Introduction
Katalytiske svømning enheder er små, løsgående kolloider i stand til selvstændigt at frembringe bevægelse i fluide miljøer. 1,2 Disse enheder er at tiltrække betydelig forskningsinteresse, som de har potentiale til at gøre det muligt for spændende nye funktioner såsom drug delivery, 3 lab-on en chip transport 4 og udbedring af miljøskader. 5 et bredt studeret eksempel er katalytisk "Janus" svømmere. 6 Disse partikler får deres navn fra at have to forskellige sider, eller ansigter (Janus er en to står romerske gud). Den ene side er katalytisk aktivt og i stand til at udføre en nedbrydningsreaktion, mens den anden er inaktiv. I nærværelse af egnede opløste brændstof molekyler, den resulterende asymmetriske kemiske reaktion skaber gradienter omkring kolloider, som kan producere motion via selvbetjening diffusiophoresis / elektroforese. 7
Karakteriserer forslaget til disse hurtigt bevægelige objekter er cha llenging og mange eksperimentelle observationer til dato været begrænset til 2D. Men eventuelle applikationer sandsynligvis udnytte katalytisk svømning enheder evne til at bevæge hele bulkopløsninger i 3D. 8. For at løse dette, her beskriver vi en protokol, der tillader nøjagtige 3D-baner til svømning enheder, der skal bestemmes. Denne metode er baseret på fortolkning af ringstrukturer fremstillet ved ude af fokus fluorescerende kolloider observeret med et fast mål fokus, 9 og er let at anvende ved anvendelse af traditionelle umodificerede mikroskoper. Ved klart at beskrive denne metode her, vil andre forskere på området til gavn ved at kunne få adgang til sådanne 3D information. Dette vil hjælpe fremtidige indsigt i bevægelseskarakteristika til svømning enheder. Bevis for dette potentiale er givet ved den nylige rapport fra svømning udstyr bliver instrueret af tyngdekraften, 10,11 adfærd, som kan lettest visualiseres ved anvendelse af 3D-tracking. 11
ove_content "> Dette papir også tydeligt dokumenterer en metode til at fremstille katalytiske Janus partikel svømning enheder, som vil være til yderligere fordel at standardisere metoder på tværs af de eksisterende forskergrupper undersøger disse enheder, og derudover vejlede nye forskere interesserede i at gøre og efterforske svømning enheder.Protocol
ADVARSEL: Se venligst alle relevante materiale sikkerhedsdatablade før brug. Hydrogenperoxid anvendes i denne protokol er skadelig, og udviklingen af ilt gas, når de udsættes for platin udgør en eksplosionsrisiko. Brug alle passende sikkerhedskontrol under denne protokol, herunder tekniske kontroller, mens håndtering peroxid løsninger (stinkskab) og personlige værnemidler (sikkerhedsbriller, handsker og kittel).
1. Gør Katalytisk Janus Partikler
- Forbered objektglas substrat
- Rens en ubrugt standard mikroskopobjektglas ved anvendelse sekventiel vask i et par minutter hver i deioniseret (DI) vand, glas dekontaminering opløsning og DI vand. Vask så med en 70:30 v: v blanding af ethanol: DI vand, og til sidst føntørre i en ren luft / nitrogenstrøm.
- Undersøg objektglasset under et mikroskop for at kontrollere, at overfladen er ren og fri for tegn på forurening med partikler. Gentag trin 1.1.1, hvis det kræves.
- Forbered kolloid dispersion til deposition
- Afpipetteres 10 pi vandig lager fluorescerende kolloid opløsning (10 vægt%.) I 990 pi ethanol. Juster volumen efter behov afhængig af stamopløsning koncentration anvendt ved ca. 0,1% vægt kolloid suspension.
- Vortex mix for 10 sek.
- Spin coat kolloid dispersion på objektglas substrat
- Udstyre et spin coater med den rene objektglas. Fyld en pipettespids med 100 pi af den fortyndede kolloide opløsning fremstillet ovenfor. Program spin-coater til at udføre en 30 sek, 2.000 rpm cyklus. Start spin-coater, og når op i fart kontinuerligt pipettere den fremstillede opløsning på midten af den roterende objektglasset.
- Fjern objektglas fra spin coater, vende tilbage til den optiske mikroskop og kontrollere, at en jævn spredning af hovedsagelig ikke-rørende separate kolloider dækker den centrale region of objektglasset.
- Vakuum fordampe platin metal på kolloid dekoreret objektglas
- Sæt kolloid coatede objektglas i en metal fordamper. Sørg for kolloid dekoreret side vender fordampningen kilde. Installer en platin metal fordampning kilde og deponere 15 nm af platin metal.
Bemærk: Efter metaludfældning, bør prøverne opbevares under en inert atmosfære.
- Sæt kolloid coatede objektglas i en metal fordamper. Sørg for kolloid dekoreret side vender fordampningen kilde. Installer en platin metal fordampning kilde og deponere 15 nm af platin metal.
2. "Svømning" Janus Partikler
- Re-suspendere Janus Kolloider i en peroxid opløsning
- Skær en 1 x 1 cm kvadrat af linsepapir, og dæmpe enden med 10 pi DI vand. Hold med en pincet, og forsigtigt gnide langs overfladen af platin belagt kolloid dekoreret objektglas (dette trin fysisk fjerner kolloider fra underlaget).
- Sæt linsen væv i 1,5 ml DI vand og manuelt rystes kraftigt i 30 sek i en forseglet tuvære. Fjern linse væv.
- Afpipetteres 1 ml af kolloid opløsning i en ny beholder, fyldt med 1 ml 30% vægt / volumen H 2 O 2 stamopløsning. Bland forsigtigt opløsningerne, og derefter placere i et ultralydsbad ved stuetemperatur i 5 minutter, efterfulgt af en anden 25 min urørte inkubationsperiode.
ADVARSEL: Denne løsning kan udvikle ilt; ikke forsegle. - Tørre 100 pi den resterende vandige kolloide opløsning på et scanningselektronmikroskop (SEM) stub at muliggøre SEM verifikation af Janus kolloid struktur. 14
- Forbered analyse kuvette
- Tilføj yderligere 1 ml DI-vand til den inkuberede opløsning indeholdende peroxid og platin belagt kolloider at nå frem til en egnet brændstof styrke (10%) for at tillade hurtig fremdrift.
Bemærk: De etaper forudgående inkubation blev udført i højere koncentrationer koncentration brændstof at rense platin katalysator overflade. - Fyld en low volumen rektangulære kvartsglas kuvette med den inkuberede opløsning. Løst passer til en push-in hætte.
ADVARSEL: Eksplosionsfare - brug ikke et skruelåg.
- Tilføj yderligere 1 ml DI-vand til den inkuberede opløsning indeholdende peroxid og platin belagt kolloider at nå frem til en egnet brændstof styrke (10%) for at tillade hurtig fremdrift.
3. Mikroskopisk Observation
- Find partikel af interesse
- Load kuvette i et fluorescensmikroskop udstyret med et egnet mål (f.eks 20X) og excitere fluoroforen emission under anvendelse af en egnet kombination af filtre (excitation 450-490 nm, emission> 515 nm).
- Manuelt søge efter fluorescerende kolloider i kuvetten.
Bemærk: Justering kolloid densitet under opretholdelse af peroxid koncentration kan være påkrævet. Eksempelvis anbefales fortynding hvis kolloid er høj, og talrige oxygenbobler producerer strømme er til stede. En koncentration kolloid volumen på omkring 0,003% er en anbefalet udgangspunkt. - Optimer optiske indstillinger for 3D-sporing: under passende belysning betingelser, jegn fokus kolloider vises som skarpe cirkulære objekter. Men som fremdrift bevæger kolloiderne i og ud af fokusplanet en karakteristisk størrelse skiftende lys ring centreret omkring kuglen vil blive observeret, dette anvendes til at bestemme Z-koordinaten for at aktivere 3D tracking.
- Optag video
- Før du starter videooptagelse, fokusere mikroskopet, så partiklen af interesse producerer en koncentrisk ring, med partiklen "under" fokus position. Du må ikke flytte fokus fly under videooptagelse.
- Optag videoer af partikler af interesse. Brug 30 sek video varigheder med frame rates på over 30 Hz for at tillade detaljeret rekonstruktion bane.
- Genopbygning 3D bane
- Kalibrer z-aksen
- Der fyldes op en 2% vægt. gellangummi opløsning i vand indeholdende en suspension af fluorescerende Janus partikler ved 60 ° C, sted i en tilsvarende kuvette tilder blev anvendt ovenfor, og lad det indstillet til at danne en stiv transparent geleret prøve indeholdende faste statiske kolloider.
- Fokus på en enkelt fast kolloid med de samme belysning betingelser valgt ovenfor, nu optage en serie stillbilleder som z-fokus rejst af kendte forskydninger i forhold til dette plan.
- Bestem radius af ringen på hver kendt fokusposition 11.
Bemærk: Dette er mest effektivt udføres ved hjælp af en billedanalyse algoritme, der kan anvendes som en batchproces til alle kalibreringen stillbilleder og videoer. En typisk fremgangsmåde involverer udjævning af billedet, at tærskling identificere en omtrentlige placering af genstandenes center, og derefter placere de faktiske x- og y-koordinaterne for ringen center ved at måle afstanden mellem intensitetstoppe hver side af ringen. Den gennemsnitlige radiale afstand til den intensitetstoppe fra ringen center kan derefter findes. 11 Dette tillader både radius af den lyse ring end xy koordinat, som fastsættes med sub-pixel præcision. Ved at placere x, y, z position for en Janus kugle fast i gellangummi 30 um fra brændplanet, i en tid sekvens af billeder, kan partikler være placeret med en fejlmargin på ± 25 nm langs hver akse. Fejlen kan henføres til støj i billederne. Signalet støjforholdet og derfor nøjagtigheden af placering algoritmer er afhængig af intensiteten af det detekterede fluorescens lys. Når en Janus kugle er langt fra brændplanet dens intensitet bliver for svag til præcist at spore det, fx til et 4,8 um diameter kolloid en z-interval på ca. 200 um er mulig. En alternativ ikke-algoritmiske metode er at bruge simpel manuel måling af x, y center og radius, men dette vil reducere nøjagtighed. - Optegnes en kalibreringskurve at forholde radius til z-position, og passer til en passende funktion (f.eks, kubiske ligning) for at tillade interpolation. 11
<li> Kalibrer x, y-aksen - Optag en stillbillede optisk mikroskop billede af en rumlig kalibrering stregglas med de samme mikroskop betingelser valgt i 3.2.
- Mål "i pixels" dimension af et objekt med kendt virkelige verden størrelse fra billedet af den rumlige kalibrering stregglasset og bruge dette til at etablere en pixel til micron omregningsfaktor for x, y billedplan.
- Kalibrer z-aksen
- rekonstruere bane
- Bestemme x og y-koordinater og radius for hver ramme af videoen sekvens som beskrevet i 3.3.1.3, anvende funktionen findes i 3.3.1.4 at konvertere radius til z, og kalibreringsfaktoren fundet i 3.3.2.2 at konvertere x og y pixel koordinater til mikron. Denne procedure vil resultere i en nøjagtig x, y, z koordinat for den fremaddrivende partikler placering som funktion af tiden. 11 Denne procedure kan gennemføres ved anvendelse af en algoritme, eller manuelt.
- Bestem den afledte properties såsom gennemsnitlig hastighed at kvantificere omfanget af observerede katalytisk svømning.
Representative Results
Figur 1 viser en typisk dispersion af kolloider på et rent objektglas før deponering platin. Figur 2 viser en typisk tilbagekastet SEM-billede for en halv platin belagt Janus svømmer, i henhold til denne billedbehandlingstype platin belagt Regionen producerer lyse kontrast. Den ønskede halvkugleformet platin lag fremgår. Figur 3 viser den udseende af en typisk fluorescerende Janus svømmer under optimale belysning betingelser fastsat i gellangummi. Svømmeren vises som en symmetrisk ringefunktion, og det er radius af den ring, der kan anvendes til at bestemme Z-stillingen af kolloid forhold til fokuspositionen. Figur 4 viser repræsentative tværsnit for den radiale lysstyrkeintensitet fordeling, anvendes i kombination med billedet algoritmer til nøjagtigt at lokalisere centrum og tilsyneladende radius af kolloid. Figur 5 g> indeholder en kalibreringskurve opnået ved hjælp af en fast kolloid prøve og en kalibreret mikroskop z-translation scenen for at relatere tilsyneladende kolloid størrelse og afstand fra fokus position. Denne kurve er monteret på en kubisk funktion, som anvendes til at konvertere tilsyneladende radius i z-koordinat. Endelig Figur 6 viser et typisk x, y, z forløb for en fluorescerende Janus partikel svømmer.
Figur 1. Optisk billede på 1,9 um diameter polystyrenmikrosfærer. Mikrosfærer dispergeres på en rengjort objektglas før Platinum deposition. Scale søjle repræsenterer 40 um. Klik her for at se en større version af dette tal.
es / ftp_upload / 54.247 / 54247fig2.jpg "/>
Figur 2. SEM tilbagekastning billede af en 1,9 um diameter polystyrenmikrosfærer. Mikrosfærer er vist efter platin deposition. Scale søjle repræsenterer 2 um. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. Kalibrering billeder af en 4,8 um diameter fluorescerende polystyren kugle fastsat i gellangummi optaget med en 20X objektiv (0,4 NA). Afstandene under hvert billede angiver afstanden af brændplanet af målet over kuglen. Som billedet defocused fra 0 um til 200 um den i fokus billede af en lyse disc skifter til en lys ring, hvis radius er afhængig af forstørrelse, den Spheree størrelse og dens afstand fra fokusplanet. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4. X, Y, Z partikel sporing procedure. Et sæt af selvstændige skriftlige algoritmer anvendes til først lokalisere (x, y) midten af lyse ring ved ekstraktion en række lodrette og vandrette linjer og finde middelværdien midten punkt mellem de lyse toppe (a). Radius ring beregnes derefter fra toppen intensiteten af en spline monteret på gennemsnitlige pixel grå-værdier udstrålende ud fra ringen centrum (b). Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5. Z-koordinat kalibreringsdiagrammet for Janus opnåede kugler ved at måle den lyse ring radius af kugler fastsat i gellangummi (se figur 3 og 4). Den kalibreringsdiagrammet bruges af vores algoritmer til at konvertere den målte ring radius til en Z- koordinere. klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6. En bane af en typisk fluorescerende Janus sfære svømning enhed. En sekvens af billeder af den bevægelige svømning indretning blev optaget over en periode på 30 sekunder ved en billedfrekvens på 33 Hz. (X, y, z) koordinater af banen blev opnået ved at placere den lyse ring center (Figur 4 (a)), og sammenligne den målte ring radius til kalibreringen diagram for hvert billede i sekvensen (figur 4 (b) og 5). Klik her for at se en større version af dette tal.
Discussion
Mange variabler i forberedelsen protokol for platin Janus partikler vil påvirke de observerede baner. Parametrene som beskrevet under anvendelse af 2 um diameter partikler vil give fremdriftssystemer hastigheder i størrelsesordenen 10 um pr sekund. Hvis der anvendes mindre partikler, vil hastigheder øges, og samtidig øge partikelstørrelsen vil falde fremdrift hastighed. 12 Detaljerne ved fordampning protokol vil også ændre baner observeret. I denne nuværende protokol, anbefales en sparsom fordeling af kolloider, sammen med metal fordampning vinkelret på dias orientering. Disse betingelser resulterer i symmetriske Janus strukturer som vist i figur 2, som fører til lineære baner inden for rammerne af Brownsk roterende diffusion. 13 Omvendt, hvis stramt pakket kolloider er underlagt glancing vinkel deposition, kan så symmetrien af Janus hætten brydes , for at fremkalde spinning adfærd. 14 partikel produceret her vise relativt isotrope bevægelse i alle tre dimensioner; Men hvis der anvendes tykkere platin belægninger, eller større partikler, kan en opadgående skævhed eller gravitaxis bibringes. 11 Nærmere oplysninger om opbevaring af Janus kolloider efter fremstillingen, kan også påvirke svømning hastigheder observeret. Den høj overfladeenergi ren platin overflade kommer ud fra fordampning fase er modtagelige for overfladeforurening fra f.eks kulbrinter, særlig thioler. 15
Derudover opløsningsegenskaber hvor Janus kolloider resuspenderes er kritiske for at observere fremdrift. Koncentrationer Lav peroxid vil resultere i langsommere hastigheder, som satsen for nedbrydning reaktion producerer bevægelse reducerer. 6 Desuden lave koncentrationer af salte vil resultere i en dramatisk reduktion i fremdrift hastigheden. 7
Et centralt element i kolloiderne produceret her er deres neutral opdrift, hvilket gør dem egnede til 3D tracking. Generelt inden for svømning enheder har lagt megen vægt på 3D-effekter, dels på grund af nogle fremtrædende eksempler, der gøres fra tætte metaller, der forårsager dem til hurtigt at sediment, 16, men også på grund af de vanskeligheder og omkostninger forbundet med at foretage de nødvendige målinger. Klare ulemper for nogle etablerede 3D sporingsmetoder findes for disse hurtigt bevægelige kolloider, for eksempel, kan konfokal scanning laser mikroskopi mangler den tidsmæssige opløsning for at optage tilstrækkeligt antal billeder at løse baner. I denne sammenhæng er fremgangsmåden præsenterer vi her har den betydelige fordel, kun at kræve en enkelt ramme at tillade estimering af z-koordinat, som derfor tillader høje frame rates. Også, som z-koordinat genopbygning kun er afhængig af den relative kontrast af ude-af-fokus kolloid i enkelte rammer, snarere end den absolutte fluorescensintensitet, er det fjedrende at bratkøling og blinkende effekteri fluorofor. Disse fordele er mulige på bekostning af en reduceret dybdeskarphed hvorover 3D bane rekonstruktion er mulig, og kravet om godt adskilte ikke-overlappende kolloider. Vi håber, at beskrive protokollen vil tillade andre forskergrupper med interesse i 3D adfærd for deres svømning enheder at få adgang til denne information ligefremt og med en høj grad af præcision. Det er klart, at udvide forståelsen af disse enheder til 3D åbner en betydelig række interessante fremtidige fænomener og applikationer. Læsere, der er interesserede i yderligere detaljer om bane analyse er rettet mod reference 17, som beskriver fælles artefakter i fremaddrivende systemer og hvordan man sikrer nøjagtig kvantificering af fremdrift hastigheder.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Evaporator | Moorfield (UK) | Minilab 80 e-beam evaporator | |
| Microscope | Nikon | Eclipse LV100 | |
| Fluorescence light source | Nikon | Nikon B2A filter cube | |
| Objective | Nikon | 20X, 0.45 NA | |
| Cuvette | Hellma | fused quartz, 40 x 10 x 1 mm | |
| Vortex mixer | IKA | Lab Dancer S2 | |
| Spin coater | Laurell Technologies Corp. | Model WS-400BZ-6NPP/Lite | |
| Ultrasonic bath | Eumax | 2 liter | |
| Lens tissue | Whatman | 2105 841 | |
| Hydrogen Peroxide | Sigma-Aldrich | 31642-1L | 30 wt% |
| Platinum | Sigma-Aldrich | 267171 | 0.25 mm, 99.99% |
| Colloids | Thermo Scientific | Fluoro-Max PS microspheres, d = 1.9 microns | |
| Glass decontamination solution | Fisher Scientific | D/0025/15 | Decon 90 |
| Ethanol | Fisher Scientific | E/0600DF/17 | Absolute Ethanol |
| DI water | Elga | Purelab Option filtration system (15 MW) | |
| Gellan gum | Sigma-Aldrich | P8169-100G | "Phytagel" |
References
- Ebbens, S. J., Howse, J. R. In pursuit of propulsion at the nanoscale. Soft Matter. 6 (4), 726 (2010).
- Wang, W., Duan, W., Ahmed, S., Mallouk, T. E., Sen, A. Small power : Autonomous nano- and micromotors propelled by self-generated gradients. Nano Today. 8 (5), 531-554 (2013).
- Gao, W., Dong, R., et al. Artificial Micromotors in the Mouse's Stomach : A Step toward in Vivo Use of Synthetic Motors. ACS nano. 9 (1), 117-123 (2015).
- Restrepo-Pérez, L., Soler, L., Martìnez-Cisneros, C., Sánchez, S., Schmidt, O. G. Biofunctionalized self-propelled micromotors as an alternative on-chip concentrating system. Lab Chip. 14 (16), 2914-2917 (2014).
- Soler, L., Sánchez, S. Catalytic nanomotors for environmental monitoring and water remediation. Nanoscale. 6 (13), 7175-7182 (2014).
- Howse, J., Jones, R., Ryan, A., Gough, T., Vafabakhsh, R., Golestanian, R. Self-Motile Colloidal Particles: From Directed Propulsion to Random Walk. Phys. Rev. Letts. 99 (4), 8-11 (2007).
- Ebbens, S., Gregory, D. A., et al. Electrokinetic effects in catalytic platinum-insulator Janus swimmers. EPL. 106 (5), 58003 (2014).
- Orozco, J., Jurado-Sánchez, B., et al. Bubble-propelled micromotors for enhanced transport of passive tracers. Langmuir. 30 (18), 5082-5087 (2014).
- Peterson, S. D., Chuang, H. -S., Wereley, S. T. Three-dimensional particle tracking using micro-particle image velocimetry hardware. Meas. Sci. and Technol. 19 (11), 115406 (2008).
- Ten Hagen, B., Kümmel, F., Wittkowski, R., Takagi, D., Löwen, H., Bechinger, C. Gravitaxis of asymmetric self-propelled colloidal particles. Nat. Commun. 5, 4829 (2014).
- Campbell, A. I., Ebbens, S. J. Gravitaxis in spherical janus swimming devices. Langmuir. 29 (46), 14066-14073 (2013).
- Ebbens, S., Tu, M. -H., Howse, J. R., Golestanian, R. Size dependence of the propulsion velocity for catalytic Janus-sphere swimmers. Physical Review. E Stat. Nonlin. Soft Matter Phys. 85, Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22463141 020401 (2012).
- Ebbens, S. J., Howse, J. R. Direct observation of the direction of motion for spherical catalytic swimmers. Langmuir. 27 (20), 12293-12296 (2011).
- Archer, R. J., Campbell, aI., Ebbens, S. J. Glancing angle metal evaporation synthesis of catalytic swimming Janus colloids with well defined angular velocity. Soft Matter. 11, 6872-6880 (2015).
- Zhao, G., Sanchez, S., Schmidt, O. G., Pumera, M. Poisoning of bubble propelled catalytic micromotors: the chemical environment matters. Nanoscale. 5 (7), 2909-2914 (2013).
- Wang, Y., Hernandez, R. M., et al. Bipolar electrochemical mechanism for the propulsion of catalytic nanomotors in hydrogen peroxide solutions. Langmuir. 22 (25), 10451-10456 (2006).
- Dunderdale, G., Ebbens, S., Fairclough, P., Howse, J. Importance of particle tracking and calculating the mean-squared displacement in distinguishing nanopropulsion from other processes. Langmuir. 28 (30), 10997-11006 (2012).
