Introduction
Katalytiske svømme enheter er liten skala, frittgående kolloider i stand til selvstendig å generere bevegelse i fluid miljøer. 1,2 Disse enhetene er å tiltrekke betydelig forskningsinteresse som de har potensial til å aktivere spennende nye funksjoner som levering av legemidler, tre lab-on en chip transport 4 og miljøsanering. 5 en mye studert eksempel er katalytisk "Janus" svømmere. 6 Disse partiklene får sitt navn fra å ha to forskjellige sider, eller ansikter (Janus er en to møtte romerske guden). Ene side er katalytisk aktiv, og i stand til å utføre en nedbrytningsreaksjon, mens den andre er inert. I nærvær av egnede oppløste brennstoffmolekylene, danner den resulterende asymmetriske kjemisk reaksjon gradienter i området rundt de kolloider som kan produsere bevegelse via selv diffusiophoresis / elektroforese. 7
Karakteriserer bevegelse for disse raskt bevegelige objekter er cha llenging og mange eksperimentelle observasjoner hittil har vært begrenset til 2D. Men eventuelle programmer er sannsynlig å utnytte katalytisk svømme enheter evne til å bevege seg gjennom bulk løsninger i 3D. 8 For å løse dette, her beskriver vi en protokoll som gjør det mulig nøyaktige 3D baner for svømme enheter som skal bestemmes. Denne metoden er basert på å tolke ringstrukturer produsert av ute av fokus fluorescerende kolloider observert med et fast fokus objektiv, 9 og er lett å påføre med konvensjonelle umodifiserte mikroskoper. Ved å tydelig beskrive denne metoden her, vil andre forskere på dette feltet fordelen ved å være i stand til å få tilgang til slike 3D-informasjon. Dette vil hjelpe fremtidige innsikt i bevegelsesegenskaper for svømme enheter. Bevis på dette potensialet er gitt ved den nylig rapport av svømme anordninger blir ledet av tyngdekraften, 10,11 oppførsel som kan lettest bli visualisert ved anvendelse av 3D-sporing. 11
ove_content "> Dette papiret også klart dokumenterer en metode for å produsere katalytiske Janus partikkel svømme enheter, som vil være til ytterligere fordel å standardmetoder på tvers av eksisterende forskningsgrupper etterforsker disse enhetene, og i tillegg veilede nye forskere interessert i å lage og undersøke svømme enheter.Protocol
FORSIKTIG: Ta kontakt med alle relevante HMS-datablad før bruk. Hydrogenperoksyd anvendes i denne protokollen er skadelig, og utviklingen av oksygengass når de utsettes for platina utgjør en eksplosjonsrisiko. Bruk alle nødvendige sikkerhetskontroller i løpet av denne protokollen inkludert tekniske kontroller mens håndtering peroxide løsninger (avtrekk) og personlig verneutstyr (vernebriller, hansker og frakk).
1. Å gjøre Catalytic Janus Partikler
- Forbered glass slide underlag
- Rengjør en ubrukt standard objektglass ved hjelp av sekvensiell vasking i noen minutter hver i avionisert (DI) vann, glass dekontaminering løsning og DI vann. Vask deretter med en 70:30 v: v blanding av etanol: DI vann, og til slutt føn i en ren luft / nitrogen.
- Undersøke glass-slide under et mikroskop for å kontrollere overflate er ren og fri for tegn på partikkelforurensning. Gjenta trinn 1.1.En om nødvendig.
- Forbered kolloiddispergeringen for deponering
- Pipetter 10 ul vandig lager fluorescerende kolloid-løsning (10 vekt-%.) I 990 ul etanol. Juster volum som nødvendig, avhengig av stamoppløsning konsentrasjonen som blir benyttet for å komme frem til omtrent 0,1 vekt-% kolloidal suspensjon.
- Vortex-blanding i 10 sekunder.
- Spin frakk kolloiddispergeringen på glass lysbilde underlaget
- Utstyre en spin-belegger med rent glass lysbilde. Fyll en pipettespiss med 100 ul av den fortynnede kolloidale oppløsningen fremstilt ovenfor. Programmet spinnbeleggeren for å utføre en 30 sek, 2000 rpm syklus. Begynn spin coater, og når opp til hastighet kontinuerlig pipette den tilberedte oppløsningen på midten av spinning glass lysbilde.
- Fjern glass lysbilde fra spin coater, gå tilbake til optisk mikroskop og bekrefte at en enda spredning av hovedsakelig ikke-rørende separate kolloider dekker den sentrale regionen of glass-slide.
- Vacuum fordampe platina metall på kolloid dekorert glass lysbilde
- Sett kolloid belagte objektglasset i et metall fordamper. Sørg for at kolloid dekorert side er vendt mot fordampning kilde. Installer en platina metall fordampning kilde og deponere 15 nm av platina metall.
Merk: Etter metallavsetning, bør prøvene lagres under en inert atmosfære.
- Sett kolloid belagte objektglasset i et metall fordamper. Sørg for at kolloid dekorert side er vendt mot fordampning kilde. Installer en platina metall fordampning kilde og deponere 15 nm av platina metall.
2. "Svømming" Janus Partikler
- Re-suspendere Janus Colloids inn en peroxide holdig oppløsning
- Skjær en 1 x 1 cm kvadrat av linseklut og dempe slutt med 10 mL av DI vann. Hold med pinsett, og forsiktig gni langs overflaten av platina belagt kolloidet dekorerte glassplate (dette trinnet fysisk fjerner kolloider fra substratet).
- Sette inn linsen vevet inn i 1,5 ml avionisert vann og ristes manuelt kraftig i 30 sekunder i en forseglet tuvære. Fjern linseklut.
- Pipetter 1 ml av kolloid inneholdende løsning inn i en ny beholder, fylt med 1 ml 30% vekt / volum H 2 O 2 stamløsning. Bland forsiktig løsningene, og deretter plassere i et ultralydbad i romtemperatur i 5 min, etterfulgt av en annen 25 min unstirred inkubasjonstid.
ADVARSEL: Denne løsningen kan utvikle seg oksygen; ikke forsegle. - Tørre 100 ul av den gjenværende vandige kolloidale oppløsning bort på en scanning elektronmikroskop (SEM) spire for å muliggjøre SEM verifikasjon av Janus kolloidet struktur. 14
- Forbered analyse kyvette
- Legge til en ytterligere 1 ml DI-vann til den inkuberte oppløsning inneholdende peroksyd og platinabelagt kolloider for å komme frem til et egnet drivstoff styrke (10%) for å muliggjøre rask fremdrift.
Merk: De tidligere rugefasen ble gjennomført i høyere konsentrasjon drivstoff konsentrasjoner for å rengjøre platina katalysator overflaten. - Fyll en low volum rektangulær kvarts glass kyvette med inkuberes løsning. Løst passe en innstikks cap.
ADVARSEL: Eksplosjonsfare - ikke bruk en skrukork.
- Legge til en ytterligere 1 ml DI-vann til den inkuberte oppløsning inneholdende peroksyd og platinabelagt kolloider for å komme frem til et egnet drivstoff styrke (10%) for å muliggjøre rask fremdrift.
3. Mikroskopisk Observasjon
- Finn partikkel av interesse
- Belastning kuvette til et fluorescerende mikroskop utstyrt med et passende objektiv (f.eks 20X) og eksitere fluorofor emisjon ved anvendelse av en egnet kombinasjon av filtre (eksitasjon 450-490 nm, emisjon> 515 nm).
- Manuelt etter fluorescerende kolloider i kyvetten.
Merk: Justere kolloid tetthet under opprettholdelse av peroksyd-konsentrasjonen kan være nødvendig. For eksempel er fortynningen anbefales hvis kolloidet tettheten er høy, og en rekke oksygenbobler som produserer strømmer er tilstede. En kolloid volumkonsentrasjon på 0,003% er en anbefalt utgangspunkt. - Optimal optiske innstillinger for 3D-tracking: under egnede belysningsforhold, jegn fokusere kolloider vil fremstå som skarpe sirkulære stedene. Men som fremdrift beveger kolloider i og ut av fokalplanet en særegen størrelse skiftende lys ring sentrert rundt kula vil bli observert, denne blir brukt til å bestemme den z-koordinaten for å muliggjøre sporing 3D.
- Ta opp video
- Før du starter videoopptak, fokusere mikroskopet slik at partikkel av interesse produserer en konsentrisk ring, med partikkel "under" fokusposisjonen. Ikke flytt fokus plan under videoopptak.
- Spill inn videoer på partikler av interesse. Bruk 30 sek video varighet med bildefrekvenser i overkant av 30 Hz for å tillate detaljert bane gjenoppbygging.
- 3D banen rekonstruksjon
- Kalibrere z-aksen
- Utgjør en 2% vekt. gellangummi oppløsning i vann inneholdende en suspensjon av fluorescerende partikler Janus ved 60 ° C, som legges i en tilsvarende kuvette tilsom ble anvendt ovenfor, og tillater å sette til å danne en stiv gjennomsiktig geldannet prøve inneholdende faste statiske kolloider.
- Fokus på en enkelt fast kolloid å bruke de samme belysningsforhold valgt ovenfor, nå spille inn en serie stillbilder som z-fokus er hevet ved hjelp av kjente forskyvninger i forhold til dette flyet.
- Bestemme radien av ringen ved hver kjent fokusposisjon 11.
Merk: Dette er mest effektivt utført ved hjelp av en bildeanalyse algoritme som kan brukes som en batch prosess for alle kalibreringsstillbilder og videoer. En typisk tilnærming innebærer utjevning bildet, thresholding å identifisere en omtrentlig plassering av objektene senteret, og deretter finne selve x- og y-koordinatene til ringen sentrum ved å måle avstanden mellom intensitet topper hver side av ringen. Den midlere radiale avstand til de intensitetstopper fra ring sentrum kan deretter funnet. 11 På denne måten kan både radien av den lyse ring end xy koordinat skal fastsettes med sub-pixel nøyaktighet. Ved å finne x, y, z-posisjon av et Janus sfære fiksert i gellangummi 30 mikrometer fra fokalplanet, i en tid sekvens av bilder, kan partiklene være plassert med en feil på ± 25 nm langs hver akse. Feilen kan tilskrives støy i bildene. Signal til støyforhold, og derfor, er nøyaktigheten av steds algoritmer avhengig av intensiteten av den detekterte fluorescens lys. Når en Janus sfære er langt fra fokalplanet sin intensitet blir for svak til å nøyaktig spore den, for eksempel, for en 4,8 mikrometer diameter kolloid en z-rekkevidde på ca 200 mikrometer er mulig. Et alternativ som ikke er algoritmisk metode er å bruke enkel manuell måling av x, y sentrum og radius, men dette vil redusere nøyaktigheten. - Plotte en kalibreringskurve å forholde radius til z-posisjon, og passer til en passende funksjon (f.eks kubikk ligningen) for å tillate interpolasjon. 11
<li> Calibrate x, y-aksen - Spill et stillbilde optisk mikroskop bilde av en romlig kalibrering graticule å bruke de samme mikroskop forholdene valgt i 3.2.
- Måle "in pixels" dimensjon av en gjenstand med kjent virkelige verden størrelse fra bildet av den romlige kalibrerings graticule og bruke dette til å etablere en piksler til micron omregningsfaktor for den x, y-bildeplan.
- Kalibrere z-aksen
- rekonstruere bane
- Bestem x og y koordinater og radius for hver ramme av videosekvensen som beskrevet i 3.3.1.3, kan du bruke funksjonen som finnes i 3.3.1.4 for å konvertere radius til z, og kalibreringsfaktoren som finnes i 3.3.2.2 for å konvertere x og y pixel koordinater i mikron. Denne fremgangsmåten vil resultere i en nøyaktig x, y, z-koordinaten for den drivende partikler sted som en funksjon av tid. 11 Denne fremgangsmåten kan implementeres ved hjelp av en algoritme, eller manuelt.
- Bestem avledet pEGENSKAPER som gjennomsnittlig hastighet å kvantifisere omfanget av observerte katalytiske svømming.
Representative Results
Figur 1 viser en typisk fordeling av kolloider på et rent glass lysbilde før du setter platina. Figur 2 viser en typisk back-spredt SEM bilde for en halv platina belagt Janus svømmer, under denne avbildingsmodus platina belagt regionen produserer lys kontrast. Ønsket halvkuleformet platina lag er tydelig. Figur 3 viser utseendet på en typisk fluorescerende Janus svømmer under optimale belysningsforhold faste i gellangummi. Svømmeren vises som en symmetrisk ring funksjon, og det er radien for ringen som kan brukes til å bestemme den z-posisjonen av kolloidet i forhold til fokusposisjonen. Figur 4 viser representative tverrsnitt for den radielle lysstyrke intensitetsfordeling som brukes i kombinasjon med bildeanalysealgoritmer for å nøyaktig lokalisere målet og tilsynelatende radius av kolloidet. Figur 5 g> inneholder en kalibreringskurve oppnådd ved hjelp av en fast kolloidal prøve og et kalibrert mikroskop z-oversettelsestrinnet for å relatere tydelig kolloidal størrelse og avstand fra fokusposisjon. Denne kurve er montert på en kubisk funksjon, som brukes til å konvertere tydelig radius til z-koordinat. Til slutt, Figur 6 viser et typisk x, y, z banen for en fluorescerende Janus partikkel svømmer.
Figur 1. Optisk bilde av 1,9 mikrometer diameter polystyren sfærer. Mikrokuler er spredt på en rengjort glass lysbilde før Platinum deponering. Scale bar representerer 40 mikrometer. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
es / ftp_upload / 54247 / 54247fig2.jpg "/>
Figur 2. SEM backscatter bilde av en 1,9 mikrometer i diameter polystyren sfærer. Mikrokuler vises etter platina deponering. Scale bar representerer to mikrometer. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. Kalibreringsbilder av et 4,8 um diameter på fluorescente polystyren sfære fiksert i gellangummi registrert ved anvendelse av et 20X objektiv (0,4 NA). De avstander under hvert bilde angi avstanden til fokalplanet for objektiv ovenfor kulen. Som bildet defokusert fra 0 mikrometer til 200 mikrometer den i fokus bilde av en lys plate endringer i en lys ring, som er radius avhengig av forstørrelse, det sphere størrelse og dens avstand fra brennplanet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4. X, y, z partikkelsporingsfremgangsmåten. Et sett med selvskrevne algoritmer brukes for å lokalisere den første (x, y) sentrum av den lyse ring ved å ekstrahere en rekke vertikale og horisontale linjer, og å finne middelverdien mid- punktet mellom de lyse topper (a). Radiusen ring beregnes deretter fra toppen intensiteten av en spline montert på gjennomsnittlig piksel grå-verdier som stråler ut fra ringen sentrum (b). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5. Z-koordinat kalibreringsdiagram for Janus kuler som oppnås ved måling av lys ring radius av kuler festet i gellangummi (se figurene 3 og 4). Den kalibreringsdiagrammet brukes av algoritmene for å omdanne den målte ring radiusen til et z- koordinere. klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6. En bane av et typisk fluoriserende Janus sfære badeanordningen. En sekvens av bilder av den bevegelige svømme enheten ble registrert over en periode på 30 sekunder ved en bildefrekvens på 33 Hz. (X, y, z) koordinatene til ble oppnådd ved å lokalisere lys ring sentrum bane (Fifigur 4 (a)) og sammenligne den målte ring radius til kalibreringsdiagram for hvert bilde i sekvensen (Tall 4 (b) og 5). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Discussion
Mange variabler i utarbeidelsen protokollen for platina Janus partikler vil påvirke observerte baner. Parametrene som er beskrevet ved hjelp av 2 mikrometer diameter partikler vil gi fremdriftshastigheter i størrelsesorden 10 um per sekund. Dersom mindre partikler blir brukt, vil hastighetene øker, mens økende partikkelstørrelse vil redusere fremdriftshastigheten. 12 Detaljene ved fordampning protokollen vil også endre baner observert. I denne aktuelle protokoll, blir en sparsom fordeling av kolloider anbefalt, sammen med metall fordampning normal til sleiden orientering. Disse forholdene fører til symmetriske Janus strukturer som vist i figur 2, noe som fører til lineære baner innenfor grensene av brownsk rotasjons diffusjon. 13 Motsatt, hvis tett pakket kolloider er gjenstand for skottet vinkel avsetning, kan deretter symmetrien i Janus hetten brytes å indusere spinne oppførsel. 14 particles produsert her vise forholdsvis isotropisk bevegelse i alle tre dimensjoner; men hvis tykkere platina belegg, eller større partikler blir brukt, kan en oppover skjevhet eller gravitaxis formidles. 11 Detaljer om lagring av Janus kolloider etter fremstilling kan også påvirke svømmehastighet observert. Den høye overflateenergi ren platina overflate som kommer ut fra fordampningstrinn er mottagelig for overflate forurensning for eksempel fra hydrokarboner, og særlig tioler. 15
I tillegg løsningsegenskapene i hvilken Janus kolloidene resuspendert er kritiske for å observere fremdrift. Lave peroksyd konsentrasjoner vil resultere i langsommere hastigheter, som frekvensen av dekomponeringsreaksjonen produsere bevegelse reduseres. 6 I tillegg, lave konsentrasjoner av salter vil resultere i en dramatisk reduksjon i fremdriftshastighet. 7
Et viktig trekk ved de kolloider som produseres her er deres neutral oppdrift, noe som gjør dem egnet for 3D sporing. Generelt innen svømme enheter har betalt lite oppmerksomhet til 3D-effekter, delvis på grunn av noen fremtredende eksempler er laget av tette metaller, slik at de raskt sediment, 16 men også på grunn av vanskeligheter og utgifter forbundet med å gjøre de nødvendige målingene. Klare ulemper for enkelte etablerte 3D-sporing metoder finnes for disse raskt bevegelige kolloider, for eksempel, kan konfokal scanning laser mikros mangler tidsoppløsningen for å spille inn et tilstrekkelig antall bilder for å løse baner. I denne sammenheng er fremgangsmåten presenterer vi her har den betydelige fordelen av bare krever en enkelt ramme for å tillate estimering av z-koordinaten, som dermed gjør det mulig for høy bildefrekvens. Også, som z-koordinat rekonstruksjon bare er avhengig av den relative kontrasten i ut-av-fokus kolloid i enkeltbilder, i stedet for den absolutte fluorescens intensitet, er det ettergivende til bråkjøling og blinkende effekteri fluorophore. Disse fordelene er mulig på bekostning av en redusert dybdeskarphet over hvilket 3D bane rekonstruksjon er mulig, og kravet til godt separerte ikke-overlappende kolloider. Vi håper at beskriver protokollen vil tillate andre forskningsmiljøer med interesse for 3D atferd for sine svømming enheter for å få tilgang til denne informasjonen oversiktlig og med en høy grad av presisjon. Det er klart at utvide forståelsen av disse enheter til 3D vil åpne opp en betydelig rekke interessante fremtidige fenomener og applikasjoner. Lesere som er interessert i ytterligere detaljer av banen analyse er rettet mot Reference 17 som beskriver vanlige gjenstander i trek systemer og hvordan å sikre nøyaktig kvantifisering av fremdriftshastigheter.
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).
