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

ACHTUNG: Bitte konsultieren Sie alle relevanten Sicherheitsdatenblätter vor dem Gebrauch. Wasserstoffperoxid in diesem Protokoll verwendet schädlich ist, und die Entwicklung von Sauerstoffgas, wenn Platin ausgesetzt stellt eine Explosionsgefahr. Verwenden Sie alle erforderlichen Sicherheitskontrollen während dieses Protokoll einschließlich technische Kontrollen beim Umgang mit Peroxid-Lösungen (Abzug) und persönliche Schutzausrüstung (Schutzbrille, Handschuhe und Laborkittel). 1. Herstellung Catalytic Janus-Partikel <ol><li> Bereiten Sie Objektträger aus Glas - Substrat <ol><li> Reinigen Sie einen nicht verwendeten Standardobjektträger mit sequentieller Waschen für ein paar Minuten jeweils in entionisiertem (DI) Wasser, Glas Dekontaminationslösung und DI-Wasser. Dann waschen mit einem 70:30 V: V-Mischung aus Ethanol: DI-Wasser, und schließlich trocken blasen in einem sauberen Luft / Stickstoffstrom. </li><li> Untersuchen Sie den Glasobjektträger unter dem Mikroskop die Oberfläche zu überprüfen, ist sauber und frei von Anzeichen für Partikelverunreinigung. Wiederholen Sie Schritt 1.1.1, falls erforderlich. </li></ol></li><li> Bereiten kolloidale Dispersion zur Abscheidung <ol><li> Pipette 10 ul einer wässrigen Stamm fluoreszierenden Kolloidlösung (10% Gew.) In 990 ul Ethanol. Einstellen von Lautstärke als Stammlösung Konzentration erforderlich, je nach verwendeten bei etwa 0,1% Gew kolloidale Suspension zu gelangen. </li><li> Vortex-Mix für 10 Sek. </li></ol></li><li> Spin - Coating - kolloidale Dispersion auf Objektträger aus Glas - Substrat <ol><li> Anlegen eines Spin-Coater mit dem sauberen Glasobjektträger. Füllen einer Pipettenspitze mit 100 &amp; mgr; l der verdünnten kolloidalen Lösung oben hergestellt. Programm Spinnbeschichters 30 sec, 2000 Umdrehungen pro Minute Zyklus auszuführen. Starten Schleuderbeschichter und bei bis pipettieren zu beschleunigen kontinuierlich die hergestellte Lösung auf die Mitte des Spinnglasträger. </li><li> Entfernen Glasobjektträger aus dem Spin-Coater, kehren Sie zu dem optischen Mikroskop und stellen Sie sicher, dass eine gleichmäßige Verteilung von hauptsächlich nicht berührenden getrennten Kolloide deckt den mittleren Bereich of der Glasträger. </li></ol></li><li> Vakuum verdampfenden Platinmetall auf Kolloid dekoriert Glasträger <ol><li> Legen Sie die Kolloid beschichtete Glasobjektträger in einen Metallverdampfer. Stellen Sie sicher, das Kolloid Dekorseite der Verdampfungsquelle zugewandt ist. Installieren Sie eine Platinmetallverdampfungsquelle und deponieren 15 nm Platinmetall. Anmerkung: Nach der Metallabscheidung, Proben sollten in einer inerten Atmosphäre gelagert werden. </li></ol></li></ol> 2. &quot;Schwimmen&quot; Janus-Partikel <ol><li> Re-suspendieren Janus Colloids in eine Peroxid - Lösung <ol><li> Schneiden Sie ein 1 x 1 cm im Quadrat von Linsengewebe und dämpfen das Ende mit 10 &amp; mgr; l DI-Wasser. Halten mit einer Pinzette, und reiben sanft entlang der Oberfläche des Platin beschichteten Kolloid dekorierten Glasobjektträger (dieser Schritt physikalisch entfernt Kolloide von dem Substrat). </li><li> Legen Sie die Linsengewebe in 1,5 ml DI-Wasser und manuell kräftig schütteln für 30 Sekunden in einem verschlossenen tuSein. Entfernen Linsengewebe. </li><li> Pipette 1 ml des Kolloids enthaltenden Lösung in einen neuen Behälter, gefüllt mit 1 ml 30% w / v H 2 O 2 Stammlösung. Vorsichtig mischen die Lösungen, und legen Sie dann in einem Ultraschallbad bei Raumtemperatur für 5 Minuten, gefolgt von weiteren 25 min ungerührten Inkubationszeit. ACHTUNG: Diese Lösung Sauerstoff entwickeln kann; nicht verschließen. </li><li> Trocken 100 &amp; mgr; l der verbleibenden wässrigen kolloidalen Lösung auf einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) Stub SEM Verifikation der Kolloidstruktur Janus ermöglichen. 14 </li></ol></li><li> Vorbereitung einer Analyse Küvetten <ol><li> Fügen Sie eine weitere 1 ml DI-Wasser zu der inkubierten Lösung Peroxid und mit Platin beschichteten Kolloide enthält, bei einer geeigneten Brennstoff Stärke zu gelangen (10%) schnell Vortrieb zu ermöglichen. Hinweis: Die vorherige Inkubation Stufen wurden in höherer Konzentration Kraftstoffkonzentrationen ausgeführt, um die Platinkatalysatoroberfläche zu reinigen. </li><li> Füllen Sie ein low Volumen rechteckigen Quarzglaskuvette mit der inkubierten Lösung. Locker passen eine Push-in-Kappe. ACHTUNG: Explosionsgefahr - nicht ein Schraubverschluss. </li></ol></li></ol> 3. Die mikroskopische Beobachtung <ol><li> Wir liegen Partikel von Interesse <ol><li> Last Küvette in einem Fluoreszenzmikroskop mit einem geeigneten Ziel ausgestattet (beispielsweise 20X) und Fluorophor Emission unter Verwendung einer geeigneten Kombination von Filtern (Anregung 450-490 nm, Emission&gt; 515 nm) anzuregen. </li><li> suchen Sie manuell für fluoreszierende Kolloide in der Küvette. Hinweis: Einstellen Kolloiddichte unter Beibehaltung der Peroxid-Konzentration erforderlich sein kann. Zum Beispiel wird eine Verdünnung empfohlen, wenn die Kolloiddichte hoch ist, und zahlreiche Sauerstoffblasen Ströme produzieren vorhanden sind. Ein Kolloid-Volumen-Konzentration von etwa 0,003% ist eine empfohlene Ausgangspunkt. </li><li> Optimieren optische Einstellungen für 3D-Tracking: unter geeigneten Beleuchtungsbedingungen, iFokus n Kolloide als scharfe kreisförmige Objekte erscheinen. Jedoch als Antrieb der Kolloide in die und aus der Brennebene ein Unterscheidungsgröße ändern hellen Ring um die Kugel wird beobachtet, zentriert bewegt, wird dies verwendet, die z-Koordinate zu bestimmen, 3D-Tracking zu ermöglichen. </li></ol></li><li> Ein Video aufnehmen <ol><li> Video-Capture, fokussieren Sie das Mikroskop, so dass die Partikel von Interesse einen konzentrischen Ring erzeugt, mit dem Partikel &quot;unter&quot; der Fokusposition vor dem Start. Sie nicht die Fokusebene während der Videoaufnahme zu bewegen. </li><li> Nehmen Sie Videos von Partikeln von Interesse. Verwenden Sie 30 Sekunden Video Dauern mit Bildraten von über 30 Hz detaillierte Bahn Rekonstruktion zu ermöglichen. </li></ol></li><li> 3D - Trajektorie Wiederaufbau <ol><li> Kalibrieren z-Achse <ol><li> Machen Sie eine 2% Gew oben. Gellangummi-Lösung in Wasser, um eine Suspension von fluoreszierenden Janus-Partikel bei 60 ° C, in einer äquivalenten Küvette enthält,dass oben, verwendet und ermöglichen die Einrichtung eines steifen transparenten gelierten Probe mit festen statischen Kolloide zu bilden. </li><li> Konzentrieren Sie sich auf einen einzigen festen Kolloid unter Verwendung der gleichen Beleuchtungsbedingungen oben ausgewählt, notieren nun eine Reihe von Standbildern als z-Fokus wird durch bekannte Verschiebungen relativ zu dieser Ebene angehoben. </li><li> Bestimmen Sie den Radius des Rings an jedem bekannten Fokusposition 11. Hinweis: Dies wird am effizientesten durchgeführt durch ein Bildanalysealgorithmus verwendet, der noch als Batch-Prozess auf alle Kalibrierung angewendet werden können Frames und Videos. Ein typischer Ansatz beinhaltet die Bildglättung, Schwellwertbildung eine ungefähre Lage der Objekte Zentrum, zu identifizieren und dann die tatsächlichen x- und y-Koordinaten des Ringzentrums Ortung durch den Abstand zwischen den Intensitätsspitzen auf beiden Seiten des Rings zu messen. Die mittlere radiale Abstand zu den Intensitätsspitzen von der Ringmitte kann dann gefunden werden. 11 Auf diese Weise können sowohl der Radius des hellen Rings eind die xy-Koordinate mit Subpixel-Genauigkeit bestimmt werden. Durch Anordnen des x, y, z-Position einer Kugel Janus fixiert in Gellangummi 30 &amp; mgr; m von der Brennebene, in einer zeitlichen Abfolge von Bildern, Partikel mit einem Fehler von ± 25 nm entlang jeder Achse angeordnet sein. Der Fehler kann in den Bildern Rauschen zurückzuführen. Das Signal-Rausch-Verhältnis und daher die Genauigkeit der Ortungsalgorithmen hängt von der Intensität des detektierten Fluoreszenzlichts. Wenn ein Janus sphere weit von der Brennebene ist , wird ihre Intensität zu schwach , um sie genau zu verfolgen, beispielsweise für einen 4,8 &amp; mgr; m Durchmesser eine z-Bereich von Kolloid etwa 200 &amp; mgr; m möglich. Eine alternative nicht-algorithmischen Methode ist einfach manuelle Messung von x, y Mittelpunkt und Radius zu verwenden, jedoch wird diese Genauigkeit reduzieren. </li><li> Eichkurve Radius z-Position zu beziehen, und passen auf eine entsprechende Funktion (zB kubische Gleichung) zu ermöglichen Interpolation. 11 </li></ol></li> &lt;li&gt; Kalibrieren x, y - Achse <ol><li> unter Verwendung der gleichen Mikroskop Bedingungen gewählt in 3.2 Nehmen Sie noch ein optisches Mikroskopbild eines räumlichen Kalibrierung graticule Rahmen. </li><li> Messen Sie die &quot;in Pixel&quot; Dimension eines Objektes mit bekannten realen Welt Größe von dem Bild der räumlichen Kalibrierung graticule und verwenden diese ein Pixel Mikron Umrechnungsfaktor für die x, y Bildebene zu etablieren. </li></ol></li><li> rekonstruieren Trajektorie <ol><li> Bestimmen Sie die x- und y-Koordinaten und Radius für jeden Frame der Videosequenz wie in 3.3.1.3 beschrieben, verwenden Sie die in 3.3.1.4 gefunden Funktion Radius in z umwandeln und den Kalibrierungsfaktor in 3.3.2.2 gefunden zu konvertieren x und y Pixelkoordinaten in Mikron. Dieses Verfahren wird in einer genauen x, y, z ergeben sich für die propulsive Partikel Position als Funktion der Zeit zu koordinieren. 11 dieses Verfahren implementiert werden kann unter Verwendung eines Algorithmus, oder manuell erfolgen . </li><li> Bestimmen Sie die abgeleitete properties wie mittlere Geschwindigkeit, das Ausmaß der beobachteten katalytischen Schwimmen zu quantifizieren. </li></ol></li></ol></li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

Viele Variablen in der Präparationsprotokoll für Platin Janus-Partikel werden die beobachteten Bahnen beeinflussen. Die Parameter, wie unter Verwendung von 2 &amp; mgr; m Durchmesser Teilchen beschrieben werden Vortriebsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 10 &amp; mgr; m pro Sekunde geben. Werden kleinere Teilchen verwendet werden, erhöht sich Geschwindigkeiten, während zunehmender Partikelgröße wird Vortriebsgeschwindigkeit zu verringern. 12 Die Einzelheiten des Verdampfungs Protokoll verändern wird auch die Bahnen beobachtet. In diesem aktuellen Protokoll, eine spärliche Verteilung der Kolloide wird empfohlen, zusammen mit Metallverdampfungs senkrecht zu der Verschiebungs Orientierung. Diese Bedingungen führen zu einer symmetrischen Janus Strukturen wie in 2 gezeigt, die innerhalb der Grenzen der Brownsche Rotationsdiffusion zu linearen Bewegungsbahnen führen. 13. Umgekehrt, wenn dicht gepackte Kolloide unterworfen sind Glanzwinkelabscheidung, dann die Symmetrie der Janus Kappe kann gebrochen werden zu induzieren , das Verhalten zu drehen. 14 Die paRTIKELN hier erzeugte Anzeige relativ isotropen Bewegung in allen drei Dimensionen; aber wenn dicker Platinbeschichtungen oder größere Teilchen verwendet werden, eine nach oben vorspannen oder Gravitaxis kann verliehen werden. 11 Details der Lagerung der Janus Kolloide nach der Herstellung auch die Schwimmgeschwindigkeiten beobachtet bewirken kann. Die hohe Oberflächenenergie sauberen Platinoberfläche von der Verdampfungsstufe austretenden anfällig Verunreinigung beispielsweise von Kohlenwasserstoffen an der Oberfläche, insbesondere Thiole. 15 Darüber hinaus sind die Lösungseigenschaften in dem die Janus Kolloide resuspendiert sind kritisch für die Beobachtung Vortrieb. Niedrige Peroxid - Konzentrationen werden in langsamer Geschwindigkeiten führen, da die Geschwindigkeit der Zersetzungsreaktion produziert Bewegung reduziert. 6 Darüber hinaus geringe Konzentrationen von Salzen in einer dramatischen Verringerung der Antriebsgeschwindigkeit führen. 7 Ein wesentliches Merkmal der hier hergestellten Kolloide ist ihr neutral Auftrieb, die sie geeignet für 3D-Tracking macht. Im Allgemeinen hat sich das Gebiet der Schwimm Geräte wenig Aufmerksamkeit auf 3D - Effekte bezahlt, zum Teil auf einige prominente Beispiele aus dichten Metallen hergestellt werden, dass sie zu schnell Sediment, 16 , sondern auch aufgrund der Schwierigkeiten und Kosten im Zusammenhang mit der erforderlichen Messungen. Klare Nachteile für einige etablierte 3D-Tracking-Verfahren existieren für diese schnell bewegenden Kolloide zum Beispiel konfokalen Rasterlasermikroskopie die zeitliche Auflösung ausreichende Anzahl von Bildern aufzuzeichnen fehlen können Trajektorien zu lösen. In diesem Zusammenhang stellen die Methode, die wir hier hat den wesentlichen Vorteil, nur einen einzigen Rahmen erfordert Schätzung von z-Koordinate zu ermöglichen, die folglich hohe Frameraten ermöglicht. Auch als z-Koordinate Rekonstruktion beruht nur auf dem relativen Kontrast des out-of-focus-Kolloid in Einzelbildern, anstatt die absolute Fluoreszenzintensität, ist es widerstandsfähig gegenüber dem Abschrecken und Blinkeffektein dem Fluorophor. Diese Vorteile sind möglich, auf Kosten einer reduzierten Tiefe des Feldes, über die 3D-Trajektorie Rekonstruktion möglich ist, und die Forderung nach gut getrennt nicht überlappende Kolloide. Wir hoffen, dass das Protokoll beschreibt, andere Forschung erlauben wird Gruppen mit einem Interesse an 3D-Verhalten für ihre Schwimm Geräte diese Informationen ohne weiteres zuzugreifen und mit einem hohen Maß an Präzision. Es ist klar, dass das Verständnis dieser Geräte auf 3D erweitert wird erhebliche Reihe von interessanten zukünftigen Phänomene und Anwendungen erschließen. Leser, die sich in weiteren Einzelheiten der Flugbahn-Analyse sind in Richtung Referenz gerichtet 17, die gemeinsame Artefakte in Vortriebssystemen beschreibt und wie man die genaue Quantifizierung von Antriebsgeschwindigkeiten zu gewährleisten.

Katalytische Schwimm Geräte sind kleine, untethered Kolloide der Lage , autonom Bewegung in fluidischen Umgebungen zu erzeugen. 1,2 Diese Geräte ziehen bedeutende Forschung interessant , da sie das Potenzial zu ermöglichen aufregende neue Funktionen wie Arzneimittelabgabe, 3 Lab-on - Chip einem Transport haben 4 und Umweltsanierung. 5 ein weit untersuchtes Beispiel sind katalytische &quot;Janus&quot; Schwimmer. 6 Diese Partikel haben ihren Namen von mit zwei verschiedenen Seiten bekommen, oder Flächen (Janus ist ein zwei gegen römischen Gott). Eine Seite ist katalytisch aktiv und in der Lage eine Zersetzungsreaktion durchzuführen, während die andere inert ist. In Gegenwart von geeigneten gelösten Kraftstoffmoleküle, die sich ergebende asymmetrische chemische Reaktion erzeugt Gradienten um die Kolloide , die Bewegung durch Eigen Diffusiophorese / Elektrophorese produzieren. 7 Charakterisierung der Bewegung für diese sich schnell bewegenden Objekten ist cha<html> llenging und viele experimentelle Beobachtungen wurden bisher auf 2D beschränkt. Allerdings eventuelle Anwendungen sind wahrscheinlich katalytische Schwimmen Geräte Fähigkeit sich zu bewegen im gesamten Massen Lösungen in 3D zu nutzen. 8 an diese Adresse, beschreiben wir ein Protokoll , das genaue 3D - Bahnen zum Schwimmen Geräte ermöglicht bestimmt werden. Dieses Verfahren basiert darauf, die Ringstrukturen auf der Interpretation von außerhalb des Fokus fluoreszierenden Kolloide mit einem Fixfokus - Ziel beobachtet erzeugt, 9 und ist leicht mit herkömmlichen unmodifizierten Mikroskope anzuwenden. Durch die klare diese Methode hier zu beschreiben, andere Forscher auf diesem Gebiet profitieren durch die Möglichkeit, solche 3D-Informationen zugreifen zu können. Dies wird künftig Einblicke in die Bewegungseigenschaften für Schwimm Geräte unterstützen. Der Nachweis dieses Potenzials wird durch den jüngsten Bericht der Schwimmgeräte gegeben durch die Schwerkraft ausgerichtet ist, 10,11 Verhalten , das am leichtesten durch die Anwendung von 3D - Tracking sichtbar gemacht werden kann. 11 ove_content &quot;&gt; Das Papier dokumentiert auch eindeutig ein Verfahren katalytische Janus Partikel schwimmen Geräte herzustellen, die von weiteren Nutzen sein wird Methoden in den bestehenden Forschungsgruppen zu standardisieren, diese Geräte zu untersuchen, und führen zusätzlich neue Forscher daran interessiert, und Schwimmen Geräte zu untersuchen.

<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.

Abbildung 1 zeigt eine typische Verteilung von Kolloiden auf einem sauberen Glasobjektträger vor dem Platin abgeschieden wird . Abbildung 2 zeigt ein typisches rückgestreute REM - Aufnahme für eine halbe Platin Janus Schwimmer beschichtet, unter diesem Abbildungsmodus der Platin beschichteten Bereich hellen Kontrast erzeugt. Die gewünschte hemisphärischen Platinschicht ist nicht ersichtlich. Abbildung 3 zeigt das Aussehen eines typischen fluoreszierenden Janus Schwimmer unter optimalen Beleuchtungsbedingungen in Gellangummi fixiert. Der Schwimmer wird als symmetrischer Ring Merkmal, und es ist der Radius des Ringes, der verwendet werden kann , die z-Position des Kolloids relativ zur Fokusposition zu bestimmen. Abbildung 4 zeigt repräsentative Querschnitte für die radiale Helligkeitsintensitätsverteilung, in Kombination mit Bildanalysealgorithmen verwendet , um das Zentrum und die scheinbare Radius des Kolloids genau zu lokalisieren. Abbildung 5 </stron<html> g&gt; enthält eine Kalibrierungskurve eine feste kolloidale Probe und einem kalibrierten Mikroskop z-Translationsstufe unter Verwendung von Fokusposition offensichtlich kolloidaler Größe und Abstand zu beziehen. Diese Kurve ist auf eine kubische Funktion ausgestattet, die verwendet wird, scheinbare Radius in z-Koordinate zu konvertieren. Schließlich zeigt Figur 6 eine typische x, y, z - Trajektorie für ein fluoreszierendes Janus Partikel Schwimmer. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig1.jpg" /> Abbildung 1. Optische Bild von 1,9 &amp; mgr; m Durchmesser Polystyrol - Mikrokügelchen. Microspheres sind auf einem gereinigten Glasträger vor Platinum Ablagerung dispergiert. Maßstabsbalken stellt 40 &amp; mgr; m. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54247/54247fig1large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54247/54247fig1large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> es / ftp_upload / 54247 / 54247fig2.jpg &quot;/&gt; Abbildung 2. REM - Backscatter - Bild von einem 1,9 &amp; mgr; m Durchmesser Polystyrol - Mikrokügelchen. Microspheres sind nach Platin Ablagerung gezeigt. Maßstabsbalken für 2 &amp; mgr; m. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54247/54247fig2large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54247/54247fig2large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig3.jpg" /> Abbildung 3. Kalibrierungsbilder eines 4,8 &amp; mgr; m Durchmesser fluoreszierendes sphere Polystyrol in Gellangummi fixiert ein 20x - Objektiv verwendet aufgezeichnet (0,4 NA). Die Abstände unter jedem Bild zeigen den Abstand der Brennebene des Objektivs über der Kugel. Da das Bild von 0 &amp; mgr; m bis 200 &amp; mgr; m die im Fokus Bild von einem hellen Scheibe Änderungen an einem hellen Ring defokussiert ist, ist der Radius, von denen bei Vergrößerung abhängig, die sphere Größe und ihr Abstand von der Brennebene. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54247/54247fig3large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54247/54247fig3large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Abbildung 4" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig4.jpg" /> Abbildung 4. X, y, z Partikel Tracking - Prozedur. Eine Reihe von selbstgeschriebenen Algorithmen verwendet werden , um zunächst die (x, y) Mitte des hellen Rings finden , indem Sie eine Reihe von vertikalen und horizontalen Linien zu extrahieren und die Suche nach der mittleren Mitte Punkt zwischen den hellen Spitzen (a). Der Ringradius wird dann von der Spitzenintensität eines Splines zu den durchschnittlichen Pixelgrauwerten versehen berechnet strahlt aus dem Ring - Center (b). <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54247/54247fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54247/54247fig4large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> Abbildung 5. Z-Koordinaten - Messprotokoll für Janus - Kugeln , die durch den hellen Ringradius von Kugeln Messung in Gellangummi fixiert (siehe Abbildungen 3 und 4). Das Kalibrierungsdiagramm wird von unserer Algorithmen , um die gemessenen Ringradius zu einem z- zu konvertieren koordinieren. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54247/54247fig5large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54247/54247fig5large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 6" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig6.jpg" /> Abbildung 6. Eine Bahn eines typischen fluoreszierenden Janus Kugel Schwimmvorrichtung. Eine Folge von Bildern des sich bewegenden Schwimmvorrichtung wurde über einen Zeitraum von 30 Sekunden bei einer Bildrate von 33 Hz aufgezeichnet. Die (x, y, z) Koordinaten der Bahn , indem der helle Ring - Center erhalten (FiAbbildung 4 (a)) und den gemessenen Ringradius auf das Kalibrierungsdiagramm für jedes Bild in der Folge zu vergleichen (4 (b) und 5). <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54247/54247fig6large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54247/54247fig6large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</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.

Vorbereitung und 3D-Tracking von Catalytic Schwimmgeräte

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 San Sebastian

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Motion in Two or Three Dimensions

SCIENTISTS IN ACTION

7.6K Aufrufe.  University of Sheffield. A method to prepare catalytically active Janus colloids that can "swim" in fluids and determine their 3D trajectories is presented.

Serie: 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.

Mit Touch-evozierte Reaktion und Locomotion Assays zur Beurteilung der Muskelleistung und Funktion in Zebrabärbling

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

Forschung

Entwicklungsbiologie

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.

Ein schnell inkrementiertes Tethered-Swimming-Maximalprotokoll zur kardiorspiratorischen Beurteilung von Schwimmern

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

Biochemie

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.

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 ...

Verhalten

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.

Langfristige Verhaltens Verfolgung von Frei Schwimmen Schwach elektrische Fische

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

Neurowissenschaften

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.

Herzmuskelzellbasierter Aktuator und selbststabilisierender Biorobot - TEIL 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 ...

Biotechnik

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.

Ein Protokoll für Echtzeit-3D Einzelkorn-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 ...

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.

Schwimmen Performance Assessment in Fische

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

Biologie

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.

Automatische Analyse von<em&gt; C. elegans</em&gt; Swim Verhalten mit CELEST Software

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.

Analyse von Motilitätsmustern von Stentor während und nach der oralen Apparateregeneration mittels Zellverfolgung

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