ניתוח התנועה של Nauplius '<em> סלינה הארטמיה</em> "על ידי מנגנון עקיבה האופטי של Plasmonic חלקיקים
Summary
אנו משתמשים במעקב אופטי של חלקיקי plasmonic לחקור ולאפיין את התנועות בתדירות של אורגניזמים ימיים.
Abstract
אנו מדגימים כיצד פינצטה אופטית עשויה לספק כלי רגיש לנתח את תנודות fluidic שנוצרו על ידי התנועה של אורגניזמים ימיים קטנים. Nanoparticle זהב בודד שנערך על ידי פינצטה אופטית משמש כחיישן לכמת את התנועה הקצבית של זחל Nauplius (סאלינה הארטמיה) בדגימת מים. זו מושגת על ידי ניטור העקירה תלויה בזמן של nanoparticle הלכודים כתוצאה מפעילות Nauplius. אנליזה פורייה של עמדת nanoparticle אז תשואות ספקטרום תדרים שאופייניים לתנועה של המינים שנצפו. ניסוי זה מדגים את יכולתה של שיטה זו כדי למדוד ולאפיין את הפעילות של זחלים מימיים קטנים ללא הדרישה לצפות בהם באופן ישיר וכדי להשיג מידע על מיקומו של הזחלים ביחס לחלקיקים הלכודים. בסך הכל, גישה זו יכולה לתת תובנות על החיוניות של מינים מסוימים שנמצאו בדואר ימיcosystem ויכול להרחיב את מגוון שיטות מקובלות לניתוח דגימות מים.
Introduction
הערכת איכות מים המבוססת על אינדיקטורים כימיים וביולוגיים היא בעל חשיבות עליונה כדי לקבל תובנה על תנאי המדינה וסביבתי של מערכת אקולוגית ימי 1-3. שיטות קלאסיות לניתוח מים כימי המבוססות על מאפייני organoleptic או קביעת הפרמטרים physicochemical. אינדיקטורים ביולוגיים, לעומת זאת, הם בעלי החיים שנוכחותם ויכולת קיום לספק תובנות על התנאים הסביבתיים וההשפעה של מזהמים למערכת אקולוגית שהם מתרחשים בו דוגמאות אופייניות לbioindicators הם copepods, קבוצה של סרטנים מים קטנים, שיכול ניתן למצוא כמעט בכל בית הגידול 4,5 מים. התבוננות בפעילות ויכולת הקיום של מינים אלה מדגימת מים ולכן יכולה לשמש כדי לקבל מידע על התנאים הכלליים של מערכת אקולוגית 5. הזחלים של copepods, אשר נקראים Nauplii, להשתמש בתנועות קצביות של האנטנות שלהם (יש לו כל זחל שלושה זוגות appendaGES באזור הראש שלהם) כדי לשחות במים 6. התדירות והעוצמה של תנועות אלה היא בכך אינדיקציה ישירה של הגיל, כושר, ותנאים סביבתיים של החיה 7-10. כל חקירות על דגימות אלה נעשות בדרך כלל באמצעות מיקרוסקופ על ידי התבוננות וסופר את חבטות האנטנה של Nauplii ישירות. בשל גודלם (~ 100-500 מיקרומטר) 11, זה לעתים קרובות דורש לעשות מדידות או אחד אחד או לתקן Nauplius אחת למצע.
הנה, אנחנו מדגימים גישה חדשה להתבונן בפעילות של copepod זחלים בדגימות מים על ידי שימוש בזהב nanoparticle לכוד אופטי כגלאי רגיש במיוחד. פינצטה אופטית משמשות בדרך כלל על ידי קבוצות רבות ככלי ניסיוני בסדר להחיל או למדוד כוחות בין מולקולות עד טווח piconewton 12-14. לאחרונה, מגוון רחב של יישומים עבור פינצטה אופטית הורחב להתבונן בתנודות אקוסטיות ולפתורתנודות NT בתקשורת נוזלית על ידי ניטור התנועה של ננו וmicroparticles שנכלאים במלכודת אופטית 15. חלקיקים ששקועים בנוזל חשופים לתנועה הבראונית. בתוך מלכודת אופטית, לעומת זאת, תנועה זו היא דיכא באופן חלקי על ידי, כוח שיפוע חזק, לייזר מושרה. לכן, את הנוקשות של המלכודת האופטית והלוקליזציה של החלקיקים בתוך המיקוד של קרן הלייזר יכולים להיות מכוונת על ידי כוח הלייזר. במקביל, ניתן לחשוף את המאפיינים על פוטנציאל ההשמנה ולנתח אינטראקציות של מולקולות עם החלקיקים על ידי ניטור תנועת חלקיקים תלוי זמן במלכודת. גישה זו הופכת את זה אפשרי להרים את התדירות, עוצמה וכיוון תנועת fluidic שנוצר על ידי אובייקט נע בסביבה נוזלית שלה. אנו מדגימים כיצד רעיון כללי זה יכול להיות מיושם להשגת ספקטרום תדרים של התנועה Nauplius בודד ללא הדרישהלהתערב באופן ישיר עם הדגימה. גישה ניסויית זה מציגה תפיסה כללית חדשה להתבוננות בהתנהגות ניעתי של דגימות מים בצורה מאוד רגישה. לתצפיות במינים bioindicator, זה יכול להרחיב את המתודולוגיה הנוכחית לניתוח מים ויכול להיות מיושם כדי להשיג מידע על הבריאות והתקינות של מערכות אקולוגיות מימיים.
Protocol
Representative Results
Discussion
מיקרוסקופ שדה אפל הוא כלי רב עוצמה המאפשר הדמית חלקיקי זהב עם ממדים מתחת לגבול ההשתברות האופטית, שכן חתך פיזור של חלקיקי המתכת עולה על הסעיף שלהם הגיאומטרי הצלב (איור 2 א cp.) 18. בהתקנת פינצטה, גישה זו גם מאפשרת להבחין ולו רק חלקיקי זהב בודדים או מרובים לכו…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
תמיכה כספית על ידי ERC באמצעות מתקדם החוקר גרנט HYMEM, על ידי DFG דרך נאנומערכות יוזמת מינכן (נים) ובאמצעות Sonderforschungsbereich (SFB1032), פרויקט A8 הוא הודה בהכרת תודה. אנו אסירי תודה לד"ר אלכסנדר Ohlinger, ד"ר סול Carretero-פלאסיוס וספא Nedev לתמיכה ודיונים פוריים.
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. |
References
- 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).
