Name: preparation and 3d tracking of catalytic swimming devices
Uploaded: 2016-07-01T15:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 50 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Preparation and 3D Tracking of Catalytic Swimming Devices at JoVE.com

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

تنبيه: يرجى التشاور مع جميع بيانات سلامة المواد ذات الصلة قبل الاستخدام. بيروكسيد الهيدروجين المستخدمة في هذا البروتوكول هو ضار، وتطور من غاز الأكسجين عند التعرض لالبلاتين يشكل خطر الانفجار. استخدام جميع الضوابط السلامة المناسبة خلال هذا البروتوكول بما في ذلك الضوابط الهندسية أثناء التعامل مع محلول بيروكسيد (غطاء الدخان)، ومعدات الوقاية الشخصية (النظارات الواقية والقفازات ومعطف المختبر). 1. جعل الحفازة يانوس الجسيمات <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إعداد الركيزة الزجاج الشرائح <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تنظيف وغير المستخدمة شريحة المجهر القياسية باستخدام الغسيل متسلسل لبضع دقائق في كل منزوع الأيونات الماء (DI)، حل الزجاج إزالة التلوث والمياه DI. ثم تغسل مع 70:30 ت: خليط الخامس من الإيثانول: الماء DI، وأخيرا ضربة الجافة في تيار الهواء / النيتروجين نظيفة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> فحص شريحة زجاجية تحت المجهر للتحقق من سطح نظيف وخال من دليل على تلوث الجسيمات. كرر الخطوة 1.1.1 إذا لزم الأمر. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إعداد تشتت الغروية لترسب <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ماصة 10 ميكرولتر من محلول مائي الأسهم الفلورسنت الغروي (10٪ بالوزن.) إلى 990 ميكرولتر من الايثانول. ضبط كميات كما هو مطلوب اعتمادا على تركيز الأسهم حل المستخدمة للوصول إلى ما يقرب من 0.1٪ بالوزن تعليق الغروية. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> مزيج دوامة لمدة 10 ثانية. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> معطف تدور تشتت الغروية على الركيزة شريحة زجاجية <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تجهيز المغطي تدور مع شريحة زجاجية نظيفة. ملء طرف ماصة مع 100 ميكرولتر من محلول الغروية المخفف أعد أعلاه. تدور برنامج المغطي لتنفيذ 30 ثانية، 2000 دورة في الدقيقة. بدء تدور المغطي، وعندما تصل إلى سرعة ماصة باستمرار الحل استعداد على مركز الشريحة الغزل الزجاج. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إزالة شريحة زجاجية من المغطي تدور، والعودة إلى المجهر الضوئي والتحقق من أن تشتت حتى الغرويات منفصلة أساسا غير مؤثرة يغطي منطقة س المركزيو على شريحة زجاجية. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> فراغ تتبخر البلاتين معدن على الغروانية زينت شريحة زجاجية <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إدراج الغروانية المغلفة شريحة زجاجية في المبخر المعادن. ضمان الغروانية زينت وتواجه الجانب مصدر التبخر. تثبيت مصدر التبخر البلاتين معدن وإيداع 15 نانومتر من البلاتين معدن. ملاحظة: بعد ترسب المعادن، يجب أن يتم تخزين العينات تحت جو خامل. </li></ol></li></ol> 2. &quot;سباحة&quot; الجسيمات يانوس <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إعادة تعليق يانوس المواد الغروية في حل بيروكسيد تحتوي على <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> قطع مربع 1 × 1 سم من نسيج العدسة، وإخماد نهاية مع 10 ميكرولتر من المياه DI. عقد مع ملاقط، وفرك بلطف على طول سطح البلاتين المغلفة الغروانية زينت شريحة زجاجية (هذه الخطوة يزيل جسديا الغرويات من الركيزة). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إدراج الأنسجة عدسة إلى 1.5 مل من الماء DI ويهز يدويا بقوة لمدة 30 ثانية في تو مختومةيكون. إزالة الأنسجة عدسة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ماصة 1 مل من الغروانية التي تحتوي على محلول في وعاء جديدة، مليئة 1 مل من 30٪ ث / ت H 2 O 2 حل الأسهم. المزيج بلطف الحلول، ثم ضع في حمام بالموجات فوق الصوتية في درجة حرارة الغرفة لمدة 5 دقائق، تليها 25 دقيقة فترة حضانة غير المتحركة أخرى. تنبيه: هذا الحل قد تتطور الأوكسجين. لا ختم. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> الجافة 100 ميكرولتر من محلول مائي الغروية المتبقية على المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) كعب لتمكين التحقق SEM الهيكل الغروانية يانوس 14 </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إعداد تحليل كفيت <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إضافة 1 مل إضافية من المياه DI إلى حل المحتضنة تحتوي على بيروكسيد والبلاتين المغلفة الغرويات للوصول إلى قوة الوقود مناسبة (10٪) للسماح دفع سريع. ملاحظة: تم تنفيذ مراحل الحضانة السابقة في أعلى تركيزات الوقود تركيز لتنظيف سطح البلاتين المحفز. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ملء لوث حجم الكوارتز مستطيلة كوفيت الزجاج مع الحل المحتضنة. تناسب فضفاضة كاب دفع في. تحذير: مخاطر الانفجار - لا تستخدم غطاء لولبي. </li></ol></li></ol> 3. مجهرية المراقبة <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحديد موقع الجسيمات ذات الاهتمام <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحميل كوفيت إلى المجهر الفلورسنت مجهزة هدف مناسب (على سبيل المثال، 20X) وتثير انبعاث fluorophore باستخدام مزيج مناسب من المرشحات (الإثارة 450-490 نانومتر، وانبعاث&gt; 515 نانومتر). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> البحث يدويا عن الغرويات الفلورسنت في كفيت. ملاحظة: ضبط كثافة الغروانية مع الحفاظ على تركيز بيروكسيد قد تكون مطلوبة. على سبيل المثال، فمن المستحسن التخفيف إذا كانت كثافة الغروانية عالية، والعديد من فقاعات الأكسجين تنتج تدفقات موجودة. وهناك تركيز حجم الغروانية حوالي 0.003٪ هو نقطة انطلاق الموصى بها. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحسين إعدادات البصرية لتتبع 3D: في ظل ظروف الإضاءة المناسبة، طن التركيز الغرويات سوف تظهر الأشياء الدائرية كما حادة. لكن، وكما يتحرك الدفع والغرويات ويخرجون من الطائرة الاتصال حجم المميز تغيير حلقة مشرقة تتمحور حول سيحتفل المجال، ويستخدم هذا لتحديد ض تنسيق لتمكين تتبع 3D. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تسجيل الفيديو <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> قبل البدء في تسجيل الفيديو، والتركيز المجهر بحيث الجسيمات ذات الاهتمام ينتج حلقة متحدة المركز، مع الجسيمات &quot;تحت عنوان&quot; موقف التركيز. لا تتحرك الطائرة التركيز أثناء التقاط الفيديو. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تسجيل الفيديو من الجزيئات من الفائدة. استخدام 30 ثانية فترات الفيديو مع معدلات الإطار في أكثر من 30 هرتز إلى إتاحة إعادة الإعمار مسار تفصيلا. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إعادة بناء مسار 3D <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> معايرة المحور Z <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تشكل وزن 2٪. حل الصمغ جيلان في المياه التي تحتوي على تعليق من الجسيمات يانوس الفلورسنت عند 60 درجة مئوية، ومكان في كوفيت أي ما يعادلأن تستخدم أعلاه، والسماح لضبط لتشكيل عينة شفافة صلبة تبلور تحتوي على الغرويات ثابت ثابت. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> التركيز على الغروانية ثابتة واحدة باستخدام نفس الظروف الإضاءة المحدد أعلاه، الآن تسجيل سلسلة من الصور الثابتة مثل التركيز ض يثيرها نزوح المعروف النسبية لهذه الطائرة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحديد دائرة نصف قطرها من الحلبة في كل موقف التركيز يعرف 11. ملاحظة: هذا هو الأكثر القيام بها بكفاءة عالية باستخدام خوارزمية تحليل الصور التي يمكن تطبيقها باعتبارها عملية دفعة لجميع المعايرة لا يزال الإطارات، وأشرطة الفيديو. ويتمثل حل نموذجي تجانس الصورة، العتبة لتحديد الموقع التقريبي من مركز الكائنات، ومن ثم تحديد مكان س الفعلية والإحداثيات ذ المركز حلقة عن طريق قياس المسافة بين قمم شدة جانبي الحلبة. المسافة شعاعي متوسط ​​إلى القمم كثافة من وسط الحلبة ثم يمكن العثور عليها. 11 وهذا ما يسمح كل من دائرة نصف قطرها من حلقة مشرقد س ص تنسق يتم تحديدها بدقة الفرعي بكسل. من خلال تحديد موقع س، ص، ض موقف لكرة يانوس الثابتة في اللثة جيلان 30 ميكرون من طائرة الوصل، في التسلسل الزمني للصور، والجسيمات يمكن أن يكون موجودا مع وجود خطأ من ± 25 نانومتر على طول كل محور. ويمكن أن يعزى الخطأ إلى الضوضاء في الصور. إشارة إلى نسبة الضوضاء، وبالتالي، فإن دقة خوارزميات موقع هي تعتمد على شدة الضوء مضان الكشف عنها. عندما المجال يانوس لا يزال بعيدا عن المستوى البؤري شدته تصبح أضعف من أن تتبع بدقة ذلك، على سبيل المثال، ليبلغ قطرها 4.8 ميكرون الغروانية على المدى ض حوالي 200 ميكرون من الممكن. طريقة بديلة غير حسابي هو استخدام قياس دليل بسيط من س، ص مركز ونصف قطرها، ولكن هذا سوف يقلل من دقتها. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> رسم منحنى المعايرة لربط دائرة نصف قطرها إلى z-الموقف، ويصلح لوظيفة مناسبة (على سبيل المثال، المعادلة مكعب) للسماح الاستيفاء. 11 </li></ol></li> &lt;لى&gt; معايرة العاشر، المحور ص <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تسجيل الإطار لا يزال صورة المجهر الضوئي من graticule معايرة المكاني باستخدام نفس الظروف المجهر المختار في 3.2. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> قياس البعد &quot;بالبكسل&quot; كائن مع معروف حجم العالم الحقيقي من صورة graticule معايرة المكاني واستخدام هذا لإنشاء بكسل إلى ميكرون عامل التحويل لX، Y طائرة الصورة. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إعادة مسار <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحديد إحداثيات س وص ونصف قطرها لكل إطار من تسلسل الفيديو كما هو موضح في 3.3.1.3، استخدم الدالة الموجودة في 3.3.1.4 لتحويل نصف قطرها إلى ض، وعامل المعايرة وجدت في 3.3.2.2 لتحويل x و y ينسق بكسل في ميكرون. وهذا الإجراء يؤدي إلى دقيقة س، ص، ض تنسيق للموقع الجسيمات الدافعة بوصفها وظيفة من الزمن. 11 هذا الإجراء يمكن تنفيذها باستخدام خوارزمية أو يدويا. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحديد ص المشتقةroperties مثل متوسط ​​سرعة لقياس مدى السباحة الحفازة المرصودة. </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.

فإن العديد من المتغيرات في إعداد بروتوكول للبلاتين الجسيمات يانوس تؤثر على مسارات المرصودة. المعلمات كما هو موضح باستخدام 2 ميكرون الجسيمات قطر سيعطي سرعات الدفع في حدود 10 ميكرون في الثانية الواحدة. إذا تم استخدام جسيمات أصغر، وسرعات تزيد مع زيادة حجم الجسيمات سيقلل سرعة الدفع. و12 تفاصيل البروتوكول تبخر يغير أيضا مسارات ملاحظتها. في هذا البروتوكول الحالي، فمن المستحسن توزيع متفرق من الغرويات، جنبا إلى جنب مع تبخر المعادن العادية إلى التوجه الشرائح. هذه الظروف تؤدي إلى الهياكل يانوس متناظرة كما هو مبين في الشكل 2، والذي يؤدي إلى مسارات خطية في حدود نشر التناوب البراونية. 13 وعلى العكس، إذا الغرويات معبأة ضيق تخضع لنظرة عابرة زاوية ترسب، ثم التماثل للغطاء يانوس لا يمكن كسرها ، للحث على الغزل السلوك. 14 سنوياrticles المنتجة هنا عرض الحركة الخواص نسبيا في جميع الأبعاد الثلاثة. ولكن إذا كان يتم استخدام أكثر سمكا الطلاء البلاتين، أو أكبر الجسيمات، وهو تحيز أو gravitaxis صعودا يمكن اضفاء 11 تفاصيل تخزين الغرويات يانوس بعد التصنيع ويمكن أيضا تؤثر على سرعة السباحة لوحظ. على سطح نظيف البلاتين عالية الطاقة سطح الخارجة من مرحلة التبخر هو عرضة للتلوث السطح على سبيل المثال من الهيدروكربونات، وفي التجولات معينة. 15 وبالإضافة إلى ذلك، خصائص حل فيه الغرويات يانوس هي إعادة علقت حاسمة لمراقبة الدفع. وتركيزات بيروكسيد منخفضة يؤدي إلى تباطؤ السرعات، حيث أن معدل الحركة رد فعل التحلل إنتاج يقلل من 6 وبالإضافة إلى ذلك، تركيزات منخفضة من الأملاح سيؤدي إلى انخفاض كبير في سرعة الدفع. 7 ومن السمات الرئيسية للالغرويات المنتجة هنا هي شمال شرق بهمالطفو utral، الأمر الذي يجعلها مناسبة لتتبع 3D. في عام أولت مجال الأجهزة السباحة القليل من الاهتمام ل3D الآثار، ويرجع ذلك جزئيا إلى بعض الأمثلة البارزة التي تبذل من المعادن الكثيفة، مما يسبب لهم بسرعة الرواسب، 16 ولكن أيضا بسبب الصعوبات والتكاليف المرتبطة جعل القياسات المطلوبة. وتوجد عيوب واضحة لبعض أساليب تتبع 3D التي أنشئت لهذه الغرويات تتحرك بسرعة، على سبيل المثال، يمكن ليزر المسح المجهري متحد البؤر تفتقر إلى القرار الزماني لتسجيل أعداد كافية من الصور لحل مسارات. في هذا السياق، فإن الطريقة التي نعرضها هنا لديه ميزة كبيرة من لا تتطلب سوى إطار واحد للسماح تقدير ض تنسيق، والذي يسمح بالتالي ارتفاع معدلات الإطار. أيضا، وإعادة الإعمار زي تنسيق يعتمد فقط على النقيض النسبي للالغروانية خارج نطاق التركيز في الأطر واحد، بدلا من كثافة مضان المطلقة، فمن مرونة للتبريد والآثار وامضفي fluorophore. هذه المزايا ممكنة على حساب عمق انخفاضا في المجال أكثر مما إعادة الإعمار 3D مسار ممكن، وشرط الغروية غير متداخلة فصل جيدا. نأمل أن يصف بروتوكول تسمح مجموعات بحثية أخرى لها مصلحة في السلوك 3D لأجهزة السباحة الخاصة بهم للوصول إلى هذه المعلومات بشكل مباشر مع وجود درجة عالية من الدقة. ومن الواضح أن التوسع في فهم هذه الأجهزة إلى 3D سيفتح مجموعة كبيرة من الظواهر والتطبيقات المستقبلية مثيرة للاهتمام. وتوجه القراء المهتمين في مزيد من التفاصيل عن تحليل المسار نحو المرجعي 17 التي تصف القطع الأثرية المشتركة في أنظمة الدافعة وكيفية ضمان تقدير دقيق للسرعات الدفع.

أجهزة السباحة بالوسيط الكيميائي على نطاق صغير، الغرويات غير المربوطة قادرة على توليد ذاتي الحركة في بيئات الموائعية 1،2 هذه الأجهزة تجتذب اهتماما البحثية الهامة لأنها لديها القدرة على تمكين وظائف جديدة ومثيرة مثل تسليم المخدرات، 3 مختبر على رقاقة النقل 4 والمعالجة البيئية. 5 مثال واحد درس على نطاق واسع والحفاز &quot;يانوس&quot; السباحين. 6 هذه الجزيئات الحصول على أسمائهم من وجود اثنين من الجانبين متميزة، أو وجوه (يانوس هو اثنين تواجه الإله الروماني). جانب واحد هو نشط حفاز وقادرة على أداء فعل التحلل، في حين أن الآخر هو خامل. في ظل وجود جزيئات الوقود المنحل مناسبة، مما أدى إلى تفاعل كيميائي غير المتماثلة يخلق التدرجات حول الغروية التي يمكن أن تنتج الحركة عبر diffusiophoresis الذاتي / الكهربائي. 7 تميز الحركة لهذه الأجسام المتحركة بسرعة غير تشا<html> llenging وتم العديد من الملاحظات التجريبية حتى الآن تقتصر على 2D. ومع ذلك، من المرجح أن استغلال الحفازة أجهزة السباحة القدرة على التحرك في جميع أنحاء حلول الأكبر في 3D التطبيقات في نهاية المطاف. 8 ولمعالجة ذلك، ونحن هنا وصف البروتوكول الذي يسمح مسارات 3D دقيقة لأجهزة السباحة يحدد لاحقا. ويستند هذا الأسلوب على تفسير البنى الحلقية التي تنتجها من الغرويات الفلورسنت تركنز لاحظ مع هدف التركيز الثابتة و 9 و هو سهل التطبيق باستخدام المجاهر معدلة التقليدية. وصف واضح هذه الطريقة هنا، وغيرهم من الباحثين في هذا المجال الاستفادة من خلال قدرته على الوصول إلى هذه المعلومات 3D. وهذا سيساعد الرؤى المستقبلية في خصائص الحركة لأجهزة السباحة. ويرد دليل على هذه الإمكانية في التقرير الأخير لأجهزة السباحة توجيهها عن طريق الجاذبية، 10،11 السلوك التي يمكن أن معظم بسهولة أن تصور من خلال تطبيق تتبع 3D 11 ove_content &quot;&gt; هذه الورقة أيضا يوثق بوضوح طريقة لتصنيع الحفازة يانوس أجهزة السباحة الجسيمات، التي ستكون من مزيد من الفائدة لتوحيد أساليب عبر المجموعات البحثية القائمة التحقيق في هذه الأجهزة، وبالإضافة إلى توجيه الباحثين الجدد المهتمين في صنع والتحقيق الأجهزة السباحة.

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

ويبين الشكل 1 تشتت نموذجية من الغرويات على شريحة زجاجية نظيفة قبل إيداع البلاتين ويبين الشكل 2 صورة SEM مبعثرة العودة نموذجية لمدة نصف البلاتين المغلفة يانوس السباح، في ظل هذا الوضع التصوير تنتج المنطقة البلاتين المغلفة النقيض مشرق. طبقة البلاتين نصف كروية المطلوب هو واضح الشكل 3 يعرض مظهر فلوري يانوس السباح نموذجية في ظل ظروف الإضاءة المثلى الثابتة في اللثة جيلان. يظهر السباح كسمة حلقة متناظرة، وهذا هو نصف قطر الحلقة التي يمكن استخدامها لتحديد ض موقف قريب الغروانية إلى موقف التركيز. ويبين الشكل 4 تمثيلية المقاطع العرضية لتوزيع كثافة سطوع شعاعي أن يستخدم في تركيبة مع خوارزميات تحليل الصور لتحديد دقيق لمركز ونصف قطرها واضح من الغروانية الشكل 5 </stron<html> ز&gt; يحتوي على منحنى المعايرة التي تم الحصول عليها باستخدام عينة الغروية الثابتة والمجهر مرحلة ض الترجمة معايرة لربط واضح حجم الغروية والبعد عن موقف التركيز. تم تجهيز هذا المنحنى إلى وظيفة مكعب، والذي يستخدم لتحويل نصف قطرها واضح في زي تنسيق. وأخيرا، الشكل 6 يعرض س نموذجية، ذ، ض مسار لفلوري يانوس الجسيمات السباح. <img alt="شكل 1" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig1.jpg" /> وفرقت الشكل 1. صورة البصرية المجهرية البوليستيرين 1.9 ميكرون قطر. الجزئي على شريحة زجاجية تنظيفها قبل ترسب البلاتين. يمثل مقياس شريط 40 ميكرون. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/54247/54247fig1large.jpg" target="_blank">الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a> وفاق / ftp_upload / 54247 / 54247fig2.jpg &quot;/&gt; الشكل 2. ووزارة شؤون المرأة صورة ارتدادي من 1.9 ميكرون قطر المجهرية البوليسترين. وتظهر الجزئي بعد ترسب البلاتين. يمثل مقياس شريط 2 ميكرومتر. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/54247/54247fig2large.jpg" target="_blank">الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a> <img alt="الشكل (3)" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig3.jpg" /> الشكل 3. الصور معايرة 4.8 ميكرون قطرها المجال البوليسترين الفلورسنت ثابتة في اللثة جيلان سجلت باستخدام الهدف 20X (0.4 غ). المسافات أسفل كل صورة تدل على مسافة البؤري للهدف فوق المجال. كما امتبائر الصورة من 0 ميكرون إلى 200 ميكرون وفي التركيز صورة التغييرات القرص مشرق لحلقة مشرقة، نصف قطر الذي يعتمد على التكبير، وspher<html> حجم الإلكترونية والمسافة التي تفصله عن البؤري. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/54247/54247fig3large.jpg" target="_blank">الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a> <img alt="الشكل (4)" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig4.jpg" /> ويستخدم الرقم 4. X، Y، Z إجراءات تتبع الجسيمات. وهناك مجموعة من الخوارزميات الذاتي مكتوب لتحديد أول مركز (س، ص) من حلقة مشرقة عن طريق استخراج سلسلة من الخطوط الأفقية والعمودية وإيجاد متوسط ​​متوسطة نقطة بين قمم مشرق (أ). ثم يتم حساب نصف قطر حلقة من ذروة كثافة لسين تركيبها على متوسط ​​بكسل رمادية القيم التي تنبثق من وسط حلقة (ب). <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/54247/54247fig4large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.</a> ه = &quot;1&quot;&gt; <img alt="الرقم 5" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig5.jpg" /> الرقم 5. Z-تنسيق الرسم البياني لمعايرة المجالات يانوس التي تم الحصول عليها عن طريق قياس نصف قطر حلقة مشرق من المجالات الثابتة في اللثة جيلان (انظر الشكلين 3 و 4). ويستخدم الرسم البياني المعايرة خوارزميات لدينا لتحويل نصف قطرها حلقة يقاس إلى Z- تنسيق. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/54247/54247fig5large.jpg" target="_blank">الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a> <img alt="الشكل (6)" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig6.jpg" /> تم تسجيل الرقم 6. مسار جهاز الفلورسنت نموذجية يانوس مجال السباحة. وهناك سلسلة من الصور من الجهاز المتحرك السباحة خلال الفترة من 30 ثانية بمعدل إطار من 33 هرتز. و(س، ص، ض) إحداثيات تم الحصول عليها من خلال تحديد موقع مركز حلقة مضيئة في مسار (فايجوري 4 (أ)) ومقارنة دائرة نصف قطرها حلقة قياس للرسم البياني المعايرة لكل صورة في تسلسل (الشكلان 4 (ب) و 5). <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/54247/54247fig6large.jpg" target="_blank">الرجاء النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Preparation and 3D Tracking of Catalytic Swimming Devices at JoVE.com

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.

تتبع إعداد و3D من التحفيز أجهزة سباحة

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

preparation-and-3d-tracking-of-catalytic-swimming-devices

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Physics

Engineering

Unit 1

Motion in Two or Three Dimensions

SCIENTISTS IN ACTION

7.5K Views.  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

Using Touch-evoked Response and Locomotion Assays to Assess Muscle Performance and Function in Zebrafish

Zebrafish muscle development is highly conserved with mammalian systems making them an excellent model to study muscle function and disease. Many myopathies affecting skeletal muscle function can be quickly and easily assessed in zebrafish over the first few days of embryogenesis. By 24 hr post-fertilization (hpf), wildtype zebrafish spontaneously contract their tail muscles and by 48 hpf, zebrafish exhibit controlled swimming behaviors. Reduction in the frequency of, or other alterations in, these movements may indicate a skeletal muscle dysfunction. To analyze swimming behavior and assess muscle performance in early zebrafish development, we utilize both touch-evoked escape response and locomotion assays.
Touch-evoked escape response assays can be used to assess muscle performance during short burst movements resulting from contraction of fast-twitch muscle fibers. In response to an external stimulus, which in this case is a tap on the head, wildtype zebrafish at 2 days post-fertilization (dpf) typically exhibit a powerful burst swim, accompanied by sharp turns. Our method quantifies skeletal muscle function by measuring the maximum acceleration during a burst swimming motion, the acceleration being directly proportional to the force produced by muscle contraction.
In contrast, locomotion assays during early zebrafish larval development are used to assess muscle performance during sustained periods of muscle activity. Using a tracking system to monitor swimming behavior, we obtain an automated calculation of the frequency of activity and distance in 6-day old zebrafish, reflective of their skeletal muscle function. Measurements of swimming performance are valuable for phenotypic assessment of disease models and high-throughput screening of mutations or chemical treatments affecting skeletal muscle function.

Zebrafish are an excellent model to study muscle function and disease. During early embryogenesis zebrafish begin regular muscle contractions producing rhythmic swimming behavior, which is altered when the muscle is disrupted. Here we describe a touch-evoked response and locomotion assay to examine swimming performance as a measure of muscle function.

عن طريق الاستجابة أثار اللمس والحركة فحوصات لتقييم أداء العضلات وظيفة في الزرد

Zebrafish muscle development is highly conserved with mammalian systems making them an excellent model to study muscle function and disease. Many ...

Developmental Biology

A Rapidly Incremented Tethered-Swimming Maximal Protocol for Cardiorespiratory Assessment of Swimmers

Incremental exercise testing is the standard means of assessing cardiorespiratory capacity of endurance athletes. While the maximal rate of oxygen consumption is typically used as the criterion measurement in this regard, two metabolic breakpoints that reflect changes in the dynamics of lactate production/consumption as the work rate is increased are perhaps more relevant for endurance athletes from a functional standpoint. Exercise economy, which represents the rate of oxygen consumption relative to performance of submaximal work, is also an important parameter to measure for endurance-athlete assessment. Ramp incremental tests comprising a gradual but rapid increase in work rate until the limit of exercise tolerance is reached are useful for determining these parameters. This type of test is typically performed on a cycle ergometer or treadmill because there is a need for precision with respect to work-rate incrementation. However, athletes should be tested while performing the mode of exercise required for their sport. Consequently, swimmers are typically assessed during free-swimming incremental tests where such precision is difficult to achieve. We have recently suggested that stationary swimming against a load that is progressively increased (incremental tethered swimming) can serve as a &#34;swim ergometer&#34; by allowing sufficient precision to accommodate a gradual but rapid loading pattern that reveals the aforementioned metabolic breakpoints and exercise economy. However, the degree to which the peak rate of oxygen consumption achieved during such a protocol approximates the maximal rate that is measured during free swimming remains to be determined. In the present article, we explain how this rapidly incremented tethered-swimming protocol can be employed to assess the cardiorespiratory capacity of a swimmer. Specifically, we explain how assessment of a short-distance competitive swimmer using this protocol revealed that his rate of oxygen uptake was 30.3 and 34.8 mL&#8729;min-1&#8729;kg-1BM at his gas-exchange threshold and respiratory compensation point, respectively.

As opposed to measurement during free swimming, which presents inherent challenges and limitations, determination of important parameters of cardiorespiratory function for swimmers can be made using a more feasible and easier to administer tethered-swimming rapidly incremented protocol with gas exchange and ventilatory data collection.

بروتوكول ماكسي للسباحة المربوطة بسرعة لتقييم القلب والتنفس للسباحين

Incremental exercise testing is the standard means of assessing cardiorespiratory capacity of endurance athletes. While the maximal rate of oxygen ...

Biochemistry

3D Kinematic Gait Analysis for Preclinical Studies in Rodents

The utility of three-dimensional (3D) kinematic motion analysis systems is limited in rodents. Part of the reason for this inadequacy is the use of complex algorithms and mathematical modeling that accompany 3D data collection and analysis procedures. This work provides a simple, user-friendly, step-by-step detailed methodology for 3D kinematic gait analysis during treadmill locomotion in healthy and neurotraumatic rats using a six-camera motion capture system. Also provided are details on 1) calibration of the system in an experimental set-up customized for quadrupedal locomotion, 2) data collection for treadmill locomotion in adult rats using markers positioned on all four limbs, 3) options available for video tracking and processing, and 4) basic 3D kinematic data generation and visualization and quantification of data using the built-in data collection software. Finally, it is suggested that the utility of this motion capture system be expanded to studying a variety of motor behaviors before and after neurotrauma.

Presented here is a protocol to collect and analyze three-dimensional kinematics of quadrupedal locomotion in rodents for preclinical studies.

تحليل مشية حركية ثلاثية الدلل للدراسات ما قبل السريرية في القوارض

The utility of three-dimensional (3D) kinematic motion analysis systems is limited in rodents. Part of the reason for this inadequacy is the use of ...

Behavior

Long-term Behavioral Tracking of Freely Swimming Weakly Electric Fish

Long-term behavioral tracking can capture and quantify natural animal behaviors, including those occurring infrequently. Behaviors such as exploration and social interactions can be best studied by observing unrestrained, freely behaving animals. Weakly electric fish (WEF) display readily observable exploratory and social behaviors by emitting electric organ discharge (EOD). Here, we describe three effective techniques to synchronously measure the EOD, body position, and posture of a free-swimming WEF for an extended period of time. First, we describe the construction of an experimental tank inside of an isolation chamber designed to block external sources of sensory stimuli such as light, sound, and vibration. The aquarium was partitioned to accommodate four test specimens, and automated gates remotely control the animals&#39; access to the central arena. Second, we describe a precise and reliable real-time EOD timing measurement method from freely swimming WEF. Signal distortions caused by the animal&#39;s body movements are corrected by spatial averaging and temporal processing stages. Third, we describe an underwater near-infrared imaging setup to observe unperturbed nocturnal animal behaviors. Infrared light pulses were used to synchronize the timing between the video and the physiological signal over a long recording duration. Our automated tracking software measures the animal&#39;s body position and posture reliably in an aquatic scene. In combination, these techniques enable long term observation of spontaneous behavior of freely swimming weakly electric fish in a reliable and precise manner. We believe our method can be similarly applied to the study of other aquatic animals by relating their physiological signals with exploratory or social behaviors.

We describe a set of techniques for studying spontaneous behavior of freely swimming weakly electric fish over an extended period of time, by synchronously measuring the animal&#39;s electric organ discharge timing, body position and posture both accurately and reliably in a specially designed aquarium tank inside a sensory isolation chamber.

على المدى الطويل لتتبع السلوكية للسباحة بحرية وكلي السمك الكهربائية

Long-term behavioral tracking can capture and quantify natural animal behaviors, including those occurring infrequently. Behaviors such as exploration and ...

Neuroscience

Cardiac Muscle-cell Based Actuator and Self-stabilizing Biorobot - PART 1

Biological machines often referred to as biorobots, are living cell- or tissue-based devices that are powered solely by the contractile activity of living components. Due to their inherent advantages, biorobots are gaining interest as alternatives to traditional fully artificial robots. Various studies have focused on harnessing the power of biological actuators, but only recently studies have quantitatively characterized the performance of biorobots and studied their geometry to enhance functionality and efficiency. Here, we demonstrate the development of a self-stabilizing swimming biorobot that can maintain its pitch, depth, and roll without external intervention. The design and fabrication of the PDMS scaffold for the biological actuator and biorobot followed by the functionalization with fibronectin is described in this first part. In the second part of this two-part article, we detail the incorporation of cardiomyocytes and characterize the biological actuator and biorobot function. Both incorporate a base and tail (cantilever) which produce fin-based propulsion. The tail is constructed with soft lithography techniques using PDMS and laser engraving. After incorporating the tail with the device base, it is functionalized with a cell adhesive protein and seeded confluently with cardiomyocytes. The base of the biological actuator consists of a solid PDMS block with a central glass bead (acts as a weight). The base of the biorobot consists of two composite PDMS materials, Ni-PDMS and microballoon-PDMS (MB-PDMS). The nickel powder (in Ni-PDMS) allows magnetic control of the biorobot during cells seeding and stability during locomotion. Microballoons (in MB-PDMS) decrease the density of MB-PDMS, and enable the biorobot to float and swim steadily. The use of these two materials with different mass densities, enabled precise control over the weight distribution to ensure a positive restoration force at any angle of the biorobot. This technique produces a magnetically controlled self-stabilizing swimming biorobot.

In this two-part study, a biological actuator was developed using highly flexible polydimethylsiloxane (PDMS) cantilevers and living muscle cells (cardiomyocytes), and characterized. The biological actuator was incorporated with a base made of modified PDMS materials to build a self-stabilizing, swimming biorobot.

القلب القائم على خلايا العضلات المحرك و بيوروبوت الاستقرار الذاتي - الجزء 1

Biological machines often referred to as biorobots, are living cell- or tissue-based devices that are powered solely by the contractile activity of living ...

Bioengineering

A Protocol for Real-time 3D Single Particle Tracking

Real-time three-dimensional single particle tracking (RT-3D-SPT) has the potential to shed light on fast, 3D processes in cellular systems. Although various RT-3D-SPT methods have been put forward in recent years, tracking high speed 3D diffusing particles at low photon count rates remains a challenge. Moreover, RT-3D-SPT setups are generally complex and difficult to implement, limiting their widespread application to biological problems. This protocol presents a RT-3D-SPT system named 3D Dynamic Photon Localization Tracking (3D-DyPLoT), which can track particles with high diffusive speed (up to 20 &#181;m2/s) at low photon count rates (down to 10 kHz). 3D-DyPLoT employs a 2D electro-optic deflector (2D-EOD) and a tunable acoustic gradient (TAG) lens to drive a single focused laser spot dynamically in 3D. Combined with an optimized position estimation algorithm, 3D-DyPLoT can lock onto single particles with high tracking speed and high localization precision. Owing to the single excitation and single detection path layout, 3D-DyPLoT is robust and easy to set up. This protocol discusses how to build 3D-DyPLoT step by step. First, the optical layout is described. Next, the system is calibrated and optimized by raster scanning a 190 nm fluorescent bead with the piezoelectric nanopositioner. Finally, to demonstrate real-time 3D tracking ability, 110 nm fluorescent beads are tracked in water.

This protocol details the construction and operation of a real-time 3D single particle tracking microscope capable of tracking nanoscale fluorescent probes at high diffusive speeds and low photon count rates.

بروتوكول لتتبع في الوقت الحقيقي 3D الجسيمات مفردة

Real-time three-dimensional single particle tracking (RT-3D-SPT) has the potential to shed light on fast, 3D processes in cellular systems. Although ...

Swimming Performance Assessment in Fishes

Swimming performance tests of fish have been integral to studies of muscle energetics, swimming mechanics, gas exchange, cardiac physiology, disease, pollution, hypoxia and temperature. This paper describes a flexible protocol to assess fish swimming performance using equipment in which water velocity can be controlled. The protocol involves one to several stepped increases in flow speed that are intended to cause fish to fatigue. Step speeds and their duration can be set to capture swimming abilities of different physiological and ecological relevance. Most frequently step size is set to determine critical swimming velocity (Ucrit), which is intended to capture maximum sustained swimming ability. Traditionally this test has consisted of approximately ten steps each of 20 min duration. However, steps of shorter duration (e.g. 1 min) are increasingly being utilized to capture acceleration ability or burst swimming performance. Regardless of step size, swimming tests can be repeated over time to gauge individual variation and recovery ability. Endpoints related to swimming such as measures of metabolic rate, fin use, ventilation rate, and of behavior, such as the distance between schooling fish, are often included before, during and after swimming tests. Given the diversity of fish species, the number of unexplored research questions, and the importance of many species to global ecology and economic health, studies of fish swimming performance will remain popular and invaluable for the foreseeable future.

The lives of the majority of fish are predicated on swimming. This protocol describes techniques for capturing a range of swimming modes available to individual and schooling fish, and includes metrics associated with swimming physiology and behaviour.

السباحة تقييم الأداء في أسماك

Swimming performance tests of fish have been integral to studies of muscle energetics, swimming mechanics, gas exchange, cardiac physiology, disease, ...

Biology

Automated Analysis of C. elegans Swim Behavior Using CeleST Software

Dissecting the neuronal and neuromuscular circuits that regulate behavior remains a major challenge in biology. The nematode Caenorhabditis elegans has proven to be an invaluable model organism in helping to tackle this challenge, from inspiring technological approaches,&#160;building the human brain connectome, to actually shedding light on the specific molecular drivers of basic functional patterns. The bulk of the behavioral studies in C. elegans have been performed on solid substrates. In liquid, animals exhibit behavioral patterns that include movement at a range of speeds in 3D, as well as partial body movements, such as a posterior curl without anterior shape change, which introduce new challenges for quantitation. The steps of a simple procedure, and use of a software that enables high-resolution analysis of C. elegans swim behavior, are presented here. The software, named CeleST, uses a specialized computer program that tracks multiple animals simultaneously and provides novel measures of C. elegans locomotion in liquid (swimming). The measures are mostly grounded in animal posture and based on mathematics used in computer vision and pattern recognition, without computational requirements for threshold cut-offs. The software tool can be used to both assess overall swimming prowess in hundreds of animals from combined small batch trials and to reveal novel phenotypes even in well-characterized genetic mutants. The preparation of specimens for analysis with CeleST is simple and low-tech, enabling wide adaptation by the scientific community. Use of the computational approach described here should therefore contribute to the greater understanding of behavior and behavioral circuits in the C. elegans model.

Automated Analysis of C. elegans Swim Behavior Using CeleST Software

An efficient and simple methodology for computer-based analysis of nematode swimming behavior in liquid is described. The method requires little to no investment for C. elegans laboratories. The hardware used is standard, and the computer software for the behavioral analysis (CeleST) is an open source one.

تحليل الآلي لل<em&gt; C. ايليجانس</em&gt; السباحة السلوك باستخدام CeleST البرمجيات

Dissecting the neuronal and neuromuscular circuits that regulate behavior remains a major challenge in biology. The nematode Caenorhabditis elegans has ...

Using an Automated 3D-tracking System to Record Individual and Shoals of Adult Zebrafish

Like many aquatic animals, zebrafish (Danio rerio) moves in a 3D space. It is thus preferable to use a 3D recording system to study its behavior. The presented automatic video tracking system accomplishes this by using a mirror system and a calibration procedure that corrects for the considerable error introduced by the transition of light from water to air. With this system it is possible to record both single and groups of adult zebrafish. Before use, the system has to be calibrated. The system consists of three modules: Recording, Path Reconstruction, and Data Processing. The step-by-step protocols for calibration and using the three modules are presented. Depending on the experimental setup, the system can be used for testing neophobia, white aversion, social cohesion, motor impairments, novel object exploration etc. It is especially promising as a first-step tool to study the effects of drugs or mutations on basic behavioral patterns. The system provides information about vertical and horizontal distribution of the zebrafish, about the xyz-components of kinematic parameters (such as locomotion, velocity, acceleration, and turning angle) and it provides the data necessary to calculate parameters for social cohesions when testing shoals.

The use of a 3D automatic video system that can track individual and groups of zebrafish is described. As application example we explore the effects of the NMDA-receptor antagonist MK-801 on shoals of zebrafish.

باستخدام نظام 3D تتبع الآلي لتسجيل الفردية وشولز من اسماك الزرد الكبار

Like many aquatic animals, zebrafish (Danio rerio) moves in a 3D space. It is thus preferable to use a 3D recording system to study its behavior. The ...

Analysis of Motility Patterns of Stentor During and After Oral Apparatus Regeneration Using Cell Tracking

Stentor coeruleus is a well-known model organism for the study of unicellular regeneration. Transcriptomic analysis of individual cells revealed hundreds of genes&#8212;many not associated with the oral apparatus (OA)&#8212;that are differentially regulated in phases throughout the regeneration process. It was hypothesized that this systemic reorganization and mobilization of cellular resources towards growth of a new OA will lead to observable changes in movement and behavior corresponding in time to the phases of differential gene expression. However, the morphological complexity of S. coeruleus necessitated the development of an assay to capture the statistics and timescale. A custom script was used to track cells in short videos, and statistics were compiled over a large population (N ~100). Upon loss of the OA, S. coeruleus initially loses the ability for directed motion; then starting at ~4 h, it exhibits a significant drop in speed until ~8 h. This assay provides a useful tool for the screening of motility phenotypes and can be adapted for the investigation of other organisms.

Analysis of Motility Patterns of Stentor During and After Oral Apparatus Regeneration Using Cell Tracking

We present a protocol for the characterization of motility and behavior of a population of hundred micron- to millimeter-sized cells using brightfield microscopy and cell tracking. This assay reveals that Stentor coeruleus transitions through four behaviorally distinct phases when regenerating a lost oral apparatus.

تحليل أنماط حركية السدادة أثناء وبعد تجديد الجهاز الفموي باستخدام تتبع الخلايا

Stentor coeruleus is a well-known model organism for the study of unicellular regeneration. Transcriptomic analysis of individual cells revealed hundreds ...