Speed-Snap Science: oplossen voor moleculaire details in een flitser

Hoe weten we precies wat er op moleculair niveau gebeurt tijdens extreem snelle processen, zoals verbranding tijdens de verbranding? In minder dan een oogwenk zijn de ene chemische verbinding en dan een andere aanwezig in een vlam alleen om zich te verspreiden en te wijken voor meer. Inzicht in welke moleculen aanwezig zijn, geeft wetenschappers een manier om de innerlijke werking van de chemische processen te begrijpen die plaatsvinden.

Maar traditioneel gebruikte methoden voor het meten van molecuulgroottes worstelen om dergelijke snelle, tijdelijke processen vast te leggen. En conventionele optische microscopie schiet niet alleen tekort in snelheid, maar kan ook niet ruimtelijk moleculen oplossen, die meestal niet groter zijn dan een paar nanometers, of miljarde van een meter, in grootte.

Nu heeft een Caltech -team onder leiding van Lihong Wang, de Bren -hoogleraar medische engineering en elektrotechniek, een nieuw tool ontwikkeld genaamd gecomprimeerde ultrasnelle vlakke vlakke polarisatie anisotropie -beeldvorming (CUP2AI), die inzichten levert in dynamische gebeurtenissen, met mogelijke toepassingen niet alleen in gevechtsstudies, maar ook in de gebieden als geneesmiddelenontwerp en nanodeeltvorming.

In een papier Onlangs gepubliceerd in het tijdschrift NatuurcommunicatieWang en zijn collega’s presenteren de Cup2ai -techniek en beschrijven het succesvolle gebruik ervan bij beeldvormende carcinogene chemicaliën in vlammen en beeldvorming, in water, een veel voorkomende fluorescerende chemische stof die wordt gebruikt in biomedische toepassingen.

“Wanneer een evenement snel is, wil je het hele evenement dynamisch zien”, zegt Wang, die ook de Andrew en Peggy Cherng Medical Engineering Leadership Chair en Executive Officer is voor medische engineering bij Caltech. “U wilt het fysieke proces begrijpen in zowel ruimte als tijd, en dat is wat onze nieuwe lichtsnelheid beeldvormingstechniek mogelijk maakt.”

Neem het voorbeeld van verbrandingsvlammen, zegt Peng Wang, een voormalige postdoctorale geleerde van de groep van Lihong Wang, die hoofdauteur is van de nieuwe paper samen met Yogeshwar Nath Mishra van Caltech, JPL en het Indian Institute of Technology in Jodhpur en Florian J. Bauer van de Friedrich-Axander University van Erlangen-Nuremberg in Duitsland.

Om volledig te begrijpen wat er gebeurt, moeten wetenschappers vlammen bestuderen met behulp van verschillende brandstoffen, wat betekent dat de chemische reacties anders zullen gebeuren. Dan zijn er gewijzigde omstandigheden om te overwegen, en in elk geval zullen gemodificeerde chemische reacties plaatsvinden die een unieke subset van moleculen produceren.

“Als we in staat zijn om de molecuulgrootte te onderzoeken, kunnen we begrijpen hoe deze reacties voor verschillende brandstoffen optreden onder verschillende omstandigheden. Omdat verbranding wordt gebruikt in auto’s, vliegtuigen en zelfs raketten, moeten we deze chemische reacties begrijpen. Dan kunnen we efficiëntere verbrandingsmotoren maken. We kunnen ook potentieel helpen om de verontreinigingsmiddelen te verminderen.”

Een nieuwe techniek gebouwd op de stichting gelegd door de snelste camera ter wereld

Cup2ai bouwt voort op eerder werk in het laboratorium van Wang dat resulteerde in de uitvinding van de snelste camera ter wereld, evenals het maken van een reeks ultrasnelle beeldvormingstechnieken door de ontwikkeling van een techniek genaamd gecomprimeerde ultrasnelle fotografie (CUP).

De nieuwe techniek is gebaseerd op de polarisatie van licht. Net als golflengte en intensiteit is polarisatie een fundamentele eigenschap van licht en vertegenwoordigt de richting waarin de elektrische component van een lichtgolf is georiënteerd ten opzichte van de algemene reisrichting van de golf. En het blijkt dat de polarisatie van fluorescerend licht is gekoppeld aan de oriëntatie van het molecuul dat het uitzendt.

Om dit te begrijpen, bedenk eerst dat moleculen altijd bewegen. Een van de manieren waarop ze bewegen is translationeel – dat wil zeggen van de ene plaats naar de andere. Een seconde is roterend, waarbij het rond een of meer van drie assen wordt gedraaid.

“De kenmerken van dit tweede type beweging worden bepaald door de grootte van het molecuul”, zegt Peng Wang. “Zoals je je zou kunnen voorstellen, hoe groter het molecuul, hoe moeilijker het is om te roteren.” Kleinere moleculen zijn daarentegen gemakkelijker te roteren en kunnen dus sneller roteren.

Wanneer een laserstraal interageert met een molecuul, zijn de elektronen in het molecuul opgewonden naar een hogere energietoestand. Terwijl ze ontspannen terug naar een lagere energietoestand, stoten ze fotonen uit en produceren ze fluorescentie -emissie die gedurende een bepaalde periode vervalt.

Voor moleculen opgewonden door een lineair gepolariseerde laser, zal deze fluorescentie een zekere mate van polarisatie hebben. Maar die polarisatie zal snel evolueren op tijdschalen die worden gemeten in miljardste of triljoenten van een seconde, en dit is wat Cup2ai meet.

In het bijzonder neemt Cup2ai twee verschillende polarisatiemetingen – een parallel aan de richting van de polarisatie van de laserstraal en één loodrecht op die richting. Aanvankelijk komt het grootste deel van de fluorescentie voort uit de parallelle polarisatie, maar in de loop van de tijd verhoogt rotatie de hoeveelheid polarisatie in de loodrechte richting, waardoor het verschil, of anisotropie, kleiner en kleiner wordt. Hoe snel deze anisotropie verandert wordt bepaald door moleculaire grootte.

“Hoe groter het molecuul, hoe langzamer dit verschil zal vervallen, en dat stelt ons in staat om de grootte van het molecuul te achterhalen”, zegt Peng Wang. Hij voegt eraan toe dat andere methoden die zijn gebruikt om de moleculaire grootte in dynamische omgevingen te meten, slechts de grootte op een enkel punt hebben kunnen bepalen of het gehele monster gemiddeld hebben. “De onze is het eerste hulpmiddel dat een 2D -kaart van fluorescentie kan maken in één schot”, zegt hij.

Lihong Wang voegt eraan toe dat de relatie tussen moleculaire grootte en het verval van de polarisatie -anisotropie gebaseerd is op een vergelijking die oorspronkelijk is afgeleid door de beroemde wetenschappers Albert Einstein, George Stokes en Peter Debye. “Dus we combineren de klassieke fysica met moderne technologie en passen deze toe op een zeer actueel probleem – combinatie -efficiëntie – dat te maken heeft met energie,” zegt hij. “Dat is opwindend voor mij.”