異なる電荷状態のイメージング分子
生体システムにおけるエネルギー変換とエネルギー輸送は、分子の充電と放電に依存しています。この側面で最も重要なのは、クロロフィルとヘモグロビンを含むポルフィリンのファミリーです。これらの分子の電荷遷移は生命にとって不可欠です。分子の電荷遷移は、有機電子および有機光起電力デバイスでも重要なルールを果たします。
分子が帯電すると、分子の構造と機能の両方が変化します。分子が帯電したときに分子の構造変化を解決することで、これらの基本的な関係についての理解が深まります。
私のIBMResearchの同僚と私は、CiQUSの共同研究者とともに、サンティアゴデコンポステーラ大学とエクソンモービルで、査読ジャーナル Science に報告されました。 ポルフィリンの親化合物であるポルフィリンを含む、充電時の個々の分子の構造変化を前例のない解像度で解決することができたこと。この新しい理解は、生物学がエネルギーを変換および輸送する方法に関連しているため、分子の電荷と機能の関係の謎のいくつかを解き明かします。
10年前、同僚と私は分子の構造を原子分解能で解明する技術を開発し（Science 325、1110、2009）、その後、分子の結合の強さを調べる感度を実証しました（Science 337、1326、2012）。 。イメージング解像度を向上させるための私たちの秘訣は、単一の一酸化炭素（CO）分子で低温原子間力顕微鏡の先端を機能化することでした。長年にわたり、分子の電荷状態を制御するためにこの手法を進歩させ、電荷の漏れを排除するために絶縁体を装着しました（Nature Comm。6、8353,2015）。 AFMチップとサンプルの間に印加される電圧により、分子上の電子の数を制御できます。
昨年、同僚のシャディ・ファタイアーと私は、これらの以前の作品をどのように組み合わせることができるかを考えました。つまり、電荷を制御しながら、COチップを使用して超高解像度で分子をイメージングします。新しい出版物では、この目標がどのように達成されたかを示し、さまざまな分野で重要ないくつかの分子の電荷状態を調査することで何を学ぶことができるかを紹介します。
まず、よく知られている分子スイッチ（アゾベンゼン）を調べることで、吸着形状の変化を解決できることを示しました。分子の2つの平面グループは、中性のときに平行でした。電子が付着すると、分子が負に帯電して、それらが互いに傾くことがわかりました。
次に、個々の結合の強度の電荷による変化に焦点を当てました。これらは小さな影響であり、モデル化合物（ペンタセン）を選択して、解決できるかどうかを確認しました。このモデル分子は、正から二重に負の4つの異なる電荷状態で操作できます。電荷を変えると、分子内のどの結合が強くなり、どの結合が弱くなるかを解明しました。このモデルシステムでは、さまざまな充電状態で撮影された画像を比較する方法を学びました。
次に、電荷アクセプターとして頻繁に使用され、電荷状態の関数としての面外歪みと結合強度の変化の両方を解決する分子（TCNQ）にこの方法を適用しました。驚いたことに、この分子は中性のときに立ち上がり、負または二重に負のときに表面に横たわります。負電荷状態から二重負電荷状態への中心分子環の芳香族性の増加を観察できます。
最後に、そしておそらく私たちが調査した最も興味深い分子は、クロロフィルとヘモグロビンの親化合物であるポルフィンです。これらの分子がそれらの接合経路をどのように変化させるかは物議を醸しており、それらの機能を理解することは非常に重要です。初めて、3つの異なる電荷状態でのポルフィンの共役経路と芳香族性の変化を視覚化することができました。
私たちの新しい技術により、電荷が分子の構造と機能をどのように変化させるかについての理解を深めることができます。これは、生物の光変換やエネルギー輸送など、さまざまな方法で不可欠です。
電荷状態制御による分子構造の解明 、Science、 Shadi Fatayer、Florian Albrecht、Yunlong Zhang、Darius Urbonas、DiegoPeña、Nikolaj Moll、Leo Gross、DOI：10.1126 / science.aax5895
このプロジェクトは、欧州研究会議の統合助成金「AMSEL」（契約番号682144）、AgenciaEstataldeInvestigación（MAT2016-78293-C6-3-R）、Xunta de Galicia（CentrosingulardeinvestigacióndeGalicia）によってサポートされました。 、認定2016–2019、ED431G / 09）、および欧州地域開発基金。
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