Name: Ruimtelijke scheiding van moleculaire conformers en clusters (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-01-09T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 37 s
Description: Ontdek de elektrostatische afbuigingstechniek voor ruimtelijke scheiding van moleculaire conformers en clusters in koude supersonische moleculaire bundels. Deze methode maakt zuivere gasfase-monsters mogelijk voor verder onderzoek.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Dit werk werd ondersteund door het excellentiecluster "The Hamburg Center for Ultrafast Imaging – Structure, Dynamics and Control of Matter at the Atomic Scale" van de Deutsche Forschungsgemeinschaft en door het Helmholtz Virtual Institute "Dynamic Pathways in Multidimensional Landscapes".

1. Beschrijving van de experimentele opstelling
Figuur 2 21toont een schema van de opstelling en deflector van de moleculaire gasfasestraal . Het bestaat uit
<ol><li>Een gepulseerde Even-Lavieklep 29 met het moleculair monster. Andere gepulseerde moleculaire bundelkleppen kunnen even goed worden gebruikt zolang een koude moleculaire bundel (O(1 K)) wordt gevormd. De volgende parameters zijn specifiek voor de gebruikte Even-Lavie klep. In de hier gepresenteerde experimenten wordt de klep met een herhalingssnelheid van 20 Hz met hoge rugdrukken (helium bij ~ 50 bar) bediend en uitgebreid tot een vacuümkamer die wordt geëvacueerd tot <10-6 mbar.</li>
	<li>Een moleculaire balkafschuimer (diameter 2 mm) wordt 22 cm stroomafwaarts van de klep geplaatst, waardoor de moleculaire bundel botst en leidt tot differentiële pompomstandigheden tussen de gepulseerde klep en de rest van het vacuümsysteem.</li>
	<li>Direct na de skimmer komen de moleculen in het elektrostatische deflectieapparaat. Deze bestaat uit een staaf (straal 3,0 mm) en een trog (kromtestraal 3,2 mm), elk 24 cm lang. De verticale opening tussen de elektroden in het midden van het apparaat is 2,3 mm. Er wordt een potentiaalverschil tussen 0-26 kV toegepast tussen de staaf en de trog , waardoor een sterk inhomogene elektrisch veld ontstaat met een bijna constante veldgradiënt30, zoals aangegeven in de inzet van figuur 2.</li>
	<li>Direct nadat de deflectormoleculen via een tweede skimmer het interactiegebied binnenkomen, zorgt dit voor een verdere differentiële pompfase.</li>
	<li>De interactieregio (geëvacueerd naar druk <10-9 mbar) bevat een standaard Wiley-McLaren time-of-flight (TOF) setup. Moleculen worden geïoniseerd door gerichte laserpulsen in het midden van het extractiegebied, tussen de repeller- en extractorelektroden. Geproduceerde ionen worden versneld naar een meerkanaalsplaatdetector (MCP), waar een massaspectrum wordt geregistreerd.</li>
	<li>Laserpulsen zijn afgeleid van een Nd:YAG gepompte kleurstoflaser, die typische uitgangsgolflengten levert rond 283 nm (indoolexperimenten) of 272 nm (3-fluoroffenolexperimenten) en pulsenergieën van een paar mJ. De pulsduur ligt in de orde van grootte van 10 nsec en pulsen worden met een f = 750 mm lens scherpgesteld op een spotgrootte van ~100 μm in het interactiegebied.</li>
	<li>De timingsequentie wordt geregeld door een digitale vertragingsgenerator die de hoofdklok levert. Dit activeert de Nd:YAG-laser (flitslampen en Q-switch), de gepulseerde klep en de digitizerkaart die wordt gebruikt om massaspectra op te nemen.</li>
	<li>Massaspectra worden opgenomen op een digitizerkaart, geactiveerd op hetzelfde moment als de laser Q-switch. Moleculaire bundeldichtheden worden geëxtraheerd uit geschikte massapoorten in de geregistreerde tijd-van-vlucht spectra.</li>
</ol>2. Productie en karakterisering van een conformer geselecteerde moleculaire straal
<ol><li>Een koude moleculaire straal van de doelmoleculen wordt gecreëerd via supersonische expansie en gekarakteriseerd met behulp van ruimtelijke (x, y richtingen) en temporele (z richting) profilering.</li>
	<li>Laad het monsterreservoir van de gepulseerde klep met het chemische monster. Los vaste monsters op in een geschikt oplosmiddel en plaats een paar druppels op een klein stukje filterpapier dat in de monsterpatroon wordt gestoken. Plaats vloeistofmonsters direct op het filterpapier.</li>
	<li>Produceer de supersonische expansie met behulp van een hoogzuiver hogedruksteungas. Stel de temperatuur van het monsterreservoir in de klep zo in dat de partiële druk van het monster ongeveer 10 mbar bedraagt. Opmerking: Voor vloeistofmonsters is meestal geen verwarming nodig. De openingstijd van de klep is afhankelijk van het exacte model van de gebruikte gepulseerde klep, voor de hier gepresenteerde experimenten wordt de Even-Lavie-klep bediend met een elektrische pulsduur van 10 μsec.</li>
	<li>Karakteriseer de geproduceerde moleculaire straal met de elektrostatische deflector uitgeschakeld. Stel de ionisatielaser in op een bekende golflengte voor resonantieversterkte multifotonenionisatie (REMPI) van een bepaalde conformer van het monster. Registreer een tijdsprofiel van de moleculaire bundelpuls door de totale bovenliggende ionenopbrengst op de MCP-detector te controleren als functie van kleplaservertraging.</li>
	<li>Bevestig de kleplaservertraging op de maximale intensiteitspositie voor alle volgende metingen.</li>
	<li>Registreer een transversaal ruimtelijk profiel van de moleculaire straal door de totale bovenliggende ionenopbrengst te monitoren als functie van de y-positie van de laserfocus. Doe dit door de scherpstellens loodrecht op de laservoortplantingsrichting te bewegen, zodat de scherpstelling in de y-richting beweegt ten opzichte van de moleculaire bundel.</li>
	<li>Herhaal de temporele en ruimtelijke profilering voor alle conformers van belang in de balk. Opmerking: Deze hebben meestal verschillende REMPI-resonanties, zodat elke conformer afzonderlijk kan worden onderzocht. Bij afwezigheid van een afbuigingsveld zijn de temporele en ruimtelijke profielen echter identiek voor alle conformers.</li>
	<li>Karakterisering van de afgebogen balk. Schakel de hoogspanningstoevoer naar de deflector in en noteer ruimtelijke profielen voor alle isomeren. Deze moeten nu worden afgebogen volgens de massa-dipoolmomentverhouding. Opmerking: Voor soorten die grote doorbuigingen ondergaan, kan het nodig zijn de skimmer onmiddellijk na de deflector te verplaatsen om een goede overdracht van de afgebogen straal naar het detectiegebied te garanderen.</li>
	<li>Voer experimenten uit op het door de conformer of de grootte geselecteerde deel van de moleculaire straal door ervoor te zorgen dat de interactie(bv. een kruisende laserstraal) plaatsvindt in het deel van de moleculaire straal dat alleen de soorten van belang bevat.</li>
</ol>

De auteurs hebben niets bekend te maken.

In dit manuscript wordt vertrouwdheid met ultrahoge vacuümcomponenten, gepulseerde moleculaire straalkleppen en laserbronnen verondersteld en moeten de bijbehorende veiligheidsprocedures altijd worden nageleefd. Bij het hanteren van de hoogspanningselektroden voor de deflector moet extra voorzichtig worden omgegaan. Hun oppervlakken moeten worden gepolijst volgens een hoge standaard en moeten absoluut schoon zijn om boogvorming in de vacuümkamer te voorkomen. Voor het eerste gebruik moeten de elektroden onder vacuüm worden geconditioneerd. D...

Moderne gasfase moleculaire fysica en fysische chemie experimenten gebruiken vaak supersonische uitbreidingen van doelmoleculen om rotatie koude moleculaire monsters binnen een moleculaire straal te produceren. Echter, zelfs bij lage rotatietemperaturen van 1 K, die routinematig kunnen worden bereikt met behulp van supersonische uitzettingen, kunnen grote moleculen nog steeds in meerdere conformaties binnen de straalblijven 1. Evenzo resulteert de productie van moleculaire clusters in een straalbron niet in een enkele soort, maar eerder in de vorming van een "clustersoep", die veel verschillende cluster stoichiometrieën bevat, evenals resterende zuivere oudermoleculen. Dit maakt de studie van deze systemen met nieuwe technieken zoals beeldvorming van moleculaire orbitalen2,moleculaire frame foto-elektron hoekverdelingen3-5 of elektron6-10 en röntgendiffractie11-13 moeilijk, omdat deze zuivere, consistente en homogene monsters in de gasfase vereisen.
Hoewel er nu verschillende methoden beschikbaar zijn om verschillende conformers van geladen soorten in de gasfase te scheiden (bv. ionenmobiliteitsdriftbuizen14,15) en geladen clusters gemakkelijk kunnen worden gescheiden door hun massa-ladingverhouding, zijn deze technieken niet van toepassing op neutrale soorten. We hebben onlangs aangetoond dat deze problemen kunnen worden overwonnen met het gebruik van een elektrostatisch afbuigapparaat16,17, waardoor de scheiding van moleculaire conformers en clusters en de productie van rotatiekoude moleculaire stralen mogelijk is.
Het gebruik van elektrostatische afbuiging is een klassieke moleculaire straaltechniek, waarvan de oorsprong ver teruggaat18,19. De eerste ideeën van het gebruik van elektrostatische afbuiging voor de scheiding van kwantumtoestanden werden geïntroduceerd door Stern in 192620. Terwijl vroege experimenten werden uitgevoerd op kleine moleculen bij hoge temperaturen, demonstreren we de toepassing van deze techniek op grote polaire moleculen en clusters bij lage temperaturen16,21.
Polaire moleculen ervaren een kracht in een inhomogene elektrische veld (E) als gevolg van de ruimtelijke verschillen in potentiële energie. Deze kracht <img fo:content-width="0.25in" src="/files/ftp_upload/51137/force.jpg" width="30px"> is afhankelijk van het effectieve dipoolmoment, μeff, van het molecuul en kan worden geëvalueerd als
<img src="/files/ftp_upload/51137/51137eq1.jpg"> (1) 
Omdat verschillende moleculaire conformers meestal verschillende dipoolmomenten hebben en verschillende aantallen oplosmiddelmoleculen binnen een cluster leiden tot verschillende clustermassa's en dipoolmomenten, zullen deze soorten een andere versnelling ervaren in de aanwezigheid van een sterk inhomogene elektrisch veld. De resulterende Stark-effectkracht uit een inhomogene elektrische veld kan daarom worden gebruikt voor de scheiding van conformers en kwantumtoestanden22. Dit wordt aangegeven in figuur 1, die de berekende Stark-krommen weergeeft voor de J = 0,1,2 rotatietoestanden van respectievelijk het cis en transconforme 3-fluorofenol. Dit leidt tot grote verschillen in μeff, zoals blijkt uit de figuren 1c en 1d, en daarom wordt een andere versnelling ervaren door de twee conformers in inhomogene elektrische velden. Daarom kan een elektrostatische afbuiginrichting worden gebruikt als massa-dipoolmomentverhouding (m/μeff) separator, naar analogie met een massaspectrometer die fungeert als massa-op-ladingverhouding (m/z) filter23.
Bovendien maken deze technieken de scheiding van roterende kwantumtoestanden24,25mogelijk. Aangezien de grondrotatietoestanden (blauwe krommen in de figuren 1a en 1b) de grootste Stark-verschuiving vertonen, zullen deze het meest worden afgebogen en ruimtelijk worden gescheiden van moleculen in hogere J-toestanden 17. Het koudste deel van een moleculaire straal kan daarom worden geselecteerd, wat aanzienlijk helpt bij veel toepassingen, zoals uitlijning en oriëntatie van doelmoleculen17, 26-28.
In deze bijdrage laten we zien hoe een elektrostatisch deflectieapparaat kan worden gebruikt om verschillende soorten grote polaire moleculen en clusters ruimtelijk te scheiden. Voorbeeldgegevens worden gepresenteerd voor de productie van een zuivere bundel van een individuele conformer en van een solute-solvent cluster van goed gedefinieerde grootte en verhouding. In het bijzonder presenteren we gegevens over 3-fluoroffenol, waarbij een zuivere straal wordt geproduceerd die alleen de transconforme bevat, en op indool-waterclusters, waar de indool(H2O)1 cluster ruimtelijk kan worden gescheiden van water, indool, indool (H2O)2 , enz.

<table><tbody><tr><td>Vacuum system</td><td>various, bijv. Pfeiffer Vacuum, Varian, Edwards, Leybold</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Dye laser system</td><td>various, bijv. Coherent, Spectra Physics, Syrah, LIOP-TEC, Radiant Dyes&hellip;</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Pulsed valve</td><td>Even-Lavie</td><td></td><td></td></tr><tr><td>High voltage power supply</td><td>bijv. FUG</td><td>HCP 14-20000</td><td></td></tr><tr><td>Deflector</td><td></td><td></td><td>Op maat gemaakt</td></tr><tr><td>Time-of-flight spectrometer</td><td>Jordan TOF</td><td>C-677</td><td></td></tr><tr><td>TOF power supply</td><td>Jordan TOF</td><td>D-603</td><td></td></tr><tr><td>Focusing lens</td><td>Thorlabs</td><td>LA4745</td><td></td></tr><tr><td>Translation stage</td><td>bijv. Vision Lasertechnik</td><td>8MT167-25</td><td></td></tr><tr><td>Digitizer</td><td>bijv. Agilent</td><td>Acquiris DC440</td><td></td></tr><tr><td>Digital delay generator</td><td>Stanford Systems</td><td>SRS DG645</td><td></td></tr><tr><td>Molecular beam skimmer</td><td>Beam Dynamics Inc.</td><td></td><td>http://www.beamdynamicsinc.com/</td></tr></tbody></table>

ruimtelijke scheiding van moleculaire conformers en clusters

Spatial Separation of Molecular Conformers and Clusters

Gasfase moleculaire fysica en fysische chemie experimenten gebruiken vaak supersonische expansies door gepulseerde kleppen voor de productie van koude moleculaire stralen. Deze stralen bevatten echter vaak meerdere conformers en clusters, zelfs bij lage rotatietemperaturen. We presenteren een experimentele methodologie die de ruimtelijke scheiding van deze samenstellende delen van een moleculaire bundeluitbreiding mogelijk maakt. Met behulp van een elektrische deflector wordt de straal gescheiden door zijn massa-dipoolmomentverhouding, analoog aan een bender of een massaspectrometer van de elektrische sector die ruimtelijk geladen moleculen verspreidt op basis van hun massa-op-ladingverhouding. Deze deflector maakt gebruik van het Stark-effect in een inhomogene elektrische veld en maakt de scheiding van individuele soorten polaire neutrale moleculen en clusters mogelijk. Het maakt bovendien de selectie van het koudste deel van een moleculaire straal mogelijk, omdat laagenergetische roterende kwantumtoestanden over het algemeen de grootste afbuiging ervaren. Verschillende structurele isomeren (conformers) van een soort kunnen worden gescheiden vanwege de verschillende opstelling van functionele groepen, wat leidt tot verschillende dipoolmomenten. Deze worden door de elektrostatische deflector gebruikt voor de productie van een conformationeel zuiver monster uit een moleculaire straal. Op dezelfde manier kunnen specifieke cluster stoichiometrieën worden geselecteerd, omdat het massa- en dipoolmoment van een bepaalde cluster afhangt van de mate van oplosbaarheid rond het bovenliggende molecuul. Dit maakt experimenten met specifieke clustergroottes en structuren mogelijk, waardoor de systematische studie van oplosbaarheid van neutrale moleculen mogelijk wordt.

De elektrostatische afbuigingstechniek is met succes toegepast op de scheiding van structurele isomeren16 en neutrale clusters21, evenals de productie van rotatie-kwantumtoestand geselecteerde moleculaire monsters31. We demonstreren dit met representatieve resultaten voor de scheiding van cis- en transconformen van 3-fluorofenol en de geselecteerde grootte in de clusters (H2O)n. 
3-Fluoroffenolconformen werden in een mole...

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.

Ruimtelijke scheiding van moleculaire conformers en clusters

Gas-phase molecular physics and physical chemistry experiments commonly use supersonic expansions through pulsed valves for the production of cold ...

Het algemene doel van het volgende experiment is om verschillende soorten, zoals conformeren, clusters of quantumtoestanden in de gasfase ruimtelijk te scheiden, om zo verdere experimenten met deze monsters te faciliteren. Dit wordt bereikt door eerst een rotationeel koude supersonische moleculaire bundel te produceren die de betreffende soorten bevat. Als tweede stap moeten de verschillende soorten in de bundel ruimtelijk worden gescheiden, wat wordt gerealiseerd met behulp van sterke inhomogene elektrische velden, waarbij soorten worden gescheiden op basis van hun effectieve dipoolmomenten die door het Stark-effect worden geïnduceerd.Vervolgens worden de ruimtelijke distributies van de species onderzocht middels resonantie-versterkte multiphoton-ionisatie om gebieden te identificeren waar slechts één enkele species aanwezig is. De resultaten tonen de ruimtelijke scheiding van CYS- en trans-isomeren van trifluoroethanol, evenals de scheiding van water-indu-clusters van zuivere indu, gebaseerd op de volledig species-selectieve resonantie-versterkte multiphoton-ionisatie-opbrengst geregistreerd als functie van de ruimtelijke positie in de moleculaire bundel. Het belangrijkste voorde

spatial-separation-of-molecular-conformers-and-clusters

Research

JoVE Journal

Engineering

Techniek

Confocale microscopie wordt gebruikt om beelden rustige en vloeiende colloïd-polymeer mengsels die worden bestudeerd als modelsystemen voor aantrekkelijke schorsingen. Beeldanalyse algoritmen worden gebruikt om structurele en dynamische parameters voor de colloïdale deeltjes die veranderingen vanwege geometrische opsluiting meten berekenen.

Confocale beeldvorming van Confined Quiescent en Vloeiende colloïd-polymeermengsels

Dit artikel beschrijft de constructie van een reeks waterstofbruggende supramoleculaire clusters in kristallen met behulp van primaire ammoniumtrifenylacetaat, dat opnieuw wordt gekristalliseerd uit niet-polaire oplosmiddelen. Deze selectieve constructie van de supramoleculaire clusters leidt tot effectieve systematische symmetrische studies over een correlatie tussen de supramoleculaire clusters en hun componenten.

Bouw en Systematische Symmetric Studies van een serie van Supramoleculaire Clusters met binaire of ternaire ammonium Triphenylacetates

Een protocol voor het online onderzoek van eiwitsequentie-structuur-dynamiek relaties met behulp van Bio3D-web wordt gepresenteerd.

Onderzoek naar eiwitsequentie-structuur-dynamiek Relaties met Bio3D-web

Structuren van supramoleculaire eiwit samenstellingen met atomaire resolutie zijn van groot belang vanwege hun cruciale rol in een verscheidenheid van biologische fenomenen. Hierin presenteren wij een protocol voor het uitvoeren van high-resolution structurele studies op onoplosbare en niet-kristallijne macromoleculaire eiwit samenstellen door magie-angle spinning solid-state nucleaire magnetische resonantie spectroscopie (MAS SSNMR).

Atoomschaal structurele Studies van macromoleculaire samenstellen door Solid-state nucleaire magnetische resonantie spectroscopie

Voor kleine chirale soorten biedt Coulomb explosie Imaging een nieuwe benadering om te bepalen van de handigheid van individuele moleculen.

Coulomb explosie Imaging als een instrument om te onderscheiden tussen stereo-isomeren

De atmosferische concentraties van zwak gebonden moleculaire clusters kunnen worden berekend op basis van de thermochemische eigenschappen van lage energiestructuren gevonden door middel van een multi-step configuratie bemonstering methodologie met behulp van een genetisch algoritme en semi-empirische en ab initio kwantumchemie.

Berekening van atmosferische concentraties van moleculaire clusters van ab initio Thermochemie

Tijd-opgeloste single-molecule eiwit-geïnduceerde fluorescentieverbetering is een nuttige fluorescentiespectroscopische nabijheidssensor die gevoelig is voor lokale structurele veranderingen in eiwitten. Hier laten we zien dat het kan worden gebruikt om stabiele lokale conformaties in α-Synuclein te ontdekken, dat ook wel bekend staat als bolvormig ongestructureerd en onstabiel wanneer het wordt gemeten met behulp van de FRET-liniaal met een groter bereik.

Gebruik van time-resolved eiwit-geïnduceerde fluorescentieverbetering om stabiele lokale conformaties één α-synucleïnemonomeer tegelijk te identificeren

Het doel van dit protocol is om de structurele dynamiek van eendimensionale diffusie van eiwit langs DNA te onthullen, met behulp van een plantaardig transcriptiefactor WRKY-domeineiwit als een voorbeeldig systeem. Om dit te doen, zijn zowel atomistische als grofkorrelige moleculaire dynamicasimulaties samen met uitgebreide computationele bemonsteringen geïmplementeerd.

Structuurgebaseerde simulatie en bemonstering van transcriptiefactoreiwitbewegingen langs DNA van atomaire schaalstappen naar grofkorrelige diffusie

We presenteren een driekleurig chromatine single molecule localization microscopy (SMLM) kleurings- en analyseprotocol dat reproduceerbare mapping van euchromatine, heterochromatine en RNAP II mogelijk maakt voor ruimtelijke analyse. Dit protocol maakt efficiënte meerkleurige etikettering mogelijk in dichte nucleaire omgevingen, inclusief chromatine-geassocieerde doelen, waardoor betrouwbare gelijktijdige detectie mogelijk is.

Een multilabel Single Molecule Localization Microscopieprotocol voor het Onderzoek van Chromatine in de dichte nucleaire omgeving

Een moleculaire bundel gekoppeld aan afstembare vacuüm ultraviolet foto-ionisatie massaspectrometer in een synchrotron is een handige tool om de elektronische structuur van geïsoleerde gasfase moleculen en clusters te verkennen. Proton overdracht mechanismen in DNA-base dimeren werden toegelicht aan deze techniek.

Moleculaire Beam massaspectrometrie met afstelbare Vacuum Ultraviolet (VUV) Synchrotron Radiation

Ontdek de elektrostatische afbuigingstechniek voor ruimtelijke scheiding van moleculaire conformers en clusters in koude supersonische moleculaire bundels. Deze methode maakt zuivere gasfase-monsters mogelijk voor verder onderzoek.

Ruimtelijke scheiding van moleculaire conformers en clusters

Meer video's verkennen