Nær-atomisk skala analyse af frosset vand

Fremskridt inden for transmissionselektronmikroskopi (TEM) kan tillade kryo-billeddannelse af biologiske og biokemiske systemer i flydende form, imidlertid, sådanne tilgange besidder ikke avancerede analytiske evner. I en ny rapport, der nu er offentliggjort den Videnskabens fremskridt , A. A. El-Zoka og et internationalt team af forskere i Tyskland, Canada, Frankrig, og U.K., brugt atomsondetomografi til at analysere frosne væsker i tre dimensioner (3-D) med sub-nanometer skala opløsning. I dette arbejde, holdet introducerede først en prøveforberedelsesstrategi ved hjælp af nanoporøst guld og brugt is dannet af deutereret vand med høj renhed (hårdt vand) sammen med en opløsning af natriumchlorid (50 mM) opløst i deutereret vand med høj renhed. De analyserede derefter guld-is-grænsefladen for at afsløre øgede opløste koncentrationer på tværs af grænsefladen. Forskerne udforskede en række eksperimentelle forhold for at forstå atomsondeanalyser af vandige bulkprøver. Derefter diskuterede de de fysiske processer forbundet med de observerede fænomener. Undersøgelsen viste det praktiske ved at bruge frosset vand som en bærer til analyser i næsten atomær skala af objekter i opløsning via atomsondetomografi.

Transmissionselektronmikroskopi og atomsondetomografi

Transmissionselektronmikroskopi (TEM) har gennemgået betydelige fremskridt i de seneste årtier, dels førende til 2017 Nobelprisen i kemi, på grund af innovationen af ​​kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM) for at bestemme højopløsningsstrukturen af ​​biomolekyler i opløsning. Cryo-EM-teknikken giver især mulighed for at fryse prøver hurtigt, så vandmolekyler, der er til stede i prøverne, bliver til gennemsigtige iskrystaller. Enorme parallelle bestræbelser har ligeledes etableret atomisk opløste elektrontomografimetoder for at opnå banebrydende opdagelser inden for materialevidenskab. På trods af de stærke analytiske evner, tilgangene kan ikke uden videre måle sammensætningen af ​​en prøve på atomare skala. Her, El-Zoka et al. beskrev analysen af ​​mikrontykke lag af frosset vand dannet på nanoporøst guld (NPG), med typiske anvendelser inden for katalyse, elektrokemisk sensing og aktivering på grund af et højt overflade-areal-til-volumen-forhold og guldrig overflade. Holdet brugte derfor NPG som et hydrofilt (vandelskende) substrat til at analysere is på ved hjælp af atomsondetomografi.

For at forberede prøver egnet til feltfordampning i et atomsondemikroskop, El-Zoka et al. brugte en blotting og dyk-frysning tilgang svarende til den implementeret i cryo-EM. For det, de valgte en in-situ plasmafokuseret ionstråletilgang (PFIB) ved kryo-temperatur. Arrangementet tillod fremstillingen af ​​en stabil prøve bestående af frossen væske. De detaljerede en bred vifte af pulserende laser atom probe data fra rent deutereret vand (D ₂ O) og en D ₂ O-baseret opløsning af natriumchlorid. Holdet afbildede og karakteriserede små metalliske objekter, der svævede i opløsning ved at analysere data ved is-NPG-grænseflader (nanoporøst guld). De diskuterede fysikken i feltfordampning for at detektere sæt af molekylære ioner og deres indflydelse på udførelsen af ​​kryo-atom probe tomografi. Arbejdet giver et nødvendigt skridt til at undersøge et nyt spillefelt for næsten atomær skala-analyse af opløste stoffers effekter i indelukkede frysende nanoobjekter og molekylære eller biologiske materialer i deres oprindelige miljøer.

Atomsonde tomografi af is

El-Zoka et al. kombinerede protokoller til forberedelse af atomsondetomografi-prøver til at overføre miljøfølsomme prøver og gentagne gange indsamlede data, der viser iskemi i opløsning i næsten atomær skala. Enheden indeholdt en laserpulserende tilstand med en puls på 20 til 100 petajoule og en pulsfrekvens på 25 til 200 kHz. Holdet indstillede målfordampningshastigheden i opsætningen til 0,003 eller 0,005 ioner pr. puls ved at justere en påført jævnstrøm (DC) spænding (mellem 2 til 5 kV) i eksperimentet. De opnåede et opsummeret datasæt, der indikerer den jævne udvikling af den påførte jævnstrømsspænding under eksperimentet. Forskerne opdagede især kationer fra vandfordampning i form af enkeltladede molekylære ioner på en til fem D ₂ O-molekyler og detekterede, at sådanne vandklynger var udskifteligt protoneret med H (brint) og D (deuterium) atomer. Alligevel, fuldt deutererede klynger dominerede blandingen i overflod. På denne måde det foreløbige arbejde viste muligheden for at analysere frosne flydende-metal-grænseflader.

Baggrundsstøj

Holdet kvantificerede også baggrundsniveauet for at forstå følsomheden af ​​atomsondens tomografi-baserede analyser af løsninger. De påviste baggrundsniveauer var relativt høje sammenlignet med sædvanlige analyser; imidlertid, dette kunne sænkes ved at ændre de eksperimentelle parametre. Da is er en væsentlig dårlig varmeleder, holdet sænkede gentagelseshastigheden af ​​laseren i undersøgelsen for at forhindre en mulig ophobning af termiske impulser. Holdet viste, hvordan varierende pulsenergi og pulsfrekvens tillod øget homogenitet af feltfordampningsprocessen med faldende pulserende energier. Det meste af den observerede baggrund udviklede sig på grund af feltfordampningen af ​​vand af det elektrostatiske felt. Et fald i baggrundsniveauet kunne derfor opnås ved at sænke prøvens gennemsnitstemperatur, ved at sænke prøvens gennemsnitstemperatur, eller ved at sænke det gennemsnitlige elektrostatiske felt i enheden. Når man bruger vand som et bæremedium til at analysere nanomaterialer, kræver de eksperimentelle forhold finjustering for at maksimere signal-til-baggrundsforholdet.

På denne måde A. A. El-Zoka og kolleger overvandt barriererne for konventionel fokuseret ionstråle/atom-sondetomografi (FIB/APT) for at analysere væskelag og nanostrukturer indkapslet i væskelag. Holdet brugte nanoporøst guld (NPG) som et substrat til at udvikle isnåle i kombination med en kryoplasma-fokuseret ionstråle (cryo-PFIB) egnet til atomsondeanalyse. Resultaterne viste evnen til at analysere bulk-is-lag og sondere indkapslede nano-ligamenter sammen med de omgivende solvatiserede ioner i nær-atomisk skala. Tilgangen vil bane vejen for at bruge nanoporøse metaller til rutinemæssigt at undersøge væskelag ved indkapslede nanostrukturer. Metallets kemi og porestørrelse kan optimeres for at forbedre observerede aberrationer ved is-faststof-grænsefladen og inden for nanoporer af materialer. Sættet af eksperimenter, der er afsluttet her, tillader et første og stort skridt fremad for at udvikle analytisk billeddannelse af kemiske stoffer i nær-atomare skala, biokemiske og biologiske systemer.

© 2020 Science X Network