Ruimtelijke scheiding van moleculaire conformers en clusters
9 januari 2014
We presenteren een techniek die de ruimtelijke scheiding mogelijk maakt van verschillende conformers of clusters die aanwezig zijn in een moleculaire straal. Een elektrostatische deflector wordt gebruikt om soorten te scheiden door hun massa-dipoolmomentverhouding, wat leidt tot de productie van gasfase-ensembles van een enkele conformer of cluster stoichiometrie.
Het algemene doel van het volgende experiment is om verschillende soorten, zoals conformers clusters of kwantumtoestanden in de gasfase, ruimtelijk te scheiden om verdere experimenten met deze monsters te vergemakkelijken. Dit wordt bereikt door eerst een rotatief koude supersonische moleculaire bundel te produceren die de soorten van belang bevat. Als tweede stap moeten de verschillende soorten in de bundel ruimtelijk worden gescheiden, wat wordt bereikt door gebruik te maken van sterke inhomogene elektrische velden, waarbij soorten worden gescheiden op basis van hun effectieve dipoolmomenten geïnduceerd door het stark-effect.
Vervolgens worden de ruimtelijke verdelingen van soorten onderzocht met behulp van resonantieverbeterde meerfotonen-ionisatie om gebieden te identificeren waar slechts een enkele soort aanwezig is. Er worden resultaten verkregen die de ruimtelijke scheiding van CYS en trans isomeren van drie fluorethanol tonen, evenals de scheiding van water indu clusters van puur indu op basis van de volledig soortselectieve residentieverbeterde meerfotonen-ionisatieopbrengst die wordt geregistreerd als functie van de ruimtelijke positie in de moleculaire bundel. Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande technieken zoals hpo, focuser of ijzermobiliteitsdriftbuis, is dat het elektrische defactor veel eenvoudiger te implementeren en algemeen toepasbaar is.
De implicaties van deze techniek strekken zich uit naar toepassingen in moleculaire frame-imaging evenals elektronen- en röntgendiffractie-experimenten, aangezien deze zuivere en homogene monsters vereisen in de gasfase. Een schema van de gasfase moleculaire bundelopstelling en deflector wordt hier getoond en bestaat uit de volgende componenten. Het eerste onderdeel is een gepulseerde Evan Levy-klep die het moleculaire monster bevat. In de hier gepresenteerde experimenten wordt de klep gedreven met een herhalingsfrequentie van 20 hertz met een heliumterugdruk van ongeveer 50 bar en wordt uitgebreid in een vacuümkamer, geëvacueerd tot minder dan 10 tot de negatieve zes tot mbar.
Een moleculaire bundelskimmer met een diameter van twee millimeter wordt 22 centimeter stroomafwaarts van de klep geplaatst, die de moleculaire bundel coat en leidt tot differentiële pompcondities tussen de gepulseerde klep en de rest van het vacuümsysteem. Direct na de skimmer komen de moleculen de elektrostatische deflektereenheid binnen. Deze bestaat uit een staaf met een straal van drie millimeter en een trog met een straal van 3,2 millimeter kromming, elk 24 centimeter lang.
De verticale opening tussen de elektroden in het midden van het apparaat is 2,3 millimeter. Er wordt een potentiaalverschil tussen nul en 26 kilovolt toegepast tussen de staaf en de trog, waardoor een sterk inhomogeen elektrisch veld wordt geproduceerd met een bijna constante veldgradiënt, zoals aangegeven in de inzet direct nadat de deflektermoleculen de interactieregio zijn binnengekomen door een tweede skimmer die een verdere differentiële pompfase biedt. De interactieregio, geëvacueerd tot drukken van minder dan 10 tot de negatieve negende millibar, bevat een standaard Wiley McLaren time of flight-opstelling waarbij moleculen worden geïoniseerd door gefocuste laserpulsen in het midden van de extractieregio tussen de repeller en extractorelektroden.
Geproduceerde ionen worden versneld naar een multikanaals plaat of MCP-detector waar een massaspectrum wordt geregistreerd. Laserpulsen zijn afgeleid van een neodymium YAG gepompte frequentie-verdubbelde gepulseerde dyelaser, die typische uitgangsgolflengten rond de 283 nanometer voor de eind-O-experimenten, of 272 nanometer voor de drie fluorfenol-experimenten en pulsenergieën van een paar millijoule levert. Pulsduur is van de orde van 10 nanoseconden en pulsen worden gefocust met de 750 millimeter brandpuntsafstandlens tot een spotgrootte van ongeveer 100 micrometer in de interactieregio.
De timingsequentie wordt bestuurd door een digitale vertragingsgenerator die de masterklok levert. Deze triggert de neo DMAC-laser, de pulsklep en de digitiserkaart die wordt gebruikt om massaspectra te registreren. De digitiserkaart wordt tegelijkertijd getriggerd als de laserschakelknop.
Molecuulbundeldichtheden worden geëxtraheerd uit geschikte massagaten in de geregistreerde tijd-van-vluchtspectra. Plaats eerst een paar druppels drie fluorfenol op een klein stukje filterpapier, laad vervolgens het monsterreservoir van de gepulseerde klep met het chemische monster, produceer de supersonische expansie met behulp van een hoog zuiverheidsgehalte, hoogdrukteruggas, pas de temperatuur van het monsterreservoir binnen de klep aan zodat de partiële druk van het monster ongeveer 10 millibar is. Om de geproduceerde moleculaire bundel te karakteriseren, stelt u de ionisatielaser in op een bekende golflengte voor resonantieverbeterde meerfotonen-ionisatie van een bepaalde conformer van het monster en registreert u een tijdprofiel van de moleculaire bundelpuls door de totale ouderionopbrengst op de MCP-detector te bewaken als functie van de kleplaservertraging.
Een typisch tijdprofiel met de elektrostatische deflekter uitgeschakeld wordt hier getoond voor twee verschillende dragergassen met behulp van helium. Een tijdelijke breedte van ongeveer 12 microseconden volledige breedte bij halve hoogte wordt waargenomen, typisch voor een expansie van een Evan levy-klep onder deze bedrijfsomstandigheden. Ter vergelijking wordt ook een tijdprofiel van een neon-gezeten bundel getoond.
Fixeer vervolgens de kleplaservertraging op de positie van maximale intensiteit voor alle volgende metingen. Registreer een transversaal ruimtelijk profiel van de moleculaire bundel door de focuslens loodrecht op de laservoortplantingsrichting te verplaatsen, zodat de focus in de Y-richting ten opzichte van de moleculaire bundel beweegt. Herhaal vervolgens de tijdelijke en ruimtelijke profilering voor alle conformers van belang in de bundel.
Ten slotte zet u de hoogspanningsvoeding van de deflekter aan en registreert u ruimtelijke profielen voor alle isomeren, die nu zouden moeten worden gedefleerd. Volgens de verhouding tussen de mast en het dipoolmoment werden drie fluorethanol-conformers gescheiden in een moleculaire bundel van de supersonische expansie van 50 bar helium. De inzet toont de moleculaire structuren van de twee conformers.
De individuele soorten werden onderzocht door andere kenmerkende resonantieverbeterde meerfotonen-ionisatie-resonanties rond 272 nanometer. De trans-soort vertoont een significant gro
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie presenteert een techniek voor de ruimtelijke scheiding van verschillende conformeren of clusters in een moleculaire bundel. Door gebruik te maken van een elektrostatische afbuiger worden soorten gescheiden op basis van hun massa-dipoolmomentverhouding, waardoor de productie van gasfase-ensembles met één enkel conformeer of een specifieke clusterstoechiometrie mogelijk wordt.
Belangrijkste Componenten van de Studie
Wetenschapsgebied
- Fysische Chemie
- Moleculaire Fysica
- Gasfaschemie
Achtergrond
- Ruimtelijke scheiding van moleculaire soorten is cruciaal voor diverse experimentele toepassingen.
- Rotationeel koude supersonische molecuulbundels zijn effectief voor het produceren van afzonderlijke soorten.
- Bestaande scheidingstechnieken hebben beperkingen in implementatie en toepasbaarheid.
- Het Stark-effect kan worden benut om dipoolmomenten te induceren voor scheiding.
Doel van de studie
- Om een methode te ontwikkelen voor de effectieve ruimtelijke scheiding van moleculaire conformeren en clusters.
- Om verdere experimenten met geïsoleerde species te faciliteren.
- Om de voordelen van de elektrostatische deflector ten opzichte van traditionele methoden aan te tonen.
Gebruikte methoden
- Productie van een rotationeel koude supersonische moleculaire straal.
- Gebruik van sterke inhomogene elektrische velden voor ruimtelijke scheiding.
- Sonderen van ruimtelijke distributies middels resonantie-versterkte multifotonionisatie.
- Registratie van soortspecifieke ionisatie-opbrengsten als functie van de ruimtelijke positie.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle ruimtelijke scheiding van CYS- en trans-isomeren van trifluoroethanol.
- Scheiding van door water geïnduceerde clusters van pure indu-soorten.
- Demonstratie van het gemak van implementatie van de techniek in vergelijking met bestaande methoden.
- Identificatie van gebieden met de aanwezigheid van een enkele soort in de moleculaire bundel.
Conclusies
- De elektrostatische deflector biedt een veelzijdige en efficiënte methode voor moleculaire scheiding.
- Deze methode verbetert het vermogen om individuele moleculaire soorten in de gasfase te bestuderen.
- Toekomstige toepassingen kunnen worden uitgebreid naar diverse vakgebieden die precieze moleculaire manipulatie vereisen.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Management
In biofarmaceutische R&D is het isoleren van zuivere moleculaire soorten essentieel om de risico's bij targetvalidatie te verminderen en de ontwikkeling van reproduceerbare assays mogelijk te maken. Ruimtelijke scheiding van conformeren en clusters via elektrostatische afbuiging biedt een mechanisme om conformationeel zuivere monsters te verkrijgen, waardoor mechanistische ambiguïteit in de vroege ontdekkingsfase wordt verminderd. Deze mogelijkheid ondersteunt het voorspellende vertrouwen bij de identificatie van leads door te waarborgen dat functionele read-outs afkomstig zijn van één enkele, goed gedefinieerde soort.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om individuele conformeren te onderzoeken om structuur-functie-relaties te verduidelijken en fout-positieven bij target-screening te verminderen.
- Operationele waarde: Levert conformationeel zuivere monsters op die de reproduceerbaarheid in downstream binding- en functionele assays verbeteren.
- Strategische waarde: Ondersteunt go/no-go-beslissingen door bioactieve conformeren te isoleren, waardoor het vertrouwen in de resultaten van target-validatie toeneemt.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Genereert homogene moleculaire bundels die kwantitatieve, soortspecifieke signalen opleveren voor standaardisatie van assays.
- Operationele waarde: Faciliteert een betrouwbare evaluatie van verbindingen door signaalcontaminatie door gemengde conformeren of clusters te elimineren.
- Strategische waarde: Verbetert de robuustheid en schaalbaarheid van assays, wat high-throughput screeningcampagnes ondersteunt met een verminderde variabiliteit.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Maakt systematische studie van solvatatie-effecten mogelijk door specifieke clusterstoichiometrieën te selecteren, wat bijdraagt aan het ontwerp van liganden en de bindingsthermodynamica.
- Operationele waarde: Levert zuivere monsters voor het beperken van mechanistische risico's, waardoor waargenomen effecten duidelijk kunnen worden toegeschreven aan gedefinieerde moleculaire soorten.
- Strategische waarde: Ondersteunt translationele continuïteit van ontdekking naar preklinische fase door consistente input van soorten over verschillende experimentele fasen te waarborgen.
Integratie van Pipeline en Workflow
De methode past binnen het discovery-continuüm en maakt de generatie van zuivere monsters mogelijk voor hypothesetesten in de vroege ontdekkingsfase, assay-gereedheid bij screening en mechanistische helderheid in translationeel onderzoek.
- Discovery Biology: Ondersteunt het testen van hypothesen door individuele conformeren te isoleren om mechanismen van target-interactie te verduidelijken.
- Screening: Levert homogene, assay-waardige monsters die de reproduceerbaarheid en de betrouwbaarheid van de kwantitatieve uitlezing verbeteren.
- Analytics: Biedt soortspecifieke ionisatie-opbrengsten als functie van de ruimtelijke positie, wat nauwkeurige kwantificering en vergelijking van moleculaire varianten mogelijk maakt.
- Translationeel onderzoek: Zorgt voor preklinische continuïteit door de selectie van specifieke clusterstructuren mogelijk te maken om solvatatie-effecten te bestuderen die relevant zijn voor biologische omgevingen.
- Hergebruik binnen de organisatie: Fungeert als een herbruikbaar platform voor het genereren van zuivere monsters voor meerdere targets en projecten, waardoor redundante methodeontwikkeling wordt verminderd.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Voorspellende betrouwbaarheid door vermindering van mechanistische ambiguïteit en verbeterde targetvalidatie.
- Operationele waarde: Standaardisatie en reproduceerbaarheid via ruimtelijk gescheiden, zuivere moleculaire monsters.
- Strategische waarde: Betere go/no-go-beslissingen, kapitaalefficiëntie en verminderd biologisch risico in een laat stadium door vroege risicoreductie.
- Portfolio-impact: Risico-gecorrigeerde prioritering en voortgangsbeslissingen op basis van eenduidige soortspecifieke gegevens.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in moleculaire bundeltechnieken, elektrostatische afbuiging en lasergebaseerde ionisatiedetectie.
- Vereist instrumentatie waaronder gepulste kleppen, hoogspanningsafbuigingsstaven en -goten, skimmers en time-of-flight massaspectrometriedetectie.
- Vereist standaardisatie tussen teams voor ruimtelijke profilering en soortspecifieke ionisatie-instellingen om reproduceerbare scheiding te waarborgen.
- Omvat aanpassingsfactoren voor verschillende moleculaire systemen op basis van massa-dipoolmomentverhoudingen en conformationele flexibiliteit.
- Praktische beperkingen omvatten de afhankelijkheid van voldoende verschillen in dipoolmoment voor scheiding en de toegankelijkheid van hoogspanningsvacuuminfrastructuur.
