Katalitik Yüzme Cihazların Hazırlanması ve 3D İzleme
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
Katalitik yüzme cihazları küçük ölçekli, özerk akışkan ortamlarda hareket üretme kapasitesine sahip zincirlenmemiş kolloidler vardır. Böyle ilaç dağıtım, 3 bir çip taşıma lab-on gibi heyecan verici yeni işlevleri etkinleştirmek için potansiyele sahip olarak 1,2 Bu cihazlar önemli araştırma ilgi çeken 4 ve çevresel iyileştirme. 5 bir çok çalışılan örnek "Janus" yüzücü katalitik bulunmaktadır. 6 Bu parçacıklar (Janus iki yüzlü Roma tanrısı) iki ayrı tarafı, ya da yüzü olan kendi adını almak. başka inert ise bir tarafı, katalitik olarak aktif bir ayrışma reaksiyonu yapabilmektedir. Uygun çözündürüldü Yakıt moleküllerinin varlığında, elde edilen asimetrik kimyasal reaksiyon kendi kendine diffusiophoresis / elektroforez ile hareket üretebilir kolloidler yaklaşık gradyanları oluşturur. 7.
Bu hızla hareket eden nesnelerin hareket karakterize cha olduğunu llenging ve bugüne kadar pek çok deneysel gözlemler 2D sınırlı kalmıştır. Ancak, nihai uygulamalar 3D toplu çözümlere boyunca taşımak için katalitik yüzme cihazları yeteneği yararlanmak olasıdır. 8 Bu adres için, burada yüzme cihazları belirlenecek için doğru 3D yörüngeleri sağlayan bir protokol açıklar. Bu yöntem sabit odaklı objektif, 9 ile gözlenen odak floresan kolloidler dışı üretilen halka yapıları yorumlama dayalı ve geleneksel değiştirilmemiş mikroskop kullanarak uygulamak kolaydır. açıkça burada bu yöntemi anlatarak, bu alandaki diğer araştırmacılar gibi 3D bilgilere erişmek için güçlü olmak yararınıza olacaktır. Bu yüzme cihazlar için hareket özellikleri gelecekteki anlayışlar yardımcı olacaktır. Bu potansiyelin kanıt en kolay 3D izleme uygulaması ile görüntülendi olabilir 10,11 davranış, yerçekimi tarafından yönlendirilen yüzme cihazlarının son raporunda verilir. 11
"Ove_content> Bu yazıda da açıkça bu cihazları araştıran mevcut araştırma grupları arasında yöntemlerini standardize ve ayrıca yapım ve yüzme cihazları soruşturma ilgilenen yeni araştırmacılara yol için daha fazla yarar olacaktır katalitik Janus parçacık yüzme cihazları imalatı için bir yöntem belgelemektedir.Protocol
Representative Results
Discussion
platin Janus parçacıkları için hazırlık protokolünde çok sayıda değişken gözlenen yörüngeleri etkileyecektir. saniyede 10 mikron sırasına göre sevk hızları verecek 2 mikron çapında partikülleri kullanarak tarif edildiği gibi parametreler. Daha küçük parçacıkların kullanılması durumunda parçacık boyutuna artan tahrik hızı azalırken, hızlar, artar. Buharlaşma protokolü 12 detayları da gözlenmiştir yörüngeleri değiştirecektir. Bu, mevcut protokol, bir koloid, seyrek dağılımı arada sürgü yönüne normal metal buharlaştırma ile önerilir. Bu koşullar, Brown dönme difüzyon sınırları içinde lineer yörüngeleri yol Şekil 2'de gösterildiği gibi, simetrik Janus yapılan ortaya çıkarır. 13. Bunun aksine, dar paketlenmiş kolloidler açısı çökelmesini bakarak tabi ise, Janus kapağın daha sonra simetrik kırılabilir davranışı iplik ikna etmek. 14 paBurada üretilen rticles her üç boyutta nispeten izotropik hareket görüntüler; kalın platin kaplamalar ya da daha büyük partiküllerin kullanıldığı, ancak eğer bir yukarı doğru sapma veya gravitaxis kazandırabilecektir. üretim sonrası Janus Kolloidlerin depolama 11 detayları da görülen bir yüzme hızları etkileyebilir. Buharlaşma aşamasından çıkan yüksek yüzey enerjisi, temiz platin yüzeyi hidrokarbonlar örneğin kirlenme yüzey duyarlıdır ve özellikle tiyoller bölgesindeki. 15
Buna ek olarak, çözelti özellikleri olan Janus koloitler yeniden askıya tahrik gözlemlemek için kritik öneme sahiptir vardır. Düşük peroksit konsantrasyonları ayrışma reaksiyonu üretmek hareket oranı azaltır, daha yavaş hızlarda neden olur. 6 Ayrıca, sevk hızında bir azalmaya neden olacaktır tuzları düşük konsantrasyonlarda. 7
Burada üretilen kolloidler önemli bir özelliği onların ne olduğunu3B izleme için bunları uygun kılan utral yüzdürme. Genel olarak yüzme cihazlarının alan neden kısmen yoğun metallerden yapılan bazı belirgin örnekler, 3D efektler pek önemsemediği etti onları hızla tortu, 16 değil, aynı zamanda nedeniyle gerekli ölçümleri yaparak ilişkili zorluklar ve gider için. Bazı kurulan 3D izleme yöntemleri için net sakıncaları örneğin, konfokal tarayıcı laser mikroskopi yörüngeleri çözmek için görüntülerin yeterli sayıda kaydetmek için zamansal çözünürlüğe yoksun olabilir, bunlar hızla hareket eden koloitlerin için var. Bu bağlamda, biz burada mevcut yöntem yalnızca dolayısıyla yüksek kare hızları izin veren z koordinat tahmini, izin tek bir kare gerektiren önemli bir avantaja sahiptir. z koordinat yeniden sadece tek kare içinde odak-kolloid göreli kontrast dayanmaktadır olarak da, oldukça mutlak floresan yoğunluğu yerine, su verme ve yanıp sönen efektler için esnek birfluorofor içinde. Bu avantajlar 3D yörünge rekonstrüksiyonu mümkün olduğu üzerinde bir alan azaltılmış derinlikte pahasına, ve iyi ayrılmış örtüşmeyen kolloidler için gereksinimi de mümkündür. Biz onların yüzme cihazları sade bir dille ve hassas bir yüksek derecesi ile bu bilgilere erişmek için protokol anlatan 3D davranış bir ilgi ile diğer araştırma grupları sağlayacak umuyoruz. 3D bu cihazların anlayış genişleyen ilginç gelecek olayların ve uygulamaların önemli bir dizi açılacaktır açıktır. yörünge analizi daha detaylı bilgi ilgilenen okuyucular itici sistemleri ve nasıl sevk hızlarının doğru kantifikasyon sağlamak için ortak eserler anlatılmaktadır Referans 17 yöneliktir.
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).
