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.
Katalytiske svømme enheter er liten skala, frittgående kolloider i stand til selvstendig å generere bevegelse i fluid miljøer. 1,2 Disse enhetene er å tiltrekke betydelig forskningsinteresse som de har potensial til å aktivere spennende nye funksjoner som levering av legemidler, tre lab-on en chip transport 4 og miljøsanering. 5 en mye studert eksempel er katalytisk "Janus" svømmere. 6 Disse partiklene får sitt navn fra å ha to forskjellige sider, eller ansikter (Janus er en to møtte romerske guden). Ene side er katalytisk aktiv, og i stand til å utføre en nedbrytningsreaksjon, mens den andre er inert. I nærvær av egnede oppløste brennstoffmolekylene, danner den resulterende asymmetriske kjemisk reaksjon gradienter i området rundt de kolloider som kan produsere bevegelse via selv diffusiophoresis / elektroforese. 7
Karakteriserer bevegelse for disse raskt bevegelige objekter er cha llenging og mange eksperimentelle observasjoner hittil har vært begrenset til 2D. Men eventuelle programmer er sannsynlig å utnytte katalytisk svømme enheter evne til å bevege seg gjennom bulk løsninger i 3D. 8 For å løse dette, her beskriver vi en protokoll som gjør det mulig nøyaktige 3D baner for svømme enheter som skal bestemmes. Denne metoden er basert på å tolke ringstrukturer produsert av ute av fokus fluorescerende kolloider observert med et fast fokus objektiv, 9 og er lett å påføre med konvensjonelle umodifiserte mikroskoper. Ved å tydelig beskrive denne metoden her, vil andre forskere på dette feltet fordelen ved å være i stand til å få tilgang til slike 3D-informasjon. Dette vil hjelpe fremtidige innsikt i bevegelsesegenskaper for svømme enheter. Bevis på dette potensialet er gitt ved den nylig rapport av svømme anordninger blir ledet av tyngdekraften, 10,11 oppførsel som kan lettest bli visualisert ved anvendelse av 3D-sporing. 11
ove_content "> Dette papiret også klart dokumenterer en metode for å produsere katalytiske Janus partikkel svømme enheter, som vil være til ytterligere fordel å standardmetoder på tvers av eksisterende forskningsgrupper etterforsker disse enhetene, og i tillegg veilede nye forskere interessert i å lage og undersøke svømme enheter.Mange variabler i utarbeidelsen protokollen for platina Janus partikler vil påvirke observerte baner. Parametrene som er beskrevet ved hjelp av 2 mikrometer diameter partikler vil gi fremdriftshastigheter i størrelsesorden 10 um per sekund. Dersom mindre partikler blir brukt, vil hastighetene øker, mens økende partikkelstørrelse vil redusere fremdriftshastigheten. 12 Detaljene ved fordampning protokollen vil også endre baner observert. I denne aktuelle protokoll, blir en sparsom fordeling av kolloider anbefalt, sammen med metall fordampning normal til sleiden orientering. Disse forholdene fører til symmetriske Janus strukturer som vist i figur 2, noe som fører til lineære baner innenfor grensene av brownsk rotasjons diffusjon. 13 Motsatt, hvis tett pakket kolloider er gjenstand for skottet vinkel avsetning, kan deretter symmetrien i Janus hetten brytes å indusere spinne oppførsel. 14 particles produsert her vise forholdsvis isotropisk bevegelse i alle tre dimensjoner; men hvis tykkere platina belegg, eller større partikler blir brukt, kan en oppover skjevhet eller gravitaxis formidles. 11 Detaljer om lagring av Janus kolloider etter fremstilling kan også påvirke svømmehastighet observert. Den høye overflateenergi ren platina overflate som kommer ut fra fordampningstrinn er mottagelig for overflate forurensning for eksempel fra hydrokarboner, og særlig tioler. 15
I tillegg løsningsegenskapene i hvilken Janus kolloidene resuspendert er kritiske for å observere fremdrift. Lave peroksyd konsentrasjoner vil resultere i langsommere hastigheter, som frekvensen av dekomponeringsreaksjonen produsere bevegelse reduseres. 6 I tillegg, lave konsentrasjoner av salter vil resultere i en dramatisk reduksjon i fremdriftshastighet. 7
Et viktig trekk ved de kolloider som produseres her er deres neutral oppdrift, noe som gjør dem egnet for 3D sporing. Generelt innen svømme enheter har betalt lite oppmerksomhet til 3D-effekter, delvis på grunn av noen fremtredende eksempler er laget av tette metaller, slik at de raskt sediment, 16 men også på grunn av vanskeligheter og utgifter forbundet med å gjøre de nødvendige målingene. Klare ulemper for enkelte etablerte 3D-sporing metoder finnes for disse raskt bevegelige kolloider, for eksempel, kan konfokal scanning laser mikros mangler tidsoppløsningen for å spille inn et tilstrekkelig antall bilder for å løse baner. I denne sammenheng er fremgangsmåten presenterer vi her har den betydelige fordelen av bare krever en enkelt ramme for å tillate estimering av z-koordinaten, som dermed gjør det mulig for høy bildefrekvens. Også, som z-koordinat rekonstruksjon bare er avhengig av den relative kontrasten i ut-av-fokus kolloid i enkeltbilder, i stedet for den absolutte fluorescens intensitet, er det ettergivende til bråkjøling og blinkende effekteri fluorophore. Disse fordelene er mulig på bekostning av en redusert dybdeskarphet over hvilket 3D bane rekonstruksjon er mulig, og kravet til godt separerte ikke-overlappende kolloider. Vi håper at beskriver protokollen vil tillate andre forskningsmiljøer med interesse for 3D atferd for sine svømming enheter for å få tilgang til denne informasjonen oversiktlig og med en høy grad av presisjon. Det er klart at utvide forståelsen av disse enheter til 3D vil åpne opp en betydelig rekke interessante fremtidige fenomener og applikasjoner. Lesere som er interessert i ytterligere detaljer av banen analyse er rettet mot Reference 17 som beskriver vanlige gjenstander i trek systemer og hvordan å sikre nøyaktig kvantifisering av fremdriftshastigheter.
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" |