Imágenes de explosión de Coulomb como herramienta para distinguir entre los estereoisómeros
August 18th, 2017
Para pequeñas especies quirales, imágenes de explosión de Coulomb proporciona un nuevo enfoque para determinar el uso de las manos de moléculas individuales.
El objetivo general de este experimento es utilizar la explosión de Coulomb para obtener imágenes de la lateralidad de moléculas individuales en la fase gaseosa. Este método es un nuevo enfoque para abordar cuestiones importantes de la estereoquímica. En particular, permite determinar la configuración absoluta de pequeñas especies quirales y su dinámica fotoinducida.
La principal ventaja de esta técnica es que la energía y la dirección de emisión de todos los fragmentos de carga de una ruptura molecular se pueden registrar de forma coincidente. Hemos desarrollado esta técnica de imagen de múltiples coincidencias durante un período de más de 25 años para aprender más y medir los secretos de la estereoquímica sobre la base de moléculas individuales. El corazón del experimento es una configuración para la obtención de imágenes coincidentes de iones y un láser de femtosegundo como este aparato COLTRIMS.
El rayo láser de femtosegundo entra desde una habitación adyacente. Los conceptos básicos de la técnica COLTRIMS se representan en esta animación. Un haz molecular entra en la cámara de vacío a través de una boquilla y un skimmer.
Un rayo láser cruza el haz molecular en ángulo recto y provoca la ionización y la posterior fragmentación. El campo eléctrico en el espectrómetro guía los iones al detector donde se registran los tiempos y las posiciones de sus impactos. Prepare la configuración para el funcionamiento y verifique el vacío en la cámara de interacción.
La presión debe ser inferior a 10 elevado al hectopascales de menos nueve. Con el láser encendido y a baja intensidad realice la alineación del haz. Asegúrese de que el haz entre en la cámara del experimento y se refleje desde el espejo de enfoque de la cámara.
Utilice una tarjeta de haz para comprobar que los haces de entrada y de salida coinciden espacialmente. Bloquee el rayo láser antes de continuar. Prepárese para encender el espectrómetro y las fuentes de alimentación del detector.
Primero, apague los vacuómetros en la cámara de interacción. A continuación, conecte la salida de señal amplificada de las placas de microcanal a un osciloscopio rápido. Ahora encienda las fuentes de alimentación de alto voltaje para el detector y el campo eléctrico en el espectrómetro.
Vuelva a trabajar con el rayo láser desbloqueándolo primero. Tenga listo un filtro de polarización giratorio para ajustar la intensidad del haz. Coloque un medidor de potencia en el haz justo antes de la cámara y use el filtro para ajustar la intensidad del haz por debajo de 10 a 14 vatios por centímetro cuadrado.
Para esta configuración, esto corresponde a 100 milivatios en el medidor de potencia. Retire el medidor de potencia y observe el rastro del osciloscopio. Es crucial comprobar la calidad de la señal y la configuración del detector.
Si se graba demasiado ruido, las verdaderas coincidencias son muy difíciles de encontrar. La frecuencia de la señal debe ser aproximadamente el 5% de la tasa de repetición del láser. La señal debe tener un pico de varios cientos de milivoltios sin ningún timbre.
El ancho de las señales de la placa de microcanal no debe exceder los 10 nanosegundos. Ahora vaya al software de adquisición de datos. Allí, muestre una imagen del detector, que debe ser un círculo con un punto difuso en su centro debido al láser.
En este punto, proporcione una barra de argón de un cilindro de gas como fuente para el chorro de gas. Observe la imagen del detector en vivo en el software de adquisición de datos mientras ajusta el espejo de enfoque. Si aparece un punto estrecho, se ha localizado la superposición entre el chorro molecular y el rayo láser.
El objetivo es maximizar la superposición del haz de chorro y aumentar los recuentos en el punto de chorro. Después de optimizar la superposición del haz de chorro, prepare la muestra para su uso en el experimento. Esta muestra ya está en un cilindro que es compatible con la configuración.
Primero, enfríe el cilindro en nitrógeno líquido durante uno o dos minutos para evitar pérdidas de muestra. Conecte el cilindro refrigerado al sistema de chorro y apriete la conexión para que sea resistente al vacío. A continuación, abra la válvula para bombear el sistema durante unos segundos para eliminar el aire.
Espere a que la muestra vuelva a temperatura ambiente antes de abrir la válvula de la boquilla de chorro. La presión en la cámara de la fuente debe aumentar. Regrese al software de adquisición de datos.
En la computadora, verifique que un punto de chorro aún sea visible e identifique los picos más prominentes en el espectro de tiempo de vuelo. Continúe trabajando en el software de adquisición de datos. Para el análisis, haga una gráfica utilizando el tiempo de vuelo del primer ion detectado a lo largo del eje x y el tiempo de vuelo del segundo ion detectado a lo largo del eje y.
Cuando se han detectado dos fragmentos por coincidencia, aparecen como regiones con muchos recuentos. Si dos fragmentos se suman a la masa principal, cumplen con la conservación del momento y se muestran como líneas diagonales afiladas. Realice un análisis de tiempo de vuelo de cuatro partículas con una gráfica creada sumando los tiempos de vuelo del primer y segundo impacto para utilizarlos como valor del eje x y sumando los tiempos de vuelo del tercer y cuarto golpe que se utilizarán para el valor del eje y.
Las posiciones y formas de las estructuras resultantes revelan información de las masas y momentos. Ajuste la potencia del láser para que se optimice el número de recuentos en el espectro. A la hora de optimizar la tasa para la ruptura correspondiente, debemos tener en cuenta que la tasa global no debe superar el 10% de la tasa de repetición del láser para evitar falsas coincidencias.
Estos datos provienen de una mezcla racémica sintética de bromoclorofluorometano. Solo se muestran los eventos en los que se registró una fragmentación en cinco iones cargados individualmente. El eje horizontal se calcula utilizando un producto triple de los vectores de momento de los iones halógenos.
El enantiómero S está a la izquierda del histograma. El diagrama ilustra los datos de ángulo asociados. El enantiómero R está a la derecha del histograma junto con un diagrama para ilustrar su ángulo.
La tasa de repetición del láser fue de 100 kilohercios y la medición duró unas 11 horas. Esta animación demuestra cómo es posible utilizar los datos vectoriales de momento registrados de los fragmentos para transformar su orientación aleatoria en los chorros en un sistema de coordenadas moleculares. Después de ver este vídeo, debería tener una idea de cómo se realizan las imágenes de explosión de Coulomb utilizando la técnica COLTRIMS.
El registro de los vectores de momento de cuatro o cinco fragmentos en coincidencia permite una vista detallada de la molécula. Sin embargo, extraer esta información de los datos sin procesar requiere mucho esfuerzo en el paso de análisis. Los secretos de las ciencias de la vida en el mundo de las moléculas ocurren en una escala de tiempo de una milmillonésima de segundo y nuestro método puede revelar y visualizar estas dinámicas rápidas.
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Visión general
Este estudio utiliza la Imagen de Explosión Coulomb para investigar la manometría de moléculas individuales en fase gaseosa. Este enfoque innovador aborda preguntas críticas en estereoquímica, particularmente en relación con especies quirales pequeñas.
Componentes clave del estudio
Área de la ciencia
- Estereoquímica
- Imagen molecular
- Quiralidad
Fundamentos
- La imagen de explosión Coulomb es una técnica desarrollada durante más de 25 años.
- Permite la determinación de la configuración absoluta de moléculas quirales.
- El método registra la energía y la dirección de emisión de los fragmentos de carga.
- Este estudio se centra en moléculas individuales en fase gaseosa.
Propósito del estudio
- Determinar la manometría de especies quirales pequeñas.
- Explorar la dinámica fotoinducida de estas moléculas.
- Mejorar la comprensión de la estereoquímica.
Métodos utilizados
- Técnica de imagen multicoincidencia.
- Uso de un láser de femtosegundos.
- Configuración para imagen coincidente de iones.
- Análisis de fragmentos de ruptura molecular.
Principales resultados
- Imagen exitosa de moléculas quirales individuales.
- Determinación de su manometría.
- Insitios en su dinámica fotoinducida.
- Validación de la técnica de imagen multicoincidencia.
Conclusiones
- La Imagen de Explosión Coulomb es efectiva para estudiar especies quirales.
- Este método proporciona nuevas perspectivas sobre la estereoquímica.
- Abre vías para futuras investigaciones en dinámica molecular.
Preguntas frecuentes
Executive Industry Relevance
Coulomb Explosion Imaging enables direct determination of molecular handedness at the single-molecule level, offering a novel approach to stereochemical analysis in early discovery. This capability supports target validation by providing unambiguous structural insights into chiral compounds, which is critical for de-risking enantiomer-specific biological activity. The technique enhances predictive confidence in lead identification by resolving stereoisomer-dependent interactions that influence drug efficacy and safety.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by distinguishing enantiomers of simple chiral species on a per-molecule basis.
- Operational Value: Provides functional target validation through direct measurement of bond lengths and atomic positions derived from fragment momentum vectors.
- Predictive Value: Supports portfolio triage by revealing stereoisomer-specific structural features that inform biological activity predictions.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Prepares validated biological systems by confirming the stereochemical purity of chiral compounds used in screening campaigns.
- Reproducibility: Delivers quantitative, coincident measurements of ion fragmentation patterns that enable standardized readouts across experiments.
- Platform Utility: Facilitates reliable compound evaluation by generating structural data that can be integrated into assay development workflows for chiral molecules.
Translational & Preclinical Research
- Translational Alignment: Supports disease-relevant systems by enabling mechanistic de-risking of chiral leads through absolute configuration determination.
- Preclinical Continuity: Connects discovery-phase stereochemical validation to preclinical validation by ensuring consistent enantiomer identity across workflows.
- Risk-Adjusted Decisions: Informs advancement choices by reducing ambiguity in stereoisomer-specific target engagement and off-target effects.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from early target validation through lead identification, providing structural confirmation that informs downstream screening and preclinical evaluation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by enabling absolute configuration assignment of chiral molecules.
- Screening: Enhances assay readiness through reproducible, quantitative outputs derived from time- and position-sensitive ion detection.
- Analytics: Generates multidimensional readouts (time-of-flight, impact position) that allow teams to compare fragmentation patterns and infer molecular structure.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by ensuring stereochemical fidelity in molecules progressing from discovery to validation stages.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable capability for stereochemical analysis across multiple projects involving chiral compounds.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing mechanistic ambiguity around stereoisomer behavior.
- Operational Value: Delivers standardization and reproducibility through coincident imaging of multiple fragments under controlled laser and field conditions.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by enabling early detection of stereoisomer-specific biological risks, enhancing capital efficiency.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization by providing structural data that informs enantiomer selection for advancement.
Implementation Considerations
- Requires expertise in ultrafast laser physics, ion optics, and coincidence data analysis.
- Depends on COLTRIMS-compatible instrumentation including femtosecond lasers, electrostatic spectrometers, and position-sensitive detectors.
- Necessitates cross-team standardization for sample preparation, vacuum conditions, and data acquisition parameters.
- Involves adaptation considerations when extending from simple chiral species to more complex molecular systems.
- Limited by the need for volatile, gas-phase compatible samples and low event rates to avoid false coincidences.
