חיטוט את המבנה ואת הדינמיקה של מים פנים עם סריקה מיקרוסקופ מינהור וספקטרוסקופיה
27 במאי 2018
כאן, אנו מציגים פרוטוקול לחקור את המבנה ואת הדינמיקה של מים פנים את המשקל האטומי, מבחינת דימות ברזולוציה submolecular, מניפולציה מולקולרית, ספקטרוסקופיה הרטט קשר יחיד.
המטרה הכוללת של ניסוי זה היא לחקור את המבנה והדינמיקה של מים בין-פנים בקנה מידה אטומי באמצעות הדמיה ברזולוציה תת-מולקולרית, מניפולציה מולקולרית וספקטרוסקופיה של רטט קשר יחיד. שיטה זו יכולה לעזור לענות על סוגיות בסיסיות במדעי המים כגון זיהוי קשר המימן והכיווניות של מים וחקירת דינמיקת קשרי המימן וספקטרוסקופיה רטט של מולקולות מים כפי שמוצג על משטחים מוצקים. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא ש-STM משלבת את היכולת של רזולוציה מרחבית תת-אנגסטרום, מניפולציה אטומית ורגישות רטט של קשר יחיד.
מלבד מתן תובנה לגבי המבנה, הדינמיקה וההשפעות הקוונטיות הגרעיניות של מים עיליים, ניתן ליישם אותו גם על מערכת קשרי מימן מורכבת ומציאותית יותר כגון מים סגורים, עיני באק, מים רב-שכבתיים ומערכות מימן מים. כדי להתחיל, עקוב אחר פרוטוקול הטקסט הנלווה כדי לנקות את הגביש היחיד הזהב 111 באמצעות מחזורים של התזת יוני ארגון וחישול לאחר מכן. הפקידו נתרן כלורי על פני גביש הזהב ולאחר מכן העבירו אותו לשלב הסריקה של מערך STM.
באמצעות טכניקות STM סטנדרטיות, בדוק את הכיסוי והגודל של עדשת העין הדו-שכבתית נתרן כלוריד 001 על מצע הזהב 111. התוצאות אמורות להיראות דומות לאלה המוצגות כאן. לאחר מכן יש לטהר מים באמצעות מחזורי הקפאה, משאבה, הפשרה כדי להסיר את כל הזיהומים שנותרו.
שאבו את קו הגז ל -10 למינוס חמישה פסקל ואז הקפיאו את המים הנוזליים בחנקן נוזלי. כעת סגור את השסתום האטום של המפוח והשאיר את קו הגז בוואקום. לאחר מכן פתח את השסתום האטום של הסרעפת ותן לאדי המים למלא את קו הגז.
לאחר מכן הפחיתו את טמפרטורת הדגימה לחמישה קלווין. פתח את שסתום הדליפה באיטיות כדי לגרום ללחץ של תא ה-STM הגבוה במיוחד לעלות לפעמיים 10 למינוס 10 מיליבר. לאחר מכן, פתח את התריס.
מינון מולקולות המים על משטח הנתרן הכלורי הנתמך בזהב למשך דקה אחת. לאחר מכן סגור את התריס ואת שסתום הדליפה. בשלב זה, בדוק את הכיסוי של מולקולות מים על פני השטח באמצעות טכניקות STM סטנדרטיות.
צפו לראות מונומרים מבודדים של מים על פני הדגימה. כדי להתחיל, יש לייצר קצה טונגסטן חרוט אלקטרוכימית, לחרוט אותו בשלוש טוחנות נתרן הידרוקסיד ולאחר מכן לנקות אותו באמצעות מים מזוקקים ואתנול כמתואר בפרוטוקול הטקסט הנלווה. לאחר מכן, החל פעימות מתח ונהלי התרסקות מבוקרים על קצה ה-STM עד שאטומי הכלור האטומי של פני הנתרן הכלורי ייפתרו.
לאחר מכן מקם את קצה ה-STM מעל מרכז אחד מאטומי הכלור וקירב את הקצה החשוף למשטח הנתרן הכלורי בסמיכות לנקודת ההגדרה. לאחר מכן, החזר את הקצה לנקודת ההגדרה המקורית וסרוק את אותו אזור. בדוק שאטום כלור התחבר לקצה על ידי הדמיית הרזולוציה המשופרת ואטום הכלור החסר בתמונת STM.
כדי להתחיל, הגדר את מודול הביוספקטרוסקופיה. בחר את הזרם, את המוליכות הדיפרנציאלית, את הנגזרת של ערוצי המוליכות הדיפרנציאלית. לאחר מכן התאם את זמן ההגדרה ל-50 אלפיות השנייה ואת זמן האינטגרציה ל-300 אלפיות השנייה.
ספקטרוסקופיית מנהור הספקטרו וספקטרוסקופיית המנהור האלקטרו הלא אלסטית נרכשות בו זמנית באמצעות מגבר נעילה על ידי אפנון ההרמוניות הראשונה והשנייה של זרם המנהור בהתאמה. הגדל את זמן האינטגרציה וזמני הסריקות לפי הצורך כדי להשיג ספקטרום חלק. לאחר מכן כוונו את היסט ה-Z כדי לבצע את הביוספקטרוסקופיה בגבהים שונים של קצה.
לאחר מכן פתח נעילה, אפסת את ההטיה ודה-מודולציה של הזרם. הגדר את תדר האפנון ככמה מאות הרץ ואת משרעת האפנון כחמישה עד שבעה מילי-וולט. לאחר הגדרת תדר האפנון, ודא שאין רעש מכני ואלקטרוני בתדר נקודת ההגדרה ובתדר ההרמוני השני המתאים.
כדי להגדיר את השלב ההרמוני הראשון, התחל במעבר למודול Z-Controller. הגדר את הרמת הקצה ל-10 ננומטר וכבה את המשוב, ולאחר מכן עבור למודול הנעילה והפעל את כפתור הנעילה. לחץ על השלב האוטומטי ההרמוני הראשון והקלט את השלב.
חזור על השלב האוטומטי לפחות חמש פעמים וקח את הממוצע. לאחר מכן הפחיתו 90 מעלות מהשלב הממוצע כדי לקבל את שלב הצומת. לאחר מכן קבע את השלב ההרמוני השני.
כדי להשיג זאת, מקם את קצה ה-STM על מצע הזהב והתחל את סריקת הביוספקטרוסקופיה ממינוס וולט אחד לוולט אחד. לאחר מכן בחר את ערוץ המוליכות הדיפרנציאלית LI X 1, ואת הפונקציה dY/dX אשר יחד מציגים את הנגזרת של DI על פני ספקטרום DV. מצא תכונת שיא בולטת בספקטרום והגדר את האנרגיה המתאימה כהטיה.
לאחר מכן, הפעל את המנעול והשאר את מערכת STM במצב מנהור. לחץ על השלב האוטומטי ההרמוני השני לפחות חמש פעמים וקח את הממוצע. כדי להתחיל, סרוק את מונומר המים עם קצה אטום הכלור.
לאחר מכן מקם את הקצה על פני הנתרן הכלורי וקח את הביוספקטרוסקופיה כאות הרקע. לאחר מכן, מקם את הקצה על מונומר המים והתחל את סריקת הביוספקטרוסקופיה. אם ה-dI/dV וספקטרום הנגזרת השנייה של המים חסרי תכונות, פשוט עקוב אחר המשטח המצופה נתרן כלורי ברקע, ולאחר מכן הקטן את גובה הקצה על ידי כוונון היסט Z עד שתכונות הרטט מופיעות בספקטרום.
כדי להתחיל בבניית טטרמר מים, סרוק תחילה אזור המכיל ארבעה מונומרים של מים ומקם את קצה הכלור על גבי מונומר בנקודת ההגדרה של V שווה ל-100 מילי-וולט ו-I שווה ל-50 פיקו-אמפר. הקטן את הגובה כך שהמתח יהיה 10 מילי-וולט והזרם הוא 150 פיקו-אמפר. זה ישפר את אינטראקציית המים בקצה.
לאחר מכן, הזיזו את קצה אטום הכלור לאורך המסלולים שתוכננו מראש. לאחר מכן החזר את הקצה לנקודת ההגדרה הראשונית שלו וסרוק מחדש את אותו אזור כדי לבדוק שנוצר דימר המים. חזור על תהליך זה עד שנוצר גוזם מים ובסופו של דבר טטרמר.
הטטרמר מכיל שני מצבים כיראליים מנוונים. לולאות מלוכדות נגד כיוון השעון ועם כיוון השעון. כאשר הקצה המסתיים של אטום הכלור מוריד, הזרם הייצוגי קופץ כאשר הטטרמר משתנה בין מצבי כיוון השעון ונגד כיוון השעון.
כאשר מחזירים את הקצה לגובה המקורי, הטטרמר המוצג כאן נותר במצב נגד כיוון השעון. ניתן לחלץ את קצבי המעבר בין כיוון השעון לאנטי כיוון השעון ממעקב הזרם לעומת הזמן כדי להציג את התפלגות אורך החיים של טטרמר. ניתן להתאים את הטטרמר בכיוון השעון על ידי דעיכה אקספוננציאלית.
כדי לחקור את מנגנון העברת הפרוטונים בטטרמר, מתוארת כאן ההשפעה של החלפה איזוטופית מלאה וחלקית על מיתוג הכיראליות באופן מדהים, קצב החלפת הכיראליות של ארבעת טטרמר המים מופחת באופן משמעותי על ידי החלפת מולקולת מים בודדת בתחמוצת דאוטריום. כמעט באותה רמה של ארבעת הטטרמר של תחמוצת דאוטריום.
בעת ביצוע ההליך למניפולציה וספקטרוסקופיה רטט, חשוב לזכור לתפעל את קצה ה-STM עם אטום כלור יחיד. טכנולוגיה זו מספקת סימני פני השטח שיטה גאונית לחקור את הטופולוגיה המפורטת של רשת קשרי מימן ואת התנועות הקוונטיות של פרוטונים בצבירי מים בקנה מידה אטומי. לאחר צפייה בסרטון זה אתה אמור להבין היטב כיצד לזהות את כיווניות קשרי המימן באמצעות הדמיית אופטו.
אתה צריך גם להבין כיצד לדחוף את ספקטרוסקופיית הרטט למטה לגבול קשר יחיד וכיצד לתפעל מולקולות מים בצורה מבוקרת.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מציג פרוטוקול לבדיקת המבנה והדינמיקה של מים בממשק בקנה מידה אטומי. באמצעות דימוי ברזולוציה סוב-מולקולרית, מניפולציה מולקולרית וספקטרוסקופיה רטטנית של קשר בודד, השיטה נותנת מענה לשאלות יסודיות במדעי המים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- מדעי המוח
- ביופיזיקה
- מדע המים
רקע
- הבנת המבנה והדינמיקה של מים בממשקים היא קריטית עבור תחומי מדע שונים.
- לקשרי מימן ולכיווניות שלהם תפקיד משמעותי בהתנהגות המים.
- ספקטרוסקופיה של רעידות קשר בודד מספקת תובנות על אינטראקציות מולקולריות.
- מיקרוסקופיית מנהור סורקת (STM) מציעה רזולוציה מרחבית גבוהה לחקר תופעות שטח.
מטרת המחקר
- לבחינת המבנה והדינמיקה של מים בממשקים בקנה מידה אטומי.
- לזיהוי מאפיינים ודינמיקה של קשרי מימן במולקולות מים.
- להחלת הטכניקה על מערכות קשרי מימן מורכבות יותר.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- דימיון ברזולוציה סוב-מולקולרית באמצעות STM.
- טכניקות למניפולציה מולקולרית.
- ספקטרוסקופיה תנודתית של קשר יחיד לניתוח מפורט.
- ניקוי גביש יחיד של זהב 111 באמצעות התזה של יוני ארגון וחישול.
תוצאות עיקריות
- התקבלו תובנות לגבי המבנה והדינמיקה של מי פנים.
- דינמיקה של קשרי מימן נחקרה ביעילות באמצעות השיטות המתוארות.
- הטכניקה הוכיחה התאמה למים במרחב מוגבל ולמערכות רב-שכבתיות.
- השיטה סיפקה הבנה טובה יותר של אפקטים קוונטיים גרעיניים במים.
מסקנות
- הפרוטוקול משפר את ההבנה של מים בממשקים ברמה האטומית.
- הוא פותח אפשרויות למחקר של מערכות קשרי מימן מורכבות יותר.
- השילוב של הטכניקות מספק תובנות ייחודיות למדע המים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
בחינת המבנה והדינמיקה של מים בממשקים בקנה מידה אטומי מספקת תובנות מכניסטיות לגבי רשתות קשרי מימן הרלוונטיות לזיהוי ביו-מולקולרי ולתרמודינמיקה של סולבציה. יכולת זו תומכת באימות מטרה (target validation) על ידי כך שהיא מאפשרת תצפית ישירה על אינטראקציות המתווכות על ידי מים בכיסי קשירה ובשכבות הידרציה. השיטה משפרת את הביטחון החזוי באופטימיזציה של מובילים (lead optimization) על ידי פתרון האנרגטיקה של דחיקת מים וכיווניות קשרי המימן, שהם קריטיים לתכנון תרופות מבוסס מבנה.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר חקירה של רשתות קשרי מימן המתווכות על ידי מים בממשקים בין חלבון לליגנד.
- ערך תפעולי: מספק מיפוי ברזולוציה אטומית של מבנה המים בממשק להבהרת התרמודינמיקה של הסולבציה.
- ערך ניבוי: תומך בבדיקת השערות לגבי השפעות דחיקת מים על זיקת קישור וסלקטיביות.
סריקה ופיתוח בדיקות (Assay Development)
- ערך מדעי: מספק קריאות ספקטרוסקופיות כמותיות של רעידות קשר יחיד עבור חוזק ודינמיקה של קשרי מימן.
- ערך תפעולי: קובע פרוטוקולים הדימיים של דימיון תת-מולקולרי לאפיון עקבי של מים בממשק.
- מוכנות הבדיקה: מייצר ספקטרא רעידות סטנדרטיים המאפשרים השוואה בין מצבי הידרציה ומערכות מוטציות.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: בוחן את הדינמיקה של החלפת כיראליות של קשרי מימן במקבצי מים כמודל למנגנוני העברת פרוטונים.
- ערך תפעולי: מודד את השפעות ההחלפה איזוטופית על קצבי מנהרה כדי לכמת אפקטים קינטיים איזוטופיים במערכות בעלות קשרי מימן.
- המשכיות תרגומית: מקשר בין דינמיקת מים בקנה מידה אטומי למדדים מאקרוסקופיים של סולבציה ודיפוזיה.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
השיטה משתלבת בתהליכי גילוי מוקדמים על ידי אספקת תיקוף ברמה אטומית של מודלי סולבציה המשמשים בחישובי עגינה (docking) ואנרגיה חופשית, ובכך היא מסייעת לקבלת החלטות בזיהוי מולקולות מובילות (leads) באמצעות תצפית ישירה על מבנה ודינמיקה של מים בממשקים.
- ביולוגיה של הגילוי: תומך בהפחתת סיכונים מכניסטיים של תחזיות אתרי הידרטציה על ידי תיקוף של אוריינטציית המים וכיווניות קשרי המימן.
- סריקה: מאפשר פיתוח בדיקות עבור מטרות הרגישות להידרטציה באמצעות ספקטרוסקופיה רטטית של קשר בודד של מים בינמקיים.
- אנליטיקה: מספקת מוליכות דיפרנציאלית וספקטרא של נגזרת שנייה המכמתים מצבי רטט ומאפייני מנהרה של קשרי מימן.
- מחקר תרגומי: מגשר בין דינמיקת מים בקנה מידה אטומי למודלים רציפים באמצעות שיעורי החלפת כיראליות והתפלגויות זמן חיים מדידות.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס פלטפורמה לאפיון רפרודוקבילי של מים בינמקיים במערכות מימיות מגוונות הנתמכות על ידי מוצקים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מפחית עמימות מכניסטית בתרמודינמיקה של סולבציה באמצעות תצפית ישירה על רשתות של קשרי מימן.
- ערך תפעולי: מבטיח הדירות באמצעות פרוטוקולים סטנדרטיים של פונקציונליזציה של קצוות, מינון וספקטרוסקופיה.
- ערך אסטרטגי: משפר החלטות go/no-go על ידי כימות האנרגטיקה של דחיקת מים וכיווניות קשרי מימן באתרים של קישור.
- השפעה על תיק התכשירים: מאפשר תעדוף של תרכובות מותאם סיכון, בהתבסס על פוטנציאל מאומת להפרת שכבת ההידרציה.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות במיקרוסקופיית מנהרה סורקת (STM) ובספקטרוסקופיה בוואקום גבוה במיוחד.
- תלוי בהכנת חוד עם סיום כלור בדיוק אטומי ובבקרה על מינון המים.
- מחייב מערך ספקטרוסקופיה רטטית עם הגברה מסוג lock-in לרגישות לקשר בודד.
- כולל תחזוקת דגימה בטמפרטורה נמוכה של five kelvin לצפייה יציבה בצבירי מים.
- מוגבל למערכות ממשקיות הנתמכות על ידי מוצק התואמות לשכבות הפרדה של NaCl.
שאלות נפוצות בנושאי ביו-פרמה
Chapters in this video
0:04
Title
1:09
Fabrication and Characterization of Experimental Sample
2:58
Preparation of the Cl-terminated Tip
3:57
Setup: Single-molecule Vibrational Spectroscopy
6:26
Tip-enhanced IETS of a D2O Monomer
7:22
Construction of a Water Tetramer
8:15
Results: Probing the Quantum Motion of Protons in Water
9:34
Conclusion
