Forskere skubber mikroskopi til sub-molekylær opløsning

Berygtet kvælende kulilte har få sande beundrere, men det er begunstiget af University of California, Irvine-forskere, der bruger det til at studere andre molekyler.

Ved hjælp af et scanning tunneling mikroskop, forskere i UCI's Center for Kemi ved Space-Time Limit brugte den diatomiske forbindelse som en sensor og transducer til at sondere og billedprøver, få en hidtil uset mængde information om deres strukturer, bindinger og elektriske felter. Resultaterne blev offentliggjort i Videnskabens fremskridt .

"Vi brugte denne teknik til at kortlægge, med submolekylær rumlig opløsning, den kemiske information inde i et molekyle, " sagde medforfatter V. Ara Apkarian, CaSTL direktør og UCI professor i kemi. "At være i stand til at se den indre funktion af de grundlæggende enheder af al materie er virkelig fantastisk, og det er et af hovedmålene, vi har forfulgt hos CaSTL i mere end et årti."

For at opnå disse resultater, CaSTL-forskere fastgjorde et enkelt kuliltemolekyle til enden af ​​en skarp sølvnål inde i kikkerten. De belyste spidsen med en laser og sporede vibrationsfrekvensen af ​​den vedhæftede CO-binding gennem den såkaldte Raman-effekt, hvilket fører til ændringer i farven på lyset spredt fra krydset.

Effekten er svag, kun en del per milliard eller deromkring, ifølge Kumar Wickramasinghe, en UCI professor i elektroteknik og datalogi og veteran CaSTL fakultet medlem, der ikke var involveret i denne undersøgelse. Men spidsen af ​​nålen i scanningstunnelmikroskopet virker som en lynafleder, forstærker signalet med 12 størrelsesordener. Ved at registrere små ændringer i vibrationsfrekvensen af ​​CO-bindingen, når den nærmede sig målrettede molekyler, forskerne var i stand til at kortlægge molekylære former og karakteristika på grund af variationer i elektriske ladninger i et molekyle.

De sonderede molekyler i eksperimenterne var metalloporphyriner, forbindelser, der findes i humant blod og planteklorofyl, der udnyttes i vid udstrækning i displayteknologier.

De optagne billeder gav hidtil usete detaljer om målet metalloporphyrin, inklusive dets afgift, intramolekylær polarisering, lokal fotokonduktivitet, atomisk opløste hydrogenbindinger og overfladeelektrondensitetsbølger - de kræfter, der dikterer molekylernes funktionalitet og strukturelle transformation. Med andre ord, kemi.

"Professor Apkarian og hans gruppe har, for første gang, skabt et instrument, der kan kortlægge lokale elektriske felter på submolekylært niveau, " sagde Wickramasinghe, WHO, som fellow hos IBM, var en af ​​de vigtigste opfindere af verdens tidligste atomkraftmikroskop. "Det store skridt, holdet har taget, er at have gjort det muligt at kortlægge de elektriske feltfordelinger inde i et enkelt molekyle ved hjælp af Raman-effekten, hvilket er en bemærkelsesværdig præstation."

Ifølge hovedforfatteren Joonhee Lee, CaSTL forskningskemiker, et af de vigtigste resultater af eksperimenterne var belysningen af ​​den elektrostatiske potentialoverflade af metalloporphyrinmolekylet – dybest set, dens funktionelle form, som indtil for nylig havde været en teoretisk konstruktion. Han sagde, at evnen til at bestemme dette vil være særlig gavnlig i fremtidige undersøgelser af makromolekyler, såsom proteiner.

Dette arbejde er meget inden for det rene, grundvidenskabelig forskning, Lee bemærker, men han tror, ​​at der kan være nogle praktiske anvendelser for enkeltmolekyle elektromekaniske systemer i den nærmeste fremtid.

"Mikroelektromekaniske systemer er implementeret i nuværende teknologier såsom smartphones. De tager deres navn fra mikron-størrelsen af ​​sådanne enheder; en mikron er en hundrededel af størrelsen af ​​et menneskehår, " sagde Lee. "Enkelt-molekyle elektromekaniske systemer er 10, 000 gange mindre. Forestil dig, hvis vores miniaturiserede enheder brugte kredsløb i den skala."