En 3D-molekylär jonbild gör det möjligt för forskare att spåra en PO 3 arter i en levande biofilm som växer under ett fast underlag. Kredit:Environmental Molecular Sciences Laboratory
Biofilmer är en integrerad del av jordens ekologi och livets hållbarhet. Består av mikroorganismer, biofilmer spelar viktiga roller för återvinning av livets viktigaste element. Men bristen på mångsidiga analysverktyg har gjort det utmanande att extrahera kritisk information om biofilmprocesser.
Ett nytt sätt att studera biofilmer
Nu, EMSL -forskaren Zihua Zhu och kollegor har utvecklat ett sätt att studera biofilm i sitt hemland, gör det möjligt att undersöka biofilm-substratgränssnitt på molekylär nivå för första gången. Redan, laget har lärt sig att biofilmer av bakterien Shewanella oneidensis , och en av dess mutanter, kan överleva införandet av krom (VI), ett känt cancerframkallande ämne som ofta används som ett korrosionsskyddande medel. Att använda biofilm för att rengöra krom (VI) -förorenat vatten kan visa sig vara revolutionerande i våra ansträngningar att åtgärda gamla industriavfall.
Verktyget som gör detta möjligt kallas in situ flytande sekundär jonmasspektrometri (SIMS). Traditionella SIMS -tekniker hindrar forskare från att studera vattensystem eftersom närvaron av vattenånga stör vakuumet, ogiltiga resultat. De anses också vara "hårda" metoder genom att de stör många molekylära interaktioner som forskare är intresserade av att studera. In situ flytande SIMS, dock, är utformad för att kringgå problemet med högt ångtryck.
Hur det är gjort
In situ flytande SIMS används för att undersöka molekylära strukturer i lösning. Genom att spränga en jonenstråle med hög energi vid lösningens yta, forskare kan tvinga ut ett antal partiklar - från enstaka atomer till molekylära kluster. Forskare använder en högvakuummiljö för att isolera de utmatade partiklarna, varav några är joniserade, från bulkprovet. De joniserade partiklarna införs sedan i en masspektrometer och analyseras.
Eftersom så många system som är viktiga för människors liv naturligt förekommer i vattenbaserade miljöer, utvecklingen av in situ flytande SIMS utvidgar nuvarande vetenskapliga gränser genom att låta forskare studera en mängd system, inklusive aerosoler, i sitt eget tillstånd utan att störa viktiga interaktioner.
Jämförande in situ flytande SIMS med ett molekylärt öga, Zhu säger att det tillåter forskare att undersöka molekyler direkt för att se vad som händer på deras nivå. Tekniken, första specialutvecklade 2011, har den grundläggande designen av traditionell SIMS med modifieringar för att studera vattenprover. En sådan justering är användningen av ett mikrofluidgränssnitt. Detta innebär användning av ett tunt kiselnitridskikt placerat mellan provet (som rinner genom en liten kanal) och dess omgivning, effektivt sätta karantän på provet från kontaminering och från högvakuummiljön i SIMS-instrumentet. Maskinen använder sedan en jonstråle med hög ström för att försiktigt borra ett hål genom kiselnitridskiktet tills lösningen exponeras av en mikroskopisk 2 µm tjock öppning. Eftersom hålet är så litet, provets ytspänning minimerar avdunstning av vatten samtidigt som SIMS -strålen fortfarande får åtkomst.
En 2-D molekylär jonbild visar hur en flytande organisk aerosolpartikel förändras över tid. Färgskalan representerar koncentrationen av oxiderade produkter. Kredit:Environmental Molecular Sciences Laboratory
Förstå sekundär aerosolbildning
Från molnbildning till mängden partiklar i luften, organiska aerosoler spelar en nyckelroll i atmosfäriska och klimatiska processer. Ursprungligen från små organiska molekyler som växter släpper ut, förstå hur de blir större, tyngre komponenter i sekundära organiska aerosoler kan hjälpa forskare att producera bättre förutsägbara modeller. Med in situ flytande SIMS, forskare kan utföra molekylär analys av sekundär aerosolkärnbildning, en process som uppstår när kemiska reaktioner skapar partiklar från gasformiga primära aerosoler.
Zhu och hans team har redan presenterat kritisk information om den initiala kärnbildningen av sekundära aerosoler - viktig information för att utvärdera aerosols inverkan på atmosfäriska processer.
Framgång kommer från lagarbete
Zhu, tillsammans med PNNL-forskaren Xiao-Ying Yu och tidigare PNNL-medarbetaren James Cowin, började 2010 att fokusera mer intensivt på utvecklingen av in situ flytande SIMS. Deras uppfinning, ursprungligen tänkt av Yu, patenterades 2013 och vann ett R&D 100 Award 2014. Hittills har Zhu och hans team har publicerat 24 artiklar relaterade till in situ flytande SIMS, med åtta av dessa papper som omslag i tidskrifter med stor genomslagskraft, Inklusive Analytisk kemi , Analytiker , och Journal of Physical Chemistry Letters .
Yu är för närvarande ledande forskare på ett annat projekt som använder in situ flytande SIMS för att studera luft-vätskegränssnittets roll i sekundär aerosolbildning.
Zhu och hans kollegor har för närvarande tre in situ flytande SIMS -papper i revidering och mer på gång. De har inga planer på att sluta när som helst - teamets vägledande syfte är att utöka tillämpningar av in situ flytande SIMS och fungera som banbrytare av tekniken.
"Vi har redan uppnått mycket, men min största önskan är att få andra forskare att använda de tekniker vi har utvecklat till god användning för att hantera ytterligare vetenskapliga frågor, säger Zhu.
