完美的照片并五苯

显微镜的进步不仅让我们看到原子之间的化学键。詹姆斯·米切尔乌鸦需要更仔细的观察

碳必须最上镜的元素周期表的成员。不仅在钻石的形式,要么——多年以来,化学家们精心制作成一些标志性的建筑。巴克球和纳米管只是最近的一些例子享受聚光灯下的碳氢化合物。添加少量的杂原子和结构等著名的双螺旋DNA,也许最著名的分子,成为可能。

但并五苯吗?直到最近,这种谦逊的多环芳香当然不会落入那一类。2009年中期,所有的改变,由于单个图像捕捉到一个团队在苏黎世IBM Research,瑞士。¹那一年团队发表的快照单一并五苯分子,原子力显微镜(AFM)图像捕获一种有机化合物的详细程度前所未有,清楚地显示每个原子和键。引人注目的是,分子看上去就像你画的课本。

这一形象的并五苯是惊人的,尤其是化学家,我想,”尼尔钱伯尼斯说,英国诺丁汉大学超分子化学家。最引人注目的是实际上看到了债券。我们已经见过原子的图像——“IBM”的经典形象阐明氙原子,但看到债券是非凡的。在某些方面化学家玩原子,但实际上我们度过我们的生活做的是形成和打破债券。实际上看到的是非常惊人的。

探测粒子

当然,还有其他的方法来检测单个分子,如通过荧光光谱,为例。与单分子反应揭示了细节通常失去了固有的平均影响传统技术,探针分子集体。单分子荧光光谱实时提供这些细节,优势,利用彭陈和他的同事们在纽约康奈尔大学,我们。

陈最近使用技术来研究金纳米粒子的催化性能,使用反应他设计非荧光反应物变成可检测荧光的产品。团队不仅表明每个纳米颗粒的催化性质根据其结构不同,但每一个单个金纳米粒子的结构也在不断变化,这意味着他们的催化活性随时间变化。²“在我们的工作之前,人们甚至不知道如何思考的时间行为单个纳米粒子的催化性质。我们能够直接衡量和量化这些时间行为,”陈先生说。

以及获得基础知识,可以帮助指导未来nanocatalyst设计,该小组还在生物无机的化学工作。金属是必不可少的对于许多生物过程——例如,许多蛋白质需要金属离子功能——但这些离子也有毒如果左浮动自由,所以身体利用蛋白质称为metallochaperones他们从一个地方搬到另一处。陈的团队使用的是单分子荧光技术来探测metallochaperones和蛋白质之间的相互作用提供的金属离子,而结合在一起非常弱。这些交互是必不可少的,我们试图量化他们使用我们的技术。

请微笑

然而,尽管这些技术允许我们间接地遵循单分子的命运,他们不提供分子本身的照片,这就是为什么并五苯的形象是如此的惊人。IBM团队没有出发去寻找新的分子成像技术,团队领导者狮子座总说。他们遇到的偶然现象在开发方法研究分子电子学和单电子设备表面。

大约五年前,当总加入IBM团队利用扫描隧道显微镜(STM),通过当前图像表面的电子显微镜的尖端流向样本。然而,随着团队正在研究越来越厚绝缘薄膜,STM已成为一个不合适的技术,所以总值大约两年前开始使用AFM检测改变力量的建议是把整个表面。在使用AFM,他突然开始看到样品分子难以置信的决议。

跳的技巧决议来创建一个极其尖锐的AFM提示通过添加CO分子的结束它。偶然的机会我们公司提示一次,突然看到这个令人难以置信的决议。当然我们试图改进它,并复制它,”他说。

总可能会捕捉到他的形象并五苯使用AFM,但是这是他的经验和STM,导致突破。STM的从我们的工作我们有很多知识原子操纵、牵引和推动分子在一个表面上还捡单个原子或分子的技巧中,”他说。公司不仅给一个尖端,它还允许它将非常接近目标分子没有不小心挑选或移动它,将模糊的图像。

然而,事实证明,扫描隧道显微镜也可以适应捕捉同样令人印象深刻的图片——这或许并四苯捕获的图像用STM总值2008年值得一样名声并五苯的照片了。³并四苯的照片看起来像一个照相底片的并五苯生产总值图像,这些债券形成黑色线条,在明亮的背景。

提高灵敏度,诀窍是捕捉一个分子之间的提示和示例——这一次氢或氘,因此这项技术被称为扫描隧道显微镜,氢或STHM,由其发现者Stefan陶J和他的同事吗?巫妖在德国研究中心。至于过程本身,这是意外发现的快乐。

当我们第一次看到这些照片是绝对震惊,”陶说。最初的影响会出现突然毫无征兆的消失。当时我们不知道它是氢造成的影响,所以我们必须系统地来看看发生了什么事。现在我们可以非常可靠地重现这些成像条件。”

这两个技术听起来相似,但在实际工作中,而不同。而总对AFM的CO分子化学结合,氢分子陶使用简单physisorb到样品表面。STM的技巧是将接近样品,一个氢分子被困两国,产生斥力是提示和示例之间的挤压。提示扫描整个表面,这些排斥力量改变根据样品的地形,使氢略接近翻倒了结构。

然后这种影响称为泡利排斥,”陶说。如果你按下氢分子的电子密度,电子从尖先端推开,隧道电流的大小变化。”因此,氢分子把STM提示变成纳米力传感器,而且作为传感器,将这个信号转化为STM可以检测电流变化。⁴

不只是漂亮的图片

这些技术产生的图像可能是美丽的,但他们也会有用吗?毫无疑问,Marcel Jaspars和Rainer埃贝尔说,天然产物化学家在英国阿伯丁大学的。

“我的妻子发现并五苯的故事,她对我指出,“Jaspars说。的第二天,我看报纸科学,有些句子说这项技术是能够找到键长,键序,所有的原子的位置,我觉得听起来很像结构的决心。

所以我联系了利奥(总)说,我有一个问题——一个分子,我们认为是平的,我们一直无法解决的结构,问他是否愿意看一看。狮子座是愿意尝试它,认为这可能是非常令人兴奋的对我们所有人。”

的复合问题,cephalandole,耐压细菌产生的Dermacoccus abyssi隔绝的沉积物来自太平洋的马里亚纳海沟,这在海平面以下11公里是地球上最深的地方。团队无法生长的晶体化合物,所以没有能够识别x射线结晶学的结构。

AFM技术立即帮助解决结构。⁵说,“我们有一些初始结构建议伊贝尔,“但看到即使初始(AFM)照片立即告诉我们,我们要完全错误的方式,我们可以很快想出正确的结论对于我们的分子——这绝对是一个很棒的经验。”

诚然,STHM和CO-sharpened AFM都有一个关键的限制——他们只适合平面分子。此刻我们不能得到三维数据,我们不能看下面第一层的原子,”格罗斯说。在某些情况下可以翻过一个分子,查看其不同的面孔,作为C已经完成₆₀例如,但它不可能与高分辨率观察分子的内部。

然而,即使仍主要限于平面分子如cephalandole,仍有很大一部分分子空间的技术可能成为无价的,因为它是平面分子往往最难分配。通过天然产物,已经misassigned过去,大量的要么是主要是平的,或有平坦的元素,“Jaspars说。的平面分子往往很少碳氢键,这些是你需要一个好的NMR结构元素,”他补充道。

这是氢键在我面前吗?

AFM和STHM可以产生惊人的图像的共价键维系有机分子——但这些唯一的键,你可以看到了吗?说,几乎可以肯定不是团队已经开发出的技术——无论是看过结构极其相似的图像氢键。

陶说,他看到的区域对比图像相邻分子之间,似乎完全一致,你希望看到氢键。⁶然而,这是否确实表明氢键还有待证明,他补充道。“到目前为止,它只是一个惊人的巧合,真的是如何工作的,我们还不知道,这是一个我们未来工作的方向。的AFM图像cephalandole被IBM团队也出现一个氢键,分子内。

钱伯尼斯研究自组装的分子表面,认为这些成像技术将适合回答的一些他的领域的研究人员所面临的难题。可以有问题取向的分子,原子是什么与其他原子,尤其是氢原子在哪里,这个问题可能很难回答。

然而,成像氢键的可能性将会特别有用,钱伯尼斯补充道。在某种意义上,氢键是另一个层面的结合,但他们是地球生命的基础,我们对它们的理解并不是完整的。在我们的工作,我们依靠氢键,但有氢键所做的最基本的问题:在一个表面的环境中,老实说我们不知道。也许我们遗漏了什么东西,作为一个科学家,显然是你试着回答。

检测氢键可能只是其中的一个潜在的未来应用STHM,陶补充道。我们现在理解的基本机制,但仍有许多微妙之处和有趣的效果,仍需探索,仍然可能会有一些额外的惊喜。”

奢侈的玩具吗?

这些技术是否会成为这类应用程序的常规很难说,但迄今的进展令人鼓舞,Gross说。“只是两年前我们需要几周或几个月能得到这样一个漂亮的图片,现在我们可以在一天内可再生产地做它。与STHM,我觉得有很多的进步。但是最后你不知道这可能演变。

一个特别有用的扩展技术是成像与光谱相结合,例如识别杂原子结构——这一过程应该是完全可能的,AFM已经可以用于光谱学。“通过核磁共振,如果我们想要确定溴或氯的位置,例如,我们可以间接影响相邻的碳和氢,”伊说。“能够直接检测heteroatom-specific签名AFM的将是一个非常强大的点。

陶认为STHM,更可能成为广泛使用,因为它是简单的两种技术。“STHM只是正常的前低温扫描隧道显微镜与氢。如果你将气态氢添加到样品室那一层薄薄的它会自动凝结在表面,所以你总是有氢提示和表面之间的交界处。我们做AFM扫描隧道显微镜,我们知道是多么困难使这些传感器。

钱伯尼斯因为只有一位是肯定会成为广泛采用的技术。图像是如此引人注目,人们会把努力尝试去做。我相信其他团体正在努力做到现在,它只是一个时间问题变得越来越普遍。

詹姆斯·米切尔乌鸦是一个基于科学作家在墨尔本,澳大利亚