De Samber, Björn

De Schamphelaere, Karel

Evens, Roel

Falkenberg, Gerald

Janssen, Colin

Rickers, Karen

Ridoutt, Fernando

Szaloki, Imre

Vincze, Laszlo

Wellenreuther, Gerd

English

Ghent University Academic Bibliography

Cryomapping on Daphnia magna at Beamline L using a cryostream: experimental setup and comparison. 1B. De Samber, 2R. Evens, 2K. De Schamphelaere, 2C. Janssen, 4F. Ridoutt, 2K. Rickers, 2G. Falkenberg, I. Szaloki, 1L. Vincze and  3G. Wellenreuther1X-ray  Microspectroscopy and Imaging (XMI), Ghent University,Krijgslaan 281, B-9000 Ghent, Belgium2Laboratory of Environmental Toxicology and Aquatic Ecology, Ghent University, Jozef Plateaustraat 22, B-9000 Ghent, Belgium3Hamburger Synchrotronstrahlungslabor at DESY, Notkestr. 85, D-22603 Hamburg, Germany4European Molecular Biology Laboratory at DESY, Notkestr. 85, D-22603 Hamburg, GermanyThe analysis of metals within biological systems using X­ray fluorescence imaging is a quickly developing field of research. An inherent difficulty of micro­XRF imaging on biological materials is associated with the need to observe the sample in its natural state as much as possible. Sample structure should be preserved, and the elemental distributions within the sample should not change during analysis. However, most of the biological   samples   are   containing   high   amounts   of   water,   which   slowly   evaporates   and   changes   the elemental distributions. Different sample preparation methods are currently available to remove the water content from biological samples such as critical point drying, freeze drying and dehydration through graded solutions followed by chemical fixation. However, removal of water contents can also cause an extra source of dislocation of elements and/or may introduce sample contamination with other metals.An alternative method is to quickly freeze the sample (e.g. plungefreezing, high pressure freezing) so that all water is transformed to vitreous ice avoiding ice crystal formation, followed by the analysis of the sample in   its  native  state  at  a   temperature  below  the glass  transition   temperature  of  water   (136K) so  that  no recrystallization   occurs.   In   this   report,   we   discuss   the   implementation   of   a   cryostream   cooler   in   the experimental set­up and make a comparison between the elemental distributions within a frozen, hydrated and a dehydrated, fixed  Daphnia magna  organism.  Daphnia magna    is a freshwater crustacean used in toxicological   research   as   a  model   organism   to   evaluate   the   harmful   effects   of   heavy  metals   on   the ecosystem (ref.1).Fig. 1 shows a photograph of the experimental set­up at beamline L. A 700 series cryostream cooler from Oxford  Cryosystems   (ref.2),  normally  used  for  synchrotron  cryocrystallography,  was  installed  under  an angle of 45° with respect to the polarisation plane and the detector axis. A laminar gas flow of 5 L/min insured a temperature of 100 K at 8 mm distance from the cryostream nozzle. Icing can occur on objects outside the path of the laminar flow, therefore a single bounce capillary with a long working distance of 5 cm was used and the detector was shielded with a kapton foil to prevent damage to the Be window. Fig. 1: Experimental set­up at Beamline LDaphnia magna was collected from the culture medium, rinsed using deionised water and glued to a sample support fibre and inserted into the cryostream, which induced a fast freezing of the sample. Immediately afterwards, a 2D micro­XRF “cryomapping” was started with a 20 μm stepsize and 1.5 s scanning time/point resulting in a scanning time of approximately 6h. During this time, no icing on the sample was observed and vibrations   of   the   sample   due   to   the   cryostream  were   estimated   to   be   below  the  μm   level   based   on microscope observation.   A small bubble of frozen water could be observed outside the sample, probably due the  transition of  water  into  ice.  At   the same time,  another sample was taken from the culture and underwent a HMDS drying procedure used in previous work (ref.3). Also, a 2D micro­XRF mapping was applied on  this sample under  identical  experimental  conditions  (except   the presence of   the cryostream cooling). Fig. 2 shows a comparison between elemental distributions of Zn, Cu and Br of a cryofrozen (left) and a chemically fixed (right) Daphnia magna. A colorbar has been added which shows the intensities in counts. It can immediately be observed that deformations of the tissue structure in the chemically fixed sample are present (e.g. more diffuse appearance of the tissue structures). However, the Zn concentration seems to be similar between both samples, with exception from upper gut and exoskeleton borders. Cu seems to show a significant leaching from the gut (also Fe and Mn show significant changes). The Br distribution appears to be very comparable (also Rb, Se, Sr are comparable). Another interesting observation is the large Compton scattering in the frozen sample due to its water content. The Compton map shows a uniform distribution, whereas in the dried sample the dried tissue structures are distinguishable based on the 2D Compton maps.Fig. 2: comparison between the difference in Zn, Cu, Br and compton distribution between a chemically fixed and a cryofrozen Daphnia magnaIt can be concluded that, when a cryostream is available, “cryomapping” is an excellent method to analyze the  metal   distributions  within   biological   samples   in   their   native   state.   Since   icing   problems  were   not observed on the sample and vibrations appear to be below the μm level,  this method is fully compatible with the current Beamline L setup.References:[1] Development of a chronic zinc biotic ligand model for Daphnia magna. Heijerick et al., Ecotoxicology and Environmental Safety, 2005, 62, 1-10.[2] OxfordCryosystems 700 series. (http://www.oxfordcryosystems.co.uk/cryostream/700series.htm)[3] A combination of synchrotron and laboratory X-ray techniques for studying tissue-specific trace level metal distributions in Daphnia magna. De Samber et al., J. Anal. At. Spectrom., 2008, 23, 829-839.

Cryomapping on Daphnia magna at Beamline L using a cryostream : experimental setup and comparison

https://biblio.ugent.be/publication/699072/file/699116

Cryomapping on Daphnia magna at Beamline L using a cryostream : experimental setup and comparison

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Ghent University Academic Bibliography