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.
촉매 수영 장치 소규모 자율적 유체 환경에서 모션을 발생시킬 풀려 콜로이드이다. 그것들은 약물 전달, 3 칩 운반 랩 온어 같은 흥미로운 새로운 기능을 활성화 할 가능성이 1,2- 이러한 장치 상당한 연구 관심을 모으고 4 환경 개선. 5 한 널리 연구 예는 "야누스"수영 촉매이다. (6)이 입자 (야누스는 두 직면 로마 신) 두 가지 측면, 또는 얼굴을 가지고에서 자신의 이름을 얻는다. 다른 불활성 동안 한쪽에는, 촉매 활성과 분해 반응을 수행 할 수있다. 적합한 용해 연료 분자의 존재 하에서 얻어진 비대칭 화학 반응 자체 diffusiophoresis / 전기 영동을 통해 운동을 생산할 수있는 콜로이드 주변 그라디언트를 생성한다. (7)
이러한 빠르게 움직이는 물체의 움직임을 특성화하는 차입니다 llenging 현재까지 많은 실험 관찰은 2D로 제한되어있다. 그러나 최종 응용 프로그램을 3D로 일괄 솔루션을 통해 이동 촉매 수영 장치 기능을 악용 할 가능성이있다. (8)이 문제를 해결하려면, 여기에 우리가 수영 장치를 결정하기위한 정확한 3D 궤도를 할 수있는 프로토콜을 설명합니다. 이 방법은 고정 초점 대물 9 관찰 초점 형광 콜로이드 아웃에 의해 제조 된 고리 구조 해석에 기초하여, 종래의 개질 된 현미경을 사용하여 적용하기 쉽게되어있다. 분명히 여기 방법을 설명하여,이 분야의 다른 연구자는 3D 정보를 액세스 할 수있게 됨으로써 유익 할 것이다. 이것은 수영 장치의 동작 특성에 미래 통찰력을 도움이됩니다. 이 전위의 증거 쉽게 3D 추적 애플리케이션을 통해 가시화 될 수있다 (10, 11) 동작에 의해 지시되는 중력 수영 디바이스의 최근보고에 의해 주어진다. 11
"ove_content>이 논문은 분명히 이러한 장치를 조사하고 기존의 연구 그룹에서 방법을 표준화하고, 추가로 만들고 수영 장치 조사에 관심이 새로운 연구를 안내하기 위해 더 도움이 될 것입니다 촉매 야누스 입자 수영 장치를 제조하는 방법을 설명합니다.백금 야누스 입자의 제조 프로토콜의 많은 변수는 관측 궤도에 영향을 미칠 것입니다. 초당 10 μm의 순으로 추진 속도를 제공 2 ㎛의 직경의 입자를 이용하여 설명한 바와 같이 파라미터. 작은 입자를 사용하는 경우 입자 크기가 증가하여 추진 속도를 감소하는 동안, 속도는 증가한다. 증착 프로토콜 12 상세 관찰 궤적을 변경할 것이다. 이 현재의 프로토콜에서, 콜로이드의 스파 스 분포를 함께 슬라이드 방향에 수직 금속 증발 좋습니다. 이러한 조건 브라운 회전 확산의 범위 내에서 직선 궤적을 초래할도 2에 도시 된 바와 같이 대칭 야누스 구조를 초래한다. (13) 반대로, 타이트한 포장 콜로이드 각도 증착을이기는 적용하는 경우, 야누스 캡 다음 대칭성은 파괴 될 수있다 행동을 회전 유도한다. (14)는 PA이곳에서 생산 rticles는 세 가지 차원에서 상대적으로 등방성 움직임을 표시; 두꺼운 백금 코팅, 또는 더 큰 입자를 사용하지만 경우, 상향 편향 또는 gravitaxis가 부여 될 수있다. 제조 후의 야누스 콜로이드 스토리지 11 상세 관찰 수영 속도에 영향을 미칠 수있다. 증착 단계로부터 나오는 높은 표면 에너지 깨끗한 백금 표면에서의 탄화수소, 예를 들어 표면 오염에 민감하며, 특히 티올 인치 15
또한, 용액의 성질되는 야누스 콜로이드 재현 탁이 추진력을 관찰하는 데 중요하다. 낮은 과산화수소 농도는 분해 반응 생성 동작의 속도가 줄어들면, 느린 속도에서 발생한다. (6) 또한, 추진 속도의 급격한 감소를 초래한다 염 저농도. 7
여기에서 생산 된 콜로이드의 주요 기능은 북동입니다3D 추적에 적합하게 utral 부력. 일반적으로 수영 장치의 분야는 원인이 부분적으로 밀도가 금속으로 만들어지고 몇 가지 눈에 띄는 예에, 3D 효과에 작은 관심을 지불하고 그들을 빠르게 퇴적물, 16 만 인해 필요한 측정을과 관련된 어려움과 비용을합니다. 몇몇 확립 된 3D 추적 방법 분명한 단점은, 예를 들어, 공 초점 주사 레이저 현미경 궤적을 해결하기 위해 화상의 충분한 수를 기록 할 수있는 시간 해상도 부족 수,이 빠르게 이동 콜로이드 존재한다. 이러한 상황에서, 우리는 여기서 제시 방법에만 따라서 높은 프레임 비율을 허용 Z 좌표의 추정을 허용 한 프레임을 요구하는 중요한 이점을 갖는다. Z 좌표 재구성 단지 하나의 프레임에 포커스 아웃 콜로이드의 상대적인 콘트라스트에 의존 로서도, 오히려 절대 형광 강도보다, 그 담금질 점멸 효과 탄력형광있다. 이러한 장점은 3 차원 궤적 재구성이 가능한 위에 필드의 감소 된 깊이를 희생하고, 잘 분리 된 비 중첩 콜로이드에 대한 요구에서 가능하다. 우리는 수영 장치 똑 바르게하고 고정밀 도로 정보를 액세스하기위한 프로토콜을 설명하는 것은 3 차원 거동에 관심이있는 다른 연구 그룹을 허용 바란다. 이는 3D로 이러한 장치에 대한 이해를 확대하는 것이 관심의 미래 현상 및 애플리케이션의 상당한 범위를 여는 것을 알 수있다. 탄도 분석의 자세한 내용에 관심이있는 독자는 추진 시스템 및 방법을 추진 속도의 정확한 정량을 보장하는 일반적인 이슈를 설명 참조 (17)으로 연결됩니다.
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" |