Les biofilms font partie intégrante de l'écologie de la Terre et de la durabilité de la vie. Composé de micro-organismes, les biofilms jouent un rôle vital dans le recyclage des éléments les plus essentiels de la vie. Mais un manque d'outils analytiques polyvalents a rendu difficile l'extraction d'informations critiques sur les processus de biofilm.

Une nouvelle façon d'étudier les biofilms

Maintenant, Le scientifique de l'EMSL Zihua Zhu et ses collègues ont développé un moyen d'étudier les biofilms dans leur état natif, permettant d'examiner pour la première fois les interfaces biofilm-substrat au niveau moléculaire. Déjà, l'équipe a appris que les biofilms de la bactérie Shewanella oneidensis , et un de ses mutants, peut survivre à l'introduction de chrome (VI), cancérigène connu largement utilisé comme agent anticorrosif. L'utilisation de biofilms pour nettoyer les eaux contaminées par le chrome (VI) pourrait s'avérer révolutionnaire dans nos efforts pour assainir les anciens sites de déchets industriels.

L'outil qui rend cela possible s'appelle la spectrométrie de masse à ions secondaires liquides in situ (SIMS). Les techniques SIMS traditionnelles empêchent les chercheurs d'étudier les systèmes aqueux car la présence de vapeur d'eau interfère avec le vide, invalider les résultats. Elles sont également considérées comme des méthodes « dures » dans la mesure où elles perturbent de nombreuses interactions au niveau moléculaire que les scientifiques souhaitent étudier. SIMS liquide in situ, cependant, est conçu pour contourner le problème de la pression de vapeur élevée.

Comment c'est fait

Le SIMS liquide in situ est utilisé pour étudier les structures moléculaires en solution. En projetant un faisceau d'ions à haute énergie à la surface de la solution, les chercheurs peuvent forcer l'éjection d'une gamme de particules, des atomes simples aux amas moléculaires. Les scientifiques utilisent un environnement à vide poussé pour isoler les particules éjectées, dont certains sont ionisés, à partir de l'échantillon global. Les particules ionisées sont ensuite introduites dans un spectromètre de masse et analysées.

Parce que tant de systèmes importants pour la vie humaine se produisent naturellement dans des environnements à base d'eau, le développement de SIMS liquides in situ repousse les frontières scientifiques actuelles en permettant aux scientifiques d'étudier une multitude de systèmes, y compris ceux des aérosols, dans leur état natif sans perturber les interactions clés.

Comparer le SIMS liquide in situ à un œil moléculaire, Zhu dit que cela permet aux scientifiques d'examiner directement les molécules pour voir ce qui se passe à leur niveau. La technique, développé sur mesure pour la première fois en 2011, présente la conception de base du SIMS traditionnel avec des modifications pour l'étude des échantillons aqueux. L'un de ces ajustements est l'utilisation d'une interface microfluidique. Cela implique l'utilisation d'une fine couche de nitrure de silicium placée entre l'échantillon (qui s'écoule dans un minuscule canal) et son environnement, mise en quarantaine efficace de l'échantillon de la contamination et de l'environnement sous vide poussé de l'instrument SIMS. La machine utilise ensuite un faisceau d'ions à courant élevé pour percer soigneusement un trou à travers la couche de nitrure de silicium jusqu'à ce que la solution soit exposée par une ouverture microscopique de 2 µm d'épaisseur. Parce que le trou est si petit, la tension superficielle de l'échantillon minimise l'évaporation de l'eau tout en permettant l'accès au faisceau SIMS.

Comprendre la formation des aérosols secondaires

De la formation des nuages ​​à la quantité de particules dans l'air, les aérosols organiques jouent un rôle clé dans les processus atmosphériques et climatiques. Provenant principalement de petites molécules organiques émises par les plantes, comprendre comment ils deviennent plus gros, des composants plus lourds dans les aérosols organiques secondaires peuvent aider les chercheurs à produire de meilleurs modèles prédictifs. Avec des SIMS liquides in situ, les chercheurs peuvent effectuer une analyse au niveau moléculaire de la nucléation des aérosols secondaires, un processus qui se produit lorsque des réactions chimiques créent des particules à partir d'aérosols primaires gazeux.

Zhu et son équipe ont déjà mis en lumière des informations critiques sur la nucléation initiale des aérosols secondaires, des informations importantes pour évaluer l'impact des aérosols sur les processus atmosphériques.

Le succès vient de l'effort d'équipe

Zhu, avec le chercheur du PNNL Xiao-Ying Yu et l'ancien membre du personnel du PNNL James Cowin, a commencé en 2010 à se concentrer plus intensément sur le développement de SIMS liquides in situ. Leur invention, initialement conçu par Yu, a été breveté en 2013 et a remporté un R&D 100 Award en 2014. À ce jour, Zhu et son équipe ont publié 24 articles sur les SIMS liquides in situ, avec huit de ces articles présentés comme couvertures dans des revues à fort impact, comprenant Chimie analytique , Analyste , et Journal des lettres de chimie physique .

Yu est actuellement le scientifique principal d'un autre projet utilisant le SIMS liquide in situ pour étudier le rôle de l'interface air-liquide dans la formation d'aérosols secondaires.

Zhu et ses collègues ont actuellement trois documents SIMS liquides in situ en révision et d'autres en préparation. Ils n'ont pas l'intention de s'arrêter de sitôt - l'objectif directeur de l'équipe est d'étendre les applications des SIMS liquides in situ et d'être les pionniers de la technique.

"Nous avons déjà accompli beaucoup de choses, mais mon plus grand souhait est que d'autres scientifiques mettent à profit les techniques que nous avons développées pour aborder d'autres questions scientifiques, " dit Zhu.