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.
उत्प्रेरक तैराकी उपकरणों के छोटे पैमाने पर, untethered स्वायत्त fluidic वातावरण में गति पैदा करने में सक्षम कोलाइड हैं। 1,2 इन उपकरणों महत्वपूर्ण अनुसंधान ब्याज आकर्षित कर रहे हैं के रूप में वे इस तरह के दवा वितरण, 3 एक चिप परिवहन प्रयोगशाला के रूप में रोमांचक नए कार्यों को सक्षम करने की क्षमता है 4 और पर्यावरण remediation। 5 एक व्यापक रूप से अध्ययन उदाहरण उत्प्रेरक "जानूस" तैराक हैं। 6 इन कणों को दो अलग-अलग पक्षों, या चेहरे वाले (जानूस एक दो का सामना करना पड़ा रोमन देवता है) से अपने नाम मिलता है। जबकि अन्य निष्क्रिय है एक तरफ, catalytically सक्रिय है और एक अपघटन प्रतिक्रिया करने में सक्षम है। उपयुक्त भंग ईंधन के अणुओं की उपस्थिति में, जिसके परिणामस्वरूप विषम रासायनिक प्रतिक्रिया कोलाइड जो स्वयं diffusiophoresis / वैद्युतकणसंचलन के माध्यम से गति उत्पन्न कर सकते हैं चारों ओर ढ़ाल बनाता है। 7
इन तेजी से बढ़ वस्तुओं के लिए प्रस्ताव निस्र्पक चा है llenging और तिथि करने के लिए कई प्रयोगात्मक टिप्पणियों 2 डी तक ही सीमित कर दिया गया है। हालांकि, अंतिम अनुप्रयोगों उत्प्रेरक तैराकी उपकरणों 3 डी में थोक समाधान भर में स्थानांतरित करने की क्षमता का दोहन करने की संभावना है। 8 यह पता करने के लिए, यहाँ हम एक प्रोटोकॉल है कि सटीक 3D प्रक्षेप पथ के लिए तैराकी उपकरणों निर्धारित किया जा करने की अनुमति देता है का वर्णन है। इस विधि फोकस फ्लोरोसेंट एक तय ध्यान उद्देश्य, 9 के साथ मनाया कोलाइड से बाहर द्वारा उत्पादित अंगूठी संरचनाओं की व्याख्या पर आधारित है और पारंपरिक असंशोधित माइक्रोस्कोप का उपयोग कर लागू करने के लिए आसान है। स्पष्ट रूप से यहाँ इस विधि का वर्णन करके, इस क्षेत्र में अन्य शोधकर्ताओं ऐसी 3 डी जानकारी का उपयोग करने में सक्षम होने से लाभ होगा। यह तैराकी उपकरणों के लिए गति विशेषताओं में भविष्य अंतर्दृष्टि सहायता करेगा। इस क्षमता के साक्ष्य, तैराकी उपकरणों की हाल की रिपोर्ट के द्वारा दिया जाता है गुरुत्वाकर्षण द्वारा निर्देशित की जा रही 10,11 व्यवहार जो सबसे आसानी से 3 डी ट्रैकिंग के आवेदन के माध्यम से देखे जा सकते हैं। 11
ove_content "> इस पत्र में भी स्पष्ट रूप से उत्प्रेरक जानूस कण तैराकी उपकरणों, जो इन उपकरणों की जांच कर रही मौजूदा अनुसंधान समूहों में तरीकों का मानकीकरण, और इसके अलावा नए बनाने और तैराकी उपकरणों की जांच में रुचि शोधकर्ताओं का मार्गदर्शन करने के लिए आगे लाभ होगा निर्माण करने के लिए एक विधि दस्तावेजों।प्लैटिनम जानूस कणों के लिए तैयारी प्रोटोकॉल में कई चर मनाया प्रक्षेप पथ को प्रभावित करेगा। मापदंडों के रूप में 2 मीटर व्यास कणों का उपयोग प्रति सेकंड 10 माइक्रोन के क्रम में प्रणोदन वेग दे देंगे का वर्णन किया। छोटे कणों में इस्तेमाल कर रहे हैं, वेग, जबकि बढ़ाने के कण आकार में वृद्धि प्रणोदन वेग कम हो जाएगा होगा। 12 वाष्पीकरण प्रोटोकॉल का ब्यौरा भी प्रक्षेप पथ मनाया बदल जाएगा। इस मौजूदा प्रोटोकॉल में, कोलाइड की एक विरल वितरण की सिफारिश की है, एक साथ धातु वाष्पीकरण स्लाइड की ओर रुख करने के लिए सामान्य है। इन शर्तों, सममित जानूस संरचनाओं के रूप में चित्रा 2, जो ब्राउनियन घूर्णी प्रसार की सीमाओं के भीतर रैखिक प्रक्षेप पथ के लिए नेतृत्व में दिखाया गया में परिणाम। 13 विपरीत यदि तंग पैक कोलाइड कोण बयान glancing के अधीन हैं, तो जानूस टोपी की समरूपता तोड़ा जा सकता है , व्यवहार कताई प्रेरित करने के लिए। 14 पीएयहाँ का उत्पादन rticles सभी तीन आयामों में अपेक्षाकृत isotropic गति प्रदर्शित; मोटा प्लैटिनम कोटिंग्स, या बड़े कणों का इस्तेमाल किया जाता है लेकिन अगर, एक ऊपर की तरफ पूर्वाग्रह या gravitaxis प्रदान किया जा सकता है। निर्माण के बाद जानूस कोलाइड के भंडारण की 11 विवरण भी मनाया तैराकी गति प्रभाव हो सकता है। उच्च सतह ऊर्जा स्वच्छ प्लैटिनम सतह वाष्पीकरण मंच से उभरते हाइड्रोकार्बन से उदाहरण के लिए संदूषण सतह के लिए अतिसंवेदनशील है, और विशेष रूप से thiols में। 15
इसके अलावा, समाधान गुण जिसमें जानूस कोलाइड फिर से निलंबित प्रणोदन के अवलोकन के लिए महत्वपूर्ण हैं। कम पेरोक्साइड सांद्रता धीमी वेग में परिणाम होगा, के रूप में अपघटन प्रतिक्रिया उत्पादन गति की दर कम कर देता है। 6 इसके अलावा, लवण प्रणोदन वेग में एक नाटकीय कमी में परिणाम होगा की कम मात्रा। 7
यहाँ का उत्पादन कोलाइड की एक प्रमुख विशेषता उनकी ne हैutral उछाल है, जो उन्हें 3 डी ट्रैकिंग के लिए उपयुक्त बनाता है। सामान्य में तैराकी उपकरणों के क्षेत्र थोड़ा ध्यान 3 डी प्रभाव के लिए, आंशिक रूप से कुछ प्रमुख उदाहरण घने धातुओं से बने होने के कारण भुगतान किया गया है जिससे उन्हें तेजी से तलछट, 16 लेकिन यह भी कठिनाइयों और आवश्यक मापन बनाने के साथ जुड़े खर्च के कारण है। कुछ की स्थापना की 3 डी ट्रैकिंग तरीकों के लिए स्पष्ट कमियां इन तेजी से आगे बढ़ कोलाइड के लिए मौजूद हैं, उदाहरण के लिए, confocal माइक्रोस्कोपी स्कैनिंग लेजर प्रक्षेप पथ को हल करने के लिए छवियों के लिए पर्याप्त संख्या रिकॉर्ड करने के लिए अस्थायी समाधान की कमी कर सकते हैं। इस संदर्भ में, विधि हम यहाँ पेश केवल जेड समन्वय के आकलन, जिसके फलस्वरूप उच्च फ्रेम दर की अनुमति देता है की अनुमति के लिए एक भी फ्रेम की आवश्यकता के महत्वपूर्ण लाभ है। इसके अलावा, के रूप में जेड समन्वय के पुनर्निर्माण केवल एकल फ्रेम में बाहर का ध्यान केंद्रित कोलाइड के रिश्तेदार विपरीत पर निर्भर करता है, बल्कि पूर्ण प्रतिदीप्ति तीव्रता से, यह लचीला शमन और निमिष प्रभाव हैfluorophore में। ये लाभ क्षेत्र के एक कम गहराई जिस पर 3 डी प्रक्षेपवक्र पुनर्निर्माण संभव है की कीमत है, और अच्छी तरह से अलग गैर अतिव्यापी कोलाइड के लिए आवश्यकता पर संभव है। हमें उम्मीद है कि प्रोटोकॉल का वर्णन उनके तैराकी उपकरणों सीधी और परिशुद्धता के एक उच्च डिग्री के साथ इस जानकारी का उपयोग करने के लिए 3 डी व्यवहार में रुचि के साथ अन्य अनुसंधान समूहों की अनुमति देगा। यह स्पष्ट है कि 3 डी के लिए इन उपकरणों की समझ का विस्तार दिलचस्प भविष्य घटनाएं और आवेदनों की एक महत्वपूर्ण श्रृंखला खुल जाएगा। प्रक्षेपवक्र विश्लेषण के बारे में विस्तार में दिलचस्पी पाठकों संदर्भ 17 जो आगे बढ़नेवाला प्रणालियों और कैसे प्रणोदन वेग की सही मात्रा का ठहराव सुनिश्चित करने के लिए आम कलाकृतियों का वर्णन करने की दिशा में निर्देशित कर रहे हैं।
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" |