تتبع إعداد و3D من التحفيز أجهزة سباحة
Summary
A method to prepare catalytically active Janus colloids that can “swim” in fluids and determine their 3D trajectories is presented.
Abstract
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.
Introduction
أجهزة السباحة بالوسيط الكيميائي على نطاق صغير، الغرويات غير المربوطة قادرة على توليد ذاتي الحركة في بيئات الموائعية 1،2 هذه الأجهزة تجتذب اهتماما البحثية الهامة لأنها لديها القدرة على تمكين وظائف جديدة ومثيرة مثل تسليم المخدرات، 3 مختبر على رقاقة النقل 4 والمعالجة البيئية. 5 مثال واحد درس على نطاق واسع والحفاز "يانوس" السباحين. 6 هذه الجزيئات الحصول على أسمائهم من وجود اثنين من الجانبين متميزة، أو وجوه (يانوس هو اثنين تواجه الإله الروماني). جانب واحد هو نشط حفاز وقادرة على أداء فعل التحلل، في حين أن الآخر هو خامل. في ظل وجود جزيئات الوقود المنحل مناسبة، مما أدى إلى تفاعل كيميائي غير المتماثلة يخلق التدرجات حول الغروية التي يمكن أن تنتج الحركة عبر diffusiophoresis الذاتي / الكهربائي. 7
تميز الحركة لهذه الأجسام المتحركة بسرعة غير تشا llenging وتم العديد من الملاحظات التجريبية حتى الآن تقتصر على 2D. ومع ذلك، من المرجح أن استغلال الحفازة أجهزة السباحة القدرة على التحرك في جميع أنحاء حلول الأكبر في 3D التطبيقات في نهاية المطاف. 8 ولمعالجة ذلك، ونحن هنا وصف البروتوكول الذي يسمح مسارات 3D دقيقة لأجهزة السباحة يحدد لاحقا. ويستند هذا الأسلوب على تفسير البنى الحلقية التي تنتجها من الغرويات الفلورسنت تركنز لاحظ مع هدف التركيز الثابتة و 9 و هو سهل التطبيق باستخدام المجاهر معدلة التقليدية. وصف واضح هذه الطريقة هنا، وغيرهم من الباحثين في هذا المجال الاستفادة من خلال قدرته على الوصول إلى هذه المعلومات 3D. وهذا سيساعد الرؤى المستقبلية في خصائص الحركة لأجهزة السباحة. ويرد دليل على هذه الإمكانية في التقرير الأخير لأجهزة السباحة توجيهها عن طريق الجاذبية، 10،11 السلوك التي يمكن أن معظم بسهولة أن تصور من خلال تطبيق تتبع 3D 11
ove_content "> هذه الورقة أيضا يوثق بوضوح طريقة لتصنيع الحفازة يانوس أجهزة السباحة الجسيمات، التي ستكون من مزيد من الفائدة لتوحيد أساليب عبر المجموعات البحثية القائمة التحقيق في هذه الأجهزة، وبالإضافة إلى توجيه الباحثين الجدد المهتمين في صنع والتحقيق الأجهزة السباحة.Protocol
Representative Results
Discussion
فإن العديد من المتغيرات في إعداد بروتوكول للبلاتين الجسيمات يانوس تؤثر على مسارات المرصودة. المعلمات كما هو موضح باستخدام 2 ميكرون الجسيمات قطر سيعطي سرعات الدفع في حدود 10 ميكرون في الثانية الواحدة. إذا تم استخدام جسيمات أصغر، وسرعات تزيد مع زيادة حجم الجسيمات سيقلل سرعة الدفع. و12 تفاصيل البروتوكول تبخر يغير أيضا مسارات ملاحظتها. في هذا البروتوكول الحالي، فمن المستحسن توزيع متفرق من الغرويات، جنبا إلى جنب مع تبخر المعادن العادية إلى التوجه الشرائح. هذه الظروف تؤدي إلى الهياكل يانوس متناظرة كما هو مبين في الشكل 2، والذي يؤدي إلى مسارات خطية في حدود نشر التناوب البراونية. 13 وعلى العكس، إذا الغرويات معبأة ضيق تخضع لنظرة عابرة زاوية ترسب، ثم التماثل للغطاء يانوس لا يمكن كسرها ، للحث على الغزل السلوك. 14 سنوياrticles المنتجة هنا عرض الحركة الخواص نسبيا في جميع الأبعاد الثلاثة. ولكن إذا كان يتم استخدام أكثر سمكا الطلاء البلاتين، أو أكبر الجسيمات، وهو تحيز أو gravitaxis صعودا يمكن اضفاء 11 تفاصيل تخزين الغرويات يانوس بعد التصنيع ويمكن أيضا تؤثر على سرعة السباحة لوحظ. على سطح نظيف البلاتين عالية الطاقة سطح الخارجة من مرحلة التبخر هو عرضة للتلوث السطح على سبيل المثال من الهيدروكربونات، وفي التجولات معينة. 15
وبالإضافة إلى ذلك، خصائص حل فيه الغرويات يانوس هي إعادة علقت حاسمة لمراقبة الدفع. وتركيزات بيروكسيد منخفضة يؤدي إلى تباطؤ السرعات، حيث أن معدل الحركة رد فعل التحلل إنتاج يقلل من 6 وبالإضافة إلى ذلك، تركيزات منخفضة من الأملاح سيؤدي إلى انخفاض كبير في سرعة الدفع. 7
ومن السمات الرئيسية للالغرويات المنتجة هنا هي شمال شرق بهمالطفو utral، الأمر الذي يجعلها مناسبة لتتبع 3D. في عام أولت مجال الأجهزة السباحة القليل من الاهتمام ل3D الآثار، ويرجع ذلك جزئيا إلى بعض الأمثلة البارزة التي تبذل من المعادن الكثيفة، مما يسبب لهم بسرعة الرواسب، 16 ولكن أيضا بسبب الصعوبات والتكاليف المرتبطة جعل القياسات المطلوبة. وتوجد عيوب واضحة لبعض أساليب تتبع 3D التي أنشئت لهذه الغرويات تتحرك بسرعة، على سبيل المثال، يمكن ليزر المسح المجهري متحد البؤر تفتقر إلى القرار الزماني لتسجيل أعداد كافية من الصور لحل مسارات. في هذا السياق، فإن الطريقة التي نعرضها هنا لديه ميزة كبيرة من لا تتطلب سوى إطار واحد للسماح تقدير ض تنسيق، والذي يسمح بالتالي ارتفاع معدلات الإطار. أيضا، وإعادة الإعمار زي تنسيق يعتمد فقط على النقيض النسبي للالغروانية خارج نطاق التركيز في الأطر واحد، بدلا من كثافة مضان المطلقة، فمن مرونة للتبريد والآثار وامضفي fluorophore. هذه المزايا ممكنة على حساب عمق انخفاضا في المجال أكثر مما إعادة الإعمار 3D مسار ممكن، وشرط الغروية غير متداخلة فصل جيدا. نأمل أن يصف بروتوكول تسمح مجموعات بحثية أخرى لها مصلحة في السلوك 3D لأجهزة السباحة الخاصة بهم للوصول إلى هذه المعلومات بشكل مباشر مع وجود درجة عالية من الدقة. ومن الواضح أن التوسع في فهم هذه الأجهزة إلى 3D سيفتح مجموعة كبيرة من الظواهر والتطبيقات المستقبلية مثيرة للاهتمام. وتوجه القراء المهتمين في مزيد من التفاصيل عن تحليل المسار نحو المرجعي 17 التي تصف القطع الأثرية المشتركة في أنظمة الدافعة وكيفية ضمان تقدير دقيق للسرعات الدفع.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by EPSRC Career Acceleration grant EP/J002402/1.
Materials
| 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" |
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, 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, a. I., 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).
