Resumen de los datos de la sonda atómica de una gruesa capa de hielo. (A) Espectro de masas del conjunto de datos APT adquirido de hielo D2O a 100 pJ, 200 kHz, y una tasa de detección del 0,5%. (B) Espectro de masas seccionado de (A) para ilustrar los picos del complejo DxH3 − xO. (C) Mapa de reconstrucción 3D de D2O. La captura de recuadro muestra la imagen SEM de la muestra. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abd6324
Los avances en la microscopía electrónica de transmisión (TEM) pueden permitir la obtención de imágenes criogénicas de sistemas biológicos y bioquímicos en forma líquida, sin embargo, tales enfoques no poseen capacidades analíticas avanzadas. En un nuevo informe ahora publicado en Avances de la ciencia , A. A. El-Zoka y un equipo internacional de investigadores en Alemania, Canadá, Francia, y el Reino Unido, utilizó tomografía con sonda atómica para analizar líquidos congelados en tres dimensiones (3-D) con resolución de escala sub-nanométrica. En este trabajo, El equipo introdujo por primera vez una estrategia de preparación de muestras utilizando oro nano-poroso y utilizó hielo formado a partir de agua deuterada de alta pureza (agua dura) junto con una solución de cloruro de sodio (50 mM) disuelto en agua deuterada de alta pureza. Luego analizaron la interfaz de oro-hielo para revelar un aumento de las concentraciones de solutos en la interfaz. Los científicos exploraron una variedad de condiciones experimentales para comprender los análisis de sonda atómica de muestras acuosas a granel. Luego discutieron los procesos físicos asociados con los fenómenos observados. El estudio mostró la practicidad de utilizar agua congelada como portador para análisis a escala casi atómica de objetos en solución mediante tomografía con sonda atómica.
Microscopía electrónica de transmisión y tomografía con sonda atómica
La microscopía electrónica de transmisión (TEM) ha experimentado un progreso significativo en las últimas décadas, en parte conduciendo al premio Nobel de Química 2017, debido a la innovación de la microscopía crioelectrónica (crio-EM) para determinar la estructura de alta resolución de biomoléculas en solución. La técnica crio-EM ofrece en particular la capacidad de congelar muestras rápidamente para que las moléculas de agua presentes en las muestras se conviertan en cristales de hielo transparentes. Tremendos esfuerzos paralelos han establecido de manera similar métodos de tomografía electrónica de resolución atómica para lograr descubrimientos revolucionarios en la ciencia de los materiales. A pesar de las poderosas capacidades analíticas, los enfoques no pueden medir fácilmente la composición a escala atómica de una muestra. Aquí, El-Zoka y col. describió el análisis de capas micrométricas de agua congelada formadas sobre oro nanoporoso (NPG), con aplicaciones típicas en catálisis, Detección y activación electroquímicas debido a una alta relación de superficie a volumen y una superficie rica en oro. Por lo tanto, el equipo utilizó NPG como un sustrato hidrófilo (amante del agua) sobre el que analizar el hielo mediante tomografía con sonda atómica.
Imágenes SEM de la preparación de una muestra de APT in situ de una muestra de hielo en NPG (oro nanoporoso). (A) Los patrones anulares de haz de iones de 200 y 75 μm para diámetros exterior e interior, respectivamente, se hicieron en la muestra de hielo / NPG. (B) El pilar de hielo / NPG se fresó hasta que la altura del poste de Au alcanzó <50 μm (83). (C) La capa de hielo se afiló gradualmente junto con NPG hasta que la capa alcanzó <5 μm de altura. (D) Muestra final de APT de hielo en NPG. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abd6324 
Para preparar muestras adecuadas para la evaporación de campo en un microscopio de sonda atómica, El-Zoka y col. utilizó un enfoque de transferencia y congelación por inmersión similar al implementado en cryo-EM. Para esto, eligieron un enfoque de haz de iones enfocado en plasma in situ (PFIB) a temperatura criogénica. La disposición permitió la preparación de una muestra estable compuesta de líquido congelado. Detallaron una amplia gama de datos de sondas de átomos de láser pulsado de agua pura deuterada (D 2 O) y una D 2 Solución de cloruro de sodio a base de O. El equipo tomó imágenes y caracterizó pequeños objetos metálicos flotando en una solución mediante el análisis de datos en las interfaces hielo-NPG (oro nanoporoso). Discutieron la física de la evaporación de campo para detectar conjuntos de iones moleculares y su influencia en el rendimiento de la tomografía con sonda de crioátomo. El trabajo proporciona un paso necesario para investigar un nuevo campo de juego para el análisis a escala casi atómica de los efectos de los solutos en nanoobjetos de congelación confinados y materiales moleculares o biológicos en sus entornos nativos.
Mapeo de composiciones químicas a escala casi atómica a través de la interfaz de oro y agua congelada. (A) reconstrucción 3D y análisis de la interfaz entre el sustrato NPG y el hielo que contiene NaCl. O se utiliza para marcar la posición de todos los grupos de agua. (B) Un corte de 5 nm de grosor a través del tomograma en (A) a lo largo del plano marcado por la línea punteada púrpura, evidenciando ligamentos ricos en Ag y la distribución de iones Cl y Na entre ellos. (C) Perfil composicional a lo largo de un cilindro de 5 nm de diámetro que cruza hacia la interfaz entre un nanoligamento y el hielo, a lo largo de la flecha verde marcada en (D), es decir., a lo largo del eje principal del ligamento. La línea en gris es la suma de las composiciones de Au y Ag. (E) Perfil de composición entre dos ligamentos, a lo largo de la flecha amarilla en (D), mostrando el aumento local de Na y Cl entre ligamentos. La línea en gris es la suma de la composición de Au y Ag. Las regiones sombreadas corresponden al 2σ de la estadística de conteo en cada contenedor. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abd6324
Tomografía de hielo con sonda atómica
El-Zoka y col. protocolos combinados de preparación de muestras de tomografía con sonda atómica para transferir muestras ambientalmente sensibles y datos recopilados repetidamente que muestran la química del hielo a una resolución de escala casi atómica. El dispositivo contenía un modo de pulso láser con un pulso de 20 a 100 petajulios y una frecuencia de pulso de 25 a 200 kHz. El equipo estableció la tasa de evaporación objetivo en la configuración en 0.003 o 0.005 iones por pulso ajustando un voltaje de corriente continua (CC) aplicada (entre 2 y 5 kV) en el experimento. Obtuvieron un conjunto de datos resumido que indica la evolución suave del voltaje de corriente continua aplicada durante el experimento. Los científicos detectaron notablemente cationes de la evaporación del agua en forma de iones moleculares cargados individualmente de uno a cinco D 2 O moléculas y detectaron que dichos grupos de agua estaban protonados indistintamente con átomos de H (hidrógeno) y D (deuterio). Sin embargo, racimos completamente deuterados dominaron la mezcla en abundancia. De este modo, el trabajo preliminar mostró la posibilidad de analizar interfaces líquido-metal congeladas.
Abundancias relativas de iones moleculares en función de la energía del pulso del láser y en modo pulsante de alto voltaje. Cantidad relativa de diferentes iones de racimo observada en el análisis de hielo D2O a energías pulsantes que van desde 20 a 100 pJ. La fracción pulsante para la medición de HV fue del 15%. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abd6324
Ruido de fondo
El equipo también cuantificó el nivel de antecedentes para comprender la sensibilidad de los análisis de soluciones basados en tomografías con sonda atómica. Los niveles de fondo detectados fueron relativamente altos en comparación con los análisis habituales; sin embargo, esto podría reducirse cambiando los parámetros experimentales. Dado que el hielo es un conductor de calor significativamente deficiente, el equipo redujo la tasa de repetición del láser en el estudio para evitar una posible acumulación de pulsos térmicos. El equipo mostró cómo la variación de la energía del pulso y la frecuencia del pulso permitía una mayor homogeneidad del proceso de evaporación del campo con energías pulsantes decrecientes. La mayor parte del fondo observado se desarrolló debido al campo de evaporación del agua por el campo electrostático. Por lo tanto, se podría lograr una caída en el nivel de fondo reduciendo la temperatura promedio de la muestra, reduciendo la temperatura media de la muestra, o reduciendo el campo electrostático promedio en el dispositivo. Cuando se usa agua como medio portador para analizar nanomateriales, las condiciones experimentales requieren un ajuste fino para maximizar la relación señal / fondo.
Esquema que muestra las partes principales del espécimen y los posibles pasos involucrados en el mecanismo propuesto para la evaporación de hielo en campo pulsado. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abd6324 
De este modo, A. A. El-Zoka y sus colegas superaron las barreras de la tomografía convencional enfocada por haz de iones / sonda atómica (FIB / APT) para analizar capas líquidas y nanoestructuras encapsuladas en capas líquidas. El equipo utilizó oro nanoporoso (NPG) como sustrato para desarrollar agujas de hielo en combinación con un haz de iones enfocado en crio-plasma (crio-PFIB) adecuado para el análisis de sonda atómica. Los resultados mostraron la capacidad de analizar capas de hielo a granel y sondear nano-ligamentos encapsulados junto con los iones solvatados circundantes a escala casi atómica. El enfoque allanará el camino para utilizar metales nanoporosos para investigar de forma rutinaria capas líquidas en nanoestructuras encapsuladas. La química del metal y el tamaño de los poros se pueden optimizar para mejorar las aberraciones observadas en la interfaz hielo-sólido y dentro de los nanoporos de los materiales. El conjunto de experimentos completados aquí permite un primer e importante paso hacia el desarrollo de imágenes analíticas a escala casi atómica de sustancias químicas, sistemas bioquímicos y biológicos.
Descripción general del experimento de tomografía con sonda de átomo de hielo (APT) D2O. (a) Curva histórica de voltaje de la medición APT, y (b) histograma del detector correspondiente. (c) Imagen SEM de una muestra de hielo APT, y (d) correspondiente mapa de átomos reconstruido en 3D de D2O (la escala está en nm). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abd6324
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