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

주의 : 사용하기 전에 모든 관련 물질 안전 보건 자료를 참조하십시오. 이 프로토콜에서 사용되는 과산화수소는 유해하고, 백금에 노출 된 산소 기체의 방출은 폭발 위험이. 동안 과산화수소 용액 (흄 후드) 및 개인 보호 장비 (안전 안경, 장갑, 실험실 코트를) 처리 공학적 관리를 포함하여이 프로토콜 동안 모든 적절한 안전 컨트롤을 사용합니다. 1. 촉매 야누스 입자를 만들기 <ol><li> 슬라이드 유리 기판을 준비 <ol><li> 탈 이온수 (DI) 물, 유리의 오염 제거 용액 및 DI 물에 몇 분마다 순차적으로 세척을 사용하지 않는 표준 현미경 슬라이드를 청소합니다. 에탄올의 V 혼합물 : 그런 다음 70:30 v를 씻어 DI 물, 그리고 마지막으로 깨끗한 공기 / 질소 기류에 바람을 불어 건조. </li><li> 표면이 미립자 오염의 증거에서 깨끗하고 무료로 확인하기 위해 현미경 유리 슬라이드를 검사합니다. 단계를 반복 1.1.1 필요한 경우. </li></ol></li><li> 증착을위한 콜로이드 분산액을 제조 <ol><li> 피펫 수성 스톡 형광 콜로이드 용액 (10 중량 %.)을 에탄올 990 μL에 10 μL. 약 0.1 중량 %의 콜로이드 현탁액에 도착하는 데 사용되는 원액의 농도에 따라 필요에 따라 볼륨을 조정합니다. </li><li> 10 초 동안 소용돌이 믹스. </li></ol></li><li> 슬라이드 유리 기판 상에 스핀 코팅, 콜로이드 분산액 <ol><li> 깨끗한 유리 슬라이드 스핀 코터를 착용. 상기 제조 희석 된 콜로이드 용액 100 ㎕와 피펫 팁을 입력합니다. 프로그램 스핀 코터는 30 초, 2,000 rpm으로 사이클을 실행합니다. 스핀 코터를 시작하고까지이 속도를 할 때 연속적으로 회전 유리 슬라이드의 중심 상에 준비된 솔루션을 피펫. </li><li> 스핀 코터에서 유리 슬라이드를 제거하고 광학 현미경으로 돌아 주로 비 접촉 별도의 콜로이드의 균일 분산 중앙 지역의 O를 다루고 있는지 확인유리 슬라이드 바. </li></ol></li><li> 콜로이드 장식 유리 슬라이드 위에 진공 증발 백금 금속 <ol><li> 금속 증발기에 콜로이드 코팅 된 유리 슬라이드를 삽입합니다. 측면 증착 원에 직면 장식 콜로이드를 확인합니다. 백금 금속 증착 원을 설치하고, 백금 금속의 15 nm의 증착. 참고 : 금속 증착 후, 샘플은 불활성 분위기 하에서 보관해야합니다. </li></ol></li></ol> 2. &quot;수영&quot;야누스 입자 <ol><li> 과산화물 함유 용액에 야누스 콜로이드를 다시 일시 중지 <ol><li> 렌즈 조직의 1 × 1cm 사각형을 잘라하고, DI 물 10 μL과 끝을 적 십니다. 핀셋으로 잡고 부드럽게 (이 단계는 물리적으로 기판에서 콜로이드를 제거) 백금 코팅 콜로이드 장식 유리 슬라이드의 표면을 따라 문질러. </li><li> DI 물 1.5 ml의에 렌즈 용 티슈를 넣고 수동으로 밀봉 TU 30 초 동안 격렬하게 흔들있다. 렌즈 조직을 제거합니다. </li><li> 피펫 V H 2 O 2 원액 / w 1 ml의 30 %로 충전 된 새 컨테이너에 솔루션을 포함하는 콜로이드 1 ㎖. 부드럽게 솔루션을 혼합 한 다음 다른 25 분 unstirred 잠복기 다음 5 분 동안 실온에서 초음파 욕조에 넣습니다. 주의 :이 솔루션은 산소를 진화 할 수있다; 밀봉하지 않습니다. </li><li> 주사 전자 현미경 (SEM) 상에 스터브 나머지 수성 콜로이드 용액의 건조는 100 μL 야누스 콜로이드 구조의 SEM 인증을 사용한다. (14) </li></ol></li><li> 분석 큐벳 준비 <ol><li> 고속 추진력을 허용하기에 적합한 연료 강도 (10 %)에 도달하는 과산화수소 및 백금 코팅 콜로이드를 함유하는 배양 용액 DI 물의 추가 1ml를 추가. 주 : 앞서 배양 단계는 백금 촉매의 표면을 세정하는 높은 농도의 연료 농도에서 수행 하였다. </li><li> 싸다 채우기배양 용액 w 볼륨 직사각형 석영 유리 큐벳. 느슨하게 푸시에 캡을 장착한다. 주의 : 폭발 위험 - 스크류 캡을 사용하지 마십시오. </li></ol></li></ol> 3. 현미경 관찰 <ol><li> 관심의 입자를 찾습니다 <ol><li> 로드 적합한 목적 (예를 들어, 20X)가 장착 된 형광 현미경으로 큐벳 및 적합한 필터의 조합 (여기 450-490 nm의 방출&gt; 515 나노 미터)를 사용하여 형광 방출을 여기. </li><li> 수동으로 큐벳 내에서 형광 콜로이드를 검색합니다. 주 : 과산화물 농도를 유지하는 것은 필수 일 수 있지만 콜로이드 밀도를 조정하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 콜로이드 밀도가 높은 경우에는 희석 권장하고 흐름을 제조 많은 산소 기포가 존재한다. 0.003 %의 콜로이드 체적 농도가 권장 출발점이다. </li><li> 3D 추적 광학 설정을 최적화 : 적합한 조명 조건 하에서 전n은 날카로운 원형 개체를 나타납니다 콜로이드를 초점을 맞 춥니 다. 추진력은 콜로이드 관찰되는 밝은 영역을 중심으로 고리를 변경 및 초점면 밖으로 특유의 크기를 이동하지만,이 Z 차원 추적 가능하도록 좌표를 결정하는 데 사용된다. </li></ol></li><li> 기록 영상 <ol><li> 관심 입자 포커스 위치 &quot;에서&quot;입자와 동심 링을 생성하도록 비디오 캡처를 시작하기 전에 초점 현미경. 비디오 캡처 동안 초점 평면을 이동하지 마십시오. </li><li> 관심 입자의 비디오를 녹화. 자세한 궤적을 재구성 할 수 있도록 30 Hz를 초과하는 프레임 속도와 30 초 비디오 기간을 사용합니다. </li></ol></li><li> 3D 궤도 재구성 <ol><li> z 축 보정 <ol><li> 2 %의 중량을 확인합니다. 에 상응 큐벳에서 60 ° C, 장소 형광 야누스 입자의 현탁액을 함유하는 물에 젤란 검 용액즉, 위에서 사용 된, 고정 된 정적 콜로이드를 함유하는 단단한 투명 겔 샘플을 형성하도록 설정할 수. </li><li> 상기 선택된 동일한 조명 조건을 이용하여 단일의 고정 초점 콜로이드 지금이 평면에 대해 공지의 변위에 의해 발생되고, Z 초점으로 정지 된 이미지를 기록한다. </li><li> 각 알려진 초점 위치 (11)에 링의 반경을 결정합니다. 주 :이 여전히 프레임 및 비디오 가장 효율적으로 수행 된 모든 보정하는 배치 공정으로서 적용될 수있는 이미지 분석 알고리즘을 사용하는 것이다. 일반적인 접근법은 화상 평활화 수반 임계는 객체의 중심의 대략적인 위치를 식별하고 세기 피크 중 링의 측면 사이의 거리를 측정함으로써, 실제의 X 및 링 중심의 Y 좌표의 위치한다. 링 중앙에서 강도 피크의 평균 반경 거리가 다음에서 찾을 수 있습니다. (11)이 밝은 링의 반경을 모두 할 수 있습니다D를 XY 서브 픽셀 정밀도로 결정되는 좌표. 이미지의 시간 순서에서, 초점면에서 젤란 검 30 μm의에 고정 야누스 영역의 X, Y, Z 위치를 결정함으로써, 입자 각각의 축을 따라 ± 25 nm 인 오류 위치 될 수있다. 오류가 이미지의 노이즈에 기인한다. 따라서 잡음 비와 상기 신호는, 상기 위치 알고리즘의 정확도는 검출 된 형광 광의 강도에 의존한다. 야누스의 영역은 초점면에서 멀리하면 그 강도는 정확하게 μm의이 가능합니다 약 200의 Z-범위를 콜로이드, 예를 들어, 그것을 추적 4.8 μm의 직경에 대해 너무 약한된다. 또 다른 비 알고리즘 방법은 X, Y 센터와 반경의 간단한 수동 측정을 사용하는 것입니다, 그러나 이것은 정확성을 줄일 수 있습니다. </li><li> Z-위치로 반경을 관련하는 교정 곡선을 플롯, 적절한 기능 (예를 들면, 차 방정식) 보간 허용하기에 적합. (11) </li></ol></li> &lt;리&gt; 보정 X, Y 축 <ol><li> 여전히 3.2 선택된 현미경 동일한 조건을 이용하여 공간 보정 계수의 광학 현미경 영상 프레임 기록. </li><li> 공간 보정 계수의 이미지에서 알려진 실제 크기의 객체의 &quot;픽셀&quot;치수를 측정하고 X, Y 이미지 평면에 대한 미크론 변환 계수에 픽셀을 설정하려면이 옵션을 사용합니다. </li></ol></li><li> 궤도를 재구성 <ol><li> 3.3.1.3에 기재된 바와 같이, X 및 Y 변환 (Z)으로 반경 변환 3.3.1.4 검색된 기능 및 3.3.2.2에있는 보정 계수를 사용하여, 비디오 시퀀스의 각 프레임에 대한 x 및 y 좌표와 반경을 결정 픽셀은 마이크론으로 조정합니다. 이 절차는 시간의 함수로서 입자 추진력 위치 좌표를 정확하게 X, Y, Z 될 것이다. (11)이 절차는 알고리즘을 사용하여 구현 된, 또는 수동으로 될 수있다. </li><li> 파생 된 페이지를 결정이러한 평균 속도 등의 roperties는 관측 촉매 수영의 정도를 정량화한다. </li></ol></li></ol></li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

백금 야누스 입자의 제조 프로토콜의 많은 변수는 관측 궤도에 영향을 미칠 것입니다. 초당 10 μm의 순으로 추진 속도를 제공 2 ㎛의 직경의 입자를 이용하여 설명한 바와 같이 파라미터. 작은 입자를 사용하는 경우 입자 크기가 증가하여 추진 속도를 감소하는 동안, 속도는 증가한다. 증착 프로토콜 12 상세 관찰 궤적을 변경할 것이다. 이 현재의 프로토콜에서, 콜로이드의 스파 스 분포를 함께 슬라이드 방향에 수직 금속 증발 좋습니다. 이러한 조건 브라운 회전 확산의 범위 내에서 직선 궤적을 초래할도 2에 도시 된 바와 같이 대칭 야누스 구조를 초래한다. (13) 반대로, 타이트한 포장 콜로이드 각도 증착을이기는 적용하는 경우, 야누스 캡 다음 대칭성은 파괴 될 수있다 행동을 회전 유도한다. (14)는 PA이곳에서 생산 rticles는 세 가지 차원에서 상대적으로 등방성 움직임을 표시; 두꺼운 백금 코팅, 또는 더 큰 입자를 사용하지만 경우, 상향 편향 또는 gravitaxis가 부여 될 수있다. 제조 후의 야누스 콜로이드 스토리지 11 상세 관찰 수영 속도에 영향을 미칠 수있다. 증착 단계로부터 나오는 높은 표면 에너지 깨끗한 백금 표면에서의 탄화수소, 예를 들어 표면 오염에 민감하며, 특히 티올 인치 15 또한, 용액의 성질되는 야누스 콜로이드 재현 탁이 추진력을 관찰하는 데 중요하다. 낮은 과산화수소 농도는 분해 반응 생성 동작의 속도가 줄어들면, 느린 속도에서 발생한다. (6) 또한, 추진 속도의 급격한 감소를 초래한다 염 저농도. 7 여기에서 생산 된 콜로이드의 주요 기능은 북동입니다3D 추적에 적합하게 utral 부력. 일반적으로 수영 장치의 분야는 원인이 부분적으로 밀도가 금속으로 만들어지고 몇 가지 눈에 띄는 예에, 3D 효과에 작은 관심을 지불하고 그들을 빠르게 퇴적물, 16 만 인해 필요한 측정을과 관련된 어려움과 비용을합니다. 몇몇 확립 된 3D 추적 방법 분명한 단점은, 예를 들어, 공 초점 주사 레이저 현미경 궤적을 해결하기 위해 화상의 충분한 수를 기록 할 수있는 시간 해상도 부족 수,이 빠르게 이동 콜로이드 존재한다. 이러한 상황에서, 우리는 여기서 제시 방법에만 따라서 높은 프레임 비율을 허용 Z 좌표의 추정을 허용 한 프레임을 요구하는 중요한 이점을 갖는다. Z 좌표 재구성 단지 하나의 프레임에 포커스 아웃 콜로이드의 상대적인 콘트라스트에 의존 로서도, 오히려 절대 형광 강도보다, 그 담금질 점멸 효과 탄력형광있다. 이러한 장점은 3 차원 궤적 재구성이 가능한 위에 필드의 감소 된 깊이를 희생하고, 잘 분리 된 비 중첩 콜로이드에 대한 요구에서 가능하다. 우리는 수영 장치 똑 바르게하고 고정밀 도로 정보를 액세스하기위한 프로토콜을 설명하는 것은 3 차원 거동에 관심이있는 다른 연구 그룹을 허용 바란다. 이는 3D로 이러한 장치에 대한 이해를 확대하는 것이 관심의 미래 현상 및 애플리케이션의 상당한 범위를 여는 것을 알 수있다. 탄도 분석의 자세한 내용에 관심이있는 독자는 추진 시스템 및 방법을 추진 속도의 정확한 정량을 보장하는 일반적인 이슈를 설명 참조 (17)으로 연결됩니다.

촉매 수영 장치 소규모 자율적 유체 환경에서 모션을 발생시킬 풀려 콜로이드이다. 그것들은 약물 전달, 3 칩 운반 랩 온어 같은 흥미로운 새로운 기능을 활성화 할 가능성이 1,2- 이러한 장치 상당한 연구 관심을 모으고 4 환경 개선. 5 한 널리 연구 예는 &quot;야누스&quot;수영 촉매이다. (6)이 입자 (야누스는 두 직면 로마 신) 두 가지 측면, 또는 얼굴을 가지고에서 자신의 이름을 얻는다. 다른 불활성 동안 한쪽에는, 촉매 활성과 분해 반응을 수행 할 수있다. 적합한 용해 연료 분자의 존재 하에서 얻어진 비대칭 화학 반응 자체 diffusiophoresis / 전기 영동을 통해 운동을 생산할 수있는 콜로이드 주변 그라디언트를 생성한다. (7) 이러한 빠르게 움직이는 물체의 움직임을 특성화하는 차입니다<html> llenging 현재까지 많은 실험 관찰은 2D로 제한되어있다. 그러나 최종 응용 프로그램을 3D로 일괄 솔루션을 통해 이동 촉매 수영 장치 기능을 악용 할 가능성이있다. (8)이 문제를 해결하려면, 여기에 우리가 수영 장치를 결정하기위한 정확한 3D 궤도를 할 수있는 프로토콜을 설명합니다. 이 방법은 고정 초점 대물 9 관찰 초점 형광 콜로이드 아웃에 의해 제조 된 고리 구조 해석에 기초하여, 종래의 개질 된 현미경을 사용하여 적용하기 쉽게되어있다. 분명히 여기 방법을 설명하여,이 분야의 다른 연구자는 3D 정보를 액세스 할 수있게 됨으로써 유익 할 것이다. 이것은 수영 장치의 동작 특성에 미래 통찰력을 도움이됩니다. 이 전위의 증거 쉽게 3D 추적 애플리케이션을 통해 가시화 될 수있다 (10, 11) 동작에 의해 지시되는 중력 수영 디바이스의 최근보고에 의해 주어진다. 11 &quot;ove_content&gt;이 논문은 분명히 이러한 장치를 조사하고 기존의 연구 그룹에서 방법을 표준화하고, 추가로 만들고 수영 장치 조사에 관심이 새로운 연구를 안내하기 위해 더 도움이 될 것입니다 촉매 야누스 입자 수영 장치를 제조하는 방법을 설명합니다.

<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.

그림 1은 백금을 증착하기 전에 깨끗한 유리 슬라이드에 콜로이드의 전형적인 분산을 보여줍니다. 2 백금 코팅 영역은 밝은 명암을 생산하는이 영상 모드에서, 야누스 수영 코팅 반 백금의 전형적인 후방 산란 SEM 이미지를 보여줍니다. 원하는 반구형 백금 층은 분명하다. 세 디스플레이 젤란 검 고정 최적의 조명 조건 하에서 전형적인 형광 야누스 선수의 외관도. 수영은 대칭 링 특징으로서 나타나고, 그 초점 위치에 콜로이드 상대의 z 위치를 결정하는데 사용될 수있다 링의 반경이다.도 4는 방사 휘도 강도 분포 대표적인 단면을 보여준다 정확하게 중심과 콜로이드 명백 반경을 찾아 이미지 분석 알고리즘과 조합하여 사용된다.도 5 </stron<html> g&gt;는 초점 위치로부터 명백한 콜로이드 크기와 거리를 연관시키는 고정 콜로이드 샘플 보정 현미경 Z-변환 스테이지를 사용하여 얻은 검량선을 포함한다. 이 곡선은, Z 좌표로 명백 반경으로 변환하는 데 사용되는 차 함수로 장착되어있다. 마지막으로, 그림 6 표시 전형적인 X, Y, 형광 야누스 입자 수영에 대한 Z 궤도. <img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig1.jpg" /> 도 1.9 ㎛의 직경의 폴리스티렌 미세 1. 광학 이미지. 미소 구체 백금 증착 전에 세정 된 유리 슬라이드에 분산된다. 스케일 바는 40 μm의를 나타냅니다. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/54247/54247fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> 에스 / ftp_upload / 54247 / 54247fig2.jpg &quot;/&gt; 1.9 μm의 직경 폴리스티렌 마이크로 2. SEM의 후방 산란 이미지를 그림. 마이크로 스피어는 백금 증착 한 후 표시됩니다. 스케일 바는 2 μm의를 나타냅니다. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/54247/54247fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 3" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig3.jpg" /> 그림 A 20X 목표 (0.4 NA)를 사용해 촬영 한 젤란 검에 고정 된 4.8 μm의 직경 형광 폴리스티렌 구의 3. 교정 이미지. 각 이미지 아래의 거리를 구 위의 목적의 초점면까지의 거리를 나타냅니다. 이미지는 밝은 링 밝은 디스크 변경 0 [㎛] (200)에 초점 화상으로부터 디 포커스 된 바와 같이, 반경있는 상기 spher 배율에 의존전자의 크기와 초점면의 거리. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/54247/54247fig3large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 4" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig4.jpg" /> 도 4 X, Y, Z 입자 추적 절차. 자기 기록 일련의 알고리즘은 먼저 평균 중간 수직 및 수평 라인의 일련의 추출 구함으로써 밝은 링 (x, y)의 중심을 찾는 데 사용되는 밝은 피크 사이의 점 (a). 링 반경은 다음 링 센터의 (b)에서 밖으로 발산 평균 픽셀 회색 값에 장착 스플라인의 피크 강도로부터 계산된다. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/54247/54247fig4large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> 도 5는 Z 좌표 젤란 검 고정 분야의 밝은 링 반경을 측정 한 야누스 분야에 대한 교정 표를 (도 3 및 4 참조). 보정 차트는 Z-로 측정 된 고리 반경을 변환하기 위해 알고리즘에 의해 사용되는 좌표입니다. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/54247/54247fig5large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 6" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig6.jpg" /> 도 6 일반적인 형광 야누스 구 수영 장치의 궤적. 수영 이동 장치의 일련의 이미지는 33 Hz의 프레임 속도로 30 초의 기간에 걸쳐 기록 하였다. 제 (X, Y, Z)는 (밝은 링 중심을 위치시킴으로써 수득 궤도 인터넷 좌표gure 4의 (a))와 시퀀스의 각 이미지에 대한 교정 차트에 측정 된 링 반경을 비교 (그림 4 (b) 및 5). <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/54247/54247fig6large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

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Preparation and 3D Tracking of Catalytic Swimming Devices

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

촉매 수영 장치의 제조 및 3D 추적

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

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Universidad de Cartagena UDEC

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

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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.

터치 유발 대응 및 로코 분석 실험을 사용하여 Zebrafish의 근육의 성능 및 기능을 평가하기 위해

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

연구

발생학

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.

수영 선수의 심폐 평가를위한 급속하게 증가 된 테더 드 수영 최대 프로토콜

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

생화학

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.

설치류의 전임상 연구를 위한 3D 운동걸음걸이 분석

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 ...

행동분석학

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.

자유롭게 수영 약하게 전기 생선의 장기 행동 추적

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

신경과학

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.

심장 근육 세포 기반 액츄에이터 및 자체 안정화 비 오로봇 - 1 부

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

생체공학

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.

실시간 3D 단일 입자 추적에 대 한 프로토콜

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.

물고기의 수영 성능 평가

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

생물학

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.

의 자동 분석<em&gt; C. 엘레</emCeleST 소프트웨어를 사용&gt; 수영 동작

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.

기록 개인과 성인 Zebrafish의 떼에 자동 3D 추적 시스템을 사용하여

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.

세포 추적을 이용한 구강 기기 재생 중 및 이후 스텐터 의 운동성 패턴 분석

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