Os biofilmes são essenciais para a ecologia da Terra e a sustentabilidade da vida. Composto por microorganismos, os biofilmes desempenham papéis vitais na reciclagem dos elementos mais essenciais da vida. Mas a falta de ferramentas analíticas versáteis tornou um desafio extrair informações críticas sobre os processos de biofilme.

Uma nova forma de estudar biofilmes

Agora, O cientista EMSL Zihua Zhu e colegas desenvolveram uma maneira de estudar biofilmes em seu estado nativo, tornando possível examinar interfaces biofilme-substrato no nível molecular pela primeira vez. Já, a equipe aprendeu que os biofilmes da bactéria Shewanella oneidensis , e um de seus mutantes, pode sobreviver à introdução de cromo (VI), um conhecido carcinógeno amplamente utilizado como agente anticorrosivo. O uso de biofilmes para limpar águas contaminadas com cromo (VI) pode ser revolucionário em nossos esforços para remediar os locais de resíduos industriais legados.

A ferramenta que torna isso possível é chamada de espectrometria de massa de íon secundário líquido in situ (SIMS). As técnicas tradicionais de SIMS impedem os pesquisadores de estudar sistemas aquosos porque a presença de vapor de água interfere no vácuo, invalidando resultados. Eles também são considerados métodos "difíceis", pois interrompem muitas interações em nível molecular que os cientistas estão interessados ​​em estudar. SIMS líquido in situ, Contudo, é projetado para contornar o problema de alta pressão de vapor.

Como isso é feito

SIMS líquido in situ é usado para investigar estruturas moleculares em solução. Ao lançar um feixe de íons de alta energia na superfície da solução, os pesquisadores podem forçar a ejeção de uma variedade de partículas - de átomos individuais a aglomerados moleculares. Os cientistas usam um ambiente de alto vácuo para isolar as partículas ejetadas, alguns dos quais são ionizados, da amostra global. As partículas ionizadas são então introduzidas em um espectrômetro de massa e analisadas.

Como tantos sistemas importantes para a vida humana ocorrem naturalmente em ambientes aquáticos, o desenvolvimento de SIMS líquido in situ estende os limites científicos atuais, permitindo que os cientistas estudem uma série de sistemas, incluindo os de aerossóis, em seu estado nativo sem interromper as principais interações.

Comparando SIMS líquido in situ a um olho molecular, Zhu diz que permite aos cientistas examinar as moléculas diretamente para ver o que está ocorrendo em seu nível. A tecnica, desenvolvido pela primeira vez em 2011, apresenta o design básico do SIMS tradicional com modificações para estudar amostras aquosas. Um desses ajustes é o uso de uma interface microfluídica. Isso envolve o uso de uma fina camada de nitreto de silício colocada entre a amostra (que flui através de um pequeno canal) e seu ambiente, colocar efetivamente a amostra em quarentena de contaminação e dos arredores de alto vácuo do instrumento SIMS. A máquina então usa um feixe de íons de alta corrente para perfurar cuidadosamente um orifício na camada de nitreto de silício até que a solução seja exposta por uma abertura microscópica de 2 µm de espessura. Porque o buraco é tão pequeno, a tensão superficial da amostra minimiza a evaporação da água, ao mesmo tempo que permite o acesso do feixe SIMS.

Compreendendo a formação de aerossol secundário

Desde a formação de nuvens até a quantidade de partículas no ar, os aerossóis orgânicos desempenham um papel fundamental nos processos atmosféricos e climáticos. Originado principalmente de pequenas moléculas orgânicas emitidas por plantas, entender como eles se tornam maiores, componentes mais pesados ​​em aerossóis orgânicos secundários podem ajudar os pesquisadores a produzir melhores modelos preditivos. Com SIMS líquido in situ, os pesquisadores podem realizar análises em nível molecular de nucleação de aerossol secundário, um processo que ocorre quando as reações químicas criam partículas de aerossóis primários gasosos.

Zhu e sua equipe já trouxeram à luz informações críticas sobre a nucleação inicial de aerossóis secundários - informações importantes para avaliar o impacto dos aerossóis nos processos atmosféricos.

O sucesso vem do esforço da equipe

Zhu, junto com o pesquisador do PNNL Xiao-Ying Yu e o ex-membro da equipe do PNNL James Cowin, começou em 2010 a se concentrar mais intensamente no desenvolvimento de SIMS líquidos in situ. Sua invenção, inicialmente concebido por Yu, foi patenteado em 2013 e ganhou um prêmio R&D 100 em 2014. Até o momento, Zhu e sua equipe publicaram 24 artigos relacionados a SIMS líquido in situ, com oito desses artigos apresentados como capas em periódicos de alto impacto, Incluindo Química Analítica , Analista , e Journal of Physical Chemistry Letters .

Yu é atualmente o cientista líder em outro projeto usando SIMS líquido in situ para estudar o papel da interface ar-líquido na formação de aerossol secundário.

Zhu e seus colegas atualmente têm três papéis SIMS líquidos in situ em revisão e outros em andamento. Eles não têm planos de parar tão cedo - o objetivo da equipe é expandir os aplicativos de SIMS líquido in situ e agir como pioneiros da técnica.

"Já conquistamos muito, mas meu maior desejo é que outros cientistas coloquem em bom uso as técnicas que desenvolvemos para lidar com questões científicas adicionais, "diz Zhu.