Larutan struktur serbuk nano-kristal: Pendekatan YOKOGUSHI untuk SynergyED, HRMS, NMR dan pengiraan

2. Pembelauan elektron 3D

SCXRD menentukan struktur kristal dengan mengumpul data pembelauan daripada kristal tunggal pada pelbagai orientasi. Walau bagaimanapun, kaedah ini memerlukan kristal yang biasanya lebih besar daripada 1 µm. Apabila kristal lebih kecil daripada had ini, SCXRD sering gagal. ED 3D mengatasi batasan ini dengan menggunakan pancaran elektron dan bukannya sinar-X untuk merekodkan corak pembelauan. Oleh kerana elektron berinteraksi dengan jirim kira-kira 10⁴-10⁵ kali lebih kuat daripada sinar-X, ED 3D membolehkan penentuan struktur daripada hablur tunggal yang sangat kecil, termasuk sampel bersaiz nano yang tidak boleh diakses oleh SCXRD. Walaupun terdapat kelebihan ini, struktur yang diperoleh daripada ED 3D sering mengalami beberapa batasan penting. Atom hidrogen biasanya kurang diperhatikan atau tidak kelihatan sama sekali. Di samping itu, penetapan unsur boleh menjadi samar-samar untuk atom yang mempunyai berat atom yang serupa. Ini merupakan masalah yang sangat serius dalam molekul organik, di mana unsur seperti karbon, nitrogen, oksigen dan fluorin sukar dibezakan.

Rajah 1a menunjukkan struktur awal yang diperoleh daripada ED 3D. Dalam kajian yang diterbitkan, kita sering melihat model struktur berwarna-warni seperti yang terdapat dalam Rajah 1b dan 1c, di mana setiap atom dilabelkan dengan jelas dan kedudukan hidrogen ditakrifkan sepenuhnya. Walau bagaimanapun, pada hakikatnya, hasil langsung ED 3D biasanya merupakan struktur monokrom seperti Rajah 1a. Walaupun model ini mengandungi maklumat berharga, ia tidak mencukupi untuk memperoleh struktur yang bermakna secara kimia. Dalam praktiknya, penyelidik sering bergantung pada pengetahuan kimia terdahulu--seperti struktur molekul yang diketahui--untuk menetapkan unsur dan meletakkan atom hidrogen, sekali gus menukar model monokrom kepada perwakilan struktur yang lengkap. Walau bagaimanapun, apabila sampel tidak diketahui sepenuhnya, andaian sedemikian tidak boleh dibuat. Walaupun formula molekul atau struktur rangka diketahui, kekaburan masih boleh timbul daripada isomer konformasi atau bentuk tautomerik, yang merumitkan tafsiran struktur kristal. Kami sebelum ini telah menunjukkan bahawa menggabungkan ED 3D dengan NMR keadaan pepejal dan pengiraan kimia kuantum membolehkan penentuan struktur yang boleh dipercayai melalui pendekatan kristalografi NMR. ⁴ Walau bagaimanapun, tanpa pengetahuan tentang formula struktur, adalah sukar untuk mengenal pasti struktur kristal yang betul dengan keyakinan yang tinggi.

Walaupun dalam bentuk yang tidak lengkap ini, Rajah 1a sudah mengandungi beberapa maklumat penting yang diperoleh daripada ED 3D:

1. Kristal itu mengandungi dua molekul berbeza, berlabel A dan B.
2. Molekul A dan B masing-masing terdiri daripada 12 dan 10 atom bukan hidrogen (tanpa maklumat tentang atom hidrogen).
3. Molekul A mengandungi cincin aromatik, manakala molekul B mengandungi atom sulfur.
4. Dua molekul terdapat dalam unit asimetri (Z' = 2).
5. Kerangka rangka atom bukan hidrogen dalam molekul A dan B ditakrifkan dengan jelas.

Walaupun maklumat ini sangat bermaklumat, ia tidak mendedahkan identiti kimia molekul. Untuk menentukan struktur sepenuhnya, teknik analisis tambahan mesti digabungkan dengan struktur ED 3D.

Rajah 1 Struktur kristal ED 3D dalam sel unit asimetri. (a) struktur asli yang diperoleh daripada ED 3D. Dua molekul yang berbeza secara kimia (A dan B) dimasukkan. B merangkumi atom sulfur. (b, c) Dua calon akhir yang diperoleh daripada penyaringan menggunakan DART-HRMS dan perlombongan pangkalan data. Rajah diterbitkan semula daripada C. Sabena et al., Communications Chemistry (2026), DOI: 10.1038/s42004-026-01902-1, dilesenkan di bawah CC BY 4.0.

3. DART-HRMS

Satu cara yang ampuh untuk mengatasi batasan ED 3D ialah HRMS. HRMS mengukur berat molekul sebatian dengan ketepatan yang sangat tinggi, biasanya dinyatakan dalam dalton (Da). Dalton ditakrifkan berdasarkan karbon-12: mengikut definisi, berat atom bagi ¹²C ialah tepat 12 Da. Sebaliknya, atom lain mempunyai berat atom yang hampir dengan, tetapi tidak tepat, penjumlahan proton dan neutron dalam nukleus. Contohnya, hidrogen (¹H) mempunyai berat atom 1.007825 Da, bukan tepat 1 Da, dan nitrogen (¹⁴N) mempunyai berat atom 14.003074 Da, bukan tepat 14 Da. Walaupun berat atom sering dianggarkan sebagai jumlah proton dan neutron, perbezaan kecil sentiasa ada. Oleh kerana berat molekul sesuatu sebatian adalah jumlah berat atom tepat bagi semua atom konstituennya, pengukuran berat molekul yang tepat membolehkan formula molekul ditentukan secara unik. Dalam erti kata lain, HRMS memberikan bilangan atom yang tepat bagi setiap unsur yang terdapat dalam molekul. Walaupun maklumat ini sahaja tidak mendedahkan formula struktur penuh, ia memainkan peranan penting dalam menyempitkan kemungkinan struktur kristal dan melengkapi maklumat rangka yang diperoleh daripada ED 3D.

Dalam kajian ini, kami menggunakan analisis langsung dalam masa nyata (DART) ⁶ sebagai kaedah pengionan untuk HRMS. DART ialah teknik pengionan lembut yang menghasilkan pemecahan minimum, menjadikannya amat sesuai untuk molekul kecil. Hasilnya, ion molekul yang utuh boleh diperhatikan, membolehkan penentuan berat molekul dan seterusnya formula molekul yang tepat. Satu lagi kelebihan DART ialah kesederhanaan dan kelajuannya: spektrum boleh diperoleh dengan segera hanya dengan meletakkan sampel dalam sistem DART-HRMS. Untuk sampel ini, pelbagai puncak diperhatikan dalam spektrum DART-HRMS. Semua puncak ini boleh diberikan secara konsisten kepada kombinasi mudah dua molekul yang dikenal pasti oleh ED 3D, dilabel A dan B. Berat molekul dan formula molekul yang terhasil diringkaskan dalam Jadual 1.

Yang penting, keputusan HRMS adalah selaras sepenuhnya dengan maklumat yang diperoleh daripada ED 3D. Ia mengesahkan (1) kehadiran dua molekul berbeza, A dan B, (2) bilangan atom bukan hidrogen dalam setiap molekul, dan (3) kehadiran atom sulfur dalam molekul B. Secara keseluruhannya, HRMS dan ED 3D memberikan maklumat pelengkap yang mengekang struktur kristal yang mungkin dengan ketara dan membolehkan penambahbaikan struktur selanjutnya.

4. Perlombongan pangkalan data

Formula molekul merupakan maklumat yang sangat penting untuk penjelasan struktur, namun ia tidak mencukupi untuk menentukan formula struktur. Di sini kita memberi tumpuan kepada pangkalan data. Terdapat pelbagai pangkalan data struktur kimia. Kita boleh mendapatkan senarai calon dengan memasukkan formula molekul ke dalam pangkalan data. Di sini, kita menggunakan PubChem yang terbuka untuk semua orang dari NIH. ⁷ PubChem merangkumi lebih daripada 100 juta struktur dan membolehkan kita mencarinya dengan pelbagai pilihan. Mula-mula kita memasukkan formula molekul yang ditentukan oleh DART-HRMS, yang membawa kepada 4921 calon untuk A dan 706 calon untuk B. Dengan mengandaikan PubChem merangkumi struktur yang betul di dalamnya, struktur akhir sepatutnya terlibat dalam calon-calon ini. Walau bagaimanapun, bilangan calon terlalu besar untuk menentukan struktur molekul. Seperti yang ditunjukkan di sini, formula molekul tidak mencukupi untuk menentukan struktur walaupun untuk molekul kecil.

Mujurlah, kita sudah mengetahui struktur rangka melalui ED 3D, yang boleh kita masukkan ke dalam pangkalan data untuk mengecilkan bilangan calon. Terutamanya, bilangan atom bukan hidrogen (titik 2) dan struktur separa (titik 5) memainkan peranan penting. Pertama, molekul A merangkumi cincin aromatik tertentu. Dengan mempertimbangkan formula molekul A(C₈H₁₁TIDAK₃), cincin ini hendaklah sama ada cincin benzena (C₆) atau cincin piridina (C₅N). Maklumat ini boleh digabungkan ke dalam pertanyaan PubChem bersama-sama dengan bilangan atom bukan hidrogen sebanyak 12. PubChem mengembalikan 18 (5) struktur untuk berat molekul 169.0739 Da dan C₆(C₅Cincin N), dalam sejumlah 23 struktur. Di sini kami menggunakan berat molekul dan bukannya formula molekul kerana batasan fungsi carian PubChem (Julai 2025) dan ia bukanlah batasan asas kaedah semasa. Kami percaya ia akan diperbaiki untuk menerima formula molekul dalam masa terdekat. Sebaliknya, kami mungkin menggunakan pangkalan data lain yang boleh dikenakan bayaran untuk penyelesaian struktur. Melalui pemeriksaan visual terhadap 23 calon ini, kami hanya menemui dua struktur yang sepadan dengan struktur rangka ED 3D seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2A. Seperti yang ditunjukkan di sini, kami telah menyempitkan ruang carian dengan cekap daripada 4921 kepada 2 dengan menggunakan perlombongan pangkalan data bersama-sama dengan struktur rangka ED 3D dan DART-HRMS.

(A)

(B)

Rajah 2 Calon struktur kimia molekul A dan B. Carian Pubchem dijalankan dengan berat molekul, bilangan atom bukan hidrogen, dan struktur separa. Carian struktur diikuti dengan perbandingan visual dengan struktur rangka ED 3D (Rajah 1a). Rajah diterbitkan semula daripada C. Sabena et al., Communications Chemistry (2026), DOI: 10.1038/s42004-026-01902-1, dilesenkan di bawah CC BY 4.0.

Pendekatan perlombongan pangkalan data yang sama boleh digunakan pada molekul B. Bermula daripada 706 struktur calon yang diperoleh menggunakan formula molekul sahaja, kami memperhalusi lagi carian menggunakan maklumat daripada struktur rangka ED 3D. Secara khususnya, kami memasukkan kehadiran struktur separa yang mengandungi sulfur (CS, NS atau OS), berat molekul 163.0303 Da dan sejumlah 10 atom bukan hidrogen. Dengan kekangan ini, PubChem mengembalikan 128 struktur calon. Menggunakan langkah penyaringan tambahan berdasarkan perbandingan terperinci dengan struktur rangka ED 3D menghapuskan kebanyakan calon ini dan hanya meninggalkan lima struktur yang munasabah, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2B. Antara lima calon ini, tiga adalah konsisten dengan formula molekul yang ditentukan oleh DART-HRMS. Langkah penyaringan terakhir ini adalah perlu kerana maklumat berat molekul yang direkodkan dalam PubChem mempunyai ketepatan yang terhad. Akibatnya, struktur dengan formula molekul yang sedikit berbeza mungkin masih muncul dalam senarai calon. Ini adalah batasan berkaitan pangkalan data dan bukannya isu asas dengan aliran kerja yang dicadangkan. Jika carian langsung mengikut formula molekul tersedia, langkah ini boleh dielakkan.

Tiga calon yang tinggal hanya berbeza dalam konfigurasi mutlaknya dan oleh itu mewakili sebatian kimia yang sama: N-asetil-sistein. Dalam kajian ini, pendekatan penghalusan kinetik yang digunakan dalam ED 3D tidak menentukan struktur mutlak, manakala analisis pembelauan dinamik diperlukan untuk tujuan tersebut. Di sini, kami menetapkan sebatian tersebut sebagai N-asetil-L-sistein, berdasarkan kelimpahan semula jadi dan kelazimannya dalam sistem biologi.

Dengan memasukkan maklumat ini ke dalam struktur rangka ED 3D asal yang ditunjukkan dalam Rajah 1a, kita memperoleh struktur kristal akhir dengan tugasan unsur yang lengkap, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1b dan 1c.

5. Larutan NMR

Dalam banyak kes, perlombongan pangkalan data yang digabungkan dengan ED 3D dan HRMS membolehkan kita menyempitkan struktur kristal kepada satu calon. Contohnya, dalam kes molekul B, hanya satu struktur kimia yang tinggal selepas penyaringan pangkalan data. Walau bagaimanapun, ini tidak selalunya berlaku. Seperti yang ditunjukkan untuk molekul A, pelbagai struktur yang munasabah mungkin masih kekal walaupun selepas perlombongan pangkalan data yang meluas. Bagi molekul A, dua calon struktur telah dikenal pasti yang hanya berbeza dalam struktur separa yang kecil tetapi penting: satu mengandungi kumpulan hidroksimetilena (-CH₂-OH), manakala yang satu lagi mengandungi kumpulan metoksi (-O-CH₃Membezakan antara dua kemungkinan ini adalah sukar menggunakan data pembelauan sahaja, tetapi ia boleh dilakukan dengan mudah menggunakan larutan NMR. Khususnya, ¹³Eksperimen C DEPT-135 menyediakan cara yang jelas dan mudah untuk membezakan kumpulan-kumpulan ini. Dalam spektrum DEPT-135, CH karbon muncul sebagai isyarat negatif, manakala CH₃ Karbon memberikan isyarat positif. Spektrum DEPT-135 yang diperhatikan untuk molekul A menunjukkan isyarat negatif, menunjukkan kehadiran -CH₂kumpulan -OH dan bukannya -O-CH₃ kumpulan. Berdasarkan keputusan ini, kita boleh menetapkan struktur molekul A secara jelas sebagai N-piridoksin, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1b. Contoh ini mengetengahkan bagaimana larutan NMR menyediakan maklumat pelengkap dan tegas apabila berbilang calon struktur kekal selepas perlombongan pangkalan data.

6. Pengiraan Kuantum

Seperti yang ditunjukkan di atas, kami berjaya mengenal pasti identiti molekul dan struktur kristal keseluruhan sampel. Walau bagaimanapun, kedudukan atom hidrogen kekal samar-samar. Ini kerana atom hidrogen menyerakkan elektron dengan sangat lemah dan oleh itu kurang jelas atau tidak kelihatan sepenuhnya dalam peta ED 3D. Untuk menentukan kedudukan hidrogen dengan andal dan memperhalusi lagi struktur kristal, kami melakukan pengoptimuman geometri menggunakan teori fungsi ketumpatan yang dibetulkan penyebaran (DFT-D). Semasa pengoptimuman ini, atom hidrogen diletakkan pada kedudukan yang munasabah secara bertenaga berdasarkan ikatan kimia dan interaksi antara molekul, yang membawa kepada struktur kristal yang konsisten secara fizikal dan stabil. Selain penghalusan struktur, struktur yang dioptimumkan membolehkan kami mengira anjakan kimia NMR keadaan pepejal menggunakan kaedah gelombang tambahan projektor termasuk tolok (GIPAW). Anjakan kimia yang dikira ini memberikan hubungan langsung antara struktur teori dan pemerhatian NMR eksperimen.

Pendekatan gabungan ini penting atas dua sebab. Pertama, ia membolehkan penentuan kedudukan hidrogen yang tepat, yang tidak dapat diperoleh daripada data pembelauan sahaja. Kedua, ia menyediakan cara bebas untuk mengesahkan struktur kristal akhir dengan membandingkan anjakan kimia NMR keadaan pepejal yang dikira dan eksperimen. Secara keseluruhan, pengoptimuman geometri DFT-D dan pengiraan NMR berasaskan GIPAW memainkan peranan penting dalam menentukan dan mengesahkan struktur kristal yang lengkap, termasuk atom hidrogen.

7. NMR Keadaan Pepejal

Pada peringkat ini, kami telah memperoleh struktur kristal lengkap dengan kedudukan hidrogen yang jelas dengan mengintegrasikan ED 3D, HRMS, perlombongan pangkalan data dan pengiraan kimia kuantum. Walau bagaimanapun, adalah penting untuk diperhatikan bahawa struktur akhir, termasuk kedudukan hidrogen, diperoleh daripada pengoptimuman pengiraan dan masih belum disahkan secara eksperimen. Untuk mengesahkan struktur yang dicadangkan secara eksperimen, kami menggunakan pendekatan kristalografi NMR. ⁸ Dalam kaedah ini, ketepatan struktur kristal dinilai dengan membandingkan anjakan kimia NMR keadaan pepejal eksperimental dengan anjakan kimia NMR yang dikira daripada struktur kristal yang dioptimumkan. Oleh kerana anjakan kimia NMR sangat sensitif terhadap persekitaran atom tempatan, termasuk konformasi molekul dan pembungkusan antara molekul, persetujuan yang baik antara nilai eksperimen dan yang dikira memberikan bukti kukuh bahawa strukturnya betul. Dalam praktiknya, kualiti persetujuan biasanya dinilai menggunakan sisihan punca-purata-kuasa dua (RMSD) bagi anjakan kimia, yang paling biasa untuk ¹H dan ¹³Nukleus C. Bagi struktur yang ditentukan dengan betul, nilai RMSD biasanya kurang daripada 0.5 ppm untuk ¹H dan kurang daripada 3 ppm untuk ¹³C. Rajah 3 menunjukkan perbandingan antara anjakan kimia eksperimen dan anjakan kimia terkira untuk ¹H, ¹³C, dan ¹⁵N dalam kajian ini. Struktur akhir yang ditunjukkan dalam Rajah 1b menghasilkan nilai RMSD sebanyak 0.5 ppm untuk ¹H dan 2.3 ppm untuk ¹³C, memenuhi kriteria ini dan dengan itu mengesahkan struktur yang dicadangkan.

Selain mengesahkan kedudukan atom, perjanjian ini menangani persoalan asas yang selalu timbul dalam kajian ED 3D:
'Adakah struktur yang ditentukan oleh ED 3D benar-benar mewakili keseluruhan sampel?'

Oleh kerana analisis ED 3D dilakukan pada satu atau sebilangan kecil kristal individu yang dipilih daripada sebilangan besar kristal, sentiasa terdapat risiko bahawa struktur yang diperhatikan sepadan dengan fasa kecil atau bahkan dengan bahan cemar. Sebaliknya, NMR keadaan pepejal mengukur isyarat daripada keseluruhan sampel pukal. Oleh itu, persetujuan yang baik antara anjakan kimia NMR eksperimen dan yang dikira yang ditunjukkan dalam Rajah 3 menunjukkan bahawa struktur yang disahkan mewakili keseluruhan sampel, bukan hanya mikrokristal yang dipilih. Dengan cara ini, kristalografi NMR memainkan peranan penting dalam pengesahan eksperimen kedudukan hidrogen dan pengesahan keterwakilan sampel, melengkapkan aliran kerja penentuan struktur.

(A)

(B)

(C)

Rajah 3 Anjakan bahan kimia NMR yang dikira dan eksperimen bagi (a) ¹H, (b) ¹³C, dan (c) ¹⁵N. Rajah diterbitkan semula daripada C. Sabena et al., Communications Chemistry (2026), DOI: 10.1038/s42004-026-01902-1, dilesenkan di bawah CC BY 4.0.

Dalam beberapa kes, analisis kedudukan hidrogen yang sangat teliti adalah penting. Satu contoh penting ialah diskriminasi antara garam dan kokristal, yang merupakan isu kritikal dalam sains farmaseutikal. ^{9, 10} Bentuk pepejal bahan farmaseutikal aktif boleh mempengaruhi kestabilan, keterlarutan dan bioavailabilitinya dengan kuat, menjadikan pengenalpastian kedudukan proton yang tepat sangat penting. Dalam contoh ini, struktur kristal mendedahkan interaksi antara molekul yang kuat antara atom nitrogen bagi cincin piridin dalam piridoksin dan kumpulan karboksil N-asetil-L-sistein, membentuk motif ikatan hidrogen O···H···N. Selepas pengoptimuman geometri menggunakan DFT-D, proton yang pada asalnya dikaitkan dengan kumpulan karboksil dipindahkan sepenuhnya kepada nitrogen piridin, menunjukkan pembentukan garam molekul dan bukannya kokristal neutral. Walau bagaimanapun, atom hidrogen yang terlibat dalam interaksi bukan kovalen, terutamanya yang membentuk ikatan hidrogen, sering menunjukkan kedudukan labil. ¹¹ Lokasi mereka boleh bergantung pada suhu dan gerakan molekul dinamik. Oleh kerana pengoptimuman geometri DFT-D dilakukan pada 0 K, struktur yang dioptimumkan tidak semestinya mewakili kedudukan proton di bawah keadaan ambien.

Untuk menangani isu ini secara eksperimen, kami telah menjalankan pengukuran jarak kuantitatif antara ¹H dan ¹⁴N menggunakan eksperimen NMR keadaan pepejal PM-S-RESPDOR pada suhu bilik. ¹² Teknik ini membolehkan penentuan jarak heteronuklear yang pantas dan langsung yang melibatkan nukleus kuadrupolar di bawah keadaan eksperimen yang realistik. Struktur yang dioptimumkan oleh DFT-D meramalkan ¹H-¹⁴Jarak N sebanyak 1.07 Å, manakala pengukuran eksperimen menghasilkan jarak yang sedikit lebih jauh iaitu 1.16 Å (Rajah 4). Walaupun terdapat perbezaan ini, yang boleh dikaitkan dengan gerakan haba dan dinamik proton pada suhu ambien, keputusan eksperimen jelas menyokong pemindahan proton dan mengesahkan pembentukan garam. Oleh itu, kami menyimpulkan bahawa sistem berbilang komponen piridoksin dan N-asetil-L-sistein membentuk garam molekul, khususnya garam piridoksin-N-asetil-L-sistein.

Contoh ini menekankan kepentingan menggabungkan pengiraan kimia kuantum dengan eksperimen NMR keadaan pepejal lanjutan untuk menentukan kedudukan hidrogen dengan tepat dan membezakan antara bentuk pepejal yang berkait rapat seperti garam dan kokristal.

Rajah 4 Lengkung pecahan eksperimen (bertitik) dan analitikal (lengkung merah) bagi ¹H-¹⁴N PM-S-RESPDOR garam piridoksin N-asetil-L-sistein. Rajah diterbitkan semula daripada C. Sabena et al., Communications Chemistry (2026), DOI: 10.1038/s42004-026-01902-1, dilesenkan di bawah CC BY 4.0.

8. Contoh kedua

Contoh yang diterangkan di atas menunjukkan penentuan struktur sampel serbuk polikristalin yang pada mulanya dianggap tidak diketahui sepenuhnya. Malah, sampel ini disintesis secara sengaja melalui tindak balas mekanokimia antara piridoksin dan N-asetil-L-sistein. Oleh itu, sistem ini berfungsi sebagai kes ujian yang terkawal dengan baik untuk mengesahkan metodologi yang dicadangkan.

Untuk menunjukkan lagi keumuman dan keteguhan pendekatan ini, kami menggunakan aliran kerja yang sama pada sampel yang berbeza tanpa struktur kristal yang dilaporkan sebelum ini. Menggunakan strategi bersepadu berdasarkan ED 3D, HRMS, perlombongan pangkalan data, pengiraan kimia kuantum dan kristalografi NMR, kami berjaya menyelesaikan dan mengesahkan struktur kristal N-formil-metionil-leusil-fenilalanina. ⁵ Setahu kami, struktur kristal sebatian ini belum pernah dilaporkan sebelum ini. Contoh kedua ini menunjukkan bahawa kaedah yang dicadangkan tidak terhad kepada kelas sebatian tertentu, tetapi boleh digunakan secara meluas untuk pelbagai bahan polikristalin, termasuk peptida dengan seni bina molekul yang kompleks.

9. kesimpulan

Bagaimanakah kita boleh menentukan struktur kristal sampel serbuk yang tidak diketahui sepenuhnya? Dalam kajian ini, kami mencadangkan pendekatan bersepadu yang menggabungkan SynergyED (3D ED), DART-HRMS, spektroskopi NMR, pengiraan kimia kuantum dan perlombongan pangkalan data. Dengan mengintegrasikan teknik pelengkap ini, struktur kristal boleh diselesaikan tanpa sebarang maklumat terdahulu tentang sampel. Satu kelebihan penting pendekatan ini ialah kebolehcapaiannya. Kami menggunakan perisian sumber terbuka seperti Quantum ESPRESSO. ^{13, 14} dan pangkalan data kimia yang tersedia secara percuma seperti PubChem. Hasilnya, aliran kerja teras tidak memerlukan alat yang mahal. Untuk melancarkan prosedur, kami menggunakan perisian JEOL JASON untuk mengendalikan output daripada Quantum ESPRESSO, yang boleh dilaksanakan dengan kos tambahan yang minimum sambil meningkatkan kebolehgunaan dengan ketara.

Walaupun mempunyai kekuatan, kaedah semasa mempunyai batasan penting berkaitan dengan liputan pangkalan data. Walaupun PubChem mengandungi lebih daripada 100 juta struktur kimia, ia tidak merangkumi semua sebatian yang mungkin. Jika struktur yang betul tidak dimasukkan dalam pangkalan data, pendekatan semasa mungkin gagal mengenal pasti struktur atau mungkin menghasilkan tugasan yang salah. Dalam kes sedemikian, maklumat eksperimen tambahan--seperti analisis NMR yang diperluas atau tafsiran spektrum jisim berasaskan serpihan--boleh membantu mengurangkan batasan ini.

Kami sedang berusaha pada peringkat seterusnya projek ini, yang bertujuan untuk mengautomasikan dan menggeneralisasikan keseluruhan aliran kerja dengan lebih lanjut. Matlamat kami adalah untuk membolehkan penentuan struktur yang kukuh bagi sampel polikristalin yang tidak diketahui dengan prosedur manual yang minimum.

Untuk butiran eksperimen penuh dan perbincangan mendalam, sila rujuk penerbitan asal. ⁵

10. Ucapan terima kasih

Projek ini telah dijalankan melalui kerjasama yang erat dan produktif dengan kumpulan Prof. Michele R. Chierotti dari Universiti Turin. Kami mengucapkan terima kasih kepada semua ahli pasukan penyelidikan antarabangsa, termasuk Chiara Sabena (Universiti Turin) dan Federica Bravetti (Universiti Goethe), atas sumbangan berharga mereka. Kami juga mengucapkan terima kasih kepada rakan sekerja kami di JEOL Ltd., termasuk Natsuki Miyauchi, Miho Nakafukasako, Yoshitaka Aoyama, Katsuo Asakura, Kiyotaka Konuma, dan Masahiro Hashimoto, atas sokongan padu mereka dengan pengukuran SynergyED dan HRMS.

11. Rujukan

¹ U. Kolb,* T. Gorelik, C. Kübel, MT Otten, D. Hubert, Ultramikroskopi, 107 (2007) 507- 513.

² T. Gruene,* JTC Wennmacher, C. Zaubitzer, JJ Holstein, J. Heidler, A. Fecteau-Lefebvre, S. De Carlo, E. Müller, KN Goldie, I. Regeni, T. Li, G. Santiso-Quinones, G. Steinfeld, S. Handschin, E. JA Gever, E. Pantelic, Angew. Kimia. Int. Ed., 57 (2018) 16313 -16317.

³ CG Jones, MW Martynowycz, J. Hattne, TJ Fulton, BM Stoltz,* JA Rodriguez,* HM Nelson,* T. Gonen,* ACS Cent. Sci., 4, 1587 -1592 (2018)

⁴ C. Guzmán-Afonso, Y.-l. Hong, H. Colaux, H. Iijima, A. Saitow, T. Fukumura, Y. Aoyama, S. Motoki, T. Oikawa, T. Yamazaki, K. Yonekura, Y. Nishiyama,* Nat. Commun. 10 (2019) 3537.

⁵ C. Sabena, F. Bravetti, N. Miyauchi, M. Nakafukasako, Y. Aoyama, K. Asakura, K. Konuma, M. Hashimoto, Y. Nishiyama,* MR Chierotti,* Commun. Kimia. 9 (2026) 97. DOI: 10.1038/s42004-026-01902-1

⁶ RB Cody,* JA Laramee, HD Durst, Anal. Kimia. 77 (2005) 2297-2302.

⁷ https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/

⁸ P. Hodgkinson,* Prog. Nukleus Magn. Resonans Spektrosk., 118-119 (2020) 10-53.

⁹ L. Rajput,† M. Banik,† JSR Yarava, S. Joseph, MK Pandey, Y. Nishiyama,* GR Desiraju,* IUCrJ 4 (2017) 466-475.

¹⁰ D. Bernasconi, S. Bordignon, F. Rossi, E. Priola, C. Nervi, R. Gobetto, D. Voinovich, D. Hasa, NT Duong, Y. Nishiyama, MR Chierotti,* Cryst. Pertumbuhan Des., 20 (2020) 906-915.

¹¹ T. Steiner,* I. Majerz,* CC Wilson,* Angew. Kimia. Edisi Antarabangsa 40 (2001) 2651-2654.

¹² NT Duong, F. Rossi, M. Makrinich, A. Goldbourt, MR Chierotti, R. Gobetto, Y. Nishiyama,* J. Magn. Reson. 308 (2019) 106559.

¹³ P. Giannozzi, S. Baroni, N. Bonini, M. Calandra, R. Car, C. Cavazzoni, D. Ceresoli, GL Chiarotti, M. Cococcioni, I. Dabo, A. Dal Corso, S. Fabris, G. Fratesi, S. de Gironcoli, R. Gebauer, U. Kozzousej, C. La. Martin-Samos, N. Marzari, F. Mauri, R. Mazzarello, S. Paolini, A. Pasquarello, L. Paulatto, C. Sbraccia, S. Scandolo, G. Sclauzero, AP Seitsonen, A. Smogunov, P. Umari, RM Wentzcovitch, J. Phys.: Condens Perkara 21 (2009) 395502.

¹⁴ P. Giannozzi,* O. Andreussi, T. Brumme, O. Bunau, MB Nardelli, M. Calandra, R. Car, C. Cavazzoni, D. Ceresoli, M. Cococcioni, N. Colonna, I. Carnimeo, A. Dal Corso, S. de Gironcoli, P. Delugas, A. F. Feriretti Jr. G. Fugallo, R. Gebauer, U. Gerstmann, F. Giustino, T. Gorni, J. Jia, M. Kawamura, H.-Y. Ko, A. Kokalj, E. Küçükbenli, M. Lazzeri, M. Marsili, N. Marzari, F. Mauri, NL Nguyen, H.-V. Nguyen, A. Otero-de-la-Roza, L. Paulatto, S. Poncé, D. Rocca, R. Sabatini, B. Santra, M. Schlipf, AP Seitsonen, A. Smogunov, I. Timrov, T. Thonhauser, P. Umari, N. Vast, X. Wu, S. Baroni, J. Phys. Perkara 29 (2017) 465901.

12. Produk Berkaitan

Diffractometer ElektronXtaLAB Synergy-ED

XtaLAB Synergy-ED ialah difraktometer elektron baharu sepenuhnya yang lahir daripada sinergi teknologi teras Rigaku dan JEOL.
Ia menyepadukan HyPix-ED pengesan ultra sensitif Rigaku berkelajuan tinggi, perisian "CrysAlisPro for ED" yang merangkumi segala-galanya daripada pengukuran kepada analisis struktur, dan penjanaan pancaran elektron JEOL dan teknologi kawalan yang telah diperhalusi selama bertahun-tahun. Dengan menyepadukan aliran daripada pemilihan sampel ukuran (nanocrystals) kepada pengumpulan dan analisis data, analisis struktur pembelauan elektron boleh digunakan dengan mudah oleh bukan pakar yang tidak mempunyai kepakaran dalam mikroskop elektron dan kristalografi yang diperlukan secara konvensional.

JMS-T100LP AccuTOF LC-ExpressPengionan tekanan atmosfera resolusi tinggi spektrometer masa penerbangan

AccuTOF™ LC-Express ialah generasi keempat siri AccuTOF™ LC yang berjaya, spektrometer jisim berdaya tahan tinggi dan mudah diselenggara yang bertujuan untuk produktiviti tinggi dengan pelbagai kaedah pengionan.
Teknologi pengionan unik JEOL, DART™ (Analisis Langsung dalam Masa Nyata) boleh memberikan maklumat jisim yang tepat dengan pantas. Ia juga mudah untuk menggantikan sumber ion dengan sumber pengionan elektrospray (ESI) untuk operasi LC/MS, atau dengan sumber pengionan ColdSpray (CSI). Oleh itu, AccuTOF™ LC-Express boleh memenuhi pelbagai keperluan penyelidikan dalam kimia organik dan sains bahan.

Spektrometer NMR ECZ Luminous™ JNM-ECZL siri FT NMR

ECZ Luminous™ (siri JNM-ECZL) ialah spektrometer FT NMR yang dilengkapi dengan teknologi digital dan frekuensi tinggi yang terkini. Sistem Transceiver Pintar yang sangat bersepadu, litar kawalan frekuensi tinggi digital berkelajuan tinggi, berketepatan tinggi, membolehkan pengecilan lebih lanjut dan kebolehpercayaan spektrometer yang tinggi. Ia mampu mengukur NMR medan tinggi dan keadaan pepejal sambil mengekalkan saiz sistem NMR penyelesaian medan rendah konvensional.
Sistem Pemacu Berbilang Frekuensi baharu membolehkan pengukuran berbilang resonans dalam konfigurasi standard, menyediakan rangkaian penyelesaian yang lebih luas. Kami harap anda menikmati dunia ECZ Luminous™.