מעקב הכנה 3D של התקנים שחייה קטליטי
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
התקנים שחיו קטליטי הם בקנה מידה קטן, ומשוחררים קולואידים מסוגלים לייצר תנועה באופן אוטונומי בסביבות fluidic. 1,2 התקנים אלה מושכים עניין מחקר משמעותי כמו שיש להם הפוטנציאל לאפשר פונקציות חדשות ומלהיבות, כגון משלוח סמים, 3 מעבדה בטרנספורט שבב 4 ו תיקון הסביבה. 5 דוגמה אחת נרחב הנלמדים הם קטליטי שחיינים "יאנוס". 6 חלקיקים אלו לקבל את השם שלהם מהצורך שני צדדים ברורים, או פרצופים (יאנוס הוא האל הרומי שני מתמודד). צד אחד הוא קטליטית פעיל ומסוגלים לבצע תגובת פירוק, ואילו השני הוא אינרטי. בנוכחות מולקולות דלק מומסת מתאימות, תגובה הכימית הסימטרית וכתוצאה מכך היוצר הדרגתי סביב קולואידים אשר יכול לייצר תנועה באמצעות עצמית diffusiophoresis / אלקטרופורזה. 7
האפיון ובקשת העצמים הנעים במהירות אלה הוא צ'ה llenging ותצפיות ניסיוני רבים עד כה היו מוגבלות 2D. עם זאת, יישומים בסופו של דבר צפויים לנצל יכולת התקנים שחיו קטליטי לנוע ברחבי פתרונות בתפזורת 3D. 8 לכתובת זו, כאן אנו מתארים פרוטוקול המאפשר מסלולי 3D מדויקים למכשירי שחייה שייקבעו. שיטה זו מבוססת על פרשנות מבני הטבעת המיוצרת על ידי מתוך קולואידים פלורסנט מוקד ציינו עם מטרת מיקוד קבוע, 9 ו קלה ליישום באמצעות מיקרוסקופים ללא שינוי קונבנציונליים. על ידי בבירור מתאר שיטה זו כאן, חוקרים אחרים בתחום זה ירוויחו על ידי יכולת לגשת למידע 3D כזה. זה יסייע תובנה בעתיד לתוך מאפייני תנועה למכשירי שחייה. עדות פוטנציאל זה ניתנת על ידי הדו"ח האחרון של מכשירים שחייה להיות נוהלה על ידי כוח הכבידה, 10,11 התנהגות אשר ניתן דמיינו בקלות ביותר באמצעות יישום של מעקב 3D. 11
ove_content "> מאמר זה גם ברור מתעד שיטה לייצור מכשירי שחי חלקיקים תאנסו קטליטי, אשר יהיו תועלת נוספת לתקנן שיטות פני קבוצות המחקר קיימות חוקרות התקנים אלה, ובנוסף להנחות חוקרים חדשים מעוניינים להגיע ולחקור התקנים שחיו.Protocol
Representative Results
Discussion
משתנה רב בפרוטוקול כהכנת חלקיקי פלטינה תאנוס ישפיע על המסלולים הנצפים. הפרמטרים כמתואר באמצעות 2 מיקרומטר חלקיקים בקוטר ייתן מהירויות הנעה ב בסדר גודל של 10 מיקרומטר לשנייה. אם חלקיקים קטנים משמשים, מהירויות תגדלנה, תוך הגדלת גודל חלקיקים תקטן מהירות הנעה. 12 הפרטים של פרוטוקול האידוי יהיו גם לשנות את המסלולים ציינו. בפרוטוקול הנוכחי, ותפוצה דלילה של קולואידים מומלץ, יחד עם אידוי מתכת רגילה לאוריינטציה שקופיות. תנאים אלה לגרום מבנים סימטריים תאנוס כפי שמוצג באיור 2, אשר להוביל מסלולים ליניארי בגבולות דיפוזיה סיבוב בראונית. 13 לעומת זאת, אם קולואידים ארוזים חזק כפופים מציצים בתצהיר זווית, אז את הסימטריה של הכובע תאנוס יכולה להיות שבורה , כדי לגרום ספינינג התנהגות. 14 הרשות הפלסטיניתrticles מיוצר כאן להציג תנועה איזוטרופיים יחסית בכל שלושת הממדים; אולם אם ציפויי פלטינה עבים, או חלקיקים גדולים יותר משמשים, הטיה או gravitaxis כלפי מעלה ניתן להקנות. 11 פרטים של האחסון של קולואידים יאנוס לאחר הייצור עלול גם להשפיע על מהירויות השחייה ציינו. משטח הפלטינה הנקי אנרגית משטח גבוהה מתעוררים החלו משלב האידוי רגיש משטח זיהום למשל מפחמימנים, ובשנת thiols בפרט. 15
בנוסף, את מאפייני הפתרון שבו קולואידים תאנוס מחדש התלוי הם קריטיים עבור התבוננות נעה. ריכוזי חמצן נמוכים יגרמו מהירויות איטיות, כמו הקצב של התנועה לייצר תגובת פירוק מפחית. 6 בנוסף, ריכוזים נמוכים של מלחים יביא לירידה דרמטית מהירות הנעה. 7
תכונה מרכזית של קולואידים המיוצרים כאן היא ne שלהםציפת utral, מה שהופך אותם מתאימים למעקב 3D. באופן כללי בתחום מכשור שחייה שלם מעט מאוד תשומת לב אפקטי 3D, בחלקו בשל כמה דוגמאות בולטות שנעשות ממתכות צפופות, מה שגרם להם משקעים במהירות, 16 אלא גם בשל הקשיים וההוצאות הקשורות ביצוע המדידות הנדרשות. חסרונות ברורים כמה שיטות מעקב 3D הוקמו קיימים קולואידים נעו במהירות אלה, למשל, מיקרוסקופ ליזר סריקת confocal יכול חסר את ההחלטה הזמנית להקליט בכמות מספקת של תמונות כדי לפתור מסלולים. בהקשר זה, השיטה אנו מציגים כאן יש את היתרון המשמעותי של מחייב רק מסגרת אחת כדי לאפשר הערכה של z לתאם, אשר כתוצאה מכך מאפשרת מסגרת חליפין גבוהים. כמו כן, כפי שחזור לתאם z רק מסתמך על הניגוד היחסי של out-of-פוקוס קולואיד במסגרות יחידה, ולא את עוצמת הקרינה המוחלטת, הוא מתאושש מהר כדי המרווה ואפקטים מהבהביםב fluorophore. יתרונות אלה אפשריים על חשבון עומק מופחת של השטה אשר שיקום מסלול 3D אפשרי, ואת הדרישה קולואידים שאינם חופפים מופרדים היטב. אנו מקווים כי המתארים את הפרוטוקול יאפשר קבוצות מחקר אחרות עם עניין בהתנהגות 3D עבור מכשירי השחייה שלהם כדי לגשת למידע זה בצורה ישירה ועם רמה גבוהה של דיוק. ברור כי הרחבת ההבנה של התקנים אלה כדי 3D תפתח מגוון משמעותי של תופעות ויישומים עתידיים מעניינות. קוראים המעוניינים בפרטים נוספים של ניתוח מסלול מכוונים הפניה 17 מתאר חפץ נפוץ במערכות הנעות וכיצד להבטיח כימות מדויק של מהירויות נעה.
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).
