Analysera rörelsen av nauplii "<em> Artemia salina</em> "Genom optisk spårning av Plasmoniska Nanopartiklar
Summary
Vi använder optisk spårning av plasmoniska nanopartiklar för att undersöka och karakterisera frekvensrörelser vattenorganismer.
Abstract
Vi visar hur optiska pincetten kan tillhandahålla ett känsligt verktyg för att analysera de fluidiska vibrationer som genereras av förflyttning av mindre vattenorganismer. En enda guldnanopartiklar som innehas av en optisk pincett används som en sensor för att kvantifiera den rytmiska rörelsen hos en nauplii larv (Artemia salina) i ett vattenprov. Detta uppnås genom att övervaka beroende förskjutningen av instängd nanoparticle tiden som en konsekvens av nauplii aktivitet. En Fourier-analys av nanopartiklar ståndpunkt ger sedan ett frekvensspektrum som är karakteristisk för att rörelsen hos de observerade arter. Detta experiment visar förmågan av denna metod för att mäta och karakterisera aktiviteten av små vattenlevande larver utan krav att observera dem direkt och att få information om läget för larverna med avseende på den fångade partikeln. Sammantaget skulle detta tillvägagångssätt ger en inblick på vitaliteten av vissa arter som finns i en vattenlevande ecosystem och skulle kunna öka utbudet av konventionella metoder för analys av vattenprover.
Introduction
Vattenkvalitet bedömning baserad på kemiska och biologiska indikatorer är av grundläggande betydelse för att få kunskap om de statliga och miljöförhållanden i ett akvatiska ekosystem 1-3. Klassiska metoder för kemisk vattenanalys är baserade på organoleptiska egenskaper eller bestämning av fysikalisk-kemiska parametrar. Biologiska indikatorer, å andra sidan, är djurarter vars närvaro och lönsamhets ge insikt om miljöförhållanden och effekten av föroreningar för ett ekosystem som de förekommer i. Typiska exempel för bioindikatorer är Hoppkräftor, en grupp av små vatten kräftdjur, som kan hittas i nästan alla vatten livsmiljö 4,5. Observation av aktivitet och livskraften hos dessa arter från ett vattenprov kan således användas för att få information om de övergripande villkoren i ett ekosystem 5. Larver av Hoppkräftor, som kallas Nauplii, använder rytmiska slag av sina antenner (varje larv har tre par appendaGES i spetsen region) att simma i vatten 6. Frekvensen och intensiteten av dessa slag är därmed en direkt indikator på ålder, kondition, och miljöförhållanden för djur 7-10. Eventuella undersökningar av dessa prover görs oftast med ett mikroskop genom att observera och räkna antenn slag av Nauplii direkt. På grund av sin storlek (~ 100-500 nm) 11, krävs det ofta att göra mätningar, antingen en i taget eller för att fastställa en enhetlig nauplii till ett substrat.
Här visar vi en ny metod för att observera aktiviteten av Hoppkräfta larver i vattenprover med hjälp av ett optiskt fångade guldnanopartiklar som en ultrakänslig detektor. Optisk pincett används vanligtvis av många grupper som en fin experimentell verktyg för att tillämpa eller mäta krafterna mellan molekyler ned till piconewton intervallet 12-14. På senare tid har utbudet av applikationer för optisk pincett utökats för att observera akustiska vibrationer och lösant fluktuationer i flytande media genom att övervaka rörelsen av nano-och mikropartiklar som är begränsade i en optisk fälla 15. Partiklar som är nedsänkta i en vätska utsätts för Brownsk rörelse. Inuti en optisk fälla emellertid denna rörelse är delvis dämpas av en stark, laserinducerad, lutning kraft. Följaktligen kan styvheten hos den optiska fällan och lokaliseringen av partikeln i fokus för laserstrålen finjusteras genom lasereffekten. Samtidigt är det möjligt att avslöja egenskaper om det fångande potentialen och för att analysera interaktioner mellan molekyler med partikeln genom att övervaka den tidsberoende partikelrörelse i fällan. Detta tillvägagångssätt gör det möjligt att plocka upp den frekvens, intensitet, och riktningen för fluidrörelse som genereras av ett rörligt föremål i dess vätskemiljö. Vi visar hur denna allmänna idé kan användas för att erhålla ett frekvensspektrum för den rörelse hos en individ nauplii utan kravetatt direkt störa provet. Denna experimentella metod införs ett nytt allmänt begrepp för observation av den rörliga beteende vattenlevande exemplar i ett mycket känsligt sätt. För synpunkter på bioindikator arter, kan detta öka den nuvarande metoden för vattenanalys och kan användas för att få information om hälsa och integritet akvatiska ekosystem.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mörkfältsmikroskopi är ett kraftfullt verktyg för att visualisera guld nanopartiklar med dimensioner under den optiska diffraktionsgränsen, eftersom spridningstvärsnittet av metallnanopartiklar överstiger deras geometriska tvärsnitt (jfr Figur 2A) 18. I en pincett setup, tillåter denna metod även för att särskilja om endast en enda eller flera guldnanopartiklar fångas av laserstrålen på grund plasmoniska koppling mellan partiklarna orsakar en röd-skift av plasmon resonansfrekv…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ekonomiskt stöd från Europeiska forskningsrådet genom Advanced Investigator Grant HYMEM, av DFG genom Nanosystems initiativet München (NIM) och genom Sonderforschungsbereich (SFB1032), är projektet A8 tacksamt. Vi är tacksamma till Dr Alexander Ohlinger, Dr Sol Carretero-Palacios och Spa Nedev för stöd och givande diskussioner.
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).
