Name: Voorbereiding en 3D-tracking van Catalytic Zwemmen Devices (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-07-01T15:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 50 s
Description: Leer de 3D-trajecten van katalytische Janus-colloïden meten met fluorescentiemicroscopie. Deze methode maakt het mogelijk om zwemmende deeltjes in drie dimensies te volgen en hun reactie op chemische gradiënten te bestuderen.

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

Dit werk werd ondersteund door EPSRC Career Acceleration grant EP/J002402/1.

LET OP: Raadpleeg alle relevante veiligheidsinformatiebladen voor gebruik. Waterstofperoxide in dit protocol schadelijk en de ontwikkeling van zuurstofgas bij blootstelling aan platina vormt explosiegevaar. Gebruik de nodige controles op de veiligheid tijdens dit protocol met inbegrip van de technische controles tijdens het hanteren van peroxide-oplossingen (zuurkast) en persoonlijke beschermingsmiddelen (veiligheidsbril, handschoenen en een laboratoriumjas). 1. Het maken van Catalytic Janus Deeltjes <ol><li> Bereid glasplaatje substraat <ol><li> Reinig een ongebruikte standaard microscoopglaasje met behulp van sequentiële wassen voor een paar minuten elk in gedeïoniseerd (DI) water, glas decontaminatie-oplossing en DI water. Daarna wassen met een 70:30 v: v mengsel van ethanol: DI-water, en tenslotte föhnen in een schone lucht / stikstof stroom. </li><li> Bestudeer het glaasje onder een microscoop om te controleren of het oppervlak schoon en vrij van bewijs van de deeltjes vervuiling. Herhaal stap 1.1.1 indien nodig. </li></ol></li><li> Bereid colloïdale suspensie voor depositie <ol><li> Pipetteer 10 ul waterige voorraadoplossing fluorescerende colloïde-oplossing (10% gew.) In 990 ui ethanol. Pas volumes zoals vereist afhankelijk van de voorraad oplossing gebruikte concentratie bij ongeveer 0,1% gew colloïdale suspensie komen. </li><li> Vortex mix voor 10 sec. </li></ol></li><li> Spin coat colloïdale dispersie op glasplaatje substraat <ol><li> Voorzie een spin coater met de schone glasplaatje. Vul een pipetpunt met 100 gl van de verdunde colloïdale oplossing hierboven bereide. Programma spin coater om een ​​30 sec, 2000 rpm cyclus uit te voeren. Start spin coater, en wanneer op snelheid continu pipet de bereide oplossing op het midden van de draaiende glasplaatje. </li><li> Verwijder glasplaatje uit de spin coater, terug te keren naar de optische microscoop en controleer of een gelijkmatige spreiding van voornamelijk niet-aanraken aparte colloïden heeft betrekking op de centrale regio of het glaasje. </li></ol></li><li> Vacuüm verdampen platina metaal op colloïdale ingericht glasplaatje <ol><li> Steek de colloïdale gecoat glas dia in een metalen verdamper. Zorg ervoor dat de colloïdale versierde kant wordt geconfronteerd met de verdamping bron. Installeer een platina metaal verdamping bron en stort 15 nm platina metaal. Opmerking: Na metaalafzetting, moeten de monsters onder een inerte atmosfeer opgeslagen. </li></ol></li></ol> 2. &quot;Zwemmen&quot; Janus Deeltjes <ol><li> Resuspendeer Janus colloïden in een peroxide bevattende oplossing <ol><li> Snijd een 1 x 1 cm in het vierkant van de lens weefsel, en dempen het uiteinde met 10 ul van DI water. Houden met een pincet en wrijf langs het oppervlak van de platina beklede colloïdale ingericht glasplaatje (deze stap verwijdert fysiek colloïden van het substraat). </li><li> Plaats de lens weefsel in 1,5 ml DI-water en met de hand schud gedurende 30 seconden in een afgesloten tuworden. Verwijder lens weefsel. </li><li> Pipetteer 1 ml van de colloïde oplossing in een nieuwe container, gevuld met 1 ml 30% w / v H 2 O 2 voorraadoplossing. Meng de oplossing, en plaats in een ultrasoon bad bij kamertemperatuur gedurende 5 minuten, gevolgd door nog 25 minuten geroerde incubatieperiode. LET OP: Deze oplossing kan zuurstof evolueren; niet af te dichten. </li><li> Droge 100 gl van de resterende waterige colloïdale oplossing op een scanning elektronenmicroscoop (SEM) SEM stub verificatie van de Janus colloïde structuur mogelijk. 14 </li></ol></li><li> Bereid analyse kuvet <ol><li> Een extra 1 ml DI water aan de geïncubeerde oplossing van peroxide en platina beklede colloïden te komen tot een geschikte brandstof sterkte (10%) om snelle aandrijving mogelijk. Opmerking: De incubatie fasen voorafgaand werden in hogere concentraties concentratie brandstof naar de platina katalysator oppervlak schoon uitgevoerd. </li><li> Vul een low volume rechthoekige kwartsglas cuvet met de oplossing geïncubeerd. Losjes een push-in de dop. LET OP: Explosie gevaar - hebben een schroefdop niet gebruiken. </li></ol></li></ol> 3. Microscopische Observation <ol><li> Zoek deeltje van belang <ol><li> Laad cuvet in een fluorescentiemicroscoop uitgerust met een geschikt objectief (bijvoorbeeld 20X) en prikkelen fluorofoor emissie onder toepassing van een geschikte combinatie van filters (excitatie 450-490 nm, emissie&gt; 515 nm). </li><li> Handmatig zoeken naar fluorescerende colloïden binnen de cuvette. Opmerking: Het aanpassen colloid dichtheid terwijl de peroxideconcentratie nodig zijn. Zo wordt verdunning aanbevolen om een ​​colloïdale dichtheid hoog en talrijke zuurstofbellen produceren stromen aanwezig zijn. Een colloïde volumeconcentratie van ongeveer 0,003% is een aanbevolen uitgangspunt. </li><li> Optimaliseer optische instellingen voor 3D-tracking: onder geschikte omstandigheden verlichting, in richten colloïden zal zo scherp ronde objecten lijken. Aangezien aandrijving beweegt de colloïden in en uit het brandvlak een kenmerkende maat veranderende heldere ring rond de bol wordt geconstateerd, wordt toegepast om de X-coördinaat 3D-tracking mogelijk. </li></ol></li><li> Video opnemen <ol><li> Voordat u begint met video-opname, de focus van de microscoop, zodat het deeltje van de rente een concentrische ring, met het deeltje &quot;onder&quot; de focus positie. Laat de focus vliegtuig niet bewegen tijdens het filmen. </li><li> Video&#39;s opnemen van de deeltjes van belang. Gebruik 30 sec video looptijden met frame rates van meer dan 30 Hz tot gedetailleerde traject wederopbouw mogelijk te maken. </li></ol></li><li> 3D traject reconstructie <ol><li> Kalibreer z-as <ol><li> Verzin een 2% gew. gellangom oplossing in water dat een suspensie van fluorescerende Janusdeeltjes bij 60 ° C, plaats in een cuvet gelijk aandat bovenstaande gebruikte, en laat ingesteld op een stijve transparante gegeleerde monster met een vaste statische colloïden te vormen. </li><li> Focus op een enkele vaste colloïde met behulp van dezelfde verlichting bovenstaande voorwaarden geselecteerd, nu neemt u een reeks foto&#39;s als de z-focus wordt verhoogd door middel van bekende verplaatsingen ten opzichte van dit vlak. </li><li> Bepaal de straal van de ring op elke bekende focuspositie 11. Opmerking: Dit is het meest efficiënt uitgevoerd met behulp van een beeldanalyse algoritme dat als een ladingsgewijze werkwijze kan worden toegepast op alle kalibratie stilstaande beelden en video&#39;s. Een typische benadering omvat het effenen van de afbeelding drempelwaarde om een ​​globale midden van de objecten te identificeren, lokaliseren en vervolgens het werkelijke x- en y-coördinaten van het centrum ring door de afstand tussen intensiteitspieken weerszijden van de ring. De gemiddelde radiale afstand tot de intensiteit van de pieken ring centrum kan dan worden gevonden. 11 Hierdoor kunnen zowel de straal van de heldere ringd de xy coördinaat te bepalen met een nauwkeurigheid sub-pixel. Door het lokaliseren van de x, y, z positie van een in gellangom 30 urn vastgesteld bij het brandvlak Janus gebied, in een tijdreeks van afbeeldingen, kunnen deeltjes bevinden met een afwijking van ± 25 nm langs elke as. De fout kan worden toegeschreven aan ruis in de beelden. De signaal-ruisverhouding en derhalve de nauwkeurigheid van de locatie algoritmen is afhankelijk van de intensiteit van de gedetecteerde fluorescentie licht. Wanneer een bol Janus ver van het brandpuntsvlak de intensiteit te zwak om nauwkeurig traceren zijn, bijvoorbeeld voor een 4,8 urn diameter colloïd een z-bereik van ongeveer 200 urn mogelijk. Een alternatieve niet-algoritmische methode is om eenvoudige handmatige meting van x, y middelpunt en de straal te gebruiken, maar dit zal de nauwkeurigheid verminderen. </li><li> Teken de ijkcurve om straal tot z-positie betrekking hebben, en passen om een passende functie (bijvoorbeeld kubieke vergelijking) interpolatie mogelijk te maken. 11 </li></ol></li> &lt;li&gt; Calibrate x, y-as <ol><li> Neem een ​​stilstaand microscoop beeld van een ruimtelijke kalibratie raster optische frame met behulp van dezelfde microscoop voorwaarden gekozen 3.2. </li><li> Meet de &quot;in pixels&quot; afmeting van een object met een bekende echte wereld grootte van het beeld van de ruimtelijke kalibratie raster en dit gebruiken om een ​​pixels te micron omrekeningsfactor vast te stellen voor de x, y beeldvlak. </li></ol></li><li> reconstrueren traject <ol><li> Bepaal de x- en y-coördinaten en straal voor elk frame van de video sequentie zoals beschreven in 3.3.1.3, gebruikt de functie in 3.3.1.4 tot radius zetten in z, en de kalibratiefactor in 3.3.2.2 tot x en y converteren pixelcoördinaten in microns. Deze procedure leidt tot een nauwkeurige x, y, z coördinaat van de voortstuwende deeltjes locatie als functie van de tijd. 11 Deze procedure kan handmatig worden uitgevoerd met behulp van een algoritme, of. </li><li> Bepaal de afgeleide pigenschappen zoals de gemiddelde snelheid in de mate van waargenomen katalytische zwemmen kwantificeren. </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>

De auteurs hebben niets te onthullen.

Vele variabelen in de voorbereiding protocol voor platina Janus deeltjes zal invloed hebben op de waargenomen trajecten. De parameters beschreven middels 2 urn diameter deeltjes voortstuwing snelheden in de orde van 10 pm per seconde geven. Als kleinere deeltjes worden gebruikt, zal snelheden te verhogen, terwijl het verhogen deeltjesgrootte voortstuwing snelheid afnemen. 12 De details van de verdamping-protocol heeft de trajecten waargenomen wijzigen. In deze huidige protocol, is een schaars verdeling van colloïden aanbevolen, samen met metalen verdamping normaal aan de dia oriëntatie. Deze omstandigheden leiden tot symmetrische Janus structuren zoals getoond in figuur 2, die tot lineaire trajecten binnen de grenzen van Brownse rotatiediffusie. 13 Indien daarentegen strak verpakt colloïden zijn onder hoekdepositie, kan vervolgens de symmetrie van de Janus dop verbroken , induceren spinnen gedrag. 14 De partikelen hier geproduceerd worden weergegeven relatief isotroop beweging in alle drie de dimensies; maar als dikkere coatings platina of grotere deeltjes worden gebruikt, kan een opwaartse voorspanning of gravitaxis worden verleend. 11 Details van de opslag van de Janus colloïden na bereiding kan tevens als een hoge snelheid waargenomen. De hoge oppervlakte-energie schoon platina oppervlak die uit de verdampingsstap gevoelig voor verontreiniging oppervlakte van bijvoorbeeld koolwaterstoffen, met name thiolen. 15 Bovendien, de oplossingseigenschappen waarbij de Janus colloïden geresuspendeerd cruciaal zijn voor het waarnemen voortstuwing. Lage concentraties peroxide leidt tot langzamere snelheden, zoals de snelheid van de ontledingsreactie producerende beweging vermindert. 6 Daarnaast lage zoutconcentraties leidt tot een drastische vermindering van voortstuwing snelheid. 7 Een belangrijk kenmerk van de colloïden die hier geproduceerd is hun neutral drijfvermogen, waardoor ze geschikt zijn voor 3D-tracking maakt. In het algemeen het gebied van het zwemmen apparaten is weinig aandacht besteed aan 3D effecten, mede door enkele prominente voorbeelden wordt gemaakt van dichte metalen, waardoor ze snel sediment, 16 maar ook door de moeilijkheden en kosten in verband met het maken van de gewenste metingen. Duidelijke nadelen enige gevestigde 3D trackingmethoden aanwezig voor deze snel bewegende colloïden, bijvoorbeeld, kan confocale scanning laser microscopie de tijdresolutie naar mogelijkheden om afbeeldingen te lossen trajecten nemen ontbreken. In dit verband is de werkwijze hier geïntroduceerde heeft als belangrijk voordeel dat slechts die een enkel frame te schatten van z-coördinaat die dientengevolge maakt hoge framesnelheden mogelijk. Ook, als z-coördinaat reconstructie alleen afhankelijk van de relatieve contrast van het colloïde out-of-focus in afzonderlijke frames, in plaats van de absolute fluorescentie-intensiteit, is bestand tegen afschrikken en knipperende effectenin het fluorofoor. Deze voordelen zijn mogelijk ten koste van een verminderde scherptediepte waarover bal 3D reconstructie mogelijk, en het vereiste van goed gescheiden niet-overlappende colloïden. We hopen dat het beschrijven van het protocol andere onderzoeksgroepen zal toestaan ​​met een interesse in 3D gedrag van hun zwemmen apparaten toegang tot deze informatie onomwonden en met een hoge mate van precisie. Het is duidelijk dat het uitbreiden van de kennis van deze apparaten 3D opent een aanzienlijke reeks interessante toekomstige verschijnselen en toepassingen. Lezers die geïnteresseerd zijn in de verdere details van de baan analyse zijn gericht Reference 17 die gemeenschappelijk artefacten in voortstuwende systemen en hoe ze accurate kwantificering van de voortstuwing snelheden te garanderen wordt beschreven.

Katalytische zwemmen apparaten zijn kleinschalig, ongebonden colloïden in staat om zelfstandig te genereren beweging in vloeibare omgevingen. 1,2 Deze apparaten zijn belangrijk onderzoek belangstelling trekken omdat ze de potentie hebben om opwindende nieuwe functies zoals drug delivery, 3 lab-on a chip transport mogelijk te maken 4 en herstel van het milieu. 5 een uitgebreid bestudeerd zijn bijvoorbeeld katalytische &quot;Janus&quot; zwemmers. 6 Deze deeltjes krijgen hun naam van het hebben van twee verschillende kanten, of gezichten (Janus is een twee geconfronteerd Romeinse god). Één kant katalytisch actief en in staat om een ​​ontledingsreactie uitgevoerd, terwijl de ander inert. In aanwezigheid van geschikte opgeloste brandstofmolecules, de resulterende asymmetrische chemische reactie creëert gradiënten rond de colloïden waarin beweging via eigen diffusiophoresis / elektroforese kan produceren. 7 Karakteriseren van de motie van deze snel bewegende objecten is cha<html> llenging en vele experimentele observaties tot nu toe beperkt tot 2D. Echter, eventuele toepassingen zijn waarschijnlijk te exploiteren katalytische zwemmen apparaten vermogen om te bewegen de hele bulk oplossingen in 3D. 8 Om dit aan te pakken, hier beschrijven we een protocol dat nauwkeurige 3D-trajecten voor het zwemmen apparaten te bepalen mogelijk maakt. Deze methode is gebaseerd op de interpretatie van de ringstructuren door onscherp fluorescente colloïden waargenomen met een vast doel richten, 9 en gemakkelijk aan te brengen met conventionele ongemodificeerde microscopen. Door een duidelijke beschrijving van deze methode hier, zullen andere onderzoekers op dit gebied te profiteren door de mogelijkheid om toegang te krijgen tot dergelijke 3D-informatie. Dit zal de toekomstige inzichten helpen in beweging kenmerken om te zwemmen apparaten. Bewijs van dit potentieel wordt gegeven door het recente rapport van het zwemmen apparaten die worden geleid door de zwaartekracht, 10,11 gedragingen die het gemakkelijkst kunnen worden gevisualiseerd door de toepassing van 3D-tracking. 11 ove_content &quot;&gt; Deze paper documenteert ook duidelijk een methode om katalytische Janus deeltjes zwemmen apparaten, die van de ander voordeel zal zijn om de methoden over de bestaande onderzoeksgroepen onderzoek naar deze apparaten te standaardiseren, en bovendien begeleiden nieuwe onderzoekers die geïnteresseerd zijn in het maken van en het onderzoek naar zwemmen apparatuur te vervaardigen.

<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>Fluorescentie lichtbron</td><td>Nikon</td><td></td><td>Nikon B2A filter cube</td></tr><tr><td>Objectief</td><td>Nikon</td><td></td><td>20X, 0.45 NA</td></tr><tr><td>Cuvet</td><td>Hellma</td><td></td><td>gesmolten kwarts, 40 x 10 x 1 mm</td></tr><tr><td>Vortexmixer</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>Ultrasoon bad</td><td>Eumax</td><td></td><td>2 liter</td></tr><tr><td>Doekjes</td><td>Whatman</td><td>2105 841</td><td></td></tr><tr><td>Waterstofperoxide</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>Colloïden</td><td>Thermo Scientific</td><td></td><td>Fluoro-Max PS microsferen, d = 1.9&nbsp;microns</td></tr><tr><td>Glas ontsmettingsoplossing</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 filtratiesysteem (15 MW)</td></tr><tr><td>Gellan gom</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>P8169-100G</td><td>"Phytagel"</td></tr></tbody></table>

voorbereiding en 3d-tracking van catalytic zwemmen devices

Preparation and 3D Tracking of Catalytic Swimming Devices

We beschrijven een methode om katalytisch actieve Janus-colloïden te bereiden die "zwemmen" in vloeistoffen en beschrijven hoe hun 3D-beweging kan worden bepaald met behulp van fluorescentiemicroscopie. Een veel gebruikte methode voor katalytisch actieve colloïden om verbeterde beweging te produceren, is via een asymmetrische verdeling van katalysator. Hier wordt dit bereikt door een verspreide laag van fluorescente polymere colloïden door middel van spincoating op een vlakke, platte ondergrond aan te brengen, en vervolgens directioneel platinadampdeposition te gebruiken om de blootgestelde colloïdoppervlakte half te coaten, waardoor een "Janus"-structuur met twee gezichten ontstaat. De Janus-colloïden worden vervolgens opnieuw gesuspendeerd van de vlakke ondergrond in een waterige oplossing die waterstofperoxide bevat. Waterstofperoxide dient als brandstof voor de platinakatalysator, die wordt ontbonden in water en zuurstof, maar slechts aan één kant van het colloïd. De asymmetrie resulteert in gradiënten die verbeterde beweging, of "zwemmen", produceren. Een fluorescentiemicroscoop, samen met een videocamera, wordt gebruikt om de beweging van individuele colloïden vast te leggen. Het centrum van de fluorescentie-emissie wordt gevonden met behulp van beeldanalyse om een x- en y-coördinaat te bieden voor elke frame van de video. Terwijl de focale positie van de microscoop vast blijft, produceert de fluorescentie-emissie van het colloïd een karakteristiek concentrisch ringpatroon dat onderhevig is aan beeldanalyse om de relatieve z-positie van de deeltjes te bepalen. Op deze manier worden 3D-banen voor het zwemmende colloïd verkregen, waardoor de zwemsnelheid nauwkeurig kan worden gemeten en fysische fenomenen zoals gravitaxis, die de beweging van de colloïden kunnen beïnvloeden, kunnen worden gedetecteerd.

Figuur 1 toont een typische dispersie van colloïden op een schoon glasplaatje voorafgaand aan afzetten platina. Figuur 2 toont een typisch beeld teruggekaatst SEM voor een half platinacoating Janus zwemmer volgens deze beeldvormende modus de platinacoating regio produceert licht contrast. De gewenste halfbolvormige platinalaag blijkt. Figuur 3 toont de weergave van een typische fluorescerende Janus zwemmers onder optimale in gellangom vaste verlichtingsomstandigheden. De zwemmer verschijnt als een symmetrische ring functie, en is de straal van de ring die kan worden gebruikt om de z-positie van de colloïde ten opzichte van de focuspositie te bepalen. Figuur 4 toont representatieve doorsneden voor de radiale helderheid intensiteitsverdeling die wordt gebruikt in combinatie met beeldanalyse algoritmen nauwkeurig lokaliseren het centrum en schijnbare straal van het colloïde. Figuur 5 </stron<html> g&gt; bevat een kalibratiecurve verkregen met een vaste colloïdale monster en een gekalibreerde microscoop z-vertaling podium te verhouden schijnbare colloïdale grootte en afstand van de focus positie. Deze curve is bevestigd aan een kubische functie, die wordt gebruikt om zichtbare straal zetten in z-coördinaat. Tenslotte toont figuur 6 een typisch x, y, z traject voor een fluorescerend deeltje Janus zwemmer. <img alt="Figuur 1" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig1.jpg" /> Figuur 1. Optisch beeld van 1,9 micrometer diameter polystyreen microsferen. Microsferen worden verspreid op een gereinigde glasplaatje voor Platinum depositie. Schaal bar vertegenwoordigt 40 micrometer. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig1large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> es / ftp_upload / 54247 / 54247fig2.jpg &quot;/&gt; Figuur 2. SEM beeld van een 1,9 micrometer diameter polystyreen microsferen backscatter. Microsferen getoond na platina afzetting. Schaal balk geeft 2 micrometer. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig2large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> <img alt="figuur 3" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig3.jpg" /> Figuur 3. Kalibratie beelden van een 4,8 urn diameter fluorescerende polystyreen gellangom opgenomen met een 20X objectief (0,4 NA) vaste bol. De afstanden onder elke afbeelding geven de afstand van het brandvlak van het objectief boven de sfeer. Aangezien het beeld onscherp 0 urn tot 200 urn het in focus beeld van een heldere veranderingen schijf een heldere ring van de straal van die afhankelijk is vergroot, de kobae omvang en de afstand tot de focal plane. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig3large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> <img alt="figuur 4" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig4.jpg" /> Figuur 4. X, y, z deeltje volgprocedure. Een reeks zelf geschreven algoritmen gebruikt om eerst het gewenste (x, y) midden van de heldere ring door het extraheren van een reeks verticale en horizontale lijnen en het vinden van het gemiddelde mid- tussen het heldere pieken (a). De straal ring wordt dan berekend uit de piek intensiteit van een spline gemonteerd op de gemiddelde pixel grijs-waarden straalt uit de ring centrum (b). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig4large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> Figuur 5. Z-coordinaat insteltabel Janus bolletjes verkregen door meting van de heldere ring radius van gebieden in gellangom vastgesteld (zie figuren 3 en 4). De kalibratiekaart wordt door onze algoritmen om de gemeten ring radius converteren naar een z coördineren. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig5large.jpg" target="_blank">klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> <img alt="figuur 6" src="/files/ftp_upload/54247/54247fig6.jpg" /> Figuur 6. Een baan van een typische fluorescerende Janus bol zwemmen inrichting. Een reeks van beelden van de bewegende zwemmen inrichting werd gedurende een periode van 30 sec bij een beeldsnelheid van 33 Hz. De (x, y, z) coördinaten van het traject werden verkregen door het heldere ring het centrum (Figuur 4 (a)) en het vergelijken van de gemeten ring straal om de kalibratie grafiek voor elk beeld in de reeks (figuren 4 (b) en 5). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54247/54247fig6large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>

Een methode om katalytisch actieve Janus-colloïden te bereiden die in vloeistoffen kunnen 'zwemmen' en hun 3D-trajecten kunnen bepalen, wordt gepresenteerd.

Voorbereiding en 3D-tracking van Catalytic Zwemmen 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 ...

Het hoofddoel van dit experiment is om de 3D-trajectorie van een katalytisch zwemmend apparaat te meten. Deze techniek kan helpen bij het verklaren van diverse fenomenen voor zwemmende apparaten, zoals de manier waarop ze reageren op chemische gradiënten en zwaartekrachtvelden terwijl ze bewegen in vloeibare oplossingen. Een belangrijk voordeel van deze techniek is dat deze kan worden toegepast met elke conventionele fluorescentiemicroscoop.Deze techniek zal worden gedemonstreerd door mijn promovendus, Richard Archer. Bereid voor dit protocol glazen objectglaasjes voor zoals beschreven in de tekst. Bereid vervolgens de colloïdale dispersie voor om deze op het objectglas aan te brengen.Pipetteer eerst tien µL van een waterige fluorescerende colloïde oplossing van 10% gewichtsprocent in 990 µL ethanol voor een colloïdale suspensie van één mL met 0,1% gewichtsprocent. Vortex vervolgens het mengsel tien seconden lang. Spin-coat daarna de colloïdale dispersie op het voorbereide glazen objectglas-substraat.Bereid 100 microliter van de verdunde colloïdale oplossing voor om op het objectglas aan te brengen. Zodra een snelheid van 2000 rpm is bereikt, wordt de suspensie geleidelijk op het midden van het objectglas gedeponeerd. Centrifugeer gedurende 30 seconden vanaf het begin van de depositie.Plaats het gecoate glazen objectglas onder een optische microscoop en controleer of een gelijkmatige verspreiding van grotendeels niet-raakvlakkende, afzonderlijke colloïden het centrale deel van het objectglas bedekt. Verdamp vervolgens platina metaal in een metaalverdamper op het glazen objectglas. Zorg ervoor dat het objectglas zo wordt geplaatst dat de colloïden naar de verdampingsbron zijn gericht.Gebruik een platinametalen verdampingsbron en breng 15 nanometer platina aan op het objectglas. Bewaar het objectglas na het aanbrengen van het metaal onder een inerte atmosfeer. Hiermee is de fabricage van de Janus-voorraadpartikels voltooid.De eerste stap is het suspenderen van de Janus-deeltjes in een oplossing. Hiervoor bereidt u een vierkant van 1 bij 1 centimeter lensweefsel voor en bevochtigt u het uiteinde hiervan met 10 µL DI-water. Wrijf vervolgens, terwijl u het papier met een pincet vasthoudt, het bevochtigde gedeelte voorzichtig over het oppervlak van de met platina-gecoate colloïden gedecoreerde glasplaat.Dompel vervolgens het lensweefsel onder in een buisje met 1,5 milliliters DI-water. Sluit het buisje en schud dit handmatig gedurende 30 seconden. Verwijder daarna het lensweefsel en pipetteer één milliliter van het water, dat nu colloïden bevat, in een klein buisje met één milliliter 30% gewicht per volume waterstofperoxide-oplossing.Meng de oplossingen voorzichtig. Plaats de buis vervolgens in een ultrasoonbad op kamertemperatuur. De houder mag niet worden afgesloten, omdat er mogelijk zuurstof moet ontsnappen.Laat het mengsel na vijf minuten sonicatie 25 minuten incuberen bij kamertemperatuur zonder agitatie. Droog ondertussen 100 µL van de resterende waterige colloïdale oplossing en documenteer deze met een scanning-elektronenmicroscoop om de Janus-colloïde-structuur te verifiëren. Voeg vervolgens één mL DI-water toe aan de twee mL oplossing om de concentratie waterstofperoxide te verlagen tot tien procent, wat een geschikte brandstofsterkte is voor een snelle voortstuwing van de Janus-colloïden.Vul vervolgens een rechthoekige kwartskuvet met een laag volume met de bereide oplossing en plaats een push-in dop losjes, zodat de oplossing kan ademen. Plaats de kuvet nu in een fluorescentiemicroscoop zoals beschreven in het tekstprotocol. Voordat u begint met de video-opname, stelt u de microscoop snel scherp zodat het betreffende deeltje een concentrische ring vormt met het deeltje onder de focuspositie.Verplaats het focusvlak niet tijdens de videocaptuur. Zodra het betreffende deeltje is gevonden, wordt dit opgenomen in video's van 30 seconden met 30 frames per seconde. Ongeveer 20 video's van één experiment bieden voldoende detail voor de trajectreconstructie, zoals beschreven in het tekstprotocol.Colloïden werden op een schone glazen objectglasplaat aangebracht. Voorafgaand aan het aanbrengen van het platina werd de dispersie van polystyreen-microsferen op het oppervlak van de plaat waargenomen met een optische microscoop. De schaalbalk is 40 microns.Nadat platina was toegevoegd, werd er een SEM-afbeelding gemaakt om de gewenste hemisferische platinalaag te bevestigen. De schaalbalk staat op twee microns. Fluorescerende Janus-zwemmers waren duidelijk zichtbaar wanneer ze werden gefixeerd in Gellan-gom; onder optimaal gedefocusseerde condities vertoonden zij een symmetrische ringstructuur.De straal van de ring werd gebruikt om de relatieve Z-positie van het colloïde te bepalen. De centra van het colloïde werden berekend door een reeks verticale en horizontale lijnen te extraheren en het gemiddelde middenpunt tussen de heldere pieken te bepalen. Vervolgens werden de ringstralen berekend op basis van de piekintensiteit van de spline die werd gefit op de gemiddelde pixelgolfwaarden die vanuit het centrum van de ring uitstraalden.Vervolgens werd een kalibratiecurve gemaakt met een vast colloïdaal monster en een gekalibreerde microscoop om de schijnbare colloïdale grootte te relateren aan de afstand vanaf de focuspositie. Op basis van deze gegevens is zo de driedimensionale baan van een fluorescerend Janus-deeltje bepaald. Na het bekijken van dit experiment zou u in staat moeten zijn om zwemmende apparaten in drie dimensies te volgen met behulp van een conventionele fluorescentiemicroscoop.Deze methode is door onderzoekers gebruikt om fenomenen zoals gravitaxis te onderzoeken. Bij dit experiment wordt waterstofperoxide gebruikt, wat een gevaarlijke chemische stof is; dit is bijzonder riskant in combinatie met de katalytische zwemapparaten vanwege de hevige vorming van zuurstofgas. Daarom is het tijdens deze fasen belangrijk dat de container niet luchtdicht is afgesloten.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Techniek

Het leven van de meerderheid van de vis zijn gebaseerd op zwemmen. Dit protocol beschrijft technieken voor het vastleggen van een reeks van zwemmen modi beschikbaar voor individuele en scholen vissen, en bevat statistieken in verband met zwemmen fysiologie en gedrag.

Zwemmen Performance Assessment in Vissen

Het gebruik van een 3D automatisch videosysteem dat individuele en groepen zebravissen kan volgen, wordt beschreven. Als toepassingsvoorbeeld onderzoeken we de effecten van de NMDA-receptorantagonist MK-801 op scholen zebravissen.

Een geautomatiseerd 3D-trackingsysteem gebruiken om individuele vissen en groepen volwassen zebravissen te registreren

We beschrijven een set van technieken voor het bestuderen van spontaan gedrag van vrij zwemmen zwak elektrische vissen over een langere periode van tijd, door synchroon meten van elektrische orgel ontlading timing van het dier, lichaamshouding en houding zowel nauwkeurig en betrouwbaar in een speciaal ontworpen aquarium tank in een zintuiglijke isolatiekamer.

Langdurige Behavioral Tracking van Vrij Zwemmen Zwak Electric Fish

We gebruiken 3D-printen om anisotrope deeltjes in de vormen van kegelkappen, kruisen, tetraden en triaden te fabriceren, waarvan de uitlijningen en rotaties in turbulente vloeistofstroming kunnen worden gemeten vanuit meerdere gelijktijdige videobeelden.

Methoden voor het meten van de oriëntatie en de draaisnelheid van de 3D-gedrukte Deeltjes in Turbulence

Zebravissen zijn een uitstekend model om spierfunctie en ziekte te bestuderen. Tijdens de vroege embryogenese beginnen zebravissen met regelmatige spiercontracties die een ritmisch zwemgedrag produceren, dat verandert wanneer de spier wordt verstoord. Hier beschrijven we een door aanraking veroorzaakte reactie en een locatiemeting om zwemprestaties te onderzoeken als maatstaf voor spierfunctie.

Met behulp van Touch-opgeroepen Response en Locomotion Testen om Muscle Prestaties en functie in zebravis Assess

In deze tweedelige studie werd een biologische actuator ontwikkeld met behulp van zeer flexibele polydimethylsiloxaan (PDMS) cantilevers en levende spiercellen (cardiomyocyten) en gekenmerkt. De biologische actuator werd geïntegreerd met een basis gemaakt van gemodificeerde PDMS materialen om een ​​zelfstabiliserende, zwemmende biorobot te bouwen.

Cardiac Spier-Cell Based Actuator en Zelfstabiliserende Biorobot - DEEL 1

Deze gegevens van het protocol, de bouw en de exploitatie van een real-time 3D één deeltje tracking Microscoop staat tracking nanoschaal fluorescerende probes hoge diffusive snelheden en lage foton graaf tarieven.

Een Protocol voor Real-time 3D één deeltje Tracking

Hier presenteren we een protocol om de dieren individueel te volgen gedurende een lange periode van tijd. Het maakt gebruik van computervisie methoden voor het identificeren van een reeks tags die handmatig gebouwd met behulp van een groep van kreeften als case-studie, tegelijkertijd het verstrekken van informatie over het huis, manipuleren en markeer de kreeften.

Op lange termijn Video-Tracking van Cohoused waterdieren: een Case studie van de dagelijkse motorische activiteit van de langoustines (Nephrops norvegicus)

Hier is een protocol voor het verzamelen en analyseren van driedimensionale kinematica van quadrupedal motoriek bij knaagdieren voor preklinische studies.

3D kinematische Gait-analyse voor preklinische studies bij knaagdieren

We presenteren een protocol voor de karakterisering van beweeglijkheid en gedrag van een populatie van honderd micron- tot millimetergrote cellen met behulp van brightfield-microscopie en celtracking. Deze test onthult dat Stentor coeruleus door vier gedragsmatig verschillende fasen gaat bij het regenereren van een verloren oraal apparaat.

Analyse van motiliteitspatronen van stentor tijdens en na orale apparaatregeneratie met behulp van celtracking

Driedimensionale hartweefsels die bio-engineered zijn met behulp van van stamcellen afgeleide cardiomyocyten zijn naar voren gekomen als veelbelovende modellen voor het bestuderen van gezond en ziek menselijk myocardium in vitro , terwijl ze de belangrijkste aspecten van de inheemse cardiale niche recapituleren. Dit manuscript beschrijft een protocol voor het vervaardigen en analyseren van gemanipuleerde hartweefsels met een hoog gehalte die zijn gegenereerd uit door de mens geïnduceerde...

Ontwerp van een bioreactor om de data-acquisitie en modeldoorvoer van gemanipuleerde hartweefsels te verbeteren

Leer de 3D-trajecten van katalytische Janus-colloïden meten met fluorescentiemicroscopie. Deze methode maakt het mogelijk om zwemmende deeltjes in drie dimensies te volgen en hun reactie op chemische gradiënten te bestuderen.

Voorbereiding en 3D-tracking van Catalytic Zwemmen Devices

Meer video's verkennen