Analyse af Bevægelse af Nauplius '<em> Artemia salina</em> 'Ved optisk sporing af plasmoniske Nanopartikler
Summary
Vi bruger optisk sporing af plasmoniske nanopartikler til at sondere og karakterisere de frekvens bevægelser vandorganismer.
Abstract
Vi viser, hvordan optiske pincet kan give en følsom redskab til at analysere de strømningstekniske vibrationer frembragt ved bevægelsen af små vandlevende organismer. En enkelt guld nanopartikel holdes af en optisk pincet bruges som en sensor til at kvantificere den rytmiske bevægelse af en Nauplius larve (Artemia salina) i en vandprøve. Dette opnås ved at overvåge den tidsafhængige forskydning af fanget nanopartikel som følge af Nauplius aktivitet. En Fourier analyse af nanopartikel position giver derefter et frekvensspektrum, der er karakteristisk for bevægelsen af de observerede arter. Dette eksperiment demonstrerer evnen af denne fremgangsmåde til at måle og karakterisere aktiviteten af små akvatiske larver uden kravet om at observere dem direkte, og for at få oplysninger om placeringen af larverne med hensyn til fanget partikel. Samlet set kan denne fremgangsmåde giver et indblik i den vitalitet af visse arter fundet i et akvatisk ecosystem og kunne udvide rækken af traditionelle metoder til analyse af vandprøver.
Introduction
Vurdering vandkvaliteten baseret på kemiske og biologiske indikatorer er af afgørende betydning for at få indsigt i de statslige og miljømæssige forhold af en akvatisk økosystem 1-3. Klassiske metoder til kemisk analyse af vand er baseret på organoleptiske egenskaber eller bestemmelse af fysisk-kemiske parametre. Biologiske indikatorer, på den anden side, er dyrearter, hvis tilstedeværelse og levedygtighed give indsigt om de miljømæssige forhold og effekten af forurenende stoffer, for et økosystem, som de opstår i. Typiske eksempler på bioindikatorer er vandlopper en gruppe af små vand krebsdyr, der kan findes i næsten enhver vand levested 4,5. Observere aktivitet og levedygtighed af disse arter fra en vandprøve kan således anvendes til at indhente oplysninger om de generelle betingelser for et økosystem 5.. Larverne af vandlopper som kaldes Nauplii bruge rytmiske slag af deres antenner (hver larve har tre par appendaGES på deres hoved-regionen) at svømme i vand 6. Hyppigheden og intensiteten af disse slag er dermed en direkte indikator for alder, fitness og miljømæssige vilkår for dyret 7-10. Eventuelle undersøgelser på disse prøver er som regel færdig med et mikroskop ved at observere og tælle antenne strøg i Nauplii direkte. På grund af deres størrelse (~ 100-500 um) 11, det kræver ofte at gøre målingerne enten enkeltvis eller at fastsætte en enkelt Nauplius til et substrat.
Her demonstrerer vi en ny tilgang til at observere aktiviteten af vandlopper larver i vandprøver ved hjælp af en optisk fanget guld nanopartikel som en ultra-følsom detektor. Optisk pincet anvendes typisk af mange grupper som et fint eksperimentel værktøj til at anvende eller måle kræfter mellem molekyler ned til piconewton området 12-14. For nylig er den vifte af applikationer til optiske pincet blevet udvidet til at observere akustiske vibrationer og løsent udsving i flydende medier ved at overvåge bevægelsen af nano-og mikropartikler, der er indespærret i en optisk fælde 15. Partikler, der er nedsænket i en væske udsættes for Brownsk bevægelse. Inde i en optisk fælde, men denne bevægelse delvist dæmpet af en stærk, laserinduceret gradient kraft. Derfor kan stivheden af optiske fælde og lokalisering af partiklen i fokus laserstrålen tunet af lasereffekten. Samtidig er det muligt at afsløre karakteristika om indfangning potentiale og analysere interaktioner mellem molekyler med partiklen ved at overvåge den tidsafhængige partikel bevægelse i fælden. Denne fremgangsmåde gør det muligt at afhente frekvens, intensitet og retning af den fluide bevægelse, der er genereret af et bevægeligt objekt i flydende miljø. Vi viser, hvordan kan anvendes denne generelle idé at få et frekvensspektrum af bevægelse af en individuel Nauplius uden kravettil direkte forstyrre prøven. Denne eksperimenterende tilgang introducerer et nyt generelt koncept til observation af den bevægelige opførsel af akvatiske eksemplarer i en meget følsom måde. For bemærkninger om bioindicator arter, kan dette udvide den nuværende metode til vandanalyse og kunne anvendes til at få information om sundhed og integriteten af akvatiske økosystemer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mørkefeltsmikroskopi er et kraftfuldt værktøj til at visualisere guld nanopartikler med dimensioner på under optisk diffraktion grænse, da spredningen tværsnit af metal nanopartikler overskrider deres geometriske tværsnit (sml. figur 2A) 18. I en pincet setup denne fremgangsmåde endda muligt at skelne mellem om kun et enkelt eller flere guld nanopartikler er fanget af laserstrålen, fordi plasmoniske kobling mellem partiklerne forårsager en rød-forskydning af plasmon resonansfrekven…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Finansiel støtte fra ERC gennem Advanced Investigator Grant HYMEM ved DFG gennem Nanosystems Initiative Munich (NIM) og gennem Sonderforschungsbereich (SFB1032), er projektet A8 taknemmeligt anerkendt. Vi er taknemmelige for Dr. Alexander Ohlinger, Dr. Sol Carretero-Palacios og Spas Nedev for støtte og frugtbare diskussioner.
Materials
| Microscope Zeiss Axio Scope.A1 | Carl Zeiss | 490035-0012-000 | dark field illumination |
| Water objective Achroplan | Carl Zeiss | 440087 | 100x magnification, NA=1.0 |
| Air objective Epiplan | Carl Zeiss | 442934 | 10x magnification, NA=0.2 |
| Dark field oil condenser | Carl Zeiss | 445323 | NA=1.2 |
| Cobolt Rumba CW 1064 nm DPSSL | Cobolt | 1064-05-01-2000-500 | 1064nm, CW, λ=1064nm, 2 Watt, TEM00 |
| Beam expander | Edmund Optics | Part no. 1064 2-8X 64414 | |
| High Speed Camera Dimax HD | PCO. Germany | ||
| Color Camera Canon EOS 500 D | Canon | FAQ-ID: 8201395700 | |
| Notch filter StopLine 532/1064 | Semrock | A11149-711265 | Part no. NF01-532U |
| Water | |||
| Nauplius Artemia Salina | |||
| Gold colloid | BBInternational | Batch 13741 | Diameter 60nm |
| MQMie Version 3.2 | r. Michael Quinten | ||
| Mathematica 8.0 | Wolfram | ||
| Comsol Multiphysics 4.0 | COMSOL, Inc. |
Riferimenti
- Hellawell, J. M. . Biological indicators of freshwater pollution and environmental management. , (1986).
- Diamond, J. M., Barbour, M. T., Stribling, J. B. Characterizing and comparing bioassessment approaches and their results: A perspective. Journal of the North American Benthological Society. 15, 713-727 (1996).
- Carlisle, D. M., et al. The quality of our Nation’s waters—Ecological health in the Nation’s streams, 1993–2005. U.S. Geological Survey Circular. 1391, (2013).
- Boxhall, G. A., Defaye, D. Global diversity of copepods (Crustacea Copepoda) in freshwater. Hydrobiologia. 595 (1), 195-207 (2008).
- Ferdous, Z., Muktadir, A. K. M. A Review: Potentiality of Zooplankton as Bioindicator. American Journal of Applied Sciences. 6 (10), 1815-1819 (2009).
- Andersen Borg, C. M., Bruno, E., Kiørboe, T. The Kinematics of Swimming and Relocation Jumps in Copepod Nauplii. PLoS ONE. 7 (10), (2012).
- Gilchrist, B. M. Growth and Form of the Brine Shrimp Artemia Salina. Journal of Zoology. 134 (2), 221-235 (1960).
- Boone, E., Baas-Becking, L. G. M. Salt Effects on Egga and Nauplii of Artemia Salina L. Journal of General Physiology. 14 (6), 453-763 (1931).
- Drewes, C. Quantitative investigations of hatching in brine shrimp cysts. Association for Biology Laboratory Education. 27, 299-312 (2006).
- Williams, T. A. A model of rowing propulsion and the ontogeny of locomotion in Artemia larvae. Biological Bulletin. 187, 164-173 (1994).
- Croghan, P. C. The Mechanism of Osmotic Regulation in the Artemia Salina (L.): The Physiology of the Branchiae. Journal of Experimental Biology. 35, 234-242 (1958).
- Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Bjorkholm, J. E., Chu, S. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles. Optics Letters. 11 (5), 288-290 (1986).
- Svoboda, K., Block, S. M. Optical trapping of metallic Rayleigh particles. Optics Letters. 19 (13), 930-932 (1994).
- Hansen, P. M., Bhatia, V. K., Harrit, N., Oddershede, L. Expanding the Optical Trapping Range of Gold Nanoparticles. Nano Letters. 5 (10), 1937-1942 (2005).
- Ohlinger, A., Deak, A., Lutich, A. A., Feldmann, J. Optically Trapped Gold Nanoparticle Enables Listening at the Microscale. Physical Review Letters. 108 (1), (2012).
- Kuwata, H., Tamaru, H., Esumi, K., Miyano, K. Resonant light scattering particles: Practical analysis beyond Rayleigh approximation. Applied Physics Letters. 83 (22), 4625-4628 (2003).
- Agayan, R. R., Gittes, F., Kopelman, R., Schmidt, C. F. Optical trapping near resonance absorption. Applied Optics. 41 (12), 2318-2327 (2002).
- Klar, T., Perner, M., Grosse, S., von Plessen, G., Spirkl, W., Feldmann, J. Surface-Plasmon Resonances in Single Metallic Nanoparticles. Physical Review Letters. 80, 4249-4252 (1998).
- Ohlinger, A., Nedev, S., Lutich, A. A., Feldmann, J. Optothermal Escape of Plasmonically Coupled Silver Nanoparticles from a Three-Dimensional Optical Trap. Nano Letters. 11 (4), 1770-1774 (2011).
- Urban, A. S., Lutich, A. A., Stefani, F. D., Feldmann, J. Laser Printing Single Gold Nanoparticles. Nano Letters. Nano Letters. 10 (12), 4794-4798 (2010).
- Urban, A. S., Fedoru, K. M., Nedev, S., Lutich, A., Lohmueller, T., Feldmann, J. Shrink-to-fit Plasmonic Nanostructures. Advanced Optical Materials. 1 (2), 123-127 (2013).
