تحليل المقياس الذري للمياه المتجمدة

ديسمبر 11, 2020

 


يمكن للتقدم في المجهر الإلكتروني للإرسال (TEM) أن يسمح بالتصوير بالتبريد للأنظمة البيولوجية والكيميائية الحيوية في شكل سائل ، ومع ذلك ، فإن مثل هذه الأساليب لا تمتلك قدرات تحليلية متقدمة. في تقرير جديد نُشر الآن على Science Advances ، استخدم AA El-Zoka وفريق دولي من الباحثين في ألمانيا وكندا وفرنسا والمملكة المتحدة التصوير المقطعي الذري لتحليل السوائل المجمدة في ثلاثة أبعاد (3-D) مع sub. دقة مقياس النانومتر. في هذا العمل ، قدم الفريق لأول مرة إستراتيجية لتحضير العينات باستخدام الذهب النانوي المسامي والثلج المستخدم المكون من ماء عالي النقاوة (ماء عسر) إلى جانب محلول من كلوريد الصوديوم (50 ملي مولار) مذاب في ماء عالي النقاوة. ثم قاموا بتحليل السطح البيني للجليد الذهبي للكشف عن زيادة تركيزات المذاب عبر الواجهة. استكشف العلماء مجموعة من الظروف التجريبية لفهم تحليلات مسبار الذرة للعينات المائية السائبة. ثم ناقشوا العمليات الفيزيائية المرتبطة بالظواهر المرصودة. أوضحت الدراسة التطبيق العملي لاستخدام الماء المجمد كناقل لتحليلات المقياس الذري القريب للأجسام في المحلول عن طريق التصوير المقطعي بالمسبار الذري.



المجهر الإلكتروني للإرسال والتصوير المقطعي بمسبار الذرة


شهد المجهر الإلكتروني للإرسال (TEM) تقدمًا كبيرًا في العقود الأخيرة ، مما أدى جزئيًا إلى الحصول على جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2017 ، بسبب ابتكار الفحص المجهري الإلكتروني المبرد (cryo-EM) لتحديد البنية عالية الدقة للجزيئات الحيوية في المحلول. توفر تقنية cryo-EM بشكل ملحوظ القدرة على تجميد العينات بسرعة بحيث تتحول جزيئات الماء الموجودة في العينات إلى بلورات ثلجية شفافة. أسست جهود موازية هائلة بالمثل طرق التصوير المقطعي الإلكتروني التي تم حلها ذريًا لتحقيق الاكتشافات الرائدة في علم المواد. على الرغم من القدرات التحليلية القوية ، لا يمكن للطرق بسهولة قياس التركيب الذري للعينة. هنا ، El-Zoka et al. وصف تحليل طبقات الميكرون السميكة من المياه المجمدة المتكونة على الذهب النانوي (NPG) ، مع تطبيقات نموذجية في التحفيز والاستشعار الكهروكيميائي والتشغيل بسبب ارتفاع نسبة مساحة السطح إلى الحجم والسطح الغني بالذهب. لذلك استخدم الفريق NPG كركيزة مائية (محبة للماء) لتحليل الجليد عليها باستخدام التصوير المقطعي بالمسبار الذري.


صور SEM لتحضير عينة APT في الموقع لعينة من الجليد على NPG (الذهب النانوي). (أ) تم صنع الأنماط الحلقية لشعاع أيوني 200 و 75 ميكرون للأقطار الخارجية والداخلية ، على التوالي ، على عينة الجليد / NPG. (ب) تم طحن عمود الجليد / NPG حتى وصل ارتفاع عمود Au إلى أقل من 50 ميكرومتر (83). (C) تم شحذ طبقة الجليد تدريجياً مع NPG حتى وصلت الطبقة إلى أقل من 5 ميكرون في الارتفاع. (د) عينة APT النهائية من الجليد على NPG. الائتمان: Science Advances، doi: 10.1126 / sciadv.abd6324

إعداد عينة

لتحضير عينات مناسبة للتبخر الحقلي في مجهر مجس ذري ، El-Zoka et al. استخدم أسلوب النشاف والتجميد على غرار ذلك المطبق في cryo-EM. لهذا ، اختاروا نهج شعاع أيوني يركز على البلازما في الموقع (PFIB) عند درجة حرارة البرد. سمح الترتيب بإعداد عينة مستقرة تتكون من سائل متجمد. قاموا بتفصيل مجموعة واسعة من بيانات مسبار ذرة الليزر النبضي من الماء النقي المذاب (D2O) ومحلول D2O من كلوريد الصوديوم. قام الفريق بتصوير وتمييز أجسام معدنية صغيرة تطفو في المحلول من خلال تحليل البيانات في واجهات الجليد NPG (الذهب النانوي). ناقشوا فيزياء التبخر الميداني لاكتشاف مجموعات الأيونات الجزيئية وتأثيرها على أداء التصوير المقطعي لمسبار ذرة التبريد. يوفر العمل خطوة ضرورية للتحقيق في ساحة لعب جديدة للتحليل شبه الذري للتأثيرات المذابة في الأجسام النانوية المجمدة والمواد الجزيئية أو البيولوجية في بيئاتها الأصلية.

رسم خرائط بالمقياس الذري للتركيبات الكيميائية عبر واجهة الذهب والماء المجمدة. (أ) إعادة البناء والتحليل ثلاثي الأبعاد للواجهة بين الركيزة NPG والجليد المحتوي على كلوريد الصوديوم. يستخدم O لتحديد موضع كل مجموعات المياه. (ب) شريحة بسمك 5 نانومتر من خلال التصوير المقطعي في (أ) على طول الطائرة المميزة بالخط الأرجواني المتقطع ، مما يدل على الأربطة الغنية بالـ Ag وتوزيع أيونات Cl و Na بينهما. (ج) المظهر الجانبي التركيبي على طول أسطوانة قطرها 5 نانومتر تعبر في الواجهة بين الأربطة النانوية والجليد ، على طول السهم الأخضر المحدد في (D) ، أي على طول المحور الرئيسي للرباط. الخط باللون الرمادي هو مجموع تركيبات Au و Ag. (E) ملف تعريف التكوين بين رباطين ، على طول السهم الأصفر في (D) ، مما يُظهر الزيادة المحلية في Na و Cl بين الأربطة. الخط باللون الرمادي هو مجموع تركيبة Au و Ag. تتوافق المناطق المظللة مع 2σ من إحصاء العد في كل سلة. الائتمان: Science Advances، doi: 10.1126 / sciadv.abd6324

التصوير المقطعي بالمسبار الذري للجليد



 

الزوكا وآخرون الجمع بين بروتوكولات إعداد عينات التصوير المقطعي مسبار الذرة لransfer العينات الحساسة بيئيًا والبيانات التي تم جمعها بشكل متكرر والتي تعرض كيمياء الجليد بدقة شبه ذرية. احتوى الجهاز على وضع نبضات الليزر مع نبضة من 20 إلى 100 بيتاجول ومعدل نبض من 25 إلى 200 كيلو هرتز. حدد الفريق معدل التبخر المستهدف في الإعداد إلى 0.003 أو 0.005 أيونات لكل نبضة عن طريق ضبط جهد التيار المباشر المطبق (تيار مستمر) (يتراوح بين 2 إلى 5 كيلو فولت) في التجربة. لقد حصلوا على مجموعة بيانات ملخصة تشير إلى التطور السلس للجهد الحالي المباشر المطبق أثناء التجربة. اكتشف العلماء على وجه الخصوص الكاتيونات من تبخر الماء في شكل أيونات جزيئية مفردة الشحنة من واحد إلى خمسة جزيئات D2O واكتشفوا أن هذه التجمعات المائية يتم بروتتها بشكل متبادل مع ذرات H (الهيدروجين) و D (الديوتيريوم). ومع ذلك ، سيطرت المجموعات المبللة بالكامل على الخليط بكثرة. بهذه الطريقة ، أظهر العمل الأولي إمكانية تحليل واجهات معدنية سائلة مجمدة.


وفرة الأيونات الجزيئية النسبية كدالة لطاقة نبضة الليزر وفي وضع النبض عالي الجهد. الكمية النسبية للأيونات العنقودية المختلفة التي لوحظت في تحليل جليد D2O عند طاقات نابضة تتراوح من 20 إلى 100 pJ. كان الجزء النابض لقياس الجهد العالي 15٪. الائتمان: Science Advances، doi: 10.1126 / sciadv.abd6324

ضوضاء في الخلفية


قام الفريق أيضًا بتحديد مستوى الخلفية لفهم حساسية تحليلات الحلول القائمة على التصوير المقطعي لمسبار الذرة. كانت مستويات الخلفية المكتشفة مرتفعة نسبيًا مقارنة بالتحليلات المعتادة ؛ ومع ذلك ، يمكن خفض هذا عن طريق تغيير المعلمات التجريبية. نظرًا لأن الجليد هو موصل حراري ضعيف بشكل كبير ، فقد خفض الفريق معدل تكرار الليزر في الدراسة لمنع تراكم النبضات الحرارية المحتمل. أظهر الفريق كيف أن تباين طاقة النبض وتردد النبض يسمح بزيادة التجانس في عملية تبخر المجال مع تناقص الطاقات النبضية. تم تطوير معظم الخلفية المرصودة بسبب تبخر المياه بالمجال الكهروستاتيكي. وبالتالي يمكن تحقيق انخفاض في مستوى الخلفية عن طريق خفض متوسط ​​درجة حرارة العينة ، أو عن طريق خفض متوسط ​​درجة حرارة العينة ، أو عن طريق خفض متوسط ​​المجال الكهروستاتيكي في الجهاز. عند استخدام الماء كوسيط ناقل لتحليل المواد النانوية ، تتطلب الظروف التجريبية ضبطًا دقيقًا لتعظيم نسبة الإشارة إلى الخلفية.


رسم تخطيطي يوضح الأجزاء الرئيسية للعينة والخطوات المحتملة المشاركة في الآلية المقترحة لتبخر الحقل النبضي للجليد. الائتمان: Science Advances، doi: 10.1126 / sciadv.abd6324

آفاق التصوير الكيميائي والبيولوجي والكيميائي الحيوي.

بهذه الطريقة ، تغلب أ.أ.الزوكا وزملاؤه على حواجز الأشعة الأيونية التقليدية المركزة / التصوير المقطعي بمسبار الذرة (FIB / APT) لتحليل الطبقات السائلة والبنى النانوية المغلفة في طبقات سائلة. استخدم الفريق الذهب النانوي (NPG) كركيزة لتطوير إبر الجليد جنبًا إلى جنب مع حزمة أيونية مركزة بالبلازما الباردة (cryo-PFIB) مناسبة لتحليل مسبار الذرة. أظهرت النتائج القدرة على تحليل طبقات الجليد السائبة وفحص الأربطة النانوية المغلفة جنبًا إلى جنب مع الأيونات المنحلة المحيطة على نطاق ذري قريب. سيمهد هذا النهج الطريق لاستخدام المعادن النانوية لفحص الطبقات السائلة بشكل روتيني في الهياكل النانوية المغلفة. يمكن تحسين كيمياء المعدن وحجم المسام لتحسين الانحرافات المرصودة في الواجهة الجليدية الصلبة وداخل المسام النانوية للمواد. تسمح مجموعة التجارب المكتملة هنا بالخطوة الأولى والرئيسية إلى الأمام لتطوير التصوير التحليلي شبه الذري للأنظمة الكيميائية والبيوكيميائية والبيولوجية.

مشاركة

ليست هناك تعليقات:

جميع الحقوق محفوظة لــ رسالتي خبر