Preparação e 3D Rastreamento de Catalytic Natação 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.

Dispositivos de natação catalíticos são de pequena escala, colóides untethered capazes de gerar autonomamente movimento em ambientes fluídicos. ^1,2 Estes dispositivos estão atraindo o interesse de pesquisa significativa, pois têm o potencial de permitir excitantes novas funções, como a entrega de drogas, ³ lab-on um transporte de chip ⁴ e remediação ambiental. ⁵ um exemplo amplamente estudados são catalítica "Janus" nadadores. ⁶ Estas partículas obter seu nome de que tem dois lados distintos, ou faces (Janus é um duas caras deus romano). Um lado é cataliticamente activo e capaz de realizar uma reacção de decomposição, enquanto a outra é inerte. Na presença de moléculas de combustível dissolvidos adequados, a reacção química assimétrica resultante cria gradientes em torno dos colóides que pode produzir movimento através de auto-diffusiophoresis / electroforese ^7.

Caracterizando o movimento para esses objetos em movimento rápido é cha llenging e muitas observações experimentais até à data têm sido limitada a 2D. No entanto, eventuais aplicações são susceptíveis de explorar catalítica habilidade dispositivos de natação para se mover ao longo de soluções a granel em 3D ⁸ Para resolver esta questão., Aqui nós descrevemos um protocolo que permite que as trajetórias 3D precisos para dispositivos de natação a ser determinado. Este método baseia-se na interpretação das estruturas anelares produzidos por fora de foco fluorescente colóides observadas com um objectivo de foco fixo, ⁹ e é fácil de aplicar utilizando microscópios convencionais não modificadas. Ao descrever claramente este método aqui, outros pesquisadores da área irão beneficiar por ser capaz de acessar tais informações 3D. Isto ajudará perspectivas futuras em características de movimento para dispositivos de natação. Evidência deste potencial é dado pelo recente relatório de dispositivos de natação que está sendo dirigido por gravidade, ^10,11 comportamento que podem ser mais facilmente visualizado através da aplicação de rastreamento 3D. ¹¹

ATENÇÃO: Por favor, consulte todas as fichas de dados de segurança do material relevantes antes do uso. O peróxido de hidrogênio utilizado neste protocolo é prejudicial, e a evolução de gás de oxigênio quando exposto à platina representa um risco de explosão. Use todos os controles de segurança apropriados durante este protocolo, incluindo controles de engenharia ao manusear soluções de peróxido (extractor de fumo) e equipamentos de proteção individual (óculos de segurança, luvas e bata de laboratório).

1. Fazendo Catalytic Janus partículas

1. Prepare substrato lâmina de vidro
   1. Limpar uma lâmina de microscópio padrão não utilizado, usando a lavagem sequencial por alguns minutos cada, em água deionizada (DI) de água, solução de descontaminação de vidro e água DI. Em seguida, lave com um 70:30 v: v mistura de etanol: água DI e, finalmente, golpe seco em uma corrente de ar / nitrogênio limpo.
   2. Examine a lâmina de vidro sob um microscópio para verificar a superfície esteja limpa e livre de evidência de contaminação por partículas. Repita o passo 1.1.1, se necessário.
2. Prepare dispersão coloidal para deposição
   1. Pipetar 10 ul de solução aquosa de colóide estoque fluorescente (10% em peso.) Em 990 ul de etanol. Ajuste volumes conforme necessário, dependendo da concentração da solução estoque utilizado para chegar a cerca de suspensão peso coloidal 0,1%.
   2. mistura de vórtice durante 10 seg.
3. Revestimento de spin dispersão coloidal em substrato lâmina de vidro
   1. Equipar um revestidor de rotação com a lâmina de vidro limpa. Encha com uma ponta de pipeta 100 uL da solução diluída coloidal preparada acima. rotação programa para executar um revestidor de 30 s, ciclo 2000 rpm. Iniciar revestidor de rotação, e quando uma velocidade continuamente até a solução preparada pipeta para o centro da lâmina de vidro de fiação.
   2. Remover lâmina de vidro do coater rotação, retornar ao microscópio óptico e verificar se uma dispersão uniforme de colóides separadas principalmente não tocar cobre a região o centrof a lâmina de vidro.
4. Vacuum evaporar metal platina em colóide decorados lâmina de vidro
   1. Inserir a lâmina de vidro coloidal revestido de metal para um evaporador. Verifique se o colóide decorados lado está voltado para a fonte de evaporação. Instalar uma fonte de evaporação de metal de platina e o depósito de 15 nm de platina metálica.
      Nota: Após a deposição de metal, as amostras devem ser armazenadas sob uma atmosfera inerte.

2. "Natação" partículas Janus

1. Re-suspender Janus Colloids numa solução contendo peróxido
   1. Corte um 1 x 1 centímetro quadrado do tecido da lente, e amortecer a extremidade com 10 ul de água desionizada. Segurar com uma pinça, e esfregar suavemente ao longo da superfície da lâmina de vidro decorados colóide de platina revestido (Este passo remove fisicamente colóides do substrato).
   2. Insira o tecido lenticular, em 1,5 ml de água DI e agitar manualmente vigorosamente por 30 segundos num tu seladaestar. Remover o tecido da lente.
   3. Pipete 1 mL de solução contendo o colóide para um novo recipiente, cheios com 1 ml de 30% w / v solução de H ₂ O _2. Misturar suavemente as soluções, e, em seguida, colocar num banho de ultra-sons à temperatura ambiente durante 5 min, seguido por um outro período de incubação de 25 minutos sem agitação.
      ATENÇÃO: Esta solução pode evoluir de oxigênio; Não selar.
   4. Secas 100 ul da solução coloidal aquosa restante em um microscópio eletrônico de varredura (SEM) stub para permitir a verificação SEM da estrutura coloidal Janus ^14.
2. Prepare cuvette análise
   1. Adicionar um adicional de 1 ml de água desionizada para a solução incubada contendo colóides de peróxido e de platina revestido de chegar a uma força de combustível adequada (10%) para permitir a propulsão rápida.
      Nota: As etapas de incubação anteriores foram realizados em concentrações mais elevadas de combustível concentração para limpar a superfície do catalisador de platina.
   2. Encha a lovolume de w de quartzo retangular tina de vidro com a solução incubada. Vagamente encaixar uma tampa push-in.
      CUIDADO: Risco de explosão - não use uma tampa de rosca.

3. microscópica Observação

1. Localizar partícula de interesse
   1. Carregar a cuvete um microscópio de fluorescência equipado com uma objectiva adequado (por exemplo, 20X) e excita emissão fluoróforo utilizando uma combinação adequada de filtros (excitação 450-490 nm, emissão a> 515 nm).
   2. procurar manualmente colóides fluorescentes dentro da tina.
      Nota: Ajustar a densidade colóide, mantendo a concentração de peróxido pode ser necessária. Por exemplo, a diluição é recomendado se a densidade colóide é alta, e numerosas bolhas de oxigénio que produzem fluxos estão presentes. A concentração em volume do colóide de cerca de 0,003% é um ponto de partida recomendada.
   3. Otimizar as configurações ópticas para rastreamento 3D: em condições de iluminação adequadas, iN concentrar colóides aparece objectos circulares como afiadas. No entanto, como os coloides de propulsão se move dentro e para fora do plano focal um tamanho distinto mudando anel brilhante centrada em torno da esfera será observado, este é utilizado para determinar a coordenada z para activar o controlo de 3D.
2. Gravar vídeo
   1. Antes de iniciar a captação de vídeo, o foco do microscópio de modo a que a partícula de interesse produz um anel concêntrico, com a partícula "sob" a posição do foco. Não mova o plano de foco durante a captura de vídeo.
   2. Gravar vídeos de partículas de interesse. Use durações de vídeo de 30 segundos com taxas de quadro superiores a 30 Hz para permitir a reconstrução trajetória detalhada.
3. Reconstrução trajetória 3D
   1. Calibrar eixo z
      1. Faça-se um peso de 2%. solução de goma de gelana em água que contém uma suspensão de partículas de Janus fluorescentes a 60 ° C, em lugar de uma cuvete equivalente aque é utilizado acima, e deixar solidificar para formar uma amostra de gel transparente rígida contendo colóides estáticos fixos.
      2. Concentre-se em um único colóide fixo usando as mesmas condições de iluminação selecionados acima, agora gravar uma série de imagens estáticas como o foco z é levantada por deslocamentos conhecidos relativos a este plano.
      3. Determinar o raio do anel em cada posição de focagem conhecido ^11.
         Nota: Este é ainda mais eficiente realizada por meio de um algoritmo de análise de imagem que pode ser aplicado como um processo em lotes para todos os quadros de calibração, e vídeos. Uma abordagem típica envolve suavizar a imagem, limiar para identificar uma localização aproximada do centro dos objetos e, em seguida, localizar os x reais e y coordenadas do centro do anel, medindo a distância entre os picos de intensidade de ambos os lados do anel. A distância radial significativo para os picos de intensidade do centro do anel pode então ser encontrado. ¹¹ Esta permite que o raio do um anel brilhanted xy coordenar a serem determinadas com precisão sub-pixel. Ao localizar o X, Y, Z posição de uma esfera Janus fixo em goma de gelano de 30 um em relação ao plano focal, numa sequência temporal das imagens, as partículas podem ser localizados com um erro de ± 25 nm ao longo de cada eixo. O erro pode ser atribuída a ruído nas imagens. A relação sinal-ruído e, por conseguinte, a precisão dos algoritmos de localização é dependente da intensidade da luz de fluorescência detectado. Quando uma esfera Janus é medida a partir do plano focal sua intensidade torna-se muito fraca para controlar com precisão o que, por exemplo, para um diâmetro de 4,8 | iM colóide um z-gama de cerca de 200 um é possível. Um método não-algorítmica alternativa é a utilização de medição manual simples de x, y e o centro do raio, no entanto, isto vai reduzir a precisão.
      4. Traçar uma curva de calibração para relacionar raio para z-position, e apto para uma função apropriada (por exemplo, equação, cúbico) para permitir a interpolação. ¹¹
   2. Calibrar x, eixo y
      1. Gravar um ainda armação imagem do microscópio óptico de uma retícula de calibração espacial usando as mesmas condições de microscópio escolhido no ponto 3.2.
      2. Medir a dimensão "em pixels" de um objeto com dimensões conhecidas do mundo real a partir da imagem da retícula calibração espacial e usar isso para estabelecer um pixels para fator de conversão micron para o x, y plano da imagem.
   3. reconstruir a trajetória
      1. Determine as coordenadas x e y e raio para cada quadro da sequência de vídeo como descrito em 3.3.1.3, use a função encontrada em 3.3.1.4 para converter raio em z, eo fator de calibração encontrado em 3.3.2.2 para converter x e y coordenadas de pixel em microns. Este processo resultará num precisos x, y, z coordenadas para o local de partículas de propulsão como uma função do tempo. ¹¹ Este processo pode ser implementado utilizando um algoritmo, ou manualmente.
      2. Determinar o p derivadaROPRIEDADES tais como velocidade média para quantificar a extensão da natação catalítica observada.

A Figura 1 mostra uma dispersão típica de colóides em uma lâmina de vidro limpa antes da deposição de platina. A Figura 2 mostra uma imagem SEM de volta típica-espalhados por meio de platina revestido Janus nadador, no âmbito do presente modo de imagiologia da região de platina revestida produz contraste brilhante. A camada de platina hemisférica desejado é aparente. Figura 3 mostra a aparência de uma lâmpada fluorescente Janus nadador típica em condições de iluminação ideais fixos em goma de gel. O nadador aparece como uma característica anel simétrico, e é o raio do anel que pode ser utilizado para determinar o z-posição do colóide em relação à posição de focagem. A Figura 4 mostra secções transversais representativos para a distribuição de intensidade do brilho radial que é utilizado em combinação com algoritmos de análise de imagem para localizar com precisão o centro e raio aparente do colóide. Figura 5 g> contém uma curva de calibração obtida utilizando uma amostra coloidal fixo e um microscópio de fase Z-tradução calibrado para relacionar o tamanho coloidal aparente e a distância da posição de focagem. Esta curva está equipado para uma função cúbica, que é utilizado para converter o raio aparente na coordenada z. Finalmente, a Figura 6 mostra um típico x, y, z trajectória para um fluorescente Janus nadador partícula.

Figura 1. Imagem Óptico de microesferas de poliestireno de 1,9 mm de diâmetro. As microesferas são dispersas numa lâmina de vidro limpo antes da deposição de platina. Barra de escala representa 40 um. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

es / ftp_upload / 54247 / 54247fig2.jpg "/>
Figura 2. Imagem SEM de uma retroespalhamento 1,9 um de diâmetro microesferas de poliestireno. As microesferas são mostrados após a deposição de platina. Barra de escala representa 2 um. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3. Imagens de calibração de uma esfera de poliestireno fluorescentes 4,8 mm de diâmetro fixo na goma de gel gravado utilizando um objetivo 20X (0,4 NA). As distâncias abaixo de cada imagem indicam a distância do plano focal do objectivo acima da esfera. À medida que a imagem está desfocado de 0 um a 200 um a imagem no foco de um brilhante alterações disco para um anel luminoso, o raio dos quais é dependente de ampliação, o sphere tamanho e sua distância do plano focal. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4. X, Y, Z procedimento de rastreamento de partículas. Um conjunto de algoritmos de auto-escrita é usado primeiro para localizar o centro (x, y) do anel brilhante através da extracção de uma série de linhas verticais e horizontais e encontrar a média médio ponto entre os picos brilhantes (a). O raio do anel é então calculado a partir da intensidade do pico de uma ranhura ajustada aos valores de cinzentos de pixel média que irradiam para fora do centro do anel (b). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5. coordenada Z gráfico de calibragem para esferas Janus obtidos medindo o raio luminoso anel de esferas fixas em goma de gelano (ver Figuras 3 e 4). O gráfico de calibração é utilizada pelos nossos algoritmos para converter o raio medido a um anel Z- coordenar. por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6. A trajetória de um dispositivo típico fluorescente Janus esfera natação. Uma sequência de imagens do dispositivo móvel natação foi gravado durante um período de 30 segundos a uma taxa de quadros de 33 Hz. O (x, y, z) da trajectória coordenadas foram obtidos por localizar o centro de anel brilhante (Fifigura 4 (a)) e comparando o raio de oscilação medida para o gráfico de calibração para cada imagem na sequência (Figuras 4 (b) e 5). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Muitas variáveis ​​no protocolo de preparação para a platina partículas Janus afectará as curvas observadas. Os parâmetros, como descrito usando partículas de 2 um de diâmetro vai dar velocidades de propulsão na ordem de 10 um por segundo. Se são utilizadas partículas menores, as velocidades irá aumentar, enquanto que o aumento do tamanho de partícula irá diminuir a velocidade de propulsão. ¹² Os detalhes do protocolo de evaporação também irá alterar as trajectórias observadas. Neste protocolo atual, uma distribuição esparsa de colóides é recomendado, juntamente com a evaporação de metal normal à orientação do slide. Estas condições resultam em estruturas Janus simétricas como mostrado na Figura 2, que conduzem a trajectórias linear dentro dos limites de difusão de rotação Browniano. ¹³ Por outro lado, se colóides apertado embalados estão sujeitos a olhando deposição em ângulo, em seguida, a simetria da tampa Janus pode ser quebrado , para induzir girando comportamento. ¹⁴ a paARTIGOS produzidos aqui exibir movimento relativamente isotrópico em todas as três dimensões; no entanto, se forem utilizados mais espessos revestimentos de platina, ou maiores partículas, um viés ou gravitaxis para cima pode ser transmitida. ¹¹ Detalhes do armazenamento dos colóides Janus após o fabrico pode também afetar as velocidades de natação observados. A superfície de platina limpo elevada energia superficial que emerge a partir da fase de evaporação é susceptível a contaminação da superfície, por exemplo, de hidrocarbonetos, e em particular, tióis. ¹⁵

Além disso, as propriedades da solução em que os colóides Janus são re-suspensas são críticos para a observação de propulsão. Baixas concentrações de peróxido irá resultar em velocidades mais lentas, como a taxa de movimento da reacção de decomposição produzindo reduz. ⁶ Além disso, as baixas concentrações de sais resultará numa redução dramática na velocidade de propulsão. ⁷

Uma característica fundamental dos colóides produzidos aqui é a sua neflutuabilidade utral, o que os torna adequados para o rastreamento 3D. Em geral, o domínio dos dispositivos de natação deu pouca atenção aos efeitos 3D, em parte devido a alguns exemplos proeminentes a ser feitos a partir de metais densos, fazendo-os rapidamente sedimentos, ^16, mas também devido às dificuldades e despesas associadas a fazer as medições necessárias. desvantagens claras para alguns métodos de rastreamento 3D estabelecidos existem para esses colóides que se movimentam rapidamente, por exemplo, microscopia confocal de varredura a laser pode faltar a resolução temporal para gravar um número suficiente de imagens para resolver trajetórias. Neste contexto, o método apresentado aqui tem a vantagem significativa de apenas exigir um único enquadramento para permitir a estimativa da coordenada z, que, consequentemente, permite elevadas taxas de quadro. Além disso, como coordenada z reconstrução baseia-se apenas sobre o contraste relativa do colóide fora de foco em quadros individuais, em vez da intensidade de fluorescência absoluta, que é resistente a têmpera e efeitos piscarno fluoróforo. Estas vantagens são possíveis à custa de uma reduzida profundidade de campo sobre o qual trajectória reconstrução 3D é possível, e o requisito de colóides não sobrepostos bem separados. Esperamos que descreve o protocolo permitirá que outros grupos de pesquisa com interesse em comportamento 3D para os seus dispositivos de natação para acessar essas informações diretamente e com um alto grau de precisão. É claro que a expansão do entendimento desses dispositivos para 3D vai abrir um leque significativo de fenômenos futuros interessantes e aplicações. Os leitores interessados ​​em mais detalhes da análise de trajetória são direcionados para referência 17, que descreve artefatos comuns em sistemas de propulsão e como assegurar a quantificação precisa de velocidades de propulsão.

The authors have nothing to disclose.

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