Las biopelículas son parte integral de la ecología de la Tierra y la sostenibilidad de la vida. Compuesto por microorganismos, Las biopelículas juegan un papel vital en el reciclaje de los elementos más esenciales de la vida. Pero la falta de herramientas analíticas versátiles ha dificultado la extracción de información crítica sobre los procesos de biopelícula.

Una nueva forma de estudiar las biopelículas

Ahora, El científico de EMSL, Zihua Zhu, y sus colegas han desarrollado una forma de estudiar las biopelículas en su estado natal, lo que permite examinar las interfaces biofilm-sustrato a nivel molecular por primera vez. Ya, el equipo ha aprendido que las biopelículas de la bacteria Shewanella oneidensis , y uno de sus mutantes, puede sobrevivir a la introducción de cromo (VI), un carcinógeno conocido ampliamente utilizado como agente anticorrosivo. El uso de biopelículas para limpiar aguas contaminadas con cromo (VI) podría resultar revolucionario en nuestros esfuerzos por remediar los sitios de desechos industriales heredados.

La herramienta que lo hace posible se llama espectrometría de masas de iones secundarios líquidos in situ (SIMS). Las técnicas tradicionales de SIMS impiden que los investigadores estudien sistemas acuosos porque la presencia de vapor de agua interfiere con el vacío. invalidando los resultados. También se consideran métodos "duros" porque interrumpen muchas interacciones a nivel molecular que los científicos están interesados ​​en estudiar. SIMS líquido in situ, sin embargo, está diseñado para evitar el problema de la alta presión de vapor.

Cómo está hecho

El SIMS líquido in situ se utiliza para investigar estructuras moleculares en solución. Al lanzar un haz de iones de alta energía en la superficie de la solución, los investigadores pueden forzar la expulsión de una variedad de partículas, desde átomos individuales hasta grupos moleculares. Los científicos utilizan un entorno de alto vacío para aislar las partículas expulsadas, algunos de los cuales están ionizados, de la muestra a granel. Las partículas ionizadas se introducen luego en un espectrómetro de masas y se analizan.

Debido a que muchos sistemas importantes para la vida humana ocurren naturalmente en ambientes basados ​​en el agua, el desarrollo de SIMS líquido in situ amplía los límites científicos actuales al permitir a los científicos estudiar una gran cantidad de sistemas, incluidos los de aerosoles, en su estado nativo sin interrumpir interacciones clave.

Comparando SIMS líquido in situ con un ojo molecular, Zhu dice que permite a los científicos examinar moléculas directamente para ver qué está ocurriendo a su nivel. La técnica, primer desarrollo personalizado en 2011, presenta el diseño básico del SIMS tradicional con modificaciones para el estudio de muestras acuosas. Uno de esos ajustes es el uso de una interfaz de microfluidos. Esto implica el uso de una fina capa de nitruro de silicio colocada entre la muestra (que fluye a través de un canal diminuto) y su entorno. poner en cuarentena eficazmente la muestra de la contaminación y del entorno de alto vacío del instrumento SIMS. Luego, la máquina utiliza un haz de iones de alta corriente para perforar con cuidado un orificio a través de la capa de nitruro de silicio hasta que la solución quede expuesta por una abertura microscópica de 2 µm de espesor. Porque el agujero es tan pequeño la tensión superficial de la muestra minimiza la evaporación del agua al mismo tiempo que permite el acceso al haz SIMS.

Comprender la formación secundaria de aerosoles

Desde la formación de nubes hasta la cantidad de partículas en el aire, Los aerosoles orgánicos juegan un papel clave en los procesos atmosféricos y climáticos. Originarios principalmente de pequeñas moléculas orgánicas emitidas por plantas, comprender cómo se hacen más grandes, Los componentes más pesados ​​de los aerosoles orgánicos secundarios pueden ayudar a los investigadores a producir mejores modelos predictivos. Con SIMS líquido in situ, los investigadores pueden realizar análisis a nivel molecular de la nucleación secundaria de aerosoles, proceso que ocurre cuando las reacciones químicas crean partículas a partir de aerosoles primarios gaseosos.

Zhu y su equipo ya han sacado a la luz información crítica sobre la nucleación inicial de aerosoles secundarios, información importante para evaluar el impacto de los aerosoles en los procesos atmosféricos.

El éxito proviene del esfuerzo en equipo

Zhu, junto con el investigador de PNNL Xiao-Ying Yu y el ex miembro del personal de PNNL James Cowin, comenzó en 2010 para centrarse más intensamente en el desarrollo de SIMS líquidos in situ. Su invento, inicialmente concebido por Yu, fue patentado en 2013 y ganó un premio R&D 100 Award en 2014. Hasta la fecha, Zhu y su equipo han publicado 24 artículos relacionados con SIMS líquidos in situ, con ocho de esos artículos presentados como portadas en revistas de alto impacto, incluso Química analítica , Analista , y Revista de letras de química física .

Yu es actualmente el científico principal de otro proyecto que utiliza SIMS líquido in situ para estudiar el papel de la interfaz aire-líquido en la formación secundaria de aerosoles.

Zhu y sus colegas actualmente tienen tres documentos SIMS líquidos in situ en revisión y más en proceso. No tienen planes de detenerse pronto; el propósito rector del equipo es expandir las aplicaciones de SIMS líquido in situ y actuar como pioneros de la técnica.

"Ya hemos logrado mucho, pero mi mayor deseo es que otros científicos den un buen uso a las técnicas que hemos desarrollado para abordar cuestiones científicas adicionales, "dice Zhu.