Imagerie d’Explosion coulombienne comme un outil pour faire la distinction entre stéréoisomères

Pour les petites espèces chirales, Coulomb Explosion d’imagerie fournit une nouvelle approche pour déterminer le caractère gaucher ou droitier des molécules individuelles.

L’objectif global de cette expérience est d’utiliser l’explosion de Coulomb pour imager la maniabilité des molécules individuelles en phase gazeuse. Cette méthode est une nouvelle approche pour aborder des questions importantes en stéréochimie. En particulier, il permet de déterminer la configuration absolue des petites espèces chirales et leur dynamique photoinduite.

Le principal avantage de cette technique est que l’énergie et la direction d’émission de tous les fragments de charge d’une rupture moléculaire peuvent être enregistrées par coïncidence. Nous avons développé cette technique d’imagerie multicoïncidente sur une période de plus de 25 ans pour en savoir plus et mesurer les secrets de la stéréochimie sur la base de molécules uniques. Le cœur de l’expérience est un dispositif d’imagerie coïncidente des ions et un laser femtoseconde tel que cet appareil COLTRIMS.

Le faisceau laser femtoseconde pénètre depuis une pièce adjacente. Les bases de la technique COLTRIMS sont décrites dans cette animation. Un faisceau moléculaire pénètre dans la chambre à vide par une buse et un écumoire.

Un faisceau laser traverse le faisceau moléculaire à angle droit et conduit à l’ionisation et à la fragmentation ultérieure. Le champ électrique du spectromètre guide les ions vers le détecteur où sont enregistrés les temps et les positions de leurs impacts. Préparez la configuration pour le fonctionnement et vérifiez le vide dans la chambre d’interaction.

La pression doit être inférieure à 10 puissance moins neuf hectopascals. Avec le laser allumé et à faible intensité, effectuez l’alignement du faisceau. Assurez-vous que le faisceau pénètre dans la chambre d’expérimentation et qu’il est réfléchi par le miroir de focalisation de la chambre.

À l’aide d’une carte de faisceau, vérifiez que les faisceaux entrants et sortants coïncident dans l’espace. Bloquez le faisceau laser avant de continuer. Préparez-vous à allumer les alimentations du spectromètre et du détecteur.

Tout d’abord, éteignez les jauges à vide dans la chambre d’interaction. Ensuite, connectez la sortie du signal amplifié des plaques à microcanaux à un oscilloscope rapide. Allumez maintenant l’alimentation haute tension du détecteur et le champ électrique dans le spectromètre.

Reprenez le travail avec le faisceau laser en le débouchant d’abord. Ayez un filtre de polarisation rotatif prêt à ajuster l’intensité du faisceau. Placez un wattmètre dans le faisceau juste avant la chambre et utilisez le filtre pour régler l’intensité du faisceau en dessous de 10 à 14e watts par centimètre carré.

Pour cette configuration, cela correspond à 100 milliwatts sur le wattmètre. Retirez le wattmètre et observez la trace de l’oscilloscope. Il est crucial de vérifier la qualité du signal et les paramètres du détecteur.

Si trop de bruit est enregistré, les vraies coïncidences sont très difficiles à trouver. La fréquence du signal doit être d’environ 5 % du taux de répétition du laser. Le signal doit avoir un pic de plusieurs centaines de millivolts sans aucune sonnerie.

La largeur des signaux de la plaque à microcanaux ne doit pas dépasser 10 nanosecondes. Tournez-vous maintenant vers le logiciel d’acquisition de données. Là, affichez une image du détecteur, qui doit être un cercle avec une tache diffuse en son centre due au laser.

À ce stade, fournissez un bar d’argon d’une bouteille de gaz comme source pour le jet de gaz. Observez l’image du détecteur en direct dans le logiciel d’acquisition de données tout en ajustant le miroir de mise au point. Si un point étroit apparaît, un chevauchement entre le jet moléculaire et le faisceau laser a été localisé.

L’objectif est de maximiser le chevauchement du faisceau du jet et d’augmenter le nombre de points de jet. Après avoir optimisé le chevauchement du faisceau de jet, préparez l’échantillon pour l’utilisation dans l’expérience. Cet échantillon est déjà dans un cylindre compatible avec la configuration.

Tout d’abord, refroidissez le cylindre dans de l’azote liquide pendant une à deux minutes pour éviter les pertes d’échantillons. Connectez le cylindre refroidi au système de jet et serrez la connexion pour la rendre étanche au vide. Ensuite, ouvrez la vanne pour pomper le système pendant quelques secondes afin d’évacuer l’air.

Attendez que l’échantillon revienne à température ambiante avant d’ouvrir la vanne de la buse de jet. La pression dans la chambre source doit augmenter. Revenez au logiciel d’acquisition de données.

À l’ordinateur, vérifiez qu’un point de jet est toujours visible et identifiez les pics les plus importants dans le spectre du temps de vol. Continuez à travailler dans le logiciel d’acquisition de données. Pour l’analyse, faites un graphique en utilisant le temps de vol du premier ion détecté le long de l’axe des x et le temps de vol du deuxième ion détecté le long de l’axe des y.

Lorsque deux fragments ont été détectés par coïncidence, ils apparaissent comme des régions avec de nombreux comptes. Si deux fragments s’additionnent à la masse mère, ils remplissent la fonction de conservation de la quantité de mouvement et apparaissent sous la forme de lignes diagonales nettes. Effectuez une analyse du temps de vol de quatre particules à l’aide d’un graphique créé en additionnant les temps de vol des premier et deuxième coups à utiliser comme valeur de l’axe des x et en additionnant les temps de vol des troisième et quatrième coups à utiliser pour la valeur de l’axe des y.

Les positions et les formes des structures résultantes révèlent des informations sur les masses et les moments. Ajustez la puissance du laser de manière à ce que le nombre de comptages dans le spectre soit optimisé. Lors de l’optimisation du taux de rupture pertinent, nous devons garder à l’esprit que le taux global ne doit pas dépasser 10 % du taux de répétition laser pour éviter les fausses coïncidences.

Ces données proviennent d’un mélange racémique synthétique de bromochlorofluorométhane. Seuls les événements où une fragmentation en cinq ions chargés individuellement a été enregistrée sont montrés. L’axe horizontal est calculé à l’aide d’un produit triple des vecteurs quantité de mouvement des ions halogènes.

L’énantiomère S se trouve à gauche de l’histogramme. Le diagramme illustre les données d’angle associées. L’énantiomère R se trouve à droite de l’histogramme avec un schéma pour illustrer son angle.

Le taux de répétition du laser était de 100 kilohertz et la mesure a pris environ 11 heures. Cette animation démontre comment il est possible d’utiliser les données de vecteur de quantité de mouvement enregistrées des fragments pour transformer leur orientation aléatoire dans les jets en un système de coordonnées moléculaires. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une idée de la façon dont l’imagerie de l’explosion de Coulomb est réalisée à l’aide de la technique COLTRIMS.

L’enregistrement des vecteurs de quantité de mouvement de quatre ou cinq fragments par coïncidence permet d’avoir une vue détaillée de la molécule. L’extraction de ces informations à partir des données brutes nécessite cependant beaucoup d’efforts dans l’étape d’analyse. Les secrets des sciences de la vie dans le monde des molécules se produisent sur une échelle de temps d’un milliardième de milliardième de seconde et notre méthode peut révéler et visualiser ces dynamiques rapides.