Het analyseren van de Beweging van de Nauplius '<em> Artemia salina</em> 'Door Optical Tracking van Plasmonische Nanodeeltjes
Summary
We maken gebruik van optische tracking van plasmonische nanodeeltjes om sonde en karakteriseren de frequentie bewegingen van het water levende organismen.
Abstract
We laten zien hoe een optisch pincet een gevoelig instrument om de vloeibare trillingen opgewekt door de beweging van kleine levende organismen te analyseren kunnen voorzien. Een gouden nanodeeltjes bezit van een optische pincet wordt gebruikt als een sensor om de ritmische beweging van een Nauplius larve (Artemia salina) kwantificeren in een watermonster. Dit wordt bereikt door een tijdsafhankelijke verplaatsing van de gevangen nanodeeltjes als gevolg van de Nauplius activiteit. Een Fourier analyse van de positie van de nanodeeltjes geeft dan een frequentiespectrum dat is kenmerkend voor de beweging van de waargenomen soorten. Dit experiment toont het vermogen van deze methode te meten en karakteriseren van de activiteit van kleine aquatische larven zonder de noodzaak om direct waarnemen en informatie over de positie van de larven opzichte van de gevangen deeltjes te verkrijgen. In totaal kan deze benadering een inzicht in de vitaliteit van bepaalde soorten gevonden in een aquatisch e gevencosystem en kon het bereik van conventionele methoden voor het analyseren van watermonsters uit te breiden.
Introduction
Beoordeling van de waterkwaliteit op basis van chemische en biologische indicatoren is van fundamenteel belang om inzicht te krijgen over de toestand en milieuomstandigheden van een aquatisch ecosysteem 1-3 winnen. Klassieke methoden voor de chemische water analyse zijn gebaseerd op de organoleptische eigenschappen of de bepaling van de fysisch-chemische parameters. Biologische indicatoren, aan de andere kant, zijn diersoorten waarvan de aanwezigheid en de levensvatbaarheid inzicht bieden in de milieu-omstandigheden en het effect van verontreinigende stoffen voor een ecosysteem dat ze zich voordoen binnen Typische voorbeelden voor bio-indicatoren zijn Copepods, een groep van kleine water schaaldieren, dat kan te vinden in bijna elke waterhabitat 4,5. Het observeren van de activiteit en de levensvatbaarheid van deze soorten uit een watermonster kan dus worden gebruikt om informatie over de algemene voorwaarden van een ecosysteem 5 te verkrijgen. De larven van Copepods, die Nauplii worden genoemd, gebruiken ritmische slagen van hun antennes (elk larve heeft drie paar appendages aan het hoofd regio) om te zwemmen in water 6. De frequentie en intensiteit van deze slagen is daardoor een directe indicator van de leeftijd, conditie en milieuomstandigheden van het dier 7-10. Alle onderzoeken op deze specimens worden meestal gedaan met een microscoop door het observeren en de antenne slagen van de Nauplii tellen direct. Door hun grootte (~ 100-500 um) 11 Dit vereist vaak metingen, een voor een of een Nauplius bevestigen aan een substraat.
Hier tonen we een nieuwe aanpak om de activiteit van Copepod larven nemen in watermonsters met behulp van een optisch gevangen gouden nanodeeltjes als een ultra-detektor. Optische pincetten worden doorgaans gebruikt door vele groepen als een fijne experimentele tool om krachten toe te passen of te meten tussen de moleculen tot aan de piconewton bereik 12-14. Meer recent heeft de toepassingsmogelijkheden voor optische pincetten uitgebreid akoestische trillingen waarnemen en oplossennt schommelingen in vloeibare media door het toezicht op de beweging van nano-en micropartikels die zijn opgesloten in een optische val 15. Deeltjes die worden ondergedompeld in een vloeistof worden onderworpen aan Brownse beweging. Binnen een optische val, maar deze beweging wordt gedeeltelijk gedempt door een sterke laser geïnduceerde gradiënt kracht. Derhalve kan de stijfheid van de optische val en de lokalisatie van het deeltje in de focus van de laserbundel worden afgestemd door het laservermogen. Tegelijkertijd is het mogelijk om kenmerken trapping potentieel gezien en interacties van moleculen met het deeltje analyseren monitoring van de tijd-afhankelijke deeltjes beweging in de val. Deze aanpak maakt het mogelijk op te halen de frequentie, de intensiteit en de richting van de vloeibare beweging die wordt gegenereerd door een bewegend object in vloeibare omgeving. We demonstreren hoe dit algemene idee kan worden toegepast op een frequentiespectrum van de beweging van een individuele Nauplius verkrijgen zonder de eisdirect bemoeien met het monster. Deze experimentele benadering introduceert een nieuw algemeen concept voor de waarneming van de beweeglijke gedrag van levende exemplaren in een zeer gevoelige manier. Voor opmerkingen over bio-indicator soorten, kan dit de huidige methodologie voor water analyse uit te breiden en kan worden toegepast op gegevens over de gezondheid en de integriteit van aquatische ecosystemen te krijgen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Donkerveld microscopie is een krachtig hulpmiddel voor het visualiseren goud nanodeeltjes met afmetingen onder het optische diffractie limiet, omdat het gedeelte verstrooiingsdoorsnede van de metaal nanodeeltjes hun geometrische dwarsdoorsnede (vgl. figuur 2A) 18 overschrijdt. In een pincet opstart, deze benadering ook te onderscheiden indien slechts een enkele of meerdere gouden nanodeeltjes worden gevangen door de laserbundel omdat plasmon koppeling tussen de deeltjes veroorzaakt een roodve…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Financiële steun van de ERC door de Advanced Investigator Grant HYMEM, door de DFG via de Nanosystems initiatief München (NIM) en via de Sonderforschungsbereich (SFB1032), wordt het project A8 dankbaar erkend. Wij zijn dankbaar voor Dr Alexander Ohlinger, dr. Sol Carretero-Palacios en spa Nedev voor ondersteuning en vruchtbare discussies.
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. |
Referências
- 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).
