1. AFM可实现在环境条件下真实原子分辨率表面成像和操作
许多化学和机械现象，从催化到摩擦，都是由材料表面的原子尺度结构和性质决定的。然而，在原子水平上表征表面的主要工具依赖于严格的环境条件，如超高真空和低温。在这种控制良好的原始条件下获得的结果与大多数环境条件下发生的工艺和应用几乎没有关联。
近日，加利福尼亚大学美熹德分校Mehmet Z. Baykara报告了在环境条件下通过导电原子力显微镜（C-AFM）在高扫描速度下进行的真实原子分辨率表面成像。
首先作者在包括单个原子空位在内的缺陷的各种材料表面上进行了原子分辨率成像。原子分辨率可以通过受限的导电路径或尖端-样品接触处的单个原子尖锐凹凸来实现。其次实现了MoS2上缺陷的原位电荷态操控能力，以及观察到的奇异电子效应：在薄过渡金属碳化物（TMC）晶体（即MXene）α-Mo2C中的室温电荷有序性。
该研究结果表明，C-AFM可作在环境条件下对表面结构和电子器件进行原子分辨率成像和操纵。
参考文献：
Saima A. Sumaiya et.al True Atomic-Resolution Surface Imaging and Manipulation under Ambient Conditions via Conductive Atomic Force Microscopy ACS Nano 2022
DOI: 10.1021/acsnano.2c08321
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c08321
2. 工况AFM揭示电解水过程中SrIrO3的稳定性
在非均相水氧化的氧化物电催化剂机理研究中，大部分研究主要集中于活性来源的探索，而对于稳定性的研究较少。主要是因为直接观察和量化操作条件下的局部结构不稳定性极具挑战性。
有鉴于此，斯坦福大学Andrew R. Akbashev使用电化学原子力显微镜（EC-AFM）研究了钙钛矿稳定性随时间和操作电压的动态演变过程。
作者通过在纳米尺度上跟踪依赖于电势的Sr浸出和钙钛矿溶解特性，研究了高活性电催化剂SrIrO3在析氧反应（OER）过程中的降解途径。通过将该材料用作钙钛矿AMO3氧化物降解研究的模型系统，可以表现出A阳离子浸出和过渡金属（M）溶解。作者发现，Sr浸出先于钙钛矿溶解，从而产生宽电压稳定窗口，其中水氧化发生在Sr耗尽的表面上，并且无明显腐蚀。
此外，作者发现钙钛矿表面的稳定性受到电解环境的强烈影响，并且腐蚀速率随Sr溶解浓度的变化而变化。最终，该研究表明，通过抑制A位浸出，钙钛矿氧化物在电催化过程中的整体稳定性可以显著提高。
参考文献：
Andrew R. Akbashev et.al Probing the Stability of SrIrO3 During Active Water Electrolysis via Operando Atomic Force Microscopy EES 2022
DOI: 10.1039/D2EE03704A
https://doi.org/10.1039/D2EE03704A
3. 原位导电AFM解析纳米尺度电催化剂-电解质界面的电子转移变化
电催化剂的合理创新需要详细了解固体-电解质界面的空间特性变化。
近日，弗里茨·哈伯研究所Christopher S. Kley利用原位导电原子力显微镜解析电催化剂-电解质界面的纳米电子转移变化。
作者引入原子力显微镜（AFM），在原位和纳米尺度上同时探测用于CO2电还原的铜-金双金属体系的电导率、化学摩擦和形态特性。在空气、水和碳酸氢盐电解质中，电流-电压曲线具有与局部电流对比一致的CuOx电阻岛，而摩擦成像显示了从水到电解质变化时水合层分子顺序的定性变化，而多晶Au上的纳米级电流对比显示了电阻晶界和电催化钝化层区域。
水中的原位导电AFM成像显示了低电流的中尺度区域，并揭示了界面电流的减少并伴随着摩擦力的增加，从而表明了受电解质组成和离子种类影响的界面分子顺序变化。该发现提供了关于局部电化学环境和吸附物种如何影响界面电荷转移过程的见解，并能够在催化和能量转换研究中建立原位结构-性质关系。
参考文献：
Martin Munz et.al Nanoscale Electron Transfer Variations at Electrocatalyst–Electrolyte Interfaces Resolved by in Situ Conductive Atomic Force Microscopy JACS 2023
DOI: 10.1021/jacs.2c12617
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c12617
4. 原位电镜揭示催化计构效关系
斯坦福大学的J. Tyler Mefford和William C. Chueh教授等利用一套相关的扫描探针和X射线显微镜技术，建立了β-Co(OH)2单晶片状材料的化学物理性质、纳米级电子结构与析氧活性之间的联系。在预催化电压下，钴的氧化态为+2.5，氢氧根插层形成类似α-CoO2H1.5·0.5 H2O结构。在增加电压驱动氧进化，层间水和质子脱插形成收缩的β-CoOOH粒子，包含Co3+物种。虽然这些转变表现出非均匀的粒子的大部分，电化学电流主要限制在他们的边缘面位。观察到的Tafel行为与这些反应边缘位置的Co3+的局部浓度相关，表明了大块离子插入和表面催化活性之间的联系。
图 原位电化学原子力显微镜表征β-Co(OH)2粒子
使用电化学原子力显微镜（EC-AFM）在0.1 M KOH中在约10 nm的空间分辨率下测量了颗粒形态随电压的变化。并利用原位扫描透射X射线显微镜(STXM)在约50 nm分辨率下表征了β-Co(OH)2粒子Co的氧化态。研究表明，在催化初始电压下，粒子膨胀形成α-CoO2H1.5·0.5H2O状结构(通过氢氧根插层产生)，其中钴的氧化态为+2.5。在增加电压驱动氧的析出时，层间水和质子脱插，形成含有Co3+的收缩状β-CoOOH粒子。尽管这些转变在大部分粒子中均表现出不均匀性，但电化学电流主要受限于其边缘面。
电化学原位实验
电化学控制在EC-AFM, EQCM和操作STXM期间使用SP-300恒电位器(BioLogic)进行。旋转圆盘电化学(RDE)和紫外-可见光谱电化学使用VSP-300恒电位仪(Biologic)。使用如下所述的自制仪器进行SECCM电化学操作。所有电压都参考了可逆氢电极(RHE)，其中每个实验的参考电极的RHE电位在测试前在0.1 M KOH中与大块RHE电极(Hydroflex氢参考电极，eDAQ)进行了标准化。底物电极的制备是通过滴注3 ml的β-Co(OH)2油墨，其中含有2mg的β-Co(OH)2粒子在2ml四氢呋喃中，在新清洁的GC板上(HTWGermany)。让油墨在GC表面干燥后，用干净的PDMS块轻轻压印dropcast区域，以去除聚集的颗粒。然后，在制备的衬底上覆盖一层薄薄的十二烷。使用FE-SEM(GeminiSEM, ZEISS)进行表征。探针(针尖)具有~400 nm的扫描模和~440 nm的跳模，同时确保足够的空间分辨率，在如上所述制备微管后，两通道均充满0.1 M KOH，并配备准参比对电极(QRCE;例如，镀有AgCl的银线)。用于询问S5衬底工作电极的半月板(液滴)细胞在充满的微管探针的末端自然形成。将制备的微移液管和基板分别安装在z-压电定位器上，用于三维空间的纳米级移位。在整个扫描过程中，离子被持续监测(使用自制的电流放大器)，并作为反馈信号来精确地将半月板(液滴)电池定位到衬底电极上。
参考文献：
J. Tyler Mefford et al. Correlative operando microscopy ofoxygen
evolution electrocatalysts. Nature, 2021, 593, 67-73
DOI: 10.1038/s41586-021-03454-x
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03454-x
5. 原子力显微镜——革兰氏阳性细菌细胞壁的结构！
英国谢菲尔德大学的S. J. Foster和J. K. Hobbs教授团队使用活细胞和纯化的肽聚糖，应用原子力显微镜对形态不同的金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌进行了检测。活细胞的成熟表面以大（直径高达60nm）、深（高达23nm）的孔隙构成无序的肽聚糖凝胶为特征。内肽聚糖表面由更多新生物质组成，密度更大，聚糖链间距通常小于7nm。内表面结构取决于位置。枯草杆菌的柱体具有密集的周向取向，而在金黄色葡萄球菌和两个物种的分裂间隔中，肽聚糖密集但随机取向。
将指数生长的金黄色葡萄球菌细胞固定在硅衬底上的微加工孔中，并使用小悬臂、小振幅原子力显微镜（AFM）实时成像。大型扫描重现了金黄色葡萄球菌（图1a）的已知网状结构（成熟）和环状结构（新显示的分割平面）。高分辨率AFM显示，网格（图1b）是随机定向的，宽度不同，孔隙深度高达23 nm（图1c）。由于壁厚约为20nm，一些孔隙必须跨越大部分壁。壁磷壁酸（WTA）或脂磷壁酸，缺乏主要的壁相关聚合物并没有实质性地改变结构，这与观察到的肽聚糖特征一致。单个股线（图1b）具有可变宽度（平均6.0±3.8 nm，n=45；图1g），在某些情况下（例如，图1b中的绿色虚线箭头）几个单独的股线聚集在一起，因此认为这些纤维通常是多分子的（例如，图1b中的蓝色箭头）。肽聚糖在外壁的分布密度低得惊人。通常在11±3.4 nm（n=5）的深度处仅填充50%（图1c，绿色区域）。因此成熟壁外部区域是多孔凝胶，即液体介质中的三维固体网格。
表面环结构（归因于新生的间隔材料）最初是分子密集的（图1d，e），由径向波纹群组成，这些波纹群由周向排列的单链组成，在最密集的区域间隔2.7±0.5nm（n=16）（图1f）。新生环材料中长聚糖链的观察支持肽聚糖水解酶在细胞生长相关壁成熟中的作用。无序网格和有序环之间的界面是尖锐的。细胞分裂发生在连续的正交平面上。由于看不到与上一代细胞环正交的环结构，在这些生长条件下细胞环在单个分裂周期内转变为网状结构。
图1 金黄色葡萄球菌中肽聚糖的AFM图像
活细胞成像仅限于外表面，不能区分成分。研究表明在空气中对提取、纯化的细胞壁肽聚糖进行成像可以通过细胞周期对细胞壁结构提供有用的见解。在这里，小囊在液体中成像，敲击固定后球囊碎片展示了活细胞环和网状结构（图2a-d）。重要的是在单个球囊内使用AFM观察内表面和外表面（例如，图2a）。获得的每个内表面图像（n=80）显示出一个紧密、无序的网格（图2e，f），可能由单链（宽度2.8±0.8 nm，n=45；图2j）构成，孔隙直径小于6.4nm（n=158）占总孔隙面积的一半，大大小于活体外表面上的孔隙（39 nm, n=310）（图2i）。不完全隔面对细胞质的表面上不存在环（图2g，h），而是有一个紧密、无序的网状结构，类似于内表面的其余部分（n=25）。环形建筑仅限于上一代的后分区分隔外表面。从环到网格的成熟可能通过表面环的丢失和重组而发生，揭示了底层无序网格。细胞壁的最终结构取决于细胞壁合成酶和水解酶之间的相互作用。去除其中一种肽聚糖合成酶PBP4会导致更密集的环状结构，偶尔会持续到第一代表面之外。从环到多孔网状结构的转变主要是由于肽聚糖水解酶的作用。
图2 金黄色葡萄球菌球囊结构
为了探索观察到的普遍性对杆状枯草杆菌进行了研究。将指数生长的活细胞固定在细胞涂层云母上并成像。细胞柱呈现出无序的网状结构，具有可变厚度（4.5±1.9 nm，n=111；图3a，b，d），类似于金黄色葡萄球菌，与之前提出的圆周定向特征相反。对单个细菌的连续纵向成像显示远离两极的结构没有变化。沿细胞柱观察到15 nm深的孔隙（图3c）。枯草杆菌活细胞极由于其相对于探针尖端的方向难以用AFM成像。然而，圆柱-磁极界面显示了磁极相关的环形结构（图3e，f）。
纯化枯草杆菌球囊的成像显示圆柱体的外表面为随机取向的网状物（图3g），杆为环状物（图3h）和网状物（图4）。相比之下，球囊圆筒的内表面显示出的特征将大致围绕体内圆周定向（图3i，图4），长度范围从明显的单聚糖到更大的结构，之前在中成像的样本中被解释为“电缆”，并且可能与cryo-EM中描述为“周向特征”的对比度有关。与螺旋组织相比单个股线的内部方向是围绕细胞的圆周方向。去除MreB细胞形状决定蛋白家族产生的具有随机取向链的球形细胞，这意味着这些成分负责这种圆周取向。枯草杆菌不完全隔壁面向细胞质的一侧有一个无序的网状结构（图3j，k），带有随机取向的链。它的表面也有明显的气孔（图4）。成熟极的内表面显示出无序、相对致密的结构（图4），这表明不完整间隔中的孔隙很可能是充填的，与前缘间隔合成无关。之前在干燥样品上观察到的更复杂的隔膜结构可能来自脱水过程中“外部”环和“内部”网施加的约束之间的相互作用。
图3 活的枯草杆菌和提取的囊状杆菌肽聚糖的AFM图像
金黄色葡萄球菌和枯草杆菌的纯化成熟球囊（肽聚糖+WTA）水合时厚度分别为36±5.3nm（n=25）和34±10nm（n=19），干燥时厚度分别为17±2nm（n=25）和9±1nm（n=19）（图2k、l）。之前的cryo EM分析显示从活细胞到提取的水合球囊的壁厚增加了约50%。即使在面向细胞质的壁表面上肽聚糖也有一个相对多孔的结构，不像传统的致密壁。这就提出了一个问题，即它如何发挥抑制细菌膨胀压力的作用。为了使膨胀导致溶解，膜必须通过壁向外膨胀，克服膜的弯曲模量。弹性变形能的计算表明，直径为8 nm的孔可以支持约20 bar的内部膨胀压力，也就是说观察到的孔足够小，足以支持细胞膜上的预期内部压力。
本文提供的数据和解释来自活细胞和在液体中成像的球囊，与之前研究中在空气中采集的干燥球囊数据存在显著差异。活细胞图像显示，成熟细胞壁是多孔的网状水凝胶（图1b、3b）。液体中球囊的图像显示出与活细胞数据类似的特征（图2b、3g），并且与干燥球囊相比，由于水化膨胀，厚度大幅增加（图2k、l）。作者认为目前的研究和以前的研究之间的显著差异反映了干燥球囊的塌陷性质，与含水的革兰氏阳性细胞壁固有的3D性质相比。这种对细胞壁结构的新理解为细胞肽聚糖动力学所需的成分设置了限制。对两种形态多样的细菌的分析揭示了之前未观察到的共性水平。
图4 B.枯草杆菌活细胞和球囊
总之，作者使用活细胞和纯化的肽聚糖，应用原子力显微镜对形态不同的金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌进行了检测。活细胞的成熟表面以大、深的孔隙构成无序的肽聚糖凝胶为特征。内表面结构取决于位置。枯草杆菌的柱体具有密集的周向取向，而在金黄色葡萄球菌和两个物种的分裂间隔中，肽聚糖密集但随机取向。揭示细胞外膜的分子结构有助于理解其力学性质和作为环境界面的作用，为传统的结构生物学方法提供补充信息。
参考文献：
J. K. Hobbs et al. The architecture of the Gram-positive bacterial cell wall. Nature, 582, 294-297, 2020.
DOI: 10.1038/s41586-020-2236-6.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2236-6
转自：“研究生科研必备”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
