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

PRECAUCIÓN: Por favor, consulte a todas las hojas de datos de seguridad de materiales pertinentes antes de su uso. El peróxido de hidrógeno se usa en este protocolo es perjudicial, y la evolución de gas de oxígeno cuando se expone al platino plantea un riesgo de explosión. Use todos los controles de seguridad adecuados durante este protocolo, incluidos los controles de ingeniería durante la manipulación de soluciones de peróxido (campana de humos) y equipo de protección personal (gafas de seguridad, guantes y bata de laboratorio). 1. Hacer catalítica Janus Partículas <ol><li> Prepare el substrato de lámina de vidrio <ol><li> Limpiar un portaobjetos de microscopio estándar no utilizado en el lavado secuencial durante unos minutos cada uno en agua desionizada (DI), solución de descontaminación vidrio y el agua DI. A continuación, lavar con un 70:30 v: v mezcla de etanol: agua DI, y finalmente secar en una corriente de aire / nitrógeno limpio. </li><li> Examine el portaobjetos de vidrio bajo un microscopio para verificar que la superficie esté limpia y libre de evidencia de contaminación por partículas. Repita el paso 1.1.1 si es necesario. </li></ol></li><li> Preparar dispersión coloidal para la deposición <ol><li> Pipeta de 10 l de solución acuosa de coloides de Stock fluorescente (10% en peso.) En 990 l de etanol. Ajustar los volúmenes según sea necesario en función de la concentración de la solución madre utilizada para llegar a 0,1% en peso aproximadamente suspensión coloidal. </li><li> mezcla de vórtice durante 10 segundos. </li></ol></li><li> Capa de la vuelta dispersión coloidal sobre el sustrato portaobjetos de vidrio <ol><li> Equipar una recubridora de rotación con el portaobjetos de vidrio limpio. Llenar una punta de pipeta con 100 l de la solución coloidal diluida preparada anteriormente. revestidor programa de centrifugado para ejecutar un 30 seg, 2.000 rpm ciclo. Iniciar la recubridora de rotación, y cuando a la velocidad pipetear de forma continua la solución preparada en el centro de la placa de vidrio de hilatura. </li><li> Retire portaobjetos de vidrio de la recubridora de rotación, volver al microscopio óptico y verificar que una dispersión uniforme de los coloides separados sobre todo que no se tocan cubre la región central of el portaobjetos de vidrio. </li></ol></li><li> Se evaporan al vacío de metal platino sobre coloide portaobjetos de vidrio decorado <ol><li> Insertar el portaobjetos de vidrio recubierto de coloide en un evaporador de metal. Asegúrese de que el coloide decorado lado se enfrenta a la fuente de evaporación. Instalar una fuente de evaporación de metal platino y depositar 15 nm de platino metálico. Nota: Después de la deposición de metal, las muestras deben almacenarse en una atmósfera inerte. </li></ol></li></ol> 2. &quot;Natación&quot; partículas Janus <ol><li> Volver a suspender Janus Coloides en una solución que contiene peróxido <ol><li> Cortar un cuadrado de 1 x 1 cm de tejido del cristalino, y amortiguar el final con 10 l de agua DI. Mantenga con pinzas, y frotar suavemente a lo largo de la superficie del coloide decorado portaobjetos de vidrio recubierto de platino (este paso elimina físicamente los coloides del sustrato). </li><li> Inserte el tejido objetivo en 1,5 ml de agua desionizada y agitar manualmente vigorosamente durante 30 segundos en un tu selladaser. Eliminar el tejido objetivo. </li><li> Pipeta de 1 ml de la solución coloidal en un nuevo envase que contiene, llenos de 1 ml de 30% w / v H solución madre 2 O 2. Mezclar suavemente las soluciones, y luego se coloca en un baño ultrasónico a temperatura ambiente durante 5 min, seguido de otro periodo de incubación de 25 minutos sin agitación. PRECAUCIÓN: Esta solución puede evolucionar de oxígeno; no selle. </li><li> Seco de 100 l de la solución coloidal acuosa restante en un microscopio electrónico de barrido (SEM) de código auxiliar para permitir la verificación SEM de la estructura de coloide Janus. 14 </li></ol></li><li> Preparar cubeta de análisis <ol><li> Añadir un adicional de 1 ml de agua DI a la solución incubada que contiene coloides de peróxido y de platino recubierto de llegar a una fuerza de combustible adecuado (10%) para permitir la propulsión rápido. Nota: Las etapas de incubación anteriores se llevaron a cabo en concentraciones de combustible concentración más alta para limpiar la superficie del catalizador de platino. </li><li> Llenar un lovolumen w cubeta de vidrio de cuarzo rectangular con la solución incubada. entrar holgadamente una tapa de empuje hacia dentro. PRECAUCIÓN: Riesgo de explosión - no utilice un tapón de rosca. </li></ol></li></ol> 3. Observación Microscópica <ol><li> Localiza partícula de interés <ol><li> Cargar la cubeta en un microscopio de fluorescencia equipado con un objetivo adecuado (por ejemplo, 20X) y excitar emisión de fluoróforo utilizando una combinación adecuada de filtros (excitación 450 a 490 nm, emisión&gt; 515 nm). </li><li> buscar manualmente los coloides fluorescentes dentro de la cubeta. Nota: Ajuste de la densidad coloide mientras se mantiene la concentración de peróxido puede ser requerida. Por ejemplo, se recomienda la dilución si la densidad coloidal es alta, y numerosas burbujas de oxígeno que producen flujos están presentes. Una concentración en volumen de coloides de aproximadamente 0,003% es un punto de partida recomendado. </li><li> Optimizar la configuración óptica para un seguimiento 3D: en condiciones de iluminación adecuadas, in centrarse coloides aparecerá objetos circulares como afilados. Sin embargo, como la propulsión mueve los coloides en y fuera del plano focal de un tamaño distintivo cambio de anillo brillante centrada alrededor de la esfera se observará, esto se utiliza para determinar la coordenada z para permitir el seguimiento 3D. </li></ol></li><li> Grabar video <ol><li> Antes de iniciar la captura de vídeo, enfocar el microscopio de modo que la partícula de interés produce un anillo concéntrico, con la partícula &quot;en&quot; la posición de enfoque. No mueva el plano de enfoque durante la captura de vídeo. </li><li> Grabar videos de partículas de interés. Usar duraciones de vídeos 30 seg con velocidades de cuadro por encima de 30 Hz para permitir la reconstrucción detallada trayectoria. </li></ol></li><li> Reconstrucción de la trayectoria 3D <ol><li> Calibre del eje z <ol><li> Hacer un peso de 2%. solución de goma gellan en agua que contiene una suspensión de partículas Janus fluorescentes a 60 ° C, en lugar de una cubeta equivalente ala utilizada anteriormente, y dejar solidificar para formar una muestra gelificado transparente rígido que contiene coloides estáticos fijos. </li><li> Centrarse en un único coloide fija usando las mismas condiciones de iluminación seleccionados anteriormente, ahora grabar una serie de imágenes fijas como el Z-foco se eleva por los desplazamientos conocidos relativos a este plano. </li><li> Determinar el radio del anillo en cada posición de enfoque conocido 11. Nota: Este es todavía más eficiente realizado mediante el uso de un algoritmo de análisis de imágenes que se puede aplicar como un proceso por lotes para toda la calibración marcos, y videos. Un enfoque típico implica suavizar la imagen, de umbral para identificar una ubicación aproximada del centro de los objetos &#39;, y después la localización de los x reales y las coordenadas Y del centro del anillo mediante la medición de la distancia entre picos de intensidad a cada lado del anillo. La distancia radial media de los picos de intensidad del centro del anillo a continuación se puede encontrar. 11 Esto permite que tanto el radio de la brillante un anillod coordenada que se determine con precisión sub-pixel xy. Por la localización de la x, y, z de posición de una esfera Janus fija en la goma gellan 30 micras desde el plano focal, en una secuencia de tiempo de las imágenes, las partículas pueden estar situados con un error de ± 25 nm a lo largo de cada eje. El error se puede atribuir a ruido en las imágenes. La relación señal a ruido y por lo tanto, la exactitud de los algoritmos de localización depende de la intensidad de la luz de fluorescencia detectada. Cuando una esfera Janus está lejos del plano focal su intensidad se vuelve demasiado débil para rastrear con precisión que, por ejemplo, para un diámetro de 4,8 micras coloide un z-gama de alrededor de 200 micras es posible. Un método no algorítmica alternativa es usar la medición manual sencillo de x, y centro y el radio, sin embargo, esto reducirá la precisión. </li><li> Trazar una curva de calibración para relacionar el radio de z-posición y complete a una función apropiada (por ejemplo, la ecuación cúbica) para permitir la interpolación. 11 </li></ol></li> &lt;li&gt; Calibrar x, eje y <ol><li> Grabar una imagen fija imagen de microscopio óptico de una retícula de calibración espacial utilizando las mismas condiciones de microscopio elegidos en el punto 3.2. </li><li> Medir la dimensión &quot;en píxeles&quot; de un objeto cuando se conoce el tamaño real de la imagen de la retícula de calibración espacial y usar esto para establecer un factor de conversión a píxeles micras para el plano x, y de la imagen. </li></ol></li><li> reconstruir la trayectoria <ol><li> Determinar las coordenadas x e y y radio para cada trama de la secuencia de vídeo como se describe en 3.3.1.3, utilice la función que se encuentra en 3.3.1.4 para convertir radio en z, y el factor de calibración se encuentra en 3.3.2.2 para convertir x e y coordenadas de píxeles en micras. Este procedimiento resultará en un precisos x, y, z de coordenadas para la ubicación partículas de propulsión como una función de tiempo. 11 Este procedimiento se puede implementar utilizando un algoritmo, o de forma manual. </li><li> Determinar la derivada propiedades como la velocidad promedio para cuantificar la magnitud de la natación catalítica observada. </li></ol></li></ol></li></ol>

<ol>
	<li>Ebbens, S. J., Howse, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+pursuit+of+propulsion+at+the+nanoscale.">In pursuit of propulsion at the nanoscale.</a> Soft Matter. 6 (4), 726 (2010).</li><li>Wang, W., Duan, W., Ahmed, S., Mallouk, T. E., Sen, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Small+power+:+Autonomous+nano-+and+micromotors+propelled+by+self-generated+gradients.">Small power : Autonomous nano- and micromotors propelled by self-generated gradients.</a> Nano Today. 8 (5), 531-554 (2013).</li><li>Gao, W., Dong, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Artificial+Micromotors+in+the+Mouse's+Stomach+:+A+Step+toward+in+Vivo+Use+of+Synthetic+Motors.">Artificial Micromotors in the Mouse's Stomach : A Step toward in Vivo Use of Synthetic Motors.</a> ACS nano. 9 (1), 117-123 (2015).</li><li>Restrepo-P&#233;rez, L., Soler, L., Mart&#236;nez-Cisneros, C., S&#225;nchez, S., Schmidt, O. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biofunctionalized+self-propelled+micromotors+as+an+alternative+on-chip+concentrating+system.">Biofunctionalized self-propelled micromotors as an alternative on-chip concentrating system.</a> Lab Chip. 14 (16), 2914-2917 (2014).</li><li>Soler, L., S&#225;nchez, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Catalytic+nanomotors+for+environmental+monitoring+and+water+remediation.">Catalytic nanomotors for environmental monitoring and water remediation.</a> Nanoscale. 6 (13), 7175-7182 (2014).</li><li>Howse, J., Jones, R., Ryan, A., Gough, T., Vafabakhsh, R., Golestanian, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-Motile+Colloidal+Particles:+From+Directed+Propulsion+to+Random+Walk.">Self-Motile Colloidal Particles: From Directed Propulsion to Random Walk.</a> Phys. Rev. Letts. 99 (4), 8-11 (2007).</li><li>Ebbens, S., Gregory, D. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrokinetic+effects+in+catalytic+platinum-insulator+Janus+swimmers.">Electrokinetic effects in catalytic platinum-insulator Janus swimmers.</a> EPL. 106 (5), 58003 (2014).</li><li>Orozco, J., Jurado-S&#225;nchez, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bubble-propelled+micromotors+for+enhanced+transport+of+passive+tracers.">Bubble-propelled micromotors for enhanced transport of passive tracers.</a> Langmuir. 30 (18), 5082-5087 (2014).</li><li>Peterson, S. D., Chuang, H. -. S., Wereley, S. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+particle+tracking+using+micro-particle+image+velocimetry+hardware.">Three-dimensional particle tracking using micro-particle image velocimetry hardware.</a> Meas. Sci. and Technol. 19 (11), 115406 (2008).</li><li>Ten Hagen, B., K&#252;mmel, F., Wittkowski, R., Takagi, D., L&#246;wen, H., Bechinger, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gravitaxis+of+asymmetric+self-propelled+colloidal+particles.">Gravitaxis of asymmetric self-propelled colloidal particles.</a> Nat. Commun. 5, 4829 (2014).</li><li>Campbell, A. I., Ebbens, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gravitaxis+in+spherical+janus+swimming+devices.">Gravitaxis in spherical janus swimming devices.</a> Langmuir. 29 (46), 14066-14073 (2013).</li><li>Ebbens, S., Tu, M. -. H., Howse, J. R., Golestanian, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Size+dependence+of+the+propulsion+velocity+for+catalytic+Janus-sphere+swimmers.">Size dependence of the propulsion velocity for catalytic Janus-sphere swimmers.</a> Physical Review. E Stat. Nonlin. Soft Matter Phys. 85, 020401 (2012).</li><li>Ebbens, S. J., Howse, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+observation+of+the+direction+of+motion+for+spherical+catalytic+swimmers.">Direct observation of the direction of motion for spherical catalytic swimmers.</a> Langmuir. 27 (20), 12293-12296 (2011).</li><li>Archer, R. J., Campbell, a. I., Ebbens, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Glancing+angle+metal+evaporation+synthesis+of+catalytic+swimming+Janus+colloids+with+well+defined+angular+velocity.">Glancing angle metal evaporation synthesis of catalytic swimming Janus colloids with well defined angular velocity.</a> Soft Matter. 11, 6872-6880 (2015).</li><li>Zhao, G., Sanchez, S., Schmidt, O. G., Pumera, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Poisoning+of+bubble+propelled+catalytic+micromotors:+the+chemical+environment+matters.">Poisoning of bubble propelled catalytic micromotors: the chemical environment matters.</a> Nanoscale. 5 (7), 2909-2914 (2013).</li><li>Wang, Y., Hernandez, R. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bipolar+electrochemical+mechanism+for+the+propulsion+of+catalytic+nanomotors+in+hydrogen+peroxide+solutions.">Bipolar electrochemical mechanism for the propulsion of catalytic nanomotors in hydrogen peroxide solutions.</a> Langmuir. 22 (25), 10451-10456 (2006).</li><li>Dunderdale, G., Ebbens, S., Fairclough, P., Howse, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Importance+of+particle+tracking+and+calculating+the+mean-squared+displacement+in+distinguishing+nanopropulsion+from+other+processes.">Importance of particle tracking and calculating the mean-squared displacement in distinguishing nanopropulsion from other processes.</a> Langmuir. 28 (30), 10997-11006 (2012).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

Muchas variables en el protocolo de preparación de partículas de platino Janus afectarán las trayectorias observadas. Los parámetros tal como se describe el uso de partículas de 2 micras de diámetro dará velocidades de propulsión en el orden de 10 m por segundo. Si se utilizan partículas más pequeñas, las velocidades aumentarán, mientras que el aumento de tamaño de las partículas disminuirá la velocidad de propulsión. 12 Los detalles del protocolo de evaporación también alterar las trayectorias observadas. En este protocolo actual, se recomienda una distribución dispersa de coloides, junto con la evaporación de metal normal a la orientación de la diapositiva. Estas condiciones dan como resultado estructuras Janus simétricos como se muestra en la Figura 2, que conducen a las trayectorias lineales dentro de los límites de la difusión rotacional browniano. 13 A la inversa, si coloides apretado envasados ​​están sujetos a mirar deposición ángulo, a continuación, la simetría de la tapa Janus puede romperse , para inducir el comportamiento de girar. 14 El partículos producidos aquí muestran el movimiento relativamente isotrópico en las tres dimensiones; Sin embargo, si se utilizan recubrimientos más gruesos, platino o partículas de mayor tamaño, un sesgo hacia arriba o gravitaxis se pueden impartir. 11 Los detalles del almacenamiento de los coloides Janus después de su fabricación también puede afectar las velocidades de nado observados. La superficie de platino limpia de alta energía superficial que emerge de la etapa de evaporación es susceptible a la contaminación superficial por ejemplo, de hidrocarburos, y en tioles particulares. 15 Además, las propiedades de la solución en la que los coloides Janus se resuspenden son críticos para la observación de la propulsión. Las bajas concentraciones de peróxido de resultarán en velocidades más lentas, como la tasa de la reacción de descomposición de movimiento producir reduce. 6 Además, las bajas concentraciones de sales se traducirá en una reducción dramática de la velocidad de propulsión. 7 Una característica clave de los coloides producidos aquí es su neflotabilidad utral, lo que hace que sean adecuadas para el seguimiento 3D. En general, el campo de los dispositivos de natación ha prestado poca atención a los efectos 3D, en parte debido a algunos ejemplos destacados que se realizan a partir de metales densos, haciendo que rápidamente sedimentos, 16 sino también debido a las dificultades y los gastos asociados con la fabricación de las mediciones requeridas. existen inconvenientes claros para algunos métodos de seguimiento 3D establecidos para estos coloides que se mueven rápidamente, por ejemplo, la exploración confocal microscopía láser puede carecer de la resolución temporal para registrar un número suficiente de imágenes para resolver trayectorias. En este contexto, el método que aquí presentamos tiene la ventaja significativa de que sólo requiere un único marco para permitir la estimación de coordenada z, que por lo tanto permite alta velocidad de fotogramas. También, como coordenada z reconstrucción solamente se basa en el contraste relativo de coloide fuera de foco en cuadros individuales, en lugar de la intensidad de fluorescencia absoluta, es resistente a los efectos del temple y parpadeantesen el fluoróforo. Estas ventajas son posibles a expensas de una profundidad reducida de campo sobre el cual reconstrucción trayectoria 3D es posible, y el requisito de coloides que no se solapan bien separados. Esperamos que describe el protocolo permitirá a otros grupos de investigación con un interés en el comportamiento 3D para sus dispositivos de natación para acceder a esta información sin rodeos y con un alto grado de precisión. Está claro que la expansión de la comprensión de estos dispositivos a 3D se abrirá una gama importante de futuros fenómenos interesantes y aplicaciones. Los lectores interesados ​​en más detalles sobre el análisis de trayectoria se dirigen hacia referencia 17 que describe artefactos comunes de los sistemas de propulsión y la forma de garantizar la cuantificación exacta de las velocidades de propulsión.

Dispositivos de natación catalíticos son de pequeña escala, los coloides sin ataduras capaces de generar de forma autónoma el movimiento en entornos fluidos. 1,2 Estos dispositivos están atrayendo interés significativo la investigación, ya que tienen el potencial de permitir nuevas e interesantes funciones tales como la administración de fármacos, 3 laboratorio en un chip de transporte 4 y remediación ambiental. 5 un ejemplo ampliamente estudiados son catalíticos nadadores &quot;Janus&quot;. 6 Estas partículas deben su nombre a que tiene dos lados distintos, o caras (Janus es un doble rostro dios romano). Un lado es catalíticamente activo y capaz de realizar una reacción de descomposición, mientras que la otra es inerte. En presencia de moléculas de combustible disueltos adecuados, la reacción química asimétrica resultante crea gradientes alrededor de los coloides que puede producir un movimiento a través de la auto-diffusiophoresis / electroforesis. 7 Caracterizar el movimiento de estos objetos en rápido movimiento es cha<html> llenging y muchas observaciones experimentales hasta la fecha se han limitado a 2D. Sin embargo, las aplicaciones posibles son propensos a explotar la capacidad catalítica dispositivos de natación para moverse a través de soluciones a granel en 3D. 8 Para hacer frente a esto, aquí se describe un protocolo que permite trayectorias 3D precisas para dispositivos de natación que se determinen. Este método se basa en la interpretación de las estructuras de anillo producidos por fuera de los coloides de Foco Fluorescente observados con un objetivo de foco fijo, 9 y es fácil de aplicar usando microscopios no modificadas convencionales. Al describir claramente este método aquí, otros investigadores en este campo se beneficiarán al ser capaces de acceder a dicha información 3D. Esto ayudará a los futuros puntos de vista en las características del movimiento de los dispositivos de natación. Evidencia de este potencial está dada por el reciente informe de los dispositivos de natación siendo dirigido por gravedad, 10,11 comportamiento que pueden ser más fácilmente visualizada a través de la aplicación de seguimiento 3D. 11 ove_content &quot;&gt; Este documento también documenta claramente un método para la fabricación de dispositivos de natación de partículas catalíticas Janus, que serán de mayor beneficio para estandarizar los métodos a través de los grupos de investigación existentes que investigan estos dispositivos, y, además, guiar a los nuevos investigadores interesados ​​en la fabricación e investigación de dispositivos de natación.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="877">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:247px;">Evaporator</td>
			<td style="width:153px;">Moorfield (UK)</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:359px;">Minilab 80 e-beam evaporator</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Microscope</td>
			<td>Nikon</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Eclipse LV100</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Fluorescence light source</td>
			<td>Nikon</td>
			<td></td>
			<td>Nikon B2A filter cube</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Objective</td>
			<td>Nikon</td>
			<td></td>
			<td>x20, 0.45 NA</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Cuvette</td>
			<td>Hellma</td>
			<td></td>
			<td>fused quartz, 40 x 10 x 1 mm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:247px;">Vortex mixer</td>
			<td style="width:153px;">IKA</td>
			<td></td>
			<td>Lab Dancer S2</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:247px;">Spin coater</td>
			<td style="width:153px;">Laurell Technologies Corp.</td>
			<td></td>
			<td>Model WS-400BZ-6NPP/Lite</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:247px;">Ultrasonic bath</td>
			<td style="width:153px;">Eumax</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>2 litre</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Lens tissue</td>
			<td>Whatman</td>
			<td style="width:119px;">2105 841</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Hydrogen Peroxide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">31642-1L</td>
			<td>30 wt%</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Platinum</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td align="right" style="width:119px;">267171</td>
			<td>0.25 mm, 99.99%</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:247px;">Colloids</td>
			<td style="width:153px;">Thermo Scientific</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Fluoro-Max PS microspheres, d= 1.9 microns</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:247px;">Glass decontamination solution</td>
			<td style="width:153px;">Fisher Scientific</td>
			<td>D/0025/15</td>
			<td style="width:359px;">Decon 90</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:247px;">Ethanol</td>
			<td style="width:153px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">E/0600DF/17</td>
			<td>Absolute Ethanol</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:247px;">DI water</td>
			<td style="width:153px;">Elga</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Purelab Option filtration system (15 MW)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:247px;">Gellan gum</td>
			<td style="width:153px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">P8169-100G</td>
			<td>&#34;Phytagel&#34;</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

preparation and 3d tracking of catalytic swimming devices

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.

La figura 1 muestra una dispersión típica de los coloides en un portaobjetos de vidrio limpio antes de depositar el platino. La Figura 2 muestra la imagen SEM de un típico retrodispersada para un medio de platino recubierto de Janus nadador, en este modo de formación de imágenes de la región recubierta de platino produce contraste brillante. La capa de platino hemisférica deseada es evidente. La figura 3 muestra el aspecto de un fluorescente típica Janus nadador en condiciones de iluminación óptimas fijos en la goma gellan. El nadador aparece como una característica anillo simétrico, y es el radio del anillo que se puede utilizar para determinar la posición z de la relación coloide a la posición de enfoque. La Figura 4 muestra secciones transversales representativas de la distribución de intensidad de brillo radial que se utiliza en combinación con algoritmos de análisis de imagen para localizar con precisión el centro y el radio aparente del coloide. Figura 5 </stron<html> g&gt; contiene una curva de calibración obtenida utilizando una muestra coloidal fija y una etapa z-traducción microscopio calibrado para relacionar tamaño coloidal aparente y la distancia desde la posición de enfoque. Esta curva se ajustó a una función cúbica, que se utiliza para convertir en radio aparente coordenada z. Finalmente, la Figura 6 muestra una x típicos, y, z de trayectoria para un fluorescente nadador partícula Janus. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig1.jpg" /> Figura 1. óptica de imagen de microesferas de poliestireno 1,9 m de diámetro. Las microesferas se dispersan en un portaobjetos de vidrio limpiado antes de la deposición de platino. La barra de escala representa 40 micras. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig1large.jpg" target="_blank">Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> en / ftp_upload / 54247 / 54247fig2.jpg &quot;/&gt; Figura 2. SEM imagen de retrodispersión de un 1,9 m de diámetro microesferas de poliestireno. Las microesferas se muestran después de la deposición de platino. La barra de escala representa 2 micras. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig2large.jpg" target="_blank">Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <img alt="figura 3" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig3.jpg" /> Figura 3. Imágenes de calibración de una esfera de poliestireno fluorescente 4,8 m de diámetro fijo en la goma gellan grabado utilizando un objetivo 20X (0,4 NA). Las distancias por debajo de cada imagen indican la distancia desde el plano focal del objetivo por encima de la esfera. A medida que la imagen se desenfocado 0 micras a 200 micras de la imagen en el foco de un brillante disco cambia a un anillo brillante de, el radio de los cuales depende de ampliación, la sphere tamaño y su distancia del plano focal. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig3large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig4.jpg" /> Figura 4. x, y, z procedimiento de rastreo de partículas. Un conjunto de algoritmos de auto-escrito se utiliza para localizar primero el centro (x, y) del anillo brillante mediante la extracción de una serie de líneas verticales y horizontales y efectuar la media mediados punto entre los picos brillantes (a). El radio del anillo se calcula a partir de la intensidad del pico de un ajuste de ranura de los valores grises de píxeles promedio que irradian desde el centro del anillo (b). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig4large.jpg" target="_blank">Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> Figura 5. Z coordenada tabla de calibración para las esferas Janus obtenidos midiendo el radio del anillo brillante de esferas fijos en la goma gellan (ver las figuras 3 y 4). La curva de calibración se utiliza por nuestros algoritmos para convertir el radio del anillo se mide a un z- de coordenadas. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig5large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig6.jpg" /> Figura 6. Una trayectoria de un dispositivo típico fluorescente Janus esfera natación. Una secuencia de imágenes del dispositivo de natación en movimiento se registró durante un período de 30 segundos a una velocidad de 33 Hz. El (x, y, z) las coordenadas de la trayectoria se obtuvieron mediante la localización del centro brillante anillo (Fifigura 4 (a)) y comparando el radio de oscilación medida a la curva de calibración para cada imagen de la secuencia (Figuras 4 (b) y 5). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig6large.jpg" target="_blank">Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>

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Preparation and 3D Tracking of Catalytic Swimming Devices

A method to prepare catalytically active Janus colloids that can "swim" in fluids and determine their 3D trajectories is presented.

Seguimiento de preparación y 3D de dispositivos catalíticos de natación

We report a method to prepare catalytically active Janus colloids that "swim" in fluids and describe how to determine their 3D motion using fluorescence ...

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7.5K vistas.  University of Sheffield. A method to prepare catalytically active Janus colloids that can "swim" in fluids and determine their 3D trajectories is presented.

Video: Preparation and 3D Tracking of Catalytic Swimming Devices

High-resolution, High-speed, Three-dimensional Video Imaging with Digital Fringe Projection Techniques

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses triangulation between matching points in two views of the same scene at different angles to compute depth.&#160;However, unlike a stereo-based method, DFP uses a digital video projector to replace one of the cameras1. The projector rapidly projects a known sinusoidal pattern onto the subject, and the surface of the subject distorts these patterns in the camera&#8217;s field of view. Three distorted patterns (fringe images) from the camera can be used to compute the depth using triangulation.
Unlike other 3D measurement methods, DFP techniques lead to systems that tend to be faster, lower in equipment cost, more flexible, and easier to develop.&#160;DFP systems can also achieve the same measurement resolution as the camera.&#160;For this reason, DFP and other digital structured light techniques have recently been the focus of intense research (as summarized in1-5). Taking advantage of DFP, the graphics processing unit, and optimized algorithms, we have developed a system capable of 30&#160;Hz 3D video data acquisition, reconstruction, and display for over 300,000 measurement points per frame6,7.&#160;Binary defocusing DFP methods can achieve even greater speeds8.
Diverse applications can benefit from DFP techniques. Our collaborators have used our systems for facial function analysis9, facial animation10, cardiac mechanics studies11, and fluid surface measurements, but many other potential applications exist.&#160;This video will teach the fundamentals of DFP techniques and illustrate the design and operation of a binary defocusing DFP system.

This video describes the fundamentals of digital fringe projection techniques, which provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;It also demonstrates the design and operation of a high-speed binary defocusing system based on these techniques.

De alta resolución, de alta velocidad, tridimensional de imágenes de vídeo con técnicas de proyección digital de Fringe

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses ...

Investigación

Ingeniería

Analysis of Contact Interfaces for Single GaN Nanowire Devices

Single GaN nanowire (NW) devices fabricated on SiO2 can exhibit a strong degradation after annealing due to the occurrence of void formation at the contact/SiO2 interface. This void formation can cause cracking and delamination of the metal film, which can increase the resistance or lead to a complete failure of the NW device. In order to address issues associated with void formation, a technique was developed that removes Ni/Au contact metal films from the substrates to allow for the examination and characterization of the contact/substrate and contact/NW interfaces of single GaN NW devices. This procedure determines the degree of adhesion of the contact films to the substrate and NWs and allows for the characterization of the morphology and composition of the contact interface with the substrate and nanowires. This technique is also useful for assessing the amount of residual contamination that remains from the NW suspension and from photolithographic processes on the NW-SiO2 surface prior to metal deposition. The detailed steps of this procedure are presented for the removal of annealed Ni/Au contacts to Mg-doped GaN NWs on a SiO2 substrate.

A technique was developed that removes Ni/Au contact metal films from their substrate to allow for the examination and characterization of the contact/substrate and contact/NW interfaces of single GaN nanowire devices.

Análisis de Contacto Interfaces para individuales GaN nanocables Dispositivos

Single GaN nanowire (NW) devices fabricated on SiO2 can exhibit  a strong degradation after annealing due to the  occurrence of void formation at the ...

Preparation and Reactivity of Gasless Nanostructured Energetic Materials

High-Energy Ball Milling (HEBM) is a ball milling process where a powder mixture placed in the ball mill is subjected to high-energy collisions from the balls. Among other applications, it is a versatile technique that allows for effective preparation of gasless reactive nanostructured materials with high energy density per volume (Ni+Al, Ta+C, Ti+C). The structural transformations of reactive media, which take place during HEBM, define the reaction mechanism in the produced energetic&#160;composites. Varying the processing conditions permits fine tuning of the milling-induced microstructures of the fabricated composite particles. In turn, the reactivity, i.e., self-ignition temperature, ignition delay time, as well as reaction kinetics, of high energy density materials depends on its microstructure. Analysis of the milling-induced microstructures suggests that the formation of fresh oxygen-free intimate high surface area contacts between the reagents is responsible for the enhancement of their reactivity. This manifests itself in a reduction of ignition temperature and delay time, an increased rate of chemical reaction, and an overall decrease of the effective activation energy of the reaction. The protocol provides a detailed description for the preparation of reactive nanocomposites with tailored microstructure using short-term HEBM method. It also describes a high-speed thermal imaging technique to determine the ignition/combustion characteristics of the energetic materials. The protocol can be adapted to preparation and characterization of a variety of nanostructured energetic composites.

This protocol describes the preparation of gasless nanostructured energetic materials (Ni+Al, Ta+C, Ti+C) using the short-term high-energy ball milling (HEBM) technique. It also describes a high-speed thermal imaging method to study the reactivity of mechanically fabricated nanocomposites. These protocols can be extended to other reactive nanostructured energetic materials.

Preparación y reactividad de sin gas Nanoestructurados materiales energéticos

High-Energy Ball Milling (HEBM) is a ball milling process where a powder mixture placed in the ball mill is subjected to high-energy collisions from the ...

Thermal Measurement Techniques in Analytical Microfluidic Devices

Thermal measurement techniques have been used for many applications such as thermal characterization of materials and chemical reaction detection. Micromachining techniques allow reduction of the thermal mass of fabricated structures and introduce the possibility to perform high sensitivity thermal measurements in the micro-scale and nano-scale devices. Combining thermal measurement techniques with microfluidic devices allows performing different analytical measurements with low sample consumption and reduced measurement time by integrating the miniaturized system on a single chip. The procedures of thermal measurement techniques for particle detection, material characterization, and chemical detection are introduced in this paper.

Here, we present three protocols for thermal measurements in microfluidic devices.

Técnicas de medición Térmicas en analíticas de microfluidos Dispositivos

Thermal measurement techniques have been used for many applications such as thermal characterization of materials and chemical reaction detection. ...

Fabrication and Operation of Acoustofluidic Devices Supporting Bulk Acoustic Standing Waves for Sheathless Focusing of Particles

Acoustophoresis refers to the displacement of suspended objects in response to directional forces from sound energy. Given that the suspended objects must be smaller than the incident wavelength of sound and the width of the fluidic channels are typically tens to hundreds of micrometers across, acoustofluidic devices typically use ultrasonic waves generated from a piezoelectric transducer pulsating at high frequencies (in the megahertz range). At characteristic frequencies that depend on the geometry of the device, it is possible to induce the formation of standing waves that can focus particles along desired fluidic streamlines within a bulk flow. Here, we describe a method for the fabrication of acoustophoretic devices from common materials and clean room equipment. We show representative results for the focusing of particles with positive or negative acoustic contrast factors, which move towards the pressure nodes or antinodes of the standing waves, respectively. These devices offer enormous practical utility for precisely positioning large numbers of microscopic entities (e.g., cells) in stationary or flowing fluids for applications ranging from cytometry to assembly.

Acoustofluidic devices use ultrasonic waves within microfluidic channels to manipulate, concentrate and isolate suspended micro and nanoscopic entities. This protocol describes the fabrication and operation of such a device supporting bulk acoustic standing waves to focus particles in a central streamline without the aid of sheath fluids.

Fabricación y funcionamiento de los dispositivos de apoyo a granel Acoustofluidic ondas acústicas pie para Sheathless Centrándose de partículas

Acoustophoresis refers to the displacement of suspended objects in response to directional forces from sound energy. Given that the suspended objects must ...

Fabrication of Fully Solution Processed Inorganic Nanocrystal Photovoltaic Devices

We demonstrate a method for the preparation of fully solution processed inorganic solar cells from a spin and spray coating deposition of nanocrystal inks. For the photoactive absorber layer, colloidal CdTe and CdSe nanocrystals (3-5 nm) are synthesized using an inert hot injection technique and cleaned with precipitations to remove excess starting reagents. Similarly, gold nanocrystals (3-5 nm) are synthesized under ambient conditions and dissolved in organic solvents. In addition, precursor solutions for transparent conductive indium tin oxide (ITO) films are prepared from solutions of indium and tin salts paired with a reactive oxidizer. Layer-by-layer, these solutions are deposited onto a glass substrate following annealing (200-400 &#176;C) to build the nanocrystal solar cell (glass/ITO/CdSe/CdTe/Au). Pre-annealing ligand exchange is required for CdSe and CdTe nanocrystals where films are dipped in NH4Cl:methanol to replace long-chain native ligands with small inorganic Cl- anions. NH4Cl(s) was found to act as a catalyst for the sintering reaction (as a non-toxic alternative to the conventional CdCl2(s) treatment) leading to grain growth (136&#177;39 nm) during heating. The thickness and roughness of the prepared films are characterized with SEM and optical profilometry. FTIR is used to determine the degree of ligand exchange prior to sintering, and XRD is used to verify the crystallinity and phase of each material. UV/Vis spectra show high visible light transmission through the ITO layer and a red shift in the absorbance of the cadmium chalcogenide nanocrystals after thermal annealing. Current-voltage curves of completed devices are measured under simulated one sun illumination. Small differences in deposition techniques and reagents employed during ligand exchange have been shown to have a profound influence on the device properties. Here, we examine the effects of chemical (sintering and ligand exchange agents) and physical treatments (solution concentration, spray-pressure, annealing time and annealing temperature) on photovoltaic device performance.

This protocol describes the synthesis and solution deposition of inorganic nanocrystals layer by layer to produce thin film electronics on non-conductive surfaces. Solvent-stabilized inks can produce complete photovoltaic devices on glass substrates via spin and spray coating following post-deposition ligand exchange and sintering.

La fabricación de dispositivos fotovoltaicos Nanocrystal inorgánicos solución totalmente elaborados

We demonstrate a method for the preparation of fully solution processed inorganic solar cells from a spin and spray coating deposition of nanocrystal ...

Solvent Bonding for Fabrication of PMMA and COP Microfluidic Devices

Thermoplastic microfluidic devices offer many advantages over those made from silicone elastomers, but bonding procedures must be developed for each thermoplastic of interest. Solvent bonding is a simple and versatile method that can be used to fabricate devices from a variety of plastics. An appropriate solvent is added between two device layers to be bonded, and heat and pressure are applied to the device to facilitate the bonding. By using an appropriate combination of solvent, plastic, heat, and pressure, the device can be sealed with a high quality bond, characterized as having high bond coverage, bond strength, optical clarity, durability over time, and low deformation or damage to microfeature geometry. We describe the procedure for bonding devices made from two popular thermoplastics, poly(methyl-methacrylate) (PMMA), and cyclo-olefin polymer (COP), as well as a variety of methods to characterize the quality of the resulting bonds, and strategies to troubleshoot low quality bonds. These methods can be used to develop new solvent bonding protocols for other plastic-solvent systems.

Solvent bonding is a simple and versatile method for fabricating thermoplastic microfluidic devices with high quality bonds. We describe a protocol to achieve strong, optically clear bonds in PMMA and COP microfluidic devices that preserve microfeature details, by a judicious combination of pressure, temperature, an appropriate solvent, and device geometry.

Unión con disolvente para la fabricación de PMMA y CP dispositivos de microfluidos

Thermoplastic microfluidic devices offer many advantages over those made from silicone elastomers, but bonding procedures must be developed for each ...

Scanning Light Scattering Profiler (SLPS) Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

The scanning light scattering profiler (SLSP) methodology has been developed for the full-angle quantitative evaluation of forward and backward light scattering from intraocular lenses (IOLs) using goniophotometer principles. This protocol describes the SLSP platform and how it employs a 360&#176; rotational photodetector sensor that is scanned around an IOL sample while recording the intensity and location of scattered light as it passes through the IOL medium. The SLSP platform can be used to predict, non-clinically, the propensity for current and novel IOL designs and materials to induce light scatter. Non-clinical evaluation of light scattering properties of IOLs can significantly reduce the number of patient complaints related to unwanted glare, glistening, optical defects, poor image quality, and other phenomena associated with the unintended light scattering. Future studies should be conducted to correlate SLSP data with clinical results to help identify which measured light scatter is most problematic for patients that have undergone cataract surgery subsequent to IOL implantation.

Scanning Light Scattering Profiler SLPS Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

This protocol describes the scanning light scattering profiler (SLSP) that enables the full-angle quantitative evaluation of forward and backward scattering of light from intraocular lenses (IOLs) using goniophotometer principles.

Metodología basada en el perfilador de dispersión de luz de barrido (SLPS) para evaluar cuantitativamente la dispersión de luz hacia delante y hacia atrás desde lentes intraoculares

The scanning light scattering profiler (SLSP) methodology has been developed for the full-angle quantitative evaluation of forward and backward light ...

Preparation of Liquid Crystal Networks for Macroscopic Oscillatory Motion Induced by Light

A strategy based on doped liquid crystalline networks is described to create mechanical self-sustained oscillations of plastic films under continuous light irradiation. The photo-excitation of dopants that can quickly dissipate light into heat, coupled with anisotropic thermal expansion and self-shadowing of the film, gives rise to the self-sustained deformation. The oscillations observed are influenced by the dimensions and the modulus of the film, and by the directionality and intensity of the light. The system developed offers applications in energy conversion and harvesting for soft-robotics and automated systems.
The general method described here consists of creating free-standing liquid crystalline films and characterizing the mechanical and thermal effects observed. The molecular alignment is achieved using alignment layers (rubbed polyimide), commonly used in the display manufacturing industry. To obtain actuators with large deformation, the mesogens are aligned and polymerized in a splay/bend configuration, i.e., with the director of the liquid crystals (LCs) going gradually from planar to homeotropic through the film thickness. Upon irradiation, the mechanical and thermal oscillations obtained are monitored with a high-speed camera. The results are further quantified by image analysis using an image processing program.

The goal of the protocol is to create liquid crystalline polymer films that can mechanically oscillate under continuous light irradiation. We describe in great detail the conception of free-standing films, from the liquid crystal alignment method to the photo-actuation. The experimental protocol applied to prepare this material is broadly applicable.

Preparación de redes de cristal líquido para macroscópico movimiento oscilatoria inducida por luz

A strategy based on doped liquid crystalline networks is described to create mechanical self-sustained oscillations of plastic films under continuous ...

Fabrication of Refractive-index-matched Devices for Biomedical Microfluidics

The use of microfluidic devices has emerged as a defining tool for biomedical applications. When combined with modern microscopy techniques, these devices can be implemented as part of a robust platform capable of making simultaneous complementary measurements. The primary challenge created by the combination of these two techniques is the mismatch in refractive index between the materials traditionally used to make microfluidic devices and the aqueous solutions typically used in biomedicine. This mismatch can create optical artifacts near the channel or device edges. One solution is to reduce the refractive index of the material used to fabricate the device by using a fluorinated polymer such as MY133-V2000 whose refractive index is similar to that of water (n = 1.33). Here, the construction of a microfluidic device made out of MY133-V2000 using soft lithography techniques is demonstrated, using O2 plasma in conjunction with an acrylic holder to increase the adhesion between the MY133-V2000 fabricated device and the polydimethylsiloxane (PDMS) substrate. The device is then tested by incubating it filled with cell culture media for 24 h to demonstrate the ability of the device to maintain cell culture conditions during the course of a typical imaging experiment. Finally, quantitative phase microscopy (QPM) is used to measure the distribution of mass within the live adherent cells in the microchannel. This way, the increased precision, enabled by fabricating the device from a low index of refraction polymer such as MY133-V2000 in lieu of traditional soft lithography materials such as PDMS, is demonstrated. Overall, this approach for fabricating microfluidic devices can be readily integrated into existing soft lithography workflows in order to reduce optical artifacts and increase measurement precision.

This protocol describes the fabrication of microfluidic devices from MY133-V2000 to eliminate artifacts that often arise in microchannels due to the mismatching refractive indices between microchannel structures and an aqueous solution. This protocol uses an acrylic holder to compress the encapsulated device, improving adhesion both chemically and mechanically.

Fabricación de dispositivos emparejados de índice refractivo para microfluidos biomédica

The use of microfluidic devices has emerged as a defining tool for biomedical applications. When combined with modern microscopy techniques, these devices ...