Högvinkligt ringformigt mörkerfältskanningsöverföringselektronmikroskopi kan användas för att bestämma komplexa konformationsstrukturer för både kristallina och amorfa polynukleära icke-plana koordinationsmolekyler, som visats av forskare från Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech). Använda iridium som spårämne, de lyckades med att bestämma de olika konformationerna för en mycket grenad koordinationsföreningmolekyl. Detta har öppnat möjligheter för avbildning och design av komplexa oorganiska och organiska molekyler.

Koordinationsföreningar har molekylära strukturer som består av antingen en eller flera metallatomer i mitten, omgiven av icke-metallatomer. Deras fascinerande fysiska och kemiska egenskaper, som har betydande tillämpningar inom materialvetenskap, beror till stor del på deras molekylära struktur. Således, en definitiv analys av deras molekylära struktur är nödvändig, inte bara för att förstå deras egenskaper, men också för att designa specifika koordineringsföreningar med riktade funktioner.

Även om flera analysmetoder är tillgängliga för strukturell bestämning av koordinationsföreningar, de har alla sina egna begränsningar. Till exempel, Röntgenkristallografi kan bara bestämma strukturen av kristallina föreningar, medan kärnmagnetisk resonans inte kan ge exakta resultat när paramagnetiska atomer är inblandade. En nyare mikroskopiteknik, högvinklad ringformig mörkfältskanningsöverföringselektronmikroskopi (HAADF-STEM), som har revolutionerat området för molekylär avbildning med realtidsvisualisering av enstaka koordinationsmolekyler, är också begränsad till observation av enkla och plana molekyler. Därav, strukturell bestämning av olika konformationer (alla möjliga rumsliga orienteringar av atomer) av både kristallina och amorfa polynukleära koordinationsmolekyler förblir outforskade.

För att överbrygga detta gap, ett team av forskare från Tokyo Institute of Technology, ledd av professor Kimihisa Yamamoto och docent Takane Imaoka, har utvecklat en ny avbildningsmetod med hjälp av en metallatomspårare i HAADF-STEM för att bestämma konformationsstrukturerna för komplexa och mycket grenade polynukleära koordinationsföreningar. Deras resultat publiceras i Vetenskapliga framsteg . Förklarar den nya metoden, Professor Imaoka säger att "med iridium som metallspårare, eftersom dess höga atomnummer (Z =77) ger bättre visualisering med HAADF-STEM, vi syntetiserade iridiumfixerade dendritiska fenylazometin (DPA) föreningar. Sedan, vi bestämde de optimala driftförhållandena för HAADF-STEM, enligt vilka de olika konformationerna för dessa höggrenade DPA -föreningar kunde bestämmas med högsta noggrannhet. "

För att bestämma de optimala driftförhållandena för HAADF-STEM, forskarna observerade prover av iridium-DPA-förening, dispergerat på ytan av grafen -nanopulver, under olika driftsförhållanden. De fann att minskning av strålströmmen till 7 pA och exponeringstid per pixel till 8 mikrosekunder och användning av låg förstoring bidrog till att minska skadan på iridium-DPA-föreningen och möjliggjorde framgångsrik observation av dess struktur. Iridiumatomerna visas som ljuspunkter i HAADF-STEM-bilderna, indikerar deras position i molekylens struktur.

När HAADF-STEM-bilden av iridium-DPA-molekylen erhölls med användning av de optimala förhållandena, forskarna jämförde det med simulerade bilder av alla möjliga konformationer av molekylen för att hitta den närmaste matchningen. Strukturerna som fångas i de experimentella HAADF-STEM-bilderna passar extremt bra med de simulerade konformationsstrukturerna. Således, den mest exakta konformationsorienteringen av en molekyl kan lätt bestämmas genom att jämföra HAADF-STEM och simulerade bilder.

De potentiella tillämpningarna av denna tungmetallstyrda HAADF-STEM-teknik är inte bara begränsade till strukturella analyskoordineringsföreningar. Att lyfta fram framtida arbete, Professor Imaoka anmärker, "Vår studie är en banbrytande insats för att avbilda konformationsstrukturer för komplexa makromolekyler. Eftersom denna teknik är effektiv för både kristallina och amorfa föreningar, vi tror att denna teknik också kan tillämpas för bestämning av strukturer för multukärniga peptider genom komplexbildning med spårmetallatomer, och arbetet med detta område pågår redan. "