Preparazione e 3D tracking di catalitici nuoto Devices

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.

Dispositivi di nuoto catalitici sono di piccole dimensioni, i colloidi untethered in grado di generare autonomamente movimento in ambienti fluidici. ^1,2 Questi dispositivi stanno attirando un notevole interesse di ricerca in quanto hanno il potenziale per abilitare nuove interessanti funzioni come la somministrazione di farmaci, ³ laboratorio su un chip di trasporti ⁴ e risanamento ambientale. ⁵ un esempio ampiamente studiati sono catalitico nuotatori "Janus". ⁶ Queste particelle prendono il nome di avere due lati distinti, o facce (Janus è un due di fronte dio romano). Un lato è cataliticamente attiva e in grado di eseguire una reazione di decomposizione, mentre l'altro è inerte. In presenza di opportuni molecole di combustibile disciolte, la reazione chimica asimmetrica risultante crea gradienti intorno colloidi che possono produrre movimento tramite auto-diffusiophoresis / elettroforesi. ⁷

Che caratterizza la proposta di questi oggetti in rapido movimento è cha llenging e molte osservazioni sperimentali fino ad oggi sono stati limitati a 2D. Tuttavia, eventuali applicazioni sono suscettibili di sfruttare catalitico dispositivi di nuoto capacità di muoversi in tutta soluzioni rinfusa in 3D. ⁸ Per risolvere questo problema, qui si descrive un protocollo che consente traiettorie 3D accurati per i dispositivi di nuoto da determinare. Questo metodo si basa sulla interpretazione delle strutture ad anello prodotte da su colloidi fluorescenti fuoco osservate con un obiettivo a fuoco fisso, ⁹ ed è facile da applicare con microscopi non modificate convenzionali. Descrivendo chiaramente questo metodo qui, altri ricercatori in questo campo potranno beneficiare grazie alla possibilità di accedere a tali informazioni in 3D. Ciò aiuterà intuizioni future in caratteristiche di movimento per i dispositivi di nuoto. La prova di questo potenziale è dato dalla recente relazione di dispositivi di nuoto essere diretto dalla forza di gravità, ^10,11 comportamento che può essere più facilmente visualizzabile attraverso l'applicazione di tracking 3D. ¹¹

ATTENZIONE: Si prega di consultare tutte le relative schede di sicurezza dei materiali prima dell'utilizzo. Il perossido di idrogeno utilizzato in questo protocollo è dannoso, e l'evoluzione di ossigeno gassoso quando esposto ad platino pone un rischio di esplosione. Utilizzare tutti i controlli di sicurezza appropriate durante questo protocollo tra cui i controlli tecnici, mentre la movimentazione soluzioni di perossido (cappa) e dispositivi di protezione individuale (occhiali, guanti e camice da laboratorio).

1. Rendere catalitica Janus Particelle

1. Preparare substrato vetrino
   1. Pulire un vetrino da microscopio inutilizzato standard utilizzando il lavaggio sequenziale per alcuni minuti ciascuno in acqua deionizzata (DI), soluzione vetro decontaminazione e acqua deionizzata. Poi lavare con un 70:30 v: v miscela di etanolo: acqua deionizzata, e infine asciugare in un flusso di aria / azoto pulita.
   2. Esaminare il vetrino sotto un microscopio per verificare che la superficie sia pulita e priva di segni di contaminazione particellare. Ripetere il punto 1.1.1, se necessario.
2. Preparare dispersione colloidale per la deposizione
   1. Pipettare 10 ml di soluzione acquosa colloidale magazzino fluorescente (10% in peso.) In 990 ml di etanolo. Regolare volumi come richiesto a seconda della concentrazione della soluzione utilizzata per arrivare a circa lo 0,1% in peso della sospensione colloidale.
   2. mix vortex per 10 secondi.
3. Cappotto Spin dispersione colloidale sul substrato vetrino
   1. Dotare un dispositivo a induzione giro con il vetrino pulito. Riempire un puntale con 100 ml di soluzione colloidale diluita preparata in precedenza. Programma di spin coater per eseguire un 30 sec, 2.000 rpm ciclo. Avviare rotazione coater, e quando fino a velocità delle pipette continuo la soluzione preparata sul centro del vetrino filatura.
   2. Rimuovere vetrino dal dispositivo a induzione giro, tornare al microscopio ottico e verificare che un ancora dispersione soprattutto non toccare colloidi separati copre la regione o centralef vetrino.
4. Vacuum evaporare platino metallo sul colloide decorato vetrino
   1. Inserire il rivestito colloide vetrino in un evaporatore metallico. Assicurarsi che il colloide decorato lato sia rivolto verso la fonte di evaporazione. Installare una fonte di evaporazione di platino in metallo e depositare 15 nm di metallo platino.
      Nota: Dopo la deposizione di metallo, i campioni devono essere conservati in atmosfera inerte.

2. "nuotare" Particelle Janus

1. Risospendere Janus colloidi in una soluzione di perossido contenente
   1. Tagliare un quadrato di 1 x 1 cm di tessuto lenti, e smorzare alla fine con 10 ml di acqua deionizzata. Tenere con le pinzette, e strofinare delicatamente lungo la superficie della ricoperto platino colloidale decorato vetrino (questo passaggio rimuove fisicamente colloidi dal substrato).
   2. Inserire il tessuto obiettivo in 1,5 ml di acqua deionizzata e agitare manualmente energicamente per 30 secondi in un tu sigillatoessere. Rimuovere il tessuto lente.
   3. Pipettare 1 ml di colloide contenente soluzione in un nuovo contenitore, riempito con 1 ml di 30% w / v H ₂ O ₂ soluzione madre. Mescolare delicatamente le soluzioni, e poi posto in un bagno a ultrasuoni a temperatura ambiente per 5 minuti, seguito da un altro 25 min periodo di incubazione unstirred.
      ATTENZIONE: Questa soluzione può evolvere ossigeno; Non sigillare.
   4. Secco 100 microlitri della soluzione colloidale acquosa restante SU UN microscopio elettronico a scansione (SEM) stub per consentire SEM verifica della struttura colloidale Janus. ¹⁴
2. Preparare analisi provetta
   1. Aggiungere un ulteriore 1 ml di acqua deionizzata alla soluzione incubate contenente perossido e platino rivestito colloidi ad arrivare ad una forza di combustibile idoneo (10%) per consentire la propulsione veloce.
      Nota: Le fasi di incubazione precedenti sono state effettuate in concentrazioni superiori a combustibile concentrazione per pulire la superficie del catalizzatore di platino.
   2. Riempire un loVolume w cuvetta vetro al quarzo rettangolare con la soluzione incubata. Liberamente montare un tappo push-in.
      ATTENZIONE: rischio di esplosione - non utilizzare un tappo a vite.

3. osservazione al microscopio

1. Individuare particella di interesse
   1. Carico cuvetta in un microscopio a fluorescenza dotato di un obiettivo adatto (per esempio, 20X) ed eccitare emissione fluoroforo utilizzando una opportuna combinazione di filtri (eccitazione 450-490 nm, emissione> 515 nm).
   2. cercare manualmente colloidi fluorescenti all'interno della provetta.
      Nota: Regolazione della densità colloide, pur mantenendo la concentrazione di perossido può essere richiesto. Ad esempio, la diluizione è consigliato se la densità colloidale è elevata, e numerose bolle di ossigeno producono flussi sono presenti. Una concentrazione del volume colloidale di circa il 0,003% è un punto di partenza consigliato.
   3. Ottimizzare le impostazioni ottici per il monitoraggio 3D: in condizioni di illuminazione adeguate, in concentrarsi colloidi apparirà oggetti circolari come taglienti. Tuttavia, come propulsione sposta i colloidi in e fuori del piano focale una dimensione distintiva anello di cambio luminosa centrata intorno si osserverà la sfera, questo è usato per determinare la coordinata z per attivare tracking 3D.
2. Registra video
   1. Prima di iniziare la cattura video, mettere a fuoco il microscopio in modo che la particella di interesse produce un anello concentrico, con la particella "sotto" la posizione del fuoco. Non spostare il piano di messa a fuoco durante la cattura video.
   2. Registra video di particelle di interesse. Utilizzare il video durate 30 sec con frame rate superiori a 30 Hz di consentire la ricostruzione dettagliata traiettoria.
3. Ricostruzione traiettoria 3D
   1. Calibrare asse z
      1. Portare un peso del 2%. soluzione gellano in acqua contenente una sospensione di particelle fluorescenti Janus a 60 ° C, posto in una cuvetta equivalentequello utilizzato in precedenza, e permettono di impostare in modo da formare un campione gel trasparente rigida contenente colloidi fisse assicurate.
      2. Concentrarsi su un unico colloidale fissa utilizzando le stesse condizioni di illuminazione selezionati in precedenza, ora registrare una serie di immagini fisse come la Z-focus è sollevata dal spostamenti noti relativi a questo piano.
      3. Determinare il raggio dell'anello in ciascuna posizione del fuoco conosciuta ^11.
         Nota: Questo è più efficiente eseguita utilizzando un algoritmo di analisi di immagine che può essere applicato come un processo batch per tutta la taratura ancora incornicia, e video. Un approccio tipico coinvolge levigatura dell'immagine, soglia per identificare una posizione approssimativa del centro degli oggetti, e quindi posizionare i x effettivi e le coordinate y del centro dell'anello misurando la distanza tra i picchi di intensità entrambi i lati dell'anello. La distanza radiale medio ai picchi di intensità dal centro dell'anello può essere trovata. ¹¹ Ciò consente sia il raggio un anello luminosod coordinata da determinare con precisione sub-pixel xy. Posizionando il x, y, z posizione di una sfera Janus fissato gellano 30 micron dal piano focale, in una sequenza temporale di immagini, le particelle possono essere posizionati con un errore di ± 25 nm lungo ciascun asse. L'errore può essere attribuito al rumore nelle immagini. Il rapporto segnale rumore e quindi la precisione degli algoritmi spilli dipende dalla intensità della luce di fluorescenza rilevata. Quando una sfera Janus è lontano dal piano focale sua intensità diventa troppo debole per monitorare con precisione che, ad esempio, per un diametro 4,8 micron colloid zo gamma di circa 200 micron è possibile. Un metodo non-algoritmico alternativa è quella di utilizzare semplice misurazione manuale di x, y centro e raggio, ma questo ridurrà la precisione.
      4. Tracciare una curva di mettere in relazione la distanza di z-posizione, e si adattano ad una funzione appropriata (ad esempio, l'equazione cubica) per consentire l'interpolazione. ¹¹
   2. Calibra x, l'asse y
      1. Registrare un'immagine al microscopio ottico di un reticolo calibrazione spaziale ancora inquadrare utilizzando le stesse condizioni microscopio scelti in 3.2.
      2. Misurare la dimensione "in pixel" di un oggetto con note dimensione del mondo reale da l'immagine del reticolo calibrazione spaziale e utilizzare questo per stabilire un pixel a fattore di conversione micron per la x, y piano dell'immagine.
   3. ricostruire traiettoria
      1. Determinare le coordinate x e y e raggio per ogni fotogramma della sequenza video come descritto in 3.3.1.3, utilizzare la funzione si trovano in 3.3.1.4 per convertire raggio in z, e il fattore di calibrazione si trovano in 3.3.2.2 per convertire x e y pixel coordinate in micron. Questa procedura si tradurrà in un accurato x, y, z coordinate per la posizione particelle propulsivi come funzione del tempo. ¹¹ Questa procedura può essere implementata utilizzando un algoritmo, o manualmente.
      2. Determinare il p derivatoroperties come la velocità media di quantificare l'entità del nuoto catalitica osservata.

La figura 1 mostra una dispersione tipica di colloidi su un vetrino di vetro pulito prima di depositare il platino. La figura 2 mostra un'immagine SEM di una tipica retrodiffusa per mezzo di platino rivestito Janus nuotatore, in questa modalità di imaging regione ricoperto platino produce contrasto luminoso. Il platino strato emisferica desiderato è evidente. La Figura 3 mostra l'aspetto di un tipico fluorescenti Janus nuotatore in condizioni ottimali di illuminazione fissati in gellano. Il nuotatore appare come una funzione di suoneria simmetrica, ed è il raggio dell'anello che può essere utilizzato per determinare la posizione z del relativo colloidale alla posizione del fuoco. Figura 4 mostra rappresentativi sezioni per la distribuzione di intensità della luminosità radiale è usato in combinazione con algoritmi di analisi dell'immagine per localizzare con precisione il centro e il raggio apparente del colloide. Figura 5 g> contiene una curva di calibrazione ottenuta utilizzando un campione colloidale fissa e un microscopio fase Z-traduzione calibrato di mettere in relazione apparente dimensione colloidale e la distanza dalla posizione di messa a fuoco. Questa curva è montata ad una funzione cubica, che viene utilizzato per convertire raggio apparente nella coordinata z. Infine, la figura 6 mostra una tipica x, y, z traiettoria di fluorescenza Janus nuotatore particelle.

Figura 1. immagine ottica di 1,9 micron di diametro microsfere di polistirolo. Le microsfere sono dispersi su un vetrino puliti prima deposizione di platino. Barra della scala rappresenta 40 micron. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 2. immagine backscatter SEM di un 1,9 micron di diametro microsfere di polistirolo. Le microsfere sono mostrati dopo la deposizione di platino. Barra della scala rappresenta il 2 micron. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3. immagini di calibrazione di 4,8 micron di diametro fluorescente sfera polistirolo fissato gellano registrato utilizzando un obiettivo 20X (0,4 NA). Le distanze sotto ogni immagine indica la distanza del piano focale dell'obiettivo sopra della sfera. Poiché l'immagine viene defocalizzato da 0 micron a 200 micron l'immagine a fuoco di un brillante disco passa un anello luminoso, il cui raggio dipende ingrandimento, la sphere dimensioni e la sua distanza dal piano focale. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4. X, y, z procedura particle tracking. Una serie di algoritmi auto-scritta è utilizzato per individuare primo centro (x, y) dell'anello luminoso estraendo una serie di linee verticali e orizzontali e trovare la media metà punto tra i picchi luminosi (a). Il raggio anello viene quindi calcolato dal picco di intensità di una spline montato il grigio-valori dei pixel media si irradiano dal centro dell'anello (b). Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 5. coordinata Z grafico di calibrazione per le sfere Janus ottenuti misurando il raggio luminoso anello di sfere fissati in gellano (vedi figure 3 e 4). La tabella di calibrazione viene utilizzato dai nostri algoritmi per convertire il raggio dell'anello misurata ad un z- coordinare. clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 6. Una traiettoria di un tipico dispositivo fluorescente Janus sfera nuoto. Una sequenza di immagini del dispositivo di nuoto movimento è stato registrato su un periodo di 30 secondi ad un frame rate di 33 Hz. L'(x, y, z) coordinate della traiettoria sono stati ottenuti posizionando il centro anello luminoso (Fifigura 4 (a)) e confrontando il raggio dell'anello misurato al grafico di taratura per ciascuna immagine nella sequenza (figure 4 (b), e 5). Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Molte variabili nel protocollo di preparazione per il platino particelle Janus influenzeranno le traiettorie osservati. I parametri descritti utilizzando 2 micron le particelle di diametro darà velocità di propulsione nell'ordine dei 10 micron al secondo. Se si utilizzano particelle più piccole, le velocità aumenteranno, mentre aumenta la dimensione delle particelle diminuisce la velocità di propulsione. ¹² I dettagli del protocollo di evaporazione anche alterare le traiettorie osservati. In questo protocollo corrente, si consiglia una distribuzione sparsa di colloidi, insieme con l'evaporazione di metallo normale per l'orientamento diapositiva. Queste condizioni determinano strutture Janus simmetriche come mostrato nella Figura 2, che portano a traiettorie lineari nei limiti di diffusione rotazionale browniano. ¹³ Al contrario, se colloidi stretto sacco sono soggette a guardando deposizione angolo, quindi la simmetria del tappo Janus può essere rotto , per indurre filatura comportamento. ¹⁴ Il paRTICOLI prodotte qui mostrano il movimento relativamente isotropa nelle tre dimensioni; tuttavia, se sono utilizzati rivestimenti di platino più spesso, o particelle più grandi, un alto pregiudizi o gravitaxis possono essere impartiti. ¹¹ Dettagli della memorizzazione dei colloidi Janus dopo la produzione può anche influenzare la velocità di nuoto osservati. La superficie di platino pulita alta energia superficiale che emerge dalla fase di evaporazione è suscettibile di superficie contaminazione per esempio da idrocarburi, in particolare tioli. ¹⁵

Inoltre, le proprietà della soluzione in cui i colloidi Janus vengono risospese sono fondamentali per osservare la propulsione. Basse concentrazioni di perossido provocheranno velocità più lente, come il tasso del moto reazione di decomposizione produrre riduce. ⁶ Inoltre, basse concentrazioni di sali si tradurrà in una drastica riduzione della velocità di propulsione. ⁷

Una caratteristica fondamentale dei colloidi prodotte qui è la loro negalleggiamento utral, che li rende adatti per il monitoraggio 3D. In generale, il settore dei dispositivi di nuoto ha prestato poca attenzione agli effetti 3D, in parte a causa di alcuni esempi importanti di essere in metalli densi, inducendoli a rapidamente dei sedimenti, ^16, ma anche a causa delle difficoltà e costi connessi con fare le misurazioni necessarie. esistono evidenti svantaggi per alcuni stabiliti metodi di monitoraggio 3D per questi colloidi rapido movimento, ad esempio, la scansione microscopia confocale laser può mancare la risoluzione temporale di registrare un numero sufficiente di immagini per risolvere traiettorie. In questo contesto, il metodo presentiamo qui ha il notevole vantaggio di richiedere solo un singolo frame, per poter valutare coordinata z, che permette conseguentemente elevati frame rate. Inoltre, come coordinata z ricostruzione basa solo sulla relativa contrasto del colloide fuori fuoco in singoli fotogrammi, piuttosto che l'intensità di fluorescenza assoluta, è resistente alla tempra e effetti lampeggiantinel fluoroforo. Questi vantaggi sono possibili a spese di ridotta profondità di campo sul quale è possibile ricostruzione traiettoria 3D, e la necessità di colloidi non sovrapposti ben separati. Speriamo che descrive il protocollo permetterà di altri gruppi di ricerca con un interesse nel comportamento 3D per i loro dispositivi di nuoto di accedere a queste informazioni semplicemente e con un alto grado di precisione. È chiaro che ampliando la comprensione di questi dispositivi a 3D aprirà una gamma significativa di fenomeni futuri interessanti e applicazioni. I lettori interessati a ulteriori informazioni di analisi traiettoria sono diretti verso riferimento 17 che descrive manufatti comuni dei sistemi propulsivi e come garantire una quantificazione precisa delle velocità di propulsione.

The authors have nothing to disclose.

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