Priljubljene Objave

Izbira Urednika - 2019

Kvantni vladar za biomolekule

Anonim

Kvantna fizika nas uči, da lahko nezaželjeni delci propagirajo skozi vesolje, kot so valovi. To je filozofsko zanimivo in tehnološko relevantno: raziskovalna skupina je pokazala, da kombiniranje eksperimentalne kvantne interferometrije s kvantno kemijo omogoča pridobivanje informacij o optičnih in elektronskih lastnostih biomolekul, ki jih ponazarja niz vitaminov.

oglas


Kvantne motnje in meroslovje z molekulami

Čeprav imajo vitamini osrednjo vlogo pri biologiji, so njihove fizične lastnosti v plinski fazi še vedno manj raziskane. Potencial kvantnih metod v biomolekularnih študijah je zdaj raziskana na Dunaju. V ta namen so Lukas Mairhofer, Sandra Eibenberger in sodelavci v raziskovalni skupini okrog Markusa Arndta na Univerzi na Dunaju pripravili molekularne žarke (pro) vitaminov A, E in K1, to je β-karotin, α-tokoferol in phylloquinon. Te molekule letijo v visokem vakuumu z razporeditvijo treh nanogramov. Prva ribica sili vsake molekule skozi eno od približno tisoč razrezov, vsaka od njih pa je le 110 nanometrov široka. V skladu z Heisenbergovim načelom negotovosti ta zožitev molekularne pozicije povzroči nedoločenost molekularne smeri leta - molekula je prostorsko "delokalizirana". S tem se pripravi gibalno stanje vsake posamezne molekule, tako da postane nemogoče, tudi načelno, slediti poti molekule skozi eksperiment.

Druga rešetka se uresničuje z zelenim laserskim žarkom visoke moči, ki je retro odbojnjen v ogledalu znotraj vakuuma. Oblikuje se stalen svetlobni val, to je periodični niz območij visoke in nizke svetlobe. Ko pridejo na to drugo rešetko, je vsaka molekula že delokalizirana tako, da njihove valovne funkcije pokrivajo več svetlih in temnih področij - čeprav so več kot sto krat bolj ločene od velikosti vsake molekule. V svetlih in temnih območjih so molekule bolj ali manj pospešene. To modulira razširjeno kvantno valovno ploskev. Ker molekule ne sledijo natančno določeni poti, temveč nadpovprečni možni poti skozi stroj, se pojavlja interferenčni vzorec: to je občasna porazdelitev verjetnosti, da najdemo molekulo na določeni lokaciji. Ta vzorec nato primerjamo s tretjo rešetko, ki je kopija prve silicijeve nitridne rešetke.

Kvantni vladar za biomolekule

Ultra-fin strukturiran interferenčni vzorec se uporablja kot kvantni ruler za branje nanometričnih odklonov molekularnega žarka, ki jih je težko izmeriti z uveljavljenimi metodami. Modulacija in položaj interferenčnega vzorca nato omogoča pridobivanje informacij o interakciji biomolekul z zunanjimi polji. To vključuje interakcijo s difrakcijskim laserskim žarkom in z nadzorovanim električnim poljem, ki spreminja vzorec molekulske gostote. Raziskovalci to uporabljajo za določanje elektronskih in optičnih lastnosti biološko pomembnih molekul, tukaj (pro) vitamini A, E in K1. Pro-vitamin A ima na primer pomembno vlogo pri fotosintezi. Lukas Mairhofer, vodilni avtor te študije, je vesel: "Imamo univerzalno orodje za izboljšanje meritev biomolekularnih lastnosti."

Primerjava z molekularnimi simulacijami

Poskusne rezultate smo primerjali s simulacijami. V ta namen simulacije klasične molekulske dinamike opisujejo časovni razvoj molekularne strukture in se združijo s teorijo funkcionalnosti gostote, da bi ocenili elektronske lastnosti. Rezultat tega je dober dogovor med eksperimentom in teorijo. Kombinacija molekulske interferometrije in kvantne kemije služi kot primer za uspešno sodelovanje na vmesniku med kvantno optiko in fizikalno kemijo.

oglas



Story Source:

Gradivo, ki ga ponuja Univerza na Dunaju . Opomba: Vsebino lahko uredite za slog in dolžino.


Referenčni opis revije :

  1. Lukas Mairhofer, Sandra Eibenberger, Joseph P. Cotter, Marion Romirer, Armin Shayeghi, Markus Arndt. Kvantno podprto meroslovje nevtralnih vitaminov v plinski fazi . Angewandte Chemie International Edition, 2017; DOI: 10.1002 / anie.201704916