Name: Preparazione e 3D tracking di catalitici nuoto Devices (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-07-01T15:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 50 s
Description: Impara a preparare e tracciare in 3D i dispositivi catalitici nuotatori Janus utilizzando la microscopia a fluorescenza convenzionale. Questo metodo consente di studiare le risposte a gradienti chimici e campi gravitazionali.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Questo lavoro è stato supportato dalla sovvenzione EPSRC Career Acceleration EP/J002402/1.

ATTENZIONE: Si prega di consultare tutte le relative schede di sicurezza dei materiali prima dell&#39;utilizzo. Il perossido di idrogeno utilizzato in questo protocollo è dannoso, e l&#39;evoluzione di ossigeno gassoso quando esposto ad platino pone un rischio di esplosione. Utilizzare tutti i controlli di sicurezza appropriate durante questo protocollo tra cui i controlli tecnici, mentre la movimentazione soluzioni di perossido (cappa) e dispositivi di protezione individuale (occhiali, guanti e camice da laboratorio). 1. Rendere catalitica Janus Particelle <ol><li> Preparare substrato vetrino <ol><li> Pulire un vetrino da microscopio inutilizzato standard utilizzando il lavaggio sequenziale per alcuni minuti ciascuno in acqua deionizzata (DI), soluzione vetro decontaminazione e acqua deionizzata. Poi lavare con un 70:30 v: v miscela di etanolo: acqua deionizzata, e infine asciugare in un flusso di aria / azoto pulita. </li><li> Esaminare il vetrino sotto un microscopio per verificare che la superficie sia pulita e priva di segni di contaminazione particellare. Ripetere il punto 1.1.1, se necessario. </li></ol></li><li> Preparare dispersione colloidale per la deposizione <ol><li> Pipettare 10 ml di soluzione acquosa colloidale magazzino fluorescente (10% in peso.) In 990 ml di etanolo. Regolare volumi come richiesto a seconda della concentrazione della soluzione utilizzata per arrivare a circa lo 0,1% in peso della sospensione colloidale. </li><li> mix vortex per 10 secondi. </li></ol></li><li> Cappotto Spin dispersione colloidale sul substrato vetrino <ol><li> Dotare un dispositivo a induzione giro con il vetrino pulito. Riempire un puntale con 100 ml di soluzione colloidale diluita preparata in precedenza. Programma di spin coater per eseguire un 30 sec, 2.000 rpm ciclo. Avviare rotazione coater, e quando fino a velocità delle pipette continuo la soluzione preparata sul centro del vetrino filatura. </li><li> Rimuovere vetrino dal dispositivo a induzione giro, tornare al microscopio ottico e verificare che un ancora dispersione soprattutto non toccare colloidi separati copre la regione o centralef vetrino. </li></ol></li><li> Vacuum evaporare platino metallo sul colloide decorato vetrino <ol><li> Inserire il rivestito colloide vetrino in un evaporatore metallico. Assicurarsi che il colloide decorato lato sia rivolto verso la fonte di evaporazione. Installare una fonte di evaporazione di platino in metallo e depositare 15 nm di metallo platino. Nota: Dopo la deposizione di metallo, i campioni devono essere conservati in atmosfera inerte. </li></ol></li></ol> 2. &quot;nuotare&quot; Particelle Janus <ol><li> Risospendere Janus colloidi in una soluzione di perossido contenente <ol><li> Tagliare un quadrato di 1 x 1 cm di tessuto lenti, e smorzare alla fine con 10 ml di acqua deionizzata. Tenere con le pinzette, e strofinare delicatamente lungo la superficie della ricoperto platino colloidale decorato vetrino (questo passaggio rimuove fisicamente colloidi dal substrato). </li><li> Inserire il tessuto obiettivo in 1,5 ml di acqua deionizzata e agitare manualmente energicamente per 30 secondi in un tu sigillatoessere. Rimuovere il tessuto lente. </li><li> Pipettare 1 ml di colloide contenente soluzione in un nuovo contenitore, riempito con 1 ml di 30% w / v H 2 O 2 soluzione madre. Mescolare delicatamente le soluzioni, e poi posto in un bagno a ultrasuoni a temperatura ambiente per 5 minuti, seguito da un altro 25 min periodo di incubazione unstirred. ATTENZIONE: Questa soluzione può evolvere ossigeno; Non sigillare. </li><li> Secco 100 microlitri della soluzione colloidale acquosa restante SU UN microscopio elettronico a scansione (SEM) stub per consentire SEM verifica della struttura colloidale Janus. 14 </li></ol></li><li> Preparare analisi provetta <ol><li> Aggiungere un ulteriore 1 ml di acqua deionizzata alla soluzione incubate contenente perossido e platino rivestito colloidi ad arrivare ad una forza di combustibile idoneo (10%) per consentire la propulsione veloce. Nota: Le fasi di incubazione precedenti sono state effettuate in concentrazioni superiori a combustibile concentrazione per pulire la superficie del catalizzatore di platino. </li><li> Riempire un loVolume w cuvetta vetro al quarzo rettangolare con la soluzione incubata. Liberamente montare un tappo push-in. ATTENZIONE: rischio di esplosione - non utilizzare un tappo a vite. </li></ol></li></ol> 3. osservazione al microscopio <ol><li> Individuare particella di interesse <ol><li> Carico cuvetta in un microscopio a fluorescenza dotato di un obiettivo adatto (per esempio, 20X) ed eccitare emissione fluoroforo utilizzando una opportuna combinazione di filtri (eccitazione 450-490 nm, emissione&gt; 515 nm). </li><li> cercare manualmente colloidi fluorescenti all&#39;interno della provetta. Nota: Regolazione della densità colloide, pur mantenendo la concentrazione di perossido può essere richiesto. Ad esempio, la diluizione è consigliato se la densità colloidale è elevata, e numerose bolle di ossigeno producono flussi sono presenti. Una concentrazione del volume colloidale di circa il 0,003% è un punto di partenza consigliato. </li><li> Ottimizzare le impostazioni ottici per il monitoraggio 3D: in condizioni di illuminazione adeguate, in concentrarsi colloidi apparirà oggetti circolari come taglienti. Tuttavia, come propulsione sposta i colloidi in e fuori del piano focale una dimensione distintiva anello di cambio luminosa centrata intorno si osserverà la sfera, questo è usato per determinare la coordinata z per attivare tracking 3D. </li></ol></li><li> Registra video <ol><li> Prima di iniziare la cattura video, mettere a fuoco il microscopio in modo che la particella di interesse produce un anello concentrico, con la particella &quot;sotto&quot; la posizione del fuoco. Non spostare il piano di messa a fuoco durante la cattura video. </li><li> Registra video di particelle di interesse. Utilizzare il video durate 30 sec con frame rate superiori a 30 Hz di consentire la ricostruzione dettagliata traiettoria. </li></ol></li><li> Ricostruzione traiettoria 3D <ol><li> Calibrare asse z <ol><li> Portare un peso del 2%. soluzione gellano in acqua contenente una sospensione di particelle fluorescenti Janus a 60 ° C, posto in una cuvetta equivalentequello utilizzato in precedenza, e permettono di impostare in modo da formare un campione gel trasparente rigida contenente colloidi fisse assicurate. </li><li> Concentrarsi su un unico colloidale fissa utilizzando le stesse condizioni di illuminazione selezionati in precedenza, ora registrare una serie di immagini fisse come la Z-focus è sollevata dal spostamenti noti relativi a questo piano. </li><li> Determinare il raggio dell&#39;anello in ciascuna posizione del fuoco conosciuta 11. Nota: Questo è più efficiente eseguita utilizzando un algoritmo di analisi di immagine che può essere applicato come un processo batch per tutta la taratura ancora incornicia, e video. Un approccio tipico coinvolge levigatura dell&#39;immagine, soglia per identificare una posizione approssimativa del centro degli oggetti, e quindi posizionare i x effettivi e le coordinate y del centro dell&#39;anello misurando la distanza tra i picchi di intensità entrambi i lati dell&#39;anello. La distanza radiale medio ai picchi di intensità dal centro dell&#39;anello può essere trovata. 11 Ciò consente sia il raggio un anello luminosod coordinata da determinare con precisione sub-pixel xy. Posizionando il x, y, z posizione di una sfera Janus fissato gellano 30 micron dal piano focale, in una sequenza temporale di immagini, le particelle possono essere posizionati con un errore di ± 25 nm lungo ciascun asse. L&#39;errore può essere attribuito al rumore nelle immagini. Il rapporto segnale rumore e quindi la precisione degli algoritmi spilli dipende dalla intensità della luce di fluorescenza rilevata. Quando una sfera Janus è lontano dal piano focale sua intensità diventa troppo debole per monitorare con precisione che, ad esempio, per un diametro 4,8 micron colloid zo gamma di circa 200 micron è possibile. Un metodo non-algoritmico alternativa è quella di utilizzare semplice misurazione manuale di x, y centro e raggio, ma questo ridurrà la precisione. </li><li> Tracciare una curva di mettere in relazione la distanza di z-posizione, e si adattano ad una funzione appropriata (ad esempio, l&#39;equazione cubica) per consentire l&#39;interpolazione. 11 </li></ol></li> &lt;li&gt; Calibra x, l&#39;asse y <ol><li> Registrare un&#39;immagine al microscopio ottico di un reticolo calibrazione spaziale ancora inquadrare utilizzando le stesse condizioni microscopio scelti in 3.2. </li><li> Misurare la dimensione &quot;in pixel&quot; di un oggetto con note dimensione del mondo reale da l&#39;immagine del reticolo calibrazione spaziale e utilizzare questo per stabilire un pixel a fattore di conversione micron per la x, y piano dell&#39;immagine. </li></ol></li><li> ricostruire traiettoria <ol><li> Determinare le coordinate x e y e raggio per ogni fotogramma della sequenza video come descritto in 3.3.1.3, utilizzare la funzione si trovano in 3.3.1.4 per convertire raggio in z, e il fattore di calibrazione si trovano in 3.3.2.2 per convertire x e y pixel coordinate in micron. Questa procedura si tradurrà in un accurato x, y, z coordinate per la posizione particelle propulsivi come funzione del tempo. 11 Questa procedura può essere implementata utilizzando un algoritmo, o manualmente. </li><li> Determinare il p derivatoroperties come la velocità media di quantificare l&#39;entità del nuoto catalitica osservata. </li></ol></li></ol></li></ol>

<ol><li>Ebbens, S. J., Howse, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+pursuit+of+propulsion+at+the+nanoscale%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">In pursuit of propulsion at the nanoscale.</a> Soft Matter. 6 (4), 726(2010).</li>
<li>Wang, W., Duan, W., Ahmed, S., Mallouk, T. E., Sen, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Small+power+%3A+Autonomous+nano-+and+micromotors+propelled+by+self-generated+gradients%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Today%22%5BJournal%5D)">Small power : Autonomous nano- and micromotors propelled by self-generated gradients.</a> Nano Today. 8 (5), 531-554 (2013).</li>
<li>Gao, W., Dong, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Artificial+Micromotors+in+the+Mouse%27s+Stomach+%3A+A+Step+toward+in+Vivo+Use+of+Synthetic+Motors%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+nano%22%5BJournal%5D)">Artificial Micromotors in the Mouse's Stomach : A Step toward in Vivo Use of Synthetic Motors.</a> ACS nano. 9 (1), 117-123 (2015).</li>
<li>Restrepo-Pérez, L., Soler, L., Martìnez-Cisneros, C., Sánchez, S., Schmidt, O. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biofunctionalized+self-propelled+micromotors+as+an+alternative+on-chip+concentrating+system%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Biofunctionalized self-propelled micromotors as an alternative on-chip concentrating system.</a> Lab Chip. 14 (16), 2914-2917 (2014).</li>
<li>Soler, L., Sánchez, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Catalytic+nanomotors+for+environmental+monitoring+and+water+remediation%5BTitle%5D)+AND+%22Nanoscale%22%5BJournal%5D)">Catalytic nanomotors for environmental monitoring and water remediation.</a> Nanoscale. 6 (13), 7175-7182 (2014).</li>
<li>Howse, J., Jones, R., Ryan, A., Gough, T., Vafabakhsh, R., Golestanian, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-Motile+Colloidal+Particles%3A+From+Directed+Propulsion+to+Random+Walk%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Letts%22%5BJournal%5D)">Self-Motile Colloidal Particles: From Directed Propulsion to Random Walk.</a> Phys. Rev. Letts. 99 (4), 8-11 (2007).</li>
<li>Ebbens, S., Gregory, D. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrokinetic+effects+in+catalytic+platinum-insulator+Janus+swimmers%5BTitle%5D)+AND+%22EPL%22%5BJournal%5D)">Electrokinetic effects in catalytic platinum-insulator Janus swimmers.</a> EPL. 106 (5), 58003(2014).</li>
<li>Orozco, J., Jurado-Sánchez, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bubble-propelled+micromotors+for+enhanced+transport+of+passive+tracers%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Bubble-propelled micromotors for enhanced transport of passive tracers.</a> Langmuir. 30 (18), 5082-5087 (2014).</li>
<li>Peterson, S. D., Chuang, H. -S., Wereley, S. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+particle+tracking+using+micro-particle+image+velocimetry+hardware%5BTitle%5D)+AND+%22Meas.+Sci.+and+Technol%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional particle tracking using micro-particle image velocimetry hardware.</a> Meas. Sci. and Technol. 19 (11), 115406(2008).</li>
<li>Ten Hagen, B., Kümmel, F., Wittkowski, R., Takagi, D., Löwen, H., Bechinger, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gravitaxis+of+asymmetric+self-propelled+colloidal+particles%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Commun%22%5BJournal%5D)">Gravitaxis of asymmetric self-propelled colloidal particles.</a> Nat. Commun. 5, 4829(2014).</li>
<li>Campbell, A. I., Ebbens, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gravitaxis+in+spherical+janus+swimming+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Gravitaxis in spherical janus swimming devices.</a> Langmuir. 29 (46), 14066-14073 (2013).</li>
<li>Ebbens, S., Tu, M. -H., Howse, J. R., Golestanian, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Size+dependence+of+the+propulsion+velocity+for+catalytic+Janus-sphere+swimmers%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review.+E+Stat.+Nonlin.+Soft+Matter+Phys%22%5BJournal%5D)">Size dependence of the propulsion velocity for catalytic Janus-sphere swimmers.</a> Physical Review. E Stat. Nonlin. Soft Matter Phys. 85, Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22463141 020401(2012).</li>
<li>Ebbens, S. J., Howse, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+observation+of+the+direction+of+motion+for+spherical+catalytic+swimmers%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Direct observation of the direction of motion for spherical catalytic swimmers.</a> Langmuir. 27 (20), 12293-12296 (2011).</li>
<li>Archer, R. J., Campbell, aI., Ebbens, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Glancing+angle+metal+evaporation+synthesis+of+catalytic+swimming+Janus+colloids+with+well+defined+angular+velocity%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Glancing angle metal evaporation synthesis of catalytic swimming Janus colloids with well defined angular velocity.</a> Soft Matter. 11, 6872-6880 (2015).</li>
<li>Zhao, G., Sanchez, S., Schmidt, O. G., Pumera, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Poisoning+of+bubble+propelled+catalytic+micromotors%3A+the+chemical+environment+matters%5BTitle%5D)+AND+%22Nanoscale%22%5BJournal%5D)">Poisoning of bubble propelled catalytic micromotors: the chemical environment matters.</a> Nanoscale. 5 (7), 2909-2914 (2013).</li>
<li>Wang, Y., Hernandez, R. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bipolar+electrochemical+mechanism+for+the+propulsion+of+catalytic+nanomotors+in+hydrogen+peroxide+solutions%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Bipolar electrochemical mechanism for the propulsion of catalytic nanomotors in hydrogen peroxide solutions.</a> Langmuir. 22 (25), 10451-10456 (2006).</li>
<li>Dunderdale, G., Ebbens, S., Fairclough, P., Howse, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Importance+of+particle+tracking+and+calculating+the+mean-squared+displacement+in+distinguishing+nanopropulsion+from+other+processes%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Importance of particle tracking and calculating the mean-squared displacement in distinguishing nanopropulsion from other processes.</a> Langmuir. 28 (30), 10997-11006 (2012).</li>
</ol>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Molte variabili nel protocollo di preparazione per il platino particelle Janus influenzeranno le traiettorie osservati. I parametri descritti utilizzando 2 micron le particelle di diametro darà velocità di propulsione nell&#39;ordine dei 10 micron al secondo. Se si utilizzano particelle più piccole, le velocità aumenteranno, mentre aumenta la dimensione delle particelle diminuisce la velocità di propulsione. 12 I dettagli del protocollo di evaporazione anche alterare le traiettorie osservati. In questo protocollo corrente, si consiglia una distribuzione sparsa di colloidi, insieme con l&#39;evaporazione di metallo normale per l&#39;orientamento diapositiva. Queste condizioni determinano strutture Janus simmetriche come mostrato nella Figura 2, che portano a traiettorie lineari nei limiti di diffusione rotazionale browniano. 13 Al contrario, se colloidi stretto sacco sono soggette a guardando deposizione angolo, quindi la simmetria del tappo Janus può essere rotto , per indurre filatura comportamento. 14 Il paRTICOLI prodotte qui mostrano il movimento relativamente isotropa nelle tre dimensioni; tuttavia, se sono utilizzati rivestimenti di platino più spesso, o particelle più grandi, un alto pregiudizi o gravitaxis possono essere impartiti. 11 Dettagli della memorizzazione dei colloidi Janus dopo la produzione può anche influenzare la velocità di nuoto osservati. La superficie di platino pulita alta energia superficiale che emerge dalla fase di evaporazione è suscettibile di superficie contaminazione per esempio da idrocarburi, in particolare tioli. 15 Inoltre, le proprietà della soluzione in cui i colloidi Janus vengono risospese sono fondamentali per osservare la propulsione. Basse concentrazioni di perossido provocheranno velocità più lente, come il tasso del moto reazione di decomposizione produrre riduce. 6 Inoltre, basse concentrazioni di sali si tradurrà in una drastica riduzione della velocità di propulsione. 7 Una caratteristica fondamentale dei colloidi prodotte qui è la loro negalleggiamento utral, che li rende adatti per il monitoraggio 3D. In generale, il settore dei dispositivi di nuoto ha prestato poca attenzione agli effetti 3D, in parte a causa di alcuni esempi importanti di essere in metalli densi, inducendoli a rapidamente dei sedimenti, 16, ma anche a causa delle difficoltà e costi connessi con fare le misurazioni necessarie. esistono evidenti svantaggi per alcuni stabiliti metodi di monitoraggio 3D per questi colloidi rapido movimento, ad esempio, la scansione microscopia confocale laser può mancare la risoluzione temporale di registrare un numero sufficiente di immagini per risolvere traiettorie. In questo contesto, il metodo presentiamo qui ha il notevole vantaggio di richiedere solo un singolo frame, per poter valutare coordinata z, che permette conseguentemente elevati frame rate. Inoltre, come coordinata z ricostruzione basa solo sulla relativa contrasto del colloide fuori fuoco in singoli fotogrammi, piuttosto che l&#39;intensità di fluorescenza assoluta, è resistente alla tempra e effetti lampeggiantinel fluoroforo. Questi vantaggi sono possibili a spese di ridotta profondità di campo sul quale è possibile ricostruzione traiettoria 3D, e la necessità di colloidi non sovrapposti ben separati. Speriamo che descrive il protocollo permetterà di altri gruppi di ricerca con un interesse nel comportamento 3D per i loro dispositivi di nuoto di accedere a queste informazioni semplicemente e con un alto grado di precisione. È chiaro che ampliando la comprensione di questi dispositivi a 3D aprirà una gamma significativa di fenomeni futuri interessanti e applicazioni. I lettori interessati a ulteriori informazioni di analisi traiettoria sono diretti verso riferimento 17 che descrive manufatti comuni dei sistemi propulsivi e come garantire una quantificazione precisa delle velocità di propulsione.

Dispositivi di nuoto catalitici sono di piccole dimensioni, i colloidi untethered in grado di generare autonomamente movimento in ambienti fluidici. 1,2 Questi dispositivi stanno attirando un notevole interesse di ricerca in quanto hanno il potenziale per abilitare nuove interessanti funzioni come la somministrazione di farmaci, 3 laboratorio su un chip di trasporti 4 e risanamento ambientale. 5 un esempio ampiamente studiati sono catalitico nuotatori &quot;Janus&quot;. 6 Queste particelle prendono il nome di avere due lati distinti, o facce (Janus è un due di fronte dio romano). Un lato è cataliticamente attiva e in grado di eseguire una reazione di decomposizione, mentre l&#39;altro è inerte. In presenza di opportuni molecole di combustibile disciolte, la reazione chimica asimmetrica risultante crea gradienti intorno colloidi che possono produrre movimento tramite auto-diffusiophoresis / elettroforesi. 7 Che caratterizza la proposta di questi oggetti in rapido movimento è cha<html> llenging e molte osservazioni sperimentali fino ad oggi sono stati limitati a 2D. Tuttavia, eventuali applicazioni sono suscettibili di sfruttare catalitico dispositivi di nuoto capacità di muoversi in tutta soluzioni rinfusa in 3D. 8 Per risolvere questo problema, qui si descrive un protocollo che consente traiettorie 3D accurati per i dispositivi di nuoto da determinare. Questo metodo si basa sulla interpretazione delle strutture ad anello prodotte da su colloidi fluorescenti fuoco osservate con un obiettivo a fuoco fisso, 9 ed è facile da applicare con microscopi non modificate convenzionali. Descrivendo chiaramente questo metodo qui, altri ricercatori in questo campo potranno beneficiare grazie alla possibilità di accedere a tali informazioni in 3D. Ciò aiuterà intuizioni future in caratteristiche di movimento per i dispositivi di nuoto. La prova di questo potenziale è dato dalla recente relazione di dispositivi di nuoto essere diretto dalla forza di gravità, 10,11 comportamento che può essere più facilmente visualizzabile attraverso l&#39;applicazione di tracking 3D. 11 ove_content &quot;&gt; Questo documento inoltre documenta chiaramente un metodo per la fabbricazione di dispositivi di nuoto di particelle catalitiche Janus, che sarà di ulteriore beneficio di standardizzare i metodi attraverso i gruppi di ricerca esistenti che studiano questi dispositivi, e inoltre guidare nuovi ricercatori interessati a fare e indagare i dispositivi di nuoto.

<table><tbody><tr><td>Evaporatore</td><td>Moorfield (Regno Unito)</td><td></td><td>Minilab 80 evaporatore a fascio elettronico</td></tr><tr><td>Microscopio</td><td>Nikon</td><td></td><td>Eclipse LV100</td></tr><tr><td>Sorgente luminosa a fluorescenza</td><td>Nikon Nikon</td><td></td><td>B2A cubo filtrante</td></tr><tr><td>Obiettivo</td><td>Nikon</td><td></td><td>20X, 0,45 NA</td></tr><tr><td>Cuvetta</td><td>Hellma</td><td></td><td>quarzo fuso, 40 x 10 x 1 mm</td></tr><tr><td>Miscelatore a vortice</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>Modello WS-400BZ-6NPP/Lite</td></tr><tr><td>Bagno ad ultrasuoni</td><td>Eumax</td><td></td><td>2 litri</td></tr><tr><td>Tessuto per lenti</td><td>Whatman</td><td>2105 841</td><td></td></tr><tr><td>Perossido di idrogeno</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>31642-1L</td><td>30% in peso</td></tr> <tr><td>Platino</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>267171</td><td>0,25 mm, 99,99%</td></tr> <tr><td>Colloidi</td><td>Thermo Scientific</td><td></td><td>Fluoro-Max PS microsfere, d = 1,9&nbsp; micron Soluzione</td></tr> di <tr><td>decontaminazione in vetro</td><td>Fisher Scientific</td><td>D/0025/15</td><td>Decon 90</td></tr><tr><td>Etanolo</td><td>Fisher Scientific</td><td>E/0600DF/17</td><td>Absolute Ethanol</td></tr><tr><td>DI acqua deionizzata</td><td>Elga</td><td></td><td>Purelab Option sistema di filtrazione (15 MW)</td></tr><tr><td>Gomma di gellano</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>P8169-100G</td><td>"Phytagel"</td></tr></tbody></table>

preparazione e 3d tracking di catalitici nuoto devices

Preparation and 3D Tracking of Catalytic Swimming Devices

Riportiamo un metodo per preparare colloidi Janus cataliticamente attivi che "nuotano" nei fluidi e descriviamo come determinare il loro movimento 3D utilizzando la microscopia a fluorescenza. Un metodo comunemente impiegato per i colloidi cataliticamente attivi per produrre un movimento potenziato è attraverso una distribuzione asimmetrica del catalizzatore. Qui ciò si ottiene rivestendo uno strato disperso di colloidi polimerici fluorescenti su un substrato planare piatto, e quindi utilizzando la deposizione direzionale di vapore di platino per rivestire a metà la superficie colloidale esposta, creando una struttura "Giano" a due facce. I colloidi di Giano vengono quindi risospesi dal substrato planare in una soluzione acquosa contenente perossido di idrogeno. Il perossido di idrogeno funge da combustibile per il catalizzatore di platino, che viene decomposto in acqua e ossigeno, ma solo su un lato del colloide. L'asimmetria si traduce in gradienti che producono un movimento migliorato, o "nuoto". Un microscopio a fluorescenza, insieme a una videocamera, viene utilizzato per registrare il movimento dei singoli colloidi. Il centro dell'emissione fluorescente viene trovato utilizzando l'analisi dell'immagine per fornire una coordinata x e y per ogni fotogramma del video. Mantenendo fissa la posizione focale del microscopio, l'emissione di fluorescenza dal colloide produce un caratteristico schema ad anello concentrico che è soggetto ad analisi dell'immagine per determinare la posizione z relativa delle particelle. In questo modo si ottengono traiettorie 3D per il colloide che nuota, consentendo di misurare con precisione la velocità di nuoto e fenomeni fisici come la gravitassi, che possono influenzare il movimento dei colloidi da rilevare.

La figura 1 mostra una dispersione tipica di colloidi su un vetrino di vetro pulito prima di depositare il platino. La figura 2 mostra un&#39;immagine SEM di una tipica retrodiffusa per mezzo di platino rivestito Janus nuotatore, in questa modalità di imaging regione ricoperto platino produce contrasto luminoso. Il platino strato emisferica desiderato è evidente. La Figura 3 mostra l&#39;aspetto di un tipico fluorescenti Janus nuotatore in condizioni ottimali di illuminazione fissati in gellano. Il nuotatore appare come una funzione di suoneria simmetrica, ed è il raggio dell&#39;anello che può essere utilizzato per determinare la posizione z del relativo colloidale alla posizione del fuoco. Figura 4 mostra rappresentativi sezioni per la distribuzione di intensità della luminosità radiale è usato in combinazione con algoritmi di analisi dell&#39;immagine per localizzare con precisione il centro e il raggio apparente del colloide. Figura 5 </stron<html> g&gt; contiene una curva di calibrazione ottenuta utilizzando un campione colloidale fissa e un microscopio fase Z-traduzione calibrato di mettere in relazione apparente dimensione colloidale e la distanza dalla posizione di messa a fuoco. Questa curva è montata ad una funzione cubica, che viene utilizzato per convertire raggio apparente nella coordinata z. Infine, la figura 6 mostra una tipica x, y, z traiettoria di fluorescenza Janus nuotatore particelle. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig1.jpg" /> Figura 1. immagine ottica di 1,9 micron di diametro microsfere di polistirolo. Le microsfere sono dispersi su un vetrino puliti prima deposizione di platino. Barra della scala rappresenta 40 micron. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> es / ftp_upload / 54247 / 54247fig2.jpg &quot;/&gt; Figura 2. immagine backscatter SEM di un 1,9 micron di diametro microsfere di polistirolo. Le microsfere sono mostrati dopo la deposizione di platino. Barra della scala rappresenta il 2 micron. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig3.jpg" /> Figura 3. immagini di calibrazione di 4,8 micron di diametro fluorescente sfera polistirolo fissato gellano registrato utilizzando un obiettivo 20X (0,4 NA). Le distanze sotto ogni immagine indica la distanza del piano focale dell&#39;obiettivo sopra della sfera. Poiché l&#39;immagine viene defocalizzato da 0 micron a 200 micron l&#39;immagine a fuoco di un brillante disco passa un anello luminoso, il cui raggio dipende ingrandimento, la sphere dimensioni e la sua distanza dal piano focale. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig3large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig4.jpg" /> Figura 4. X, y, z procedura particle tracking. Una serie di algoritmi auto-scritta è utilizzato per individuare primo centro (x, y) dell&#39;anello luminoso estraendo una serie di linee verticali e orizzontali e trovare la media metà punto tra i picchi luminosi (a). Il raggio anello viene quindi calcolato dal picco di intensità di una spline montato il grigio-valori dei pixel media si irradiano dal centro dell&#39;anello (b). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig4large.jpg" target="_blank">Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> Figura 5. coordinata Z grafico di calibrazione per le sfere Janus ottenuti misurando il raggio luminoso anello di sfere fissati in gellano (vedi figure 3 e 4). La tabella di calibrazione viene utilizzato dai nostri algoritmi per convertire il raggio dell&#39;anello misurata ad un z- coordinare. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig5large.jpg" target="_blank">clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig6.jpg" /> Figura 6. Una traiettoria di un tipico dispositivo fluorescente Janus sfera nuoto. Una sequenza di immagini del dispositivo di nuoto movimento è stato registrato su un periodo di 30 secondi ad un frame rate di 33 Hz. L&#39;(x, y, z) coordinate della traiettoria sono stati ottenuti posizionando il centro anello luminoso (Fifigura 4 (a)) e confrontando il raggio dell&#39;anello misurato al grafico di taratura per ciascuna immagine nella sequenza (figure 4 (b), e 5). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig6large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a>

Viene presentato un metodo per preparare colloidi Janus cataliticamente attivi in grado di "nuotare" nei fluidi e determinare le loro traiettorie 3D.

Preparazione e 3D tracking di catalitici nuoto 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 ...

L'obiettivo generale di questo esperimento è misurare la traiettoria 3D di un dispositivo natante catalitico. Questa tecnica può contribuire a spiegare diverse fenomeni relativi ai dispositivi natanti, come il modo in cui rispondono ai gradienti chimici e ai campi gravitazionali mentre si muovono in soluzioni volt. Un vantaggio fondamentale di questa tecnica è che può essere applicata utilizzando qualsiasi microscopio a fluorescenza convenzionale.Questa tecnica sarà dimostrata dal mio studente di dottorato, Richard Archer. Per questo protocollo, preparare le lamelle di vetro come descritto nel testo. Successivamente, preparare la dispersione colloidale per il deposito sulla lamella.Prima, pipettare dieci microlitri di soluzione acquosa di colloide fluorescente al 10% in peso in 990 microlitri di etanolo per ottenere una sospensione colloidale di un millilitro al 0,1% in peso. Successivamente, vortexare il miscuglio per dieci secondi. Quindi, depositare per centrifuga il dispersione colloidale sul substrato di vetrino preparato.Prepararsi a caricare 100 microlitri della soluzione colloidale diluita sul vetrino. Una volta raggiunti i 2000 giri al minuto, depositare gradualmente la sospensione al centro del vetrino. Centrifugare per 30 secondi a partire dall'inizio del deposito.Trasferire il vetrino rivestito su un microscopio ottico e verificare che una dispersione uniforme di colloidi separati, per lo più non a contatto tra loro, copra la regione centrale del vetrino. Successivamente, evaporare sotto vuoto del metallo platino sul vetrino in un evaporatore metallico. Accertarsi di posizionare il vetrino con i colloidi rivolti verso la sorgente di evaporazione.Utilizzare una sorgente di evaporazione in platino e depositare 15 nanometri di platino sul vetrino. Dopo l'applicazione del metallo, conservare il vetrino sotto un'atmosfera inerte. In questo modo si completa la fabbricazione delle particelle Janus di riserva.Il primo passo consiste nel sospendere le particelle di Janus in soluzione. Per fare ciò, preparare un quadrato di tessuto per lenti di un centimetro per un centimetro e inumidire l'estremità con dieci microlitri di acqua deionizzata. Successivamente, tenendo la carta con una pinzetta, strofinare delicatamente la parte bagnata lungo la superficie della lamellina di vetro rivestita di platino e decorata con colloidi.Successivamente, immergere il tessuto della lente in un tubo contenente 1,5 millilitri di acqua deionizzata. Chiudere il tubo con il tappo e agitarlo manualmente per 30 secondi. Quindi, rimuovere il tessuto della lente e pipettare un millilitro dell'acqua, ora contenente colloidi, in un tubicino piccolo con un millilitro di soluzione di perossido di idrogeno al 30% peso/volume.Mescolare delicatamente le soluzioni. Successivamente, trasferire il tubo in un bagno ultrasonico a temperatura ambiente. Il contenitore non deve essere sigillato, poiché l'ossigeno potrebbe dover fuoriuscire.Dopo cinque minuti di sonificazione, lasciare incubare la miscela per 25 minuti a temperatura ambiente senza alcun agitazione. Nel frattempo, essiccare 100 microlitri della soluzione colloidale acquosa rimanente e documentarla mediante microscopio elettronico a scansione per verificare la struttura del colloide Janus. Successivamente, aggiungere un millilitro di acqua deionizzata ai due millilitri di soluzione per ridurre la concentrazione di perossido di idrogeno al dieci percento, una concentrazione di combustibile adatta per la propulsione rapida dei colloidi Janus.Successivamente, riempire una cuvetta rettangolare in vetro di quarzo a basso volume con la soluzione preparata e fissare in modo approssimativo un tappo a pressione in modo che la soluzione possa aerarsi. A questo punto, inserire la cuvetta in un microscopio a fluorescenza seguendo le indicazioni del protocollo testuale. Prima di iniziare la registrazione video, mettere rapidamente a fuoco il microscopio in modo che la particella di interesse produca un anello concentrico con la particella nella posizione di fuoco.Non spostare il piano di messa a fuoco durante la cattura del video. Una volta individuata la particella di interesse, registrarla con video della durata di 30 secondi a 30 fotogrammi al secondo. Circa 20 video provenienti da un singolo esperimento forniranno dettagli sufficienti per la ricostruzione delle traiettorie, descritta nel protocollo testuale.I colloidi sono stati depositati su un vetrino pulito. Prima del deposito del platino, la dispersione di microsfere di polistirene sulla superficie del vetrino è stata osservata utilizzando un microscopio ottico. La barra della scala è di 40 micron.Dopo l'aggiunta del platino, è stata acquisita un'immagine al microscopio elettronico a scansione per confermare lo strato emisferico di platino desiderato. La barra della scala è di due micron. I nuotatori Janus fluorescenti erano chiaramente visibili quando fissati nella gellan gomma, mostrando una struttura ad anello simmetrico in condizioni di sfocatura ottimale.Il raggio dell'anello è stato utilizzato per determinare la posizione Z relativa del colloide. I centri del colloide sono stati calcolati estraendo una serie di linee verticali e orizzontali e individuando il punto medio tra i picchi luminosi. Successivamente, i raggi degli anelli sono stati calcolati a partire dall'intensità di picco della spline adattata ai valori medi dei pixel delle onde che si irradiano dal centro dell'anello.È stata quindi creata una curva di calibrazione utilizzando un campione colloidale fisso e un microscopio calibrato, al fine di correlare la dimensione apparente delle particelle colloidali alla distanza dalla posizione a fuoco. In questo modo, la traiettoria tridimensionale di un nuotatore costituito da una particella Janus fluorescente è stata ottenuta dai dati. Dopo aver osservato questo esperimento, ora si dovrebbe essere in grado di tracciare dispositivi nuotatori in tre dimensioni utilizzando un microscopio a fluorescenza convenzionale.Questo metodo è stato utilizzato da ricercatori per esplorare fenomeni come la gravitassi. Questo esperimento prevede l'uso di perossido di idrogeno, un prodotto chimico pericoloso, particolarmente rischioso quando combinato con dispositivi nuotatori catalitici a causa dello sviluppo di grandi quantità di gas ossigeno. Pertanto, in queste fasi, è importante che il contenitore non sia sigillato ermeticamente.

preparation-and-3d-tracking-of-catalytic-swimming-devices

Research

Ricerca

JoVE Journal

Engineering

Ingegneria

La vita della maggior parte dei pesci si basano sul nuoto. Questo protocollo descrive le tecniche per la cattura di una gamma di nuoto modalità disponibili per singoli pesci e la scolarizzazione, e comprende le metriche associate nuoto con la fisiologia e del comportamento.

La valutazione delle prestazioni nuoto in Pesci

Viene descritto l'uso di un sistema video automatico 3D in grado di tracciare singoli e gruppi di pesci zebra. Come esempio applicativo esploriamo gli effetti dell'antagonista del recettore NMDA MK-801 sui banchi di zebrafish.

Utilizzo di un sistema di tracciamento 3D automatizzato per registrare singoli e banchi di pesci zebra adulti

Descriviamo un insieme di tecniche per studiare il comportamento spontaneo di nuotare liberamente pesci debolmente elettrica per un periodo prolungato di tempo, in modo sincrono i misurando temporizzazione di scarico organo elettrico dell'animale, la posizione del corpo e la postura sia preciso e affidabile in un acquario appositamente progettato all'interno di un sensoriale camera di isolamento.

A lungo termine comportamentale inseguimento di Liberamente Nuoto debolmente elettrico Pesce

Utilizziamo la stampa 3D per fabbricare particelle anisotrope a forma di martinetti, croci, tetradi e triadi, i cui allineamenti e rotazioni nel flusso turbolento di fluidi possono essere misurati da più immagini video simultanee.

Metodi per misurare l&#39;orientamento e rotazione Tasso di particelle in turbolenza 3D-stampati

I pesci zebra sono un modello eccellente per studiare la funzione muscolare e le malattie. Durante l'embriogenesi precoce, il pesce zebra inizia contrazioni muscolari regolari producendo un comportamento ritmico di nuoto, che viene alterato quando il muscolo viene interrotto. Qui descriviamo una risposta evocata al tatto e un saggio di locomozione per esaminare le prestazioni di nuoto come misura della funzione muscolare.

Utilizzando risposta al tocco evocata e di locomozione saggi per valutare le prestazioni e sulla funzione muscolare in Zebrafish

In questo studio a due parti, è stato sviluppato un attuatore biologico usando cantilevers altamente flessibili di polidimetilsilossano (PDMS) e cellule muscolari viventi (cardiomiociti), e caratterizzato. L'attuatore biologico è stato incorporato con una base di materiali PDMS modificati per costruire un biorobot di nuoto auto-stabilizzante.

Azionatore a base cardiaca basata sul muscolo e bioroboto auto-stabilizzante - PARTE 1

Questo dettagli del protocollo la costruzione e il funzionamento di un microscopio di rilevamento in tempo reale 3D singola particella capace di rilevamento su scala nanometrica fluorescente sonde ad alta velocità diffusiva e tassi di conteggio basso del fotone.

Un protocollo per il monitoraggio in tempo reale 3D singola particella

Qui presentiamo un protocollo per monitorare individualmente gli animali per un lungo periodo di tempo. Usa visione artificiale metodi per identificare un set di tag manualmente costruito utilizzando un gruppo di aragoste come caso di studio, fornendo al contempo informazioni su come a casa, manipolare e contrassegno le aragoste.

A lungo termine dei Video rilevamento di Cohoused animali acquatici: un caso di studio dell'attività locomotrice quotidiana di scampi (Nephrops norvegicus)

Presentato qui è un protocollo per raccogliere e analizzare la cinematica tridimensionale della locomozione quadrupede nei roditori per studi preclinici.

3D Kinematic Gait Analysis for Preclinical Studies in Rodents

Presentiamo un protocollo per la caratterizzazione della motilità e del comportamento di una popolazione di cellule da cento micron a millimetri utilizzando la microscopia a campo luminoso e il tracciamento cellulare. Questo test rivela che Stentor coeruleus passa attraverso quattro fasi comportamentalmente distinte quando si rigenera un apparato orale perso.

Analisi dei modelli di motilità dello stentor durante e dopo la rigenerazione dell'apparato orale utilizzando il monitoraggio cellulare

I tessuti cardiaci tridimensionali bioingegnerizzati utilizzando cardiomiociti derivati da cellule staminali sono emersi come modelli promettenti per lo studio in vitro del miocardio umano sano e malato, ricapitolando gli aspetti chiave della nicchia cardiaca nativa. Questo manoscritto descrive un protocollo per la fabbricazione e l'analisi di tessuti cardiaci ingegnerizzati ad alto contenuto generati da cardiomiociti derivati da cellule staminali pluripotenti indotte umane.

Progettazione di un bioreattore per migliorare l'acquisizione dei dati e modellare la produttività dei tessuti cardiaci ingegnerizzati

Impara a preparare e tracciare in 3D i dispositivi catalitici nuotatori Janus utilizzando la microscopia a fluorescenza convenzionale. Questo metodo consente di studiare le risposte a gradienti chimici e campi gravitazionali.

Preparazione e 3D tracking di catalitici nuoto Devices

Esplora altri video