הפיצוץ הקולומבית הדמיה ככלי להבחנה בין Stereoisomers

המטרה הכללית של ניסוי זה היא להשתמש בפיצוץ קולון (Coulomb explosion) כדי לדמות את הכיריליות של מולקולות בודדות בשלב הגזי. שיטה זו מהווה גישה חדשה למתן מענה לשאלות חשובות בסטריאוכימיה. בפרט, היא מאפשרת לקבוע את התצורה המוחלטת של מינים כירליים קטנים ואת הדינמיקה המושרה על ידי אור במערכות אלו.

היתרון המרכזי של טכניקה זו הוא שניתן להקליט בצירוף (coincidence) את האנרגיה וכיוון הפליטה של כל מקטעי המטען הנובעים מפירוק מולקולרי. פיתחנו את טכניקת הדמיית הרב-צירוף (multicoincidence) הזו לאורך תקופה של למעלה מ-25 שנים, כדי ללמוד ולהמדוד את סודות הסטריאוכימיה על בסיס מולקולות בודדות. לב הניסוי הוא מערך להדמיה בצירוף של יונים ולייזר פמטו-שנייה, כגון מכשיר COLTRIMS זה.

קרן לייזר הפמטוסנייה נכנסת מחדר סמוך. יסודות טכניקת ה-COLTRIMS מוצגים באנימציה זו. אלומת מולקולות נכנסת לתא הוואקום דרך נחיר (nozzle) וסקימר (skimmer).

קרן לייזר חוצה את הגרם המולקולרי בזווית ישרה וגורמת ליינון ולפרגמנטציה עוקבת. השדה החשמלי בספקטרומטר מנחה את היונים אל הגלאי, שם נרשמים זמני הפגיעה ומיקומי הפגיעה שלהם. הכינו את המערך להפעלה ובדקו את הוואקום בתא האינטראקציה.

הלחץ צריך להיות נמוך מ-10⁻⁹ hectopascal. כאשר הלייזר דולק ובעוצמה נמוכה, בצעו את יישור קרן הלייזר. ודאו שהקרן נכנסת לתא הניסוי ומוחזרת ממראת המיקוד של התא.

השתמשו בכרטיס קרן כדי לוודא שהקרניים הנכנסות והיוצאות חופפות מרחבית. חסמו את קרן הלייזר לפני שתמשיכו. הכינו את ספקי הכוח של הספקטרומטר והגלאי להפעלה.

ראשית, כבו את מדי הוואקום בתא האינטראקציה. לאחר מכן, חברו את יציאת האות המוגבר של לוחות המיקרו-ערוץ (microchannel plates) לאוסצילוסקופ מהיר. כעת הדליקו את ספקי המתח הגבוה עבור הגלאי והשדה החשמלי בספקטרומטר.

חזרו לעבוד עם קרן הלייזר על ידי ביטול החסימה שלה תחילה. הכינו מסנן קיטוב סיבובי כדי לכוונן את עוצמת הקרן. הניחו מד הספק בנתיב הקרן רגע לפני התא, והשתמשו במסנן כדי לכוונן את עוצמת הקרן לרמה הנמוכה מ-10 to the 14th watts per square centimeter.

עבור הגדרה זו, הדבר תואם ל-100 milliwatts במד ההספק. הסר את מד ההספק ובחן את עקבת האוסצילוסקופ. חיוני לבדוק את איכות האות ואת הגדרות הגלאי.

אם מוקלט רעש רב מדי, קשה מאוד למצוא את התאימותים האמיתיים. תדירות האות צריכה להיות כ-5% מקצב החזרת הלייזר. האות צריך להכיל שיא אחד של מספר מאות מילי-וולט ללא תנודות (ringing).

רוחב האותים מהלוחית המיקרו-ערוצית (microchannel plate) לא יעלה על 10 nanoseconds. כעת עברו לתוכנת רכישת הנתונים. שם, הציגו תמונה של הגלאי, שצריכה להיות מעגל עם נקודה מפוזרת במרכזו כתוצאה מהלייזר.

בנקודה זו, ספקו לחץ של bar אחד של ארגון מבלון גז כמקור עבור סילון הגז. עקבו אחר תמונת הגלאה בזמן אמת בתוכנת רכישת הנתונים תוך כדי כיוון מראת המיקוד. אם מופיעה נקודה צרה, סימן שנמצא חפיפה בין הסילון המולקולרי לקרן הלייזר.

המטרה היא למקסם את החפיפה של קרן הג'ט ולהגדיל את מספר הספירות בנקודת הג'ט. לאחר אופטימיזציה של חפיפת קרן הג'ט, הכין את הדגימה לשימוש בניסוי. דגימה זו כבר נמצאת בתוך גליל התואם את מערך הניסוי.

ראשית, קררו את הצילינדר בחנקן נוזלי למשך דקה עד שתי דקות כדי למנוע אובדן של דגימות. חברו את הצילינדר המקורר למערכת הסילון והדקו את החיבור כדי להבטיח אטימות לוואקום. לאחר מכן, פתחו את השסתום כדי לשאוב את המערכת למשך מספר שניות לצורך סילוק האוויר.

המתן עד שהדגימה תחזור לטמפרטורת החדר לפני פתיחת השסתום לנחיר הסילון. הלחץ בתא המקור אמור לעלות. חזור לתוכנת רכישת הנתונים.

במחשב, ודאו שכתם הסילון עדיין נראה, וזהו את הפסגות הבולטות ביותר בספקטרום זמן המעוף (time-of-flight). המשיכו לעבוד בתוכנה לרכישת נתונים. לצורך הניתוח, צרו גרף שבו ציר ה-x מייצג את זמן המעוף של האיון הראשון שזוהה, וציר ה-y מייצג את זמן המעוף של האיון השני שזוהה.

כאשר שני מקטעים מזוהים בסינכרוניות (coincidence), הם מופיעים כאזורים עם ספירות גבוהות. אם שני מקטעים משלימים יחד את המסה של המולקולה ההורית, הם מקיימים את שימור התנע ומופיעים כקוים אלכסוניים חדים. בצעו ניתוח זמן מעוף (time-of-flight) של ארבעה חלקיקים באמצעות תרשים שנוצר על ידי סכימת זמני המעוף של הפגיעות הראשונה והשנייה כערך לציר ה-x, וסכימת זמני המעוף של הפגיעות השלישית והרביעית כערך לציר ה-y.

המיקומים והצורות של המבנים המתקבלים חושפים מידע על המסות והתנעים. התאימו את הספק הלייזר כך שמספר הספירות בספקטרום יהיה אופטימלי. בעת אופטימיזציה של הקצב עבור הפירוק הרלוונטי, יש לזכור כי הקצב הכולל לא יעלה על 10% מקצב החזרת הלייזר, כדי למנוע התקלויות שגויות (false coincidences).

נתונים אלו הם מתערובת רסמית סינתטית של ברומוכלורפלואורומתאן. מוצגים רק אירועים שבהם נרשמה פרגמנטציה לחמישה יונים בעלי מטען יחיד. הציר האופקי מחושב באמצעות מכפלה משולשת של וקטורי התנע של יוני ההלוגן.

האננטיומר S נמצא משמאל להיסטוגרמה. הדיאגרמה ממחישה את נתוני הזוויות המשויכים אליו. האננטיומר R נמצא מימין להיסטוגרמה, יחד עם דיאגרמה הממחישה את הזווית שלו.

קצב חזרת הלייזר היה 100 kilohertz והמדידה ארכה כ-11 שעות. אנימציה זו מדגימה כיצד ניתן להשתמש בנתוני וקטור התנע שהוקלטו של השברים כדי להמיר את האוריינטציה האקראית שלהם בסילוני החלקיקים למערכת קואורדינטות מולקולרית. לאחר צפייה בסרטון זה, תהיה לך הבנה לגבי האופן שבו מתבצע דימות פיצוץ קולון (Coulomb explosion imaging) באמצעות טכניקת COLTRIMS.

רישום של וקטורי התנע של ארבעה או חמישה מקטעים בקו-אינסידנציה (coincidence) מאפשר מבט מפורט אל תוך המולקולה. עם זאת, חילוץ מידע זה מהנתונים הגולמיים דורש מאמץ רב בשלב הניתוח. סודות מדעי החיים בעולם המולקולות מתרחשים בסדר גודל של זמן של מיליארדית המיליארדית של השנייה, והשיטה שלנו יכולה לחשוף ולהמחיש דינמיקה מהירה זו.