Name: Préparation et suivi 3D des dispositifs catalytiques de natation (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-07-01T15:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 50 s
Description: Apprenez à préparer des colloïdes de Janus catalytiques et à suivre leurs trajectoires 3D par microscopie à fluorescence. Cette méthode permet d'étudier la dynamique colloïdale et les réponses aux stimuli environnementaux.

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Ce travail a été soutenu par la bourse d’accélération de carrière EP/J002402/1 de l’EPSRC.

ATTENTION: S&#39;il vous plaît consulter toutes les fiches de données de sécurité des matériaux pertinents avant utilisation. Le peroxyde d&#39;hydrogène utilisé dans ce protocole est nocif, et l&#39;évolution de l&#39;oxygène gazeux lorsqu&#39;il est exposé au platine présente un risque d&#39;explosion. Utilisez tous les contrôles de sécurité appropriés au cours de ce protocole, y compris les contrôles techniques lors de la manipulation des solutions de peroxyde (hottes) et de l&#39;équipement de protection individuelle (lunettes de sécurité, des gants et une blouse de laboratoire). 1. Faire catalytique Particules Janus <ol><li> Préparer le substrat de lame de verre <ol><li> Nettoyer une lame de microscope standard utilisé en utilisant le lavage séquentiel pendant quelques minutes chacun en désionisée (DI), solution de décontamination de verre et de l&#39;eau DI. Laver ensuite avec un 70:30 v: mélange v d&#39;éthanol: eau déminéralisée, et enfin sécher dans un courant d&#39;air / azote propre. </li><li> Examinez la lame de verre sous un microscope pour vérifier la surface est propre et exempt de signes de contamination particulaire. Répétez l&#39;étape 1.1.1, si nécessaire. </li></ol></li><li> Préparer une dispersion colloïdale de dépôt <ol><li> Pipette 10 ul d&#39;une solution aqueuse disponible fluorescente colloïdal (10% en poids.) Dans 990 pi d&#39;éthanol. Ajustez les volumes selon les besoins en fonction de la concentration de la solution mère utilisée pour arriver à environ 0,1% en poids colloïdale suspension. </li><li> Tourbillon mélange pendant 10 s. </li></ol></li><li> Manteau de Spin dispersion colloïdale sur le substrat de lame de verre <ol><li> Équipé d&#39;une tournette avec la lame de verre propre. Remplissez une pointe de pipette avec 100 ul de la solution colloïdale diluée préparée ci-dessus. spin programme coucheuse pour exécuter un 30 sec, 2,000 cycle de rpm. Démarrer la tournette, et quand à la vitesse continue pipeter la solution préparée sur le centre de la lame de verre de filage. </li><li> Retirer lame de verre de la tournette, revenir au microscope optique et vérifier que une dispersion uniforme de colloïdes essentiellement non jointives séparées couvre la région centrale of la lame de verre. </li></ol></li><li> Vacuum évaporent platine métallique sur colloïde décoré lame de verre <ol><li> Insérer la lame de verre colloïdal enrobé dans un évaporateur métallique. Assurez-vous que le colloïde décoré côté fait face à la source d&#39;évaporation. Installer une source d&#39;évaporation du métal de platine et le dépôt de 15 nm de platine métal. Remarque: Après le dépôt de métal, les échantillons doivent être conservés sous une atmosphère inerte. </li></ol></li></ol> 2. &quot;natation&quot; Particules Janus <ol><li> Re-suspendre Janus colloïdes dans une solution de peroxyde contenant <ol><li> Couper un carré de 1 x 1 cm de tissu de verre, et amortir la fin avec 10 pi d&#39;eau DI. Tenez avec des pincettes, et frottez doucement le long de la surface du colloïde décoré lame de verre de platine revêtu (cette étape élimine physiquement colloïdes du substrat). </li><li> Insérez le tissu de lentille dans 1,5 ml d&#39;eau DI et agiter manuellement vigoureusement pendant 30 secondes dans un tu scelléêtre. Retirer le tissu de la lentille. </li><li> Pipette 1 ml de colloïde contenant de la solution dans un nouveau récipient, rempli avec 1 ml de 30% p / 2 O 2 solution stock H v. Mélanger délicatement les solutions, puis placer dans un bain à ultrasons à température ambiante pendant 5 minutes, suivie d&#39;une autre période d&#39;incubation sans agitation 25 min. ATTENTION: Cette solution peut dégager de l&#39;oxygène; ne pas sceller. </li><li> Sec 100 ul de la solution aqueuse restante colloïdale sur un microscope électronique à balayage (SEM) pour permettre la vérification stub SEM de la structure colloïdale Janus 14. </li></ol></li><li> Préparer une analyse cuvette <ol><li> Ajouter un 1 ml supplémentaires d&#39;eau déminéralisée à la solution incubée contenant du peroxyde et du platine enrobé colloïdes pour arriver à une force de carburant convenable (10%) pour permettre une propulsion rapide. Note: Les étapes d&#39;incubation ont été préalablement effectués à une concentration de carburant plus grande concentration pour nettoyer la surface du catalyseur au platine. </li><li> Remplissez un low volume de quartz rectangulaire cuvette en verre avec la solution incubée. s&#39;adapter souplement une casquette de push-in. ATTENTION: Risque d&#39;explosion - ne pas utiliser un bouchon à vis. </li></ol></li></ol> 3. Observation microscopique <ol><li> Repérez particules d&#39;intérêt <ol><li> Charger la cuve dans un microscope à fluorescence équipé d&#39;un objectif approprié (par exemple 20X) et exciter les fluorophores émission en utilisant une combinaison appropriée de filtres (excitation à 450-490 nm, émission&gt; 515 nm). </li><li> Recherche manuellement colloïdes fluorescents au sein de la cuvette. Remarque: Réglage de la densité de colloïde tout en maintenant la concentration de peroxyde peut être nécessaire. Par exemple, la dilution est recommandée si la densité colloïde est élevée, et de nombreuses bulles d&#39;oxygène produisant des flux sont présents. Une concentration en volume de colloïde d&#39;environ 0,003% est un point de départ recommandée. </li><li> Optimiser les paramètres optiques pour le suivi 3D: dans des conditions d&#39;éclairage appropriées, in concentrer colloïdes apparaît des objets circulaires tranchants. Cependant, comme la propulsion déplace les colloïdes dans et hors du plan focal d&#39;une taille distinctive changeant anneau brillant centré autour de la sphère sera observée, il est utilisé pour déterminer la coordonnée z pour permettre le suivi 3D. </li></ol></li><li> Enregistrer une vidéo <ol><li> Avant de commencer la capture vidéo, focaliser le microscope de telle sorte que la particule d&#39;intérêt produit un anneau concentrique, avec la particule &quot;sous&quot; la position de mise au point. Ne pas déplacer le plan de mise au point lors de la capture vidéo. </li><li> Enregistrer des vidéos de particules d&#39;intérêt. Utilisez 30 sec vidéo durées avec des taux de trame de plus de 30 Hz pour permettre la reconstruction de la trajectoire détaillée. </li></ol></li><li> Reconstruction de la trajectoire 3D <ol><li> Calibrer axe z <ol><li> Faire un poids de 2%. solution de gomme gellane dans de l&#39;eau contenant une suspension de particules Janus fluorescentes à 60 ° C, dans une cuvette équivalent àcelle utilisée ci-dessus, et permettent de définir pour former un échantillon gélifié transparent rigide contenant des colloïdes statiques fixes. </li><li> Concentrer sur un seul colloïde fixe en utilisant les mêmes conditions d&#39;illumination choisies, maintenant enregistrer une série d&#39;images fixes en tant que la mise au point z est soulevé par des déplacements connus par rapport à ce plan. </li><li> Déterminer le rayon de l&#39;anneau à chaque position de mise au point connu 11. Note: Ceci est le plus efficacement réalisé en utilisant un algorithme d&#39;analyse d&#39;image qui peut être appliqué en tant que traitement par lots à tous l&#39;étalonnage des images fixes et des vidéos. Une approche typique consiste à lisser l&#39;image, seuillage pour identifier un emplacement approximatif du centre des objets, puis de localiser les x réelles et les coordonnées y du centre de l&#39;anneau en mesurant la distance entre les pics d&#39;intensité de chaque côté de l&#39;anneau. La distance radiale moyenne des pics d&#39;intensité du centre de l&#39; anneau peut alors être trouvé. 11 Cela permet à la fois le rayon de l&#39;anneau un brillantd la coordonnée xy à déterminer avec une précision sous-pixel. En localisant les coordonnées x, y, z, la position d&#39;une sphère Janus fixée dans la gomme de gellane 30 pm à partir du plan focal, dans une séquence temporelle d&#39;images, les particules peuvent être localisées avec une erreur de ± 25 nm le long de chaque axe. L&#39;erreur peut être attribuée au bruit dans les images. Le rapport signal sur bruit et, par conséquent, la précision des algorithmes de localisation dépend de l&#39;intensité de la lumière fluorescente détectée. Quand une sphère Janus est loin du plan focal son intensité devient trop faible pour suivre avec précision ce, par exemple, pour un diamètre de 4,8 um colloïde un z-gamme de l&#39; ordre de 200 um est possible. Une méthode non-algorithmique alternative consiste à utiliser la mesure manuelle simple x, centre y et de rayon, mais cela permettra de réduire la précision. </li><li> Tracer la courbe d&#39;étalonnage pour relier le rayon de position z, et monter à une fonction appropriée (par exemple, l&#39; équation cubique) pour permettre l&#39; interpolation. 11 </li></ol></li> &lt;li&gt; Calibrer axe x, y <ol><li> Enregistrer une image fixe image au microscope optique d&#39;un étalonnage réticule spatiale en utilisant les mêmes conditions de microscope choisies en 3.2. </li><li> Mesurer la dimension &quot;en pixels&quot; d&#39;un objet avec la taille connue du monde réel de l&#39;image de l&#39;étalonnage réticule spatiale et l&#39;utiliser pour établir un pixel à micron facteur de conversion pour le x, y plan de l&#39;image. </li></ol></li><li> Reconstruire trajectoire <ol><li> Déterminer les coordonnées x et y et de rayon pour chaque trame de la séquence vidéo comme décrit dans 3.3.1.3, utilisez la fonction trouvée dans 3.3.1.4 pour convertir le rayon en z, et le facteur d&#39;étalonnage trouvé dans 3.3.2.2 pour convertir x et y les coordonnées en pixels microns. Cette procédure se traduira par une précision x, y, z de coordonnées pour l&#39;emplacement des particules de propulsion en fonction du temps. 11 Cette procédure peut être réalisée en utilisant un algorithme, ou manuellement. </li><li> Déterminer la p dérivéeropriétés telles que la vitesse moyenne pour quantifier l&#39;ampleur de la natation catalytique observée. </li></ol></li></ol></li></ol>

<ol><li>Ebbens, S. J., Howse, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+pursuit+of+propulsion+at+the+nanoscale%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">In pursuit of propulsion at the nanoscale.</a> Soft Matter. 6 (4), 726(2010).</li>
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<li>Zhao, G., Sanchez, S., Schmidt, O. G., Pumera, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Poisoning+of+bubble+propelled+catalytic+micromotors%3A+the+chemical+environment+matters%5BTitle%5D)+AND+%22Nanoscale%22%5BJournal%5D)">Poisoning of bubble propelled catalytic micromotors: the chemical environment matters.</a> Nanoscale. 5 (7), 2909-2914 (2013).</li>
<li>Wang, Y., Hernandez, R. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bipolar+electrochemical+mechanism+for+the+propulsion+of+catalytic+nanomotors+in+hydrogen+peroxide+solutions%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Bipolar electrochemical mechanism for the propulsion of catalytic nanomotors in hydrogen peroxide solutions.</a> Langmuir. 22 (25), 10451-10456 (2006).</li>
<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>

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

De nombreuses variables dans le protocole de préparation de platine particules Janus auront une incidence sur les trajectoires observées. Les paramètres tels que décrits à l&#39;aide de particules de 2 pm de diamètre donnera des vitesses de propulsion de l&#39;ordre de 10 um par seconde. Si des particules plus petites sont utilisées, les vitesses augmentent, tout en augmentant la taille des particules diminue la vitesse de propulsion. 12 Les détails du protocole d&#39;évaporation vont également modifier les trajectoires observées. Dans ce protocole actuel, une distribution clairsemée des colloïdes est recommandée, en même temps que l&#39;évaporation de métal perpendiculaire à l&#39;orientation de la diapositive. Ces conditions se traduisent par des structures Janus symétriques comme le montre la figure 2, qui conduisent à des trajectoires linéaires dans les limites de diffusion de rotation brownien. 13 Inversement, si colloïdes serré emballés sont soumis à regardant dépôt d&#39;angle, puis la symétrie de la capsule Janus peut être rompu , pour induire la filature comportement. 14 Le particles produites ici affichent un mouvement relativement isotrope dans les trois dimensions; si les revêtements de platine plus épais, ou plus grandes particules sont utilisées, un biais ou gravitaxis vers le haut peuvent être conférées. 11 Les détails du stockage des colloïdes Janus après la fabrication peut également effectuer les vitesses de nage observées. La surface de la platine propre énergie superficielle élevée sortant de l&#39;étape d&#39;évaporation est sensible à la contamination de surface par exemple à partir d&#39; hydrocarbures, en particulier des thiols. 15 En outre, les propriétés de la solution dans laquelle les colloïdes Janus sont remises en suspension sont essentiels pour l&#39;observation propulsion. Faibles concentrations de peroxyde se traduira par des vitesses plus lentes, comme la vitesse de mouvement produisant la réaction de décomposition réduit. 6 En outre, de faibles concentrations de sels se traduira par une réduction spectaculaire de la vitesse de propulsion. 7 Une caractéristique clé des colloïdes produits ici est leur neflottabilité UTRAL, ce qui les rend appropriés pour le suivi 3D. En général , le domaine des dispositifs de natation a prêté peu d&#39; attention aux effets 3D, en partie en raison de quelques exemples importants étant fabriqués à partir de métaux denses, les obligeant à rapidement les sédiments, 16 mais aussi en raison des difficultés et des frais associés à la réalisation des mesures nécessaires. inconvénients clairs pour certaines méthodes de suivi 3D établies existent pour ces colloïdes se déplaçant rapidement, par exemple, la microscopie à balayage laser confocal peut manquer de la résolution temporelle pour enregistrer un nombre suffisant d&#39;images pour résoudre les trajectoires. Dans ce contexte, la méthode que nous présentons ici a l&#39;avantage important de ne nécessiter qu&#39;une seule image pour permettre une estimation des coordonnées z, ce qui permet par conséquent des cadences élevées. En outre, comme coordonnée z la reconstruction ne repose que sur le contraste relatif du colloïde hors de mise au point dans des trames individuelles, au lieu de l&#39;intensité de fluorescence absolue, elle est résistante aux effets de trempe et clignotantesdans fluorophore. Ces avantages sont possibles au détriment d&#39;une profondeur de champ réduite sur lequel la reconstruction de la trajectoire 3D est possible, et l&#39;exigence de colloïdes ne se chevauchent pas bien séparés. Nous espérons que la description du protocole permettra à d&#39;autres groupes de recherche ayant un intérêt dans le comportement 3D pour leurs appareils de natation pour accéder à ces informations et franchement avec un haut degré de précision. Il est clair que l&#39;élargissement de la compréhension de ces appareils à la 3D ouvrira une gamme importante de phénomènes et de futures applications intéressantes. Les lecteurs intéressés par de plus amples détails sur l&#39;analyse des trajectoires sont dirigées vers la référence 17, qui décrit les artefacts communs dans les systèmes de propulsion et de la façon d&#39;assurer une quantification précise des vitesses de propulsion.

Dispositifs de natation catalytiques sont à petite échelle, les colloïdes untethered capables de générer de manière autonome le mouvement dans des environnements fluidiques. 1,2 Ces dispositifs suscitent un intérêt de recherche importants car ils ont le potentiel pour permettre à de nouvelles fonctions intéressantes telles que la délivrance de médicaments, 3 laboratoires sur un transport de puce 4 et assainissement de l&#39; environnement. 5 un exemple largement étudié sont catalytiques nageurs &quot;Janus&quot;. 6 Ces particules tirent leur nom ayant deux côtés distincts, ou faces (Janus est un deux devant dieu romain). D&#39;un côté est une activité catalytique et capable d&#39;effectuer une réaction de décomposition, tandis que l&#39;autre est inerte. En présence de molécules de carburant dissous appropriées, la réaction chimique asymétrique qui en résulte crée des gradients autour des colloïdes qui peuvent produire un mouvement par l&#39; intermédiaire d&#39; auto-diffusiophorèse / électrophorèse. 7 Caractériser le mouvement de ces objets se déplaçant rapidement est cha<html> llenging et de nombreuses observations expérimentales à ce jour ont été limitées à 2D. Cependant, les applications éventuelles sont susceptibles d&#39;exploiter catalytique dispositifs de natation capacité de se déplacer à travers des solutions en vrac en 3D. 8 Pour y remédier, nous décrivons ici un protocole qui permet des trajectoires 3D précises pour les appareils de natation à déterminer. Cette méthode est basée sur l&#39; interprétation des structures cycliques produites par de colloïdes fluorescents discussion observés avec un objectif à focale fixe, 9 et est facile à appliquer à l&#39; aide de microscopes non modifiés classiques. En décrivant clairement cette méthode ici, d&#39;autres chercheurs dans ce domaine bénéficieront en étant en mesure d&#39;accéder à ces informations 3D. Cela aidera perspectives futures sur les caractéristiques de mouvement pour les appareils de natation. La preuve de ce potentiel est donné par le rapport récent de dispositifs de natation étant dirigé par gravité, 10,11 comportement qui peut le plus facilement être visualisé par l&#39;application de tracking 3D. 11 ove_content &quot;&gt; Cet article documente également clairement une méthode pour fabriquer des dispositifs catalytiques de natation de particules Janus, qui sera d&#39;autre avantage de normaliser les méthodes à travers les groupes de recherche existants enquêter sur ces dispositifs, et en outre guider les nouveaux chercheurs intéressés à faire et d&#39;enquêter sur les appareils de natation.

<table><tbody><tr><td>Évaporateur</td><td>Moorfield (Royaume-Uni)</td><td></td><td>Évaporateur Minilab 80 E-beam</td></tr><tr><td>Microscope</td><td>Nikon</td><td></td><td>Eclipse LV100</td></tr><tr><td>Source lumineuse à fluorescence</td><td>Nikon</td><td></td><td>Nikon B2A</td></tr><tr><td>Cube de</td> filtre <td>Objectif Nikon</td><td></td><td>20X, 0,45 NA</td></tr><tr><td>Cuvette</td><td>Hellma</td><td></td><td>quartz fondu, 40 x 10 x 1 mm</td></tr><tr><td>Mélangeur vortex</td><td>IKA</td><td></td><td>Lab Dancer S2</td></tr><tr><td>Revêtement par centrifugation</td><td>Laurell Technologies Corp.</td><td></td><td>Modèle WS-400BZ-6NPP/Lite</td></tr><tr><td>Bain à ultrasons</td><td>Eumax</td><td></td><td>2 litres</td></tr><tr><td>Tissu pour lentilles</td><td>Whatman</td><td>2105 841</td><td></td></tr><tr><td>Peroxyde d’hydrogène</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>31642-1L</td><td>30 wt %</td></tr><tr><td>Platinum</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>267171</td><td>0.25 mm, 99.99 %</td></tr><tr><td>Colloids</td><td>Thermo Scientific</td><td></td><td>Fluoro-Max PS microsphères, d = 1.9&nbsp ; microns</td></tr><tr><td>Solution de décontamination du verre</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 water</td><td>Elga</td><td></td><td>Purelab Option système de filtration (15 MW)</td></tr><tr><td>Gomme gellane</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>P8169-100G</td> <td>« Phytagel »</td></tr></tbody></table>

préparation et suivi 3d des dispositifs catalytiques de natation

Preparation and 3D Tracking of Catalytic Swimming Devices

Nous rapportons une méthode pour préparer des colloïdes Janus catalytiquement actifs qui « nagent » dans les fluides et décrivons comment déterminer leur mouvement 3D à l’aide de la microscopie à fluorescence. Une méthode couramment utilisée pour que les colloïdes catalytiquement actifs produisent un mouvement amélioré consiste à utiliser une distribution asymétrique du catalyseur. Ici, cela est réalisé en revêtant par centrifugation une couche dispersée de colloïdes polymères fluorescents sur un substrat plane plat, puis en utilisant un dépôt directionnel en phase vapeur de platine pour recouvrir à moitié la surface colloïdale exposée, créant ainsi une structure « Janus » à deux faces. Les colloïdes Janus sont ensuite remis en suspension du substrat plan dans une solution aqueuse contenant du peroxyde d’hydrogène. Le peroxyde d’hydrogène sert de carburant au catalyseur de platine, qui se décompose en eau et en oxygène, mais seulement d’un côté du colloïde. L’asymétrie se traduit par des pentes qui produisent un mouvement amélioré, ou « nage ». Un microscope à fluorescence, associé à une caméra vidéo, est utilisé pour enregistrer le mouvement des colloïdes individuels. Le centre de l’émission fluorescente est trouvé à l’aide de l’analyse d’image pour fournir une coordonnée x et y pour chaque image de la vidéo. Tout en maintenant la position focale du microscope fixe, l’émission de fluorescence du colloïde produit un motif d’anneau concentrique caractéristique qui fait l’objet d’une analyse d’image pour déterminer la position z relative des particules. De cette façon, des trajectoires 3D pour le colloïde nageant sont obtenues, ce qui permet de mesurer avec précision la vitesse de nage, et de détecter des phénomènes physiques tels que la gravitaxie, qui peuvent biaiser le mouvement des colloïdes.

La figure 1 montre une dispersion typique de colloïdes sur une lame de verre propre avant le dépôt de platine. La figure 2 montre une image typique SEM rétrodiffusée pour une demi - platine revêtu Janus nageur, sous ce mode d&#39;imagerie de la région de platine revêtu produit de contraste lumineux. La couche souhaitée de platine hémisphérique est apparente. La figure 3 montre l&#39;apparition d&#39;un fluorescent Janus nageur typique dans des conditions d&#39;éclairage optimales fixées dans la gomme gellane. Le nageur se présente comme un élément d&#39;anneau symétrique, et il est le rayon de l&#39;anneau qui peut être utilisé pour déterminer la position z du colloïde par rapport à la position de mise au point. La figure 4 montre des sections représentatives de la distribution d&#39;intensité de la luminosité radiale est utilisé en combinaison avec des algorithmes d&#39;analyse d&#39;image pour localiser avec précision le centre et le rayon apparent du colloïde. Figure 5 </stron<html> g&gt; contient une courbe d&#39;étalonnage obtenue en utilisant un échantillon fixé colloïdale et un microscope stade z traduction calibrée pour relier taille colloïdale apparente et la distance de la position de mise au point. Cette courbe est ajustée à une fonction cubique, qui est utilisé pour convertir rayon apparent en coordonnées z. Enfin, la figure 6 montre un typiques x, y, z trajectoire pour un nageur Janus des particules fluorescentes. <img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig1.jpg" /> Figure 1. image optique de 1,9 um de diamètre des microsphères de polystyrène. Les microsphères sont dispersées sur une lame de verre nettoyée avant le dépôt de platine. La barre d&#39;échelle représente 40 um. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig1large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> es / ftp_upload / 54247 / 54247fig2.jpg &quot;/&gt; Figure 2. Image de rétrodiffusion SEM d&#39;un 1,9 um de diamètre des microsphères de polystyrène. Les microsphères sont présentés après le dépôt de platine. La barre d&#39;échelle représente 2 pm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig2large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig3.jpg" /> Figure 3. images d&#39; étalonnage d&#39;un diamètre de 4,8 um fluorescent sphère en polystyrène fixé dans la gomme gellane enregistrée à l&#39; aide d&#39; un objectif 20X (0,4 NA). Les distances ci - dessous chaque image indique la distance du plan focal de l&#39;objectif ci - dessus de la sphère. Comme l&#39;image est défocalisé de 0 pm à 200 pm l&#39;image mise au point d&#39;un brillant disque change à un anneau lumineux, dont le rayon dépend de grossissement, le Spherla taille de l&#39; e et sa distance par rapport au plan focal. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig3large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig4.jpg" /> Figure 4. X, y, z procédure de suivi des particules. Un ensemble d&#39;algorithmes d&#39;auto-écrite est utilisée pour d&#39; abord localiser le centre (x, y) de l&#39;anneau lumineux par extraction d&#39; une série de lignes verticales et horizontales et de trouver le moyen mi point entre les pics lumineux (a). Le rayon de l&#39; anneau est alors calculée à partir de l&#39;intensité du pic d&#39;une spline adaptée aux pixels gris moyenne des valeurs de rayonnement à partir du centre de l&#39; anneau (b). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig4large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> Figure 5. Z coordonnée tableau d&#39;étalonnage pour les sphères Janus obtenues en mesurant le rayon de l&#39; anneau lumineux de sphères fixes dans la gomme gellane (voir figures 3 et 4). Le tableau d&#39;étalonnage est utilisé par nos algorithmes pour convertir le rayon de l&#39; anneau mesurée à un z- coordonnées. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig5large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 6" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig6.jpg" /> Figure 6. Une trajectoire d&#39;un dispositif fluorescent typique Janus de natation de la sphère. Une séquence d&#39;images de l&#39;appareil de natation mobile a été enregistré sur une période de 30 secondes à une vitesse de 33 Hz de trame. Le (x, y, z) les coordonnées de la trajectoire ont été obtenus en plaçant le centre de l&#39; anneau lumineux (Figurer 4 (a)) et en comparant le rayon de l&#39; anneau mesuré au tableau d&#39;étalonnage pour chaque image de la séquence (figures 4 (b) et 5). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig6large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a>

Une méthode pour préparer des colloïdes Janus catalytiquement actifs qui peuvent « nager » dans les fluides et déterminer leurs trajectoires 3D est présentée.

Préparation et suivi 3D des dispositifs catalytiques de natation

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

L'objectif général de cette expérience est de mesurer la trajectoire 3D d'un dispositif de nage catalytique. Cette technique peut aider à expliquer divers phénomènes liés aux dispositifs de nage, tels que leur réponse aux gradients chimiques et aux champs gravitationnels lorsqu'ils se déplacent dans des solutions voltaiques. Un avantage clé de cette technique est qu'elle peut être appliquée à l'aide de tout microscope à fluorescence conventionnel.Cette technique sera démontrée par mon étudiant au doctorat, Richard Archer. Pour ce protocole, préparez des lames en verre comme décrit dans le texte. Ensuite, préparez la dispersion colloïdale pour la déposer sur la lame.Commencez par pipeter dix microlitres d'une solution aqueuse de colloïde fluorescent à 10 % en poids dans 990 microlitres d'éthanol afin d'obtenir une suspension colloïdale d'un millilitre à 0,1 % en poids. Ensuite, homogénéisez le mélange par vortex pendant dix secondes. Puis, déposez la dispersion colloïdale par rotation sur le substrat de lame de verre préparé.Préparez 100 microlitres de la solution colloïdale diluée à déposer sur la lame. Une fois atteinte la vitesse de 2000 tr/min, déposez progressivement la suspension au centre de la lame. Faites tourner pendant 30 secondes à compter du début du dépôt.Transférez la lame de verre revêtue sur un microscope optique et vérifiez qu'une dispersion uniforme de colloïdes séparés, principalement non juxtaposés, recouvre la région centrale de la lame. Ensuite, évaporez sous vide du platine métallique sur la lame de verre à l'aide d'un évaporateur métallique. Veillez à charger la lame de manière à ce que les colloïdes soient orientés vers la source d'évaporation.Utilisez une source d'évaporation en platine et déposez 15 nanomètres de platine sur la lame. Après l'application du métal, conservez la lame sous une atmosphère inerte. Cette étape termine la fabrication des particules Janus de stock.La première étape consiste à suspendre les particules de Janus en solution. Pour ce faire, préparez un carré de tissu pour lentilles d'un centimètre sur un centimètre et humidifiez une de ses extrémités avec dix microlitres d'eau DI. Ensuite, en tenant le papier avec des pinces, frottez délicatement la partie humide sur la surface de la lame en verre revêtue de colloïdes décorée d'un dépôt de platine.Ensuite, plongez le tissu de lentille dans un tube contenant 1,5 millilitre d'eau désionisée. Fermez le tube et agitez-le manuellement pendant 30 secondes. Puis, retirez le tissu de lentille et pipetez un millilitre de l'eau, maintenant contenant des colloïdes, dans un petit tube contenant un millilitre de solution de peroxyde d'hydrogène à 30 % en poids par volume.Mélangez délicatement les solutions. Ensuite, transférez le tube dans un bain ultrasonique à température ambiante. Le récipient ne doit pas être hermétiquement fermé, car l'oxygène pourrait avoir besoin de s'échapper.Après cinq minutes de sonication, laissez le mélange incuber 25 minutes à température ambiante sans agitation. Pendant ce temps, faites sécher 100 microlitres de la solution colloïdale aqueuse restante et documentez-la au microscope électronique à balayage afin de vérifier la structure des colloïdes Janus. Ensuite, ajoutez un millilitre d’eau désionisée aux deux millilitres de solution afin de réduire la concentration de peroxyde d’hydrogène à dix pour cent, une concentration appropriée pour une propulsion rapide des colloïdes Janus.Ensuite, remplissez une cuvette rectangulaire en verre de quartz de faible volume avec la solution préparée, puis fixez légèrement un bouchon à enfoncer afin que la solution puisse être en contact avec l'air ambiant. Placez maintenant la cuvette dans un microscope à fluorescence conformément aux instructions du protocole écrit. Avant de commencer l'acquisition vidéo, faites rapidement la mise au point sur le microscope de manière à ce que la particule d'intérêt produise un anneau concentrique, la particule se trouvant en dessous de la position de mise au point.Ne pas déplacer le plan de focalisation pendant l'acquisition vidéo. Une fois la particule d'intérêt localisée, enregistrer des vidéos de 30 secondes à raison de 30 images par seconde. Environ 20 vidéos provenant d'une seule expérience fourniront suffisamment de détails pour la reconstruction des trajectoires, décrite dans le protocole textuel.Des colloïdes ont été déposés sur une lame de verre propre. Avant le dépôt de platine, la dispersion de microsphères de polystyrène à la surface de la lame a été observée à l'aide d'un microscope optique. L'échelle est de 40 microns.Après l'ajout de platine, une image MEB a été prise afin de confirmer la couche hémisphérique de platine souhaitée. L'échelle est de deux micromètres. Les nageurs Janus fluorescents étaient clairement visibles lorsqu'ils étaient fixés dans la gomme de Gellan, présentant un anneau symétrique dans des conditions de défocalisation optimales.Le rayon de l'anneau a été utilisé pour déterminer la position Z relative du colloïde. Les centres du colloïde ont été calculés en extrayant une série de lignes verticales et horizontales et en déterminant le point médian moyen entre les pics lumineux. Ensuite, les rayons des anneaux ont été calculés à partir de l'intensité maximale de la spline ajustée aux valeurs moyennes des pixels en onde rayonnant depuis le centre de l'anneau.Une courbe d'étalonnage a ensuite été établie à l'aide d'un échantillon colloïdal fixe et d'un microscope étalonné afin de relier la taille colloïdale apparente à la distance par rapport à la position focalisée. Ainsi, la trajectoire tridimensionnelle d'un nageur particulaire Janus fluorescent a été déterminée à partir des données. Après avoir visionné cette expérience, vous devriez désormais être en mesure de suivre des dispositifs nageurs en trois dimensions à l'aide d'un microscope à fluorescence conventionnel.Cette méthode a été utilisée par des chercheurs pour étudier des phénomènes tels que la gravitaxie. Cette expérience implique l'utilisation de peroxyde d'hydrogène, un produit chimique dangereux, particulièrement lorsqu'il est combiné à des dispositifs de nage catalytiques en raison du dégagement d'une grande quantité de gaz oxygène. Ainsi, durant ces étapes, il est important que le récipient ne soit pas hermétiquement scellé.

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