Imagens de Explosão de Coulomb como uma Ferramenta para Distinguir Estereoisômeros
18 de agosto de 2017
Para pequenas espécies quirais, Coulomb explosão Imaging fornece uma nova abordagem para determinar a lateralidade de moléculas individuais.
O objetivo geral deste experimento é usar a explosão de Coulomb para obter imagens da lateralidade de moléculas individuais na fase gasosa. Este método é uma nova abordagem para abordar questões importantes em estereoquímica. Em particular, permite determinar a configuração absoluta de pequenas espécies quirais e sua dinâmica fotoinduzida.
A principal vantagem dessa técnica é que a energia e a direção de emissão de todos os fragmentos de carga de uma quebra molecular podem ser registradas por coincidência. Desenvolvemos essa técnica de imagem de multicoincidência por um período de mais de 25 anos para aprender mais e medir os segredos da estereoquímica com base em moléculas individuais. O coração do experimento é uma configuração para imagens coincidentes de íons e um laser de femtossegundo, como este aparelho COLTRIMS.
O feixe de laser de femtossegundo entra de uma sala adjacente. Os fundamentos da técnica COLTRIMS são representados nesta animação. Um feixe molecular entra na câmara de vácuo através de um bico e um skimmer.
Um feixe de laser atravessa o feixe molecular em ângulos retos e leva à ionização e subsequente fragmentação. O campo elétrico no espectrômetro guia os íons para o detector, onde os tempos e as posições de seus impactos são registrados. Prepare a configuração para operação e verifique o vácuo na câmara de interação.
A pressão deve ser inferior a 10 elevado a nove hectopascal negativos. Com o laser ligado e em baixa intensidade, execute o alinhamento do feixe. Certifique-se de que o feixe entre na câmara de experimento e seja refletido pelo espelho de foco da câmara.
Use uma placa de feixe para verificar se os feixes de entrada e saída coincidem espacialmente. Bloqueie o feixe de laser antes de continuar. Prepare-se para ligar as fontes de alimentação do espectrômetro e do detector.
Primeiro, desligue os medidores de vácuo na câmara de interação. Em seguida, conecte a saída de sinal amplificado das placas de microcanal a um osciloscópio rápido. Agora ligue as fontes de alimentação de alta tensão para o detector e o campo elétrico no espectrômetro.
Volte a trabalhar com o feixe de laser desbloqueando-o primeiro. Tenha um filtro de polarização giratório pronto para ajustar a intensidade do feixe. Coloque um medidor de potência no feixe imediatamente antes da câmara e use o filtro para ajustar a intensidade do feixe abaixo de 10 a 14 watts por centímetro quadrado.
Para esta configuração, isso corresponde a 100 miliwatts no medidor de energia. Remova o medidor de potência e observe o traço do osciloscópio. É crucial verificar a qualidade do sinal e as configurações do detector.
Se muito ruído for registrado, as verdadeiras coincidências são muito difíceis de encontrar. A frequência do sinal deve ser de cerca de 5% da taxa de repetição do laser. O sinal deve ter um pico de várias centenas de milivolts sem qualquer toque.
A largura dos sinais da placa de microcanal não deve exceder 10 nanossegundos. Agora vá para o software de aquisição de dados. Lá, exiba uma imagem do detector, que deve ser um círculo com um ponto difuso em seu centro devido ao laser.
Neste ponto, forneça uma barra de argônio de um cilindro de gás como fonte para o jato de gás. Observe a imagem do detector ao vivo no software de aquisição de dados enquanto ajusta o espelho de foco. Se aparecer um ponto estreito, a sobreposição entre o jato molecular e o feixe de laser foi localizada.
O objetivo é maximizar a sobreposição do feixe de jato e aumentar as contagens no ponto do jato. Depois de otimizar a sobreposição do feixe de jato, prepare a amostra para uso no experimento. Este exemplo já está em um cilindro compatível com a configuração.
Primeiro, resfrie o cilindro em nitrogênio líquido por um a dois minutos para evitar perdas de amostra. Conecte o cilindro resfriado ao sistema de jato e aperte a conexão para torná-lo à prova de vácuo. Em seguida, abra a válvula para bombear o sistema por alguns segundos para remover o ar.
Aguarde até que a amostra retorne à temperatura ambiente antes de abrir a válvula para o bico de jato. A pressão na câmara de origem deve aumentar. Retorne ao software de aquisição de dados.
No computador, verifique se um ponto de jato ainda está visível e identifique os picos mais proeminentes no espectro de tempo de voo. Continue a trabalhar no software de aquisição de dados. Para análise, faça um gráfico usando o tempo de voo do primeiro íon detectado ao longo do eixo x e o tempo de voo do segundo íon detectado ao longo do eixo y.
Quando dois fragmentos foram detectados por coincidência, eles aparecem como regiões com muitas contagens. Se dois fragmentos se somam à massa original, eles cumprem a conservação do momento e aparecem como linhas diagonais nítidas. Execute uma análise de tempo de voo de quatro partículas com um gráfico criado somando os tempos de voo para o primeiro e o segundo acertos a serem usados como o valor do eixo x e somando os tempos de voo para o terceiro e quarto acertos a serem usados para o valor do eixo y.
As posições e formas das estruturas resultantes revelam informações das massas e momentos. Ajuste a potência do laser para que o número de contagens no espectro seja otimizado. Ao otimizar a taxa para a separação relevante, devemos ter em mente que a taxa geral não deve exceder 10% da taxa de repetição do laser para evitar falsas coincidências.
Esses dados são de uma mistura racêmica sintética de bromoclorofluorometano. Apenas eventos em que uma fragmentação em cinco íons carregados individualmente foram registrados são mostrados. O eixo horizontal é calculado usando um produto triplo dos vetores de momento dos íons halogênio.
O enantiômero S está à esquerda do histograma. O diagrama ilustra seus dados de ângulo associados. O enantiômero R está à direita do histograma junto com um diagrama para ilustrar seu ângulo.
A taxa de repetição do laser foi de 100 kilohertz e a medição levou cerca de 11 horas. Esta animação demonstra como é possível usar os dados vetoriais de momento registrados dos fragmentos para transformar sua orientação aleatória nos jatos em um sistema de coordenadas moleculares. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma ideia de como a imagem de explosão de Coulomb é realizada usando a técnica COLTRIMS.
Registrar os vetores de momento de quatro ou cinco fragmentos em coincidência permite uma visão detalhada da molécula. Extrair essas informações dos dados brutos, no entanto, requer muito esforço na etapa de análise. Os segredos das ciências da vida no mundo das moléculas ocorrem em uma escala de tempo de um bilionésimo de bilionésimo de segundo e nosso método pode revelar e visualizar essas dinâmicas rápidas.
Veja a transcrição completa e aceda a milhares de vídeos científicos
Visão Geral
Este estudo utiliza a imagem da explosão coulombiana para investigar a quiralidade de moléculas individuais na fase gasosa. Essa abordagem inovadora aborda questões fundamentais em estereoquímica, particularmente em relação a espécies quirais pequenas.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Estereoquímica
- Imagem Molecular
- Quiiralidade
Antecedentes
- A explosão coulombiana é uma técnica desenvolvida ao longo de 25 anos.
- Ela permite a determinação da configuração absoluta de moléculas quirais.
- O método registra a energia e a direção de emissão dos fragmentos carregados.
- Este estudo concentra-se em moléculas individuais na fase gasosa.
Objetivo do Estudo
- Determinar a quiralidade de espécies pequenas quirais.
- Explorar a dinâmica fotoinduzida dessas moléculas.
- Aprimorar o entendimento da estereoquímica.
Métodos Utilizados
- Técnica de imageamento por multicoincidência.
- Uso de um laser de femtosegundo.
- Configuração para imageamento coincidente de íons.
- Análise de fragmentos resultantes da quebra molecular.
Resultados Principais
- Imagem bem-sucedida de moléculas quirais individuais.
- Determinação de sua quiralidade.
- Compreensão de suas dinâmicas induzidas por luz.
- Validação da técnica de imagem por multicoincidência.
Conclusões
- A explosão coulombiana é eficaz para estudar espécies quirais.
- Este método fornece novas perspectivas sobre estereoquímica.
- Abre caminhos para pesquisas adicionais em dinâmica molecular.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
A Explosão Coulombiana permite a determinação direta da quiralidade molecular em nível de molécula individual, oferecendo uma abordagem inovadora para análise estereoquímica na fase inicial de descoberta. Essa capacidade apoia a validação de alvos ao fornecer insights estruturais inequívocos sobre compostos quirais, o que é essencial para reduzir os riscos associados à atividade biológica específica de enantiômeros. A técnica aumenta a confiança preditiva na identificação de compostos líderes ao resolver interações dependentes de estereoisômeros que influenciam a eficácia e a segurança de fármacos.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite a investigação de hipóteses terapêuticas ao distinguir enantiômeros de espécies quirais simples em nível molecular.
- Valor Operacional: Oferece validação funcional do alvo por meio da medição direta dos comprimentos de ligação e das posições atômicas derivadas dos vetores de momento dos fragmentos.
- Valor Preditivo: Apoia a triagem de portfólios ao revelar características estruturais específicas de estereoisômeros que orientam as previsões de atividade biológica.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Prontidão do Ensaio: Prepara sistemas biológicos validados mediante a confirmação da pureza estereoquímica de compostos quirais utilizados em campanhas de triagem.
- Reprodutibilidade: Fornece medidas quantitativas e coincidentes de padrões de fragmentação iônica que permitem leituras padronizadas entre experimentos.
- Utilidade da Plataforma: Facilita a avaliação confiável de compostos ao gerar dados estruturais que podem ser integrados em fluxos de trabalho de desenvolvimento de ensaios para moléculas quirais.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Alinhamento Translacional: Apoia sistemas relevantes para doenças ao permitir a desmistificação mecanicista de compostos quirais por meio da determinação da configuração absoluta.
- Continuidade Pré-clínica: Conecta a validação estereoquímica na fase de descoberta à validação pré-clínica, garantindo identidade consistente do enantiômero em todos os fluxos de trabalho.
- Decisões Ajustadas ao Risco: Orienta as escolhas de avanço ao reduzir a ambiguidade no engajamento do alvo específico de estereoisômeros e em efeitos fora do alvo.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O método se integra ao continuum de descoberta, desde a validação inicial de alvos até a identificação de compostos líderes, fornecendo confirmação estrutural que orienta triagens subsequentes e avaliação pré-clínica.
- Biologia da Descoberta: Apoia a verificação de hipóteses e a elucidação de vias ao permitir a atribuição da configuração absoluta de moléculas quirais.
- Triagem: Melhora a prontidão dos ensaios por meio de resultados reprodutíveis e quantitativos derivados da detecção de íons sensível ao tempo e à posição.
- Análises: Gera leituras multidimensionais (tempo de voo, posição de impacto) que permitem às equipes comparar padrões de fragmentação e inferir a estrutura molecular.
- Pesquisa Translacional: Conecta-se à continuidade pré-clínica ao garantir a fidelidade estereoquímica em moléculas que avançam das etapas de descoberta para as de validação.
- Reutilização Corporativa: Funciona como uma capacidade reutilizável para análise estereoquímica em múltiplos projetos envolvendo compostos quirais.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Aumenta a confiança preditiva na validação de alvos ao reduzir a ambiguidade mecanicista em torno do comportamento de estereoisômeros.
- Valor Operacional: Oferece padronização e reprodutibilidade por meio da imagem simultânea de múltiplos fragmentos sob condições controladas de laser e campo.
- Valor Estratégico: Melhora as decisões de prosseguir ou não ao permitir a detecção precoce de riscos biológicos específicos de estereoisômeros, aumentando a eficiência do capital.
- Impacto na Carteira: Apoia a priorização ajustada ao risco ao fornecer dados estruturais que orientam a seleção de enantiômeros para avanço.
Considerações sobre a Implementação
- Requer experiência em física de laser ultrarrápido, óptica iônica e análise de dados de coincidência.
- Depende de instrumentação compatível com COLTRIMS, incluindo lasers de femtosegundo, espectrômetros eletrostáticos e detectores sensíveis à posição.
- Necessita padronização entre equipes para preparação de amostras, condições de vácuo e parâmetros de aquisição de dados.
- Envolve considerações de adaptação ao estender o método de espécies quirais simples a sistemas moleculares mais complexos.
- Limitado pela necessidade de amostras voláteis, compatíveis com fase gasosa, e baixas taxas de eventos para evitar coincidências falsas.
