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

L'objectif général de cette expérience est d'utiliser l'explosion coulombienne pour imager la chiralité de molécules individuelles en phase gazeuse. Cette méthode constitue une approche nouvelle pour répondre à des questions importantes en stéréochimie. En particulier, elle permet de déterminer la configuration absolue de petites espèces chirales ainsi que leurs dynamiques induites par la lumière.

Le principal avantage de cette technique réside dans la possibilité d'enregistrer en coïncidence l'énergie et la direction d'émission de tous les fragments chargés issus de la rupture d'une molécule. Nous avons développé cette technique d'imagerie multicoincidente depuis plus de 25 ans afin d'approfondir nos connaissances et de mesurer les secrets de la stéréochimie à partir de molécules individuelles. Le cœur de l'expérience est un dispositif permettant l'imagerie en coïncidence des ions et d'un laser femtoseconde, tel que cet appareil COLTRIMS.

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

Un faisceau laser croise le faisceau moléculaire à angle droit et provoque l'ionisation et la fragmentation subséquente. Le champ électrique dans le spectromètre guide les ions vers le détecteur, où les temps et les positions de leurs impacts sont enregistrés. Préparez le dispositif pour le fonctionnement et vérifiez le vide dans la chambre d'interaction.

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

Utilisez une carte de faisceau pour vérifier que les faisceaux entrant et sortant coïncident spatialement. Bloquez le faisceau laser avant de continuer. Préparez-vous à allumer les alimentations du spectromètre et du détecteur.

Tout d'abord, éteignez les jauges de vide dans la chambre d'interaction. Ensuite, reliez la sortie du signal amplifié des plaques à microcanaux à un oscilloscope rapide. Ensuite, allumez les alimentations haute tension pour le détecteur et le champ électrique dans le spectromètre.

Reprenez le travail avec le faisceau laser en le débloquant 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 à moins de 10 à la puissance 14 watts par centimètre carré.

Pour ce montage, cela correspond à 100 milliwatts sur le wattmètre. Retirez le wattmètre et observez la trace de l'oscilloscope. Il est essentiel de vérifier la qualité du signal et les réglages du détecteur.

Si trop de bruit est enregistré, il devient très difficile de détecter les véritables coïncidences. La fréquence du signal doit représenter environ 5 % de la fréquence de répétition du laser. Le signal doit présenter un seul pic de plusieurs centaines de millivolts, sans oscillations parasites.

La largeur des signaux provenant de la plaque à microcanaux ne doit pas dépasser 10 nanosecondes. Passez maintenant au logiciel d'acquisition de données. Affichez-y une image du détecteur, qui doit présenter un cercle avec une tache diffusée en son centre due au laser.

À ce stade, fournir un bar d'argon provenant d'une bouteille de gaz comme source pour le jet gazeux. Observer en temps réel l'image du détecteur dans le logiciel d'acquisition de données tout en ajustant le miroir de focalisation. Si un spot étroit apparaît, le recouvrement entre le jet moléculaire et le faisceau laser a été localisé.

L'objectif est de maximiser le recouvrement du faisceau de jet et d'augmenter les comptes dans la tache de jet. Après avoir optimisé le recouvrement du faisceau de jet, préparer l'échantillon pour son utilisation dans l'expérience. Cet échantillon se trouve déjà dans un cylindre compatible avec le dispositif.

Commencez par refroidir le cylindre dans de l'azote liquide pendant une à deux minutes afin d'éviter toute perte d'échantillon. Connectez le cylindre refroidi au système à jet et serrez le raccordement pour le rendre étanche au vide. Ensuite, ouvrez le robinet pour pomper le système pendant quelques secondes afin d'éliminer l'air.

Attendre que l'échantillon revienne à la température ambiante avant d'ouvrir la vanne menant à la buse à jet. La pression dans la chambre source doit augmenter. Revenir au logiciel d'acquisition des données.

Sur l'ordinateur, vérifiez qu'un spot de jet est encore visible et identifiez les pics les plus marquants dans le spectre de temps de vol. Continuez à travailler dans le logiciel d'acquisition de données. Pour l'analyse, créez un graphique utilisant le temps de vol du premier ion détecté en abscisse et le temps de vol du second ion détecté en ordonnée.

Lorsque deux fragments ont été détectés en coïncidence, ils apparaissent comme des régions présentant de nombreux décomptes. Si deux fragments s'ajoutent à la masse du noyau d'origine, ils respectent la conservation de la quantité de mouvement et apparaissent sous 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 deux premiers impacts pour obtenir la valeur de l'axe des x, et en additionnant les temps de vol des troisième et quatrième impacts pour obtenir la valeur de l'axe des y.

Les positions et les formes des structures résultantes révèlent des informations sur les masses et les impulsions. Ajustez la puissance du laser de manière à optimiser le nombre de comptages dans le spectre. Lors de l'optimisation du taux pour la dissociation pertinente, nous devons garder à l'esprit que le taux global ne doit pas dépasser 10 % de la fréquence de répétition du laser afin d'éviter les coïncidences erronées.

Ces données proviennent d'un mélange racémique synthétique de bromochlorofluorométhane. Seuls les événements impliquant une fragmentation en cinq ions simplement chargés ont été enregistrés. L'axe horizontal est calculé à l'aide d'un produit triple des vecteurs de quantité de mouvement des ions halogènes.

L'énantiomère S se trouve à gauche de l'histogramme. Le diagramme illustre ses données angulaires associées. L'énantiomère R se trouve à droite de l'histogramme, accompagné d'un diagramme illustrant son angle.

La fréquence de répétition du laser était de 100 kilohertz et la mesure a duré environ 11 heures. Cette animation montre comment il est possible d'utiliser les données enregistrées des vecteurs de quantité de mouvement des fragments pour transformer leur orientation aléatoire dans les jets en un système de coordonnées moléculaires. Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez avoir une idée de la manière dont l'imagerie par 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 en coïncidence permet une observation détaillée de la molécule. Toutefois, l’extraction de ces informations à partir des données brutes nécessite beaucoup d’efforts lors de l’étape d’analyse. Les secrets des sciences de la vie dans le monde des molécules se produisent à une échelle de temps d’un milliardième de milliardième de seconde, et notre méthode peut révéler et visualiser ces dynamiques rapides.