Riepilogo dei dati della sonda atomica da uno spesso strato di ghiaccio. (A) Spettro di massa del set di dati APT acquisito di ghiaccio D2O a 100 pJ, 200kHz, e un tasso di rilevamento dello 0,5%. (B) Spettro di massa sezionato da (A) per illustrare i picchi complessi DxH3-xO. (C) mappa di ricostruzione 3D di D2O. L'acquisizione del riquadro mostra l'immagine SEM del campione. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abd6324
I progressi nella microscopia elettronica a trasmissione (TEM) possono consentire la crio-imaging di sistemi biologici e biochimici in forma liquida, però, tali approcci non possiedono capacità analitiche avanzate. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Progressi scientifici , A. A. El-Zoka e un team internazionale di ricercatori in Germania, Canada, Francia, e il Regno Unito, ha utilizzato la tomografia a sonda atomica per analizzare i liquidi congelati in tre dimensioni (3-D) con risoluzione su scala sub-nanometrica. In questo lavoro, il team ha introdotto per la prima volta una strategia di preparazione del campione utilizzando oro nanoporoso e ha utilizzato ghiaccio formato da acqua deuterata ad alta purezza (acqua dura) insieme a una soluzione di cloruro di sodio (50 mM) disciolto in acqua deuterata ad alta purezza. Hanno quindi analizzato l'interfaccia oro-ghiaccio per rivelare un aumento delle concentrazioni di soluti attraverso l'interfaccia. Gli scienziati hanno esplorato una serie di condizioni sperimentali per comprendere le analisi delle sonde atomiche di campioni acquosi sfusi. Quindi hanno discusso dei processi fisici associati ai fenomeni osservati. Lo studio ha mostrato la praticità dell'utilizzo dell'acqua congelata come vettore per analisi su scala quasi atomica di oggetti in soluzione tramite tomografia con sonda atomica.
Microscopia elettronica a trasmissione e tomografia con sonda atomica
La microscopia elettronica a trasmissione (TEM) ha subito notevoli progressi negli ultimi decenni, in parte portando al premio Nobel 2017 per la chimica, grazie all'innovazione della microscopia crioelettronica (crio-EM) per determinare la struttura ad alta risoluzione delle biomolecole in soluzione. La tecnica cryo-EM offre in particolare la capacità di congelare rapidamente i campioni in modo che le molecole d'acqua presenti nei campioni si trasformino in cristalli di ghiaccio trasparenti. Enormi sforzi paralleli hanno analogamente stabilito metodi di tomografia elettronica risolta atomicamente per realizzare scoperte rivoluzionarie nella scienza dei materiali. Nonostante le potenti capacità analitiche, gli approcci non possono misurare prontamente la composizione su scala atomica di un campione. Qui, El Zoka et al. descritto l'analisi di strati di micron di acqua congelata formati su oro nanoporoso (NPG), con applicazioni tipiche in catalisi, rilevamento e attuazione elettrochimici a causa di un elevato rapporto superficie-volume e superficie ricca di oro. Il team ha quindi utilizzato l'NPG come substrato idrofilo (amante dell'acqua) su cui analizzare il ghiaccio utilizzando la tomografia con sonda atomica.
Immagini SEM della preparazione in situ del campione APT di un campione di ghiaccio su NPG (oro nanoporoso). (A) I modelli anulari del fascio ionico da 200 e 75 μm per i diametri esterni e interni, rispettivamente, sono stati effettuati sul campione di ghiaccio/NPG. (B) Il pilastro di ghiaccio/NPG è stato fresato fino a raggiungere l'altezza del palo Au <50 micron (83). (C) Lo strato di ghiaccio è stato gradualmente affilato insieme a NPG fino a raggiungere lo strato <5 μm di altezza. (D) Campione finale di ghiaccio APT su NPG. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abd6324 
Per preparare campioni adatti per l'evaporazione sul campo in un microscopio a sonda atomica, El Zoka et al. ha utilizzato un approccio di blotting e congelamento a tuffo simile a quello implementato nella crio-EM. Per questo, hanno scelto un approccio a fascio ionico focalizzato al plasma in situ (PFIB) a criotemperatura. La disposizione ha permesso la preparazione di un campione stabile composto da liquido congelato. Hanno dettagliato una vasta gamma di dati della sonda atomo laser pulsato da pura acqua deuterata (D 2 O) e un D 2 Soluzione a base di O di cloruro di sodio. Il team ha ripreso e caratterizzato piccoli oggetti metallici galleggianti nella soluzione analizzando i dati alle interfacce ghiaccio-NPG (oro nanoporoso). Hanno discusso la fisica dell'evaporazione di campo per rilevare insiemi di ioni molecolari e la loro influenza sulle prestazioni della tomografia con sonda crio-atomo. Il lavoro fornisce un passaggio necessario per indagare su un nuovo campo di gioco per l'analisi su scala quasi atomica degli effetti dei soluti in nano-oggetti di congelamento confinati e materiali molecolari o biologici nei loro ambienti nativi.
Mappatura su scala quasi atomica delle composizioni chimiche attraverso l'interfaccia oro-acqua congelata. (A) Ricostruzione 3D e analisi dell'interfaccia tra il substrato NPG e il ghiaccio contenente NaCl. O viene utilizzato per contrassegnare la posizione di tutti i gruppi d'acqua. (B) Una fetta spessa 5 nm attraverso il tomogramma in (A) lungo il piano contrassegnato dalla linea viola tratteggiata, evidenziando legamenti ricchi di Ag e la distribuzione di ioni Cl e Na in mezzo. (C) Profilo compositivo lungo un cilindro di 5 nm di diametro che attraversa l'interfaccia tra un nanolegamento e il ghiaccio, lungo la freccia verde contrassegnata in (D), cioè., lungo l'asse principale del legamento. La linea in grigio è la somma delle composizioni Au e Ag. (E) Profilo di composizione tra due legamenti, lungo la freccia gialla in (D), mostrando l'aumento locale di Na e Cl tra i legamenti. La linea in grigio è la somma della composizione di Au e Ag. Le regioni ombreggiate corrispondono ai 2σ della statistica di conteggio in ogni bin. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abd6324
Tomografia a sonda atomica del ghiaccio
El Zoka et al. protocolli combinati di preparazione dei campioni per tomografia a sonda atomica per trasferire campioni sensibili all'ambiente e dati raccolti ripetutamente che mostrano la chimica del ghiaccio a una risoluzione su scala quasi atomica. Il dispositivo conteneva una modalità a impulsi laser con un impulso da 20 a 100 petajoule e una frequenza del polso da 25 a 200 kHz. Il team ha impostato il tasso di evaporazione target nella configurazione a 0,003 o 0,005 ioni per impulso regolando una tensione di corrente continua applicata (cc) (che varia tra 2 e 5 kV) nell'esperimento. Hanno ottenuto un set di dati riepilogato che indica l'evoluzione regolare della tensione di corrente continua applicata durante l'esperimento. Gli scienziati hanno rilevato in particolare cationi dall'evaporazione dell'acqua sotto forma di ioni molecolari a carica singola da uno a cinque D 2 O e hanno rilevato che tali gruppi di acqua sono intercambiabili con atomi di H (idrogeno) e D (deuterio). Tuttavia, i cluster completamente deuterati dominavano in abbondanza la miscela. In questo modo, il lavoro preliminare ha mostrato la possibilità di analizzare le interfacce liquido-metallo congelate.
Abbondanza relativa di ioni molecolari in funzione dell'energia dell'impulso laser e in modalità pulsata ad alta tensione. Quantità relativa di diversi ioni cluster osservati nell'analisi del ghiaccio D2O a energie pulsanti che vanno da 20 a 100 pJ. La frazione di pulsazione per la misurazione dell'alta tensione era del 15%. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abd6324
Rumore di sottofondo
Il team ha anche quantificato il livello di base per comprendere la sensibilità delle analisi delle soluzioni basate sulla tomografia con sonda atomica. I livelli di fondo rilevati erano relativamente alti rispetto alle normali analisi; però, questo potrebbe essere ridotto modificando i parametri sperimentali. Poiché il ghiaccio è un conduttore di calore notevolmente scadente, il team ha abbassato la frequenza di ripetizione del laser nello studio per prevenire un possibile accumulo di impulsi termici. Il team ha mostrato come la variazione dell'energia e della frequenza degli impulsi consentisse una maggiore omogeneità del processo di evaporazione del campo con la diminuzione delle energie degli impulsi. La maggior parte dello sfondo osservato si è sviluppata a causa dell'evaporazione dell'acqua da parte del campo elettrostatico. Un calo del livello di fondo potrebbe quindi essere ottenuto abbassando la temperatura media del provino, abbassando la temperatura media del provino, o abbassando il campo elettrostatico medio nel dispositivo. Quando si utilizza l'acqua come mezzo di trasporto per analizzare i nanomateriali, le condizioni sperimentali richiedono una messa a punto per massimizzare il rapporto segnale-sfondo.
Schema che mostra le parti principali del campione e le possibili fasi coinvolte nel meccanismo proposto per l'evaporazione del ghiaccio in campo pulsato. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abd6324 
In questo modo, A. A. El-Zoka e colleghi hanno superato le barriere della convenzionale tomografia con sonda a fascio ionico focalizzato/atomo (FIB/APT) per analizzare strati liquidi e nanostrutture incapsulate in strati liquidi. Il team ha utilizzato l'oro nanoporoso (NPG) come substrato per sviluppare aghi di ghiaccio in combinazione con un fascio di ioni focalizzato sul crioplasma (crio-PFIB) adatto per l'analisi della sonda atomica. I risultati hanno mostrato la capacità di analizzare gli strati di ghiaccio sfusi e di sondare i nanolegamenti incapsulati insieme agli ioni solvatati circostanti su scala quasi atomica. L'approccio aprirà la strada all'uso di metalli nanoporosi per studiare di routine strati liquidi in nanostrutture incapsulate. La chimica del metallo e la dimensione dei pori possono essere ottimizzate per migliorare le aberrazioni osservate all'interfaccia ghiaccio-solido e all'interno dei nanopori dei materiali. La serie di esperimenti qui completati consente un primo e importante passo avanti nello sviluppo di immagini analitiche su scala quasi atomica di sostanze chimiche, sistemi biochimici e biologici.
Panoramica dell'esperimento di tomografia con sonda dell'atomo di ghiaccio D2O (APT). (a) Curva della cronologia della tensione della misurazione APT, e (b) il corrispondente istogramma del rivelatore. (c) immagine SEM di un campione di ghiaccio APT, e (d) la corrispondente mappa atomica ricostruita in 3D di D2O (la scala è in nm). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abd6324
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