Hoge-hoek ringvormige donkerveld scanning transmissie-elektronenmicroscopie kan worden gebruikt om complexe conformationele structuren van zowel kristallijne als amorfe polynucleaire niet-planaire coördinatiemoleculen te bepalen, zoals aangetoond door wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech). Iridium gebruiken als tracermetaal, ze waren succesvol in het bepalen van de verschillende conformaties van een sterk vertakt coördinatieverbindingsmolecuul. Dit heeft mogelijkheden geopend voor het afbeelden en ontwerpen van complexe anorganische en organische moleculen.

Coördinatieverbindingen hebben moleculaire structuren die bestaan ​​uit één of meerdere metaalatomen in het midden, omgeven door niet-metalen atomen. Hun fascinerende fysische en chemische eigenschappen, die belangrijke toepassingen hebben in de materiaalwetenschap, hangen grotendeels af van hun moleculaire structuur. Dus, een definitieve analyse van hun moleculaire structuur is noodzakelijk, niet alleen om hun eigenschappen te begrijpen, maar ook voor het ontwerpen van specifieke coördinatieverbindingen met gerichte functies.

Hoewel er verschillende analytische methoden beschikbaar zijn voor de structurele bepaling van coördinatieverbindingen, ze hebben elk hun eigen beperkingen. Bijvoorbeeld, Röntgenkristallografie kan alleen de structuur van kristallijne verbindingen bepalen, terwijl kernmagnetische resonantie geen nauwkeurige resultaten kan opleveren als het om paramagnetische atomen gaat. Een recentere microscopietechniek, hoge-hoek ringvormige donkerveld scanning transmissie-elektronenmicroscopie (HAADF-STEM), die een revolutie teweeg heeft gebracht op het gebied van moleculaire beeldvorming met realtime visualisatie van enkele coördinatiemoleculen, is ook beperkt tot observatie van eenvoudige en vlakke moleculen. Vandaar, de structurele bepaling van verschillende conformaties (alle mogelijke ruimtelijke oriëntaties van atomen) van zowel kristallijne als amorfe polynucleaire coördinatiemoleculen blijft onontgonnen.

Om deze kloof te overbruggen, een team van onderzoekers van het Tokyo Institute of Technology, onder leiding van professor Kimihisa Yamamoto en universitair hoofddocent Takane Imaoka, hebben een nieuwe beeldvormingsmethode ontwikkeld met behulp van een metaalatoom-tracer in HAADF-STEM om de conformationele structuren van complexe en sterk vertakte polynucleaire coördinatieverbindingen te bepalen. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang . De nieuwe methode uitleggen, Prof. Imaoka stelt dat "het gebruik van iridium als metaaltracer, omdat het hoge atoomnummer (Z=77) zorgt voor een betere visualisatie met HAADF-STEM, we hebben iridium gefixeerde dendritische fenylazomethine (DPA) verbindingen gesynthetiseerd. Vervolgens, we hebben de optimale bedrijfsomstandigheden voor HAADF-STEM bepaald, waaronder de verschillende conformaties van deze sterk vertakte DPA-verbindingen met de hoogste nauwkeurigheid konden worden bepaald."

Om de optimale bedrijfsomstandigheden voor HAADF-STEM te bepalen, de onderzoekers observeerden monsters van iridium-DPA-verbinding, verspreid op het oppervlak van grafeen nanopoeder, onder verschillende bedrijfsomstandigheden. Ze ontdekten dat het verminderen van de bundelstroom tot 7 pA en de belichtingstijd per pixel tot 8 microseconden en het gebruik van een lage vergroting hielpen de schade aan de iridium-DPA-verbinding te verminderen en de succesvolle observatie van de structuur ervan mogelijk te maken. De iridium-atomen verschijnen als heldere vlekken in de HAADF-STEM-afbeeldingen, wat hun positie in de structuur van het molecuul aangeeft.

Nadat het HAADF-STEM-beeld van het iridium-DPA-molecuul onder de optimale omstandigheden was verkregen, de onderzoekers vergeleken het met gesimuleerde afbeeldingen van alle mogelijke conformaties van het molecuul om de beste overeenkomst te vinden. De structuren die zijn vastgelegd in de experimentele HAADF-STEM-afbeeldingen passen buitengewoon goed bij de gesimuleerde conformationele structuren. Dus, de meest nauwkeurige conformationele oriëntatie van een molecuul kan eenvoudig worden bepaald door HAADF-STEM en gesimuleerde afbeeldingen te vergelijken.

De potentiële toepassingen van deze door zware metalen geleide HAADF-STEM-technologie zijn niet alleen beperkt tot coördinatieverbindingen voor structurele analyse. Toekomstig werk benadrukken, Prof. Imaoka merkt op, "Onze studie is een baanbrekende poging om conformationele structuren van complexe macromoleculen in beeld te brengen. Omdat deze technologie effectief is voor zowel kristallijne als amorfe verbindingen, wij geloven dat deze technologie ook kan worden toegepast voor het bepalen van structuren van multinucleaire peptiden door complexering met tracermetaalatomen, en het werk op dit gebied is al aan de gang."