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.
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.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.
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" |