تحليل حركة اليرقات &#39;<em&gt; الأرتيميا سالينا</em&gt; من خلال تتبع بصري من Plasmonic النانوية

Silke R. Kirchner; Michael Fedoruk; Theobald Lohmüller; Jochen Feldmann

doi:10.3791/51502

يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

تحليل حركة اليرقات '

9.9K مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/51502

⸱

يوليو 15, 2014

Silke R. Kirchner¹ , Michael Fedoruk¹ , Theobald Lohmüller¹ , Jochen Feldmann¹

¹Photonics and Optoelectronics Group, Ludwig-Maximilians-Universität

في هذه المقالة

ملخص

نستخدم تتبع بصري من plasmonic النانوية للتحقيق وتوصيف الحركات تردد من الكائنات المائية.

الملخص

ونحن لشرح كيفية تقديم ملاقط بصرية أداة حساسة لتحليل الاهتزازات فلويديك التي تولدها حركة الكائنات المائية الصغيرة. يتم استخدام جسيمات متناهية الصغر من الذهب واحد عقدت من قبل منتاش الضوئية وجهاز استشعار لقياس الحركة الإيقاعية لليرقة اليرقات (الأرتيميا سالينا) في عينة المياه. ويتحقق هذا من خلال رصد النزوح يعتمد وقت جسيمات متناهية الصغر المحاصرين نتيجة للنشاط اليرقات. تحليل فورييه لموقف جسيمات متناهية الصغر ثم تعطي الطيف الترددي الذي هو سمة لحركة الأنواع المرصودة. يوضح هذه التجربة قدرة هذه الطريقة لقياس وتوصيف نشاط اليرقات المائية الصغيرة دون الحاجة إلى مراقبة لهم مباشرة والحصول على معلومات حول موقف يرقات فيما يتعلق الجسيمات المحاصرين. عموما، يمكن لهذا النهج تعطي فكرة عن حيوية أنواع معينة وجدت في رسالة بالبريد المائيةcosystem ويمكن توسيع نطاق الأساليب التقليدية لتحليل عينات المياه.

المقدمة

تقييم نوعية المياه على أساس المؤشرات الكيميائية والبيولوجية هي ذات أهمية أساسية لاكتساب المعرفة على الدولة والظروف البيئية في النظام البيئي المائي ^1-3. وتقوم الطرق التقليدية لتحليل المياه الكيميائية على الخصائص الحسية أو تحديد المعلمات الفيزيائية. المؤشرات البيولوجية، من ناحية أخرى، هي أنواع الحيوانات وجودها وقدرتها على البقاء توفير نظرة على الظروف البيئية وتأثير الملوثات على النظام البيئي التي تحدث فيها أمثلة نموذجية لbioindicators هي مجدافيات، مجموعة من القشريات المائية الصغيرة، والتي يمكن يمكن العثور عليها في أي ما يقرب من ^4،5 الموائل المياه. مراقبة نشاط وحيوية هذه الأنواع من عينة المياه بالتالي يمكن استخدامها للحصول على معلومات عن الأوضاع العامة لنظام بيئي ^5. يرقات مجدافيات، والتي تسمى يرقات، استخدم ضربات إيقاعية من الهوائيات الخاصة بهم (كل يرقة لديه ثلاثة أزواج من appendaغيس في المنطقة رؤوسهم) على السباحة في الماء ^6. تواتر وشدة هذه السكتات الدماغية وبالتالي هو مؤشر مباشر من العمر، واللياقة البدنية، والظروف البيئية للحيوان ^7-10. وعادة ما يتم القيام به في أي تحقيقات بشأن هذه العينات باستخدام المجهر من خلال مراقبة وإحصاء السكتات الدماغية الهوائي من يرقات مباشرة. نظرا لحجمها (~ 100-500 ميكرون) ^11، وهذا غالبا ما يتطلب القيام القياسات إما واحدا تلو الآخر أو لإصلاح اليرقات واحدة إلى الركيزة.

هنا، ونحن يبرهن على وجود نهج جديد لمراقبة نشاط كوبيبودا يرقات في عينات المياه باستخدام جسيمات متناهية الصغر من الذهب المحاصرين بصريا باعتباره كاشف فائقة الحساسية. وعادة ما تستخدم ملاقط بصرية من قبل العديد من الجماعات كأداة تجريبية لتطبيق غرامة أو قياس القوى بين الجزيئات وصولا الى مجموعة piconewton ^12-14. وفي الآونة الأخيرة، تم توسيع نطاق التطبيقات لملاقط بصرية لمراقبة الاهتزازات الصوتية وحلتقلبات الإقليم الشمالي في وسائل الإعلام السائلة من خلال رصد حركة النانو المجهرية الدقيقة والتي تقتصر في فخ البصرية ^15. تتعرض الجزيئات التي مغمورة في السائل إلى الحركة البراونية. داخل فخ البصرية، ومع ذلك، وثبط هذا الاقتراح جزئيا عن طريق الليزر التي يسببها، وقوة الانحدار القوي. ولذلك، فإن صلابة من فخ البصرية وتوطين الجسيمات داخل تركيز شعاع الليزر يمكن ضبطها من قبل قوة الليزر. في الوقت نفسه، فمن الممكن أن يكشف عن الخصائص المحتملة محاصرة وتحليل التفاعلات بين الجزيئات مع الجسيمات من خلال رصد حركة الجسيمات تعتمد على الوقت في الفخ. هذا النهج يجعل من الممكن لالتقاط تردد وشدة واتجاه الحركة فلويديك التي يتم إنشاؤها من قبل جسم متحرك في بيئتها السائل. علينا أن نظهر كيف يمكن تطبيق هذه الفكرة العامة للحصول على الطيف الترددي من الحركة من اليرقات الفردية دون اشتراطالتدخل مباشرة مع العينة. هذا النهج التجريبي يقدم المفهوم العام الجديد لمراقبة سلوك متحركة من العينات المائية بطريقة حساسة للغاية. للملاحظات على الأنواع bioindicator، وهذا يمكن توسيع المنهجية الحالية لتحليل المياه ويمكن تطبيقها للحصول على معلومات حول صحة وسلامة النظم الإيكولوجية المائية.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

1. الإعداد التجريبية

استخدام المجهر يصل الحق ومظلم مكثف النفط الميدان مع الفتحة العددية (NA) = 1.2 لإضاءة حقل مظلم. استخدام الهدف الغمر بالماء مع التكبير 100X وNA = 1.0 لملاحظات ومحاصرة الجسيمات. استخدام هدفا 10X الهواء مع التكبير وNA = 0.2 لمتابعة حركة اليرقات.
استخدام الإعداد ملاقط بصرية مع 1،064 نانومتر ليزر الموجة المستمرة في جانب المجهر يصل الحق. تعيين قوة الليزر من فخ البصرية إلى 100 ميغاواط (قياس مع السلطة متر بعد الهدف).
استخدام CMOS كاميرا عالية السرعة أو العاكسة الرقمية وحيدة العدسة (DSLR) كاميرا لكشف وصورة حركة الجسيمات الذهب في فخ البصرية والحركة من اليرقات.
استخدام مرشح من الدرجة الأولى لمنع الليزر من دخول الكاميرا.
استخدام السلطة متر لقياس قوة الليزر بعد الهدف.

2. إعداد نموذج

ماصة قطرات الماء (180 ميكرولتر) على شريحة زجاجية المجهر ووضع العينة على المجهر حقل مظلم.
ماصة على اليرقات من خزان مياه صغير لقطرة الماء.
استخدام هدفا الهواء 10X لمراقبة حركة اليرقات في الحل وتسجيل دفق الفيديو.
استخدام جسيمات متناهية الصغر من الذهب التي يبلغ قطرها 60 نانومتر كما كشف لمراقبة حركة السوائل الناتجة عن اليرقات. لذلك، إضافة 5 ميكرولتر من حل الجسيمات مخففة للغاية في قطرات الماء، بحيث أن ما يقرب من واحد الجسيمات يمكن رؤيته في مجال الرؤية مع الهدف الماء الغمر 100X.

3. تتبع الجسيمات التجربة

فخ واحد جسيمات متناهية الصغر من الذهب مع منتاش الضوئية. وبالتالي، جعل 1،064 نانومتر محاصرة الليزر على مقربة من جسيمات متناهية الصغر الذهب الذي نشرها في حل عن طريق تحريك المرحلة المجهر. قوات البصرية جذابة سحب جسيمات متناهية الصغر من الذهب نحو نقطة محورية في اله شعاع الليزر. الجسيمات المحاصرين لا نشرها بعد الآن، وبدلا يبقي موقفها. اتخاذ دفق الفيديو من جسيمات متناهية الصغر المحاصرين مع كاميرا DSLR بمعدل 50 إطار هرتز لمدة 30 ثانية.
إيقاف تشغيل الليزر من منتاش البصرية والافراج عن جسيمات متناهية الصغر من الذهب من الفخ.
استخدام برنامج تتبع الجسيمات إلى قراءات موقف الجسيمات المحاصرين الذهب بصريا في كل إطار من دفق الفيديو. وتحول فورييه السريع (الاتحاد الفرنسي للتنس) من موقف س ص-الجسيمات مع مرور الوقت يكشف عن الطيف الترددي.
ملاحظة: وهنا، تم استخدام "ايغور PRO 'كود برنامج كمبيوتر المكتوبة النفس لتحليل موقف وسط الجسيمات في الطائرة س ص مع مرور الوقت لتحليل والاتحاد الفرنسي للتنس.
كبديل للرمز ايغور الذاتي مكتوب استخدم برنامج 'فيديو بقعة المقتفي' لتتبع الجسيمات في الفيديو متاحة بحرية. استخدام البرمجيات التجارية "المنشأ" لتنفيذ التحول فورييه للبيانات تتبع:
اسحب ملف الفيديو إلى البرنامج المفتوح "سبوت فيديو المقتفي '.
النقر بالماوس على الجسيمات يظهران في الصورة الأولى من دفق الفيديو، ومنطقة دائرية من يظهر الاهتمام.
اختيار "متماثل" و "الأمثل" في أعلى إطار موجه الأوامر لتحسين تتبع للجسيمات.
الماوس فوق "تسجيل" في أعلى إطار موجه الأوامر واختيار مجلد لحفظ البيانات. سيتم حفظ البيانات تتبع في جدول البيانات.
الماوس فوق "تشغيل الفيديو" على يسار إطار موجه الأوامر من برنامج التعقب والانتظار حتى يتم تحليل جميع الأطر من شريط الفيديو.
إغلاق البرنامج وفتح جدول البيانات المحفوظة مع 'الأصل'. تعيين قيم العمود باسم "ذ _1" و "ذ _2".
تعيين الخطوات الزمنية لكل إطار الفيديو بأنه "س" في جدول بيانات "المنشأ".
علامة سموقف العمود وتنفيذ الاتحاد الفرنسي للتنس عن طريق اختيار "تحليل البيانات" و "الاتحاد الفرنسي للتنس" في أعلى إطار موجه الأوامر. كرر الخطوة للعمود ص الموقف.
رسم سعة إشارة الاتحاد الفرنسي للتنس محسوب في س و ص الاتجاه مقابل التردد.

4. المحاكاة العددية

حساب α الاستقطاب من 60 نانومتر الذهب الجسيمات باستخدام برنامج كمبيوتر 'الرياضيات'.
1. استخدام المعادلة (1) لحساب الاستقطاب وفقا لKuwata وآخرون ^16.:
  (1)
2. تعريف المعلمات الثلاث التالية في رمز البرنامج: وظيفة عازلة المعقدة التي تعتمد على الطول الموجي للجسيمات الذهب، ونصف قطرها جسيمات متناهية الصغر، ومعامل الانكسار من الوسط المحيط.
استخدام وصف كهربائيتوزيع الحقل TRIC من شعاع جاوس تركيزا وفقا لAgayan ¹⁷ آخرون لحساب القوات البصرية بناء على 60 نانومتر الذهب الجسيمات.:
(2)
1. . استخدام المعادلات (3) - (6) من Agayan ¹⁷ آخرون لحساب حد سواء، والتدرج ونثر القوى المؤثرة على الجسيمات:
  (3)
  (4)
  (5)
  (6)
2. في رمز البرنامج، وتحديد معايير لقوة الليزر، الفتحة العددية للسbjective، والاستقطاب معقدة من جسيمات متناهية الصغر.
3. نلخص قوة التدرج والقوة نثر لحساب مجموع قوة البصرية المؤثرة على الجسيمات الذهب في فخ البصرية.
تشغيل المحاكاة عن طريق الضغط في وقت واحد "السيطرة" و "أدخل".

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

ويرد توضيح تخطيطي من الإعداد التجريبية في الشكل 1A. A التكوين حقل مظلم هو ضروري للكشف عن بصريا تشريد 60 نانومتر الذهب الجسيمات في فخ البصرية ^15. يتم اختيار الطول الموجي من 1،064 نانومتر ليزر محاصرة لضمان الحبس المستقرة للكشف عن الجسيمات الذهب ^12،14. يتم استخدام شعاع الخائن في المجهر لتركيز شعاع محاصرة من خلال هدف ومرشح من الدرجة يمنع الليزر محاصرة من دخول جهاز الكشف عن التجربة. وكان أداء الحركات اليرقات في المياه المحيطة حل جسيمات متناهية الص...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

الظلام المجهر الحقل هو أداة قوية لتصور جزيئات الذهب ذات أبعاد أقل من الحد حيود البصرية، منذ المقطع العرضي للتشتت المعادن النانوية يتجاوز القسم الهندسي على الصليب (cp. الشكل 2A) ^18. في إعداد منتاش، فإن هذا النهج حتى يسمح للتمييز إذا محاصرون فقط واحدة أو متعددة لجزيئات الذهب بواسطة شعاع الليزر بسبب اقتران plasmonic بين الجسيمات يؤدي إلى تحول الحمراء من مأكل تردد الرنين ^15. لذا المجهري الميدان مع حلول الظلام تكوين منتاش الضوئية توفر العديد من ال...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

يعلن الكتاب أنه ليس لديهم مصالح مالية المتنافسة.

شكر وتقدير

الدعم المالي من قبل هيئة الإنصاف والمصالحة من خلال متقدم باحث غرانت HYMEM، من قبل DFG من خلال مبادرة ميونيخ النانو (نيم) ومن خلال Sonderforschungsbereich (SFB1032)، ومن المسلم به المشروع A8 بامتنان. ونحن ممتنون للدكتور الكسندر Ohlinger الدكتور سول كاريتيرو-بالاسيوس ومنتجعات Nedev للحصول على الدعم ومناقشات مثمرة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسم	الشركة	رقم فهرسي	التعليقات
مجهر Zeiss Axio Scope.A1	Carl Zeiss	490035-0012-000	إضاءة المجال المظلم
الهدف المائي Achroplan	Carl Zeiss	440087	تكبير 100X ، NA = 1.0
الهدف الجوي Epiplan	Carl Zeiss	442934	تكبير 10X ، NA = 0.2
مكثف زيت الحقل المظلم	Carl Zeiss	445323	NA = 1.2
Cobolt Rumba CW 1،064 نانومتر DPSSL	Cobolt	1064-05-01-2000-500	1،064 نانومتر ، CW ، & Lambda ؛ = 1،064 نانومتر ، 2 وات ، TEM00
موسع شعاع	إدموند للبصريات		الجزء رقم 1064 2-8X 64414
كاميرا عالية السرعة Dimax HD	PCO. ألمانيا
كاميرا ملونة كانون EOS 500 D	معرف الأسئلة المتداولة	حول Canon
مرشح Notch StopLine 532/1064	Semrock	A11149-711265	الجزء رقم. NF01-532U
المياه
Nauplius Artemia salina< / em>
الذهب الغرواني	BBIالدفعة الوطنية	13741 ؛	قطر 60 نانومتر
MQMie الإصدار 3.2	د. مايكل كوينتن
ماثيماتيكا 8.0	ولفرام
كومسول الفيزياء المتعددة 4.0	شركة COMSOL، Inc.

: 8201395700

المراجع

Hellawell, J. M. Biological indicators of freshwater pollution and environmental management. , Elsevier Applied Science Publishers. (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).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم