Ind i det molekylære øje:Undersøgelse af flydende prøver i realtid

Biofilm er en integreret del af Jordens økologi og livets bæredygtighed. Består af mikroorganismer, biofilm spiller en afgørende rolle i genbrug af livets vigtigste elementer. Men mangel på alsidige analyseværktøjer har gjort det udfordrende at udtrække kritisk information om biofilmprocesser.

En ny måde at studere biofilm på

Nu, EMSL -videnskabsmand Zihua Zhu og kolleger har udviklet en måde at studere biofilm i deres hjemland, gør det muligt at undersøge biofilm-substrat-grænseflader på molekylært niveau for første gang. Allerede, teamet har lært, at biofilm af bakterien Shewanella oneidensis , og en af ​​dens mutanter, kan overleve indførelsen af ​​chrom (VI), et kendt kræftfremkaldende stof, der i vid udstrækning bruges som et korrosionsbeskyttende middel. Brug af biofilm til at rense krom (VI) -forurenet vand kan vise sig at være revolutionerende i vores bestræbelser på at afhjælpe gamle industriaffaldspladser.

Værktøjet, der gør dette muligt, kaldes in situ flydende sekundær ion -massespektrometri (SIMS). Traditionelle SIMS -teknikker forhindrer forskere i at studere vandige systemer, fordi tilstedeværelsen af ​​vanddamp forstyrrer vakuumet, ugyldige resultater. De betragtes også som "hårde" metoder, idet de forstyrrer mange interaktioner på molekylært niveau, som forskere er interesserede i at studere. In situ flydende SIMS, imidlertid, er designet til at omgå problemet med højt damptryk.

Hvordan det gøres

In situ flydende SIMS bruges til at undersøge molekylære strukturer i opløsning. Ved at sprænge en højenergi-ionstråle ved løsningens overflade, forskere kan tvinge udstødning af en række partikler - fra enkeltatomer til molekylære klynger. Forskere bruger et miljø med højt vakuum til at isolere de udstødte partikler, hvoraf nogle er ioniserede, fra bulkprøven. De ioniserede partikler indføres derefter i et massespektrometer og analyseres.

Fordi så mange systemer, der er vigtige for menneskelivet, naturligt forekommer i vandbaserede miljøer, udviklingen af ​​in situ flydende SIMS udvider de nuværende videnskabelige grænser ved at lade forskere studere et væld af systemer, herunder aerosoler, i deres oprindelige tilstand uden at forstyrre vigtige interaktioner.

Sammenligning af in situ flydende SIMS med et molekylært øje, Zhu siger, at det giver forskere mulighed for at undersøge molekyler direkte for at se, hvad der sker på deres niveau. Teknikken, første specialudviklede i 2011, har det grundlæggende design af traditionel SIMS med ændringer til undersøgelse af vandige prøver. En sådan justering er brugen af ​​en mikrofluidgrænseflade. Dette indebærer brug af et tyndt siliciumnitridlag placeret mellem prøven (som strømmer gennem en lille kanal) og dens miljø, effektivt at sætte prøven i karantæne fra forurening og fra omgivelserne med højt vakuum i SIMS-instrumentet. Maskinen bruger derefter en højstrøms ionstråle til omhyggeligt at bore et hul gennem siliciumnitridlaget, indtil opløsningen udsættes for en mikroskopisk 2 µm tyk åbning. Fordi hullet er så lille, overfladespændingen af ​​prøven minimerer fordampning af vand, mens den stadig giver adgang til SIMS -strålen.

Forståelse for sekundær aerosoldannelse

Fra skydannelse til mængden af ​​partikler i luften, organiske aerosoler spiller en central rolle i atmosfæriske og klimatiske processer. Stammer primært fra små organiske molekyler udsendt af planter, forstå, hvordan de bliver større, tungere komponenter i sekundære organiske aerosoler kan hjælpe forskere med at producere bedre forudsigelsesmodeller. Med in situ flydende SIMS, forskere kan udføre molekylært niveau analyse af sekundær aerosolkernen, en proces, der opstår, når kemiske reaktioner skaber partikler fra gasformige primære aerosoler.

Zhu og hans team har allerede bragt kritisk information frem om den indledende kimdannelse af sekundære aerosoler - vigtig information til vurdering af aerosols indvirkning på atmosfæriske processer.

Succes kommer fra teamindsats

Zhu, sammen med PNNL-forsker Xiao-Ying Yu og tidligere PNNL-medarbejder James Cowin, begyndte i 2010 at fokusere mere intensivt på udviklingen af ​​in situ flydende SIMS. Deres opfindelse, oprindeligt undfanget af Yu, blev patenteret i 2013 og vandt en R&D 100 Award i 2014. Til dato har Zhu og hans team har offentliggjort 24 papirer relateret til in situ flydende SIMS, med otte af disse papirer omtalt som omslag i tidsskrifter med stor indflydelse, inklusive Analytisk kemi , Analytiker , og Journal of Physical Chemistry Letters .

Yu er i øjeblikket hovedforskeren på et andet projekt, der bruger in situ flydende SIMS til at studere luft-væske-grænsefladens rolle i sekundær aerosoldannelse.

Zhu og hans kolleger har i øjeblikket tre in situ flydende SIMS -papirer i revision og mere i værkerne. De har ingen planer om at stoppe når som helst - teamets vejledende formål er at udvide applikationer af in situ flydende SIMS og fungere som banebrydere i teknikken.

"Vi har allerede nået meget, men mit største ønske er at få andre forskere til at bruge de teknikker, vi har udviklet, til god brug for at tackle yderligere videnskabelige spørgsmål, "siger Zhu.