Un'immagine di ioni molecolari 3D consente agli scienziati di tracciare un PO 3 specie in un biofilm vivo che cresce al di sotto di un substrato solido. Credito:Laboratorio di scienze molecolari ambientali
I biofilm sono parte integrante dell'ecologia della Terra e della sostenibilità della vita. Composto da microrganismi, i biofilm svolgono ruoli vitali nel riciclaggio degli elementi più essenziali della vita. Ma la mancanza di strumenti analitici versatili ha reso difficile l'estrazione di informazioni critiche sui processi del biofilm.
Un nuovo modo di studiare i biofilm
Ora, Lo scienziato EMSL Zihua Zhu e colleghi hanno sviluppato un modo per studiare i biofilm nel loro stato nativo, rendendo possibile esaminare per la prima volta le interfacce biofilm-substrato a livello molecolare. Già, il team ha appreso che i biofilm del batterio Shewanella oneidensis , e uno dei suoi mutanti, può sopravvivere all'introduzione del cromo (VI), un noto cancerogeno ampiamente utilizzato come agente anticorrosivo. L'utilizzo di biofilm per pulire le acque contaminate da cromo (VI) potrebbe rivelarsi rivoluzionario nei nostri sforzi per bonificare i siti di rifiuti industriali esistenti.
Lo strumento che lo rende possibile è chiamato spettrometria di massa di ioni secondari liquidi in situ (SIMS). Le tecniche SIMS tradizionali impediscono ai ricercatori di studiare i sistemi acquosi perché la presenza di vapore acqueo interferisce con il vuoto, risultati invalidanti. Sono anche considerati metodi "duri" in quanto interrompono molte interazioni a livello molecolare che gli scienziati sono interessati a studiare. SIMS liquidi in situ, però, è progettato per aggirare il problema dell'elevata pressione di vapore.
Come è fatto
Il SIMS liquido in situ viene utilizzato per studiare le strutture molecolari in soluzione. Lanciando un fascio di ioni ad alta energia sulla superficie della soluzione, i ricercatori possono forzare l'espulsione di una serie di particelle, dai singoli atomi ai cluster molecolari. Gli scienziati utilizzano un ambiente ad alto vuoto per isolare le particelle espulse, alcuni dei quali sono ionizzati, dal campione di massa. Le particelle ionizzate vengono quindi introdotte in uno spettrometro di massa e analizzate.
Poiché tanti sistemi importanti per la vita umana si trovano naturalmente in ambienti a base d'acqua, lo sviluppo di SIMS liquidi in situ estende gli attuali confini scientifici consentendo agli scienziati di studiare una serie di sistemi, compresi quelli degli aerosol, nel loro stato nativo senza interrompere le interazioni chiave.
Confrontando il SIMS liquido in situ con un occhio molecolare, Zhu afferma che consente agli scienziati di esaminare direttamente le molecole per vedere cosa sta accadendo al loro livello. La tecnica, sviluppato per la prima volta nel 2011, presenta il design di base dei SIMS tradizionali con modifiche per lo studio di campioni acquosi. Uno di questi aggiustamenti è l'uso di un'interfaccia microfluidica. Ciò comporta l'uso di un sottile strato di nitruro di silicio posto tra il campione (che scorre attraverso un minuscolo canale) e il suo ambiente, mettendo in quarantena efficacemente il campione dalla contaminazione e dall'ambiente ad alto vuoto dello strumento SIMS. La macchina utilizza quindi un fascio di ioni ad alta corrente per praticare con cautela un foro attraverso lo strato di nitruro di silicio fino a quando la soluzione non viene esposta da un'apertura microscopica di 2 µm di spessore. Perché il buco è così piccolo, la tensione superficiale del campione riduce al minimo l'evaporazione dell'acqua pur garantendo l'accesso al fascio SIMS.
Un'immagine di ioni molecolari 2-D mostra come una particella di aerosol organico liquido cambia nel tempo. La scala dei colori rappresenta la concentrazione dei prodotti ossidati. Credito:Laboratorio di scienze molecolari ambientali
Comprendere la formazione di aerosol secondari
Dalla formazione delle nubi alla quantità di particolato nell'aria, gli aerosol organici svolgono un ruolo chiave nei processi atmosferici e climatici. Originari principalmente da piccole molecole organiche emesse dalle piante, capire come diventano più grandi, componenti più pesanti negli aerosol organici secondari possono aiutare i ricercatori a produrre modelli predittivi migliori. Con SIMS liquido in situ, i ricercatori possono eseguire analisi a livello molecolare della nucleazione di aerosol secondari, un processo che si verifica quando le reazioni chimiche creano particelle da aerosol primari gassosi.
Zhu e il suo team hanno già portato alla luce informazioni critiche sulla nucleazione iniziale di aerosol secondari, informazioni importanti per valutare l'impatto degli aerosol sui processi atmosferici.
Il successo viene dal lavoro di squadra
Zhu, insieme al ricercatore PNNL Xiao-Ying Yu e all'ex membro dello staff PNNL James Cowin, ha iniziato nel 2010 per concentrarsi più intensamente sullo sviluppo di SIMS liquidi in situ. La loro invenzione, inizialmente concepito da Yu, è stato brevettato nel 2013 e ha vinto un R&D 100 Award nel 2014. Ad oggi, Zhu e il suo team hanno pubblicato 24 articoli relativi ai SIMS liquidi in situ, con otto di quei documenti presentati come copertine in riviste di grande impatto, Compreso Chimica analitica , Analista , e Journal of Physical Chemistry Letters .
Yu è attualmente lo scienziato a capo di un altro progetto che utilizza SIMS liquido in situ per studiare il ruolo dell'interfaccia aria-liquido nella formazione di aerosol secondario.
Zhu e i suoi colleghi hanno attualmente tre carte SIMS liquide in situ in revisione e altre in lavorazione. Non hanno intenzione di fermarsi presto:lo scopo guida del team è espandere le applicazioni di SIMS liquide in situ e agire come pionieri della tecnica.
"Abbiamo già ottenuto molto, ma il mio più grande desiderio è che altri scienziati mettano a frutto le tecniche che abbiamo sviluppato per affrontare ulteriori questioni scientifiche, " dice Zhu.
