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

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

ATTENTION: S&#39;il vous plaît consulter toutes les fiches de données de sécurité des matériaux pertinents avant utilisation. Le peroxyde d&#39;hydrogène utilisé dans ce protocole est nocif, et l&#39;évolution de l&#39;oxygène gazeux lorsqu&#39;il est exposé au platine présente un risque d&#39;explosion. Utilisez tous les contrôles de sécurité appropriés au cours de ce protocole, y compris les contrôles techniques lors de la manipulation des solutions de peroxyde (hottes) et de l&#39;équipement de protection individuelle (lunettes de sécurité, des gants et une blouse de laboratoire). 1. Faire catalytique Particules Janus <ol><li> Préparer le substrat de lame de verre <ol><li> Nettoyer une lame de microscope standard utilisé en utilisant le lavage séquentiel pendant quelques minutes chacun en désionisée (DI), solution de décontamination de verre et de l&#39;eau DI. Laver ensuite avec un 70:30 v: mélange v d&#39;éthanol: eau déminéralisée, et enfin sécher dans un courant d&#39;air / azote propre. </li><li> Examinez la lame de verre sous un microscope pour vérifier la surface est propre et exempt de signes de contamination particulaire. Répétez l&#39;étape 1.1.1, si nécessaire. </li></ol></li><li> Préparer une dispersion colloïdale de dépôt <ol><li> Pipette 10 ul d&#39;une solution aqueuse disponible fluorescente colloïdal (10% en poids.) Dans 990 pi d&#39;éthanol. Ajustez les volumes selon les besoins en fonction de la concentration de la solution mère utilisée pour arriver à environ 0,1% en poids colloïdale suspension. </li><li> Tourbillon mélange pendant 10 s. </li></ol></li><li> Manteau de Spin dispersion colloïdale sur le substrat de lame de verre <ol><li> Équipé d&#39;une tournette avec la lame de verre propre. Remplissez une pointe de pipette avec 100 ul de la solution colloïdale diluée préparée ci-dessus. spin programme coucheuse pour exécuter un 30 sec, 2,000 cycle de rpm. Démarrer la tournette, et quand à la vitesse continue pipeter la solution préparée sur le centre de la lame de verre de filage. </li><li> Retirer lame de verre de la tournette, revenir au microscope optique et vérifier que une dispersion uniforme de colloïdes essentiellement non jointives séparées couvre la région centrale of la lame de verre. </li></ol></li><li> Vacuum évaporent platine métallique sur colloïde décoré lame de verre <ol><li> Insérer la lame de verre colloïdal enrobé dans un évaporateur métallique. Assurez-vous que le colloïde décoré côté fait face à la source d&#39;évaporation. Installer une source d&#39;évaporation du métal de platine et le dépôt de 15 nm de platine métal. Remarque: Après le dépôt de métal, les échantillons doivent être conservés sous une atmosphère inerte. </li></ol></li></ol> 2. &quot;natation&quot; Particules Janus <ol><li> Re-suspendre Janus colloïdes dans une solution de peroxyde contenant <ol><li> Couper un carré de 1 x 1 cm de tissu de verre, et amortir la fin avec 10 pi d&#39;eau DI. Tenez avec des pincettes, et frottez doucement le long de la surface du colloïde décoré lame de verre de platine revêtu (cette étape élimine physiquement colloïdes du substrat). </li><li> Insérez le tissu de lentille dans 1,5 ml d&#39;eau DI et agiter manuellement vigoureusement pendant 30 secondes dans un tu scelléêtre. Retirer le tissu de la lentille. </li><li> Pipette 1 ml de colloïde contenant de la solution dans un nouveau récipient, rempli avec 1 ml de 30% p / 2 O 2 solution stock H v. Mélanger délicatement les solutions, puis placer dans un bain à ultrasons à température ambiante pendant 5 minutes, suivie d&#39;une autre période d&#39;incubation sans agitation 25 min. ATTENTION: Cette solution peut dégager de l&#39;oxygène; ne pas sceller. </li><li> Sec 100 ul de la solution aqueuse restante colloïdale sur un microscope électronique à balayage (SEM) pour permettre la vérification stub SEM de la structure colloïdale Janus 14. </li></ol></li><li> Préparer une analyse cuvette <ol><li> Ajouter un 1 ml supplémentaires d&#39;eau déminéralisée à la solution incubée contenant du peroxyde et du platine enrobé colloïdes pour arriver à une force de carburant convenable (10%) pour permettre une propulsion rapide. Note: Les étapes d&#39;incubation ont été préalablement effectués à une concentration de carburant plus grande concentration pour nettoyer la surface du catalyseur au platine. </li><li> Remplissez un low volume de quartz rectangulaire cuvette en verre avec la solution incubée. s&#39;adapter souplement une casquette de push-in. ATTENTION: Risque d&#39;explosion - ne pas utiliser un bouchon à vis. </li></ol></li></ol> 3. Observation microscopique <ol><li> Repérez particules d&#39;intérêt <ol><li> Charger la cuve dans un microscope à fluorescence équipé d&#39;un objectif approprié (par exemple 20X) et exciter les fluorophores émission en utilisant une combinaison appropriée de filtres (excitation à 450-490 nm, émission&gt; 515 nm). </li><li> Recherche manuellement colloïdes fluorescents au sein de la cuvette. Remarque: Réglage de la densité de colloïde tout en maintenant la concentration de peroxyde peut être nécessaire. Par exemple, la dilution est recommandée si la densité colloïde est élevée, et de nombreuses bulles d&#39;oxygène produisant des flux sont présents. Une concentration en volume de colloïde d&#39;environ 0,003% est un point de départ recommandée. </li><li> Optimiser les paramètres optiques pour le suivi 3D: dans des conditions d&#39;éclairage appropriées, in concentrer colloïdes apparaît des objets circulaires tranchants. Cependant, comme la propulsion déplace les colloïdes dans et hors du plan focal d&#39;une taille distinctive changeant anneau brillant centré autour de la sphère sera observée, il est utilisé pour déterminer la coordonnée z pour permettre le suivi 3D. </li></ol></li><li> Enregistrer une vidéo <ol><li> Avant de commencer la capture vidéo, focaliser le microscope de telle sorte que la particule d&#39;intérêt produit un anneau concentrique, avec la particule &quot;sous&quot; la position de mise au point. Ne pas déplacer le plan de mise au point lors de la capture vidéo. </li><li> Enregistrer des vidéos de particules d&#39;intérêt. Utilisez 30 sec vidéo durées avec des taux de trame de plus de 30 Hz pour permettre la reconstruction de la trajectoire détaillée. </li></ol></li><li> Reconstruction de la trajectoire 3D <ol><li> Calibrer axe z <ol><li> Faire un poids de 2%. solution de gomme gellane dans de l&#39;eau contenant une suspension de particules Janus fluorescentes à 60 ° C, dans une cuvette équivalent àcelle utilisée ci-dessus, et permettent de définir pour former un échantillon gélifié transparent rigide contenant des colloïdes statiques fixes. </li><li> Concentrer sur un seul colloïde fixe en utilisant les mêmes conditions d&#39;illumination choisies, maintenant enregistrer une série d&#39;images fixes en tant que la mise au point z est soulevé par des déplacements connus par rapport à ce plan. </li><li> Déterminer le rayon de l&#39;anneau à chaque position de mise au point connu 11. Note: Ceci est le plus efficacement réalisé en utilisant un algorithme d&#39;analyse d&#39;image qui peut être appliqué en tant que traitement par lots à tous l&#39;étalonnage des images fixes et des vidéos. Une approche typique consiste à lisser l&#39;image, seuillage pour identifier un emplacement approximatif du centre des objets, puis de localiser les x réelles et les coordonnées y du centre de l&#39;anneau en mesurant la distance entre les pics d&#39;intensité de chaque côté de l&#39;anneau. La distance radiale moyenne des pics d&#39;intensité du centre de l&#39; anneau peut alors être trouvé. 11 Cela permet à la fois le rayon de l&#39;anneau un brillantd la coordonnée xy à déterminer avec une précision sous-pixel. En localisant les coordonnées x, y, z, la position d&#39;une sphère Janus fixée dans la gomme de gellane 30 pm à partir du plan focal, dans une séquence temporelle d&#39;images, les particules peuvent être localisées avec une erreur de ± 25 nm le long de chaque axe. L&#39;erreur peut être attribuée au bruit dans les images. Le rapport signal sur bruit et, par conséquent, la précision des algorithmes de localisation dépend de l&#39;intensité de la lumière fluorescente détectée. Quand une sphère Janus est loin du plan focal son intensité devient trop faible pour suivre avec précision ce, par exemple, pour un diamètre de 4,8 um colloïde un z-gamme de l&#39; ordre de 200 um est possible. Une méthode non-algorithmique alternative consiste à utiliser la mesure manuelle simple x, centre y et de rayon, mais cela permettra de réduire la précision. </li><li> Tracer la courbe d&#39;étalonnage pour relier le rayon de position z, et monter à une fonction appropriée (par exemple, l&#39; équation cubique) pour permettre l&#39; interpolation. 11 </li></ol></li> &lt;li&gt; Calibrer axe x, y <ol><li> Enregistrer une image fixe image au microscope optique d&#39;un étalonnage réticule spatiale en utilisant les mêmes conditions de microscope choisies en 3.2. </li><li> Mesurer la dimension &quot;en pixels&quot; d&#39;un objet avec la taille connue du monde réel de l&#39;image de l&#39;étalonnage réticule spatiale et l&#39;utiliser pour établir un pixel à micron facteur de conversion pour le x, y plan de l&#39;image. </li></ol></li><li> Reconstruire trajectoire <ol><li> Déterminer les coordonnées x et y et de rayon pour chaque trame de la séquence vidéo comme décrit dans 3.3.1.3, utilisez la fonction trouvée dans 3.3.1.4 pour convertir le rayon en z, et le facteur d&#39;étalonnage trouvé dans 3.3.2.2 pour convertir x et y les coordonnées en pixels microns. Cette procédure se traduira par une précision x, y, z de coordonnées pour l&#39;emplacement des particules de propulsion en fonction du temps. 11 Cette procédure peut être réalisée en utilisant un algorithme, ou manuellement. </li><li> Déterminer la p dérivéeropriétés telles que la vitesse moyenne pour quantifier l&#39;ampleur de la natation catalytique observée. </li></ol></li></ol></li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

De nombreuses variables dans le protocole de préparation de platine particules Janus auront une incidence sur les trajectoires observées. Les paramètres tels que décrits à l&#39;aide de particules de 2 pm de diamètre donnera des vitesses de propulsion de l&#39;ordre de 10 um par seconde. Si des particules plus petites sont utilisées, les vitesses augmentent, tout en augmentant la taille des particules diminue la vitesse de propulsion. 12 Les détails du protocole d&#39;évaporation vont également modifier les trajectoires observées. Dans ce protocole actuel, une distribution clairsemée des colloïdes est recommandée, en même temps que l&#39;évaporation de métal perpendiculaire à l&#39;orientation de la diapositive. Ces conditions se traduisent par des structures Janus symétriques comme le montre la figure 2, qui conduisent à des trajectoires linéaires dans les limites de diffusion de rotation brownien. 13 Inversement, si colloïdes serré emballés sont soumis à regardant dépôt d&#39;angle, puis la symétrie de la capsule Janus peut être rompu , pour induire la filature comportement. 14 Le particles produites ici affichent un mouvement relativement isotrope dans les trois dimensions; si les revêtements de platine plus épais, ou plus grandes particules sont utilisées, un biais ou gravitaxis vers le haut peuvent être conférées. 11 Les détails du stockage des colloïdes Janus après la fabrication peut également effectuer les vitesses de nage observées. La surface de la platine propre énergie superficielle élevée sortant de l&#39;étape d&#39;évaporation est sensible à la contamination de surface par exemple à partir d&#39; hydrocarbures, en particulier des thiols. 15 En outre, les propriétés de la solution dans laquelle les colloïdes Janus sont remises en suspension sont essentiels pour l&#39;observation propulsion. Faibles concentrations de peroxyde se traduira par des vitesses plus lentes, comme la vitesse de mouvement produisant la réaction de décomposition réduit. 6 En outre, de faibles concentrations de sels se traduira par une réduction spectaculaire de la vitesse de propulsion. 7 Une caractéristique clé des colloïdes produits ici est leur neflottabilité UTRAL, ce qui les rend appropriés pour le suivi 3D. En général , le domaine des dispositifs de natation a prêté peu d&#39; attention aux effets 3D, en partie en raison de quelques exemples importants étant fabriqués à partir de métaux denses, les obligeant à rapidement les sédiments, 16 mais aussi en raison des difficultés et des frais associés à la réalisation des mesures nécessaires. inconvénients clairs pour certaines méthodes de suivi 3D établies existent pour ces colloïdes se déplaçant rapidement, par exemple, la microscopie à balayage laser confocal peut manquer de la résolution temporelle pour enregistrer un nombre suffisant d&#39;images pour résoudre les trajectoires. Dans ce contexte, la méthode que nous présentons ici a l&#39;avantage important de ne nécessiter qu&#39;une seule image pour permettre une estimation des coordonnées z, ce qui permet par conséquent des cadences élevées. En outre, comme coordonnée z la reconstruction ne repose que sur le contraste relatif du colloïde hors de mise au point dans des trames individuelles, au lieu de l&#39;intensité de fluorescence absolue, elle est résistante aux effets de trempe et clignotantesdans fluorophore. Ces avantages sont possibles au détriment d&#39;une profondeur de champ réduite sur lequel la reconstruction de la trajectoire 3D est possible, et l&#39;exigence de colloïdes ne se chevauchent pas bien séparés. Nous espérons que la description du protocole permettra à d&#39;autres groupes de recherche ayant un intérêt dans le comportement 3D pour leurs appareils de natation pour accéder à ces informations et franchement avec un haut degré de précision. Il est clair que l&#39;élargissement de la compréhension de ces appareils à la 3D ouvrira une gamme importante de phénomènes et de futures applications intéressantes. Les lecteurs intéressés par de plus amples détails sur l&#39;analyse des trajectoires sont dirigées vers la référence 17, qui décrit les artefacts communs dans les systèmes de propulsion et de la façon d&#39;assurer une quantification précise des vitesses de propulsion.

Dispositifs de natation catalytiques sont à petite échelle, les colloïdes untethered capables de générer de manière autonome le mouvement dans des environnements fluidiques. 1,2 Ces dispositifs suscitent un intérêt de recherche importants car ils ont le potentiel pour permettre à de nouvelles fonctions intéressantes telles que la délivrance de médicaments, 3 laboratoires sur un transport de puce 4 et assainissement de l&#39; environnement. 5 un exemple largement étudié sont catalytiques nageurs &quot;Janus&quot;. 6 Ces particules tirent leur nom ayant deux côtés distincts, ou faces (Janus est un deux devant dieu romain). D&#39;un côté est une activité catalytique et capable d&#39;effectuer une réaction de décomposition, tandis que l&#39;autre est inerte. En présence de molécules de carburant dissous appropriées, la réaction chimique asymétrique qui en résulte crée des gradients autour des colloïdes qui peuvent produire un mouvement par l&#39; intermédiaire d&#39; auto-diffusiophorèse / électrophorèse. 7 Caractériser le mouvement de ces objets se déplaçant rapidement est cha<html> llenging et de nombreuses observations expérimentales à ce jour ont été limitées à 2D. Cependant, les applications éventuelles sont susceptibles d&#39;exploiter catalytique dispositifs de natation capacité de se déplacer à travers des solutions en vrac en 3D. 8 Pour y remédier, nous décrivons ici un protocole qui permet des trajectoires 3D précises pour les appareils de natation à déterminer. Cette méthode est basée sur l&#39; interprétation des structures cycliques produites par de colloïdes fluorescents discussion observés avec un objectif à focale fixe, 9 et est facile à appliquer à l&#39; aide de microscopes non modifiés classiques. En décrivant clairement cette méthode ici, d&#39;autres chercheurs dans ce domaine bénéficieront en étant en mesure d&#39;accéder à ces informations 3D. Cela aidera perspectives futures sur les caractéristiques de mouvement pour les appareils de natation. La preuve de ce potentiel est donné par le rapport récent de dispositifs de natation étant dirigé par gravité, 10,11 comportement qui peut le plus facilement être visualisé par l&#39;application de tracking 3D. 11 ove_content &quot;&gt; Cet article documente également clairement une méthode pour fabriquer des dispositifs catalytiques de natation de particules Janus, qui sera d&#39;autre avantage de normaliser les méthodes à travers les groupes de recherche existants enquêter sur ces dispositifs, et en outre guider les nouveaux chercheurs intéressés à faire et d&#39;enquêter sur les appareils de natation.

<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 figure 1 montre une dispersion typique de colloïdes sur une lame de verre propre avant le dépôt de platine. La figure 2 montre une image typique SEM rétrodiffusée pour une demi - platine revêtu Janus nageur, sous ce mode d&#39;imagerie de la région de platine revêtu produit de contraste lumineux. La couche souhaitée de platine hémisphérique est apparente. La figure 3 montre l&#39;apparition d&#39;un fluorescent Janus nageur typique dans des conditions d&#39;éclairage optimales fixées dans la gomme gellane. Le nageur se présente comme un élément d&#39;anneau symétrique, et il est le rayon de l&#39;anneau qui peut être utilisé pour déterminer la position z du colloïde par rapport à la position de mise au point. La figure 4 montre des sections représentatives de la distribution d&#39;intensité de la luminosité radiale est utilisé en combinaison avec des algorithmes d&#39;analyse d&#39;image pour localiser avec précision le centre et le rayon apparent du colloïde. Figure 5 </stron<html> g&gt; contient une courbe d&#39;étalonnage obtenue en utilisant un échantillon fixé colloïdale et un microscope stade z traduction calibrée pour relier taille colloïdale apparente et la distance de la position de mise au point. Cette courbe est ajustée à une fonction cubique, qui est utilisé pour convertir rayon apparent en coordonnées z. Enfin, la figure 6 montre un typiques x, y, z trajectoire pour un nageur Janus des particules fluorescentes. <img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig1.jpg" /> Figure 1. image optique de 1,9 um de diamètre des microsphères de polystyrène. Les microsphères sont dispersées sur une lame de verre nettoyée avant le dépôt de platine. La barre d&#39;échelle représente 40 um. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig1large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> es / ftp_upload / 54247 / 54247fig2.jpg &quot;/&gt; Figure 2. Image de rétrodiffusion SEM d&#39;un 1,9 um de diamètre des microsphères de polystyrène. Les microsphères sont présentés après le dépôt de platine. La barre d&#39;échelle représente 2 pm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig2large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig3.jpg" /> Figure 3. images d&#39; étalonnage d&#39;un diamètre de 4,8 um fluorescent sphère en polystyrène fixé dans la gomme gellane enregistrée à l&#39; aide d&#39; un objectif 20X (0,4 NA). Les distances ci - dessous chaque image indique la distance du plan focal de l&#39;objectif ci - dessus de la sphère. Comme l&#39;image est défocalisé de 0 pm à 200 pm l&#39;image mise au point d&#39;un brillant disque change à un anneau lumineux, dont le rayon dépend de grossissement, le Spherla taille de l&#39; e et sa distance par rapport au plan focal. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig3large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig4.jpg" /> Figure 4. X, y, z procédure de suivi des particules. Un ensemble d&#39;algorithmes d&#39;auto-écrite est utilisée pour d&#39; abord localiser le centre (x, y) de l&#39;anneau lumineux par extraction d&#39; une série de lignes verticales et horizontales et de trouver le moyen mi point entre les pics lumineux (a). Le rayon de l&#39; anneau est alors calculée à partir de l&#39;intensité du pic d&#39;une spline adaptée aux pixels gris moyenne des valeurs de rayonnement à partir du centre de l&#39; anneau (b). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig4large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> Figure 5. Z coordonnée tableau d&#39;étalonnage pour les sphères Janus obtenues en mesurant le rayon de l&#39; anneau lumineux de sphères fixes dans la gomme gellane (voir figures 3 et 4). Le tableau d&#39;étalonnage est utilisé par nos algorithmes pour convertir le rayon de l&#39; anneau mesurée à un z- coordonnées. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig5large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 6" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig6.jpg" /> Figure 6. Une trajectoire d&#39;un dispositif fluorescent typique Janus de natation de la sphère. Une séquence d&#39;images de l&#39;appareil de natation mobile a été enregistré sur une période de 30 secondes à une vitesse de 33 Hz de trame. Le (x, y, z) les coordonnées de la trajectoire ont été obtenus en plaçant le centre de l&#39; anneau lumineux (Figurer 4 (a)) et en comparant le rayon de l&#39; anneau mesuré au tableau d&#39;étalonnage pour chaque image de la séquence (figures 4 (b) et 5). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig6large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</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.

Préparation et suivi 3D des dispositifs catalytiques de natation

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

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

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

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

Utilisation de la réponse tactile évoqué et Locomotion essais pour évaluer la performance de la fonction musculaire et en Zebrafish

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

Recherche

Biologie du développement

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 protocole maximal de nage rapide et attaché pour l'évaluation cardiorespiratoire des nageurs

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

Biochimie

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.

Analyse de la démarche cinématique 3D pour les études précliniques chez les rongeurs

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 ...

Sciences du comportement

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.

À long terme de suivi comportemental de librement piscine faiblement poisson électrique

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

Neurosciences

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.

Actionneur à base de cellules musculaires cardiaques et Biorobot auto-stabilisant - PARTIE 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 ...

Bio-ingénierie

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 protocole pour un suivi en temps réel 3D seule particule

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.

Évaluation de la performance de natation en Poissons

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.

Analyse automatisée de<em&gt; C. elegans</em&gt; Comportement Swim Utiliser 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 des modèles de motilité du stentor pendant et après la régénération de l’appareil buccal à l’aide du suivi cellulaire

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