Seguimiento de preparación y 3D de dispositivos catalíticos de natación

El objetivo general de este experimento es medir la trayectoria 3D de un dispositivo de natación catalítica. Esta técnica puede ayudar a explicar una variedad de fenómenos para los dispositivos de natación, como la forma en que responden a los gradientes químicos y los campos gravitatorios mientras se mueven en soluciones de voltios. Una ventaja clave de esta técnica es que se puede aplicar con cualquier microscopio de fluorescencia convencional.

Esta técnica será demostrada por mi estudiante de doctorado, Richard Archer. Para este protocolo, prepare portaobjetos de vidrio como se describe en el texto. A continuación, prepare la dispersión coloidal para su deposición en el portaobjetos.

Primero, pipetee diez microlitros de solución coloidal fluorescente acuosa al 10% en peso en 990 microlitros de etanol para una suspensión coloidal de un mililitro y 0,1% en peso. Luego, agita la mezcla durante diez segundos. A continuación, centrifugar la dispersión coloidal sobre el sustrato de portaobjetos de vidrio preparado.

Prepárese para cargar 100 microlitros de la solución coloidal diluida en el portaobjetos. Una vez a 2000 rpm, deposite gradualmente la suspensión en el centro de la corredera. Gira durante 30 segundos desde el inicio de la deposición.

Transfiera el portaobjetos de vidrio recubierto a un microscopio óptico y verifique que una dispersión uniforme de coloides separados, en su mayoría que no se tocan, cubra la región central del portaobjetos. A continuación, evapore al vacío el metal platino sobre el portaobjetos de vidrio en un evaporador de metal. Asegúrese de cargar el portaobjetos con los coloides frente a la fuente de evaporación.

Utilice una fuente de evaporación de metal platino y deposite 15 nanómetros de platino en el portaobjetos. Después de la aplicación del metal, guarde el portaobjetos en una atmósfera inerte. Esto completa la fabricación de las partículas Janus de stock.

El primer paso es suspender las partículas de Janus en solución. Para hacer esto, prepare un cuadrado de un centímetro de tejido para lentes y humedezca el extremo con diez microlitros de agua desionizada. Luego, sosteniendo el papel con pinzas, frote suavemente la parte mojada a lo largo de la superficie del portaobjetos de vidrio decorado con coloide recubierto de platino.

A continuación, sumerja el tejido de la lente en un tubo con 1,5 mililitros de agua desionizada. Tape el tubo y agítelo manualmente durante 30 segundos. Luego, retire el tejido de la lente y pipetee un mililitro de agua, que ahora contiene coloides, en un pequeño tubo con un mililitro de solución de peróxido de hidrógeno al 30% de peso por volumen.

Mezcle suavemente las soluciones. Luego, transfiera el tubo a un baño ultrasónico a temperatura ambiente. El recipiente no debe estar sellado, ya que es posible que sea necesario escapar oxígeno.

Después de cinco minutos de sonicación, deje que la mezcla se incube durante 25 minutos a temperatura ambiente sin agitación. Mientras tanto, seque 100 microlitros de la solución coloidal acuosa restante y documéntela con un microscopio electrónico de barrido para verificar la estructura coloidal de Janus. A continuación, agregue un mililitro de agua desionizada a los dos mililitros de solución para reducir la concentración de peróxido de hidrógeno al diez por ciento, que es una concentración de combustible adecuada para la propulsión rápida de los coloides Janus.

Luego, llene una cubeta rectangular de vidrio de cuarzo de bajo volumen con la solución preparada y coloque sin apretar una tapa a presión para que la solución pueda respirar. Ahora, cargue la cubeta en un microscopio de fluorescencia como se describe en el protocolo de texto. Antes de iniciar una captura de vídeo, enfoque rápidamente el microscopio para que la partícula de interés produzca un anillo concéntrico con la partícula por debajo de la posición de enfoque.

No mueva el plano de enfoque durante la captura de vídeo. Una vez que hayas encontrado la partícula de interés, grábala con videos de 30 segundos a 30 fotogramas por segundo. Alrededor de 20 videos de un experimento proporcionarán suficientes detalles para la reconstrucción de la trayectoria, que se describe en el protocolo de texto.

Los coloides se depositaron en un portaobjetos de vidrio limpio. Antes de depositar el platino, se observó la dispersión de microesferas de poliestireno en la superficie del portaobjetos utilizando un microscopio óptico. La barra de escala es de 40 micras.

Después de agregar platino, se tomó una imagen SEM para confirmar la capa de platino hemisférico deseada. La barra de escala es de dos micras. Los nadadores fluorescentes de Janus eran claramente visibles cuando se fijaban en la goma Gellan, un anillo simétrico en condiciones óptimamente desenfocadas.

El radio del anillo se utilizó para determinar la posición Z relativa del coloide. Los centros del coloide se calcularon extrayendo una serie de líneas verticales y horizontales y encontrando el punto medio medio entre los picos brillantes. A continuación, se calcularon los radios del anillo a partir de la intensidad máxima de la spline ajustada a los valores medios de onda de píxeles que irradian desde el centro del anillo.

A continuación, se realizó una curva de calibración utilizando una muestra coloidal fija y un microscopio calibrado para relacionar el tamaño coloidal aparente y la distancia desde la posición enfocada. Por lo tanto, se llegó a la trayectoria tridimensional de un nadador de partículas fluorescente de Janus a partir de los datos. Después de ver este experimento, ahora debería poder rastrear dispositivos de natación en tres dimensiones utilizando un microscopio de fluorescencia convencional.

Este método ha sido utilizado por los investigadores para explorar fenómenos como la gravitaxis. Este experimento implica el uso de peróxido de hidrógeno, que es un producto químico peligroso y esto es particularmente peligroso cuando se combina con los dispositivos de natación catalítica debido a la evolución de una gran cantidad de gas oxígeno. Por lo tanto, durante estas etapas, es importante que el contenedor no esté sellado de forma segura.