Name: preparation and 3d tracking of catalytic swimming devices
Uploaded: 2016-07-01T15:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 50 s
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This work was supported by EPSRC Career Acceleration grant EP/J002402/1.

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

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The authors have nothing to disclose.

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

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

<table><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.

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

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Preparation and 3D Tracking of Catalytic Swimming Devices

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

Seguimiento de preparación y 3D de dispositivos catalíticos de natación

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

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Universidad San Sebastian

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Motion in Two or Three Dimensions

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

Video: Preparation and 3D Tracking of Catalytic Swimming Devices

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.

Usando respuesta evocada-Touch y la locomoción ensayos para evaluar el rendimiento muscular y la función en el pez cebra

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

Investigación

Biología del Desarrollo

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.

Un Protocolo Máximo de Natación Atracada rápidamente incrementado para la Evaluación Cardiorrespiratoria de los Nadadores

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

Bioquímica

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.

Análisis de gait cinemático 3D para estudios preclínicos en roedores

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 ...

Comportamiento

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.

Seguimiento del comportamiento a largo plazo de Libremente Natación débilmente eléctrico Fish

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

Neurociencias

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.

Actuador basado en células musculares cardíacas y biorobot autoestabilizante - PARTE 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 ...

Bioingeniería

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.

Un protocolo para el seguimiento en tiempo real 3D sola partícula

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.

Evaluación de rendimiento en la natación de los peces

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

Biología

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.

El análisis automatizado de<em&gt; C. elegans</em&gt; Comportamiento de la nadada El uso de software Célest

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.

El uso de un sistema de seguimiento 3D Automatizado de Registro Individual y bajíos de adultos de pez cebra

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.

Análisis de los patrones de motilidad del estentor durante y después de la regeneración del aparato oral mediante el seguimiento celular

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