Представлен метод получения каталитически активных коллоидов Януса, которые могут "плавать" в жидкостях и определять свои 3D-траектории.
Методическая статья
Представлен метод получения каталитически активных коллоидов Януса, которые могут "плавать" в жидкостях и определять свои 3D-траектории.
Мы сообщаем о методе получения каталитически активных коллоидов Януса, которые "плавают" в жидкостях, и описываем, как определить их 3D-движение с помощью флуоресцентной микроскопии. Одним из часто применяемых методов получения каталитически активных коллоидов усиленного движения является асимметричное распределение катализатора. Здесь это достигается путем нанесения дисперсного слоя флуоресцентных полимерных коллоидов на плоскую плоскую подложку, а затем с помощью направленного осаждения из паровой фазы платины для нанесения половины покрытия открытой коллоидной поверхности, создавая двустороннюю структуру «Януса». Затем коллоиды януса повторно суспендируются с плоской подложки в водный раствор, содержащий перекись водорода. Перекись водорода служит топливом для платинового катализатора, который разлагается на воду и кислород, но только с одной стороны коллоида. Асимметрия приводит к градиентам, которые создают усиленное движение, или «плавание». Флуоресцентный микроскоп вместе с видеокамерой используется для записи движения отдельных коллоидов. Центр флуоресцентного излучения обнаруживается с помощью анализа изображений, чтобы получить координаты x и y для каждого кадра видео. При фиксированном положении фокуса микроскопа флуоресцентное излучение коллоида создает характерную концентрическую картину колец, которая подвергается анализу изображения для определения относительного положения частиц z. Таким образом, получаются 3D-траектории для плавательного коллоида, что позволяет точно измерить скорость плавания и обнаруживать физические явления, такие как гравитаксис, которые могут смещать движение коллоидов.
Каталитические устройства плавания небольшие масштабы, неуправляемые коллоиды , способные автономно генерировать движение в жидкостных средах. 1,2 Эти устройства привлекают значительное внимание исследователей , поскольку они имеют потенциал , чтобы включить новые захватывающие функции , такие как доставка лекарственных средств, 3 лаборатории на чипе транспорта 4 и восстановление окружающей среды. 5 Одним из широко изученным примером являются каталитическими "Янус" пловцов. 6 Эти частицы получили свое название от того , две различные стороны или лица (Янус два перед римским богом). Одна сторона вл етс каталитически активным и способен выполнять реакцию разложения, в то время как другой является инертным. В присутствии подходящих растворенных молекул топлива, в результате асимметричный химическая реакция создает градиенты вокруг коллоидов , которые могут производить движение через себя диффузиофореза / электрофорезом. 7
Характеризуя движение для этих быстро движущихся объектов Cha llenging и многие экспериментальные наблюдения до настоящего времени были ограничены 2D. Тем не менее, возможные приложения могут использовать стимулирующую плавательные устройства возможность перемещаться по насыпных решений в 3D. 8 Для решения этой проблемы , здесь мы опишем протокол , который позволяет точные 3D - траектории для плавания устройств , которые будут определены. Этот метод основан на интерпретации кольцевых структур , произведенные не в фокусе флуоресцентных коллоидов , наблюдаемых с фиксированным фокусом объектива, 9 и легко наносится с помощью обычных немодифицированных микроскопов. Четко описывая этот метод здесь, другие исследователи в этой области пойдет на пользу, будучи в состоянии получить доступ к такой 3D информации. Это поможет в будущем понимание характеристик движения для плавательных устройств. Свидетельством этого потенциала определяется недавнем докладе плавательных устройств направлены под действием силы тяжести, 10,11 поведение , которое может быть наиболее легко визуализировать посредством применения 3D - слежения. 11
ove_content "> В этом документе также четко документирует способ изготовления каталитических Janus плавательных частиц устройства, которые будут иметь дополнительное преимущество для стандартизации методов по всей существующих научно-исследовательских групп, расследующих эти устройства, а также дополнительно направлять новых исследователей, заинтересованных в создании и исследовании плавательных устройств.ВНИМАНИЕ: Пожалуйста, обратитесь все соответствующие паспорта безопасности материала перед использованием. Перекись водорода используется в данном протоколе является вредным, а эволюция газообразного кислорода при воздействии на платину создает опасность взрыва. Используйте все соответствующие меры контроля безопасности во время этого протокола, включая технические средства контроля при обращении растворов пероксида (вытяжной шкаф) и средства индивидуальной защиты (защитные очки, перчатки и лабораторный халат).
1. Создание каталитического Janus Частицы
2. "Плавательные" Янус Частицы
3. Микроскопическое наблюдение
На рисунке 1 показана типичная дисперсию коллоидов на чистую предметное стекло перед нанесением платины. На рисунке 2 показан типичный Рассеянный назад СЭМ - изображение в течение половины платины , покрытого Януса пловец, в этом режиме формирования изображения область платина покрытием позволяет получить яркий контраст. Нужный полусферический слой платины очевидно. Рисунок 3 показывает внешний вид типичного флуоресцентного Janus пловца при оптимальных условиях освещения , установленных в геллановой камеди. Пловец появляется как симметричная особенность кольца, и это радиус кольца , которое может быть использовано для определения Z-положение коллоидной по отношению к положению фокуса. На рисунке 4 показаны репрезентативные поперечные сечения для распределения интенсивности радиальной яркости, используется в сочетании с алгоритмами анализа изображений , чтобы точно определить местонахождение центра и видимый радиус коллоида. фиг.5 г> содержит калибровочной кривой, полученной с использованием фиксированного коллоидный образца и калиброванное столик микроскопа Z-перевод соотнести видимую коллоидного размера и расстояние от точки фокуса. Эта кривая крепится к кубической функции, которая используется для преобразования в видимый радиус Z-координату. И, наконец, на рисунке 6 приведен типичный х, у, г траектория для флуоресцентного Janus пловец частиц.

Рисунок 1. Оптическое изображение диаметром 1,9 мкм полистирольных микросфер. Микросферы диспергируют на очищенном стекле перед осаждением Platinum. Шкала бар составляет 40 мкм. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
эс / ftp_upload / 54247 / 54247fig2.jpg "/>
Рисунок 2. СЭМ изображение обратного рассеяния диаметром 1,9 мкм полистирольных микросфер. Микросферы показаны после осаждения платины. Шкала бар представляет собой 2 мкм. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 3. Калибровка изображения диаметром 4,8 мкм флуоресцентного полистирола сфере фиксированной в геллановой камеди , записанной с использованием объектива 20X (0,4 NA). Расстояния ниже каждого изображения указывают расстояние от фокальной плоскости объектива выше сферы. Поскольку изображение дефокусируются от 0 мкм до 200 мкм в фокусе в образ ярких изменений диска на яркое кольцо, радиус которого зависит от увеличения, СФЕРе размер и расстояние от фокальной плоскости. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 4. X, Y, Z процедура отслеживания частиц. Набор алгоритмов самостоятельно написанный используется сначала найти (х, у) центр яркое кольцо, извлекая серию вертикальных и горизонтальных линий и находя среднее средне- точка между светлыми вершинами (а). Радиус кольца затем вычисляется из пиковой интенсивности сплайна , установленного на среднем пиксельных серых значений , исходящих из центра кольца (б). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 5. Z-координата калибровки диаграммы для Janus сфер , полученных путем измерения яркий радиус кольца сфер , закрепленных в геллановой камеди (см 3 и 4). Калибровка график используется нашими алгоритмами для преобразования измеренного радиуса кольца к Z- координаты. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 6. Траектория типичного флуоресцентного Janus сфера плавательным устройства. Последовательность изображений движущихся плавательным устройства регистрировали в течение периода 30 с при частоте кадров 33 Гц. (Х, у, г) координаты траектории были получены путем размещения яркое кольцо центр (Fi4 цифра (а)) и сравнения измеренного радиуса кольца к калибровочной диаграммы для каждого изображения в последовательности (рис 4 (б) и 5). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Многие переменные в протоколе подготовки к платиновых частиц Януса будут влиять на наблюдаемые траектории. Параметры, описанные с использованием частиц диаметром 2 мкм даст двигательные скорости порядка 10 мкм в секунду. Если используются более мелкие частицы, скорость будет увеличиваться, в то время как увеличение размера частиц будет уменьшаться скорость метания. 12 Детали протокола испарения также изменяют траектории , наблюдаемые. В этом текущем протоколе, разреженный распределение коллоидов рекомендуется, вместе с испарением металла нормальной ориентации слайдов. Эти условия приводят к симметричных структур Янус , как показано на рисунке 2, которые приводят к линейным траекториям в пределах броуновского вращательной диффузии. 13 И наоборот, если плотно упакованные коллоидов подлежат поглядывая отложение угол, то симметрия крышки Janus может быть нарушена , чтобы вызвать вращение поведение. 14 в годrticles производимые здесь отображаются относительно изотропное движение во всех трех измерениях; Однако , если используются более толстые платиновые покрытия, или более крупные частицы, направленного вверх смещения или gravitaxis может быть придана. 11 Подробная информация о хранении коллоидов Janus после изготовления может также влиять на скорость плавания , наблюдаемые. Высокая поверхностная энергия чистой платиновой поверхности , выходящий из стадии выпаривания подвержен загрязнению поверхности, например , из углеводородов, и , в частности , тиолов. 15
Кроме того, свойства раствора, в котором коллоиды Janus ресуспендировали являются критическими для наблюдения двигательной установки. Низкие концентрации перекиси приведет к замедлению скорости, так как скорость реакции разложения производящего движения уменьшается. 6 Кроме того, низкие концентрации солей приведет к резкому снижению скорости движения. 7
Ключевой особенностью коллоидов, производимых здесь их пеutral плавучести, что делает их пригодными для 3D-слежения. В общем поле плавательных устройств мало обращали внимания на 3D - эффекты, отчасти из - за некоторых ярких примеров того , изготовленные из плотных металлов, заставляя их быстро отстой, 16 , но и из - за трудностей и расходов , связанных с созданием необходимых измерений. Четкие недостатки для некоторых установленных методов 3D отслеживания существуют для этих быстро движущихся коллоиды, например, помощью конфокальной сканирующей лазерной микроскопии может недоставать временное разрешение для записи достаточное количество изображений для разрешения траекторий. В этом контексте, метод, который мы приводим здесь имеет значительное преимущество только требует отдельного кадра, чтобы позволить оценку г-координаты, что, следовательно, обеспечивает высокую частоту кадров. Кроме того, как реконструкция Z-координата зависит только от относительного контраста коллоида несфокусированный в отдельных кадров, а не абсолютной интенсивности флуоресценции, он устойчив к закалке и мигающие эффектыв флуорофора. Эти преимущества возможны за счет уменьшенной глубины поля, над которым реконструкция 3D траектории возможно, и требование хорошо разделенных непересекающиеся коллоидов. Мы надеемся, что описание протокола позволит другие исследовательские группы с интересом к 3D-поведения для своих плавательных устройств для доступа к этой информации и прямолинейно с высокой степенью точности. Совершенно очевидно, что расширение понимания этих устройств к 3D откроет значительный спектр интересных будущих явлений и приложений. Читатели, заинтересованные в более подробной информации о траектории анализа направлены Reference 17, который описывает общие артефакты в прямоточных системах и как обеспечить точную количественную оценку двигательных скоростей.
Авторам нечего раскрывать.
Эта работа была поддержана грантом EPSRC на ускорение карьеры EP/J002402/1.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Испаритель | Moorfield (Великобритания) | Minilab 80 электронно-лучевой испаритель | |
| Микроскоп | Nikon | Eclipse LV100 | |
| Флуоресцентный источник света | Nikon | Nikon B2A фильтрующий куб | |
| Объектив | Nikon | 20X, 0.45 NA | |
| Кювета | Hellma | плавленый кварц, 40 x 10 x 1 мм | |
| Вихревой смеситель | IKA | Лабораторный танцор S2 | |
| Spin Coater Laurell | Technologies Corp. | модель WS-400BZ-6NPP/Lite | |
| Ультразвуковая ванна | Eumax | 2 литра | |
| Салфетка | для линз Ватман | 2105 841 | |
| Перекись водорода | Sigma-Aldrich | 31642-1L | 30% |
| Sigma-Aldrich | 267171 | 0.25 мм, 99.99% | |
| Коллоиды | Thermo Scientific | Fluoro-Max PS микросферы, d = 1.9 | |
| микрон Раствор для обеззараживания стекла | Fisher Scientific | D/0025/15 | Decon 90 |
| Этанол | Fisher Scientific | E/0600DF/17 | Абсолютный этанол |
| DI вода | Elga | Purelab Опция системы фильтрации (15 МВт) | |
| Геллановая камедь | Sigma-Aldrich | P8169-100G | "Phytagel" |