유체 속에서 "헤엄치"고 3D 궤적을 결정할 수 있는 촉매 활성 야누스 콜로이드를 준비하는 방법이 제시됩니다.
이 논문에서
요약
초록
우리는 유체 속에서 "헤엄치는" 촉매 활성 야누스 콜로이드를 준비하는 방법을 보고하고 형광 현미경을 사용하여 3D 움직임을 결정하는 방법을 설명합니다. 촉매 활성 콜로이드가 향상된 움직임을 생성하기 위해 일반적으로 사용되는 방법 중 하나는 촉매의 비대칭 분포를 사용하는 것입니다. 여기서 이것은 편평한 평면 기판에 분산된 형광 고분자 콜로이드 층을 스핀 코팅한 다음 방향성 백금 기상 증착을 사용하여 노출된 콜로이드 표면을 절반 코팅하여 양면 "야누스" 구조를 만드는 방식으로 달성됩니다. 그런 다음 Janus 콜로이드는 평면 기질에서 과산화수소를 포함하는 수용액으로 다시 현탁됩니다. 과산화수소는 백금 촉매의 연료 역할을 하며, 백금 촉매는 물과 산소로 분해되지만 콜로이드의 한쪽 면에만 분해됩니다. 비대칭은 향상된 동작 또는 "수영"을 생성하는 그라디언트를 생성합니다. 형광 현미경은 비디오 카메라와 함께 개별 콜로이드의 움직임을 기록하는 데 사용됩니다. 형광 방출의 중심은 비디오의 각 프레임에 대한 x 및 y 좌표를 제공하기 위해 이미지 분석을 사용하여 찾을 수 있습니다. 현미경의 초점 위치를 고정하는 동안 콜로이드의 형광 방출은 입자의 상대적인 z 위치를 결정하기 위해 이미지 분석의 대상이 되는 특징적인 동심원 패턴을 생성합니다. 이러한 방식으로 수영 콜로이드에 대한 3D 궤적을 얻어 수영 속도를 정확하게 측정하고 콜로이드 운동을 편향시킬 수 있는 중력축과 같은 물리적 현상을 감지할 수 있습니다.
서론
촉매 수영 장치 소규모 자율적 유체 환경에서 모션을 발생시킬 풀려 콜로이드이다. 그것들은 약물 전달, 3 칩 운반 랩 온어 같은 흥미로운 새로운 기능을 활성화 할 가능성이 1,2- 이러한 장치 상당한 연구 관심을 모으고 4 환경 개선. 5 한 널리 연구 예는 "야누스"수영 촉매이다. (6)이 입자 (야누스는 두 직면 로마 신) 두 가지 측면, 또는 얼굴을 가지고에서 자신의 이름을 얻는다. 다른 불활성 동안 한쪽에는, 촉매 활성과 분해 반응을 수행 할 수있다. 적합한 용해 연료 분자의 존재 하에서 얻어진 비대칭 화학 반응 자체 diffusiophoresis / 전기 영동을 통해 운동을 생산할 수있는 콜로이드 주변 그라디언트를 생성한다. (7)
이러한 빠르게 움직이는 물체의 움직임을 특성화하는 차입니다 llenging 현재까지 많은 실험 관찰은 2D로 제한되어있다. 그러나 최종 응용 프로그램을 3D로 일괄 솔루션을 통해 이동 촉매 수영 장치 기능을 악용 할 가능성이있다. (8)이 문제를 해결하려면, 여기에 우리가 수영 장치를 결정하기위한 정확한 3D 궤도를 할 수있는 프로토콜을 설명합니다. 이 방법은 고정 초점 대물 9 관찰 초점 형광 콜로이드 아웃에 의해 제조 된 고리 구조 해석에 기초하여, 종래의 개질 된 현미경을 사용하여 적용하기 쉽게되어있다. 분명히 여기 방법을 설명하여,이 분야의 다른 연구자는 3D 정보를 액세스 할 수있게 됨으로써 유익 할 것이다. 이것은 수영 장치의 동작 특성에 미래 통찰력을 도움이됩니다. 이 전위의 증거 쉽게 3D 추적 애플리케이션을 통해 가시화 될 수있다 (10, 11) 동작에 의해 지시되는 중력 수영 디바이스의 최근보고에 의해 주어진다. 11
"ove_content>이 논문은 분명히 이러한 장치를 조사하고 기존의 연구 그룹에서 방법을 표준화하고, 추가로 만들고 수영 장치 조사에 관심이 새로운 연구를 안내하기 위해 더 도움이 될 것입니다 촉매 야누스 입자 수영 장치를 제조하는 방법을 설명합니다.프로토콜
주의 : 사용하기 전에 모든 관련 물질 안전 보건 자료를 참조하십시오. 이 프로토콜에서 사용되는 과산화수소는 유해하고, 백금에 노출 된 산소 기체의 방출은 폭발 위험이. 동안 과산화수소 용액 (흄 후드) 및 개인 보호 장비 (안전 안경, 장갑, 실험실 코트를) 처리 공학적 관리를 포함하여이 프로토콜 동안 모든 적절한 안전 컨트롤을 사용합니다.
1. 촉매 야누스 입자를 만들기
- 슬라이드 유리 기판을 준비
- 탈 이온수 (DI) 물, 유리의 오염 제거 용액 및 DI 물에 몇 분마다 순차적으로 세척을 사용하지 않는 표준 현미경 슬라이드를 청소합니다. 에탄올의 V 혼합물 : 그런 다음 70:30 v를 씻어 DI 물, 그리고 마지막으로 깨끗한 공기 / 질소 기류에 바람을 불어 건조.
- 표면이 미립자 오염의 증거에서 깨끗하고 무료로 확인하기 위해 현미경 유리 슬라이드를 검사합니다. 단계를 반복 1.1.1 필요한 경우.
- 증착을위한 콜로이드 분산액을 제조
- 피펫 수성 스톡 형광 콜로이드 용액 (10 중량 %.)을 에탄올 990 μL에 10 μL. 약 0.1 중량 %의 콜로이드 현탁액에 도착하는 데 사용되는 원액의 농도에 따라 필요에 따라 볼륨을 조정합니다.
- 10 초 동안 소용돌이 믹스.
- 슬라이드 유리 기판 상에 스핀 코팅, 콜로이드 분산액
- 깨끗한 유리 슬라이드 스핀 코터를 착용. 상기 제조 희석 된 콜로이드 용액 100 ㎕와 피펫 팁을 입력합니다. 프로그램 스핀 코터는 30 초, 2,000 rpm으로 사이클을 실행합니다. 스핀 코터를 시작하고까지이 속도를 할 때 연속적으로 회전 유리 슬라이드의 중심 상에 준비된 솔루션을 피펫.
- 스핀 코터에서 유리 슬라이드를 제거하고 광학 현미경으로 돌아 주로 비 접촉 별도의 콜로이드의 균일 분산 중앙 지역의 O를 다루고 있는지 확인유리 슬라이드 바.
- 콜로이드 장식 유리 슬라이드 위에 진공 증발 백금 금속
- 금속 증발기에 콜로이드 코팅 된 유리 슬라이드를 삽입합니다. 측면 증착 원에 직면 장식 콜로이드를 확인합니다. 백금 금속 증착 원을 설치하고, 백금 금속의 15 nm의 증착.
참고 : 금속 증착 후, 샘플은 불활성 분위기 하에서 보관해야합니다.
- 금속 증발기에 콜로이드 코팅 된 유리 슬라이드를 삽입합니다. 측면 증착 원에 직면 장식 콜로이드를 확인합니다. 백금 금속 증착 원을 설치하고, 백금 금속의 15 nm의 증착.
2. "수영"야누스 입자
- 과산화물 함유 용액에 야누스 콜로이드를 다시 일시 중지
- 렌즈 조직의 1 × 1cm 사각형을 잘라하고, DI 물 10 μL과 끝을 적 십니다. 핀셋으로 잡고 부드럽게 (이 단계는 물리적으로 기판에서 콜로이드를 제거) 백금 코팅 콜로이드 장식 유리 슬라이드의 표면을 따라 문질러.
- DI 물 1.5 ml의에 렌즈 용 티슈를 넣고 수동으로 밀봉 TU 30 초 동안 격렬하게 흔들있다. 렌즈 조직을 제거합니다.
- 피펫 V H 2 O 2 원액 / w 1 ml의 30 %로 충전 된 새 컨테이너에 솔루션을 포함하는 콜로이드 1 ㎖. 부드럽게 솔루션을 혼합 한 다음 다른 25 분 unstirred 잠복기 다음 5 분 동안 실온에서 초음파 욕조에 넣습니다.
주의 :이 솔루션은 산소를 진화 할 수있다; 밀봉하지 않습니다. - 주사 전자 현미경 (SEM) 상에 스터브 나머지 수성 콜로이드 용액의 건조는 100 μL 야누스 콜로이드 구조의 SEM 인증을 사용한다. (14)
- 분석 큐벳 준비
- 고속 추진력을 허용하기에 적합한 연료 강도 (10 %)에 도달하는 과산화수소 및 백금 코팅 콜로이드를 함유하는 배양 용액 DI 물의 추가 1ml를 추가.
주 : 앞서 배양 단계는 백금 촉매의 표면을 세정하는 높은 농도의 연료 농도에서 수행 하였다. - 싸다 채우기배양 용액 w 볼륨 직사각형 석영 유리 큐벳. 느슨하게 푸시에 캡을 장착한다.
주의 : 폭발 위험 - 스크류 캡을 사용하지 마십시오.
- 고속 추진력을 허용하기에 적합한 연료 강도 (10 %)에 도달하는 과산화수소 및 백금 코팅 콜로이드를 함유하는 배양 용액 DI 물의 추가 1ml를 추가.
3. 현미경 관찰
- 관심의 입자를 찾습니다
- 로드 적합한 목적 (예를 들어, 20X)가 장착 된 형광 현미경으로 큐벳 및 적합한 필터의 조합 (여기 450-490 nm의 방출> 515 나노 미터)를 사용하여 형광 방출을 여기.
- 수동으로 큐벳 내에서 형광 콜로이드를 검색합니다.
주 : 과산화물 농도를 유지하는 것은 필수 일 수 있지만 콜로이드 밀도를 조정하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 콜로이드 밀도가 높은 경우에는 희석 권장하고 흐름을 제조 많은 산소 기포가 존재한다. 0.003 %의 콜로이드 체적 농도가 권장 출발점이다. - 3D 추적 광학 설정을 최적화 : 적합한 조명 조건 하에서 전n은 날카로운 원형 개체를 나타납니다 콜로이드를 초점을 맞 춥니 다. 추진력은 콜로이드 관찰되는 밝은 영역을 중심으로 고리를 변경 및 초점면 밖으로 특유의 크기를 이동하지만,이 Z 차원 추적 가능하도록 좌표를 결정하는 데 사용된다.
- 기록 영상
- 관심 입자 포커스 위치 "에서"입자와 동심 링을 생성하도록 비디오 캡처를 시작하기 전에 초점 현미경. 비디오 캡처 동안 초점 평면을 이동하지 마십시오.
- 관심 입자의 비디오를 녹화. 자세한 궤적을 재구성 할 수 있도록 30 Hz를 초과하는 프레임 속도와 30 초 비디오 기간을 사용합니다.
- 3D 궤도 재구성
- z 축 보정
- 2 %의 중량을 확인합니다. 에 상응 큐벳에서 60 ° C, 장소 형광 야누스 입자의 현탁액을 함유하는 물에 젤란 검 용액즉, 위에서 사용 된, 고정 된 정적 콜로이드를 함유하는 단단한 투명 겔 샘플을 형성하도록 설정할 수.
- 상기 선택된 동일한 조명 조건을 이용하여 단일의 고정 초점 콜로이드 지금이 평면에 대해 공지의 변위에 의해 발생되고, Z 초점으로 정지 된 이미지를 기록한다.
- 각 알려진 초점 위치 (11)에 링의 반경을 결정합니다.
주 :이 여전히 프레임 및 비디오 가장 효율적으로 수행 된 모든 보정하는 배치 공정으로서 적용될 수있는 이미지 분석 알고리즘을 사용하는 것이다. 일반적인 접근법은 화상 평활화 수반 임계는 객체의 중심의 대략적인 위치를 식별하고 세기 피크 중 링의 측면 사이의 거리를 측정함으로써, 실제의 X 및 링 중심의 Y 좌표의 위치한다. 링 중앙에서 강도 피크의 평균 반경 거리가 다음에서 찾을 수 있습니다. (11)이 밝은 링의 반경을 모두 할 수 있습니다D를 XY 서브 픽셀 정밀도로 결정되는 좌표. 이미지의 시간 순서에서, 초점면에서 젤란 검 30 μm의에 고정 야누스 영역의 X, Y, Z 위치를 결정함으로써, 입자 각각의 축을 따라 ± 25 nm 인 오류 위치 될 수있다. 오류가 이미지의 노이즈에 기인한다. 따라서 잡음 비와 상기 신호는, 상기 위치 알고리즘의 정확도는 검출 된 형광 광의 강도에 의존한다. 야누스의 영역은 초점면에서 멀리하면 그 강도는 정확하게 μm의이 가능합니다 약 200의 Z-범위를 콜로이드, 예를 들어, 그것을 추적 4.8 μm의 직경에 대해 너무 약한된다. 또 다른 비 알고리즘 방법은 X, Y 센터와 반경의 간단한 수동 측정을 사용하는 것입니다, 그러나 이것은 정확성을 줄일 수 있습니다. - Z-위치로 반경을 관련하는 교정 곡선을 플롯, 적절한 기능 (예를 들면, 차 방정식) 보간 허용하기에 적합. (11)
<리> 보정 X, Y 축 - 여전히 3.2 선택된 현미경 동일한 조건을 이용하여 공간 보정 계수의 광학 현미경 영상 프레임 기록.
- 공간 보정 계수의 이미지에서 알려진 실제 크기의 객체의 "픽셀"치수를 측정하고 X, Y 이미지 평면에 대한 미크론 변환 계수에 픽셀을 설정하려면이 옵션을 사용합니다.
- 궤도를 재구성
- 3.3.1.3에 기재된 바와 같이, X 및 Y 변환 (Z)으로 반경 변환 3.3.1.4 검색된 기능 및 3.3.2.2에있는 보정 계수를 사용하여, 비디오 시퀀스의 각 프레임에 대한 x 및 y 좌표와 반경을 결정 픽셀은 마이크론으로 조정합니다. 이 절차는 시간의 함수로서 입자 추진력 위치 좌표를 정확하게 X, Y, Z 될 것이다. (11)이 절차는 알고리즘을 사용하여 구현 된, 또는 수동으로 될 수있다.
- 파생 된 페이지를 결정이러한 평균 속도 등의 roperties는 관측 촉매 수영의 정도를 정량화한다.
- z 축 보정
결과
그림 1은 백금을 증착하기 전에 깨끗한 유리 슬라이드에 콜로이드의 전형적인 분산을 보여줍니다. 2 백금 코팅 영역은 밝은 명암을 생산하는이 영상 모드에서, 야누스 수영 코팅 반 백금의 전형적인 후방 산란 SEM 이미지를 보여줍니다. 원하는 반구형 백금 층은 분명하다. 세 디스플레이 젤란 검 고정 최적의 조명 조건 하에서 전형적인 형광 야누스 선수의 외관도. 수영은 대칭 링 특징으로서 나타나고, 그 초점 위치에 콜로이드 상대의 z 위치를 결정하는데 사용될 수있다 링의 반경이다.도 4는 방사 휘도 강도 분포 대표적인 단면을 보여준다 정확하게 중심과 콜로이드 명백 반경을 찾아 이미지 분석 알고리즘과 조합하여 사용된다.도 5 g>는 초점 위치로부터 명백한 콜로이드 크기와 거리를 연관시키는 고정 콜로이드 샘플 보정 현미경 Z-변환 스테이지를 사용하여 얻은 검량선을 포함한다. 이 곡선은, Z 좌표로 명백 반경으로 변환하는 데 사용되는 차 함수로 장착되어있다. 마지막으로, 그림 6 표시 전형적인 X, Y, 형광 야누스 입자 수영에 대한 Z 궤도.
도 1.9 ㎛의 직경의 폴리스티렌 미세 1. 광학 이미지. 미소 구체 백금 증착 전에 세정 된 유리 슬라이드에 분산된다. 스케일 바는 40 μm의를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
에스 / ftp_upload / 54247 / 54247fig2.jpg "/>
1.9 μm의 직경 폴리스티렌 마이크로 2. SEM의 후방 산란 이미지를 그림. 마이크로 스피어는 백금 증착 한 후 표시됩니다. 스케일 바는 2 μm의를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 A 20X 목표 (0.4 NA)를 사용해 촬영 한 젤란 검에 고정 된 4.8 μm의 직경 형광 폴리스티렌 구의 3. 교정 이미지. 각 이미지 아래의 거리를 구 위의 목적의 초점면까지의 거리를 나타냅니다. 이미지는 밝은 링 밝은 디스크 변경 0 [㎛] (200)에 초점 화상으로부터 디 포커스 된 바와 같이, 반경있는 상기 spher 배율에 의존전자의 크기와 초점면의 거리. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 4 X, Y, Z 입자 추적 절차. 자기 기록 일련의 알고리즘은 먼저 평균 중간 수직 및 수평 라인의 일련의 추출 구함으로써 밝은 링 (x, y)의 중심을 찾는 데 사용되는 밝은 피크 사이의 점 (a). 링 반경은 다음 링 센터의 (b)에서 밖으로 발산 평균 픽셀 회색 값에 장착 스플라인의 피크 강도로부터 계산된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 5는 Z 좌표 젤란 검 고정 분야의 밝은 링 반경을 측정 한 야누스 분야에 대한 교정 표를 (도 3 및 4 참조). 보정 차트는 Z-로 측정 된 고리 반경을 변환하기 위해 알고리즘에 의해 사용되는 좌표입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 6 일반적인 형광 야누스 구 수영 장치의 궤적. 수영 이동 장치의 일련의 이미지는 33 Hz의 프레임 속도로 30 초의 기간에 걸쳐 기록 하였다. 제 (X, Y, Z)는 (밝은 링 중심을 위치시킴으로써 수득 궤도 인터넷 좌표gure 4의 (a))와 시퀀스의 각 이미지에 대한 교정 차트에 측정 된 링 반경을 비교 (그림 4 (b) 및 5). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
토론
백금 야누스 입자의 제조 프로토콜의 많은 변수는 관측 궤도에 영향을 미칠 것입니다. 초당 10 μm의 순으로 추진 속도를 제공 2 ㎛의 직경의 입자를 이용하여 설명한 바와 같이 파라미터. 작은 입자를 사용하는 경우 입자 크기가 증가하여 추진 속도를 감소하는 동안, 속도는 증가한다. 증착 프로토콜 12 상세 관찰 궤적을 변경할 것이다. 이 현재의 프로토콜에서, 콜로이드의 스파 스 분포를 함께 슬라이드 방향에 수직 금속 증발 좋습니다. 이러한 조건 브라운 회전 확산의 범위 내에서 직선 궤적을 초래할도 2에 도시 된 바와 같이 대칭 야누스 구조를 초래한다. (13) 반대로, 타이트한 포장 콜로이드 각도 증착을이기는 적용하는 경우, 야누스 캡 다음 대칭성은 파괴 될 수있다 행동을 회전 유도한다. (14)는 PA이곳에서 생산 rticles는 세 가지 차원에서 상대적으로 등방성 움직임을 표시; 두꺼운 백금 코팅, 또는 더 큰 입자를 사용하지만 경우, 상향 편향 또는 gravitaxis가 부여 될 수있다. 제조 후의 야누스 콜로이드 스토리지 11 상세 관찰 수영 속도에 영향을 미칠 수있다. 증착 단계로부터 나오는 높은 표면 에너지 깨끗한 백금 표면에서의 탄화수소, 예를 들어 표면 오염에 민감하며, 특히 티올 인치 15
또한, 용액의 성질되는 야누스 콜로이드 재현 탁이 추진력을 관찰하는 데 중요하다. 낮은 과산화수소 농도는 분해 반응 생성 동작의 속도가 줄어들면, 느린 속도에서 발생한다. (6) 또한, 추진 속도의 급격한 감소를 초래한다 염 저농도. 7
여기에서 생산 된 콜로이드의 주요 기능은 북동입니다3D 추적에 적합하게 utral 부력. 일반적으로 수영 장치의 분야는 원인이 부분적으로 밀도가 금속으로 만들어지고 몇 가지 눈에 띄는 예에, 3D 효과에 작은 관심을 지불하고 그들을 빠르게 퇴적물, 16 만 인해 필요한 측정을과 관련된 어려움과 비용을합니다. 몇몇 확립 된 3D 추적 방법 분명한 단점은, 예를 들어, 공 초점 주사 레이저 현미경 궤적을 해결하기 위해 화상의 충분한 수를 기록 할 수있는 시간 해상도 부족 수,이 빠르게 이동 콜로이드 존재한다. 이러한 상황에서, 우리는 여기서 제시 방법에만 따라서 높은 프레임 비율을 허용 Z 좌표의 추정을 허용 한 프레임을 요구하는 중요한 이점을 갖는다. Z 좌표 재구성 단지 하나의 프레임에 포커스 아웃 콜로이드의 상대적인 콘트라스트에 의존 로서도, 오히려 절대 형광 강도보다, 그 담금질 점멸 효과 탄력형광있다. 이러한 장점은 3 차원 궤적 재구성이 가능한 위에 필드의 감소 된 깊이를 희생하고, 잘 분리 된 비 중첩 콜로이드에 대한 요구에서 가능하다. 우리는 수영 장치 똑 바르게하고 고정밀 도로 정보를 액세스하기위한 프로토콜을 설명하는 것은 3 차원 거동에 관심이있는 다른 연구 그룹을 허용 바란다. 이는 3D로 이러한 장치에 대한 이해를 확대하는 것이 관심의 미래 현상 및 애플리케이션의 상당한 범위를 여는 것을 알 수있다. 탄도 분석의 자세한 내용에 관심이있는 독자는 추진 시스템 및 방법을 추진 속도의 정확한 정량을 보장하는 일반적인 이슈를 설명 참조 (17)으로 연결됩니다.
공개 사항
저자는 공개할 것이 없습니다.
감사의 글
이 작업은 EPSRC Career Acceleration 보조금 EP/J002402/1의 지원을 받았습니다.
재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 증발기 | Moorfield (영국) | Minilab 80 전자빔 증발기 | |
| 현미경 | Nikon | Eclipse LV100 | |
| 형광 광원 | Nikon | Nikon B2A 필터 큐브 | |
| 대물렌즈 | Nikon | 20X, 0.45 | |
| NA Cuvette | Hellma | 용융 석영, 40 x 10 x 1 mm | |
| Vortex mixer | IKA | 랩 댄서 S2 | |
| 스핀 코터 | Laurell Technologies Corp. | 모델 WS-400BZ-6NPP/Lite | |
| 초음파 수조 | Eumax | 2리터 | |
| 렌즈 조직 | Whatman | 2105 841 | |
| 과산화수소 | Sigma-Aldrich | 31642-1L | 30 wt% |
| 플래티넘 | 시그마-알드리치 | 267171 | 0.25mm, 99.99% |
| 콜로이드 | Thermo Scientific | Fluoro-Max PS 마이크로스피어, d = 1.9 미크론 | |
| 유리 오염 제거 솔루션 | Fisher Scientific | D/0025/15 | Decon 90 |
| 에탄올 | Fisher Scientific | E/0600DF/17 | 절대 에탄올 |
| DI 물 | Elga | Purelab 옵션 여과 시스템(15MW) | |
| Gellan 검 | Sigma-Aldrich | P8169-100G | "Phytagel" |
참고문헌
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재인쇄 및 허가
