מעקב הכנה 3D של התקנים שחייה קטליטי

A method to prepare catalytically active Janus colloids that can "swim" in fluids and determine their 3D trajectories is presented.

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.

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

אזהרה: נא להתייעץ כל גיליונות נתוני בטיחות חומרים הרלוונטיים לפני השימוש. מי חמצן להשתמש בפרוטוקול זה מזיק, ואת האבולוציה של גז חמצן כאשר הם נחשפים פלטינה מהווה סיכון לפיצוץ. השתמש בכל אמצעי הבטיחות המתאים במהלך פרוטוקול זה לרבות בקרות הנדסה בזמן טיפול פתרונות חמצן (במנדף) וציוד מגן אישי (משקפי מגן, כפפות וחלוקים מעבדה).

1. ביצוע קטליטי יאנוס חלקיקים

1. כן מצע זכוכית שקופית
   1. נקו שקופית מיקרוסקופ רגיל בשימוש באמצעות שטיפת רציפים במשך כמה דקות כל אחד deionized (DI) מים, פתרון טיהור זכוכית ומים DI. לאחר מכן לשטוף עם 70:30 v: v תערובת של אתנול: מים די, ולבסוף מכה יבשה בזרם אוויר / חנקן נקי.
   2. בדוק את שקופית הזכוכית תחת מיקרוסקופ כדי לאמת את השטח הוא נקי ללא עדות לזיהום חלקיקים. חזור על שלב 1.1.1 במידת הצורך.
2. כן פיזור colloidal להפקדה
   1. פיפטה 10 μl של פתרון קולואיד פלורסנט המניות מימי (wt 10%.) לתוך 990 μl של אתנול. התאם כרכים כנדרש בהתאם ריכוז פתרון המניות שהשתמשו בו כדי להגיע כ ההשעיה colloidal 0.1% wt.
   2. שילוב וורטקס למשך 10 שניות.
3. ספין מעיל פיזור colloidal על מצע זכוכית שקופית
   1. לצייד coater ספין עם שקופיות זכוכית נקייה. מלאו קצה פיפטה עם 100 μl של פתרון קולואידים בדילול מוכן לעיל. coater תוכנית לסיבוב כדי לבצע מחזור סל"ד 30 שניות, 2,000. התחל coater ספין, וכאשר עד למהירות ברציפות פיפטה פתרון מוכן על גבי במרכז שקופיות זכוכית ספינינג.
   2. הסר שקופיות זכוכית מן coater ספין, לחזור מיקרוסקופ אופטי ולוודא כי פיזור אפילו של בעיקר הלא-נגיעה קולואידים נפרד מכסה את o באזור המרכזf שקופיות הזכוכית.
4. להתאדות אבק מתכת פלטינה לשקופית זכוכית מעוטר קולואיד
   1. הכנס את השקופית זכוכית מצופה קולואיד לתוך המאייד מתכת. ודא קולואיד מעוצב בצד עומד בפני מקור האידוי. התקן מקור אידוי מתכת פלטינה להפקיד 15 ננומטר של מתכת פלטינה.
      הערה: בעקבות בתצהיר מתכת, יש לאחסן דגימות תחת אווירה אינרטי.

2. "שחייה" חלקיקים יאנוס

1. מחדש להשעות יאנוס קולואידים לתוך תמיסה המכילה מי חמצן
   1. חותכים ריבוע 1 x 1 ס"מ של רקמת העדשה, ויחליש את הקצה עם 10 μl של מים DI. חזק עם פינצטה, לשפשף בעדינות על פני השטח של שקופית זכוכית הפלטינה מצופית מעוצב קולואיד (שלב זה פיזי מסיר קולואידים מן המצע).
   2. הכנס את רקמת העדשה לתוך 1.5 מיליליטר מי DI ידני לנער במרץ למשך 30 שניות בתוך tu אטוםלִהיוֹת. הסרה של רקמה העדשה.
   3. פיפטה 1 מ"ל של קולואיד המכיל פתרון לתוך מיכל חדש, מלא 1 מ"ל של 30% w / v H ₂ O ₂ פתרון המניות. בעדינות מערבבים את פתרונות, ולאחר מכן למקם באמבטיה קולי בטמפרטורת החדר במשך 5 דקות, ואחריו עוד תקופת הדגירה 25 דקות unstirred.
      זהירות: פתרון זה עשוי להתפתח חמצן; לא לאטום.
   4. יבש 100 μl של פתרון קולואידים מימית הנותרים על מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) בדל לאפשר אימות SEM של המבנה קולואיד יאנוס. ¹⁴
2. הכן קובט ניתוח
   1. הוסף 1 מ"ל נוספים של מים די לפתרון וטופחו המכיל קולואידים מצופה חמצן ופלטינה להגיע כוח דלק מתאים (10%) על מנת לאפשר הנעה מהירה.
      הערה: בשלבי הדגירה לפני בוצעו בריכוזי דלק ריכוז גבוהים כדי לנקות את שטח זרז פלטינה.
   2. ממלאים loנפח w קובט זכוכית קוורץ מלבני עם הפתרון מודגרות. רופף להתאים כובע שכיבות ב.
      זהירות: סכנת פיצוץ - לא משתמשת ראש מתברג.

3. תצפית מיקרוסקופית

1. אתר חלקיקים של עניין
   1. קובט טען לתוך מיקרוסקופ פלואורסצנטי מצויד מטרה מתאימה (למשל, 20X) ולרגש פליטת fluorophore באמצעות שילוב מתאים של מסננים (עירור 450-490 ננומטר, פליטה> 515 ננומטר).
   2. ידני לחפש קולואידים ניאון בתוך קובט.
      הערה: התאמת צפיפות קולואיד תוך שמירה על ריכוז החמצן ייתכן שיידרש. לדוגמא, דילול מומלץ אם צפיפות קולואיד היא גבוהה, ובועות חמצן רבות לייצר תזרימי נוכחים. ריכוז נפח קולואיד של 0.003% על הוא נקודת התחלה מומלצת.
   3. מטב הגדרות אופטיות למעקב 3D: תחת תנאי תאורה מתאימים, אניn להתמקד קולואידים יופיעו אובייקטים עגולים חדים. עם זאת, כמו הנעה מעביר את קולואידים פנימה והחוצה של המטוס מוקד בגודל הייחודי שינוי טבעת בהיר התרכזו סביב כדור יקויימו, זה משמש כדי לקבוע את z לתאם כדי לאפשר מעקב 3D.
2. הקלטת וידאו
   1. לפני שמתחילים לכידת וידאו, למקד את המיקרוסקופ כך החלקיק עניין מייצרת טבעת קונצנטריים, עם החלקיקים "תחת" מצב המיקוד. אל תזיז את המטוס להתמקד במהלך לכידת וידאו.
   2. קלטת קטעי וידאו של חלקיקים של עניין. השתמש 30 משכי וידאו שניות עם מסגרת חליפין העולה על 30 הרץ כדי לאפשר שחזור מסלול מפורט.
3. שחזור מסלול 3D
   1. כיול ציר Z
      1. להמציא WT 2%. פתרון מסטיק gellan במים המכילים השעיה של חלקיקים יאנוס פלורסנט ב 60 ° C, מעמידים בתוך קובט שווהשהשתמש לעיל, ולאפשר להגדיר כדי ליצור מדגם בג'ל שקוף נוקשה המכיל קולואידים סטטי קבועים.
      2. פוקוס על קולואיד יחיד קבוע תוך שימוש באותו תנאי התאורה שנבחר למעלה, עכשיו להקליט סדרה של תמונות סטילס כמו פוקוס z מגייסת התקות ידועות ביחס המטוס הזה.
      3. קבע את הרדיוס של הטבעת בכל מצב מיקוד ידוע ^11.
         הערה: זה באופן יעיל ביותר שבוצע באמצעות אלגוריתם ניתוח תמונה כי ניתן להחיל כתהליך יצווה לכל כיול סטילס וקטעי וידאו. גישה טיפוסית כולל החלקת התמונה, thresholding לזהות מיקום משוער של 'מרכז האובייקטים, ולאחר מכן לאתר את x ו- y בפועל של מרכז הטבעת על ידי מדידת המרחק בין פסגות עוצמות משני צדי הטבעת. המרחק הרדיאלי הממוצע אל הפסגות העוצמות ממרכז הטבעת ניתן למצוא מכן. ¹¹ זה מאפשר הוא רדיוס הטבעת הבהירהד XY לתאם שייקבע עם דיוק תת-פיקסל. בהציבה את x, y, z המיקום של כדור יאנוס קבוע מסטיק gellan 30 מיקרומטר מהמטוס מוקדי, כי תוך פרק זמן של תמונות, חלקיקים שניתן לאתרם שגיאה של ± 25 ננומטר לאורך כל ציר. השגיאה ניתן לייחס רעש בתמונות. יחס האות לרעש ולכן, את הדיוק של אלגוריתמי המיקום תלויה בעוצמת אור פלואורסצנטי זוהה. כאשר כדור תאנוס רחוק מלהיות במישור מוקד עוצמתו הופכת חלשה מכדי לעקוב אחר אותו במדויק, למשל, עבור בקוטר 4.8 מיקרומטר קולואיד z-טווח של כ -200 מיקרומטר אפשרי. שיטה חלופית הלא אלגוריתמית היא להשתמש מדידה ידנית פשוטה של ​​x, y מרכז ורדיוס, אולם זה יפחית את רמת הדיוק.
      4. מגרש עקום כיול להתייחס רדיוס כדי Z-Position, ולהשתלב לאחת פונקציות מתאימות (למשל, משוואה מהמעלה שלישית) כדי לאפשר אינטרפולציה. ¹¹
   2. כיול x, ציר y
      1. הקלטת עדיין מסגרת תמונת מיקרוסקופ אופטי של graticule כיול מרחבית באמצעות התנאים מיקרוסקופ אותו נבחר 3.2.
      2. מדוד את מימד "בפיקסלים" של אובייקט עם גודל בעולם האמיתי ידוע מהתמונה של graticule כיול מרחבית להשתמש בזה כדי להקים פיקסלים מקדם המרה מיקרון עבור x, y תמונת המטוס.
   3. לשחזר מסלול
      1. קבע את x ו- y ורדיוס עבור כל מסגרת של רצף הווידאו כמתואר 3.3.1.3, השתמש בפונקציה נמצאת 3.3.1.4 להמיר רדיוס לתוך z, וגורם הכיול נמצא 3.3.2.2 להמיר x ו- y פיקסל קואורדינטות לתוך מיקרון. הליך זה יביא x המדויק, y, z לתאם עבור מיקום חלקיקים הנעים כפונקציה של זמן. ¹¹ הליך זה יכול להיות מיושם באמצעות אלגוריתם, או באופן ידני.
      2. קבע את p נגזרroperties כגון מהירות ממוצעת כדי לכמת את מידת שחייה קטליטי נצפים.

איור 1 מציג פיזור אופייני קולואידים בשקופית זכוכית נקיה לפני הפקדת פלטינה. איור 2 מציג תמונת SEM גב מפוזר אופיינית פלטינה חצי מצופה שחיין תאנוס, תחת מצב הדמיה זו באזור צופה הפלטינה מייצר בניגוד בהיר. שכבת הפלטינה hemispherical הרצויה היא נראה לעין. איור 3 מציג את המראה של שחיין יאנוס ניאון אופייני בתנאי תאורה אופטימליים קבועים מסטיק gellan. השחיין מופיע כתכונת טבעת סימטרית, והוא מייצג את הרדיוס של הטבעת, שניתן להשתמש בם כדי לקבוע את z-העמדה ביחס קולואיד לעמדת המוקד. איור 4 מראה בחתכים נציג לחלוקת עוצמת הבהירות רדיאלי כי משמש בשילוב עם אלגוריתמי ניתוח תמונה כדי לאתר את המרכז במדויק ורדיוס לכאורה של קולואיד. איור 5 g> מכיל עקומת כיול שהושגו באמצעות מדגם קולואידים קבוע ובמה z-תרגום מיקרוסקופ מכויל להתייחס גודל קולואידים לכאורה ומרחק מן מצב המיקוד. עקומה זו הוא מצויד פונקציה מעוקב, אשר משמש כדי להמיר רדיוס לכאורה לתוך z לתאם. לבסוף, איור 6 מציג a x טיפוסי, y, z מסלול עבור שחיין החלקיקים פלורסנט יאנוס.

באיור 1. תמונה אופטית של microspheres פוליסטירן 1.9 מיקרומטר קוטר. מיקרוסכמות מפוזרות בשקופית זכוכית לנקות לפני בתצהיר פלטינום. סרגל קנה מידה מייצג 40 מיקרומטר. לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

es / ftp_upload / 54,247 / 54247fig2.jpg "/>
איור 2. תמונה backscatter SEM של microspheres פוליסטירן 1.9 מיקרומטר קוטר. מיקרוסכמות מוצגים לאחר בתצהיר פלטינה. סרגל קנה מידה מייצג 2 מיקרומטר. לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3. תמונות כיול של כדור קלקר ניאון 4.8 מיקרומטר בקוטר קבוע מסטיק gellan רשם באמצעות מטרת 20X (0.4 NA). המרחקים מתחת לכל תמונה מצביעים על המרחק של מטוס המוקד של המטרה מעל הכדור. כפי שהתמונה defocused בין 0 מיקרומטר עד 200 מיקרומטר התמונה בפוקוס של שינויי דיסקוס נוהרים אל טבעת מוארת, הרדיוס אשר תלוי גדל, את spher דואר גודל וריחוקו במישור המוקד. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

האיור 4. X, Y, נוהל מעקב חלקיקי z. קבוצה של אלגוריתמים בכתב עצמיים משמש ראשון כדי לאתר את (x, y) במרכז הזירה הבהירה על ידי לחילוץ סדרה של קווים אנכיים ואופקיים ומציאת ממוצע באמצע הנקודה בין הפסגות הבהירות (א). רדיוס הטבעת ולאחר מכן מחושב מעוצמת השיא של שגם מצוידים האפורים-ערכי הפיקסלים הממוצע מקרינים החוצה ממרכז הטבעת (ב). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

e = "1">
איור 5. Z-לתאם תרשים כיול עבור תחומים תאנסו מתקבלים על ידי מדידת רדיוס הטבעת הבהירה של תחומים קבועים מסטיק gellan (ראה איורים 3 ו -4). תרשים הכיול משמש האלגוריתמים שלנו להמיר את רדיוס הטבעת נמדד על z- לתאם. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6. מסלול של מכשיר שחייה בתחום יאנוס ניאון אופייני. רצף של תמונות של המכשיר המרגש שהחייה נרשם על פני תקופה של 30 שניות בקצב מסגרת של 33 רץ. ה (x, y, z) קואורדינטות של המסלול התקבל על ידי איתור במרכז הטבעת הבהירה (אלחוטיאיור 4 (א)) ומשווה את רדיוס הטבעת המדוד בתרשים כיול עבור כל תמונה ברצף (איורים 4 (ב) ו -5). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

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.

The authors have nothing to disclose.

This work was supported by EPSRC Career Acceleration grant EP/J002402/1.