Coulomb Explosion Imaging als Instrument zur Unterscheidung zwischen Stereoisomere

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments ist es, die Coulomb-Explosion zu nutzen, um die Händigkeit einzelner Moleküle in der Gasphase abzubilden. Diese Methode ist ein neuer Ansatz, um wichtige Fragen der Stereochemie zu beantworten. Insbesondere ermöglicht es die Bestimmung der absoluten Konfiguration kleiner chiraler Spezies und ihrer photoinduzierten Dynamik.

Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass Energie und Emissionsrichtung aller Ladungsfragmente aus einem molekularen Aufbruch zufällig aufgezeichnet werden können. Wir haben diese Multikoinzidenz-Bildgebungstechnik über einen Zeitraum von mehr als 25 Jahren entwickelt, um mehr über die Geheimnisse der Stereochemie zu erfahren und sie anhand einzelner Moleküle zu vermessen. Das Herzstück des Experiments ist ein Aufbau für die koinzidente Abbildung von Ionen und ein Femtosekundenlaser wie diese COLTRIMS-Apparatur.

Der Femtosekunden-Laserstrahl tritt aus einem angrenzenden Raum ein. In dieser Animation werden die Grundlagen der COLTRIMS-Technik dargestellt. Ein Molekularstrahl tritt durch eine Düse und einen Skimmer in die Vakuumkammer ein.

Ein Laserstrahl durchquert den Molekularstrahl im rechten Winkel und führt zur Ionisation und anschließenden Fragmentierung. Das elektrische Feld im Spektrometer leitet die Ionen zum Detektor, wo die Zeiten und die Positionen ihrer Einschläge aufgezeichnet werden. Bereiten Sie den Aufbau für den Betrieb vor und prüfen Sie das Vakuum in der Wechselwirkungskammer.

Der Druck sollte weniger als 10 bis minus neun Hektopascal betragen. Führen Sie bei eingeschaltetem Laser und niedriger Intensität die Strahlausrichtung durch. Stellen Sie sicher, dass der Strahl in die Experimentierkammer eintritt und vom Fokussierspiegel der Kammer reflektiert wird.

Verwenden Sie eine Balkenkarte, um zu überprüfen, ob die ein- und ausgehenden Strahlen räumlich übereinstimmen. Blockieren Sie den Laserstrahl, bevor Sie fortfahren. Bereiten Sie das Einschalten des Spektrometers und der Detektornetzteile vor.

Schalten Sie zunächst die Vakuummessgeräte in der Interaktionskammer aus. Verbinden Sie als Nächstes den verstärkten Signalausgang der Mikrokanalplatten mit einem schnellen Oszilloskop. Schalten Sie nun die Hochspannungsnetzteile für den Detektor und das elektrische Feld im Spektrometer ein.

Kehren Sie mit dem Laserstrahl zur Arbeit zurück, indem Sie ihn zuerst entsperren. Halten Sie einen drehbaren Polarisationsfilter bereit, um die Strahlintensität einzustellen. Platzieren Sie einen Leistungsmesser im Strahl direkt vor der Kammer und stellen Sie mit dem Filter die Strahlintensität auf unter 10 bis 14 Watt pro Quadratzentimeter ein.

Für diesen Aufbau entspricht das 100 Milliwatt auf dem Powermeter. Entfernen Sie den Leistungsmesser und beobachten Sie die Spur des Oszilloskops. Es ist wichtig, die Signalqualität und die Detektoreinstellungen zu überprüfen.

Wenn zu viel Lärm aufgezeichnet wird, sind die wahren Koinzidenzen sehr schwer zu finden. Die Signalfrequenz sollte etwa 5% der Laserwiederholrate betragen. Das Signal sollte einen Peak von mehreren hundert Millivolt haben, ohne dass es zu einem Klingeln kommt.

Die Breite der Signale von der Mikrokanalplatte sollte 10 Nanosekunden nicht überschreiten. Wenden Sie sich nun der Datenerfassungssoftware zu. Zeigen Sie dort ein Bild des Detektors an, bei dem es sich um einen Kreis mit einem diffusen Punkt in der Mitte handeln sollte, der durch den Laser verursacht wird.

Geben Sie an dieser Stelle einen Barr Argon aus einer Gasflasche als Quelle für den Gasstrahl an. Beobachten Sie das Detektorbild live in der Datenerfassungssoftware, während Sie den Fokussierspiegel einstellen. Tritt eine schmale Stelle auf, wurde eine Überlappung zwischen dem Molekülstrahl und dem Laserstrahl lokalisiert.

Ziel ist es, die Überlappung des Strahls zu maximieren und die Anzahl im Strahlpunkt zu erhöhen. Nachdem Sie die Überlappung des Strahls optimiert haben, bereiten Sie die Probe für die Verwendung im Experiment vor. Dieses Muster befindet sich bereits in einem Zylinder, der mit dem Aufbau kompatibel ist.

Kühlen Sie den Zylinder zunächst ein bis zwei Minuten lang in flüssigem Stickstoff, um Probenverluste zu vermeiden. Schließen Sie den gekühlten Zylinder an das Düsensystem an und ziehen Sie die Verbindung fest, um sie vakuumdicht zu machen. Öffnen Sie anschließend das Ventil, um das System einige Sekunden lang zu pumpen und Luft zu entfernen.

Warten Sie, bis die Probe wieder Raumtemperatur erreicht hat, bevor Sie das Ventil für die Strahldüse öffnen. Der Druck in der Quellkammer sollte ansteigen. Kehren Sie zur Datenerfassungssoftware zurück.

Überprüfen Sie am Computer, ob ein Jet-Spot noch sichtbar ist, und identifizieren Sie die markantesten Spitzen im Flugzeitspektrum. Arbeiten Sie weiter in der Datenerfassungssoftware. Erstellen Sie für die Analyse ein Diagramm mit der Laufzeit des ersten detektierten Ions entlang der x-Achse und der Laufzeit des zweiten detektierten Ions entlang der y-Achse.

Wenn zwei Fragmente zufällig nachgewiesen wurden, erscheinen sie als Regionen mit vielen Zählungen. Wenn sich zwei Fragmente zur Muttermasse addieren, erfüllen sie die Impulserhaltung und zeigen sich als scharfe diagonale Linien. Führen Sie eine Flugzeitanalyse von vier Partikeln mit einem Diagramm durch, das erstellt wurde, indem die Flugzeiten für den ersten und zweiten Treffer summiert werden, um sie als Wert für die X-Achse zu verwenden, und die Flugzeiten für den dritten und vierten Treffer summiert werden, um für den Wert der Y-Achse verwendet zu werden.

Die Positionen und Formen der resultierenden Strukturen geben Aufschluss über die Massen und Impulse. Passen Sie die Laserleistung so an, dass die Anzahl der Zählungen im Spektrum optimiert wird. Bei der Optimierung der Rate für den jeweiligen Breakup müssen wir im Hinterkopf behalten, dass die Gesamtrate 10% der Laserwiederholrate nicht überschreiten sollte, um falsche Zufälle zu vermeiden.

Diese Daten stammen aus einem synthetischen racemischen Gemisch aus Bromchlorfluormethan. Es werden nur Ereignisse gezeigt, bei denen eine Fragmentierung in fünf einfach geladene Ionen aufgezeichnet wurde. Die horizontale Achse wird mit einem Dreifachprodukt der Impulsvektoren der Halogenionen berechnet.

Das S-Enantiomer befindet sich links im Histogramm. Das Diagramm veranschaulicht die zugehörigen Winkeldaten. Das R-Enantiomer befindet sich rechts neben dem Histogramm zusammen mit einem Diagramm zur Veranschaulichung seines Winkels.

Die Laserwiederholrate lag bei 100 Kilohertz und die Messung dauerte etwa 11 Stunden. Diese Animation zeigt, wie es möglich ist, die aufgezeichneten Impulsvektordaten der Fragmente zu nutzen, um ihre zufällige Ausrichtung in den Jets in ein molekulares Koordinatensystem umzuwandeln. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie eine Vorstellung davon haben, wie die Coulomb-Explosionsbildgebung mit der COLTRIMS-Technik durchgeführt wird.

Die Aufnahme der Impulsvektoren von vier oder fünf Fragmenten im Zufall ermöglicht einen detaillierten Blick in das Molekül. Diese Informationen aus den Rohdaten zu extrahieren, erfordert jedoch einen hohen Aufwand im Analyseschritt. Die Geheimnisse der Biowissenschaften in der Welt der Moleküle finden auf einer Zeitskala von einem Milliardstel einer Milliardstel Sekunde statt, und unsere Methode kann diese schnelle Dynamik aufdecken und visualisieren.