Анализируя движение Навплия '<em> Артемии Салина</em> 'Оптическими слежения плазмонных наночастиц
Summary
Мы используем оптический отслеживание плазмонных наночастиц, чтобы исследовать и охарактеризовать частотные движения водных организмов.
Abstract
Мы показываем, как оптический пинцет может обеспечить тонкий инструмент для анализа жидкостных вибрацию от движения мелких водных организмов. Один наночастиц золота проводится с помощью оптического пинцета используется в качестве датчика для количественного ритмические движения личинки науплиуса (Артемия Салина) в образце воды. Это достигается путем мониторинга зависящее от времени перемещение захваченного наночастицы как следствие активности науплиуса. Фурье-анализ позиции наночастицы затем дает частотный спектр, что характерно для движения наблюдаемых видов. Этот эксперимент демонстрирует возможности этого метода для измерения и характеризуют активность небольшой водных личинок без необходимости наблюдать их непосредственно и для получения информации о положении личинок по отношению к ловушке частицы. В целом, этот подход может дать представление о жизнеспособности некоторых видов, обитающих в водной еcosystem и может расширить спектр традиционных методов анализа проб воды.
Introduction
Оценка качества воды на основе химических и биологических показателей имеет принципиальное значение, чтобы получить представление о государственных и экологических условиях водной экосистеме 1-3. Классические методы химического анализа воды основаны на органолептические свойства или определения физико-химических параметров. Биологические индикаторы, с другой стороны, виды животных, чье присутствие и жизнеспособность дают возможность судить о условий окружающей среды и влияния загрязняющих веществ на экосистемы, что они происходят дюйма Типичные примеры биоиндикаторов являются Веслоногие, группа мелких ракообразных воды, которые могут можно найти в практически любой 4,5 вода обитания. Наблюдая за активность и жизнеспособность этих видов из образца воды, таким образом, могут быть использованы для получения информации о общих условий экосистемы 5. Личинки копепод, которые называются Nauplii, использовать ритмические удары своими антеннами (каждый личинка имеет три пары appendaГЭС в их области головы) плавать в воде 6. Частота и интенсивность этих ударов является самым прямым показателем возраста, фитнес, и условий окружающей среды животного 7-10. Любые исследования по этих образцов, как правило, делается с помощью микроскопа путем наблюдения и подсчета антенные ударов науплии напрямую. Благодаря своим размерам (~ 100-500 мкм) 11, это часто требует сделать измерения либо по одному или исправить один науплиуса на подложку.
Здесь мы демонстрируем новый подход для наблюдения за активностью копепода личинок в пробах воды с помощью оптически захваченного наночастиц золота в качестве ультра-чувствительный детектор. Оптический пинцет обычно используются многими группами в виде мелкого экспериментальной инструмента для применения или измерения силы между молекулами до диапазона piconewton 12-14. В последнее время область применения для оптического пинцета была расширена, чтобы наблюдать акустические колебания и решитьNT колебания жидких сред, контролируя движение нано-и микрочастиц, которые ограничены в оптической ловушке 15. Частицы, погруженные в жидкость подвергаются броуновского движения. Внутри оптической ловушке, однако, это движение частично затухает сильным, индуцированный лазерным, градиент силы. Таким образом, жесткость оптической ловушки и локализация частицы в фокусе лазерного луча может быть настроен по мощности лазера. В то же время, можно выявить характеристики относительно захвата потенциала и анализировать взаимодействие молекул с частицей путем мониторинга нестационарного движение частиц в ловушке. Такой подход делает возможным подобрать частоту, интенсивность и направление жидкостного движения, который генерируется движущегося объекта в ее жидкой среде. Покажем, как это общая идея может быть применена, чтобы получить частотный спектр движения отдельной Навплия без необходимостинапрямую вмешиваться в образце. Этот экспериментальный подход вводит новую общую концепцию для наблюдения подвижных поведения водных образцов в очень чувствительным способом. Для наблюдений на биоиндикатора видов, это может расширить существующую методологию для анализа воды и может применяться для получения информации о состоянии здоровья и целостности водных экосистем.
Protocol
Representative Results
Discussion
Микроскопии в темном поле представляет собой мощный инструмент для визуализации наночастиц золота с размерами ниже предела оптического дифракционного, так как сечение рассеяния наночастиц металлов превышает их геометрического сечения (ср. рис 2A) 18. В установке пинцет, …
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Финансовая поддержка со стороны ERC через Расширенный следователь Грант HYMEM, со стороны DFG через Наносистемы инициатива Мюнхене (NIM) и через Sonderforschungsbereich (SFB1032), проект А8 с благодарностью. Мы благодарны д-ром Александром Ohlinger, доктор Sol Carretero-Паласиос и Спас Nedev за поддержку и плодотворные дискуссии.
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. |
Referenzen
- 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).
