Biofilms zijn een integraal onderdeel van de ecologie van de aarde en de duurzaamheid van het leven. Bestaat uit micro-organismen, biofilms spelen een cruciale rol bij het recyclen van de meest essentiële elementen van het leven. Maar een gebrek aan veelzijdige analytische hulpmiddelen maakte het een uitdaging om kritische informatie over biofilmprocessen te extraheren.

Een nieuwe manier om biofilms te bestuderen

Nutsvoorzieningen, EMSL-wetenschapper Zihua Zhu en collega's hebben een manier ontwikkeld om biofilms in hun geboortestaat te bestuderen, waardoor het voor het eerst mogelijk is om biofilm-substraat-interfaces op moleculair niveau te onderzoeken. Nu al, het team heeft geleerd dat biofilms van de bacterie Shewanella oneidensis , en een van zijn mutanten, kan de introductie van chroom (VI) overleven, een bekend carcinogeen dat veel wordt gebruikt als een anticorrosief middel. Het gebruik van biofilms om met chroom (VI) verontreinigd water te reinigen, zou revolutionair kunnen zijn in onze inspanningen om verouderde industriële afvallocaties te saneren.

De tool die dit mogelijk maakt, wordt in situ vloeibare secundaire ionenmassaspectrometrie (SIMS) genoemd. Traditionele SIMS-technieken voorkomen dat onderzoekers waterige systemen bestuderen omdat de aanwezigheid van waterdamp het vacuüm verstoort, ongeldige resultaten. Ze worden ook als "harde" methoden beschouwd omdat ze veel interacties op moleculair niveau verstoren die wetenschappers willen bestuderen. In situ vloeibare SIMS, echter, is ontworpen om het probleem van hoge dampdruk te omzeilen.

Hoe het gedaan wordt

In situ vloeibare SIMS wordt gebruikt om moleculaire structuren in oplossing te onderzoeken. Door een hoogenergetische ionenstraal op het oppervlak van de oplossing te blazen, onderzoekers kunnen een reeks deeltjes geforceerd uitwerpen - van enkele atomen tot moleculaire clusters. Wetenschappers gebruiken een hoogvacuümomgeving om de uitgestoten deeltjes te isoleren, waarvan sommige geïoniseerd zijn, uit het bulkmonster. De geïoniseerde deeltjes worden vervolgens in een massaspectrometer gebracht en geanalyseerd.

Omdat zoveel systemen die belangrijk zijn voor het menselijk leven van nature voorkomen in omgevingen op waterbasis, de ontwikkeling van in situ vloeibare SIMS verlegt de huidige wetenschappelijke grenzen door wetenschappers in staat te stellen een groot aantal systemen te bestuderen, inclusief die van spuitbussen, in hun oorspronkelijke staat zonder belangrijke interacties te verstoren.

In situ vloeibare SIMS vergelijken met een moleculair oog, Zhu zegt dat het wetenschappers in staat stelt om moleculen rechtstreeks te onderzoeken om te zien wat er op hun niveau gebeurt. De techniek, eerst op maat ontwikkeld in 2011, heeft het basisontwerp van traditionele SIMS met aanpassingen voor het bestuderen van waterige monsters. Een dergelijke aanpassing is het gebruik van een microfluïdische interface. Dit omvat het gebruik van een dunne laag siliciumnitride die tussen het monster (dat door een klein kanaal stroomt) en zijn omgeving wordt geplaatst, het monster effectief in quarantaine te plaatsen tegen verontreiniging en uit de hoogvacuümomgeving van het SIMS-instrument. De machine gebruikt vervolgens een ionenbundel met hoge stroomsterkte om voorzichtig een gat door de siliciumnitridelaag te boren totdat de oplossing wordt blootgelegd door een microscopisch kleine opening van 2 µm dik. Omdat het gat zo klein is, de oppervlaktespanning van het monster minimaliseert de verdamping van water terwijl de SIMS-straal nog steeds toegang heeft.

Secundaire aerosolvorming begrijpen

Van wolkenvorming tot de hoeveelheid fijnstof in de lucht, organische aerosolen spelen een sleutelrol in atmosferische en klimatologische processen. Voornamelijk afkomstig van kleine organische moleculen die door planten worden uitgestoten, begrijpen hoe ze groter worden, zwaardere componenten in secundaire organische aerosolen kunnen onderzoekers helpen betere voorspellende modellen te maken. Met in situ vloeibare SIMS, onderzoekers kunnen analyses op moleculair niveau uitvoeren van secundaire aerosolkiemvorming, een proces dat optreedt wanneer chemische reacties deeltjes creëren uit gasvormige primaire aerosolen.

Zhu en zijn team hebben al kritische informatie aan het licht gebracht over de initiële kiemvorming van secundaire aerosolen - belangrijke informatie voor het evalueren van de impact van aerosolen op atmosferische processen.

Succes komt van teaminspanningen

Zhu, samen met PNNL-onderzoeker Xiao-Ying Yu en voormalig PNNL-medewerker James Cowin, is in 2010 gestart om zich intensiever te richten op de ontwikkeling van in situ liquide SIMS. hun uitvinding, oorspronkelijk bedacht door Yu, werd gepatenteerd in 2013 en won een R&D 100 Award in 2014. Tot op heden, Zhu en zijn team hebben 24 artikelen gepubliceerd over in-situ vloeibare SIMS, met acht van die artikelen als omslag in tijdschriften met een hoge impact, inclusief Analytische scheikunde , analist , en Journal of Physical Chemistry Letters .

Yu is momenteel de hoofdwetenschapper bij een ander project dat in situ vloeibare SIMS gebruikt om de rol van het lucht-vloeistof-interface in secundaire aërosolvorming te bestuderen.

Zhu en zijn collega's hebben momenteel drie in situ vloeibare SIMS-papieren in revisie en meer in de maak. Ze zijn niet van plan om snel te stoppen - het leidende doel van het team is om toepassingen van in situ vloeibare SIMS uit te breiden en als pioniers van de techniek op te treden.

“We hebben al veel bereikt, maar mijn grootste wens is dat andere wetenschappers de technieken die we hebben ontwikkeld goed gebruiken om aanvullende wetenschappelijke vragen aan te pakken, " zegt Zhu.