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

אזהרה: נא להתייעץ כל גיליונות נתוני בטיחות חומרים הרלוונטיים לפני השימוש. מי חמצן להשתמש בפרוטוקול זה מזיק, ואת האבולוציה של גז חמצן כאשר הם נחשפים פלטינה מהווה סיכון לפיצוץ. השתמש בכל אמצעי הבטיחות המתאים במהלך פרוטוקול זה לרבות בקרות הנדסה בזמן טיפול פתרונות חמצן (במנדף) וציוד מגן אישי (משקפי מגן, כפפות וחלוקים מעבדה). 1. ביצוע קטליטי יאנוס חלקיקים <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כן מצע זכוכית שקופית <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> נקו שקופית מיקרוסקופ רגיל בשימוש באמצעות שטיפת רציפים במשך כמה דקות כל אחד deionized (DI) מים, פתרון טיהור זכוכית ומים DI. לאחר מכן לשטוף עם 70:30 v: v תערובת של אתנול: מים די, ולבסוף מכה יבשה בזרם אוויר / חנקן נקי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בדוק את שקופית הזכוכית תחת מיקרוסקופ כדי לאמת את השטח הוא נקי ללא עדות לזיהום חלקיקים. חזור על שלב 1.1.1 במידת הצורך. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כן פיזור colloidal להפקדה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פיפטה 10 μl של פתרון קולואיד פלורסנט המניות מימי (wt 10%.) לתוך 990 μl של אתנול. התאם כרכים כנדרש בהתאם ריכוז פתרון המניות שהשתמשו בו כדי להגיע כ ההשעיה colloidal 0.1% wt. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שילוב וורטקס למשך 10 שניות. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ספין מעיל פיזור colloidal על מצע זכוכית שקופית <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לצייד coater ספין עם שקופיות זכוכית נקייה. מלאו קצה פיפטה עם 100 μl של פתרון קולואידים בדילול מוכן לעיל. coater תוכנית לסיבוב כדי לבצע מחזור סל&quot;ד 30 שניות, 2,000. התחל coater ספין, וכאשר עד למהירות ברציפות פיפטה פתרון מוכן על גבי במרכז שקופיות זכוכית ספינינג. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר שקופיות זכוכית מן coater ספין, לחזור מיקרוסקופ אופטי ולוודא כי פיזור אפילו של בעיקר הלא-נגיעה קולואידים נפרד מכסה את o באזור המרכזf שקופיות הזכוכית. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להתאדות אבק מתכת פלטינה לשקופית זכוכית מעוטר קולואיד <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנס את השקופית זכוכית מצופה קולואיד לתוך המאייד מתכת. ודא קולואיד מעוצב בצד עומד בפני מקור האידוי. התקן מקור אידוי מתכת פלטינה להפקיד 15 ננומטר של מתכת פלטינה. הערה: בעקבות בתצהיר מתכת, יש לאחסן דגימות תחת אווירה אינרטי. </li></ol></li></ol> 2. &quot;שחייה&quot; חלקיקים יאנוס <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מחדש להשעות יאנוס קולואידים לתוך תמיסה המכילה מי חמצן <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חותכים ריבוע 1 x 1 ס&quot;מ של רקמת העדשה, ויחליש את הקצה עם 10 μl של מים DI. חזק עם פינצטה, לשפשף בעדינות על פני השטח של שקופית זכוכית הפלטינה מצופית מעוצב קולואיד (שלב זה פיזי מסיר קולואידים מן המצע). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנס את רקמת העדשה לתוך 1.5 מיליליטר מי DI ידני לנער במרץ למשך 30 שניות בתוך tu אטוםלִהיוֹת. הסרה של רקמה העדשה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פיפטה 1 מ&quot;ל של קולואיד המכיל פתרון לתוך מיכל חדש, מלא 1 מ&quot;ל של 30% w / v H 2 O 2 פתרון המניות. בעדינות מערבבים את פתרונות, ולאחר מכן למקם באמבטיה קולי בטמפרטורת החדר במשך 5 דקות, ואחריו עוד תקופת הדגירה 25 דקות unstirred. זהירות: פתרון זה עשוי להתפתח חמצן; לא לאטום. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יבש 100 μl של פתרון קולואידים מימית הנותרים על מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) בדל לאפשר אימות SEM של המבנה קולואיד יאנוס. 14 </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכן קובט ניתוח <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הוסף 1 מ&quot;ל נוספים של מים די לפתרון וטופחו המכיל קולואידים מצופה חמצן ופלטינה להגיע כוח דלק מתאים (10%) על מנת לאפשר הנעה מהירה. הערה: בשלבי הדגירה לפני בוצעו בריכוזי דלק ריכוז גבוהים כדי לנקות את שטח זרז פלטינה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ממלאים loנפח w קובט זכוכית קוורץ מלבני עם הפתרון מודגרות. רופף להתאים כובע שכיבות ב. זהירות: סכנת פיצוץ - לא משתמשת ראש מתברג. </li></ol></li></ol> 3. תצפית מיקרוסקופית <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אתר חלקיקים של עניין <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קובט טען לתוך מיקרוסקופ פלואורסצנטי מצויד מטרה מתאימה (למשל, 20X) ולרגש פליטת fluorophore באמצעות שילוב מתאים של מסננים (עירור 450-490 ננומטר, פליטה&gt; 515 ננומטר). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ידני לחפש קולואידים ניאון בתוך קובט. הערה: התאמת צפיפות קולואיד תוך שמירה על ריכוז החמצן ייתכן שיידרש. לדוגמא, דילול מומלץ אם צפיפות קולואיד היא גבוהה, ובועות חמצן רבות לייצר תזרימי נוכחים. ריכוז נפח קולואיד של 0.003% על הוא נקודת התחלה מומלצת. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מטב הגדרות אופטיות למעקב 3D: תחת תנאי תאורה מתאימים, אניn להתמקד קולואידים יופיעו אובייקטים עגולים חדים. עם זאת, כמו הנעה מעביר את קולואידים פנימה והחוצה של המטוס מוקד בגודל הייחודי שינוי טבעת בהיר התרכזו סביב כדור יקויימו, זה משמש כדי לקבוע את z לתאם כדי לאפשר מעקב 3D. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הקלטת וידאו <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לפני שמתחילים לכידת וידאו, למקד את המיקרוסקופ כך החלקיק עניין מייצרת טבעת קונצנטריים, עם החלקיקים &quot;תחת&quot; מצב המיקוד. אל תזיז את המטוס להתמקד במהלך לכידת וידאו. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קלטת קטעי וידאו של חלקיקים של עניין. השתמש 30 משכי וידאו שניות עם מסגרת חליפין העולה על 30 הרץ כדי לאפשר שחזור מסלול מפורט. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שחזור מסלול 3D <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כיול ציר Z <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להמציא WT 2%. פתרון מסטיק gellan במים המכילים השעיה של חלקיקים יאנוס פלורסנט ב 60 ° C, מעמידים בתוך קובט שווהשהשתמש לעיל, ולאפשר להגדיר כדי ליצור מדגם בג&#39;ל שקוף נוקשה המכיל קולואידים סטטי קבועים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פוקוס על קולואיד יחיד קבוע תוך שימוש באותו תנאי התאורה שנבחר למעלה, עכשיו להקליט סדרה של תמונות סטילס כמו פוקוס z מגייסת התקות ידועות ביחס המטוס הזה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קבע את הרדיוס של הטבעת בכל מצב מיקוד ידוע 11. הערה: זה באופן יעיל ביותר שבוצע באמצעות אלגוריתם ניתוח תמונה כי ניתן להחיל כתהליך יצווה לכל כיול סטילס וקטעי וידאו. גישה טיפוסית כולל החלקת התמונה, thresholding לזהות מיקום משוער של &#39;מרכז האובייקטים, ולאחר מכן לאתר את x ו- y בפועל של מרכז הטבעת על ידי מדידת המרחק בין פסגות עוצמות משני צדי הטבעת. המרחק הרדיאלי הממוצע אל הפסגות העוצמות ממרכז הטבעת ניתן למצוא מכן. 11 זה מאפשר הוא רדיוס הטבעת הבהירהד XY לתאם שייקבע עם דיוק תת-פיקסל. בהציבה את x, y, z המיקום של כדור יאנוס קבוע מסטיק gellan 30 מיקרומטר מהמטוס מוקדי, כי תוך פרק זמן של תמונות, חלקיקים שניתן לאתרם שגיאה של ± 25 ננומטר לאורך כל ציר. השגיאה ניתן לייחס רעש בתמונות. יחס האות לרעש ולכן, את הדיוק של אלגוריתמי המיקום תלויה בעוצמת אור פלואורסצנטי זוהה. כאשר כדור תאנוס רחוק מלהיות במישור מוקד עוצמתו הופכת חלשה מכדי לעקוב אחר אותו במדויק, למשל, עבור בקוטר 4.8 מיקרומטר קולואיד z-טווח של כ -200 מיקרומטר אפשרי. שיטה חלופית הלא אלגוריתמית היא להשתמש מדידה ידנית פשוטה של ​​x, y מרכז ורדיוס, אולם זה יפחית את רמת הדיוק. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מגרש עקום כיול להתייחס רדיוס כדי Z-Position, ולהשתלב לאחת פונקציות מתאימות (למשל, משוואה מהמעלה שלישית) כדי לאפשר אינטרפולציה. 11 </li></ol></li> &lt;li&gt; כיול x, ציר y <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הקלטת עדיין מסגרת תמונת מיקרוסקופ אופטי של graticule כיול מרחבית באמצעות התנאים מיקרוסקופ אותו נבחר 3.2. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מדוד את מימד &quot;בפיקסלים&quot; של אובייקט עם גודל בעולם האמיתי ידוע מהתמונה של graticule כיול מרחבית להשתמש בזה כדי להקים פיקסלים מקדם המרה מיקרון עבור x, y תמונת המטוס. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לשחזר מסלול <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קבע את x ו- y ורדיוס עבור כל מסגרת של רצף הווידאו כמתואר 3.3.1.3, השתמש בפונקציה נמצאת 3.3.1.4 להמיר רדיוס לתוך z, וגורם הכיול נמצא 3.3.2.2 להמיר x ו- y פיקסל קואורדינטות לתוך מיקרון. הליך זה יביא x המדויק, y, z לתאם עבור מיקום חלקיקים הנעים כפונקציה של זמן. 11 הליך זה יכול להיות מיושם באמצעות אלגוריתם, או באופן ידני. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קבע את p נגזרroperties כגון מהירות ממוצעת כדי לכמת את מידת שחייה קטליטי נצפים. </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.

משתנה רב בפרוטוקול כהכנת חלקיקי פלטינה תאנוס ישפיע על המסלולים הנצפים. הפרמטרים כמתואר באמצעות 2 מיקרומטר חלקיקים בקוטר ייתן מהירויות הנעה ב בסדר גודל של 10 מיקרומטר לשנייה. אם חלקיקים קטנים משמשים, מהירויות תגדלנה, תוך הגדלת גודל חלקיקים תקטן מהירות הנעה. 12 הפרטים של פרוטוקול האידוי יהיו גם לשנות את המסלולים ציינו. בפרוטוקול הנוכחי, ותפוצה דלילה של קולואידים מומלץ, יחד עם אידוי מתכת רגילה לאוריינטציה שקופיות. תנאים אלה לגרום מבנים סימטריים תאנוס כפי שמוצג באיור 2, אשר להוביל מסלולים ליניארי בגבולות דיפוזיה סיבוב בראונית. 13 לעומת זאת, אם קולואידים ארוזים חזק כפופים מציצים בתצהיר זווית, אז את הסימטריה של הכובע תאנוס יכולה להיות שבורה , כדי לגרום ספינינג התנהגות. 14 הרשות הפלסטיניתrticles מיוצר כאן להציג תנועה איזוטרופיים יחסית בכל שלושת הממדים; אולם אם ציפויי פלטינה עבים, או חלקיקים גדולים יותר משמשים, הטיה או gravitaxis כלפי מעלה ניתן להקנות. 11 פרטים של האחסון של קולואידים יאנוס לאחר הייצור עלול גם להשפיע על מהירויות השחייה ציינו. משטח הפלטינה הנקי אנרגית משטח גבוהה מתעוררים החלו משלב האידוי רגיש משטח זיהום למשל מפחמימנים, ובשנת thiols בפרט. 15 בנוסף, את מאפייני הפתרון שבו קולואידים תאנוס מחדש התלוי הם קריטיים עבור התבוננות נעה. ריכוזי חמצן נמוכים יגרמו מהירויות איטיות, כמו הקצב של התנועה לייצר תגובת פירוק מפחית. 6 בנוסף, ריכוזים נמוכים של מלחים יביא לירידה דרמטית מהירות הנעה. 7 תכונה מרכזית של קולואידים המיוצרים כאן היא ne שלהםציפת utral, מה שהופך אותם מתאימים למעקב 3D. באופן כללי בתחום מכשור שחייה שלם מעט מאוד תשומת לב אפקטי 3D, בחלקו בשל כמה דוגמאות בולטות שנעשות ממתכות צפופות, מה שגרם להם משקעים במהירות, 16 אלא גם בשל הקשיים וההוצאות הקשורות ביצוע המדידות הנדרשות. חסרונות ברורים כמה שיטות מעקב 3D הוקמו קיימים קולואידים נעו במהירות אלה, למשל, מיקרוסקופ ליזר סריקת confocal יכול חסר את ההחלטה הזמנית להקליט בכמות מספקת של תמונות כדי לפתור מסלולים. בהקשר זה, השיטה אנו מציגים כאן יש את היתרון המשמעותי של מחייב רק מסגרת אחת כדי לאפשר הערכה של z לתאם, אשר כתוצאה מכך מאפשרת מסגרת חליפין גבוהים. כמו כן, כפי שחזור לתאם z רק מסתמך על הניגוד היחסי של out-of-פוקוס קולואיד במסגרות יחידה, ולא את עוצמת הקרינה המוחלטת, הוא מתאושש מהר כדי המרווה ואפקטים מהבהביםב fluorophore. יתרונות אלה אפשריים על חשבון עומק מופחת של השטה אשר שיקום מסלול 3D אפשרי, ואת הדרישה קולואידים שאינם חופפים מופרדים היטב. אנו מקווים כי המתארים את הפרוטוקול יאפשר קבוצות מחקר אחרות עם עניין בהתנהגות 3D עבור מכשירי השחייה שלהם כדי לגשת למידע זה בצורה ישירה ועם רמה גבוהה של דיוק. ברור כי הרחבת ההבנה של התקנים אלה כדי 3D תפתח מגוון משמעותי של תופעות ויישומים עתידיים מעניינות. קוראים המעוניינים בפרטים נוספים של ניתוח מסלול מכוונים הפניה 17 מתאר חפץ נפוץ במערכות הנעות וכיצד להבטיח כימות מדויק של מהירויות נעה.

התקנים שחיו קטליטי הם בקנה מידה קטן, ומשוחררים קולואידים מסוגלים לייצר תנועה באופן אוטונומי בסביבות fluidic. 1,2 התקנים אלה מושכים עניין מחקר משמעותי כמו שיש להם הפוטנציאל לאפשר פונקציות חדשות ומלהיבות, כגון משלוח סמים, 3 מעבדה בטרנספורט שבב 4 ו תיקון הסביבה. 5 דוגמה אחת נרחב הנלמדים הם קטליטי שחיינים &quot;יאנוס&quot;. 6 חלקיקים אלו לקבל את השם שלהם מהצורך שני צדדים ברורים, או פרצופים (יאנוס הוא האל הרומי שני מתמודד). צד אחד הוא קטליטית פעיל ומסוגלים לבצע תגובת פירוק, ואילו השני הוא אינרטי. בנוכחות מולקולות דלק מומסת מתאימות, תגובה הכימית הסימטרית וכתוצאה מכך היוצר הדרגתי סביב קולואידים אשר יכול לייצר תנועה באמצעות עצמית diffusiophoresis / אלקטרופורזה. 7 האפיון ובקשת העצמים הנעים במהירות אלה הוא צ&#39;ה<html> llenging ותצפיות ניסיוני רבים עד כה היו מוגבלות 2D. עם זאת, יישומים בסופו של דבר צפויים לנצל יכולת התקנים שחיו קטליטי לנוע ברחבי פתרונות בתפזורת 3D. 8 לכתובת זו, כאן אנו מתארים פרוטוקול המאפשר מסלולי 3D מדויקים למכשירי שחייה שייקבעו. שיטה זו מבוססת על פרשנות מבני הטבעת המיוצרת על ידי מתוך קולואידים פלורסנט מוקד ציינו עם מטרת מיקוד קבוע, 9 ו קלה ליישום באמצעות מיקרוסקופים ללא שינוי קונבנציונליים. על ידי בבירור מתאר שיטה זו כאן, חוקרים אחרים בתחום זה ירוויחו על ידי יכולת לגשת למידע 3D כזה. זה יסייע תובנה בעתיד לתוך מאפייני תנועה למכשירי שחייה. עדות פוטנציאל זה ניתנת על ידי הדו&quot;ח האחרון של מכשירים שחייה להיות נוהלה על ידי כוח הכבידה, 10,11 התנהגות אשר ניתן דמיינו בקלות ביותר באמצעות יישום של מעקב 3D. 11 ove_content &quot;&gt; מאמר זה גם ברור מתעד שיטה לייצור מכשירי שחי חלקיקים תאנסו קטליטי, אשר יהיו תועלת נוספת לתקנן שיטות פני קבוצות המחקר קיימות חוקרות התקנים אלה, ובנוסף להנחות חוקרים חדשים מעוניינים להגיע ולחקור התקנים שחיו.

<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.

איור 1 מציג פיזור אופייני קולואידים בשקופית זכוכית נקיה לפני הפקדת פלטינה. איור 2 מציג תמונת SEM גב מפוזר אופיינית פלטינה חצי מצופה שחיין תאנוס, תחת מצב הדמיה זו באזור צופה הפלטינה מייצר בניגוד בהיר. שכבת הפלטינה hemispherical הרצויה היא נראה לעין. איור 3 מציג את המראה של שחיין יאנוס ניאון אופייני בתנאי תאורה אופטימליים קבועים מסטיק gellan. השחיין מופיע כתכונת טבעת סימטרית, והוא מייצג את הרדיוס של הטבעת, שניתן להשתמש בם כדי לקבוע את z-העמדה ביחס קולואיד לעמדת המוקד. איור 4 מראה בחתכים נציג לחלוקת עוצמת הבהירות רדיאלי כי משמש בשילוב עם אלגוריתמי ניתוח תמונה כדי לאתר את המרכז במדויק ורדיוס לכאורה של קולואיד. איור 5 </stron<html> g&gt; מכיל עקומת כיול שהושגו באמצעות מדגם קולואידים קבוע ובמה z-תרגום מיקרוסקופ מכויל להתייחס גודל קולואידים לכאורה ומרחק מן מצב המיקוד. עקומה זו הוא מצויד פונקציה מעוקב, אשר משמש כדי להמיר רדיוס לכאורה לתוך z לתאם. לבסוף, איור 6 מציג a x טיפוסי, y, z מסלול עבור שחיין החלקיקים פלורסנט יאנוס. <img alt="איור 1" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig1.jpg" /> באיור 1. תמונה אופטית של microspheres פוליסטירן 1.9 מיקרומטר קוטר. מיקרוסכמות מפוזרות בשקופית זכוכית לנקות לפני בתצהיר פלטינום. סרגל קנה מידה מייצג 40 מיקרומטר. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/54247/54247fig1large.jpg" target="_blank">לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> es / ftp_upload / 54,247 / 54247fig2.jpg &quot;/&gt; איור 2. תמונה backscatter SEM של microspheres פוליסטירן 1.9 מיקרומטר קוטר. מיקרוסכמות מוצגים לאחר בתצהיר פלטינה. סרגל קנה מידה מייצג 2 מיקרומטר. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/54247/54247fig2large.jpg" target="_blank">לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 3" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig3.jpg" /> איור 3. תמונות כיול של כדור קלקר ניאון 4.8 מיקרומטר בקוטר קבוע מסטיק gellan רשם באמצעות מטרת 20X (0.4 NA). המרחקים מתחת לכל תמונה מצביעים על המרחק של מטוס המוקד של המטרה מעל הכדור. כפי שהתמונה defocused בין 0 מיקרומטר עד 200 מיקרומטר התמונה בפוקוס של שינויי דיסקוס נוהרים אל טבעת מוארת, הרדיוס אשר תלוי גדל, את spher<html> דואר גודל וריחוקו במישור המוקד. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/54247/54247fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 4" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig4.jpg" /> האיור 4. X, Y, נוהל מעקב חלקיקי z. קבוצה של אלגוריתמים בכתב עצמיים משמש ראשון כדי לאתר את (x, y) במרכז הזירה הבהירה על ידי לחילוץ סדרה של קווים אנכיים ואופקיים ומציאת ממוצע באמצע הנקודה בין הפסגות הבהירות (א). רדיוס הטבעת ולאחר מכן מחושב מעוצמת השיא של שגם מצוידים האפורים-ערכי הפיקסלים הממוצע מקרינים החוצה ממרכז הטבעת (ב). <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/54247/54247fig4large.jpg" target="_blank">נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> e = &quot;1&quot;&gt; <img alt="איור 5" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig5.jpg" /> איור 5. Z-לתאם תרשים כיול עבור תחומים תאנסו מתקבלים על ידי מדידת רדיוס הטבעת הבהירה של תחומים קבועים מסטיק gellan (ראה איורים 3 ו -4). תרשים הכיול משמש האלגוריתמים שלנו להמיר את רדיוס הטבעת נמדד על z- לתאם. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/54247/54247fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 6" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig6.jpg" /> איור 6. מסלול של מכשיר שחייה בתחום יאנוס ניאון אופייני. רצף של תמונות של המכשיר המרגש שהחייה נרשם על פני תקופה של 30 שניות בקצב מסגרת של 33 רץ. ה (x, y, z) קואורדינטות של המסלול התקבל על ידי איתור במרכז הטבעת הבהירה (אלחוטיאיור 4 (א)) ומשווה את רדיוס הטבעת המדוד בתרשים כיול עבור כל תמונה ברצף (איורים 4 (ב) ו -5). <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/54247/54247fig6large.jpg" target="_blank">נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</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.

מעקב הכנה 3D של התקנים שחייה קטליטי

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

Universidad de Cartagena UDEC

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.

באמצעות תגובת מגע עוררת ו תנועת מבחנים להעריך שריר ביצועים ופונקציות של דג זברה

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.

פרוטוקול מקסימלי בעל שחייה בצמיחה מהירה באמצעות שחיה על הערכת שחיינים

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.

3D ניתוח הילוך קימטי למחקרים פרה-קליניים במכרסמים

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.

לטווח ארוך התנהגות מעקב של Freely בריכה בחולשת דגים חשמליים

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.

תא שריר לב מבוסס מפעיל ומייצב עצמי ביורובוט - חלק 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.

פרוטוקול לצורך מעקב בזמן אמת 3D חלקיק יחיד

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.

הערכת ביצועים שחייה דגים

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.

ניתוח אוטומטי של<em&gt; C. elegans</em&gt; התנהגות שח שימוש CeleST תוכנה

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.

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.

ניתוח דפוסי תנועתיות של סטנטור במהלך ואחרי התחדשות מנגנון הפה באמצעות מעקב אחר תאים

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