Analysere Bevegelse av Nauplius '<em> Artemia salina</em> 'Av Optical Tracking av Plasmonic Nanopartikler

Summary

Vi bruker optisk sporing av plasmonic nanopartikler for å undersøke og karakterisere frekvens bevegelser av vannlevende organismer.

Abstract

Vi viser hvordan optisk pinsett kan gi et følsomt verktøy for å analysere fluidic vibrasjoner som genereres ved bevegelse av små vannorganismer. En enkelt gull nanopartikler holdt av en optisk pinsett brukes som en sensor for å kvantifisere den rytmiske bevegelse av en Nauplius larve (Artemia salina) i en vannprøve. Dette oppnås ved å overvåke tidsavhengig forskyvning av fanget nanopartikler som følge av den Nauplius aktivitet. En Fourier-analyse av det nanopartikkel stilling gir så et frekvensspektrum som er karakteristisk for bevegelse av de observerte arter. Dette eksperimentet demonstrerer evnen til denne fremgangsmåte for å måle og karakterisere aktiviteten av små vann larver uten behov for å observere dem direkte, og for å skaffe informasjon om posisjonen av larvene med hensyn til den innfangede partikler. Samlet denne tilnærmingen kan gi en innsikt i den vitalitet av visse arter funnet i et akvatisk ecosystem og kunne utvide utvalget av konvensjonelle metoder for analyse av vannprøver.

Introduction

Vann kvalitetsvurdering basert på kjemiske og biologiske indikatorer er av fundamental betydning for å få innsikt i de statlige og miljømessige forholdene i en akvatisk økosystem ^1-3. Klassiske metoder for kjemisk vannanalyse er basert på organoleptiske egenskaper eller bestemmelse av fysiske parametere. Biologiske indikatorer, på den annen side, er dyrearter hvis tilstedeværelse og levedyktighet gi innsikt i miljøforholdene og effekten av forurensninger i et økosystem som de forekommer i. Typiske eksempler for bioindikatorer er Copepoder, en gruppe av små vann krepsdyr, noe som kan finnes i nesten en hvilken som helst vann habitat ^4,5. Observere aktivitet og levedyktigheten til disse artene fra en vannprøve kan dermed brukes til å skaffe informasjon om de overordnede forhold i et økosystem ^fem. Larvene av Copepoder, som kalles Nauplii, bruker rytmiske slag av antennene sine (hver larve har tre par appendatot. på sitt hode region) til å svømme i vann ^6. Hyppigheten og intensiteten av disse slag er dermed en direkte indikator på alder, kondisjon, og miljøforhold av dyret ^7-10. Eventuelle undersøkelser på disse prøvene er vanligvis gjøres med et mikroskop ved å observere og telle antenne slag av Nauplii direkte. På grunn av deres størrelse (~ 100 til 500 mikrometer) ^11, kreves det ofte å gjøre målinger, enten en og en eller å feste en enkelt Nauplius til et substrat.

Her viser vi en ny tilnærming for å observere aktivitet av raudåte larver i vannprøver ved hjelp av en optisk fanget gull nanopartikkel som en ultrafølsom detektor. Optiske pinsetter blir typisk brukt av mange grupper som en fin eksperimentelle verktøy for å søke eller måle krefter mellom molekylene ned til piconewton range ^12-14. Flere nylig, har utvalget av applikasjoner for optiske pins blitt utvidet til å observere akustiske vibrasjoner og løsent svingninger i væskemedier ved å overvåke bevegelsen til nano-og mikropartikler som er innesperret i en optisk fellen ^15.. Partikler som er nedsenket i en væske som er utsatt for Brownske bevegelser. Inne i en optisk felle er imidlertid denne bevegelse er delvis dempet av en sterk, laser-indusert, gradient kraft. Derfor kan stivheten av den optiske fellen og lokalisering av partikler i fokus for laserstrålen være innstilt ved lasereffekten. På samme tid, er det mulig å vise egenskapene om overlapping potensial og å analysere interaksjoner av molekyler med partikkelen ved å overvåke tidsavhengig partikkelbevegelse i fellen. Denne fremgangsmåten gjør det mulig å plukke opp frekvensen, intensiteten og retningen av fluidic bevegelse som er generert av et bevegelig objekt i flytende miljø. Vi viser hvordan denne generelle idé kan anvendes for å oppnå et frekvensspektrum av bevegelsen til et individ Nauplius uten behovtil direkte å påvirke prøven. Denne eksperimentell tilnærming introduserer en ny generelle konseptet for observasjon av den bevegelige oppførsel av vannprøver i en meget følsom måte. For observasjoner på Bioindicator arter, kan dette utvide dagens metodikk for vannanalyse og kan brukes til å få informasjon om helse og integritet av akvatiske økosystemer.

Protocol

En. Forsøksoppsett Bruk en opp-rett mikroskop og en mørk oljefelt kondensator med en numerisk apertur (NA) = 1.2 for mørke feltet belysning. Bruk en vannimmersjonsobjektiv med 100X forstørrelse og en NA = 1,0 for partikkel observasjoner og fangst. Bruk en luft Formålet med 10X forstørrelse og en NA = 0.2 å følge bevegelsen av Nauplius. Bruk en optisk pinsett oppsett med en 1064 nm kontinuerlig bølge laser koblet inn i opp-høyre mikroskop. Sett lasereffekten av den optiske fellen til 100 mW…

Representative Results

En skjematisk illustrasjon av det eksperimentelle oppsettet er vist i figur 1A. Et mørkt felt konfigurasjonen er nødvendig for å optisk detektere forskyvning av en 60 nm gull partikkel i en optisk fellen 15.. Den bølgelengde på 1064 nm for fangst laser er valgt for å garantere en stabil sperring av detektoren gull partikkel 12,14. En strålesplitter i mikroskopet blir brukt til å fokusere strålen overtrykk gjennom målet og et støyfilter hindrer overtrykk laseren trenger i…

Discussion

Mørke felt mikroskopi er et kraftig verktøy for å visualisere gull nanopartikler med dimensjoner under optisk diffraksjon grensen, siden spredning tverrsnitt av metallnanopartikler stiger deres geometriske tverrsnitt (cp. Figur 2A) ^18. I en pinsett oppsett, denne tilnærmingen gjør selv å skille om bare en enkelt eller flere gull nanopartikler er fanget av laserstrålen fordi plasmonic kopling mellom partiklene fører til en rød-forskyvning av plasmon resonansfrekvens ^15. Mø…

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.