UCI-forskere er de første til at observere, billede altafgørende molekylære vibrationer

Ved at fokusere lys ned til størrelsen af ​​et atom, forskere ved University of California, Irvine har produceret de første billeder af et molekyles normale vibrationsmåder - de indre bevægelser, der driver kemien i alle ting, herunder funktionen af ​​levende celler.

I en undersøgelse offentliggjort i dag i Natur , forskere ved UCI's Center for Kemi ved Space-Time Limit beskriver, hvordan de placerede den atomisk afsluttede sølvspids af et scanning tunnelmikroskop blot ängstrøms fra dets mål:et koboltbaseret porphyrinmolekyle fastgjort til en kobberplatform. (Porfyriner er af biologisk betydning for deres rolle i åndedræt og fotosyntese.)

Prodding molekylet med lyset begrænset til sølvatomet, holdet dykkede i kvantestyret blandt molekylets kvidrende atomer, at blive den første til at optage vibrationsspektre og observere, hvordan ladninger og strømme, der holder atomer sammen i bindinger, styres af de molekylære vibrationer.

"Fra strukturelle ændringer i kemi til molekylær signalering, alle dynamiske processer i livet har at gøre med molekylære vibrationer, uden hvilken alt ville være frosset, " sagde medforfatter V. Ara Apkarian, CaSTL direktør og UCI Distinguished Professor i kemi. "Vi har længe været opmærksomme på disse vibrationer. I evigheder, vi har målt deres frekvenser gennem spektroskopi - men først nu har vi været i stand til at se, hvad der bevæger sig og hvordan."

Medforfatter Joonhee Lee, CaSTL forsker, tilføjet:"Til dato, molekylære vibrationer er blevet forklaret billedligt ved hjælp af slingrende bolde og forbindende fjedre til at repræsentere atomer og bindinger, henholdsvis. Nu kan vi direkte visualisere, hvordan individuelle atomer vibrerer i et molekyle. De billeder, vi leverer, vises i lærebøger for at hjælpe eleverne med bedre at forstå konceptet med vibrationsnormale tilstande, som hidtil havde været et teoretisk begreb."

For at opnå atomopløsning, CaSTL-forskere satte deres eksperiment op i et miljø med ekstremt højt vakuum og lav temperatur (6 kelvins) for at eliminere alle eksterne bevægelser og placerede deres enkeltatom-probe nær det målrettede molekyle, inden for en afstand mindre end størrelsen af ​​et atom. Glaslinser ville ikke fungere i denne type mikroskopi, hvor funktioner opløses på en skala, der er tusind gange mindre end lysets bølgelængde.

"Grænsen for, hvad du kan se i standardmikroskopi, er halvdelen af ​​lysets bølgelængde, som er i størrelsesordenen en halv mikron, hvoraf mikroskopet har sit navn, "Apkarian sagde." Det optiske mikroskop revolutionerede cellulær biologi, fordi du gennem den kan observere, hvad der sker inde i en celle-men et molekyle er en tusindedel af en celles størrelse. "

I deres eksperiment, holdet stak og stødte det koboltbaserede molekyle med et sølvatom, der blev zappet med laserlys, risikerer at oprøre målet. CaSTL-forskerne mindskede denne mulighed ved at fryse prøven på et kobbersubstrat. Molekylet bliver fladt ud ved at binde sig til kobberet, udsætter sig selv for den tætte tilgang af scanningstunnelmikroskopspidsen.

Ved at flytte sølvspidsen op og ned i forhold til prøven for at holde en afstand på ca. forskerne var i stand til at registrere forskelle i frekvenser på forskellige positioner i molekylet. De hævder, at den utrolige opløsning stammer fra kvantemekanisk tunnelering af plasmoner (elektroner, der interagerer med lys), imødegå forestillingen om, at tunneling ville mindske det elektriske felt, der er nødvendigt for at excitere molekylet.

"Vi har et mikroskop nu, der kan opløse atomer, og vi bruger det til at kigge inde i molekyler, hvilket var utænkeligt for kun få år siden, " sagde Apkarian. "Den rumlige opløsning af optisk mikroskopi er blevet fremskreden med endnu et hak, og det, vi ser i denne skala, er virkelig fantastisk."

Næste, CaSTL-forskere vil yderligere forfine deres målinger af elektriske felter inden for molekyler, arbejde for at opdage, hvor der mangler atomer i molekylære strukturer, og bruge kvanteinterferensprincipper til at karakterisere endnu finere detaljer.

"Dette National Science Foundation-understøttede team nåede en stor milepæl ved at overvinde umulige barrierer for at udvikle et nyt instrument til at 'se' de enkelte atomer i et molekyle i realtid og rum, " sagde Kelsey Cook, NSF kemi programleder. "Denne opfindelse vil føre til hidtil uset, transformationsforståelse af, hvordan molekyler reagerer og celler fungerer. "