Introduction
Katalytiska simning enheter är i liten skala, untethered kolloider kan autonomt generera rörelse i fluid miljöer. 1,2 Dessa enheter är att locka betydande forskningsintresse, eftersom de har potential att möjliggöra nya spännande funktioner såsom drug delivery, 3 labb på ett chip transport 4 och miljöåterställning. 5 ett allmänt studerade exemplet är katalytisk "Janus" simmare. 6 Dessa partiklar får sitt namn från att ha två olika sidor, eller ansikten (Janus är en två inför romerska guden). Ena sidan är katalytiskt aktivt och i stånd att utföra en sönderdelningsreaktion, medan den andra är inerta. I närvaro av lämpliga lösta bränslemolekylerna, skapar den resulterande asymmetriska kemiska reaktionen gradienter runt kolloiderna som kan producera rörelse via själv diffusiophoresis / elektrofores. 7
Karaktäriserar rörelsen för dessa snabbt rörliga objekt är cha llenging och många experimentella observationer hittills har begränsats till 2D. Men eventuella tillämpningar kommer sannolikt att utnyttja katalytisk simning enheter förmåga att röra sig genom hela bulklösningar i 3D. 8 För att lösa detta, här beskriver vi ett protokoll som gör noggranna 3D banor för simning enheter som skall fastställas. Denna metod bygger på att tolka ringstrukturer som produceras av oskarpa fluorescerande kolloider observerats med en fast fokus objektiv, 9 och är lätt att applicera med hjälp av konventionella omodifierade mikroskop. Genom att tydligt beskriva denna metod här, kommer andra forskare inom detta område gynnas genom att kunna få tillgång till sådan 3D-information. Detta kommer att hjälpa framtida insikter i rörelse egenskaper för simning enheter. Bevis på denna potential ges av färsk rapport av bassanordningar riktas genom gravitation, 10,11 beteende som kan lättast åskådliggöras genom tillämpning av 3D-spårning. 11
ove_content "> Detta dokument också tydligt dokumenterar en metod för att tillverka katalytiska Janus partikel simning enheter, som kommer att vara av ytterligare fördel att standardisera metoder över befintliga forskargrupper undersöker dessa enheter, och dessutom styra nya forskare som är intresserade av att göra och undersöka simning enheter.Protocol
VARNING: Kontakta alla relevanta säkerhetsdatablad före användning. Väteperoxid används i detta protokoll är skadligt, och utvecklingen av syrgas när de utsätts för platina utgör en explosionsrisk. Använd alla lämpliga säkerhetskontroller under detta protokoll, inklusive tekniska kontroller vid hantering peroxidlösningar (rök huva) och personlig skyddsutrustning (skyddsglasögon, handskar och skyddsrock).
1. Göra Katalytisk Janus partiklar
- Förbered glasskiva substrat
- Rengör en oanvänd standard objektglas med hjälp av sekventiell tvättning under några minuter vardera i avjoniserat (DI) vatten, glas sanering lösning och avjoniserat vatten. Tvätta sedan med en 70:30 volym: volym blandning av etanol: DI vatten, och slutligen föna i en ren luft / kväveström.
- Undersöka objektglaset under ett mikroskop för att kontrollera att ytan är ren och fri från tecken på partikelföroreningar. Upprepa steg 1,1.1 om så erfordras.
- Förbered kolloidal dispersion för deponering
- Pipettera 10 pl vattenhaltig lager fluorescerande kolloid lösning (10 vikt-%.) I 990 | il etanol. Justera volymer efter behov beroende på stamlösning koncentration som används för att komma fram till ungefär 0,1 vikt% kolloidal suspension.
- Vortex mix för 10 sek.
- Spin päls kolloidal dispersion på glasskiva substrat
- Utrusta en spinnbeläggare med rent objektglas. Fyll en pipettspets med 100 pl av den utspädda kolloidala lösningen som framställts ovan. Program spinnbeläggare att utföra en 30 sekunder, 2000 rpm cykel. Starta spinnbeläggare, och när upp till hastigheten kontinuerligt pipettera den beredda lösningen på mitten av den snurrande glasskivan.
- Avlägsna glasskiva från spinnbeläggnings, tillbaka till optiskt mikroskop och kontrollera att en jämn fördelning av i huvudsak icke-berörande separata kolloider täcker den centrala regionen of glasskiva.
- Vakuum avdunstar platinametall på kolloid dekorerad glasskiva
- Sätt kolloiden belagd glasskiva i en metall förångare. Se till att kolloid dekorerade sidan är vänd mot avdunstningskällan. Installera en platinametall avdunstning källa och deponera 15 nm av platinametall.
Notera: Efter metallbeläggning, bör proverna förvaras under en inert atmosfär.
- Sätt kolloiden belagd glasskiva i en metall förångare. Se till att kolloid dekorerade sidan är vänd mot avdunstningskällan. Installera en platinametall avdunstning källa och deponera 15 nm av platinametall.
2. "Swimming" Janus partiklar
- Återsuspendera Janus kolloider i en peroxid innehållande lösning
- Klipp en 1 x 1 cm kvadrat av linsvävnad och dämpa änden med 10 | il av DI-vatten. Håll med pincett och försiktigt gnugga längs ytan av platinabelagda kolloid dekorerad glasskiva (detta steg avlägsnar fysiskt kolloider från underlaget).
- Sätt linsvävnaden i 1,5 ml avjoniserat vatten och manuellt skaka kraftigt under 30 sekunder i en förseglad tubefinna sig. Ta bort linsvävnad.
- Pipettera 1 ml av kolloid innehållande lösningen i en ny behållare, fylld med 1 ml 30% vikt / volym H2O 2 förrådslösning. Blanda försiktigt lösningarna, och sedan placera i ett ultraljudsbad vid rumstemperatur under 5 min, följt av ytterligare 25 min orörd inkubationstid.
VARNING: Denna lösning kan utvecklas syre; inte täta. - Torra 100 pl av den återstående vattenhaltiga kolloidala lösningen på en svepelektronmikroskop (SEM) stub att möjliggöra SEM verifiering av Janus kolloid struktur. 14
- Förbereda analys kyvett
- Tillsätt ytterligare 1 ml DI vatten till den inkuberade lösning innehållande peroxid och platinabelagda kolloider att komma fram till en lämplig bränsle styrka (10%) för att möjliggöra snabb framdrivning.
Notera: De tidigare stadierna inkubationstid utfördes i högre koncentration bränslekoncentrationer för att rengöra platinakatalysatorytan. - Fylla en low volym rektangulära kvartsglas kyvett med den inkuberade lösningen. Löst passa en push-Cap.
VARNING: Explosionsrisk - använd inte en skruvkork.
- Tillsätt ytterligare 1 ml DI vatten till den inkuberade lösning innehållande peroxid och platinabelagda kolloider att komma fram till en lämplig bränsle styrka (10%) för att möjliggöra snabb framdrivning.
3. Mikroskopisk Observation
- Lokalisera partikel av intresse
- Belastning kyvetten i ett fluorescensmikroskop utrustat med ett lämpligt mål (t.ex., 20X) och excitera fluoroforen emission med användning av en lämplig kombination av filter (excitation 450-490 nm, emission> 515 nm).
- söka manuellt fluorescerande kolloider inom kyvetten.
Notera: Justering kolloid densitet under bibehållande peroxidkoncentrationen kan krävas. Till exempel är utspädning rekommenderas om kolloid tätheten är hög, och många syrebubblor som producerar flöden är närvarande. En kolloid volymkoncentration av ca 0,003% är en rekommenderade startpunkt. - Optimera optiska inställningar för 3D-spårning: under lämpliga belysningsförhållanden, in fokus kolloider kommer att visas som skarpa cirkulära objekt. Eftersom framdrivnings flyttar kolloider i och ut ur fokalplanet en distinkt storlek förändras ljus ring centrerad runt klotet kommer att observeras, detta används för att bestämma z-koordinaten för att aktivera 3D spårning.
- Spela in video
- Innan du börjar videoinspelning, fokusera mikroskopet så att partikel av intresse ger en koncentrisk ring, med partikel "under" fokusläget. Flytta inte fokusplanet under videoinspelning.
- Spela in videoklipp av partiklar av intresse. Använd 30 sek video löptider med bildhastigheter på över 30 Hz för att tillåta detaljerad bana rekonstruktion.
- 3D bana rekonstruktion
- Kalibrera z-axeln
- Gör upp en 2% vikt. gellangummi lösning i vatten innehållande en suspension av fluorescerande Janus partiklar vid 60 ° C, plats i en motsvarande kyvett tillsom användes ovan, och tillåta att ställa för att bilda en styv transparent gelad prov som innehåller fasta statiska kolloider.
- Fokusera på en enda fast kolloid att använda samma belysningsförhållanden som valts ovan, nu spela in en serie stillbilder som z-fokus höjs med kända förskjutningar i förhållande till detta plan.
- Bestämma radien av ringen vid varje känd fokusposition 11.
Obs: Detta är mest effektivt utföras med hjälp av en bildanalysalgoritm som kan användas som en satsvis process för alla kalibreringen stillbilder och video. Ett typiskt tillvägagångssätt innebär utjämning bilden, att tröskel identifiera en ungefärlig placering av föremålen centret, och sedan lokalisera de faktiska x- och y-koordinaterna för ringens mittpunkt genom att mäta avståndet mellan intensitetstoppar endera sidan av ringen. Medelvärdet radiellt avstånd till de intensitetstoppar från ringkärna kan sedan hittas. 11 Detta medger både radien för den ljus ring end xy koordinaten som skall fastställas med delpixel noggrannhet. Genom att placera x, y, z-positionen av en Janus sfär fast i gellangummi 30 pm från fokalplanet, i en tidsföljd av bilder, kan partiklar placeras med ett fel på ± 25 nm längs varje axel. Felet kan hänföras till brus i bilderna. Signal-brusförhållande och därför är noggrannheten av lokaliseringsalgoritmer beroende av intensiteten hos det detekterade fluorescensljus. När en Janus sfär är långt ifrån fokalplanet dess intensitet blir alltför svag för att exakt spåra den, till exempel, för en diameter 4,8 um kolloid ett z-intervall på cirka 200 um är möjlig. Ett alternativt icke-algoritmisk metod är att använda enkel manuell mätning av x, y mittpunkt och radie, men detta kommer att minska noggrannhet. - Rita en kalibreringskurva att relatera avståndet till z-positionen, och passar till en lämplig funktion (t.ex. tredjegradsekvation) för att tillåta interpolering. 11
<li> Kalibrera x, y-axeln - Spela in en stillbild optiskt mikroskop bild av en rumslig kalibrering graticule använder samma mikroskop valda betingelserna i 3,2.
- Mät "i bildpunkter" dimension av ett föremål med känd verkliga världen storlek från bilden av den rumsliga kalibrerings fokalplattan och använda detta för att etablera en pixlar till micron omräkningsfaktor för x, y bildplanet.
- Kalibrera z-axeln
- rekonstruera bana
- Bestäm x- och y-koordinater och radie för varje ram av videosekvensen som beskrivs i 3.3.1.3, använd funktionen finns i 3.3.1.4 för att omvandla radie till z, och kalibreringsfaktorn finns i 3.3.2.2 att konvertera x och y pixelkoordinater i mikron. Detta förfarande kommer att resultera i en exakt x, y, z-koordinaten för framdrivande partiklar plats som en funktion av tiden. 11 Detta förfarande kan implementeras med användning av en algoritm, eller manuellt.
- Bestäm härledda pEGENSKAPER såsom genomsnittlig hastighet för att kvantifiera omfattningen av observerade katalytiska simning.
Representative Results
Figur 1 visar en typisk dispersion av kolloider på en ren glasskiva före deponera platina. Figur 2 visar en typisk back-spridda SEM-bild för en halv platinabelagd Janus simmare, enligt denna avbildning läget platinabelagd Regionen producerar ljus kontrast. Den önskade halvsfäriska platinaskikt är uppenbar. Figur 3 visar utseendet av en typisk fluorescerande Janus simmare under optimala belysningsförhållanden som fastställs i gellangummi. Simmaren visas som en symmetrisk ringfunktion, och det är radien av ringen som kan användas för att bestämma z-positionen av kolloiden i förhållande till fokuspositionen. Figur 4 visar representativa tvärsektioner för den radiella ljusintensitetsfördelningen som används i kombination med bildanalys algoritmer för att exakt lokalisera centrum och skenbar radie av kolloiden. Figur 5 g> innehåller en kalibreringskurva som erhållits med hjälp av en fast kolloidalt prov och en kalibrerad mikroskop z-translationssteg att relatera uppenbara kolloidal storlek och avstånd från fokuspositionen. Denna kurva är monterad på en kubisk funktion, som används för att omvandla uppenbara radie till z-koordinat. Slutligen, Figur 6 visar en typisk x, y, z förloppet för en fluorescerande Janus partikel simmare.
Figur 1. Optisk bild av 1,9 um diameter polystyren mikrosfärer. Mikrosfärer är spridda på en rengjord glasskiva före Platinum nedfall. Skala stapel representerar 40 pm. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
es / ftp_upload / 54247 / 54247fig2.jpg "/>
Figur 2. SEM backscatter bilden av en 1,9 um diameter polystyren mikrosfärer. Mikrosfärer visas efter platina nedfall. Skala stapel representerar 2 pm. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Kalibrering bilder av en 4,8 um diameter fluorescerande polystyren sfär fast i gellangummi som spelats in med en 20X mål (0,4 NA). Avstånden under varje bild anger avståndet för fokalplan målet ovanför sfären. Eftersom bilden defokuseras från 0 | j, m till 200 | j, m den i fokusbild av en ljus skiva ändras till en ljus ring, av vilka är beroende av förstoringen radien, den sphere storlek och dess avstånd från fokalplanet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4. X, y, z spårning partikel förfarande. En uppsättning självskrivna algoritmer används för att först lokalisera (x, y) mitten av ljus ring genom att extrahera en serie av vertikala och horisontella linjer och hitta medelvärdet mitten punkt mellan de ljusa toppar (a). Ringradien beräknas därefter från toppintensiteten hos en spline monteras på genomsnittliga pixel grå-värden som strålar ut från ring centrum (b). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5. Z-koordinat kalibreringskortet för Janus sfärer som erhållits genom att mäta ljus ring radie av sfärer som fastställs i gellangummi (se figurerna 3 och 4). Är Kalibrerings diagram som används av våra algoritmer för att omvandla den uppmätta ringen radie till en z samordna. klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6. En bana av en typisk fluorescerande Janus sphere simning anordning. En sekvens av bilder av den rörliga simning anordningen registrerades under en period av 30 sekunder vid en bildfrekvens på 33 Hz. (X, y, z) koordinater av banan erhölls genom att placera ljus ring center (Figur 4 (a)) och jämföra den uppmätta ringen radie kalibreringsschema för varje bild i sekvensen (fig 4 (b) och 5). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Discussion
Många variabler i beredningen protokoll för platina Janus partiklar kommer att påverka de observerade banor. Parametrarna som beskrivs med hjälp av partiklar med en diameter 2 pm kommer att ge framdrivningshastigheter i storleksordningen 10 mikrometer per sekund. Om mindre partiklar används, kommer hastigheter ökar, samtidigt som man ökar partikelstorleken minskar framdrivningshastigheten. 12 Detaljerna i avdunstnings protokollet kommer också ändra banor observerade. I denna nuvarande protokollet, är en gles fördelning av kolloider rekommenderas tillsammans med metall avdunstning vinkelrätt mot glid orientering. Dessa betingelser resulterar i symmetriska Janus strukturer såsom visas i figur 2, som leder till linjära banor inom gränserna för Brownsk rotations diffusion. 13 Omvänt, om snäva packade kolloider är föremål för ögna vinkel avsättning, kan sedan symmetrin hos Janus cap brytas att inducera spinning beteende. 14 partiklarna produceras här visar relativt isotrop rörelse i alla tre dimensioner; men om tjockare platina beläggningar, eller större partiklar används, kan en uppåt partiskhet eller gravitaxis vidarebefordras. 11 Information om lagring av Janus kolloider efter tillverkningen kan också påverka simning hastigheter observerats. Den höga ytenergin ren platina yta som kommer ut från avdunstningssteget är mottagliga för ytan kontaminering till exempel från kolväten, särskilt tioler. 15
Dessutom lösningsegenskaper där Janus kolloider återsuspenderas är kritiska för att observera framdrivning. Låga peroxidkoncentrationer kommer att resultera i långsammare hastigheter, eftersom hastigheten för sönderdelningsreaktionen producerar rörelse minskar. 6 Dessutom låga koncentrationer av salter kommer att resultera i en dramatisk minskning av framdrivningshastighet. 7
En viktig egenskap hos kolloider produceras här är deras neutral flytkraft, vilket gör dem lämpliga för 3D spårning. I allmänhet gäller simning enheter har knappast uppmärksammat 3D-effekter, delvis på grund av några framstående exempel görs av täta metaller, vilket får dem att snabbt sediment, 16, men också på grund av de svårigheter och kostnader som är förknippade med att göra de nödvändiga mätningarna. Tydliga nackdelar för några etablerade 3D spårningsmetoder existerar för dessa snabbt rörliga kolloider, till exempel, kan konfokalt sveplasermikroskop saknar den temporala upplösningen för att spela in ett tillräckligt antal bilder för att lösa banor. I detta sammanhang, den metod vi presenterar här har den viktiga fördelen att endast kräva en enda ram för att möjliggöra uppskattning av z-koordinat, vilket följaktligen medger hög bildhastighet. Också, som z-koordinat rekonstruktion bygger endast på den relativa kontrast out-of-fokus kolloid i enskilda bildrutor, än den absoluta fluorescensintensitet, är det ganska motståndskraftig att släcka och blinkande effekteri fluoroforen. Dessa fördelar är möjliga på bekostnad av en minskad skärpedjup över vilka 3D bana rekonstruktion är möjlig, och kravet på väl åtskilda icke-överlapp kolloider. Vi hoppas att beskriva protokollet kommer att tillåta andra forskargrupper med ett intresse i 3D beteende för sina simning enheter till tillgång till denna information rakt och med en hög grad av precision. Det är uppenbart att utvidga förståelsen av dessa enheter till 3D kommer att öppna upp en betydande rad intressanta framtida fenomen och tillämpningar. Läsare som är intresserade av ytterligare detaljer om banan analys riktas mot referens 17 som beskriver vanliga artefakter i framdrivningssystem och hur man kan säkerställa korrekt kvantifiering av framdrivningshastigheter.
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).
