A method to prepare catalytically active Janus colloids that can “swim” in fluids and determine their 3D trajectories is presented.
We report a method to prepare catalytically active Janus colloids that “swim” in fluids and describe how to determine their 3D motion using fluorescence microscopy. One commonly deployed method for catalytically active colloids to produce enhanced motion is via an asymmetrical distribution of catalyst. Here this is achieved by spin coating a dispersed layer of fluorescent polymeric colloids onto a flat planar substrate, and then using directional platinum vapor deposition to half coat the exposed colloid surface, making a two faced “Janus” structure. The Janus colloids are then re-suspended from the planar substrate into an aqueous solution containing hydrogen peroxide. Hydrogen peroxide serves as a fuel for the platinum catalyst, which is decomposed into water and oxygen, but only on one side of the colloid. The asymmetry results in gradients that produce enhanced motion, or “swimming”. A fluorescence microscope, together with a video camera is used to record the motion of individual colloids. The center of the fluorescent emission is found using image analysis to provide an x and y coordinate for each frame of the video. While keeping the microscope focal position fixed, the fluorescence emission from the colloid produces a characteristic concentric ring pattern which is subject to image analysis to determine the particles relative z position. In this way 3D trajectories for the swimming colloid are obtained, allowing swimming velocity to be accurately measured, and physical phenomena such as gravitaxis, which may bias the colloids motion to be detected.
催化游泳设备是小规模,能够在流体环境下自主生成运动不受限制胶体1,2这些设备正在吸引显著的研究兴趣,因为他们必须启用激动人心的新功能,如药物输送,3实验室芯片上的运输潜力4和环境整治。5一个被广泛研究的例子是催化“剑锋”游泳者。6这些粒子由两种不同的两侧,或面(剑锋是一个两面对罗马神)得到他们的名字。一面是催化活性的,并且能够进行分解反应,而另一种是惰性的。在合适的溶解燃料分子的存在,所产生的不对称化学反应产生在其周围可以产生经由自diffusiophoresis /电泳运动的胶体梯度。7
表征为这些快速移动的物体的运动是茶 llenging和许多实验观察到迄今被限制在二维。然而,最终的应用很可能利用催化游泳设备在整个大宗解决方案在3D能力。8要解决这个问题,在这里我们描述了一个协议,允许被确定游泳设备精确的三维轨迹。此方法是基于解释由出具有固定焦点物镜,9观察焦点荧光胶体制备的环结构,并且易于使用常规未修改显微镜适用。这里所描述清楚这种方法,在这一领域的其他研究人员将能够访问这些3D信息中获益。这将有助于未来的见解运动特性游泳设备。这种潜在的证据是由最近的游泳设备报告给被定向在重力作用下,10,11行为,可以非常容易地通过3D追踪的应用可视化。11
ove_content“>本文还清楚地记录了制造催化剑锋颗粒游泳设备,这将是进一步受益规范跨越现有的研究小组调查这些设备的方法,并且还引导热衷于制造和调查游泳设备的新的研究方法。在铂Janus粒子制备协议的许多因素会影响观测到的轨迹。由于使用2微米的直径的颗粒会给推进速度在每秒10微米量级描述的参数。如果使用更小的颗粒,速度会增加,同时增加粒度会降低推进速度。12蒸发协议的细节也将改变所观察到的轨迹。在当前的协议,推荐胶体的稀疏分布,以金属蒸镀垂直于滑动方向在一起。这些条件导致如在图2中,这导致布朗旋转扩散的限制范围内的线性轨迹中所示的对称的Janus结构。13相反,如果紧填充胶体受到掠射角沉积,则实现Janus帽的对称性可破,诱使旋转行为。14霸这里出产的rticles显示在所有三个维度相对各向同性的议案;然而,如果使用更厚的铂涂层,或更大的颗粒中,向上偏压或gravitaxis可以赋予。制造后的Janus胶体的存储的11详细还可以影响所观察到的游泳速度。高表面能清洁铂表面从蒸发阶段新兴易受表面污染从例如烃,特别是硫醇。15
此外,该溶液的性质,其中的Janus胶体再悬浮是用于观察推进的关键。低过氧化物浓度将导致较慢的速度,作为分解反应产生的运动的速率减少。6此外,低浓度的盐会造成在推进速度的显着降低的。7
这里生产的胶体的一个主要特点是他们的NEutral浮力,这使得它们适合3D跟踪。一般游泳装置的领域已很少关注3D效果,部分原因是由于从致密金属正在作出一些突出的例子,使它们迅速沉淀,16而且还由于与使所需的测量有关的困难和费用。对于一些建立三维跟踪方法明显的缺点,这些快速移动胶体存在,例如,共焦激光扫描显微镜可缺少的时间分辨率来记录足够数量的图像来解决轨迹。在这种情况下,我们在这里提出的方法具有只需要一个单一的框架,以允许z坐标的估计,这因此允许高帧速率的显著优势。另外,作为Z坐标的重建仅仅依赖于外的焦点的胶体在单个帧的相对对比度,而不是绝对的荧光强度,它是弹性的淬火和闪烁的效果在荧光团。这些优点是有可能在场的减少的深度在其上的3D轨迹重建是可能的费用,以及用于很好地分离非重叠胶体的要求。我们希望,描述协议将允许在3D行为的其他感兴趣的研究组供游泳设备直截了当和具有高度的精度访问此信息。很显然,扩展这些设备3D的理解将开辟性的未来的现象和应用显著范围。感兴趣的轨迹分析的进一步细节读者引向参考17,描述了在推进系统,以及如何确保推进速度的精确量化的公共构件。
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by EPSRC Career Acceleration grant EP/J002402/1.
Evaporator | Moorfield (UK) | Minilab 80 e-beam evaporator | |
Microscope | Nikon | Eclipse LV100 | |
Fluorescence light source | Nikon | Nikon B2A filter cube | |
Objective | Nikon | x20, 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 litre | |
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" |