Ny teknik til molekylær billeddannelse kaster komplekse koordinationsmolekyler i et nyt lys

Højvinklet ringformet mørkfeltscanningstransmissionselektronmikroskopi kan bruges til at bestemme komplekse konformationelle strukturer af både krystallinske og amorfe polynukleære ikke-plane koordinationsmolekyler, som vist af forskere fra Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech). Brug af iridium som sporstof, de havde succes med at bestemme de forskellige konformationer af et stærkt forgrenet koordineringsforbindelsesmolekyle. Dette har åbnet muligheder for billeddannelse og design af komplekse uorganiske og organiske molekyler.

Koordinationsforbindelser har molekylære strukturer, der består af enten et eller flere metalatomer i midten, omgivet af ikke-metalatomer. Deres fascinerende fysiske og kemiske egenskaber, som har betydelige anvendelser inden for materialevidenskab, afhænger i høj grad af deres molekylære struktur. Dermed, en endelig analyse af deres molekylære struktur er nødvendig, ikke kun for at forstå deres egenskaber, men også til at designe specifikke koordineringsforbindelser med målrettede funktioner.

Selvom flere analytiske metoder er tilgængelige til strukturel bestemmelse af koordineringsforbindelser, de har hver deres begrænsninger. For eksempel, Røntgenkrystallografi kan kun bestemme strukturen af ​​krystallinske forbindelser, mens nuklear magnetisk resonans ikke kan give nøjagtige resultater, når paramagnetiske atomer er involveret. En nyere mikroskopi teknik, højvinklet ringformet mørkfeltscanningstransmissionselektronmikroskopi (HAADF-STEM), der har revolutioneret området molekylær billeddannelse med realtidsvisualisering af enkeltkoordinationsmolekyler, er også begrænset til observation af enkle og plane molekyler. Derfor, strukturel bestemmelse af forskellige konformationer (alle mulige rumlige orienteringer af atomer) af både krystallinske og amorfe polynukleære koordinationsmolekyler forbliver uudforsket.

For at bygge bro over dette hul, et team af forskere fra Tokyo Institute of Technology, ledet af professor Kimihisa Yamamoto og lektor Takane Imaoka, har udviklet en ny billeddannelsesmetode ved hjælp af et metal-atom-sporstof i HAADF-STEM til at bestemme konformationelle strukturer af komplekse og stærkt forgrenede polynukleære koordineringsforbindelser. Deres resultater offentliggøres i Videnskab fremskridt . Forklarer den nye metode, Professor Imaoka udtaler, at "ved hjælp af iridium som et metalspor, fordi dets høje atomnummer (Z =77) giver bedre visualisering med HAADF-STEM, vi syntetiserede iridiumfikserede dendritiske phenylazomethin (DPA) forbindelser. Derefter, vi bestemte de optimale driftsbetingelser for HAADF-STEM, hvorunder de forskellige konformationer af disse stærkt forgrenede DPA -forbindelser kunne bestemmes med den højeste nøjagtighed. "

For at bestemme de optimale driftsbetingelser for HAADF-STEM, forskerne observerede prøver af iridium-DPA-forbindelse, spredt på overfladen af ​​grafen -nanopulver, under forskellige driftsbetingelser. De fandt ud af, at reducering af strålestrømmen til 7 pA og eksponeringstid pr. Pixel til 8 mikrosekunder og brug af lav forstørrelse hjalp med at reducere skaden på iridium-DPA-forbindelsen og tillod en vellykket observation af dens struktur. Iridiumatomerne fremstår som lyspunkter i HAADF-STEM-billederne, angiver deres position i molekylets struktur.

Når HAADF-STEM-billedet af iridium-DPA-molekylet var opnået ved hjælp af de optimale betingelser, forskerne sammenlignede det med simulerede billeder af alle mulige konformationer af molekylet for at finde det nærmeste match. Strukturerne fanget i de eksperimentelle HAADF-STEM-billeder passer ekstremt godt til de simulerede konformationsstrukturer. Dermed, den mest præcise konformationsorientering af et molekyle kan let bestemmes ved at sammenligne HAADF-STEM og simulerede billeder.

De potentielle anvendelser af denne tungmetalstyrede HAADF-STEM-teknologi er ikke kun begrænset til strukturelle analysekoordineringsforbindelser. Fremhæver fremtidigt arbejde, Professor Imaoka bemærker, "Vores undersøgelse er en banebrydende indsats i billeddannelse af konformationsstrukturer af komplekse makromolekyler. Da denne teknologi er effektiv til både krystallinske og amorfe forbindelser, vi mener, at denne teknologi også kan anvendes til bestemmelse af strukturer af multinukleære peptider gennem kompleksdannelse med sporstofatomer, og arbejdet med dette område er allerede i gang. "