利用库仑爆炸成像技术区分立体异构体

本实验的总体目标是利用库仑爆炸对气相中单个分子的手性进行成像。该方法为解决立体化学领域的重要问题提供了一种新途径。特别是，该方法可用于确定小分子手性物种的绝对构型及其光诱导动力学行为。

该技术的主要优势在于，能够同时记录分子解离产生的所有带电碎片的能量及其发射方向。我们经过25年多的发展，不断完善这种多通道符合成像技术，以期基于单个分子更深入地了解并测量立体化学的奥秘。实验的核心装置是离子符合成像系统与飞秒激光器的组合，例如本研究所用的COLTRIMS装置。

飞秒激光束从相邻房间射入。此动画展示了COLTRIMS技术的基本原理。分子束通过喷嘴和限束器进入真空腔室。

激光束以直角穿过分子束，导致电离及随后的碎裂。质谱仪中的电场将离子引导至探测器，在那里记录下离子撞击的时间和位置。准备装置以供运行，并检查相互作用室内的真空度。

压力应低于10的负9次方百帕。打开激光器并调至低强度，进行光束准直。确保光束进入实验腔，并由腔体的聚焦镜反射。

使用光束校准卡检查入射光束与出射光束在空间上是否重合。继续操作前遮挡激光光束。准备开启光谱仪和探测器的电源。

首先，关闭相互作用室中的真空计。然后，将微通道板的放大信号输出连接到快速示波器。现在，打开探测器和谱仪中电场的高压电源。

首先解除激光束的遮挡，恢复激光操作。准备一个可旋转的偏振滤光片以调节光束强度。将功率计置于腔室前的光束路径中，并使用滤光片将光束强度调节至低于10的14次方瓦特每平方厘米。

对于此设置，功率计上的读数应为100毫瓦。移除功率计并观察示波器波形。必须检查信号质量和探测器设置。

如果记录到的噪声过大，则很难找到真实的符合信号。信号频率应约为激光重复频率的5%。信号应呈现一个几百毫伏的单峰，且无任何振铃现象。

来自微通道板的信号宽度不应超过10纳秒。现在切换到数据采集软件，在其中显示探测器的图像，图像应为一个圆形，中心由于激光而出现一个弥散的光斑。

此时，使用气瓶提供一巴氩气作为气流源。在调整聚焦镜的同时，在数据采集软件中实时观察探测器图像。若出现狭窄的光斑，则表明分子束与激光束的重叠区域已被找到。

目标是最大化射流束的重叠度，并提高射流斑点中的计数。在优化射流束重叠度后，准备样品用于实验。该样品已置于与装置兼容的圆柱形容器中。

首先，将气缸在液氮中冷却一到两分钟，以避免样品损失。将冷却后的气缸连接到喷射系统，并拧紧连接处以确保其密封性。接着，打开阀门抽气数秒，以除去空气。

在打开通往喷嘴的阀门之前，请等待样品恢复至室温。源室内的压力应随之升高。然后返回数据采集软件。

在计算机上确认喷射斑点仍然可见，并识别飞行时间谱中最为显著的峰。继续在数据采集软件中进行操作。进行分析时，以首次检测到的离子的飞行时间作为横轴，以第二次检测到的离子的飞行时间作为纵轴，绘制图表。

当两个碎片被同时探测到时，它们会表现为计数较多的区域。如果两个碎片的质量之和等于母体质量，则满足动量守恒，并呈现为清晰的对角线。对四个粒子进行飞行时间分析，通过将第一次和第二次撞击的飞行时间相加作为横轴值，第三次和第四次撞击的飞行时间相加作为纵轴值，绘制图表。

所得结构的位置和形状揭示了质量与动量的信息。调节激光功率，使谱图中的计数数量达到最佳。在优化相关解离过程的速率时，我们必须注意，总体计数速率不应超过激光重复频率的10%，以避免虚假符合事件。

这些数据来自溴氯氟甲烷的合成外消旋混合物。仅显示了产生五个单电荷离子碎片的事件。横轴通过卤素离子动量矢量的三重积计算得出。

S 对映体位于直方图的左侧。图示展示了其相应的角度数据。R 对映体位于直方图的右侧，同时附有图示以说明其角度。

激光重复频率为100千赫兹，测量过程耗时约11小时。该动画展示了如何利用记录的碎片动量矢量数据，将喷流中碎片的随机取向转换至分子坐标系中。观看本视频后，您应了解如何使用COLTRIMS技术进行库仑爆炸成像。

同时记录四个或五个碎片的动量矢量，可以深入揭示分子内部的详细信息。然而，从原始数据中提取这些信息需要在分析步骤中付出大量努力。生命科学在分子世界中的奥秘发生在十亿分之一的十亿分之一秒的时间尺度上，而我们的方法能够揭示并可视化这些快速动态过程。