Pomiar ultraszybkich koherencji wibracyjnych w wieloatomowych kationach rodnikowych z jonizacją adiabatyczną w silnym polu
6 sierpnia 2018
Przedstawiamy protokół do badania ultraszybkich koherencji wibracyjnych w wieloatomowych kationach rodników, które skutkują dysocjacją molekularną.
Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania dotyczące ultraszybkiej dynamiki wieloatomowych kationów rodnikowych, takie jak to, czy koherentne ruchy wibracyjne są wzbudzane i jak koherentna egzotyka napędza asocjację wiązań. Główną zaletą tej techniki jest to, że wieloatomowe kationy rodnikowe mogą być otrzymywane w naziemnym stanie elektronowym, co znacznie poprawia zdolność do rozwiązywania koherentnych ruchów wibracyjnych. Ogólnie rzecz biorąc, osoby nowe w tej metodzie miałyby trudności z ustawieniem dwóch niezależnych ścieżek wiązki o identycznej nazwie ścieżki, aby zapewnić, że dwie wiązki rozchodzą się dokładnie równolegle lub współliniowo, gdy jest to konieczne.
Najpierw włącz laser femtosekundowy i poczekaj około 30 minut, aż się ustabilizuje. Umieść rozdzielacz wiązki 90/10 za wyjściem lasera, aby wygenerować dwie repliki, które zostaną wykorzystane do budowy linii wiązki pompy i sondy. Sprawdź moc lasera przed rozdzielaczem wiązki i moc przesyłanej wiązki, aby upewnić się, że przesyłane jest około 10% mocy.
Skieruj odbitą wiązkę do optycznego wzmacniacza parametrycznego. Następnie zoptymalizuj moc wyjściową, postępując zgodnie z procedurami zawartymi w instrukcji. Następnie ustaw oprogramowanie optycznego wzmacniacza parametrycznego, aby wybrać żądaną długość fali.
Skieruj wiązkę wyjściową z optycznego wzmacniacza parametrycznego przez płytkę półfalową i polaryzator. Zablokuj wiązkę spolaryzowaną P i skieruj wiązkę spolaryzowaną S na wklęsłe i wypukłe lustra, aby zwiększyć jej średnicę pięciokrotnie. Następnie skieruj rozszerzoną wiązkę na zwierciadło dichroiczne.
Aby przygotować tor optyczny sondy, skieruj wiązkę przechodzącą przez rozdzielacz wiązki 90/10 do wypukłych i wklęsłych luster, aby dwukrotnie zmniejszyć jej średnicę. Skieruj skolimowaną wiązkę w dół do pustego retroreflektora zamontowanego na zmotoryzowanym liniowym stopniu opóźniającym. Wyreguluj pokrętła mocujące dwóch płaskich lusterek przed reflektorem odblaskowym, aby upewnić się, że położenie wiązki za reflektorem nie zmienia się, gdy stage jest przesuwany w pełnym zakresie ruchu.
Następnie włóż przestrajalny filtr o neutralnej gęstości po stopniu opóźniającym, aby osłabić moc impulsu sondy, włóż tęczówkę za filtrem o neutralnej gęstości, aby dostosować średnicę wiązki i skieruj wiązkę do lustra dichroicznego. Teraz włóż kryształ boranu beta-baru o średnicy 15 milimetrów za lustrem dichroicznym, aby podwoić długości fal obu wiązek, czyniąc je w ten sposób widocznymi. Wyreguluj wyrównanie belki sondy końcowej pompy za pomocą mocowań lustra przed zwierciadłem dichroicznym tak, aby wiązki rozchodziły się współliniowo przez komorę TOFMS i na zewnątrz z drugiej strony.
Następnie umieść szybki fotodetektor dio kilka centymetrów przed wejściem okiennym do komory TOFMS na ścieżce belek sondy na końcu pompy. Podłącz detektora do oscyloskopu cyfrowego i niezależnie zlokalizuj sygnały impulsów sondy po stronie pompy. Dostosuj położenie zmotoryzowanego stopnia opóźniającego na linii sondy tak, aby sygnały sondy na końcu pompy w oscyloskopie czasowo się nakładały.
Jeśli jeden sygnał jest stale przed drugim w oscyloskopie, przesuń mocowania przytrzymujące zmotoryzowany stopień opóźniający, aby w razie potrzeby skrócić lub wydłużyć długość ścieżki. Następnie wyjmij detektor fotodiody. Podłącz żądaną próbkę do komory TOFMS i wyreguluj ciśnienie.
Włącz zasilanie TOFMS i sprawdź napięcie. Sprawdź działanie oprogramowania do akwizycji danych w odniesieniu do komunikacji zarówno ze zmotoryzowanym stopniem opóźniającym, jak i oscyloskopem. Odblokuj belki sondy końcowej pompy i upewnij się, że są wyrównane w komorze TOFMS.
Zmaksymalizuj moc sondy, regulując filtr o neutralnej gęstości. Ustaw moc pompy z płytką falową na wystarczająco wysoki poziom, aby uzyskać zadowalający sygnał jonowy. Następnie dostosuj położenie przestrzenne wiązki sondy za pomocą pokręteł na mocowaniu zwierciadła dichroicznego, aż zaobserwuje się skok intensywności wszystkich jonów lub znaczne zubożenie macierzystego jonu molekularnego i/lub wzrost wydajności jonów fragmentacyjnych.
Dostosuj pozycję zmotoryzowanego stopnia opóźniającego, aby wytworzyć skok całkowitego sygnału jonowego, co odpowiada zerowemu opóźnieniu czasowemu. Dostosuj energie impulsów sondy na końcu pompy, aby uzyskać żądane sygnały jonowe. W oprogramowaniu do akwizycji danych określ długość skanowania i rozmiar kroku.
Na koniec uruchom oprogramowanie do akwizycji danych, aby uzyskać widmo masy przy każdym opóźnieniu pompa-sonda. Widma masowe DMMP wykonane z zerowym opóźnieniem czasowym i tylko z impulsem pompy są pokazane tutaj. Istnieje niewielka zauważalna różnica między widmami słabo zachodzącymi na siebie a widmami tylko pompy, co ilustruje, jak określić optymalne przestrzenne nakładanie się belek sondy na końcu pompy za pomocą bezpośrednich sygnałów jonowych.
W tym miejscu wyświetlane są dane spektralne mas uzyskane z jednego skanu pompa-sonda z czasem lotu na odciętej i opóźnieniem pompa-sonda na rzędnej. Surowe dane ilustrują, w jaki sposób zmiany sygnałów jonowych z opóźnieniem pompa-sonda w tych eksperymentach mogą być wizualizowane bez dodatkowego przetwarzania danych. Pokazano tutaj czasowo-rozdzielcze sygnały jonowe DMMP z jednego skanowania pompa-sonda ze zoptymalizowanym i słabym nakładaniem się przestrzennym belek sondy na końcu pompy.
Wyniki te ilustrują znaczenie optymalizacji nakładania się przestrzeni między pompą a sondą w celu uzyskania wysokiej jakości sygnałów jonów przejściowych w przetwarzanych danych. W tym miejscu wyświetlany jest jon DMMP i fragment PO2C2H4 sygnałów jonów przejściowych pobranych przy użyciu długości fali pompy 800 nanometrów i 1500 nanometrów. Szybka transformacja sygnałów jonowych DMMP pobranych za pomocą pomp 800 nanometrów i 1500 nanometrów jest pokazana tutaj.
Szczyt przy liczbach fal 750 widocznych dla pompy 1500 nanometrów ilustruje rozdzielczość częstotliwości przy zastosowanych ustawieniach skanowania. Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać o dwukrotnym sprawdzeniu rozwinięcia przestrzennego pompy i wiązek sondy przed zarejestrowaniem jakichkolwiek danych eksperymentalnych. Postępując zgodnie z tą procedurą, można przeprowadzić obliczenia ab initio lub teorii funkcjonału gęstości w celu określenia, które mody wibracyjne są spójnie wzbudzone, a także zidentyfikowania poziomu lub poziomów energii elektronowej, do których uzyskuje dostęp egzotacja sondy-impulsu.
Nie zapominaj, że praca z laserami o dużej mocy może być niezwykle niebezpieczna i podczas wykonywania tej procedury należy zawsze zachować środki ostrożności, takie jak noszenie odpowiednich okularów ochronnych.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia protokół badania ultraszybkich koherencji wibracyjnych w wieloatomowych kationach rodnikowych, które mogą prowadzić do dysocjacji cząsteczek. Metoda ta ma na celu pogłębienie zrozumienia ultraszybkiej dynamiki zachodzącej w tych kationach rodnikowych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Chemia fizyczna
- Dynamika molekularna
Wstęp
- Wieloatomowe kationy rodnikowe są istotne w różnych procesach chemicznych.
- Zrozumienie ich dynamiki może dostarczyć wiedzy na temat mechanizmów dysocjacji cząsteczek.
- Koherentne ruchy wibracyjne odgrywają kluczową rolę w tych procesach.
- Poprzednie metody mogły nie pozwalać na efektywne rozdzielenie tych ruchów.
Cel badania
- Zbadanie, czy w wieloatomowych kationach rodnikowych dochodzi do wzbudzenia koherentnych drgań.
- Zrozumienie wpływu koherentnego wzbudzenia na asocjację wiązań.
- Poprawa rozdzielczości koherentnych drgań poprzez przygotowanie kationów w podstawowym stanie elektronowym.
Zastosowane metody
- Wykorzystanie lasera femtosekundowego do badania dynamiki ultraszybkiej.
- Konfiguracja dwóch niezależnych dróg wiązki o identycznych nazwach ścieżek.
- Ustawienie dzielnika wiązki 90/10 w celu wygenerowania wiązek wzbudzającej i sondującej.
- Monitorowanie mocy lasera w celu zapewnienia optymalnej transmisji dla eksperymentów.
Główne wyniki
- Metoda ta pozwala na rozdzielenie koherentnych ruchów wibracyjnych.
- Zapewnia ona wgląd w dynamikę wieloatomowych kationów rodnikowych.
- Wykazuje możliwość przygotowania kationów w stanie podstawowym w celu przeprowadzenia pogłębionych badań.
- Zwraca uwagę na trudności, z jakimi mierzą się osoby początkujące podczas konfigurowania aparatury eksperymentalnej.
Wnioski
- Niniejszy protokół oferuje wartościowe podejście do badania ultraszybkiej dynamiki kationów rodnikowych.
- Umożliwia on lepsze zrozumienie procesów dysocjacji cząsteczkowej.
- Przyszłe badania mogą opierać się na tej metodzie w celu eksploracji innych układów cząsteczkowych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ultraszybkie pomiary koherencji wibracyjnej w wieloatomowych kationach rodnikowych dostarczają kluczowych informacji na temat dynamiki molekularnej, istotnej dla wczesnych etapów projektowania leków oraz biologii chemicznej. Niniejszy protokół umożliwia precyzyjne badanie stanów wibracyjnych i ścieżek dysocjacji wiązań, co wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego oraz zwiększa pewność predykcyjną w projektowaniu cząsteczek. Poprawiona rozdzielczość koherentnych ruchów wibracyjnych dostarcza istotnych danych dla walidacji celów terapeutycznych oraz selekcji projektów w procesach odkrywania leków.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Umożliwia bezpośrednią obserwację koherentnych ruchów wibracyjnych w kationach rodnikowych, co pozwala na wyjaśnienie ścieżek mechanistycznych.
- Wspiera walidację funkcjonalną celów poprzez rozstrzygnięcie dynamiki wibracyjnej stanu podstawowego po jonizacji.
- Zwiększa pewność przewidywań dotyczących reaktywności i stabilności cząsteczek w celu identyfikacji wiodących struktur.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Umożliwia przygotowanie dobrze zdefiniowanych zjonizowanych stanów molekularnych dla dalszych etapów analizy.
- Zapewnia ilościowe, rozdzielone w czasie pomiary wydajności jonów w celu standaryzacji testów.
- Zwiększa powtarzalność i porównywalność danych przesiewowych dzięki zastosowaniu kontrolowanych protokołów wzbudzenia.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Dostarcza danych mechanistycznych dotyczących dysocjacji wiązań, istotnych dla badań nad bezpieczeństwem chemicznym i metabolizmem.
- Zapewnia ciągłość od etapu odkrywania cząsteczek do przedklinicznej oceny ryzyka poprzez powiązanie dynamiki wibracyjnej z efektami funkcjonalnymi.
- Wspiera predykcyjne ograniczanie ryzyka w przypadku cząsteczek kandydackich dzięki szczegółowemu profilowaniu dynamicznemu.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta integruje kontinuum odkryć – od wczesnych badań mechanistycznych po ocenę przedkliniczną – łącząc testowanie hipotez z badaniami translacyjnymi.
- Biologia odkrywcza: Wspiera analizy oparte na hipotezach dotyczące dynamiki stanów wibracyjnych i elektronowych w cząsteczkach kandydackich.
- Przesiewanie: Zapewnia powtarzalne, ilościowe wyniki służące do porównywania odpowiedzi molekularnych w różnych warunkach wzbudzenia.
- Analityka: Umożliwia odczyty spektrometryczne z rozdzielczością czasową oraz analizę w dziedzinie częstotliwości w celu rzetelnej interpretacji danych.
- Badania translacyjne: Łączy wibracyjne zachowanie cząsteczek z późniejszymi ocenami funkcjonalnymi i bezpieczeństwa.
- Zastosowania w przemyśle: Możliwość adaptacji do różnych układów molekularnych przy użyciu standardowych zestawów pump-probe z konwersją długości fali.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną w charakterystyce molekularnej.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje protokoły pomiarów ultraszybkich w celu zapewnienia powtarzalności i skalowalności w różnych projektach.
- Wartość strategiczna: Wspiera podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu prac (go/no-go) poprzez wyjaśnienie profili stabilności i reaktywności cząsteczek.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację kandydatów z uwzględnieniem ryzyka na podstawie dynamicznych właściwości molekularnych.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w zakresie optyki laserów ultrakrótkich oraz spektrometrii mas z rozdzielczością czasową.
- Wymaga precyzyjnego ustawienia i kalibracji ścieżek wiązek wzbudzających i sondujących w celu uzyskania optymalnej jakości danych.
- Wymaga solidnej infrastruktury analitycznej do akwizycji danych i analizy w dziedzinie częstotliwości.
- Możliwość dostosowania do różnych układów molekularnych poprzez odpowiednie dostrojenie długości fali i przygotowanie próbek.
- Niezbędne jest stosowanie protokołów bezpieczeństwa dotyczących pracy z laserami wysokiej mocy.
