分子构象器和星团的空间分离
2014年1月9日
我们提出了一种技术，允许分子束中存在的不同构象体或星团的空间分离。静电偏转器用于按质量与偶极时比将物种分开，从而产生单一构象器或聚类气相的气相合奏。
以下实验的总体目标是在空间上分离不同的物质，例如气相中的构象异构体簇或量子态，以便于对这些样品进行进一步的实验。这是通过首先产生包含目标物质的旋转冷超音速分子束来实现的。第二步，光束中存在的不同物质需要在空间上分离，这是利用强均匀电场实现的，通过斯塔克效应引起的有效偶极矩来分离物质。
接下来，使用共振增强多光子电离探测物质的空间分布，以确定仅存在单一物质的区域。获得的结果表明，三种氟乙醇的 CYS 和反式异构体的空间分离，以及基于记录为分子束中空间位置的函数的完全物种选择性驻留增强多光子电离产率从纯 indu 中分离水 indu。与 HPO、调焦器或铁迁移率漂移管等现有技术相比，该技术的主要优点是电气分解更容易实施且更普遍适用。
该技术的含义延伸到分子框架成像以及电子和 X 射线衍射实验中的应用，因为这些需要纯净和均匀的样品 在气相中，此处显示了气相分子束设置和偏转器的示意图，它由以下组件组成。第一个组件是包含分子样品的脉冲 Evan Levy 阀。在这里介绍的实验中，阀门以 20 赫兹的重复频率运行，氦气背衬压力约为 50 bar，并膨胀到真空室中，抽真空至小于 10 到负 6 毫巴。
一个直径为 2 毫米的分子束撇取器放置在阀门下游 22 厘米处，涂有分子束，导致脉冲阀和真空系统其余部分之间的泵送条件不同。在撇渣器之后，分子立即进入静电偏转装置。它由一根半径为 3 毫米的杆和一个曲率半径为 3.2 毫米的槽组成，每个槽长 24 厘米。
设备中心电极之间的垂直间隙为 2.3 毫米。在杆和槽之间施加 0 到 26 千伏之间的电位差，在导流板分子通过第二个撇渣器进入相互作用区域后，立即产生具有几乎恒定场梯度的强均匀电场，如插图所示，提供进一步的差分泵浦级。抽真空到小于 10 到负 9 毫巴的压力的相互作用区域包含标准的 Wiley McLaren 飞行时间设置分子被排斥器和提取电极之间提取区域中心的聚焦激光脉冲电离。
产生的离子被加速到多通道板或 MCP 检测器，在那里记录质谱。激光脉冲来自钕 YAG 泵浦倍频脉冲染料激光器，为 O 末端实验提供约 283 纳米的典型输出波长，或为三种氟酚实验提供 272 纳米的典型输出波长和几毫焦耳的脉冲能量。脉冲持续时间约为 10 纳秒，脉冲用 750 毫米焦距的镜头聚焦到相互作用区域中约 100 微米的光斑尺寸。
timing sequence 由提供 master clock的数字 delay generator 控制。这将触发 neo DMAC 激光器、脉冲阀和用于记录质谱的数字化仪卡。数字化器卡与激光提示开关同时触发。
分子束密度是从记录的飞行时间光谱中的适当质量门中提取的。首先在一小块滤纸上滴几滴三种氟苯酚，然后将化学样品加载到脉冲阀的样品储液器中，使用高纯度、高压前级气体产生超音速膨胀，调节阀内样品储液器的温度，使样品的分压约为 10 毫巴。为了表征产生的分子束，将电离激光器设置为已知波长，用于样品的特定构象异构体的共振增强多光子电离，通过监测 MCP 检测器上的总母离子产率作为阀激光延迟的函数来记录分子束脉冲的时间曲线。
此处显示了使用氦气的两种不同载气关闭静电导流板的典型时间曲线。在这些作条件下，观察到 Evan levy 阀的膨胀通常为 12 微秒的半最大值全宽。为了进行比较，还显示了霓虹灯座光束的时间剖面。
接下来，将阀激光延迟固定在所有后续测量的最大强度位置。记录分子束的横向空间剖面，垂直于激光传播方向移动聚焦透镜，使焦点相对于分子束沿 Y 方向移动。然后对光束中所有感兴趣的构象异构体重复时间和空间分析。
最后，打开偏转器的高压电源并记录所有异构体的空间曲线，现在应该偏转这些异构体。根据桅杆与偶极矩比，三个氟乙醇构象异构体在分子束中从 50 巴氦的超音速膨胀中分离出来。插图显示了两个构象异构体的分子结构。
通过 272 纳米附近其他独特的共振增强多光子电离共振探测单个物种。反式物种表现出比顺式构象异构体大得多的 Stark 效应。这导致了一个更大的有效偶极矩，这是由鲜明能量的负斜率给出的。
因此，transcon 构象异构体在通过偏转器后会经历更大的偏转，并且在空间上与囊肿构象异构体和束流的载气分离。通过共振增强多光子电离激光器相对于分子束方向的平移来监测分子束的空间分布，空间剖面如图所示。无场配置文件由 cys 的洋红色和 trans 曲线的青色表示。
这些得出的分子束的空间宽度约为 2 毫米，并表明在没有偏转器的情况下，两种物质都在束流内混合。施加 14 kV 的偏转电压会导致构象异构体的空间分离 当施加更高的电压时，分离会增加，例如在存在偏转场的情况下，如右图所示的 28 kV。transcon 构象异构体的偏转明显大于顺式构象异构体，并且可以有效地与光束中存在的其他物质分离，因此在 y 等于 3 毫米的位置，会产生纯反式样品，可用于进一步的实验。
为了制备分子簇束，例如 indu water，一个 coex 从分子束阀中膨胀 indu 和水。这会产生物种的混合物，包括相应的单体以及不同成分的簇。在这里，我们演示了一个 indu的纯样本的生成。
一个水二聚体。Indu分子束的空间剖面。Co 在水存在下膨胀的 Co 如下所示。
通过共振增强多光子电离检测这些剖面对 Indo Indu water one 和 indu water 具有完全的物种选择性。此处显示的两个曲线已记录，棒电极和槽电极之间的电位差为 26 kV。这些线条表示模拟值。
数值模拟方法的详细信息可以在文献中找到。相比之下，正如预期的那样，黑色曲线显示了无场或导流板接地的空间剖面，一比一的 indu 和水集群经历了最大的挠度，并且在 y 的位置等于 2 到 3 毫米的纯 indu 水束。一个是为了突出偏转器对空间分子束轮廓的影响，插图显示了 indu 水的分子束密度，一个是施加在偏转器上的电位差的函数。
它表明，随着场强的增加，分子束中最冷的部分经历更大的偏转，而较热的成分经历明显较小的空间分离，并且一些密度保持在原始位置。这进一步突出了分子束中最冷部分的选择。遵循此过程。
其他方法（如分子框架成像和对齐）在允许从状态选定样品中提取分子框架数据时可以得到显着批准。并且不要忘记，使用激光工作是极其危险的，因此应始终采取预防措施，例如佩戴预防性眼镜。
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概述
本研究提出了一种用于分子束中不同构型或簇的空间分离技术。通过利用静电偏转器，根据质量-偶极矩比进行物种分离，从而实现产生具有单一构型或簇化学计量的气相集合体。
关键研究组成部分
科学领域
- 物理化学
- 分子物理
- 气相化学
背景
- 分子物种的空间分离对各种实验应用至关重要。
- 旋转冷超声分子束有效用于产生不同物种。
- 现有的分离技术在实施和适用性方面存在局限。
- 斯塔克效应可用于诱导偶极矩以进行分离。
研究目的
- 开发一种有效的分子构型和簇空间分离方法。
- 促进对孤立物种的进一步实验。
- 展示静电偏转器相对于传统方法的优势。
使用的方法
- 产生旋转冷超声分子束。
- 使用强非均匀电场进行空间分离。
- 使用共振增强多光子电离探测空间分布。
- 记录物种选择性电离产率作为空间位置的函数。
主要结果
- 成功空间分离了CYS和三氟乙醇的反式异构体。
- 分离了水诱导的簇和纯indu物种。
- 展示了该技术相对于现有方法实施的简便性。
- 确定了分子束中单一物种存在的区域。
结论
- 静电偏转器提供了一种多功能且高效的分子分离方法。
- 该方法增强了在气相中研究单个分子物种的能力。
- 未来应用可能扩展到需要精确分子操作的各个领域。
常见问题
Executive Industry Relevance
In biopharma R&D, isolating pure molecular species is critical for de-risking target validation and enabling reproducible assay development. Spatial separation of conformers and clusters via electrostatic deflection provides a mechanism to obtain conformationally pure samples, reducing mechanistic ambiguity in early discovery. This capability supports predictive confidence in lead identification by ensuring that functional readouts derive from a single, well-defined species.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of individual conformers to clarify structure-function relationships and reduce false positives in target screening.
- Operational Value: Produces conformationally pure samples that improve reproducibility in downstream binding and functional assays.
- Strategic Value: Supports go/no-go decisions by isolating bioactive conformers, thereby increasing confidence in target validation outcomes.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates homogeneous molecular beams that yield quantitative, species-specific signals for assay standardization.
- Operational Value: Facilitates reliable compound evaluation by eliminating signal contamination from mixed conformers or clusters.
- Strategic Value: Enhances assay robustness and scalability, supporting high-throughput screening campaigns with reduced variability.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Enables systematic study of solvation effects by selecting specific cluster stoichiometries, informing ligand design and binding thermodynamics.
- Operational Value: Provides pure samples for mechanistic de-risking, allowing clear attribution of observed effects to defined molecular species.
- Strategic Value: Supports translational continuity from discovery to preclinical by ensuring consistent species input across experimental stages.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum, enabling pure sample generation for hypothesis testing in early discovery, assay readiness in screening, and mechanistic clarity in translational research.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing by isolating individual conformers to clarify target engagement mechanisms.
- Screening: Delivers assay-ready, homogeneous samples that improve reproducibility and quantitative readout reliability.
- Analytics: Provides species-selective ionization yields as a function of spatial position, enabling precise quantification and comparison of molecular variants.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by allowing selection of specific cluster structures to study solvation effects relevant to biological environments.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable platform for generating pure samples across multiple targets and projects, reducing redundant method development.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence through reduction of mechanistic ambiguity and improved target validation.
- Operational Value: Standardization and reproducibility via spatially separated, pure molecular samples.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions, capital efficiency, and reduced late-stage biological risk from early de-risking.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization and advancement decisions based on unambiguous species-specific data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in molecular beam techniques, electrostatic deflection, and laser-based ionization detection.
- Needs instrumentation including pulsed valves, high-voltage deflection rods and troughs, skimmers, and time-of-flight mass spectrometry detection.
- Demands cross-team standardization for spatial profiling and species-specific ionization setup to ensure reproducible separation.
- Involves adaptation considerations for different molecular systems based on mass-to-dipole moment ratios and conformational flexibility.
- Practical limitations include dependency on sufficient dipole moment differences for separation and accessibility to high-voltage vacuum infrastructure.
