Method Article
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.
彼らは、このような薬物送達のようなエキサイティングな新しい機能を有効にする可能性を秘めているように、これらのデバイスは、3ラボオンチップトランスポートを重要な研究の関心を集めている、自律的流体環境での運動を生成することが可能な命綱をつけコロイド小規模です。1,2触媒水泳機器4および環境改善。5つ広く研究されている例は、触媒「ヤヌス」スイマーです。6これらの粒子は、(ヤヌスは2直面ローマの神である)は、2つの別個の辺、または面を有するから自分の名前を取得します。他の不活性であり、一方の側には、触媒活性および分解反応を行うことができます。適切な溶解燃料分子の存在下では、得られた非対称の化学反応は、自己diffusiophoresis /電気泳動を介して運動を生成することができるコロイドの周りに勾配を生成する。7
これらの急速に移動する物体のモーションを特徴づけることは茶ですこれまでのllenging、多くの実験観察は、2Dに限られていました。しかし、最終的なアプリケーションが3Dでバルク・ソリューション全体を移動するための触媒水泳デバイスの能力を悪用する可能性があります。8この問題に対処するため、ここでは、決定すべき水泳デバイスの正確な3D軌道を可能にするプロトコルを記述します。この方法は、固定焦点の対物レンズ、9で観察された焦点蛍光コロイドのうちによって生成される環構造の解釈に基づいており、従来の未修正の顕微鏡を使用して適用することが容易です。明らかに、ここでこの方法を記述することにより、この分野の他の研究者は、このような3D情報にアクセスできることによって利益を得るであろう。これは水泳デバイス用の運動特性に将来の洞察を支援します。このポテンシャルの証拠は、重力によって指示されている水泳機器、最も簡単に3Dトラッキングのアプリケーションを介して可視化することができる10,11行動の最近の報告書で与えられる。11
ove_contentは ">また、このペーパーでは、明らかに、これらのデバイスを調査して、既存の研究グループ全体の方法を標準化し、さらに水泳デバイスを作製し、調査に興味を持って新たな研究者を導くためにさらに有益であろう触媒ヤヌス粒子水泳デバイスを製造するための方法を提示します。注意:使用する前に、関連するすべての物質安全データシートを参照してください。このプロトコルで使用される過酸化水素は有害であり、白金に暴露された酸素ガスの発生は、爆発の危険をもたらします。過酸化物溶液(ヒュームフード)と個人用保護具(安全眼鏡、手袋、白衣)を処理しながら、技術管理など、このプロトコル中にすべての適切な安全管理を使用してください。
1.触媒ヤヌス粒子を製造します
2.「水泳」ヤヌス粒子
3.顕微鏡観察
図1は、白金を堆積する前に、清浄なスライドガラス上のコロイドの典型的な分散を示している。 図2は、この撮影モードの下でプラチナコーティングされた領域は明るいコントラストを生成し、ヤヌススイマーコーティングされた半分のプラチナのための典型的な後方散乱SEM像を示します。希望の半球状の白金層は明らかである。3ディスプレイジェランガムで固定し、最適な照明条件の下で、一般的な蛍光ヤヌススイマーの外観図 。スイマーが対称リング機能として表示され、それが焦点位置にコロイドに対するz位置を決定するために使用することができるリングの半径である。 図4は、半径方向の輝度強度分布のための代表的な断面を示しています正確に中心とコロイドの見かけの半径を特定するために画像解析アルゴリズムと組み合わせて使用されている。 図5 グラム>は、焦点位置から明らかなコロイドサイズと距離を関連付けるために、固定コロイドサンプルおよび較正された顕微鏡のz並進ステージを使用して得られた検量線が含まれています。この曲線は、z座標に明らかな半径を変換するために使用されるキュービック関数に取り付けられています。最後に、 図6は、蛍光ヤヌス粒子スイマーのための典型的なX、Y、Zの軌跡が表示されます。
図 1.9ミクロン直径のポリスチレン微小球の 1 光学像。ミクロスフェアは、白金堆積前に洗浄したガラススライド上に分散しています。スケールバーは40μmで表す。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
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1.9μmの直径のポリスチレン微小球の 図2 のSEM後方散乱画像。ミクロスフェアは、白金堆積後に示されています。スケールバーは2μmで表す。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
ジェランガムに固定さ4.8μmの直径の蛍光ポリスチレン球の 図3. キャリブレーション画像は20Xの対物レンズ(0.4 NA)を使用して記録した。各画像の下の距離が球体上記の目的の焦点面までの距離を示しています。画像は明るいリングに明るいディスクの変更の0〜200μmでフォーカスの画像からデフォーカスしているように、半径が、そのうちのspher倍率に依存していますEサイズと焦点面からの距離。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図4. X、Y、Z粒子追跡手順。自己書かれたアルゴリズムのセットは、第1の垂直と水平線のシリーズを抽出し、平均半ばを見つけることによって、明るいリングの(x、y)の中心の位置を特定するために使用されます明るいピーク(a)の間のポイント。リングの半径は、その後、リング中央(B)から放射状に平均画素グレー値にスプライン嵌合しのピーク強度から算出される。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図5ジェランガムで固定球の明るいリング半径を測定したヤヌス球の校正チャートをZ座標(図3と図4を参照してください)。校正チャートは、z方向に測定されたリングの半径を変換するために、当社のアルゴリズムによって使用されています座標。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図6 の典型的な蛍光ヤヌス球水泳装置の軌道。移動水泳装置の画像シーケンスは、33ヘルツのフレームレートで30秒間にわたって記録しました。 (X、Y、Z)の軌跡の座標は明るいリング中心を配置することによって得た(FIグレ4(a))は、シーケンス内の各画像のキャリブレーションチャートを実測リング半径を比較する( 図4(b)及び5)。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
プラチナヤヌス粒子の準備のためのプロトコルには多くの変数が観測された軌道に影響を与えます。 2μmの直径の粒子を用いて説明したようなパラメータは、毎秒10ミクロンのオーダーで推進速度を与えます。より小さな粒子を使用する場合、速度が増加し、粒子径を大きくすると、推進速度を減少する一方12蒸発プロトコルの詳細も観察軌道を変化させます。この現在のプロトコルでは、コロイドのまばらな分布は、一緒にスライド方向に垂直金属蒸着で、推奨されます。これらの条件は、ブラウン回転拡散の制限内で線形軌道につながり、図2に示すように対称ヤヌス構造をもたらす。13逆に、タイトなパックされたコロイドは角度堆積をかすめるの対象となっている場合は、ヤヌスキャップの対称性を破壊することができます紡糸挙動を誘発する。14 PAここで生産rticlesはすべて3次元で比較的等方性の動きを表示します。厚い白金コーティング、またはより大きな粒子を使用する場合は、上方バイアスまたは重力走性を付与することができる。製造後ヤヌスコロイドの貯蔵の11の詳細も観察水泳速度に影響し得ます。蒸発段階から出る高表面エネルギー清浄な白金表面は、炭化水素から、特にチオール、例えば汚染表面の影響を受けやすい。15
また、ヤヌスコロイドを再懸濁された溶液の特性は、推進力を観察するために重要です。分解反応生成運動の速度が減少するように、低過酸化物濃度は、より遅い速度をもたらすであろう。6また、塩の低濃度は、推進速度の劇的な減少をもたらす。7
ここで生産コロイドの重要な特徴は、それらのねあります3Dトラッキングに適していますutral浮力、。一般的には水泳装置の分野では原因、部分的に緻密な金属から作られているいくつかの顕著な例に、3D効果にはほとんど注意を払っているそれら急速に沈殿物、16にも起因し、必要な測定を行うことに伴う困難および費用にします。いくつかの確立された3次元追跡方法の明確な欠点は、これらの急速に移動するコロイドのために存在し、例えば、共焦点走査型レーザー顕微鏡軌跡を解決するために、画像の十分な数を記録するための時間分解能が不足していることができます。この文脈において、ここで本発明の方法は、結果的に高いフレームレートを可能にするz座標の推定を可能にするために単一のフレームを必要とする重要な利点を有しています。復興だけではなく、絶対蛍光強度よりも、単一のフレーム内のピンボケコロイドの相対的なコントラストに依存しているz座標としても、それは効果を急冷し、点滅に強いですフォアインチこれらの利点は、3D軌道の再構成が可能である上に、フィールドの減少深さ、及び十分に分離された非重複コロイドの要件を犠牲にして可能です。私たちは、彼らの水泳デバイスが直接的かつ高精度で、この情報にアクセスするためのプロトコルを記述すると、3D行動に興味を持つ他の研究グループを許可することを願っています。 3Dにこれらのデバイスの理解を拡大することは興味深い将来の現象やアプリケーションの重要な範囲を開くことは明らかです。軌道分析のさらなる詳細に興味のある読者は、推進システムとどのように推進速度の正確な定量を確保するために共通の成果物を説明文献17に向けられています。
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by EPSRC Career Acceleration grant EP/J002402/1.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Evaporator | Moorfield (UK) | Minilab 80 e-beam evaporator | |
Microscope | Nikon | Eclipse LV100 | |
Fluorescence light source | Nikon | Nikon B2A filter cube | |
Objective | Nikon | 20X, 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 liter | |
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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