Vorbereitung und 3D-Tracking von Catalytic Schwimmgeräte

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments ist es, die 3D-Flugbahn für ein katalytisches Schwimmgerät zu messen. Diese Technik kann helfen, eine Vielzahl von Phänomenen für Schwimmgeräte zu erklären, z. B. wie sie auf chemische Gradienten und Gravitationsfelder reagieren, während sie sich in Volt-Lösungen bewegen. Ein wesentlicher Vorteil dieser Technik ist, dass sie mit jedem herkömmlichen Fluoreszenzmikroskop angewendet werden kann.

Diese Technik wird von meinem Doktoranden, Richard Archer, demonstriert. Bereiten Sie für dieses Protokoll Objektträger vor, wie im Text beschrieben. Bereiten Sie als Nächstes die kolloidale Dispersion für die Abscheidung auf dem Objektträger vor.

Zuerst pipettieren Sie zehn Mikroliter wässrige fluoreszierende kolloidale Lösung mit 10 Gew.-% in 990 Mikroliter Ethanol für eine kolloidale Suspension von einem Milliliter und 0,1 Gew.-%. Dann die Mischung zehn Sekunden lang vortexen. Als nächstes wird die kolloidale Dispersion auf das vorbereitete Objektträgersubstrat geschleudert.

Bereiten Sie sich darauf vor, 100 Mikroliter der verdünnten kolloidalen Lösung auf den Objektträger zu laden. Sobald Sie 2000 U/min erreicht haben, legen Sie die Aufhängung allmählich in die Mitte des Schiebers. Drehen Sie die Drehung 30 Sekunden lang ab Beginn der Aussage.

Übertragen Sie den beschichteten Objektträger in ein optisches Mikroskop und überprüfen Sie, ob eine gleichmäßige Dispersion von meist berührungslosen separaten Kolloiden den zentralen Bereich des Objektträgers bedeckt. Als nächstes verdampfen Sie Platinmetall in einem Metallverdampfer auf dem Objektträger. Stellen Sie sicher, dass der Objektträger mit den Kolloiden zur Verdampfungsquelle hin geladen wird.

Verwenden Sie eine Platinmetall-Verdampfungsquelle und scheiden Sie 15 Nanometer Platin auf dem Objektträger ab. Lagern Sie den Objektträger nach dem Auftragen mit Metall unter einer inerten Atmosphäre. Damit ist die Herstellung von Janus-Partikeln abgeschlossen.

Der erste Schritt besteht darin, die Janus-Partikel in Lösung zu suspendieren. Bereiten Sie dazu ein mal einen Zentimeter großes Quadrat Linsengewebe vor und befeuchten Sie das Ende mit zehn Mikrolitern DI-Wasser. Halten Sie dann das Papier mit einer Pinzette fest und reiben Sie den benetzten Teil vorsichtig über die Oberfläche des platinbeschichteten, kolloidverzierten Objektträgers.

Tauchen Sie dann das Linsengewebe in ein Röhrchen mit 1,5 Millilitern DI-Wasser. Verschließen Sie das Röhrchen und schütteln Sie es manuell 30 Sekunden lang. Entfernen Sie dann das Linsengewebe und pipettieren Sie einen Milliliter des Wassers, das jetzt Kolloide enthält, in ein kleines Röhrchen mit einem Milliliter Wasserstoffperoxidlösung von 30 Gew.-%.

Mischen Sie die Lösungen vorsichtig. Übertragen Sie dann das Rohr in ein Ultraschallbad bei Raumtemperatur. Der Behälter sollte nicht verschlossen sein, da möglicherweise Sauerstoff entweichen muss.

Lassen Sie die Mischung nach fünf Minuten Beschallung 25 Minuten lang bei Raumtemperatur ohne Rühren inkubieren. In der Zwischenzeit trocknen Sie 100 Mikroliter der restlichen wässrigen kolloidalen Lösung aus und dokumentieren Sie sie mit einem Rasterelektronenmikroskop, um die Janus-Kolloidstruktur zu überprüfen. Als nächstes fügen Sie einen Milliliter DI-Wasser zu den zwei Millilitern Lösung hinzu, um die Wasserstoffperoxid-Konzentration auf zehn Prozent zu reduzieren, was eine geeignete Kraftstoffstärke für einen schnellen Antrieb der Janus-Kolloide ist.

Füllen Sie dann eine rechteckige Quarzglasküvette mit geringem Volumen mit der vorbereiteten Lösung und befestigen Sie locker eine Steckkappe, damit die Lösung atmen kann. Laden Sie nun die Küvette in ein Fluoreszenzmikroskop, wie im Textprotokoll beschrieben. Bevor Sie mit einer Videoaufnahme beginnen, fokussieren Sie das Mikroskop schnell, sodass das interessierende Partikel einen konzentrischen Ring mit dem Partikel unter der Fokusposition erzeugt.

Bewegen Sie die Fokusebene während der Videoaufnahme nicht. Sobald das interessierende Teilchen gefunden wurde, nehmen Sie es mit 30-Sekunden-Videos mit 30 Bildern pro Sekunde auf. Etwa 20 Videos aus einem Experiment werden genügend Details für die Trajektorienrekonstruktion liefern, die im Textprotokoll beschrieben ist.

Die Kolloide wurden auf einem sauberen Objektträger abgeschieden. Vor der Abscheidung des Platins wurde die Dispersion von Polystyrol-Mikrokügelchen auf der Oberfläche des Objektträgers mit einem optischen Mikroskop beobachtet. Der Maßstabsbalken beträgt 40 Mikrometer.

Nach der Zugabe von Platin wurde ein REM-Bild aufgenommen, um die gewünschte halbkugelförmige Platinschicht zu bestätigen. Der Maßstabsbalken liegt bei zwei Mikrometern. Fluoreszierende Janus-Schwimmer waren deutlich sichtbar, wenn sie in Gellan-Gummi fixiert waren, ein symmetrischer Ring weist unter optimal unscharfen Bedingungen auf.

Der Radius des Rings wurde verwendet, um die relative Z-Position des Kolloids zu bestimmen. Die Zentren des Kolloids wurden berechnet, indem eine Reihe von vertikalen und horizontalen Linien extrahiert und der mittlere Mittelpunkt zwischen den hellen Spitzen ermittelt wurde. Dann wurden die Ringradien aus der Spitzenintensität des Splines berechnet, die an die durchschnittlichen Pixelwellenwerte angepasst wurde, die von der Mitte des Rings ausgehen.

Anschließend wurde unter Verwendung einer festen kolloidalen Probe und eines kalibrierten Mikroskops eine Kalibrierungskurve erstellt, um die scheinbare kolloidale Größe und den Abstand von der fokussierten Position in Beziehung zu setzen. So wurde aus den Daten die dreidimensionale Flugbahn für einen fluoreszierenden Janus-Teilchenschwimmer ermittelt. Nachdem Sie dieses Experiment beobachtet haben, sollten Sie nun in der Lage sein, Schwimmgeräte mit einem herkömmlichen Fluoreszenzmikroskop dreidimensional zu verfolgen.

Diese Methode wurde von Forschern verwendet, um Phänomene wie die Schwerkraft zu erforschen. Bei diesem Experiment wird Wasserstoffperoxid verwendet, eine gefährliche Chemikalie, die aufgrund der Entwicklung von viel Sauerstoffgas besonders gefährlich ist, wenn sie mit den katalytischen Schwimmgeräten kombiniert wird. In diesen Phasen ist es daher wichtig, dass der Behälter nicht sicher verschlossen ist.