Platte bedeckt. Anschließend verdampfen Sie Platinmetall mittels Vakuumverdampfung auf der Glasplatte in einem Metallverdampfer. Achten Sie darauf, die Platte so einzulegen, dass die Kolloide der Verdampfungsquelle zugewandt sind.Verwenden Sie eine Platinaufdampfquelle und tragen Sie 15 Nanometer Platin auf dem Objektträger ab. Nach der Metallaufbringung bewahren Sie den Objektträger unter einer Inertatmosphäre auf. Damit ist die Herstellung der Janus-Partikel-Basisportion abgeschlossen.Der erste Schritt besteht darin, die Janus-Partikel in Lösung zu suspendieren. Dazu bereiten Sie ein ein mal ein Zentimeter großes Quadrat aus Objektträgerpapier vor und befeuchten ein Ende davon mit zehn Mikrolitern entionisiertem Wasser. Halten Sie das Papier dann mit einer Pinzette und reiben vorsichtig den angefeuchteten Bereich über die Oberfläche des platinbeschichteten, mit Kolloid dekorierten Objektträgers.Als Nächstes tauchen Sie das Linsengewebe in ein Gefäß mit 1,5 Millilitern entionisiertem Wasser ein. Verschließen Sie das Gefäß und schütteln Sie es manuell 30 Sekunden lang. Entfernen Sie danach das Linsengewebe und pipettieren Sie ein Milliliter des Wassers, das nun Kolloide enthält, in ein kleines Gefäß mit einem Milliliter 30 %iger (Gewicht pro Volumen) Wasserstoffperoxidlösung.Lösungen vorsichtig mischen. Anschließend das Gefäß in ein Ultraschallbad bei Raumtemperatur geben. Der Behälter sollte nicht verschlossen sein, da Sauerstoff entweichen muss.Nach fünfminütigem Beschallen lassen Sie das Gemisch 25 Minuten lang bei Raumtemperatur ohne Rühren inkubieren. In der Zwischenzeit trocknen Sie 100 Mikroliter der verbleibenden wässrigen kolloidalen Lösung ein und dokumentieren Sie diese mittels Rasterelektronenmikroskopie, um die Janus-Kolloid-Struktur zu überprüfen. Anschließend geben Sie einen Milliliter destilliertes Wasser zu den zwei Millilitern der Lösung hinzu, um die Wasserstoffperoxidkonzentration auf zehn Prozent zu senken, was eine geeignete Treibstoffkonzentration für eine schnelle Fortbewegung der Janus-Kolloide darstellt.Füllen Sie dann eine Küvette aus rechteckigem Quarzglas mit geringem Volumen mit der hergestellten Lösung und befestigen Sie locker eine Stopfkappe, damit die Lösung „atmen“ kann. Bringen Sie die Küvette anschließend wie im textlichen Protokoll beschrieben in ein Fluoreszenzmikroskop ein. Bevor Sie eine Videoaufnahme starten, fokussieren Sie das Mikroskop kurz, sodass das Partikel von Interesse einen konzentrischen Ring erzeugt, wobei sich das Partikel unterhalb der Fokusebene befindet.Bewegen Sie die Fokusebene während der Videoaufnahme nicht. Sobald das Partikel von Interesse gefunden ist, nehmen Sie es mit 30-Sekunden-Videos mit 30 Bildern pro Sekunde auf. Ungefähr 20 Videos aus einem Experiment liefern ausreichend Daten für die Trajektorienrekonstruktion, die in der schriftlichen Anleitung beschrieben ist.Kolloide wurden auf einem sauberen Objektträger abgeschieden. Vor der Abscheidung des Platins wurde die Dispersion von Polystyrol-Mikrokugeln auf der Oberfläche des Objektträgers mit einem optischen Mikroskop beobachtet. Die Maßstabsleiste beträgt 40 Mikrometer.Nachdem Platin hinzugefügt wurde, wurde ein REM-Bild aufgenommen, um die gewünschte halbkugelförmige Platinschicht zu bestätigen. Die Maßstabsleiste beträgt zwei Mikrometer. Fluoreszierende Janus-Schwimmer waren deutlich sichtbar, wenn sie in Gellan-Gum fixiert waren, wobei sich unter optimal defokussierten Bedingungen ein symmetrischer Ring zeigt.Der Radius des Rings wurde verwendet, um die relative Z-Position des Kolloids zu bestimmen. Die Mittelpunkte des Kolloids wurden berechnet, indem eine Reihe vertikaler und horizontaler Linien extrahiert und der mittlere Mittelpunkt zwischen den hellen Peaks ermittelt wurde. Anschließend wurden die Ringradien aus der Peak-Intensität des Splines berechnet, der an die durchschnittlichen Pixelwellenwerte angepasst wurde, die sich strahlenförmig vom Zentrum des Rings entfernen.Anschließend wurde unter Verwendung einer festen kolloidalen Probe und eines kalibrierten Mikroskops eine Kalibrierungskurve erstellt, um die scheinbare kolloidale Größe und die Distanz von der fokussierten Position miteinander in Beziehung zu setzen. So ergab sich aus den Daten die dreidimensionale Trajektorie eines fluoreszierenden Janus-Partikel-Schwimmers. Nachdem Sie dieses Experiment beobachtet haben, sollten Sie nun in der Lage sein, schwimmende Objekte in drei Dimensionen mithilfe eines herkömmlichen Fluoreszenzmikroskops zu verfolgen.Diese Methode wurde von Forschern verwendet, um Phänomene wie die Gravitaxis zu untersuchen. Bei diesem Experiment wird Wasserstoffperoxid eingesetzt, das eine gefährliche Chemikalie ist, und dies ist besonders gefährlich, wenn es mit den katalytischen Schwimmvorrichtungen kombiniert wird, da dabei viel Sauerstoffgas entsteht. Daher ist es in diesen Phasen wichtig, dass der Behälter nicht dicht verschlossen ist.

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