Résumé des données de la sonde atomique d'une épaisse couche de glace. (A) Spectre de masse de l'ensemble de données APT acquis de la glace D2O à 100 pJ, 200kHz, et un taux de détection de 0,5 %. (B) Spectre de masse sectionné de (A) pour illustrer les pics complexes DxH3-xO. (C) Carte de reconstruction 3D de D2O. La capture en médaillon montre l'image SEM de l'échantillon. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abd6324
Les progrès de la microscopie électronique à transmission (MET) peuvent permettre la cryo-imagerie de systèmes biologiques et biochimiques sous forme liquide, cependant, de telles approches ne possèdent pas de capacités analytiques avancées. Dans un nouveau rapport maintenant publié le Avancées scientifiques , A. A. El-Zoka et une équipe internationale de chercheurs en Allemagne, Canada, La France, et le Royaume-Uni, utilisé la tomographie par sonde atomique pour analyser des liquides congelés en trois dimensions (3-D) avec une résolution à l'échelle inférieure au nanomètre. Dans ce travail, l'équipe a d'abord présenté une stratégie de préparation d'échantillons utilisant de l'or nano-poreux et de la glace formée à partir d'eau deutérée de haute pureté (eau dure) avec une solution de chlorure de sodium (50 mM) dissoute dans de l'eau deutérée de haute pureté. Ils ont ensuite analysé l'interface or-glace pour révéler des concentrations accrues de soluté à travers l'interface. Les scientifiques ont exploré une gamme de conditions expérimentales pour comprendre les analyses par sonde atomique de spécimens aqueux en vrac. Ensuite, ils ont discuté des processus physiques associés aux phénomènes observés. L'étude a montré qu'il était pratique d'utiliser de l'eau gelée comme support pour des analyses à l'échelle proche de l'atome d'objets en solution via la tomographie par sonde atomique.
Microscopie électronique à transmission et tomographie par sonde atomique
La microscopie électronique à transmission (MET) a connu des progrès importants au cours des dernières décennies, menant en partie au prix Nobel de chimie 2017, grâce à l'innovation de la cryomicroscopie électronique (cryo-EM) pour déterminer la structure à haute résolution des biomolécules en solution. La technique cryo-EM offre notamment la possibilité de congeler des échantillons rapidement afin que les molécules d'eau présentes dans les échantillons se transforment en cristaux de glace transparents. D'énormes efforts parallèles ont également établi des méthodes de tomographie électronique à résolution atomique pour accomplir des découvertes révolutionnaires en science des matériaux. Malgré les puissantes capacités d'analyse, les approches ne peuvent pas mesurer facilement la composition à l'échelle atomique d'un spécimen. Ici, El-Zoka et al. décrit l'analyse de couches d'eau gelée d'épaisseur micrométrique formées sur de l'or nanoporeux (NPG), avec des applications typiques en catalyse, détection et activation électrochimiques grâce à un rapport surface/volume élevé et une surface riche en or. L'équipe a donc utilisé le NPG comme substrat hydrophile (qui aime l'eau) sur lequel analyser la glace à l'aide de la tomographie par sonde atomique.
Images SEM de la préparation in situ d'un échantillon APT d'un échantillon de glace sur NPG (or nanoporeux). (A) Les modèles annulaires de faisceau d'ions de 200 et 75 μm pour les diamètres extérieur et intérieur, respectivement, ont été faites sur l'échantillon de glace/NPG. (B) Le pilier de glace/NPG a été broyé jusqu'à ce que la hauteur du poste Au atteigne <50 µm (83). (C) La couche de glace a été progressivement affinée avec le NPG jusqu'à ce que la couche atteigne <5 µm de hauteur. (D) Spécimen APT final de glace sur NPG. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abd6324 
Pour préparer des échantillons adaptés à l'évaporation sur le terrain dans un microscope à sonde atomique, El-Zoka et al. ont utilisé une approche de transfert et de congélation en plongée similaire à celle mise en œuvre en cryo-EM. Pour ça, ils ont choisi une approche par faisceau d'ions focalisés sur plasma in-situ (PFIB) à cryo-température. L'arrangement a permis la préparation d'un spécimen stable composé de liquide congelé. Ils ont détaillé un large éventail de données de sonde atomique à laser pulsé à partir d'eau pure deutérée (D
Cartographie à l'échelle quasi atomique des compositions chimiques à travers l'interface or-eau gelée. (A) Reconstruction 3D et analyse de l'interface entre le substrat NPG et la glace contenant du NaCl. O est utilisé pour marquer la position de tous les amas d'eau. (B) Une tranche de 5 nm d'épaisseur à travers le tomogramme en (A) le long du plan marqué par la ligne violette en pointillés, mettant en évidence des ligaments riches en Ag et la distribution des ions Cl et Na entre les deux. (C) Profil de composition le long d'un cylindre de 5 nm de diamètre traversant l'interface entre un nanoligament et la glace, le long de la flèche verte marquée en (D), c'est à dire., le long de l'axe principal du ligament. La ligne en gris est la somme des compositions Au et Ag. (E) Profil de composition entre deux ligaments, le long de la flèche jaune en (D), montrant l'augmentation locale de Na et Cl entre les ligaments. La ligne en gris est la somme de la composition Au et Ag. Les régions ombrées correspondent aux 2σ de la statistique de comptage dans chaque case. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abd6324
Tomographie par sonde atomique de la glace
El-Zoka et al. protocoles combinés de préparation d'échantillons de tomographie par sonde atomique pour transférer des échantillons sensibles à l'environnement et des données collectées à plusieurs reprises affichant la chimie de la glace à une résolution à l'échelle proche de l'atome. L'appareil contenait un mode d'impulsion laser avec une impulsion de 20 à 100 pétajoules et une fréquence d'impulsion de 25 à 200 kHz. L'équipe a défini le taux d'évaporation cible dans la configuration à 0,003 ou 0,005 ions par impulsion en ajustant une tension continue appliquée (cc) (allant de 2 à 5 kV) dans l'expérience. Ils ont obtenu un ensemble de données résumé indiquant l'évolution régulière de la tension continue appliquée au cours de l'expérience. Les scientifiques ont notamment détecté des cations issus de l'évaporation de l'eau sous forme d'ions moléculaires à charge unique de un à cinq D
Abondance relative des ions moléculaires en fonction de l'énergie d'impulsion laser et en mode d'impulsion haute tension. Quantité relative de différents ions cluster observés dans l'analyse de la glace D2O à des énergies de pulsation allant de 20 à 100 pJ. La fraction pulsée pour la mesure HV était de 15 %. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abd6324
Bruit de fond
L'équipe a également quantifié le niveau de bruit de fond pour comprendre la sensibilité des analyses de solutions basées sur la tomographie de la sonde atomique. Les niveaux de fond détectés étaient relativement élevés par rapport aux analyses habituelles; cependant, cela pourrait être abaissé en changeant les paramètres expérimentaux. Étant donné que la glace est un conducteur de chaleur très médiocre, l'équipe a réduit le taux de répétition du laser dans l'étude pour éviter un éventuel empilement d'impulsions thermiques. L'équipe a montré comment la variation de l'énergie d'impulsion et de la fréquence d'impulsion permettait une homogénéité accrue du processus d'évaporation du champ avec des énergies d'impulsion décroissantes. La plupart du bruit de fond observé s'est développé en raison de l'évaporation de l'eau par le champ électrostatique. Une baisse du niveau de bruit de fond pourrait donc être obtenue en abaissant la température moyenne de l'éprouvette, en abaissant la température moyenne de l'éprouvette, ou en abaissant le champ électrostatique moyen dans l'appareil. Lors de l'utilisation de l'eau comme support pour analyser les nanomatériaux, les conditions expérimentales nécessitent un réglage fin pour maximiser le rapport signal/arrière-plan.
Schéma montrant les principales parties de l'échantillon et les étapes possibles impliquées dans le mécanisme proposé pour l'évaporation de la glace en champ pulsé. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abd6324 
De cette façon, A. A. El-Zoka et ses collègues ont surmonté les obstacles de la tomographie conventionnelle par faisceau d'ions focalisés/sonde atomique (FIB/APT) pour analyser les couches liquides et les nanostructures encapsulées dans des couches liquides. L'équipe a utilisé de l'or nanoporeux (NPG) comme substrat pour développer des aiguilles de glace en combinaison avec un faisceau d'ions focalisé cryo-plasma (cryo-PFIB) adapté à l'analyse par sonde atomique. Les résultats ont montré la capacité d'analyser les couches de glace en vrac et de sonder les nano-ligaments encapsulés aux côtés des ions solvatés environnants à une échelle proche de l'atome. L'approche ouvrira la voie à l'utilisation de métaux nanoporeux pour étudier régulièrement les couches liquides dans les nanostructures encapsulées. La chimie du métal et la taille des pores peuvent être optimisées pour améliorer les aberrations observées à l'interface glace-solide et dans les nanopores des matériaux. L'ensemble des expériences réalisées ici permet un premier et grand pas en avant pour développer l'imagerie analytique à l'échelle proche de l'atome de produits chimiques, systèmes biochimiques et biologiques.
Vue d'ensemble de l'expérience de tomographie par sonde d'atome de glace (APT) D2O. (a) Courbe d'historique de tension de la mesure APT, et (b) l'histogramme correspondant du détecteur. (c) image SEM d'un spécimen de glace APT, et (d) la carte atomique reconstruite en 3D correspondante de D2O (l'échelle est en nm). Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abd6324
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