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.
Katalytiska simning enheter är i liten skala, untethered kolloider kan autonomt generera rörelse i fluid miljöer. 1,2 Dessa enheter är att locka betydande forskningsintresse, eftersom de har potential att möjliggöra nya spännande funktioner såsom drug delivery, 3 labb på ett chip transport 4 och miljöåterställning. 5 ett allmänt studerade exemplet är katalytisk "Janus" simmare. 6 Dessa partiklar får sitt namn från att ha två olika sidor, eller ansikten (Janus är en två inför romerska guden). Ena sidan är katalytiskt aktivt och i stånd att utföra en sönderdelningsreaktion, medan den andra är inerta. I närvaro av lämpliga lösta bränslemolekylerna, skapar den resulterande asymmetriska kemiska reaktionen gradienter runt kolloiderna som kan producera rörelse via själv diffusiophoresis / elektrofores. 7
Karaktäriserar rörelsen för dessa snabbt rörliga objekt är cha llenging och många experimentella observationer hittills har begränsats till 2D. Men eventuella tillämpningar kommer sannolikt att utnyttja katalytisk simning enheter förmåga att röra sig genom hela bulklösningar i 3D. 8 För att lösa detta, här beskriver vi ett protokoll som gör noggranna 3D banor för simning enheter som skall fastställas. Denna metod bygger på att tolka ringstrukturer som produceras av oskarpa fluorescerande kolloider observerats med en fast fokus objektiv, 9 och är lätt att applicera med hjälp av konventionella omodifierade mikroskop. Genom att tydligt beskriva denna metod här, kommer andra forskare inom detta område gynnas genom att kunna få tillgång till sådan 3D-information. Detta kommer att hjälpa framtida insikter i rörelse egenskaper för simning enheter. Bevis på denna potential ges av färsk rapport av bassanordningar riktas genom gravitation, 10,11 beteende som kan lättast åskådliggöras genom tillämpning av 3D-spårning. 11
ove_content "> Detta dokument också tydligt dokumenterar en metod för att tillverka katalytiska Janus partikel simning enheter, som kommer att vara av ytterligare fördel att standardisera metoder över befintliga forskargrupper undersöker dessa enheter, och dessutom styra nya forskare som är intresserade av att göra och undersöka simning enheter.Många variabler i beredningen protokoll för platina Janus partiklar kommer att påverka de observerade banor. Parametrarna som beskrivs med hjälp av partiklar med en diameter 2 pm kommer att ge framdrivningshastigheter i storleksordningen 10 mikrometer per sekund. Om mindre partiklar används, kommer hastigheter ökar, samtidigt som man ökar partikelstorleken minskar framdrivningshastigheten. 12 Detaljerna i avdunstnings protokollet kommer också ändra banor observerade. I denna nuvarande protokollet, är en gles fördelning av kolloider rekommenderas tillsammans med metall avdunstning vinkelrätt mot glid orientering. Dessa betingelser resulterar i symmetriska Janus strukturer såsom visas i figur 2, som leder till linjära banor inom gränserna för Brownsk rotations diffusion. 13 Omvänt, om snäva packade kolloider är föremål för ögna vinkel avsättning, kan sedan symmetrin hos Janus cap brytas att inducera spinning beteende. 14 partiklarna produceras här visar relativt isotrop rörelse i alla tre dimensioner; men om tjockare platina beläggningar, eller större partiklar används, kan en uppåt partiskhet eller gravitaxis vidarebefordras. 11 Information om lagring av Janus kolloider efter tillverkningen kan också påverka simning hastigheter observerats. Den höga ytenergin ren platina yta som kommer ut från avdunstningssteget är mottagliga för ytan kontaminering till exempel från kolväten, särskilt tioler. 15
Dessutom lösningsegenskaper där Janus kolloider återsuspenderas är kritiska för att observera framdrivning. Låga peroxidkoncentrationer kommer att resultera i långsammare hastigheter, eftersom hastigheten för sönderdelningsreaktionen producerar rörelse minskar. 6 Dessutom låga koncentrationer av salter kommer att resultera i en dramatisk minskning av framdrivningshastighet. 7
En viktig egenskap hos kolloider produceras här är deras neutral flytkraft, vilket gör dem lämpliga för 3D spårning. I allmänhet gäller simning enheter har knappast uppmärksammat 3D-effekter, delvis på grund av några framstående exempel görs av täta metaller, vilket får dem att snabbt sediment, 16, men också på grund av de svårigheter och kostnader som är förknippade med att göra de nödvändiga mätningarna. Tydliga nackdelar för några etablerade 3D spårningsmetoder existerar för dessa snabbt rörliga kolloider, till exempel, kan konfokalt sveplasermikroskop saknar den temporala upplösningen för att spela in ett tillräckligt antal bilder för att lösa banor. I detta sammanhang, den metod vi presenterar här har den viktiga fördelen att endast kräva en enda ram för att möjliggöra uppskattning av z-koordinat, vilket följaktligen medger hög bildhastighet. Också, som z-koordinat rekonstruktion bygger endast på den relativa kontrast out-of-fokus kolloid i enskilda bildrutor, än den absoluta fluorescensintensitet, är det ganska motståndskraftig att släcka och blinkande effekteri fluoroforen. Dessa fördelar är möjliga på bekostnad av en minskad skärpedjup över vilka 3D bana rekonstruktion är möjlig, och kravet på väl åtskilda icke-överlapp kolloider. Vi hoppas att beskriva protokollet kommer att tillåta andra forskargrupper med ett intresse i 3D beteende för sina simning enheter till tillgång till denna information rakt och med en hög grad av precision. Det är uppenbart att utvidga förståelsen av dessa enheter till 3D kommer att öppna upp en betydande rad intressanta framtida fenomen och tillämpningar. Läsare som är intresserade av ytterligare detaljer om banan analys riktas mot referens 17 som beskriver vanliga artefakter i framdrivningssystem och hur man kan säkerställa korrekt kvantifiering av framdrivningshastigheter.
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by EPSRC Career Acceleration grant EP/J002402/1.
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" |