Resumo dos dados da sonda atômica de uma espessa camada de gelo. (A) Espectro de massa do conjunto de dados APT adquirido de gelo D2O a 100 pJ, 200 kHz, e uma taxa de detecção de 0,5%. (B) Espectro de massa seccionado de (A) para ilustrar os picos do complexo DxH3-xO. (C) Mapa de reconstrução 3D de D2O. A captura de inserção mostra a imagem SEM do espécime. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abd6324
Os avanços na microscopia eletrônica de transmissão (TEM) podem permitir a crio-imagem de sistemas biológicos e bioquímicos na forma líquida, Contudo, tais abordagens não possuem capacidades analíticas avançadas. Em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência , A. A. El-Zoka e uma equipe internacional de pesquisadores na Alemanha, Canadá, França, e o Reino Unido, usou tomografia de sonda atômica para analisar líquidos congelados em três dimensões (3-D) com resolução em escala sub-nanométrica. Nesse trabalho, a equipe primeiro introduziu uma estratégia de preparação de amostra usando ouro nano poroso e gelo formado de água deuterada de alta pureza (água dura) ao lado de uma solução de cloreto de sódio (50 mM) dissolvido em água deuterada de alta pureza. Eles então analisaram a interface ouro-gelo para revelar concentrações aumentadas de soluto na interface. Os cientistas exploraram uma série de condições experimentais para entender as análises de sonda atômica de espécimes aquosos em massa. Em seguida, eles discutiram os processos físicos associados aos fenômenos observados. O estudo mostrou a praticidade do uso de água congelada como portador para análises em escala quase atômica de objetos em solução via tomografia por sonda atômica.
Microscopia eletrônica de transmissão e tomografia de sonda atômica
A microscopia eletrônica de transmissão (TEM) sofreu um progresso significativo nas últimas décadas, em parte levando ao prêmio Nobel de Química de 2017, devido à inovação da microscopia crioeletrônica (crio-EM) para determinar a estrutura de alta resolução das biomoléculas em solução. A técnica crio-EM oferece notavelmente a capacidade de congelar amostras rapidamente, de modo que as moléculas de água presentes nas amostras se transformem em cristais de gelo transparentes. Esforços paralelos enormes estabeleceram métodos de tomografia eletrônica atomicamente resolvidos para realizar descobertas revolucionárias na ciência dos materiais. Apesar dos poderosos recursos analíticos, as abordagens não podem medir prontamente a composição em escala atômica de um espécime. Aqui, El-Zoka et al. descreveram a análise de camadas de micron-espessura de água congelada formadas em ouro nanoporoso (NPG), com aplicações típicas em catálise, detecção eletroquímica e atuação devido a uma alta relação área de superfície para volume e superfície rica em ouro. A equipe, portanto, usou NPG como um substrato hidrofílico (amante da água) no qual analisar o gelo usando tomografia de sonda atômica.
Imagens SEM de preparação de espécime de APT in situ de uma amostra de gelo em NPG (ouro nanoporoso). (A) Os padrões anulares de feixe de íons de 200 e 75 μm para diâmetros externo e interno, respectivamente, foram feitos na amostra de gelo / NPG. (B) O pilar de gelo / NPG foi moído até a altura do poste Au alcançado <50 μm (83). (C) A camada de gelo foi gradualmente afiada junto com NPG até que a camada atingiu <5 μm de altura. (D) Amostra final APT de gelo em NPG. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abd6324 
Para preparar amostras adequadas para evaporação de campo em um microscópio de sonda atômica, El-Zoka et al. usou uma abordagem de blotting e mergulho-congelamento semelhante à implementada em crio-EM. Por esta, eles escolheram uma abordagem de feixe de íons focado em plasma in-situ (PFIB) em crio-temperatura. O arranjo permitiu a preparação de uma amostra estável composta de líquido congelado. Eles detalharam uma ampla gama de dados de sonda de átomo de laser pulsado de água deuterada pura (D 2 O) e um D 2 Solução à base de O de cloreto de sódio. A equipe obteve imagens e caracterizou pequenos objetos metálicos flutuando em solução, analisando dados nas interfaces de gelo-NPG (ouro nanoporoso). Eles discutiram a física da evaporação de campo para detectar conjuntos de íons moleculares e sua influência no desempenho da tomografia por sonda crioatômica. O trabalho fornece uma etapa necessária para investigar um novo campo de jogo para análise quase em escala atômica dos efeitos do soluto em nanoobjetos congelados confinados e materiais moleculares ou biológicos em seus ambientes nativos.
Mapeamento em escala quase atômica de composições químicas na interface ouro-água congelada. (A) reconstrução 3D e análise da interface entre o substrato NPG e o gelo contendo NaCl. O é usado para marcar a posição de todos os aglomerados de água. (B) Uma fatia de 5 nm de espessura através do tomograma em (A) ao longo do plano marcado pela linha roxa tracejada, evidenciando ligamentos ricos em Ag e a distribuição de íons Cl e Na entre eles. (C) Perfil de composição ao longo de um cilindro de 5 nm de diâmetro cruzando na interface entre um nanoligamento e o gelo, ao longo da seta verde marcada em (D), ou seja, ao longo do eixo principal do ligamento. A linha em cinza é a soma das composições de Au e Ag. (E) Perfil de composição entre dois ligamentos, ao longo da seta amarela em (D), mostrando o aumento local de Na e Cl entre os ligamentos. A linha em cinza é a soma da composição de Au e Ag. As regiões sombreadas correspondem a 2σ da estatística de contagem em cada categoria. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abd6324
Tomografia de gelo com sonda atômica
El-Zoka et al. protocolos de preparação de espécimes de tomografia de sonda atômica combinados para transferir espécimes ambientalmente sensíveis e dados coletados repetidamente exibindo a química do gelo em resolução de escala quase atômica. O dispositivo continha um modo de pulsação a laser com um pulso de 20 a 100 petajoules e uma taxa de pulso de 25 a 200 kHz. A equipe definiu a taxa de evaporação de destino na configuração para 0,003 ou 0,005 íons por pulso, ajustando uma tensão de corrente contínua (CC) aplicada (variando entre 2 a 5 kV) no experimento. Eles obtiveram um conjunto de dados resumido indicando a evolução suave da tensão de corrente contínua aplicada durante o experimento. Os cientistas detectaram notavelmente cátions da evaporação da água na forma de íons moleculares com carga única de um a cinco D 2 Moléculas O e detectou que tais aglomerados de água são intercambiavelmente protonados com átomos de H (hidrogênio) e D (deutério). No entanto, aglomerados totalmente deuterados dominaram a mistura em abundância. Desta maneira, o trabalho preliminar mostrou a possibilidade de analisar interfaces de metal líquido congeladas.
Abundância relativa de íons moleculares em função da energia do pulso do laser e no modo pulsante de alta voltagem. Quantidade relativa de íons de cluster diferentes observados na análise de gelo D2O em energias pulsantes variando de 20 a 100 pJ. A fração pulsante para a medição de HV foi de 15%. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abd6324
Barulho de fundo
A equipe também quantificou o nível de background para entender a sensibilidade das análises de soluções baseadas em tomografia de sonda atômica. Os níveis de fundo detectados foram relativamente altos em comparação com as análises usuais; Contudo, isso pode ser reduzido alterando os parâmetros experimentais. Uma vez que o gelo é um condutor de calor significativamente ruim, a equipe diminuiu a taxa de repetição do laser no estudo para evitar um possível acúmulo de pulsos térmicos. A equipe mostrou como a variação da energia do pulso e da frequência do pulso permitiu o aumento da homogeneidade do processo de evaporação do campo com energias pulsantes decrescentes. A maior parte do fundo observado desenvolveu-se devido à evaporação do campo da água pelo campo eletrostático. Uma queda no nível de fundo poderia, portanto, ser alcançada diminuindo a temperatura média da amostra, diminuindo a temperatura média da amostra, ou diminuindo o campo eletrostático médio no dispositivo. Ao usar água como meio de transporte para analisar nanomateriais, as condições experimentais requerem um ajuste fino para maximizar a relação sinal-fundo.
Esquema mostrando as principais partes do corpo de prova e as possíveis etapas envolvidas no mecanismo proposto para evaporação de gelo em campo pulsado. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abd6324 
Desta maneira, A. A. El-Zoka e colegas superaram as barreiras do feixe de íons focalizado convencional / tomografia de sonda de átomo (FIB / APT) para analisar camadas líquidas e nanoestruturas encapsuladas em camadas líquidas. A equipe usou ouro nanoporoso (NPG) como substrato para desenvolver agulhas de gelo em combinação com um feixe de íons focado em crio-plasma (crio-PFIB) adequado para análise de sonda atômica. Os resultados mostraram a capacidade de analisar camadas de gelo em massa e sondar nano-ligamentos encapsulados ao lado dos íons solvatados circundantes em escala quase atômica. A abordagem abrirá o caminho para o uso de metais nanoporosos para investigar rotineiramente as camadas líquidas em nanoestruturas encapsuladas. A química do metal e o tamanho dos poros podem ser otimizados para melhorar as aberrações observadas na interface gelo-sólido e dentro dos nanoporos dos materiais. O conjunto de experimentos concluídos aqui permite um primeiro e principal passo para desenvolver imagens analíticas de produtos químicos em escala quase atômica, sistemas bioquímicos e biológicos.
Visão geral do experimento de tomografia de sonda de átomo de gelo (APT) D2O. (a) Curva de histórico de tensão da medição APT, e (b) histograma do detector correspondente. (c) Imagem SEM de amostra APT de gelo, e (d) correspondente mapa de átomos reconstruídos em 3D de D2O (a escala está em nm). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abd6324
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