Framsteg inom transmissionselektronmikroskopi (TEM) kan möjliggöra kryo-avbildning av biologiska och biokemiska system i flytande form, dock, sådana tillvägagångssätt har inte avancerad analytisk förmåga. I en ny rapport som nu publiceras den Vetenskapens framsteg , A. A. El-Zoka och ett internationellt team av forskare i Tyskland, Kanada, Frankrike, och Storbritannien, använde atomsondstomografi för att analysera frusna vätskor i tre dimensioner (3-D) med upplösning på subnanometerskala. I det här arbetet, teamet introducerade först en provberedningsstrategi med användning av nanoporöst guld och använd is bildad av högrent deutererat vatten (hårt vatten) tillsammans med en lösning av natriumklorid (50 mM) löst i högrent deutererat vatten. De analyserade sedan guld-is-gränssnittet för att avslöja ökade koncentrationer av lösta ämnen över gränssnittet. Forskarna undersökte en rad experimentella förhållanden för att förstå atomsondsanalyser av vattenhaltiga bulkprover. Därefter diskuterade de de fysiska processerna som är förknippade med de observerade fenomenen. Studien visade det praktiska i att använda fruset vatten som bärare för analyser i nära atomär skala av föremål i lösning via atomsondstomografi.

Transmissionselektronmikroskopi och atomsondstomografi

Transmissionselektronmikroskopi (TEM) har genomgått betydande framsteg under de senaste decennierna, som delvis ledde till 2017 års Nobelpris i kemi, på grund av innovationen av kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM) för att bestämma högupplösta strukturen hos biomolekyler i lösning. Kryo-EM-tekniken erbjuder framför allt möjligheten att frysa prover snabbt så att vattenmolekyler som finns i proverna förvandlas till transparenta iskristaller. Enorma parallella ansträngningar har på liknande sätt etablerat atomiskt lösta elektrontomografimetoder för att åstadkomma banbrytande upptäckter inom materialvetenskap. Trots den kraftfulla analytiska förmågan, tillvägagångssätten kan inte lätt mäta sammansättningen i atomär skala av ett prov. Här, El-Zoka et al. beskrev analysen av mikrontjocka lager av fruset vatten bildade på nanoporöst guld (NPG), med typiska tillämpningar inom katalys, elektrokemisk avkänning och aktivering på grund av ett högt förhållande mellan ytarea och volym och guldrik yta. Teamet använde därför NPG som ett hydrofilt (vattenälskande) substrat för att analysera is med hjälp av atomsondstomografi.

Provberedning

För att förbereda prover lämpade för fältindunstning i ett atomsondsmikroskop, El-Zoka et al. använde en blotting- och doppfrysningsmetod liknande den som implementerades i cryo-EM. För detta, de valde en in-situ plasmafokuserad jonstråle (PFIB) vid kryotemperatur. Arrangemanget möjliggjorde framställningen av ett stabilt prov bestående av frusen vätska. De beskrev ett brett utbud av pulsade laseratomsonddata från rent deutererat vatten (D ₂ O) och ett D ₂ O-baserad lösning av natriumklorid. Teamet avbildade och karakteriserade små metallföremål som flyter i lösning genom att analysera data vid gränssnitten is-NPG (nanoporöst guld). De diskuterade fysiken för fältavdunstning för att detektera uppsättningar av molekylära joner och deras inverkan på prestandan av kryoatomsondtomografi. Arbetet ger ett nödvändigt steg för att undersöka ett nytt spelfält för analys av nästan atomär skala av lösta ämnens effekter i instängda frysande nanoobjekt och molekylära eller biologiska material i deras inhemska miljöer.

Atomsondstomografi av is

El-Zoka et al. kombinerade protokoll för beredning av prover för atomsondstomografi för att överföra miljökänsliga prover och upprepade insamlade data som visar iskemi i nästan atomär skala. Enheten innehöll ett laserpulserande läge med en puls på 20 till 100 petajoule och en pulsfrekvens på 25 till 200 kHz. Teamet ställde in målavdunstningshastigheten i uppställningen till 0,003 eller 0,005 joner per puls genom att justera en applicerad likström (DC) spänning (mellan 2 till 5 kV) i experimentet. De erhöll en sammanfattad datauppsättning som indikerar den jämna utvecklingen av den applicerade likströmsspänningen under experimentet. Forskarna upptäckte särskilt katjoner från vattenavdunstning i form av enkelladdade molekylära joner på en till fem D ₂ O-molekyler och upptäckte att sådana vattenkluster var omväxlande protonerade med H (väte) och D (deuterium) atomer. Ändå, helt deutererade kluster dominerade blandningen i överflöd. På det här sättet, det förberedande arbetet visade möjligheten att analysera frusna flytande metallgränssnitt.

Bakgrundsbrus

Teamet kvantifierade också bakgrundsnivån för att förstå känsligheten hos atomsondstomografibaserade analyser av lösningar. De påvisade bakgrundsnivåerna var relativt höga jämfört med vanliga analyser; dock, detta kan sänkas genom att ändra de experimentella parametrarna. Eftersom is är en mycket dålig värmeledare, teamet sänkte upprepningsfrekvensen för lasern i studien för att förhindra en eventuell upphopning av termiska pulser. Teamet visade hur variation av pulsenergi och pulsfrekvens möjliggjorde ökad homogenitet i fältförångningsprocessen med minskande pulserande energier. Det mesta av den observerade bakgrunden utvecklades på grund av fältavdunstning av vatten av det elektrostatiska fältet. En minskning av bakgrundsnivån kan därför uppnås genom att sänka provets medeltemperatur, genom att sänka provets medeltemperatur, eller genom att sänka det genomsnittliga elektrostatiska fältet i enheten. När man använder vatten som bärarmedium för att analysera nanomaterial kräver de experimentella förhållandena finjustering för att maximera signal-till-bakgrundsförhållandet.

Utsikter för kemikalier, biologisk och biokemisk avbildning .

På det här sättet, A. A. El-Zoka och kollegor övervann barriärerna för konventionell fokuserad jonstråle/atomsondtomografi (FIB/APT) för att analysera vätskeskikt och nanostrukturer inkapslade i vätskeskikt. Teamet använde nanoporöst guld (NPG) som ett substrat för att utveckla isnålar i kombination med en kryoplasmafokuserad jonstråle (kryo-PFIB) lämpad för atomsondsanalys. Resultaten visade förmågan att analysera bulklager och sondera inkapslade nanoligament tillsammans med de omgivande solvatiserade jonerna i nära atomär skala. Tillvägagångssättet kommer att bana väg för att använda nanoporösa metaller för att rutinmässigt undersöka vätskeskikt vid inkapslade nanostrukturer. Metallens kemi och porstorleken kan optimeras för att förbättra observerade avvikelser vid gränsytan mellan is och fast material och inom nanoporer av material. Uppsättningen av experiment som slutförts här tillåter ett första och stort steg framåt för att utveckla analytisk avbildning i nära atomär skala av kemikalier, biokemiska och biologiska system.

© 2020 Science X Network