ניתוח התנועה של Nauplius &#39;<em&gt; סלינה הארטמיה</em&gt; &quot;על ידי מנגנון עקיבה האופטי של Plasmonic חלקיקים

סיכום

אנו משתמשים במעקב אופטי של חלקיקי plasmonic לחקור ולאפיין את התנועות בתדירות של אורגניזמים ימיים.

תקציר

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.

מבוא

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.

פרוטוקול

1. ניסיוני התקנה

1. השתמש במיקרוסקופ את ימין וקבל שמן שדה חשוך עם צמצם מספרי (NA) = 1.2 לתאורת שדה חשוכה. השתמש מטרת טבילה במים עם הגדלה של X100 וNA = 1.0 לתצפיות חלקיקים והשמנה. השתמש אובייקטיבי אוויר עם 10X ההגדלה וNA = 0.2 לעקוב התנועה של Nauplius.
2. השתמש בהגדרת פינצטה אופטית עם לייזר גל רציף 1,064 ננומטר יחד למיקרוסקופ עד ימין. הגדר את כוח הלייזר של המלכודת האופטית ל100 mW (נמדד עם מד כוח לאחר האובייקטיבי).
3. השתמש במצלמה במהירות גבוהה CMOS או רפלקס דיגיטלי בודד עדשות (DSLR) מצלמה כדי לזהות ותמונת תנועת חלקיקי זהב במלכודת האופטית והתנועה של Nauplius.
4. שימוש במסנן ברמה גבוהה על מנת למנוע את הלייזר מלהיכנס למצלמה.
5. השתמש במד כוח כדי למדוד את כוח הלייזר לאחר אובייקטיבי.

2. לדוגמא הכנה

1. פיפטה טיפת מים (180 μl) בשקופית זכוכית מיקרוסקופ ולמקם את המדגם במיקרוסקופ השדה האפל.
2. פיפטה Nauplius מטנק קטן מים לטיפת המים.
3. השתמש אובייקטיבי אוויר 10X כדי לראות את התנועה של Nauplius בפתרון ולהקליט את זרם וידאו.
4. השתמש nanoparticle זהב בקוטר של 60 ננומטר כגלאים להתבונן תנועת הנוזל שנוצרה על ידי Nauplius. לכן, להוסיף 5 μl של פתרון חלקיקים מדולל מאוד לתוך טיפת המים, כך שכ חלקיק אחד שניתן לראות בשדה ראיה עם מטרת טבילה במי 100X.

3. ניסוי מעקב חלקיקים

1. nanoparticle זהב מלכודת אחת עם פינצטה האופטית. לכן, להביא את לייזר השמנת 1,064 ננומטר הקרוב לזהב nanoparticle כי הוא לשדר בפתרון על ידי הזזת הבמה מיקרוסקופ. הכוחות אופטיים האטרקטיביים למשוך את nanoparticle הזהב לכיוון נקודת ה המוקדקרן לייזר דואר. החלקיקים הלכודים לא לשדר יותר ולא שומר על מיקומה. קח את זרם וידאו של nanoparticle לכוד עם מצלמת DSLR במסגרת שיעור של 50 הרץ ל30 שניות.
2. כבה את הלייזר של פינצטה האופטית ולשחרר את nanoparticle הזהב מהמלכודת.
3. השתמש בתכנית מעקב אחר חלקיקים לreadout המיקום של חלקיקי זהב שנלכדו אופטי בכל מסגרת של זרם וידאו. שינוי פורייה מהיר (FFT) של xy-העמדה של החלקיקים לאורך הזמן מגלה ספקטרום תדרים.
   הערה: כאן, קוד שנכתב עצמי "PRO איגור 'מחשב תכנית משמש כדי לנתח את עמדת מרכז החלקיקים בXY המטוס לאורך זמן ולצורך ניתוח FFT.
4. כחלופה לקוד איגור בכתב עצמי להשתמש בתכנית "וידאו ספוט Tracker" זמינה באופן חופשי למעקב אחר החלקיקים בווידאו. השתמש בתוכנה המסחרית 'המקור' כדי לבצע את השינוי פורייה של נתוני מעקב:
   1. גרור את קובץ וידאו לתכנית הפתוחה 'ספוט וידאו Tracker ".
   2. עכבר לחץ על החלקיק ראה בתמונה הראשונה של זרם וידאו ואזור מעגלי של מופיעה ריבית.
   3. בחר ו" מטב "" סימטריים "בחלון שורת הפקודה העליון כדי לייעל את המעקב אחר החלקיקים.
   4. העכבר לחץ על "כניסה" בחלון שורת הפקודה העליון ולבחור תיקייה כדי לשמור את הנתונים. נתוני המעקב יישמרו כגיליון אלקטרוני נתונים.
   5. העכבר לחץ על "וידאו הצגה" בחלון שורת הפקודה השמאלי של תכנית המעקב ולחכות עד שכל המסגרות של הווידאו מנותחות.
   6. סגור את התוכנה ולפתוח את גיליון אלקטרוני נתונים שנשמר עם 'מקור'. הגדר את ערכי העמודה בשם "y _1" ו "y _2".
   7. הגדר צעדי זמן לכל מסגרת וידאו כמו "x" בגיליון האלקטרוני נתונים 'המקור'.
   8. מארק xעמדת עמודה ולבצע FFT על ידי הבחירה "ניתוח נתונים" ו "FFT" בחלון שורת הפקודה העליון. חזור על השלב לעמודת Y-המיקום.
   9. העלילה אמפליטודות של אות FFT מחושבת בx ו-y כיוון לעומת התדר.

4. סימולציה נומרית

1. לחשב את α הקיטוב של חלקיקי זהב 60 ננומטר באמצעות תוכנת המחשב "Mathematica".
   1. השתמש במשוואה (1) כדי לחשב את הקיטוב פי Kuwata אח' ^16.:
      (1)
   2. מגדיר שלושה הפרמטרים הבאים בקוד התכנית: הפונקציה דיאלקטרי המורכבת אורך הגל תלוי של חלקיקי זהב, רדיוס nanoparticle, ומקדמת שבירה של המדיום שמסביב.
2. השתמש בתיאור של elecהפצת tric תחום קרן גאוס ממוקדת לפי Agayan אח' ¹⁷ כדי לחשב את הכוחות אופטיים הפועלים על חלקיקי זהב 60 ננומטר.:
   (2)
   1. . משוואות שימוש (3) - (6) מAgayan אח' ¹⁷ לחשב את שניהם, את הצבע ופיזור כוחות הפועלים על החלקיק:
      (3)
      (4)
      (5)
      (6)
   2. בקוד התכנית, להגדיר את הפרמטרים לכוח הלייזר, הצמצם המספרי של objective, וpolarizability המורכבת של nanoparticle.
   3. לסכם את הכוח ההדרגתי וכוח הפיזור כדי לחשב את הכוח האופטי הכולל הפועל על חלקיקי זהב במלכודת אופטית.
3. להריץ את סימולציתו זמנית על ידי לחיצה על "קונטרול" ו" Enter ".

תוצאות

איור סכמטי של הגדרת הניסוי מוצג באיור 1 א. תצורת שדה חשוכה יש צורך לזהות אופטי התזוזה של חלקיקי זהב 60 ננומטר במלכודת אופטית ^15. אורך הגל של 1,064 ננומטר לליזר ההשמנה נבחר כדי להבטיח את כליאה יציבה של ^12,14 חלקיקי זהב הגלאי. מפצל אלומה במיקרוסקופ משמש כדי למקד את אלומת אור הלכידה דרך האובייקטיבי וסינון ברמה גבוהה מונע לייזר ההשמנה מלהיכנס למכשיר האיתור של הניסוי. Nauplius היה ביצוע תנועות בפתרון המים המקיפים את nanoparticle לכודים אופטי הזהב ...

דיון

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 לכודים על ידי קרן הלייזר בגלל צימוד plasmonic בין החלקיקים גורם להיסט לאדום של תדר התהודה plasmon ^15. מיקרוסקופ שדה חשוך עם תצורת פינצטה אופטית ולכן מספק אפשרויות ניסיוניות חדשות ומאוד שימושי...

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
מיקרוסקופ Zeiss Axio Scope.A1	Carl Zeiss	490035-0012-000	תאורת שדה כהה
מטרת מים Achroplan	Carl Zeiss	440087	הגדלה של פי 100, NA = 1.0
אובייקט אוויר Epiplan	Carl Zeiss	442934	הגדלה של פי 10, NA = 0.2
מעבה שמן שדה כהה	Carl Zeiss	445323	NA = 1.2
Cobolt Rumba CW 1,064 ננומטר DPSSL	Cobolt	1064-05-01-2000-500	1,064 ננומטר, CW, λ = 1,064 ננומטר, 2 וואט, TEM00
מרחיב קרן	אופטיקה		חלק מס' 1064 2-8X 64414
מצלמה במהירות גבוהה Dimax HD	PCO.
Canon EOS 500 D	Canon		FAQ-ID:
מסנן חריץ 8201395700 StopLine 532/1064	Semrock	A11149-711265	מס' חלק NF01-532U
מים
Nauplius Artemia salina
קולואיד זהב	BBIאצווה בינלאומית	13741	קוטר 60 ננומטר
MQMie גרסה 3.2	ד"ר מייקל קווינטן
מתמטיקה 8.0	וולפרם
קומסול מולטיפיזיקה 4.0	קומסול, בע"מ

אדמונד מצלמה צבעונית גרמנית