Nieuwe technieken voor het observeren van structurele dynamica van Photoresponsive vloeibare kristallen
29 mei 2018
Hier presenteren we de protocollen van differentiaal-detectie analyses van time-resolved infrarood Vibrationele spectroscopie en elektron diffractie waarmee opmerkingen van de vervormingen van de lokale structuren rond photoexcited moleculen in een in kolomvorm vloeibare kristallen, het geven van een atomaire perspectief op de relatie tussen de structuur en de dynamiek van dit photoactive materiaal.
Deze methode kan helpen bij het aanpakken van een veelvoorkomend probleem in het onderzoek naar vloeibare kristallen. Dat is namelijk dat de piek in moleculaire beweging tijdens de fotorespons niet kan worden bepaald door conventionele methoden. Het grote voordeel van deze technieken is dat de structuur en de ultrasnelle dynamische eigenschappen van foto-exciteerde vloeibare kristallen worden verkregen uit zowel differentiële IR-spectrum als differentiële elektronendiffractiepatronen.
Ik zal de tijdsafhankelijke IR-vibratiespectroscopie demonstreren. Om een monster in oplossing voor tijdsafhankelijke IR-vibratiespectroscopie voor te bereiden, lost u 0,025 millimol pi-COT op in 25 milliliter dichloormethaan om een oplossing van 1 millimol per liter te verkrijgen. Om een vloeibare kristalmonster voor te bereiden, bedekt u een 3 millimeter dik calciumfluoridedraagvlak met pi-COT-poeder.
Plaats het draagvlak op een warmteplaat en smelt het poeder op 100 graden Celsius. Schakel de warmteplaat uit en laat het monster afkoelen tot kamertemperatuur. Nadat u het monster hebt voorbereid, zet u de titanium-saffierlaser en de chirped pulse-versterker aan en laat u ze thermisch stabiliseren.
Stel de pulsduur in op 120 femtoseconden, de herhalingssnelheid op 500 Hertz en de incidente fluence op 1 millijoule per vierkante centimeter. Controleer het vermogen en de stabiliteit van de UV-pomp en de mid-IR-probe-pulsen en lijn de optische paden indien nodig opnieuw uit. Koel de kwik-cadmium-telluride IR-detector af met vloeibare stikstof.
Plaats de spectrometer in lijn met het optische pad en kalibreer de spectrometer. Monteer vervolgens een 1 millimeter dikke siliconenwafer op de monsterhouder als testmonster. Stel de pomp-probe-vertraging in op een positieve waarde.
Optimaliseer de pomp-probe-overlap door de spiegel aan te passen die de pompstraal naar het monster richt, om de maximale intensiteit van het transiënte signaal te verkrijgen. Stel een scan in, beginnend bij min 100 picoseconden en eindigend bij 1000 picoseconden, met een staptijd van 5 picoseconden. Scan het testmonster en identificeer de tijdelijke positie waar het transiënte signaal begint te verschijnen of tijd nul.
Als u een monster in oplossing gebruikt, monteer dan een stroomcel met bariumfluoride-ramen in het instrument en pompt u het monster door de stroomcel. Bij gebruik van een monster in vloeibare kristalvorm, monteert u het monster op een gemotoriseerde tafel om continue beweging van de laserspotpositie op het monster mogelijk te maken, om lasergeïnduceerde schade te minimaliseren. Bevestig de tijd nul-positie met het monster en stel de start-, eind- en staptijd in.
Selecteer een map voor het gegevensbestand en voer het gegevensverzamelingproces uit. Etch en reinig eerst een siliconennitride-gecoate wafer om een substraat met siliconennitride-ramen te verkrijgen. Plaats de substraat op een spin coater-schijf met de siliconennitride-ramen naar boven gericht.
Spin coat de substraat met een oplossing van 10 milligram per milliliter pi-COT in chloroform. Plaats de spin-coated substraat op een warmteplaat en verwarm de warmteplaat tot 100 graden Celsius om de pi-COT te smelten. Schakel de warmteplaat uit wanneer deze 100 graden Celsius bereikt en laat het monster op zijn plaats afkoelen om een pi-COT vloeibare kristalfilm te verkrijgen.
Om met de meting te beginnen, monteert u het monster op de instrumentmonsterhouder. Plaats de monsterhouder in de vacuümkamer en sluit de kamer. Gebruik een roterende pomp om de kamer te vacuümen tot minder dan 1000 pascal of 10 millibar.
Gebruik vervolgens een turbomoleculaire pomp om de elektronenkanonkamer te vacuümen tot ongeveer 10 tot de min 6 pascal. Schakel vervolgens de titanium-saffierlaser en de chirped pulse-versterker in en laat ze een uur thermisch stabiliseren. Stel de herhalingssnelheid in op 500 hertz.
Schakel de CCD-camerakoeler in en koel het apparaat af tot 10 graden Celsius. Schakel vervolgens de elektrische voeding in en stel de spanning in op 75 kilovolt. Open de speciale overlapsoftware en stel de belichtingstijd in op 50 milliseconden.
Om de positie van de sonde-elektronenstraal te vinden, stelt u eerst het starttype in op z-overlap en klikt u op start. Wanneer dat proces is voltooid, selecteert u y-overlap en klikt u opnieuw op start. Stel vervolgens de elektronenstraal in op de pinaulpositie van de monsterhouder en lijnt u de pomplaser uit met het door de pinaul weerkaatste pomplicht.
Schakel vervolgens over naar het tijdsafhankelijke elektronendiffractieprogramma. Stel het starttype in op tijdsafhankelijk en de pompinvloed op 2 millijoule per vierkante centimeter. Klik op start om de tijd nul-positie te meten op basis van een op het monsterhouder gefixeerd anorganisch standaardmateriaal.
Plaats vervolgens de Faraday-beker in de elektronenstraalpade en meet de fluence met de picoammeter. Draai de neutrale dichtheidsfilter om de fluence van de elektronenstraal aan te passen tot 3 picoampere. Pas de fluence van de pomppuls aan tot 1,67 milliwatt door de golfplaat op de pompstraallijn te draaien.
Vervolgens, in de tijdsafhankelijke elektronendiffractiesoftware, verplaatst u naar de monsterspositie. Stel de belichtingstijd van de CCD-camera in op 1 seconde. Stel het starttype in op enkele en klik op start om een statisch elektronendiffractiebeeld te verkrijgen.
Schakel vervolgens het peltier-element van de CCD-camera in en koel het apparaat af tot min 20 graden Celsius. Zodra de CCD-camera is afgekoeld, stelt u het aantal patronen in dat bij elke stap wordt verzameld en het aantal stappen voor de tijdsafhankelijke metingen. Stel het starttype in op tijdsafhankelijk en klik op start om de tijdsafhankelijke elektronendiffractiebeelden te verzamelen.
Wanneer het experiment is voltooid, schakel de stroomaandrijving van de elektronenversnelling uit. Verzamel het tijdsafhankelijke beeld op dezelfde manier om een achtergrond te verkrijgen. Het differentiële IR-vibratiespectrum van een pi-COT-gebaseerde vloeibare kristaldunne film had pieken die overeenkwamen met de rekmodus van de COT- en thiazoolringen en van de bifen
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel presenteert protocollen voor differentieële-detectieanalyses met behulp van tijdopgeloste infrarood-vibratiespectroscopie en elektronendiffractie. Deze methoden maken het mogelijk om lokale structurele vervormingen rond foto-geëxciteerde moleculen in een kolomvormig vloeibaar kristal te observeren, wat inzicht biedt in de relatie tussen structuur en dynamica in fotoactieve materialen.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk gebied
- Vloeibare kristallen
- Fotoactieve materialen
- Spectroscopische technieken
Achtergrond
- Conventionele methoden hebben moeite om de piek van de moleculaire beweging tijdens fotoresponsen te bepalen.
- Tijdsopgeloste technieken bieden een oplossing voor deze beperking.
- Het begrijpen van de moleculaire dynamica is cruciaal voor het voortzetten van het onderzoek naar vloeibare kristallen.
- Foto-aangeslagen vloeibare kristallen vertonen unieke structurele en dynamische eigenschappen.
Doel van de studie
- Om de effectiviteit van tijdopgeloste IR-vibratiespectroscopie aan te tonen.
- Om de ultrasnelle dynamica van foto-geëxciteerde vloeibare kristallen te analyseren.
- Om een verband vast te stellen tussen moleculaire structuur en dynamica.
Gebruikte methoden
- Oplossen van pi-COT in dichloormethaan voor monsters in de oplossingsfase.
- Bereiden van monsters in de vloeibaarkristalfase op calciumfluoridesubstraten.
- Gebruikmaken van differentieel IR-spectrum en elektrondiffractiepatronen.
- Uitvoeren van tijdopgeloste analyses om moleculaire beweging vast te leggen.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle observatie van structurele vervormingen in vloeibare kristallen.
- Inzichten in de ultrafast-dynamica van foto-geëxciteerde moleculen.
- Demonstratie van de voordelen van differentiële detectietechnieken.
- Vestiging van een kader voor toekomstig onderzoek naar vloeibare kristallen.
Conclusies
- De gepresenteerde methoden bieden een nieuwe benadering voor het bestuderen van vloeibare kristallen.
- Inzicht in de moleculaire dynamica kan leiden tot vooruitgang in de materiaalkunde.
- Deze technieken kunnen mogelijk worden toegepast op andere fotoactieve materialen.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de industrie
Het observeren van ultrafast structurele dynamiek in zachte materialen blijft een kritieke uitdaging in de vroege fase van ontdekking, met name voor fotoactieve systemen waarbij conformationele veranderingen de functie bepalen. De differentiële detectiebenadering, die tijdopgeloste IR-spectroscopie combineert met elektrondiffractie, maakt een directe correlatie mogelijk tussen de moleculaire structuur en dynamiek op picosecondenschaal, wat bijdraagt aan mechanistische risicoreductie bij targetvalidatie. Deze mogelijkheid vergroot het voorspellend vertrouwen bij de evaluatie van foto-responsieve moleculaire scaffolds voor therapeutische of diagnostische toepassingen.
Strategische Toepassingen in Biofarmaceutische R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het toetsen van therapeutische hypothesen mogelijk door foto-geïnduceerde structurele veranderingen te koppelen aan functionele resultaten in soft-matter-systemen.
- Operationele waarde: Levert kwantitatieve, tijdopgeloste structurele gegevens die de ambiguïteit in mechanistische paden tijdens targetvalidatie verminderen.
Screening & assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Genereert reproduceerbare, differentiële spectrale en diffractie-uitlezingen die geschikt zijn voor assay-standaardisatie bij het screenen van fotoresponsieve materialen.
- Operationele waarde: Ondersteunt schaalbare workflows voor monstervoorbereiding en gegevensverzameling voor high-throughput evaluatie van lichtgeactiveerde verbindingen.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Biedt ziekterelevante inzichten in ultrafast moleculaire dynamiek die bijdragen aan de translationele afstemming van biomarkers in fotoactieve systemen.
- Operationele waarde: Faciliteert de continuïteit van ontdekking naar preklinische validatie door structurele dynamische gegevens over verschillende temporele en spatiale schalen te leveren.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode integreert in het ontdekkingscontinuüm door hypothesetoetsing in de vroege biologie mogelijk te maken, de assay-gereedheid bij screening te ondersteunen en kwantitatieve gegevens over structurele dynamica te leveren voor besluitvorming op basis van analyses.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothesetoetsing en het verduidelijken van signaalpaden door ultrafast conformationele veranderingen in foto-geëxciteerde moleculaire systemen vast te leggen.
- Screening: Maakt assay-gereedheid mogelijk via gestandaardiseerde monstervoorbereiding en reproduceerbare differentiële detectie-outputs.
- Analytica: Levert tijdopgeloste IR-piekintensiteiten en verschillen in elektrondiffractiepatronen als kwantitatieve read-outs voor het vergelijken van moleculaire toestanden.
- Translationeel onderzoek: Verbindt structurele dynamiek met preklinische continuïteit door het identificeren van geconserveerde foto-geïnduceerde structurele kenmerken die relevant zijn voor functionele uitkomsten.
- Bedrijfbrede hergebruik: Vestigt een herbruikbaar platform voor het evalueren van fotoactieve verbindingen over meerdere projecten en therapeutische gebieden.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Voorspellend vertrouwen in structuur-functie-relaties, vermindering van mechanistische ambiguïteit in fotoactieve systemen.
- Operationele waarde: Standaardisatie, reproduceerbaarheid en schaalbaarheid van ultrafast structurele metingen.
- Strategische waarde: Verbeterde go/no-go-beslissingen, kapitaalefficiëntie en verminderd biologisch risico in een laat stadium bij de ontwikkeling van fotoactieve geneesmiddelen.
- Impact op portfolio: Risico-gecorrigeerde prioritering op basis van gevalideerde structurele dynamisgegevens uit de vroege ontdekkingsfase.
Overwegingen voor implementatie
- Expertise in ultrafast laserspectroscopie en instrumentatie voor elektrondiffractie.
- Toegang tot titanium-saffierlasersystemen, chirped pulse-versterkers en vacuümcompatibele monsterhouders.
- Standaardisatie van monsterpreparatieprotocollen voor zowel oplossings- als vloeibaar-kristalfasen.
- Overwegingen voor aanpassing aan variërende molecuulgewichten, oplosbaarheden en fasenovergangstemperaturen in zachte materialen.
- Praktische beperkingen omvatten monsterdegradatie bij langdurige laserblootstelling en de noodzaak van cryogene detectorkoeling.
