Name: fourier-based diffraction analysis of live caenorhabditis elegans
Uploaded: 2017-09-13T14:00:00
Duration: 8 min 24 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Fourier-Based Diffraction Analysis of Live Caenorhabditis elegans at JoVE.com

Vi takker Juan Vasquez for beregningsorientert bidrag med dette prosjektet. Vi er takknemlige for støtten Vassar College Undergraduate Research sommer Institute (URSI), Lucy Maynard laks Research Fund og NSF prisen nr. 1058385.

1. C. elegans vekst og vedlikehold <ol><li>forberede Rundormer kultur retter.
	<ol><li>Fylle Petri retter med en agar løsning og la dem å stivne, og frø med en E. coli kultur på OP50 sil 9 , 10.</li>
	</ol></li> <li>Forberede Start innbyggere voksen nematoder på hver plate ved å flytte flere voksne ormene til frisk agar fylt Petri retter med en E. coli-oppdateringen. Opprettholde Rundormer kulturer ved 20 ° C i en inkubator. 
	Merk: Rundormer stammer kan fås fra Caenorhabditis elegans Genova sentrum. For denne studien, vill-type, N2, belastning og OH7547 (otls199 [katten-2::GFP + rgel-1 (F25B3.3):: dsRed + rol-6(su1006)]) belastning, som viser en berg fenotype, utnyttet.</li>
	<li>Propagate ormer for fremtidige kulturer.
	<ol><li>Fjern Petri tallerken med C. elegans og en ubrukt habitat Petriskål settefiskanlegg temperaturkontrollert. Plasser dem på scenen av dissecting mikroskop.</li>
		<li>Lys Bunsen brenner og sterilisere platina Rundormer hakke ved å plassere metal i flammen til den gløder rødt. Kan plukke avkjøles til romtemperatur. Ikke fastsatt plukke eller la plukke kommer i kontakt med forurensninger.</li>
		<li>Forsiktig Berør tuppen på plukkingen til kanten av sirkelen av bakterier. Dette stoffet er klebrig, og vil gjøre plukke personlige voksen nematoder enklere.</li>
		<li>Overføre opptil 4 gravid nematoder til en Rundormer vekst Medium (NGM) agar fylt Petri plate og ruge på 20 ° C. Ormer legger egg som vil forfalle i fire dager.</li>
		<li>Tilbake de gjenværende nematoder inkubator etter flytte fire voksne nematoder.</li>
	</ol></li></ol> 2. Optisk Setup ( figur 1) <ol><li>Secure helium-neon laser tilbake til venstre hjørne av optisk workbench og koble den til en strømkilde. 
	Merk: Laser &#39; s strålen må oppfylle kravene for oversampling. C. elegans er ca 1 mm lang, derfor laserstrålen bør ha en diameter større enn 2 mm mens hendelsen på Rundormer, men ikke større enn 5 mm slik at Diffraksjon mønsteret ikke er vanskelig å finne.</li>
	<li>Plasserer en Nøytralfilter mellom helium-neon laser og prøven slik at laserstrålen reiser gjennom filteret før prøven.</li>
	<li>Bruke to foran overflate aluminium styring speil, bygge en periscope ved å sikre første speilet etter nøytral tetthet filter. Sikre andre speilet ca 10 cm nedenfor det første speilet for å gi rom for å styre laserstrålen og sette cuvette mellom speil. Justere laserstrålen og cuvette slik at laserstrålen går loddrett gjennom cuvette. 
	Merk: Avstanden fra diffracting organismen til photodiode må være mye større enn organismen selv å oppnå langt-feltet Diffraksjon. I dette eksperimentet, er avstanden fra cuvette til photodiode 20 cm.</li>
	<li>Sikre photodiode rett overfor andre speilet sensoren facing speilet. 
	Merk: Cuvette som inneholder Rundormer plasseres mellom de to speilene ved hjelp av kjemi klemmer. Se avsnitt 4 og 5.</li>
	<li>Sted fylt med vann søppel på standen. Juste høyden på standen. Juster høyder og vinkler av speilet 1 og speil 2 slik at laserstrålen reiser gjennom cuvette rettet nær, men ikke direkte på photodiode.</li>
	<li>Bruke et nivå for å sikre skjemaet står en flatet overflate for cuvette. Juster speilene videre.</li>
	<li>Koble til photodiode til digital oscilloskop med USB-kabelen som følger med digitale oscilloskop. Koble digitale oscilloskop til datamaskinen som skal brukes til å registrere og lagre dataene.</li>
</ol> 3. Oscilloskop Setup <ol><li>bruke programvaren for oscilloskop på datamaskinen, sett samplingsfrekvens til minst 8 Hz løse juling syklusen av ormen tilstrekkelig. 
	Merk: Samplingsfrekvens bør være mer enn dobbelt som av forventet juling frekvenser av arten slik at Nyquist teoremet 11 er fornøyd.</li>
</ol> 4. Forberede orm og Cuvette for datainnsamling <ol><li>overføre fire voksne nematoder til en frisk NGM 10 agar fylt Petri plate med en tynn, flat platina wire plukke (se avsnitt 1.3).</li>
	<li>Fjerne en engangs plast cuvette fra pakken, pass på bare berøring cuvette på ridged sidene.</li>
	<li>Bruk brønnene til Pipetter destillert vann i cuvette til cuvette er ca. 80% fylt med destillert vann. 
	Merk: Det er viktig å bare bruke destillert vann eller ionisert buffere som M9 10 eller fosfat-bufret saltvann (PBS) når du håndterer nematoder, som vann fra springen inneholder microorganism-drapet forbindelser.</li>
	<li>Plasserer Petriskål inneholder C. elegans skal brukes under en dissecting omfang.</li>
	<li>Bruker platinum plukkingen, fjerne en moden C. elegans fra Petriskål og senke plukkingen i cuvette, flytte plukkingen i sirkler om nødvendig å fjerne Rundormer.</li>
	<li>å hindre bobler dannes i cuvette, fylle cuvette med vann før det litt buler over cuvette &#39; s topp. Fyll cuvette &#39; s cap helt med vann så raskt sette lokket på cuvette.</li>
	<li>Bruker en optisk ren klut til å fjerne vanndråper som kan ha kommet over og optisk renser å rengjøre noen små gjenværende dråper.</li>
</ol> 5. Sanntid datainnsamling Diffraksjon mønster intensitet endringer <ol><li>slå på helium-neon laser og justere frekvens/fargeinnstilling slik at den produserer en rød bjelke. Slå på sensoren. 
	Forsiktig: Bruk en lav-energi stråle på 632 nm, som C. elegans unngå høyfrekvente (blå) lys 12.</li>
	<li>Finn ormen i cuvette. Holde cuvette på ridged sidene, forsiktig vippe cuvette til Rundormer er omtrent i midten av delen av cuvette. 
	Merk: Rystelser eller vipping av cuvette voldsomt forårsaker ormen kollidere med veggene i cuvette. Dette kan skade på Rundormer.
	<ol><li>Plass cuvette på standen i optiske systemet, sentrering ormen i laser &#39; s strålen reflekteres fra speilet 1 speilet 2. Husk å fjerne uønsket lys.</li>
	</ol></li> <li>Center ormen i laserstrålen.
	<ol><li>Sett photodiode i Diffraksjon mønsteret slik at plasseringen av photodiode og sentrale maksimalt antall Diffraksjon mønsteret ikke sammenfaller.</li>
		<li>Juster nøytral tetthet filter for å hindre metning av photodiode. Rotere nøytral tetthet filter hjulet regulerer lysintensiteten.
		<ol><li>Roter den nøytrale tettheten filtrere slik at spenningen ut fra photodiode øker. 
			Merk: Spenning utdataene er observert bruke programvaren for det digitale photodiode. Photodiode er mettet hvis spenningen ikke endres. I så fall rotere Nøytralfilter før spenningen reduserer uten utflating på et minimum reading. Kontroller at spenningen signalet ikke flat på topp målingene og angir metningen til photodiode. Redusere lysintensiteten ved å rotere nøytral tetthet filter hjulet hvis metning er observert.</li>
		</ol></li> <li>Når bevegelse Diffraksjon mønsteret er synlige, samle data med photodiode ved å klikke startknappen i programvaren kontrollere oscilloskop mens overvåking ormen &#39; s bevegelse. Fortsette å ta målinger til ormen flytter laserstrålen og diffracsjon mønsteret forsvinner, som vanligvis tar ca 20 s.
		<ol><li>Stopp data innsamling prosessen ved å klikke stopp på programvaren for oscilloskop. Lagre hvert forsøk &#39; s data i CSV- eller txt-format.</li>
		</ol></li></ol></li> <li>Gjenta trinn 5.2-5.3 til minst 50 datasett ha blitt avhentet for hver fenotypen. Bruke åtte til ti dyr per prøveversjon.</li>
	<li>Hvis cuvette riper kast det orm, og gjenta trinn 4. Hvis ormen er skadet i overføringen, kast den og skyll cuvette med destillert vann før gjenta trinn 4 benytter den samme cuvette.</li>
	<li>Gjenta trinn 5 bruker OH7547 &#34; Berg &#34; belastning, pass på å merke data indikerer ormen belastningen.</li>
</ol> 6. Fourier spekteret av Data <ol><li>lese data ervervet i en data analyseprogram kan yte diskret Fourier transformeres 3.</li>
	<li>Utføre Fourier transformeres på hvert datasett ved hjelp av rask Fourier transformasjon (FFT) alternativet programvaren.</li>
	<li>Gjennomsnittlig frekvenser fra FFT resultatene for hver amplitude for N2 wild type ormer.</li>
	<li>Gjenta trinn 6.3 bruker FFTs fra OH7547 &#34; Berg &#34; ormer.</li>
</ol> 7. Modellering av Fourier spekteret <ol><li>programmet en binær modell av Rundormer bevegelse (se program inkludert i tilleggsresultater materialer). 
	Merk: Denne modellen er en grov tilnærming, som først viser den fremtredende egenskaper av ormen bevegelse. Modellen kan være raffinert resultatene er sammenlignet med faktiske ormer. Ormen er omtrentlige ved hjelp av mikroskop bilder 13.
	<ol><li>Opprette sammenhengende delbilder av binære modellen beveger seg gjennom minst to ormen sykluser ( figur 2a). Se videoer i tilleggsresultater materialer; C ormen video (CWorm.avi) og W ormen video (WWorm.avi).</li>
	</ol></li> <li>Produsere sekvensiell Diffraksjon mønstre. Se videoer i tilleggsresultater materialer. C ormen Diffraksjon video (CWormDiff.avi) og W ormen video (WWormDiff.avi).
	<ol><li>Fourier transform hver binære ramme av ormen bildet. Jo større utfyllingen rammen rundt ormen bedre oppløsningen til Diffraksjon vil være. 
		Merk: Den absolutte verdien av hver Fourier transformert ramme er proporsjonal med tilsvarende Diffraksjon mønsteret ( figur 2b).</li>
		<li>Tune kontrasten Diffraksjon mønsteret ved å tilordne intensiteten av Diffraksjon mønster til en logaritmisk skala. 
		Merk: Kameraer og øyne tendens til å fungere på en ikke-lineær skala. En logaritmisk skala kan simulere hvordan et Diffraksjon mønster vanligvis oppfattes av øyet.</li>
	</ol></li> <li>Ekstra modellerte Diffraksjon signalet.
	<ol><li>Velge en midtstilt stedet som svarer til plasseringen av photodiode i Diffraksjon mønsteret.</li>
		<li>Legge til nærliggende matrix elementene rundt plasseringen av photodiode simulere størrelsen på photodiode. Størrelsen på photodiode er vanligvis 0,1% av modellerte Diffraksjon mønsteret.</li>
		<li>Post og plot rekkefølgen av omfanget av Diffraksjon signaler. Kontroller at signalet er fysisk rimelig (dvs. ved periodiske juling, signalet fra photodiode bør være periodiske samt).</li>
	</ol></li> <li>Fourier transformere Diffraksjon signalet innhentet i 7.3 og sammenligne resultatene med eksperimentelle data.</li>
	<li>Gjenta for ulike ormen stammer og sammenligne.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Magnes, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+Freely+Swimming+C.+elegans+Using+Laser+Diffraction.">Analysis of Freely Swimming C. elegans Using Laser Diffraction.</a> Open J. Biophys. 2, 101-107 (2012).</li><li>Magnes, J., Raley-Susman, K. M., Eells, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+Locomotion+Study+of+Freely+Swimming+Micro-organisms+Using+Laser+Diffraction.">Quantitative Locomotion Study of Freely Swimming Micro-organisms Using Laser Diffraction.</a> J. Vis. Exp. (68), (2012).</li><li>James, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> A Student's Guide to Fourier Transforms with Applications in Physics and Engineering. , (1995).</li><li>Korta, J., Clark, D. A., Gabel, C. V., Mahadevan, L., Samuel, A. D. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanosensation+and+mechanical+load+modulate+the+locomotory+gait+of+swimming+C.+elegans.">Mechanosensation and mechanical load modulate the locomotory gait of swimming C. elegans.</a> J. Exp. Biol. 210, (2007).</li><li>Martin-Garcia, J. M., Conrad, C. E., Coe, J., Roy-Chowdhury, S., Fromme, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Serial+femtosecond+crystallography:+A+revolution+in+structural+biology.">Serial femtosecond crystallography: A revolution in structural biology.</a> Arch. Biochem. Biophys. 602, 32-47 (2016).</li><li>Thibault, P., Rankenburg, I. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+diffraction+microscopy+in+a+teaching+laboratory.">Optical diffraction microscopy in a teaching laboratory.</a> Amer. J. Phys. 75 (9), 827-832 (2007).</li><li>Miao, J., Ishikawa, T., Anderson, E. H., Hodgson, K. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phase+retrieval+of+diffraction+patterns+from+non+crystalline+samples+using+the+oversampling+method.">Phase retrieval of diffraction patterns from non crystalline samples using the oversampling method.</a> Phys. Rev. B. 67, 174104 (2003).</li><li>Zhang, Y. P., Zhang, J. Q., Xu, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Method+for+eliminating+zero-order+diffraction+in+lensless+Fourier+transform+digital+holography.">Method for eliminating zero-order diffraction in lensless Fourier transform digital holography.</a> Optik - International Journal for Light and Electron Optics. 124 (21), 4873-4875 (2013).</li><li>Brody, A. H., Chou, E., Gray, J. M., Pokrywka, N. J., Raley-Susman, K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mancozeb-induced+behavioral+deficits+precede+structural+neural+degeneration.">Mancozeb-induced behavioral deficits precede structural neural degeneration.</a> NeuroToxicology. 34, 74-81 (2013).</li><li>Stiernagle, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Maintenance+of+C.+elegans.">Maintenance of C. elegans.</a> WormBook. , (2006).</li><li>Dasalukunte, D., &#214;wall, V., Rusek, F., Anderson, J. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Faster than Nyquist Signaling. Algorithms to Silicon. , (2014).</li><li>Edwards, S. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+molecular+solution+for+ultraviolet+light+detection+in+Caenorhabditis+elegans.">A novel molecular solution for ultraviolet light detection in Caenorhabditis elegans.</a> PLoS Biol. 6 (8), e198 (2008).</li><li>Bilbao, A., Wajnryb, E., Vanapalli, S. A., Blawzdziewicz, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nematode+Locomotion+in+Confined+and+Unconfined+Fluids.">Nematode Locomotion in Confined and Unconfined Fluids.</a> Phys. Fluids. 25, 081902 (2013).</li></ol>

Forfatterne ikke avsløre.

Inkludert strekninger av data med inaktivitet vil forskyve resultatene siden kunstig lave frekvensene fargemåleren inn resultatene. Mette photodiode kan bli gjenkjent av flat topper eller "kuttet" topper i rådataene. Dele hvert rå datasett peak intensiteter vil hjelpe med regnskap for svingninger i laser intensiteten.
De høyeste frekvensene er en indikator på samlet juling hyppighet; imidlertid komplisert bevegelse forårsaker forstyrrelser på beat frekvenser i Diffraksjon mønster og må undersøkes nøye.
Denne metoden kan brukes til å undersøke bevegelse av andre nematoder. Miljøet kan endres til et annet medium. Bølgelengder kan endres også. Arbeider i det synlige området av det elektromagnetiske spekteret er enkleste og sikreste.
En mer raffinert modell vil simulere Diffraksjon spectra mer realistisk i fremtiden. Fremtidige modell kan inneholde en orm kan endre retninger, som ikke vil påvirke frekvens steder men relativ topp høyder. En mer realistisk modell ville tillate for en sannsynlig fordeling av juling frekvenser, som ville utvide toppene som eksperimentelle data. Et oppslag i frekvenser ville forklare variasjoner i juling frekvenser.
Gjeldende ormen figur er råolje, spesielt i hodet og baklykter regionen, som bør være mer konisk enn i gjeldende modell. Det kan være interessant å utføre en detaljert analyse av tidsserier av signal siden det kan gi hint om kompleksiteten i bevegelse i forskjellige mutanter.
Det er verdt å vurdere praktisk bruk av utvide denne teknikken til å karakterisere flere nematoder samtidig. Denne metoden skal forstås som utfyllende til eksisterende metoder med tradisjonelle mikroskop. Denne metoden har en fordel som ikke krever et mikroskop under data-oppkjøpet slik at ormen kan flytte ut av fokalplanet. De gjennomsnittlige frekvensen spectra viser klare forskjeller i ormen bevegelse og kan kvantifiseres av utbredt frekvens toppene, som er en ny metode i kvantifisere ormen bevegelse. Dataanalyse Diffraksjon signaturene i videreutvikling og forhåpentligvis vil føre til en automatisert identifikasjonsprosessen flere mutanter og enkeltpersoner.

Denne metoden sammenligner eksperimentelle og modellerte frekvens spektra av bevegelse av C. elegans to stammer med svært forskjellige locomotory mønstre. Resultatene viser at frekvensspekteret er avhengig av tidsmessige endringer som Rundormer svømmer i en vann-kolonne slik at klar mikroskopiske bilder ikke er nødvendig for analyse. Denne metoden gir kvantitative sanntid analyse og gir utfyllende informasjon til bilder/videoer med tradisjonelle mikroskop. Fraunhofer Diffraksjon, også kalt langt-feltet Diffraksjon, danner grunnlaget for å få live Diffraksjon data1,2. Lysintensiteten på et enkelt punkt i Diffraksjon mønsteret er resultatet av superimposing lys fra hvert punkt i disposisjonen i Rundormer3. Resultatet inneholder lysintensiteten samlet over tid informasjon om bevegelse av Rundormer. Analysere tidsavhengige Diffraksjon signalet kan identifisere tilsvarende mutant karakteristiske bevegelse siden analysere alle frekvenser som er involvert i bevegelse utfyller den tradisjonelle videoanalyse. I dette tilfellet er karakteristiske forskjellene mellom bevegelse av "valsen" og vill-type C. elegans bekreftet ved å sammenligne frekvens spektra av de to forskjellige stammene av Rundormer.
Noen tidligere egenskaper har blitt bekreftet frekvens analyse av Diffraksjon signaler som svømming frekvenser2,4. Enda viktigere, kan denne metoden brukes som utfyllende til tradisjonelle mikroskopi for å observere bevegelse i sanntid på en dataskjerm som dataene samles. Frekvensspekteret ormer med ulike locomotory mønstre kan kvantifiseres ved å vurdere Fourier transformeres signal Diffraksjon signalet.
Den tverrfaglige naturen Fourier-baserte Diffraksjon i dette arbeidet innebærer biologi og fysikk. Diffraksjon av under prøvetaking har lenge vært brukt til å undersøke krystall strukturer i biologi5 og andre felt. I dette eksperimentet oppretter oversampling6,7 men langt-feltet Diffraksjon mønsteret slik at organismen er sentrert i laserstrålen. Oversampling brukes vanligvis for linsen-mindre tenkelig8 i forbindelse med en fase henting algoritme som rekonstruerer et bilde av det opprinnelige objektet. Fase henting er vanskelig å oppnå når det finnes scatterers som er tilfellet med en Rundormer. Timelige Diffraksjon signaturen er nok til å vurdere viktige frekvenser av ormen bevegelse. Denne metoden er mindre beregningsmessig taxing og gir en optisk måte å kvantifisere bevegelse. Denne teknikken kan lett tilpasses for analyse av mutasjoner eller miljøforhold som endrer atferd.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Tunable Helium-Neon laser</td>
			<td>Research Electro-Optics</td>
			<td>30602</td>
			<td>Four wavelengths can be selected between 543 nm and 633 nm.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2 Front Surface Aluminum Mirrors</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>PF10-03-F01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photodiode: SI Amplified Detector</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>PDA 100A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Quartz Cuvette</td>
			<td>Starna Cells</td>
			<td>21/G/5</td>
			<td>Plastic cells may be used as well.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MatLab (Software)</td>
			<td>MathWorks</td>
			<td>R2016b (9.1.0.441655)</td>
			<td>Use the fft command to simulate diffraction</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Excel</td>
			<td>Microsoft</td>
			<td>14.7.1</td>
			<td>Used for data analysis of Fig. 4</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Caenorhabditis elegans Roller</td>
			<td>University of Minnesota Caenorhabditis elegans Center (CGC)</td>
			<td>Strain: OH7547 
			Genotype: otIs199.</td>
			<td>https://cbs.umn.edu/cgc/home</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Caenorhabditis elegans Wild Type</td>
			<td>University of Minnesota Caenorhabditis elegans Center (CGC)</td>
			<td>Strain:N2 Genotype: C. elegans wild isolate</td>
			<td>https://cbs.umn.edu/cgc/home</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fourier-based diffraction analysis of live caenorhabditis elegans

Denne oppgaven beskriver hvordan å klassifisere nematoder bruker timelige langt-feltet Diffraksjon signaturer. En enkelt C. elegans suspendert i en vann-kolonnen inne en optisk cuvette. En 632 nm kontinuerlige bølgen HeNe laser er rettet gjennom cuvette bruker foran overflaten speil. En betydelig avstand på minst 20-30 cm reiste etter at lyset passerer gjennom cuvette sikrer et nyttig langt-feltet (Fraunhofer) Diffraksjon mønster. Diffraksjon mønster endringene i sanntid som Rundormer svømmer innen laserstrålen. Photodiode plasseres midtstilt i Diffraksjon mønsteret. Spenningen signalet fra photodiode er observert i sanntid og spilt inn med en digital oscilloskop. Denne prosessen gjentas for 139 vill-type og 108 "roller" C. elegans. Wild type ormer forevise en rask oscillation mønster i løsningen. Ormene "roller" har en mutasjon i en nøkkelkomponent i cuticle som forstyrrer jevn bevegelse. Tidsintervaller ikke er gratis metning og inaktivitet forkastes. Det er praktisk å dele hver gjennomsnitt sitt maksimum sammenligne relative intensiteter. Signalet for hver orm er Fourier transformeres slik at frekvensen mønsteret for hver orm framgår. Signalet for hver type orm er gjennomsnitt. De gjennomsnittlige Fourier spectra for vill og "valsen" C. elegans er utpreget annerledes og avslører at dynamisk ormen former av de to forskjellige orm stammene kan skilles ved hjelp av Fourier-analyse. Fourier-spektra av hver orm stamme tilsvare en omtrentlig modell med to forskjellige binære ormen figurer som tilsvarer locomotory øyeblikk. Konvolutten av den gjennomsnittlige frekvens fordelingen for faktiske og modellerte bekrefter modellen samsvarer med dataene. Denne metoden kan tjene som en opprinnelig plan for Fourier-analyse for mange mikroskopiske arter, som hver microorganism har sin unike Fourier-spekteret.

Optisk eksperimentelle oppsettet vist i figur 1 gir studiet av mikroorganismer uten tilværelse tied å et fokalplanet. Juling signalet fra photodiode kan observeres i sanntid på skjermen som data er samlet inn. Uvanlige mønstre vises umiddelbart uten å analysere en video i detalj.
Eksempler på modellerte sekvensiell ormen bevegelse og tilsvarende Diffraksjon mønstre er vist i figur 2. Modellert Diffraksjon mønstrene kvalitativt ligne eksperimentell mønster1 og er en første indikasjon at simuleringene vellykket modell av Rundormer.
En eksempel timelige Diffraksjon signatur av to typer C. elegans studert her vises i Figur 3. Det kan sees kvalitativt at hver Rundormer utarbeide til ulike priser og amplituder. Noen av forskjellene kan kvantifiseres gjennom kurven utrustning som ble gjort i forrige publikasjonen1. Diskret Fourier transform, men avsløre flere detaljene om innebygde frekvenser:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56154/56154eq1.jpg">, (1)
hvor Fk er digital Fourier transform (FT) og fn er tidsavhengige rå Diffraksjon signalet med diskret tid er variabel n og diskret frekvens variabel k. N antall datapunkt. Gjennomsnittlig digital Fourier transform tillater Rundormer identifiseres av amplituden av sin Diffraksjon frekvensspekteret (Figur 4). Wild type spekteret er dominert av lavere frekvenser enn roller bevegelse spekteret.
En modell som tilnærmet vill-type versus roller C. elegans notatene vill-type gjete å thrash i en bølgelignende (figur W eller S) bevegelse (figur 2a) mens valsen tendens til å favorisere ene omtrent lik en oscillerende C-figur ( Figur 5). Dette gir noen forklaring på de ulike spektra. Valsen vil hovedsakelig danne en C til side mens W oscillation kan betraktes som to motstridende C bevegelser. Derfor er W bevegelse mer kompleks avsløre flere sekundære lave frekvenser enn C bevegelse. Dette resultatet er bekreftet i beregningsorientert modellen. W figuren har en mye høyere frekvens tetthet enn C formen (figur 6). Dette bekreftes i FFT i Figur 4 hvor roller frekvensene mer klynger mens ikke helt atskilt. Statistikk for valsen er skjev siden valsen kan gå tilbake til wild type bevegelse midlertidig.
Utjevnet makt spektra av roller type C. elegans viser en bred topp på ~1.5 Hz, mens svømming wild type C. elegans en flere spektrum (inkludert topper på ~1.0 Hz og 1,75 Hz). Photodiode (PD) har en begrenset størrelse spre over flere matrix elementer. Personlige matrix elementer eller poeng på Diffraksjon mønster varierer i intensitet siden konstruktive og destruktive forstyrrelser varierer; Likevel er frekvensene som intensiteten varierer den samme for alle matrise elementer, som kan ses i figur 7. Vurderer den tid deriverte Eq. 1, kan det ses at frekvensen svingningene ikke stole på fase matrisen men bare på det opprinnelige objektet svingninger:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56154/56154eq2.jpg">, (2).
Som PD sprer seg over flere matrix elementer, gjennomsnittlig peak plasseringene en konsekvent frekvens-profil. Noe variasjon kan forventes og gi hint om retningen av ormen. Frekvensfordeling endres som gangart ormen endringene. Dagens modell er en enkel modell som bare tillater for vurdering av topp steder i stedet for relativ topp høyder. Ulike locomotory mønstre vil gjennomsnittlig til forskjellige topp steder.

<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56154/56154fig1.jpg"> 
Figur 1. Eksperimentelle oppsett. Strømsparingsmodus laser strålen reiser gjennom Nøytralfilter, gjenspeiles av speil M1 ned gjennom cuvette som inneholder ormen på speilet M2, og reiser mot photodiode. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56154/56154fig1large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56154/56154fig2.jpg"> 
Figur 2. Sekvensiell ormen figurer og tilsvarende Diffraksjon mønstre. (en) noen velger sekvensiell binære avbildninger av modellerte W figur nematoder og (b) tilsvarende sekvensiell Diffraksjon mønstre. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56154/56154fig2large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56154/56154fig3.jpg"> 
Figur 3. Eksperimentell eksempel Diffraksjon signaturer. Diffraksjon signaturer samlet (en) OH7547 "roller" og (b) N2 wild type C. elegans bruke en enkelt photodiode i Diffraksjon mønsteret. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56154/56154fig3large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56154/56154fig4.jpg"> 
Figur 4. Eksperimentell gjennomsnitt makt spektra av Roller og Wild Type Fraunhofer Diffraksjon serien. Spectra showet frekvensene presentere i gjennomsnitt Fourier-transformere tidsserien spilte med photodiode. Filtere Gaussian av standardavvik 0.075 Hz, avkortet på 3 standardavvik, brukes til å jevne. Merk en bred spectral topp på ~1.5 Hz i utjevnet roller spektrum, sammenlignet med flere utjevnet vill-type spekteret (inkludert topper ~1.0 og 1.75 Hz). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56154/56154fig4large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56154/56154fig5.jpg"> 
Figur 5. Diffraksjon formasjon illustrasjon. Diffraksjon mønstre kan modelleres tenker på hver linjesegment som en uendeleg små rett linje (til venstre). Legge disse linjene (høyre) viser byggingen av langt-feltet Diffraksjon mønstre generert av en C formet Rundormer. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56154/56154fig5large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56154/56154fig6.jpg"> 
Figur 6. Simulert makt spektra av Roller og Wild Type Fraunhofer Diffraksjon serien. (en) C form og (b) W figur ormer med photodiode sentrert på matrix elements 200 (vertikal) og 175 (horisontal). W figuren viser en høyere tetthet av frekvenser grunn den mer komplekse bevegelse. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56154/56154fig6large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56154/56154fig7.jpg"> 
Figur 7. Simulert makt spektra av Roller og Wild Type Fraunhofer Diffraksjon serien på ulike Photodiode steder. (en) W figur-ormen og (b) C figur ormen for enkelt matrise elementer på ulike steder simulere ulike steder av photodiode. Topp høyder varierer for ulike steder; men forblir topp steder den samme for bestemte figurer. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56154/56154fig7large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Fourier-Based Diffraction Analysis of Live Caenorhabditis elegans at JoVE.com

Fourier-Based Diffraction Analysis of Live Caenorhabditis elegans

Denne oppgaven beskriver hvordan skille ulike nematoder bruker langt-feltet Diffraksjon signaturer. Vi sammenligne bevegelse av 139 wild type og 108 "Roller" C. elegans ved å beregne frekvensene knyttet til timelige Fraunhofer Diffraksjon signaturen på ett sted ved hjelp av en kontinuerlige bølgen laser.

Fourier-baserte Diffraksjon analyse av Live Caenorhabditis elegans

This manuscript describes how to classify nematodes using temporal far-field diffraction signatures. A single C. elegans is suspended in a water column ...

Research

JoVE Journal

Engineering

Fourier-Based Diffraction Analysis of Live Caenorhabditis elegans

Analysis of Contact Interfaces for Single GaN Nanowire Devices

Analyse av kontaktlinser grensesnitt for Single Gan nanowire Devices

Single GaN nanowire (NW) devices fabricated on SiO2 can exhibit  a strong degradation after annealing due to the  occurrence of void formation at the ...

Single Wavelength Shadow Imaging of Caenorhabditis elegans Locomotion Including Force Estimates

Single Wavelength Shadow Imaging of Caenorhabditis elegans Locomotion Including Force Estimates

Enkelt Wavelength Shadow Imaging av<em&gt; Caenorhabditis elegans</em&gt; Locomotion Inkludert Force Estimater

This study demonstrates an inexpensive and straightforward technique that allows the measurement of physical properties such as position, velocity, ...

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

In Situ Neutron Powder Diffraksjon Bruke Spesiallagde Lithium-ion batterier

Li-ion batteries are widely used in portable electronic devices and are considered as promising candidates for higher-energy applications such as electric ...

Failure Analysis of Batteries Using Synchrotron-based Hard X-ray Microtomography

Failure Analysis of Batteries Bruke Synchrotron baserte Hard X-ray microtomography

Imaging morphological changes that occur during the lifetime of rechargeable batteries is necessary to understand how these devices fail. Since the advent ...

Quantification of Hydrogen Concentrations in Surface and Interface Layers and Bulk Materials through Depth Profiling with Nuclear Reaction Analysis

Kvantifisering av hydrogen Konsentrasjonene i overflate og Interface Layers og bulk materialer gjennom Dybde Profilering med Nuclear Reaction Analysis

Nuclear reaction analysis (NRA) via the resonant 1H(15N,&#945;&#947;)12C reaction is a highly effective method of depth profiling that quantitatively and ...

Using Synchrotron Radiation Microtomography to Investigate Multi-scale Three-dimensional Microelectronic Packages

Bruke Synchrotron Radiation microtomography å etterforske Multi-skala Tredimensjonal Mikro Pakker

Synchrotron radiation micro-tomography (SR&#181;T) is a non-destructive three-dimensional (3D) imaging technique that offers high flux for fast data ...

Measuring Spray Droplet Size from Agricultural Nozzles Using Laser Diffraction

Måling Spray dråpestørrelse fra Landbruks Dyser Bruke Laser Diffraksjon

When making an application of any crop protection material such as an herbicide or pesticide, the applicator uses a variety of skills and information to ...

Characterization of Ultra-fine Grained and Nanocrystalline Materials Using Transmission Kikuchi Diffraction

Karakterisering av Ultra-finkornet og nanocrystalline materialer Bruke Sende Kikuchi Diffraksjon

One of the challenges in microstructure analysis nowadays resides in the reliable and accurate characterization of ultra-fine grained (UFG) and ...

Femtosecond Laser Filaments for Use in Sub-Diffraction-Limited Imaging and Remote Sensing

Femtosecond Laser filamenter for bruk i Sub-Diffraction-begrenset Imaging og fjernmåling

Probing remote matter with laser light is a ubiquitous technique used in circumstances as diverse as laser-induced breakdown spectroscopy and barcode ...