Nuevas técnicas para la observación de la dinámica estructural de los cristales líquidos Photoresponsive
29 de mayo de 2018
Aquí, presentamos los protocolos de análisis de la detección diferencial de tiempo resuelto infrarrojo vibracionales espectroscopía electrónica difracción y que permiten observaciones de las deformaciones de las estructuras locales alrededor de las moléculas fotoexcitado en un cilíndrico cristal líquido, dando un punto de vista atómico sobre la relación entre la estructura y la dinámica de este material fotoactivos.
Este método puede ayudar a abordar un problema común en la investigación del cristal líquido. Es decir, que el movimiento molecular máximo durante la fotorrespuesta no se puede determinar mediante métodos convencionales. La principal ventaja de estas técnicas es que la estructura y la dinámica ultrarrápida del cristal líquido fotoexcitado se obtienen tanto a partir del espectro IR diferencial como de los patrones de difracción diferencial de electrones.
Voy a hacer una demostración de la espectroscopia de vibración IR resuelta en el tiempo. Para preparar una muestra de fase de solución para espectroscopia vibracional IR resuelta en el tiempo, disuelva 0,025 milimoles de pi-COT en 25 mililitros de diclorometano, para obtener una solución de 1 milimol por litro. Para preparar una muestra en fase de cristal líquido, cubra un sustrato de fluoruro de calcio de 3 milímetros de espesor con polvo de pi-COT.
Coloque el sustrato en una placa caliente y derrita el polvo a 100 grados centígrados. Apague la placa calefactora y deje que la muestra se enfríe a temperatura ambiente. Después de preparar la muestra, encienda el láser de titanio-zafiro y el amplificador de pulsos chirriados y permita que se estabilicen térmicamente.
Establezca la duración del pulso en 120 femtosegundos, la tasa de repetición en 500 hercios y la fluencia incidente en 1 milijulio por centímetro cuadrado. Verifique la potencia y la estabilidad de la bomba UV y los pulsos de la sonda de infrarrojo medio, y realinee las rutas ópticas según sea necesario. Enfríe el detector IR de mercurio-cadmio-telurio con nitrógeno líquido.
Coloque el espectrómetro en línea con la trayectoria óptica y calibre el espectrómetro. A continuación, monte una oblea de silicona de 1 milímetro de grosor en el portamuestras como muestra de prueba. Ajuste el retardo de la sonda de la bomba a un valor positivo.
Optimice la superposición de la bomba y la sonda ajustando el espejo que dirige el haz de la bomba a la muestra, para obtener la máxima intensidad de la señal transitoria. Configure un análisis, comenzando en menos 100 picosegundos y finalizando en 1000 picoenvíos, con un tiempo de paso de 5 picosegundos. Escanee la muestra de prueba e identifique la posición temporal donde comienza a surgir la señal transitoria o el tiempo cero.
Luego, si usa una muestra de fase de solución, monte una celda de flujo con ventanas de fluoruro de bario en el instrumento y comience a bombear la muestra a través de la celda de flujo. Si utiliza una muestra en fase de cristal líquido, monte la muestra en una plataforma motorizada para permitir el movimiento continuo de la posición del punto láser en la muestra, para minimizar el daño inducido por el láser. Confirme la posición temporal de tiempo cero con la muestra y establezca las horas de inicio, finalización y paso.
Seleccione un directorio para el archivo de datos y ejecute el proceso de adquisición de datos. En primer lugar, graba y limpia una oblea recubierta de nitruro de silicona, para obtener un sustrato con ventanas de nitruro de silicona. Coloque el sustrato en un mandril de recubrimiento giratorio con las ventanas de nitruro de silicona hacia arriba.
Cubra el sustrato con una solución de 10 miligramos por mililitro de pi-COT en cloroformo. Coloque el sustrato recubierto de centrifugación en una placa calefactora y caliente la placa calefactora a 100 grados centígrados para derretir el pi-COT. Apague la placa calefactora cuando alcance los 100 grados centígrados y deje que la muestra se enfríe en su lugar, para obtener una película de cristal líquido pi-COT.
Para comenzar la medición, monte la muestra en el portamuestras del instrumento. Coloque el portamuestras en la cámara de vacío y cierre la cámara. Utilice una bomba rotativa para evacuar la cámara a menos de 1000 pascales o 10 milibares.
Luego, use una bomba turbomolecular para evacuar la cámara del cañón de electrones a aproximadamente 10 a menos 6 pascales. A continuación, encienda el láser de titanio-zafiro y el amplificador de pulso chirriado, y deje que se estabilicen térmicamente durante una hora. Establezca la tasa de repetición en 500 hercios.
Encienda el enfriador de la cámara CCD y enfríe el dispositivo a 10 grados centígrados. Luego, encienda la fuente de alimentación eléctrica y ajuste el voltaje a 75 kilovoltios. Abra el software especial de superposición y establezca el tiempo de exposición en 50 milisegundos.
Para encontrar la posición del haz de electrones de la sonda, primero establezca el tipo de inicio en z-superposición y haga clic en inicio. Cuando finalice el proceso, seleccione y-superposición y haga clic en iniciar de nuevo. Luego, configure el haz de electrones en la posición del orificio del portamuestras y alinee el láser de la bomba con la luz de la bomba reflejada por el orificio.
A continuación, cambie al programa de difracción de electrones resuelto en el tiempo. Establezca el tipo de inicio en resolución temporal y la influencia de la bomba en 2 milijulios por centímetro cuadrado. Haga clic en iniciar para medir la posición de tiempo cero en función de un material estándar inorgánico fijado en el portamuestras.
Luego, inserte la copa de Faraday en la trayectoria del haz de electrones y mida la fluencia con el picoamperímetro. Gire el filtro de densidad neutra para ajustar la fluencia del haz de electrones a 3 picoamperios. Ajuste la fluencia del pulso de la bomba a 1,67 milivatios girando la placa de onda en la línea del haz de la bomba.
Luego, en el software de difracción de electrones resuelto en el tiempo, muévase a la posición de la muestra. Establezca el tiempo de exposición de la cámara CCD en 1 segundo. Establezca el tipo de inicio en simple y haga clic en iniciar para obtener una imagen de difracción de electrones estática.
A continuación, encienda el elemento Peltier de la cámara CCD y enfríe el dispositivo a menos 20 grados centígrados. Una vez que la cámara CCD se haya enfriado, establezca el número de patrones que se recopilarán en cada paso y el número de pasos para las mediciones resueltas en el tiempo. Establezca el tipo de inicio en resolución en tiempo resuelto y haga clic en iniciar para recopilar las imágenes de difracción de electrones resueltas en el tiempo.
Cuando finalice el experimento, apague la fuente de alimentación de aceleración de electrones. Recoja la imagen resuelta en el tiempo de la misma manera para obtener un fondo. El espectro vibracional IR diferencial de una película delgada de cristal líquido basada en pi-COT tenía picos correspondientes a los modos de estiramiento de los anillos COT y tiazol, y de los bifenil moyades, que son fuertemente activos IR en la forma plana T1 de pi-COT.
La evolución dependiente del tiempo de la intensidad máxima tuvo un número de onda de 1338 centímetros recíprocos. Es consistente con el cambio de confirmación del sillín a plano en 2 picosegundos. Seguido de la relajación a la forma inicial de silla de montar en 10 a 20 picosegundos para moléculas individuales, o 150 picosegundos para moléculas apiladas.
Los picos de difracción de electrones de las moyades fotosensibles se extrajeron del patrón largo dominado por largas cadenas de carbono, restando el patrón de difracción inicial de un patrón obtenido 500 picosegundos después de la radiación de pulso UV. Los picos positivos y negativos indicaron la formación y pérdida, respectivamente, de características estructurales 500 picosegundos después de la irradiación. La formación de una nueva estructura ordenada comenzó unos 200 picosegundos después de la fotoexcitación, lo que es consistente con la relajación a la forma inicial de silla de montar en las moléculas apiladas.
La pérdida del orden de apilamiento pi-pi en una escala de tiempo de 300 picosegundos, se atribuyó a un pequeño número de conformadores planos, con una vida útil de 300 a 1000 picosegundos, que se retuercen para minimizar el obstáculo estérico. La primera vez que tuvimos la idea de este método fue cuando hablamos de los cristales líquidos, que no suelen examinarse por tiempos de difracción porque no proporcionan buenos patrones de difracción de electrones. Nuestra metodología permite identificar cambios en los patrones de difracción de cristal líquido, lo que permite acceder a información importante sobre la estructura y la dinámica de moléculas ultrarrápidas.
Una vez dominadas, estas técnicas se pueden realizar en medio día si se realizan correctamente. Estas técnicas pueden utilizarse potencialmente para responder a nuevas preguntas sobre la estructura y la dinámica ultrarrápida de biomateriales más complejos.
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Descripción general
Este artículo presenta protocolos para análisis de detección diferencial mediante espectroscopía vibracional infrarroja con resolución temporal y difracción de electrones. Estos métodos permiten observar deformaciones estructurales locales alrededor de moléculas fotoexcitadas en un cristal líquido columnar, aportando información sobre la relación entre estructura y dinámica en materiales fotoactivos.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Cristales líquidos
- Materiales fotoactivos
- Técnicas de espectroscopia
Antecedentes
- Los métodos convencionales tienen dificultades para determinar el movimiento molecular máximo durante las respuestas fotoeléctricas.
- Las técnicas resueltas en el tiempo ofrecen una solución a esta limitación.
- Comprender la dinámica molecular es fundamental para avanzar en la investigación de cristales líquidos.
- Los cristales líquidos fotoexcitados exhiben propiedades estructurales y dinámicas únicas.
Objetivo del estudio
- Demostrar la eficacia de la espectroscopía vibracional IR con resolución temporal.
- Analizar la dinámica ultrarrápida de cristales líquidos fotoexcitados.
- Establecer una conexión entre la estructura molecular y la dinámica.
Métodos Utilizados
- Disolución de pi-COT en diclorometano para muestras en fase de solución.
- Preparación de muestras en fase de cristal líquido sobre sustratos de fluoruro de calcio.
- Uso de espectros diferenciales de infrarrojo y patrones de difracción de electrones.
- Realización de análisis con resolución temporal para capturar el movimiento molecular.
Resultados Principales
- Observación exitosa de deformaciones estructurales en cristales líquidos.
- Conocimientos sobre la dinámica ultrarrápida de moléculas fotoexcitadas.
- Demuestra las ventajas de las técnicas de detección diferencial.
- Establecimiento de un marco para futuras investigaciones sobre cristales líquidos.
Conclusiones
- Los métodos presentados proporcionan un enfoque novedoso para estudiar cristales líquidos.
- Comprender la dinámica molecular puede conducir a avances en la ciencia de materiales.
- Estas técnicas podrían ser aplicables a otros materiales fotoactivos.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Observar la dinámica estructural ultrarrápida en materiales blandos sigue siendo un desafío crítico en las fases iniciales del descubrimiento, particularmente para sistemas fotoactivos en los que los cambios conformacionales determinan la función. El enfoque de detección diferencial que combina espectroscopía infrarroja resuelta en el tiempo y difracción de electrones permite la correlación directa entre la estructura molecular y la dinámica a escala de picosegundos, apoyando la reducción de riesgos mecanicistas en la validación de objetivos. Esta capacidad mejora la confianza predictiva al evaluar andamiajes moleculares fotoresponsivos para aplicaciones terapéuticas o diagnósticas.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite la verificación de hipótesis terapéuticas mediante la vinculación de cambios estructurales inducidos por luz con resultados funcionales en sistemas de materia blanda.
- Valor operativo: Proporciona datos estructurales cuantitativos y resueltos temporalmente que reducen la ambigüedad en las vías mecanicistas durante la validación de objetivos.
Desarrollo de Cribado y Ensayos
- Valor científico: Genera lecturas espectrales y de difracción diferenciales reproducibles, adecuadas para la estandarización de ensayos en el cribado de materiales fotoresponsivos.
- Valor operativo: Permite flujos de trabajo escalables de preparación de muestras y recopilación de datos para la evaluación de alto rendimiento de compuestos activados por la luz.
Investigación Translacional y Preclínica
- Valor científico: Ofrece conocimientos relevantes para enfermedades sobre dinámicas moleculares ultrarrápidas que informan el alineamiento de biomarcadores traslacionales en sistemas fotoactivos.
- Valor operativo: Facilita la continuidad desde el descubrimiento hasta la validación preclínica al proporcionar datos de dinámicas estructurales a través de escalas temporales y espaciales.
Integración de la Línea de Procesamiento y del Flujo de Trabajo
El método se integra en la continuidad del descubrimiento al permitir la comprobación de hipótesis en biología temprana, apoyar la preparación de ensayos en cribado y proporcionar datos cuantitativos de dinámica estructural para la toma de decisiones basada en análisis.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis y la aclaración de vías al capturar cambios conformacionales ultrarrápidos en sistemas moleculares fotoexcitados.
- Tamizaje: Permite la preparación de ensayos mediante la preparación estandarizada de muestras y resultados de detección diferencial reproducibles.
- Análisis: Proporciona intensidades de picos de infrarrojo resueltos en el tiempo y diferencias en patrones de difracción electrónica como lecturas cuantitativas para comparar estados moleculares.
- Investigación Traducional: Conecta la dinámica estructural con la continuidad preclínica al identificar características estructurales fotoinducidas conservadas que son relevantes para los resultados funcionales.
- Reutilización Empresarial: Establece una plataforma reutilizable para evaluar compuestos fotoactivos en múltiples proyectos y áreas terapéuticas.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Confianza predictiva en las relaciones entre estructura y función, reducción de la ambigüedad mecanicista en sistemas fotoactivos.
- Valor operativo: Normalización, reproducibilidad y escalabilidad de mediciones estructurales ultrarrápidas.
- Valor estratégico: Mejora en las decisiones de avance o interrupción, eficiencia del capital y reducción del riesgo biológico en fases avanzadas del desarrollo de fármacos fotoactivos.
- Impacto en la cartera: Priorización ajustada al riesgo basada en datos validados de dinámica estructural desde las etapas iniciales del descubrimiento.
Consideraciones de Implementación
- Experiencia en espectroscopía láser ultrarrápida e instrumentación de difracción de electrones.
- Acceso a sistemas láser de titanio-zafiro, amplificadores de pulsos chirp y portamuestras compatibles con vacío.
- Normalización de protocolos de preparación de muestras en fases líquidas y de cristal líquido.
- Consideraciones de adaptación para pesos moleculares, solubilidades y temperaturas de transición de fase variables en materiales blandos.
- Las limitaciones prácticas incluyen la degradación de la muestra bajo exposición prolongada al láser y la necesidad de enfriamiento criogénico del detector.
