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Engineering

Préparation et suivi 3D des dispositifs catalytiques de natation

Published: July 01, 2016
doi:
10.3791/54247
, ,
1Department of Chemical and Biological Engineering,University of Sheffield

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

Dispositifs de natation catalytiques sont à petite échelle, les colloïdes untethered capables de générer de manière autonome le mouvement dans des environnements fluidiques. 1,2 Ces dispositifs suscitent un intérêt de recherche importants car ils ont le potentiel pour permettre à de nouvelles fonctions intéressantes telles que la délivrance de médicaments, 3 laboratoires sur un transport de puce 4 et assainissement de l' environnement. 5 un exemple largement étudié sont catalytiques nageurs "Janus". 6 Ces particules tirent leur nom ayant deux côtés distincts, ou faces (Janus est un deux devant dieu romain). D'un côté est une activité catalytique et capable d'effectuer une réaction de décomposition, tandis que l'autre est inerte. En présence de molécules de carburant dissous appropriées, la réaction chimique asymétrique qui en résulte crée des gradients autour des colloïdes qui peuvent produire un mouvement par l' intermédiaire d' auto-diffusiophorèse / électrophorèse. 7

Caractériser le mouvement de ces objets se déplaçant rapidement est cha llenging et de nombreuses observations expérimentales à ce jour ont été limitées à 2D. Cependant, les applications éventuelles sont susceptibles d'exploiter catalytique dispositifs de natation capacité de se déplacer à travers des solutions en vrac en 3D. 8 Pour y remédier, nous décrivons ici un protocole qui permet des trajectoires 3D précises pour les appareils de natation à déterminer. Cette méthode est basée sur l' interprétation des structures cycliques produites par de colloïdes fluorescents discussion observés avec un objectif à focale fixe, 9 et est facile à appliquer à l' aide de microscopes non modifiés classiques. En décrivant clairement cette méthode ici, d'autres chercheurs dans ce domaine bénéficieront en étant en mesure d'accéder à ces informations 3D. Cela aidera perspectives futures sur les caractéristiques de mouvement pour les appareils de natation. La preuve de ce potentiel est donné par le rapport récent de dispositifs de natation étant dirigé par gravité, 10,11 comportement qui peut le plus facilement être visualisé par l'application de tracking 3D. 11

ove_content "> Cet article documente également clairement une méthode pour fabriquer des dispositifs catalytiques de natation de particules Janus, qui sera d'autre avantage de normaliser les méthodes à travers les groupes de recherche existants enquêter sur ces dispositifs, et en outre guider les nouveaux chercheurs intéressés à faire et d'enquêter sur les appareils de natation.

Protocol

ATTENTION: S'il vous plaît consulter toutes les fiches de données de sécurité des matériaux pertinents avant utilisation. Le peroxyde d'hydrogène utilisé dans ce protocole est nocif, et l'évolution de l'oxygène gazeux lorsqu'il est exposé au platine présente un risque d'explosion. Utilisez tous les contrôles de sécurité appropriés au cours de ce protocole, y compris les contrôles techniques lors de la manipulation des solutions de peroxyde (hottes) et de l'équipement de protection individuelle (lunettes de sécurité, des gants et une blouse de laboratoire). 1. Faire catalytique Particules Janus Préparer le substrat de lame de verre Nettoyer une lame de microscope standard utilisé en utilisant le lavage séquentiel pendant quelques minutes chacun en désionisée (DI), solution de décontamination de verre et de l'eau DI. Laver ensuite avec un 70:30 v: mélange v d'éthanol: eau déminéralisée, et enfin sécher dans un courant d'air / azote propre. Examinez la lame de verre sous un microscope pour vérifier la surface est propre et exempt de signes de contamination particulaire. Répétez l'étape 1.1.1, si nécessaire. Préparer une dispersion colloïdale de dépôt Pipette 10 ul d'une solution aqueuse disponible fluorescente colloïdal (10% en poids.) Dans 990 pi d'éthanol. Ajustez les volumes selon les besoins en fonction de la concentration de la solution mère utilisée pour arriver à environ 0,1% en poids colloïdale suspension. Tourbillon mélange pendant 10 s. Manteau de Spin dispersion colloïdale sur le substrat de lame de verre Équipé d'une tournette avec la lame de verre propre. Remplissez une pointe de pipette avec 100 ul de la solution colloïdale diluée préparée ci-dessus. spin programme coucheuse pour exécuter un 30 sec, 2,000 cycle de rpm. Démarrer la tournette, et quand à la vitesse continue pipeter la solution préparée sur le centre de la lame de verre de filage. Retirer lame de verre de la tournette, revenir au microscope optique et vérifier que une dispersion uniforme de colloïdes essentiellement non jointives séparées couvre la région centrale of la lame de verre. Vacuum évaporent platine métallique sur colloïde décoré lame de verre Insérer la lame de verre colloïdal enrobé dans un évaporateur métallique. Assurez-vous que le colloïde décoré côté fait face à la source d'évaporation. Installer une source d'évaporation du métal de platine et le dépôt de 15 nm de platine métal. Remarque: Après le dépôt de métal, les échantillons doivent être conservés sous une atmosphère inerte. 2. "natation" Particules Janus Re-suspendre Janus colloïdes dans une solution de peroxyde contenant Couper un carré de 1 x 1 cm de tissu de verre, et amortir la fin avec 10 pi d'eau DI. Tenez avec des pincettes, et frottez doucement le long de la surface du colloïde décoré lame de verre de platine revêtu (cette étape élimine physiquement colloïdes du substrat). Insérez le tissu de lentille dans 1,5 ml d'eau DI et agiter manuellement vigoureusement pendant 30 secondes dans un tu scelléêtre. Retirer le tissu de la lentille. Pipette 1 ml de colloïde contenant de la solution dans un nouveau récipient, rempli avec 1 ml de 30% p / 2 O 2 solution stock H v. Mélanger délicatement les solutions, puis placer dans un bain à ultrasons à température ambiante pendant 5 minutes, suivie d'une autre période d'incubation sans agitation 25 min. ATTENTION: Cette solution peut dégager de l'oxygène; ne pas sceller. Sec 100 ul de la solution aqueuse restante colloïdale sur un microscope électronique à balayage (SEM) pour permettre la vérification stub SEM de la structure colloïdale Janus 14. Préparer une analyse cuvette Ajouter un 1 ml supplémentaires d'eau déminéralisée à la solution incubée contenant du peroxyde et du platine enrobé colloïdes pour arriver à une force de carburant convenable (10%) pour permettre une propulsion rapide. Note: Les étapes d'incubation ont été préalablement effectués à une concentration de carburant plus grande concentration pour nettoyer la surface du catalyseur au platine. Remplissez un low volume de quartz rectangulaire cuvette en verre avec la solution incubée. s'adapter souplement une casquette de push-in. ATTENTION: Risque d'explosion – ne pas utiliser un bouchon à vis. 3. Observation microscopique Repérez particules d'intérêt Charger la cuve dans un microscope à fluorescence équipé d'un objectif approprié (par exemple 20X) et exciter les fluorophores émission en utilisant une combinaison appropriée de filtres (excitation à 450-490 nm, émission> 515 nm). Recherche manuellement colloïdes fluorescents au sein de la cuvette. Remarque: Réglage de la densité de colloïde tout en maintenant la concentration de peroxyde peut être nécessaire. Par exemple, la dilution est recommandée si la densité colloïde est élevée, et de nombreuses bulles d'oxygène produisant des flux sont présents. Une concentration en volume de colloïde d'environ 0,003% est un point de départ recommandée. Optimiser les paramètres optiques pour le suivi 3D: dans des conditions d'éclairage appropriées, in concentrer colloïdes apparaît des objets circulaires tranchants. Cependant, comme la propulsion déplace les colloïdes dans et hors du plan focal d'une taille distinctive changeant anneau brillant centré autour de la sphère sera observée, il est utilisé pour déterminer la coordonnée z pour permettre le suivi 3D. Enregistrer une vidéo Avant de commencer la capture vidéo, focaliser le microscope de telle sorte que la particule d'intérêt produit un anneau concentrique, avec la particule "sous" la position de mise au point. Ne pas déplacer le plan de mise au point lors de la capture vidéo. Enregistrer des vidéos de particules d'intérêt. Utilisez 30 sec vidéo durées avec des taux de trame de plus de 30 Hz pour permettre la reconstruction de la trajectoire détaillée. Reconstruction de la trajectoire 3D Calibrer axe z Faire un poids de 2%. solution de gomme gellane dans de l'eau contenant une suspension de particules Janus fluorescentes à 60 ° C, dans une cuvette équivalent àcelle utilisée ci-dessus, et permettent de définir pour former un échantillon gélifié transparent rigide contenant des colloïdes statiques fixes. Concentrer sur un seul colloïde fixe en utilisant les mêmes conditions d'illumination choisies, maintenant enregistrer une série d'images fixes en tant que la mise au point z est soulevé par des déplacements connus par rapport à ce plan. Déterminer le rayon de l'anneau à chaque position de mise au point connu 11. Note: Ceci est le plus efficacement réalisé en utilisant un algorithme d'analyse d'image qui peut être appliqué en tant que traitement par lots à tous l'étalonnage des images fixes et des vidéos. Une approche typique consiste à lisser l'image, seuillage pour identifier un emplacement approximatif du centre des objets, puis de localiser les x réelles et les coordonnées y du centre de l'anneau en mesurant la distance entre les pics d'intensité de chaque côté de l'anneau. La distance radiale moyenne des pics d'intensité du centre de l' anneau peut alors être trouvé. 11 Cela permet à la fois le rayon de l'anneau un brillantd la coordonnée xy à déterminer avec une précision sous-pixel. En localisant les coordonnées x, y, z, la position d'une sphère Janus fixée dans la gomme de gellane 30 pm à partir du plan focal, dans une séquence temporelle d'images, les particules peuvent être localisées avec une erreur de ± 25 nm le long de chaque axe. L'erreur peut être attribuée au bruit dans les images. Le rapport signal sur bruit et, par conséquent, la précision des algorithmes de localisation dépend de l'intensité de la lumière fluorescente détectée. Quand une sphère Janus est loin du plan focal son intensité devient trop faible pour suivre avec précision ce, par exemple, pour un diamètre de 4,8 um colloïde un z-gamme de l' ordre de 200 um est possible. Une méthode non-algorithmique alternative consiste à utiliser la mesure manuelle simple x, centre y et de rayon, mais cela permettra de réduire la précision. Tracer la courbe d'étalonnage pour relier le rayon de position z, et monter à une fonction appropriée (par exemple, l' équation cubique) pour permettre l' interpolation. 11 <li> Calibrer axe x, y Enregistrer une image fixe image au microscope optique d'un étalonnage réticule spatiale en utilisant les mêmes conditions de microscope choisies en 3.2. Mesurer la dimension "en pixels" d'un objet avec la taille connue du monde réel de l'image de l'étalonnage réticule spatiale et l'utiliser pour établir un pixel à micron facteur de conversion pour le x, y plan de l'image. Reconstruire trajectoire Déterminer les coordonnées x et y et de rayon pour chaque trame de la séquence vidéo comme décrit dans 3.3.1.3, utilisez la fonction trouvée dans 3.3.1.4 pour convertir le rayon en z, et le facteur d'étalonnage trouvé dans 3.3.2.2 pour convertir x et y les coordonnées en pixels microns. Cette procédure se traduira par une précision x, y, z de coordonnées pour l'emplacement des particules de propulsion en fonction du temps. 11 Cette procédure peut être réalisée en utilisant un algorithme, ou manuellement. Déterminer la p dérivéeropriétés telles que la vitesse moyenne pour quantifier l'ampleur de la natation catalytique observée.

Representative Results

La figure 1 montre une dispersion typique de colloïdes sur une lame de verre propre avant le dépôt de platine. La figure 2 montre une image typique SEM rétrodiffusée pour une demi – platine revêtu Janus nageur, sous ce mode d'imagerie de la région de platine revêtu produit de contraste lumineux. La couche souhaitée de platine hémisphérique est apparente. La figure 3 montre l'apparition d'un fluorescent Janus nageur typique dans des conditions d'éclairage optimales fixées dans la gomme gellane. Le nageur se présente comme un élément d'anneau symétrique, et il est le rayon de l'anneau qui peut être utilisé pour déterminer la position z du colloïde par rapport à la position de mise au point. La figure 4 montre des sections représentatives de la distribution d'intensité de la luminosité radiale est utilisé en combinaison avec des algorithmes d'analyse d'image pour localiser avec précision le centre et le rayon apparent du colloïde. Figure 5 </stron g> contient une courbe d'étalonnage obtenue en utilisant un échantillon fixé colloïdale et un microscope stade z traduction calibrée pour relier taille colloïdale apparente et la distance de la position de mise au point. Cette courbe est ajustée à une fonction cubique, qui est utilisé pour convertir rayon apparent en coordonnées z. Enfin, la figure 6 montre un typiques x, y, z trajectoire pour un nageur Janus des particules fluorescentes. Figure 1. image optique de 1,9 um de diamètre des microsphères de polystyrène. Les microsphères sont dispersées sur une lame de verre nettoyée avant le dépôt de platine. La barre d'échelle représente 40 um. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. es / ftp_upload / 54247 / 54247fig2.jpg "/> Figure 2. Image de rétrodiffusion SEM d'un 1,9 um de diamètre des microsphères de polystyrène. Les microsphères sont présentés après le dépôt de platine. La barre d'échelle représente 2 pm. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure. Figure 3. images d' étalonnage d'un diamètre de 4,8 um fluorescent sphère en polystyrène fixé dans la gomme gellane enregistrée à l' aide d' un objectif 20X (0,4 NA). Les distances ci – dessous chaque image indique la distance du plan focal de l'objectif ci – dessus de la sphère. Comme l'image est défocalisé de 0 pm à 200 pm l'image mise au point d'un brillant disque change à un anneau lumineux, dont le rayon dépend de grossissement, le Spherla taille de l' e et sa distance par rapport au plan focal. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. Figure 4. X, y, z procédure de suivi des particules. Un ensemble d'algorithmes d'auto-écrite est utilisée pour d' abord localiser le centre (x, y) de l'anneau lumineux par extraction d' une série de lignes verticales et horizontales et de trouver le moyen mi point entre les pics lumineux (a). Le rayon de l' anneau est alors calculée à partir de l'intensité du pic d'une spline adaptée aux pixels gris moyenne des valeurs de rayonnement à partir du centre de l' anneau (b). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page = "1"> Figure 5. Z coordonnée tableau d'étalonnage pour les sphères Janus obtenues en mesurant le rayon de l' anneau lumineux de sphères fixes dans la gomme gellane (voir figures 3 et 4). Le tableau d'étalonnage est utilisé par nos algorithmes pour convertir le rayon de l' anneau mesurée à un z- coordonnées. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. Figure 6. Une trajectoire d'un dispositif fluorescent typique Janus de natation de la sphère. Une séquence d'images de l'appareil de natation mobile a été enregistré sur une période de 30 secondes à une vitesse de 33 Hz de trame. Le (x, y, z) les coordonnées de la trajectoire ont été obtenus en plaçant le centre de l' anneau lumineux (Figurer 4 (a)) et en comparant le rayon de l' anneau mesuré au tableau d'étalonnage pour chaque image de la séquence (figures 4 (b) et 5). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Discussion

De nombreuses variables dans le protocole de préparation de platine particules Janus auront une incidence sur les trajectoires observées. Les paramètres tels que décrits à l'aide de particules de 2 pm de diamètre donnera des vitesses de propulsion de l'ordre de 10 um par seconde. Si des particules plus petites sont utilisées, les vitesses augmentent, tout en augmentant la taille des particules diminue la vitesse de propulsion. 12 Les détails du protocole d'évaporation vont également modifier les trajectoires observées. Dans ce protocole actuel, une distribution clairsemée des colloïdes est recommandée, en même temps que l'évaporation de métal perpendiculaire à l'orientation de la diapositive. Ces conditions se traduisent par des structures Janus symétriques comme le montre la figure 2, qui conduisent à des trajectoires linéaires dans les limites de diffusion de rotation brownien. 13 Inversement, si colloïdes serré emballés sont soumis à regardant dépôt d'angle, puis la symétrie de la capsule Janus peut être rompu , pour induire la filature comportement. 14 Le particles produites ici affichent un mouvement relativement isotrope dans les trois dimensions; si les revêtements de platine plus épais, ou plus grandes particules sont utilisées, un biais ou gravitaxis vers le haut peuvent être conférées. 11 Les détails du stockage des colloïdes Janus après la fabrication peut également effectuer les vitesses de nage observées. La surface de la platine propre énergie superficielle élevée sortant de l'étape d'évaporation est sensible à la contamination de surface par exemple à partir d' hydrocarbures, en particulier des thiols. 15

En outre, les propriétés de la solution dans laquelle les colloïdes Janus sont remises en suspension sont essentiels pour l'observation propulsion. Faibles concentrations de peroxyde se traduira par des vitesses plus lentes, comme la vitesse de mouvement produisant la réaction de décomposition réduit. 6 En outre, de faibles concentrations de sels se traduira par une réduction spectaculaire de la vitesse de propulsion. 7

Une caractéristique clé des colloïdes produits ici est leur neflottabilité UTRAL, ce qui les rend appropriés pour le suivi 3D. En général , le domaine des dispositifs de natation a prêté peu d' attention aux effets 3D, en partie en raison de quelques exemples importants étant fabriqués à partir de métaux denses, les obligeant à rapidement les sédiments, 16 mais aussi en raison des difficultés et des frais associés à la réalisation des mesures nécessaires. inconvénients clairs pour certaines méthodes de suivi 3D établies existent pour ces colloïdes se déplaçant rapidement, par exemple, la microscopie à balayage laser confocal peut manquer de la résolution temporelle pour enregistrer un nombre suffisant d'images pour résoudre les trajectoires. Dans ce contexte, la méthode que nous présentons ici a l'avantage important de ne nécessiter qu'une seule image pour permettre une estimation des coordonnées z, ce qui permet par conséquent des cadences élevées. En outre, comme coordonnée z la reconstruction ne repose que sur le contraste relatif du colloïde hors de mise au point dans des trames individuelles, au lieu de l'intensité de fluorescence absolue, elle est résistante aux effets de trempe et clignotantesdans fluorophore. Ces avantages sont possibles au détriment d'une profondeur de champ réduite sur lequel la reconstruction de la trajectoire 3D est possible, et l'exigence de colloïdes ne se chevauchent pas bien séparés. Nous espérons que la description du protocole permettra à d'autres groupes de recherche ayant un intérêt dans le comportement 3D pour leurs appareils de natation pour accéder à ces informations et franchement avec un haut degré de précision. Il est clair que l'élargissement de la compréhension de ces appareils à la 3D ouvrira une gamme importante de phénomènes et de futures applications intéressantes. Les lecteurs intéressés par de plus amples détails sur l'analyse des trajectoires sont dirigées vers la référence 17, qui décrit les artefacts communs dans les systèmes de propulsion et de la façon d'assurer une quantification précise des vitesses de propulsion.

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"
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References

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Campbell, A., Archer, R., Ebbens, S. Preparation and 3D Tracking of Catalytic Swimming Devices. J. Vis. Exp. (113), e54247, doi:10.3791/54247 (2016).
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