טכניקות הרומן להתבוננות מבניים הדינמיקה של גביש נוזלי Photoresponsive
29 במאי 2018
כאן, אנו מציגים את הפרוטוקולים של ניתוחים דיפרנציאלית-זיהוי של זמן לפתור אינפרא-אדום הרטט ספקטרוסקופיה ו אלקטרון עקיפה המאפשרים אבחנת העיוותים של מבנים מקומיים סביב photoexcited מולקולות ב טורי גביש נוזלי, נותן מבט אטומית על הקשר בין המבנה את הדינמיקה של החומר photoactive.
שיטה זו יכולה לסייע בטיפול בבעיה נפוצה במחקר הגבישים הנוזליים. כלומר, לא ניתן לקבוע את שיא התנועה המולקולרית במהלך הפוטו-תגובה בשיטות קונבנציונליות. היתרון העיקרי של טכניקות אלו הוא שהמבנה והדינמיקה המהירה במיוחד של גביש נוזלי מעורר פוטו מתקבלים הן מספקטרום IR דיפרנציאלי והן מדפוסי עקיפה אלקטרונים דיפרנציאליים.
אני אדגים את ספקטרוסקופיית הרטט IR שנפתרה בזמן. כדי להכין דגימת שלב תמיסה לספקטרוסקופיה רטט IR שנפתרה בזמן, ממיסים 0.025 מילימול של pi-COT ב-25 מיליליטר דיכלורומתאן, כדי לקבל תמיסה של 1 מילימול לליטר. להכנת דגימת שלב גביש נוזלי, כסו מצע סידן פלואוריד בעובי 3 מילימטר באבקת pi-COT.
מניחים את המצע על פלטה חמה, וממיסים את האבקה בחום של 100 מעלות צלזיוס. כבה את הפלטה החמה ואפשר לדגימה להתקרר לטמפרטורת החדר. לאחר הכנת הדגימה, הפעל את לייזר הטיטניום-ספיר ואת מגבר הדופק המצייץ ואפשר להם להתייצב תרמית.
הגדר את משך הדופק ל-120 פמטו-שניות, את קצב החזרה ל-500 הרץ ואת שטף האירוע ל-1 מיליג'אול לסנטימטר מרובע. בדוק את העוצמה והיציבות של משאבת ה-UV, ופולסי בדיקה באמצע IR, ויישר מחדש את הנתיבים האופטיים לפי הצורך. מצננים את גלאי ה-IR כספית-קדמיום-טלוריום עם חנקן נוזלי.
מקם את הספקטרומטר בקו אחד עם הנתיב האופטי וכייל את הספקטרומטר. לאחר מכן, הרכיב פרוסת סיליקון בעובי 1 מילימטר על מחזיק המדגם כדגימת בדיקה. הגדר את עיכוב בדיקת המשאבה לערך חיובי.
בצע אופטימיזציה של חפיפת המשאבה-בדיקה על ידי התאמת המראה המכוונת את אלומת המשאבה לדגימה, כדי להשיג את עוצמת האות החולפת המקסימלית. הגדר סריקה, שמתחילה במינוס 100 פיקו-שניות ומסתיימת ב-1000 פיקו-שניות, עם זמן צעד של 5 פיקו-שניות. סרוק את דגימת הבדיקה, וזהה את המיקום הזמני שבו האות החולף מתחיל להופיע או זמן אפס.
לאחר מכן, אם אתה משתמש בדגימת שלב תמיסה, הרכיב תא זרימה עם חלונות בריום פלואוריד במכשיר והתחל לשאוב את הדגימה דרך תא הזרימה. אם אתה משתמש בדגימת פאזה של גביש נוזלי, הרכיב את הדגימה על במה ממונעת כדי לאפשר תנועה רציפה של מיקום נקודת הלייזר על הדגימה, כדי למזער את הנזק הנגרם על ידי לייזר. אשר את המיקום הזמני של הזמן אפס עם הדגימה, והגדר את זמני ההתחלה, הסיום והצעד.
בחרו ספרייה לקובץ הנתונים והפעילו את תהליך רכישת הנתונים. ראשית, יש לחרוט ולנקות רקיק מצופה סיליקון ניטריד, כדי לקבל מצע עם חלונות סיליקון ניטריד. הנח את המצע על צ'אק ציפוי ספין כשחלונות הסיליקון ניטריד פונים כלפי מעלה.
מסתובבים את המצע בתמיסה של 10 מיליגרם למיליליטר של pi-COT בכלורופורם. מניחים את המצע המצופה ספין על פלטה חמה, ומחממים את הפלטה החמה ל -100 מעלות צלזיוס כדי להמיס את ה- pi-COT. כבה את הפלטה החמה כשהיא מגיעה ל-100 מעלות צלזיוס ותן לדגימה להתקרר במקומה, לקבלת סרט גביש נוזלי pi-COT.
כדי להתחיל במדידה, הרכיב את הדגימה על מחזיק דגימת המכשיר. הנח את מחזיק הדגימה בתא הוואקום וסגור את החדר. השתמש במשאבה סיבובית כדי לפנות את החדר לפחות מ-1000 פסקל או 10 מיליבר.
לאחר מכן, השתמש במשאבה טורבו-מולקולרית כדי לפנות את תא אקדח האלקטרונים לכ-10 עד מינוס 6 פסקל. לאחר מכן, הפעל את לייזר הטיטניום-ספיר, ואת מגבר הדופק המצייץ, ואפשר להם להתייצב תרמית למשך שעה. הגדר את קצב החזרה ל- 500 הרץ.
הפעל את מצנן מצלמת ה-CCD וקרר את המכשיר ל-10 מעלות צלזיוס. לאחר מכן, הפעל את ספק הכוח החשמלי והגדר את המתח ל 75 קילו-וולט. פתח את תוכנת החפיפה המיוחדת והגדר את זמן החשיפה ל-50 אלפיות השנייה.
כדי למצוא את מיקום אלומת האלקטרונים של הבדיקה, הגדר תחילה את סוג ההתחלה לחפיפת z, ולחץ על התחל. בסיום התהליך, בחר חפיפה y ולחץ על התחל שוב. לאחר מכן, הגדר את קרן האלקטרונים למצב חור הסיכה של מחזיק המדגם, ויישר את לייזר המשאבה עם אור המשאבה המוחזר על ידי חור הסיכה.
לאחר מכן, עבור לתוכנית עקיפה אלקטרונית שנפתרה בזמן. הגדר את סוג ההתחלה לפתרון בזמן ואת השפעת המשאבה ל-2 מיליג'אול לסנטימטר מרובע. לחץ על התחל כדי למדוד את מיקום זמן האפס על סמך חומר סטנדרטי אנאורגני הקבוע על מחזיק המדגם.
לאחר מכן, הכנס את פאראדיי לנתיב אלומת האלקטרונים ומדוד את השטף עם הפיקומטר. סובב את מסנן הצפיפות הנייטרלית כדי לכוונן את שטף אלומת האלקטרונים ל-3 פיקו-אמפר. כוונן את דופק המשאבה ל-1.67 מילי-וואט על ידי סיבוב לוחית הגל על קו קרן המשאבה.
לאחר מכן, בתוכנת עקיפה אלקטרונית שנפתרה בזמן, עבור למיקום הדגימה. הגדר את זמן החשיפה של מצלמת ה-CCD לשנייה אחת. הגדר את סוג ההתחלה ליחיד ולחץ על התחל כדי לקבל תמונת עקיפה אלקטרונית סטטית.
לאחר מכן, הפעל את אלמנט הפלטייר של מצלמת ה-CCD וקרר את המכשיר למינוס 20 מעלות צלזיוס. לאחר שמצלמת ה-CCD התקררה, הגדר את מספר הדפוסים שיש לאסוף בכל שלב, ואת מספר השלבים עבור המדידות שנפתרו בזמן. הגדר את סוג ההתחלה ל-time-resolved, ולחץ על start כדי לאסוף את תמונות עקיפה של אלקטרונים שנפתרו בזמן.
בסיום הניסוי, כבה את אספקת החשמל של תאוצת האלקטרונים. אסוף את התמונה שנפתרה בזמן באותו אופן כדי לקבל רקע. לספקטרום הרטט הדיפרנציאלי IR של סרט דק גביש נוזלי מבוסס pi-COT היו פסגות המתאימות למצבי המתיחה של טבעות COT ותיאזול, ושל המויאדות הביפניליות, הפעילות מאוד IR בצורת T1 השטוחה של pi-COT.
להתפתחות תלוית הזמן של עוצמת השיא היה מספר גל של 1338 סנטימטרים הדדיים. זה עקבי עם האוכף לשינוי אישור שטוח תוך 2 פיקו-שניות. לאחר מכן הרפיה לצורת האוכף הראשונית תוך 10 עד 20 פיקו-שניות עבור מולקולות בודדות, או 150 פיקו-שניות עבור מולקולות מוערמות.
שיאי עקיפה של אלקטרונים מהמויאדות המגיבות לאור חולצו מהתבנית הארוכה הנשלטת על ידי שרשראות פחמן ארוכות, על ידי הפחתת דפוס העקיפה הראשוני מתבנית שהתקבלה 500 פיקו-שניות לאחר קרינת פולס UV. הפסגות החיוביות והשליליות הצביעו על היווצרות ואובדן של מאפיינים מבניים ב-500 פיקו-שניות לאחר ההקרנה. היווצרות מבנה מסודר חדש החלה כ-200 פיקו-שניות לאחר עירור האור, בהתאם להרפיה לצורת האוכף הראשונית במולקולות מוערמות.
אובדן סדר הערימה של pi-pi בסולם זמן של 300 פיקו-שניות, יוחס למספר קטן של קונפורמרים שטוחים, עם אורך חיים של 300 עד 1000 פיקו-שניות, המתפתלים כדי למזער את ההפרעה הסטרית. הרעיון לשיטה זו עלה לראשונה כאשר דנו בגבישים נוזליים, שבדרך כלל אינם נבחנים לפי זמני עקיפה מכיוון שהם אינם מספקים דפוסי עקיפה טובים של אלקטרונים. המתודולוגיה שלנו מאפשרת לזהות שינויים בדפוסי עקיפה של גביש נוזלי, ומאפשרת גישה למידע חשוב על המבנה ודינמיקה מהירה במיוחד של מולקולות.
לאחר שליטה, ניתן לבצע טכניקות אלה תוך חצי יום אם הן מבוצעות כראוי. ניתן להשתמש בטכניקות אלה כדי לענות על שאלות נוספות לגבי המבנה והדינמיקה האולטרה-מהירה של ביו-חומרים מורכבים יותר.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מציג פרוטוקולים לניתוחי זיהוי דיפרנציאלי באמצעות ספקטרוסקופיה תנודתית באינפרא-אדום ברזולוציית זמן ודיפרקציית אלקטרונים. שיטות אלו מאפשרות התבוננות בעיוותים מבניים מקומיים סביב מולקולות שעוררו פוטו-כימית בגביש נוזלי עמודי, ובכך מספקות תובנות לגבי הקשר בין המבנה לדינמיקה בחומרים פוטו-אקטיביים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- גבישים נוזליים
- חומרים פוטואקטיביים
- טכניקות ספקטרוסקופיה
רקע
- שיטות קונבנציונליות מתקשות לקבוע את שיא התנועה המולקולרית במהלך תגובות פוטוכימיות.
- טכניקות בעלות רזולוציית זמן מציעות פתרון למגבלה זו.
- הבנת הדינמיקה המולקולרית חיונית לקידום המחקר בתחום הגבישים הנוזליים.
- גבישים נוזליים שעוררו פוטונית מפגינים תכונות מבניות ודינמיות ייחודיות.
מטרת המחקר
- להדגים את יעילותה של ספקטרוסקופיית תנודה ב-IR ברזולוציית זמן.
- לנתח את הדינמיקה העל-מהירה של גבישים נוזליים שעוררו פוטו-אלקטרונית.
- לבסס קשר בין המבנה המולקולרי לבין הדינמיקה.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- המסת pi-COT בדיכלורומתאן עבור דגימות פאזה תמיסתית.
- הכנת דגימות פאזה של גבישים נוזליים על תשביתות של סידן פלואוריד.
- שימוש בספקטרום IR דיפרנציאלי ובתבניות עקיפת אלקטרונים.
- ביצוע ניתוחים ברזולוציית זמן כדי לתעד תנועה מולקולרית.
תוצאות עיקריות
- תצפית מוצלחת על דפורמציות מבניות בגבישים נוזליים.
- תובנות לגבי הדינמיקה העל-מהירה של מולקולות שעוררו פוטו-כימית.
- הדגמה של היתרונות של טכניקות גילוי דיפרנציאליות.
- ביסוס מסגרת למחקרי גבישים נוזליים עתידיים.
מסקנות
- השיטות המוצגות מספקות גישה חדשנית לחקר גבישים נוזליים.
- הבנת הדינמיקה המולקולרית עשויה להוביל להתקדמויות במדע החומרים.
- טכניקות אלו עשויות להיות ישימות עבור חומרים פוטואקטיביים אחרים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
תצפית על דינמיקה מבנית אולטרה-מהירה בחומרים רכים נותרת אתגר קריטי בשלבי הגילוי המוקדמים, במיוחד עבור מערכות פוטו-אקטיביות שבהן שינויים קונפורמציונליים קובעים את התפקוד. גישת הגילוי הדיפרנציאלית, המשלבת ספקטרוסקופיית IR ברזולוציית זמן ועקיפת אלקטרונים, מאפשרת קורלציה ישירה בין המבנה המולקולרי לדינמיקה בקנה מידה של פיקו-שניות, ובכך תומכת בהפחתת סיכונים מכניסטיים במהלך תיקוף המטרה. יכולת זו מגבירה את הביטחון החזוי בעת הערכה של שלדים מולקולריים בעלי תגובתיות אורית ליישומים טיפוליים או דיאגנוסטיים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של היפותזות טיפוליות על ידי קישור שינויים מבניים מושרי-אור לתוצאות תפקודיות במערכות חומר רך.
- ערך תפעולי: מספק נתונים מבניים כמותיים בעדיפות זמן המפחיתים את העמימות במסלולים מנגנוניים במהלך תיקוף המטרה.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מייצר תוצאות ספקטרליות ועקיפתיות דיפרנציאליות הניתנות לשחזור, המתאימות לסטנדרטיזציה של בדיקות בסקרינג של חומרים הפועלים בתגובה לאור.
- ערך תפעולי: תומך בתהליכי עבודה להכנת דגימות ואיסוף נתונים הניתנים להרחבה (scalable), לצורך הערכה בסריקה גבוהה (high-throughput) של תרכובות המופעלות על ידי אור.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מספק תובנות רלוונטיות למחלות לגבי דינמיקה מולקולרית אולטרה-מהירה, המנחות התאמה של ביומרקרים תרגומיים במערכות פוטו-אקטיביות.
- ערך תפעולי: מקל על הרצף משלב הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני באמצעות אספקת נתוני דינמיקה מבנית במקשבי זמן ומרחב שונים.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
השיטה משתלבת ברצף הגילוי על ידי כך שהיא מאפשרת בדיקת השערות בשלבים מוקדמים של הביולוגיה, תומכת במוכנות של בדיקות (assays) לסריקה, ומספקת נתונים כמותיים של דינמיקה מבנית לצורך קבלת החלטות מבוססת אנליטיקה.
- ביולוגיה של הגילוי: תומכת בבדיקת השערות ובהבהרת מסלולים על ידי לכידה של שינויים קונפורמציונליים אולטרה-מהירים במערכות מולקולריות שעוררו פוטו-כימית.
- סריקה: מאפשרת מוכנות של בדיקות באמצעות הכנה סטנדרטית של דגימות ופלט גילוי דיפרנציאלי הניתן לשחזור.
- אנליטיקה: מספקת עוצמות שיאי IR ברזולוציית זמן והבדלים בתבניות דיפרקציית אלקטרונים כקריאות כמותיות להשוואת מצבים מולקולריים.
- מחקר תרגומי: מקשרת בין דינמיקה מבנית להמשכיות פרה-קלינית על ידי זיהוי מאפיינים מבניים עקביים המושרים על ידי אור ורלוונטיים לתוצאות תפקודיות.
- שימוש חוזר ארגוני: מבססת פלטפורמה לשימוש חוזר להערכת תרכובות פוטואקטיביות במספר פרויקטים ותחומים טיפוליים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: ביטחון חיזוי בקשרי מבנה-תפקוד, צמצום העמימות המכניסטית במערכות פוטואקטיביות.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה, שחזוריות ויכולת הרחבה של מדידות מבניות אולטרה-מהירות.
- ערך אסטרטגי: שיפור בקבלת החלטות לגבי המשך הפיתוח (go/no-go), יעילות הון וצמצום סיכונים ביולוגיים בשלבים מאוחרים בפיתוח תרופות פוטואקטיביות.
- השפעה על הפורטפוליו: תיעדוף מותאם סיכונים המבוסס על נתונים מאומתים של דינמיקה מבנית משלבי הגילוי המוקדמים.
שיקולי יישום
- מומחיות בספקטרוסקופיה של לייזרים אולטרה-מהירים ובמכשור לעקיפת אלקטרונים.
- גישה למערכות לייזר טיטניום-ספיר, מגברי פולסים עם צ'ירפ (chirped pulse amplifiers), ומחזיקי דגימות תואמים לוואקום.
- סטנדרטיזציה של פרוטוקולי הכנת דגימות בשלבי תמיסה וגבישים נוזליים.
- שיקולי התאמה למשקלים מולקולריים, מסיסויות וטמפרטורות מעבר פאזה משתנות בחומרים רכים.
- מגבלות מעשיות כוללות דגראדציה של הדגימה תחת חשיפה ממושכת ללייזר וצורך בקירור קריוגני של הגלאי.
