Мы используем оптический отслеживание плазмонных наночастиц, чтобы исследовать и охарактеризовать частотные движения водных организмов.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
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.
Введение
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.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол
1. Экспериментальная установка
- Использование последнюю правой микроскоп и темного масла конденсатор поле с числовой апертурой (NA) = 1,2 для темного поля. Используйте погружения в воду цели с 100-кратном увеличении и NA = 1,0 для наблюдений частиц и захвата. Используйте воздушный цели с 10-кратным увеличением и NA = 0,2 следовать движение Навплия.
- Используйте настройки оптического пинцета с нм лазера непрерывного излучения в 1064 в сочетании в до-правой микроскоп. Установите мощность лазера оптической ловушке до 100 мВт (измеряется с помощью измерителя мощности после цели).
- Используйте высокоскоростную камеру CMOS или Цифровая зеркальная (DSLR) камеры для обнаружения и изображение движение золота частиц в оптической ловушке и движения Навплия.
- С помощью режекторного фильтра, чтобы предотвратить лазера от входа в камеру.
- Используйте измеритель мощности для измерения мощности лазера после цели.
2. Подготовка образца
- Внесите капля воды (180 мкл) на микроскоп стекло и поместите образец на темном поле микроскопа.
- Внесите в науплиуса из небольшого резервуара для воды в капли воды.
- Использование воздуха цели 10X наблюдать за движением Навплия в растворе и записи видеопотока.
- Использование наночастиц золота диаметром 60 нм в качестве детектора чтобы наблюдать движение жидкости сгенерированный Навплия. Таким образом, добавление 5 мкл сильно разбавленного раствора частиц в капли воды, так что приблизительно одна частица можно увидеть в поле зрения с 100X воды иммерсионный объектив.
3. Частиц Отслеживание Эксперимент
- Ловушка один наночастиц золота с оптическим пинцетом. Таким образом, принести 1064 нм образующих лазерных тесную к золотой наночастицы, который диффундирующего в раствор, перемещая столик микроскопа. Привлекательные оптические силы тянуть наночастиц золота к фокальной точке гоэ лазерный луч. Ловушке частиц не распространяющей больше, и скорее держит свои позиции. Возьмем видеопоток захваченного наночастицы с цифровой камерой с частотой кадров 50 Гц в течение 30 сек.
- Выключите лазер оптического пинцета и отпустите наночастиц золота из ловушки.
- Используйте программу отслеживания частиц до считывания положение оптически ловушке частицы золота в каждом кадре видеопотока. Быстрое преобразование Фурье (БПФ) из ху положении частицы с течением времени показывает частотный спектр.
ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь, самостоятельно написал "ИГОРЬ PRO" компьютер программный код был использован для анализа центральную частиц положение в плоскости ху с течением времени, а также для анализа FFT. - В качестве альтернативы самостоятельной написано ИГОРЬ кода использовать свободно распространяемый программу 'видеоролик Tracker' для отслеживания частицу в видео. Используйте коммерческое программное обеспечение «происхождение», чтобы выполнить преобразование Фурье отслеживания данных:
- Перетащите видеофайл открытую программу «Агитационный ролик Tracker".
- Щелчок мышкой на частицы видели в первой картине видеопотока и круговой области появится интерес.
- Выберите "симметричный" и "оптимизировать" в верхнем окне командной строки для оптимизации отслеживания частицы.
- Щелчок мышью "Вход" в верхнем окне командной строки и выберите папку для сохранения данных. Данные отслеживания будут сохранены в виде электронной таблицы данных.
- Щелчок мышью "Play Video" на левом окне командной строки программы слежения и ждать, пока все кадры из видео не анализируются.
- Закройте программу и открыть сохраненный таблицу данных с 'происхождения'. Установите значения столбцов как "у 1" и "у 2».
- Установите временные шаги для каждого кадра, как "х" в данных таблицы «происхождение».
- Марк х-Положение колонки и выполнить БПФ, выбрав "Анализ данных" и "БПФ" в верхнем окне командной строки. Повторите шаг для столбца Y-положении.
- Участок амплитуды расчетного сигнала FFT в х-и у-направлении в зависимости от частоты.
4. Численное моделирование
- Рассчитать поляризуемость α на 60 нм частицы золота с помощью компьютерной программы "Mathematica".
- С помощью уравнения (1) для вычисления поляризуемости в соответствии с Kuwata и др. 16.:
(1) - Определите следующие три параметра в тексте программы: зависит от длины волны комплексная диэлектрическая функция частицы золота, радиус наночастиц, и показателя преломления окружающей среды.
- С помощью уравнения (1) для вычисления поляризуемости в соответствии с Kuwata и др. 16.:
- Используйте описание электроновэлектрического распределение поля сфокусированного гауссова пучка в соответствии с Agayan и др. 17 для расчета оптических сил, действующих на 60 нм золотых частиц.:
(2) - . Использование уравнения (3) - (6) от Агаян и др. 17 для расчета как, градиент и рассеяния силы, действующие на частицу:
(3) 
(4) 
(5) 
(6) - В коде программы, определить параметры для мощности лазера, числовую апертуру оЕЛЬ, а комплекс поляризуемость наночастицы.
- Суммируем градиентную силу и силу рассеяния для расчета общей оптической силы, действующей на частицы золота в оптической ловушке.
- . Использование уравнения (3) - (6) от Агаян и др. 17 для расчета как, градиент и рассеяния силы, действующие на частицу:
- Запустите моделирование, одновременно нажав "Control" и "Enter".
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты
Схематическое изображение экспериментальной установки показано на фиг.1А. Конфигурация темное поле необходимо оптически обнаружить смещение 60 нм частицы золота в оптической ловушке 15. Длина волны 1064 нм для захвата лазера выбирают так, чтобы гарантировать устойчивое удержание детектора 12,14 частиц золота. Светоделитель в микроскоп используется для фокусировки луча от захватывающего через объектив и режекторный фильтр предотвращает образующих лазерных от входа в устройство обнар...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
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, этот подход позволяет даже различать, если только один или несколько наночастицы золота захватываются лазерного луча, потому что плазмонных связи между частицами вызывает красное смещение от плазмонного резонанса частоты ...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Авторы заявляют, что они не имеют конкурирующие финансовые интересы.
Благодарности
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.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Микроскоп Zeiss Axio Scope.A1 | Carl Zeiss | 490035-0012-000 | Освещение темного поля |
| Водный объектив Achroplan | Carl Zeiss | 440087 | 100X увеличение, NA = 1.0 |
| Воздушный объектив Epiplan | Carl Zeiss | 442934 | 10X увеличение, NA = 0.2 |
| Масляный конденсатор темного поля | Carl Zeiss | 445323 | NA = 1.2 |
| Cobolt Rumba CW 1,064 нм DPSSL | Cobolt | 1064-05-01-2000-500 | 1,064 нм, CW, λ = 1,064 нм, 2 Вт, TEM00 |
| Расширитель луча | Edmund Optics Артикул | No 1064 2-8X 64414 | |
| Высокоскоростная камера Dimax HD | PCO. Германия | ||
| Цветной фотоаппарат Canon EOS 500 D | Canon | FAQ-ID: 8201395700 | |
| Режекторный фильтр StopLine 532/1064 | Semrock | A11149-711265 | Артикул NF01-532U |
| Вода | |||
| Nauplius Artemia salina | |||
| Gold коллоид | BBInternational | Batch 13741 | Диаметр 60 нм |
| MQMie Версия 3.2 | Д-р Майкл Квинтен | ||
| Mathematica 8.0 | Wolfram | ||
| Comsol Multiphysics 4.0 | COMSOL, Inc. |
Ссылки
- 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).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
