다른 전하 상태의 분자 이미징

살아있는 시스템에서 에너지 변환 및 에너지 수송은 분자 충전 및 방전에 의존합니다. 이 측면에서 가장 중요한 것은 엽록소와 헤모글로빈을 포함하는 포르피린 계열입니다. 이러한 분자의 전하 전이는 생명에 필수적입니다. 분자의 전하 전이는 또한 유기 전자 및 유기 광전지 장치에서 중요한 규칙을 담당합니다.

분자가 충전되면 분자의 구조와 기능이 모두 변경됩니다. 분자가 전하를 띌 때 분자의 구조적 변화를 해결하면 이러한 기본적인 관계에 대한 이해가 향상됩니다.

제 IBM Research 동료와 저는 Universidade de Santiago de Compostela 및 ExxonMobil에서 CiQUS의 협력자들과 함께 피어 리뷰 저널 Science에 보고되었습니다. 우리는 포르피린의 모화합물인 포르핀을 포함하여 충전 시 개별 분자의 구조적 변화를 전례 없는 해상도로 해결할 수 있었습니다. 이 새로운 이해는 생물학이 에너지를 변환하고 전달하는 방법과 관련된 분자 전하-기능 관계의 일부 신비를 풀어줍니다.

10년 간의 제작 기간

10년 전, 동료들과 나는 원자 분해능으로 분자 구조를 해석하는 기술을 개발했으며(Science 325, 1110, 2009) 나중에 분자의 결합 강도를 조사하는 감도를 입증했습니다(Science 337, 1326, 2012). . 이미징 해상도를 개선하기 위한 우리의 트릭은 단일 일산화탄소(CO) 분자로 저온 원자간력 현미경의 팁을 기능화하는 것이었습니다. 수년에 걸쳐 우리는 분자의 전하 상태를 제어하기 위해 이 기술을 발전시켰고 전하 누출을 배제하기 위해 절연체를 씌웠습니다(Nature Comm. 6, 8353, 2015). AFM 팁과 샘플 사이에 전압을 인가하면 분자의 전자 수를 제어할 수 있습니다.

작년에 제 동료인 Shadi Fatayer와 저는 이전 작업을 결합하는 방법에 대해 생각했습니다. 즉, CO 팁을 사용하여 초고해상도로 분자를 이미징하면서 동시에 전하를 제어합니다. 새로운 간행물에서 우리는 이 목표가 어떻게 달성되었는지 보여주고 다양한 영역에서 중요한 여러 분자의 전하 상태를 조사하여 무엇을 배울 수 있는지 보여줍니다.

결과

먼저, 잘 알려진 분자 스위치(아조벤젠)를 조사하여 흡착 기하 구조의 변화를 해결할 수 있음을 보여주었습니다. 분자의 두 평면 그룹은 중성일 때 평행했습니다. 우리는 전자가 부착될 때 서로에 대해 기울어져 분자를 음으로 하전한다는 것을 발견했습니다.

다음으로, 우리는 개별 결합의 강도에서 전하로 인한 변화에 초점을 맞추었습니다. 이것은 작은 효과이며 우리는 모델 화합물(펜타센)을 선택하여 해결할 수 있는지 확인했습니다. 우리는 이 모델 분자를 양전하에서 이중 음전하까지 4가지 다른 전하 상태로 조작할 수 있습니다. 우리는 분자 내의 어떤 결합이 더 강해지고 어떤 결합이 전하를 변화시킬 때 더 약해지는지를 해결했습니다. 이 모델 시스템에서 다양한 충전 상태에서 촬영한 이미지를 비교하는 방법을 배웠습니다.

그런 다음 우리 방법을 분자(TCNQ)에 적용했습니다. 이 분자는 전하 수용체로 자주 사용되며 전하 상태의 함수로 평면 외 왜곡과 결합 강도의 변화를 모두 해결합니다. 놀랍게도 이 분자는 중성일 때 일어서고 음수 또는 이중 음수일 때 표면에 눕습니다. 음전하 상태에서 이중 음전하 상태로 증가된 중심 분자 고리의 방향족성을 관찰할 수 있습니다.

마지막으로, 그리고 아마도 우리가 조사한 가장 흥미로운 분자는 엽록소와 헤모글로빈의 모화합물인 포르핀입니다. 이러한 분자가 접합 경로를 변경하는 방법은 논란의 여지가 있으며 기능을 이해하는 것이 매우 중요합니다. 처음으로 우리는 세 가지 다른 전하 상태에서 포르핀의 접합 경로와 방향성의 변화를 시각화할 수 있었습니다.

우리의 새로운 기술을 통해 우리는 전하가 분자의 구조와 기능을 어떻게 변화시키는지에 대한 이해를 높일 수 있으며, 이는 생물체의 광전환 및 에너지 전달과 같은 여러 면에서 매우 중요합니다.

전하 상태 제어를 통한 분자 구조 설명 , 과학, Shadi Fatayer, Florian Albrecht, Yunlong Zhang, Darius Urbonas, Diego Peña, Nikolaj Moll, Leo Gross, DOI:10.1126/science.aax5895

이 프로젝트는 유럽 연구 위원회 통합자 보조금 'AMSEL'(계약 번호 682144), Agencia Estatal de Investigación(MAT2016-78293-C6-3-R), Xunta de Galicia(Centro singular deInvestigación de Galicia)의 지원을 받았습니다. , 인증 2016–2019, ED431G/09) 및 유럽 지역 개발 기금.