Vooruitgang in transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) kan cryo-imaging van biologische en biochemische systemen in vloeibare vorm mogelijk maken, echter, dergelijke benaderingen beschikken niet over geavanceerde analytische capaciteiten. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , A. A. El-Zoka en een internationaal team van onderzoekers in Duitsland, Canada, Frankrijk, en het VK, gebruikte atoomsondetomografie om bevroren vloeistoffen in drie dimensies (3-D) te analyseren met een resolutie van sub-nanometerschaal. In dit werk, het team introduceerde eerst een monstervoorbereidingsstrategie met behulp van nanoporeus goud en gebruikte ijs gevormd uit gedeutereerd water van hoge zuiverheid (hard water) naast een oplossing van natriumchloride (50 mM) opgelost in gedeutereerd water van hoge zuiverheid. Vervolgens analyseerden ze de goud-ijs-interface om verhoogde concentraties opgeloste stoffen over de interface te onthullen. De wetenschappers onderzochten een reeks experimentele omstandigheden om atoomsondeanalyses van bulkwaterige monsters te begrijpen. Daarna bespraken ze de fysieke processen die verband houden met de waargenomen verschijnselen. De studie toonde de bruikbaarheid aan van het gebruik van bevroren water als drager voor analyses op bijna atomaire schaal van objecten in oplossing via atoomsondetomografie.

Transmissie-elektronenmicroscopie en atoomsondetomografie

Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) heeft de afgelopen decennia aanzienlijke vooruitgang geboekt, mede leidend tot de Nobelprijs voor Scheikunde 2017, dankzij de innovatie van cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM) om de structuur met hoge resolutie van biomoleculen in oplossing te bepalen. De cryo-EM-techniek biedt met name de mogelijkheid om specimens snel te bevriezen, zodat in de specimens aanwezige watermoleculen veranderen in transparante ijskristallen. Enorme parallelle inspanningen hebben op vergelijkbare wijze geleid tot atomair opgeloste elektronentomografiemethoden om baanbrekende ontdekkingen in de materiaalwetenschap te bereiken. Ondanks de krachtige analytische mogelijkheden, de benaderingen kunnen de samenstelling van een monster op atomaire schaal niet gemakkelijk meten. Hier, El Zoka et al. beschreef de analyse van microndikke lagen bevroren water gevormd op nanoporeus goud (NPG), met typische toepassingen in katalyse, elektrochemische detectie en bediening dankzij een hoge oppervlakte-tot-volumeverhouding en een goudrijk oppervlak. Het team gebruikte daarom NPG als een hydrofiel (waterminnend) substraat waarop ijs werd geanalyseerd met behulp van atoomsondetomografie.

Om monsters te bereiden die geschikt zijn voor veldverdamping in een atoomsondemicroscoop, El Zoka et al. gebruikte een blotting- en plunge-freezing-aanpak vergelijkbaar met die geïmplementeerd in cryo-EM. Voor deze, ze kozen voor een in-situ plasmafocused ion beam approach (PFIB) bij cryotemperatuur. De opstelling maakte de bereiding mogelijk van een stabiel monster bestaande uit bevroren vloeistof. Ze hebben een breed scala aan gepulseerde laser-atoomsondegegevens van zuiver gedeutereerd water (D ₂ O) en een D ₂ O-gebaseerde oplossing van natriumchloride. Het team heeft kleine metalen objecten die in oplossing drijven in beeld gebracht en gekarakteriseerd door gegevens te analyseren op de ijs-NPG (nanoporeus goud) interfaces. Ze bespraken de fysica van veldverdamping om sets van moleculaire ionen te detecteren en hun invloed op de prestaties van cryo-atoomsondetomografie. Het werk biedt een noodzakelijke stap om een ​​nieuw speelveld te onderzoeken voor analyse op bijna-atomaire schaal van effecten van opgeloste stoffen in ingesloten bevriezende nano-objecten en moleculaire of biologische materialen in hun oorspronkelijke omgeving.

Atoomsonde tomografie van ijs

El Zoka et al. gecombineerde protocollen voor het voorbereiden van monsters met atoomsondetomografie om milieugevoelige monsters over te brengen en herhaaldelijk verzamelde gegevens die ijschemie weergeven met een resolutie van bijna atomaire schaal. Het apparaat bevatte een laser-pulserende modus met een puls van 20 tot 100 petajoule en een pulsfrequentie van 25 tot 200 kHz. Het team stelde de doelverdampingssnelheid in de opstelling in op 0,003 of 0,005 ionen per puls door een toegepaste gelijkstroom (dc) spanning (variërend tussen 2 en 5 kV) in het experiment aan te passen. Ze verkregen een samengevatte dataset die de soepele evolutie van de aangelegde gelijkstroomspanning tijdens het experiment aangeeft. De wetenschappers ontdekten met name kationen uit waterverdamping in de vorm van enkelvoudig geladen moleculaire ionen van één tot vijf D ₂ O-moleculen en detecteerde dat dergelijke waterclusters onderling uitwisselbaar werden geprotoneerd met H (waterstof) en D (deuterium) atomen. Hoe dan ook, volledig gedeutereerde clusters domineerden het mengsel in overvloed. Op deze manier, het voorbereidende werk toonde de mogelijkheid aan om bevroren vloeibaar-metaal-interfaces te analyseren.

Achtergrondgeluid

Het team kwantificeerde ook het achtergrondniveau om de gevoeligheid van de op atoomsonde tomografie gebaseerde analyses van oplossingen te begrijpen. De gedetecteerde achtergrondniveaus waren relatief hoog in vergelijking met gebruikelijke analyses; echter, dit kan worden verlaagd door de experimentele parameters te wijzigen. Omdat ijs een aanzienlijk slechte warmtegeleider is, het team verlaagde de herhalingssnelheid van de laser in het onderzoek om een ​​mogelijke opeenhoping van thermische pulsen te voorkomen. Het team liet zien hoe het variëren van de pulsenergie en de pulsfrequentie een grotere homogeniteit van het veldverdampingsproces mogelijk maakte met afnemende pulserende energieën. Het grootste deel van de waargenomen achtergrond ontwikkelde zich door de veldverdamping van water door het elektrostatische veld. Een daling van het achtergrondniveau kan daarom worden bereikt door de gemiddelde temperatuur van het monster te verlagen, door de gemiddelde temperatuur van het monster te verlagen, of door het gemiddelde elektrostatische veld in het apparaat te verlagen. Bij gebruik van water als dragermedium om nanomaterialen te analyseren, moeten de experimentele omstandigheden worden verfijnd om de signaal-tot-achtergrondverhouding te maximaliseren.

Op deze manier, A. A. El-Zoka en collega's overwonnen de barrières van conventionele gefocusseerde ionenbundel / atoomsondetomografie (FIB / APT) om vloeistoflagen en nanostructuren ingekapseld in vloeistoflagen te analyseren. Het team gebruikte nanoporeus goud (NPG) als substraat om ijsnaalden te ontwikkelen in combinatie met een cryo-plasma-gerichte ionenstraal (cryo-PFIB) die geschikt is voor analyse van atoomsondes. De resultaten toonden het vermogen aan om bulkijslagen te analyseren en ingekapselde nano-ligamenten naast de omringende gesolvateerde ionen op bijna atomaire schaal te onderzoeken. De aanpak zal de weg vrijmaken om nanoporeuze metalen te gebruiken om routinematig vloeistoflagen te onderzoeken op ingekapselde nanostructuren. De chemie van het metaal en de poriegrootte kunnen worden geoptimaliseerd om de waargenomen aberraties op het ijs-vaste grensvlak en binnen nanoporiën van materialen te verbeteren. De reeks experimenten die hier is voltooid, maakt een eerste en grote stap voorwaarts mogelijk om analytische beeldvorming op bijna atomaire schaal te ontwikkelen van chemische, biochemische en biologische systemen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk