Name: Formazione immagine di esplosione Coulombiana come uno strumento per distinguere tra stereoisomeri (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-08-18T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 51 s
Description: Scopri l'imaging a esplosione Coulomb per determinare la chiralità di singole molecole in fase gassosa. Questa tecnica multicoincidenza con laser femtosecondo rivela la configurazione assoluta e la dinamica fotoindotta.

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Ringraziamo Robert Berger (Philipps-Universität Marburg, Germania) per ispirare le discussioni circa l'interpretazione dei nostri dati e chiralità molecolare in generale. Siamo grati a Julia Kiedrowski, Alexander Schießer e Michael Reggelin da TU Darmstadt (Germania), così come Benjamin Spenger, Manuel Mazenauer e Jürgen Stohner da ZHAW Wädenswil (Svizzera) per la fornitura del campione.
Il progetto è stato sostenuto dall'iniziativa di uno stato di Hessen per scientifica ed eccellenza economica sotto il fuoco ELCH (Electron dynamics dei sistemi chirali) e il Ministero federale dell'istruzione e ricerca (BMBF). MS riconosce il sostegno finanziario della Fondazione Adolf Messer.

<ol><li>Gübitz, G., Schmid, M. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chiral+Separation+by+Chromatographic+and+Electromigration+Techniques.+A+Review%5BTitle%5D)+AND+%22Biopharm.+Drug+Disposition%22%5BJournal%5D)">Chiral Separation by Chromatographic and Electromigration Techniques. A Review.</a> Biopharm. Drug Disposition. 22, 291-336 (2001).</li>
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<li>Pitzer, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Absolute+Configuration+from+Different+Multifragmentation+Pathways+in+Light-Induced+Coulomb+Explosion+Imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Chem+Phys+Chem%22%5BJournal%5D)">Absolute Configuration from Different Multifragmentation Pathways in Light-Induced Coulomb Explosion Imaging.</a> Chem Phys Chem. 17 (16), 2465-2472 (2016).</li>
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<li><a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22RoentDek+GmbH+The+RoentDek+Constant+Fraction+Discriminators+CFD8c%2C+CFD7x%2C+CFD4c%2C+CFD1c+and+CFD1x%22">RoentDek GmbH The RoentDek Constant Fraction Discriminators CFD8c, CFD7x, CFD4c, CFD1c and CFD1x</a>. , 
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<li>Calegari, F., et al. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0953-4075/49/14/142001/meta">Charge migration induced by attosecond pulses in bio-relevant molecules.</a> J. Phys. B.: At. Mol. Opt. Phys. 49 (14), 142001(2016).</li>
<li>Gaie-Levrel, F., Garcia, G. A., Schwell, M., Nahon, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((VUV+state-selected+photoionization+of+thermally-desorbed+biomolecules+by+coupling+an+aerosol+source+to+an+imaging+photoelectron%2Fphotoion+coincidence+spectrometer%3A+case+of+the+amino+acids+tryptophan+and+phenylalanine%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Chem.+Chem.+Phys%22%5BJournal%5D)">VUV state-selected photoionization of thermally-desorbed biomolecules by coupling an aerosol source to an imaging photoelectron/photoion coincidence spectrometer: case of the amino acids tryptophan and phenylalanine.</a> Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 7024-7036 (2010).</li>
<li>Ablikim, U., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Identification+of+absolute+geometries+of+cis+and+trans+molecular+isomers+by+Coulomb+Explosion+Imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Sci.+Rep%22%5BJournal%5D)">Identification of absolute geometries of cis and trans molecular isomers by Coulomb Explosion Imaging.</a> Sci. Rep. 6, 38202(2016).</li>
</ol>

Gli autori non dichiarano interessi concorrenti.

A causa della varietà di componenti, un programma di installazione COLTRIMS richiede un livello piuttosto elevato di competenza tecnica, soprattutto nei settori della tecnica del vuoto, rivelazione di particelle, veloce elettronica e analisi dei dati. Prima di dedicarsi alla ricerca delle specie complesse, dovrebbe quindi essere accuratamente controllato se l'installazione è in esecuzione correttamente, ad esempio eseguendo e analizzando una misura su una specie di biatomica o triatomica.
<p class="jove_cont...

Chiralità è una caratteristica della nostra natura che è stato affascinanti ricercatori per più di 150 anni. Nella 19th century, Pasteur, Van ' t Hoff e altri scoperto che molecole possono accadere in due strutture di immagine speculare che non sono super-imposable - come la nostra mano destra e sinistra. Questa proprietà è stata definita 'chirale', dalla parola greca per 'mano'.
Finora, nessuna differenza in proprietà termodinamiche o nei livelli di energia di destri e forme (i due ' enantiomeri') è stata trovata. Al fine di analizzare la manualità di un dato campione e a separare gli enantiomeri, interazione con altre molecole chirali può essere utilizzato, come avviene ad esempio in vari metodi cromatografici. 1 chiroottiche metodi quali dicroismo circolare (vibrazionale), CD (V) e dispersione rotatoria ottica, ORD, ordinariamente sono impiegati per distinguere tra enantiomeri. 2
Quando si tratta della determinazione della struttura microscopica, queste tecniche richiedono informazioni aggiuntive, ad esempio da calcoli di chimica quantistica. L'unica tecnica che ampiamente è accettato per determinare direttamente la configurazione assoluta è anomala diffrazione di raggi x. 3
Recentemente è stato dimostrato che la configurazione assoluta di specie chirali semplice può essere determinata da Coulomb esplosione Imaging. 4 , 5 in questo approccio, molecole in fase gassosa sono moltiplicare ionizzato affinché i restanti nuclei fortemente respingono ogni altro. Questa repulsione conduce alla frammentazione veloce ('esplosione') delle molecole. La direzione e l'entità del frammento momenta correlato alla struttura della molecola – per piccole molecole, le direzioni di slancio corrispondono sorprendentemente bene per gli assi di legame. Esplosione di Coulomb per determinazione della struttura molecolare è stato sperimentato utilizzando fasci di ioni molecolari da un acceleratore. 6 questa tecnica di lamina fascio ha recentemente stato anche chiesto il riconoscimento chirale. 7
Contrariamente anomala diffrazione di raggi x, il campione non deve essere cristallina ma fornito in fase gassosa. Questo rende l'approccio di Coulomb esplosione ideale per specie volatili e così complementari per diffrazione dei raggi x. In alcuni casi, la manualità può essere determinata anche per singole molecole.
In pratica, la ricostruzione esatta della struttura molecolare ha dimostrato difficile anche per i derivati del metano, ad es. molecole con un carbonio centrale e diversi sostituenti. Ciò è attribuita al fatto che l'interazione tra i frammenti non è esattamente Coulombic e che non tutti i legami rompono simultaneamente. Al fine di ottenere informazioni stereochimiche, soprattutto per distinguere tra enantiomeri, questa ricostruzione non è fortunatamente necessaria. Invece, i vettori di slancio di diversi frammenti possono essere correlati per produrre una quantità che si è distinta per le molecole di mano destra e sinistra. Per ottenere risultati affidabili, momenta frammento almeno quattro deve essere registrate.
Per misurare queste informazioni di slancio, i frammenti da uno – e un solo – disgregazione molecolare devono essere rilevato in un passaggio di misurazione singola. Questa condizione è definita solitamente come 'coincidente rilevamento'. Inoltre, le indicazioni di emissione devono essere analizzati, che gli importi in pratica per registrare il tempo e la posizione del frammento impatto in un formato di dati modalità elenco.
In fisica atomica e molecolare, tecniche sono state sviluppate che implementano questo approccio di misurazione impiegando elettrostatiche spettrometri di massa per massa rivelatori multi hit separazione e tempo - e posizione-sensibili. L'esempio più prominente è l'installazione COLTRIMS (freddo Target rinculo Ion Momentum Spectroscopy) – noto anche come reazione microscopio. 8 , 9 uno schizzo per questo tipo di esperimento è dato in Figura 1. Contrariamente a un COLTRIMS standard che può registrare anche gli elettroni, Coulomb esplosione Imaging richiede solo il rivelatore di ioni.
Spettrometro e rilevatore sono montati sotto vuoto ultraelevato (&#60; 1 x 10-9 hPa) per evitare la creazione di ioni da gas residuo. Singole molecole del campione sono fornite tramite un getto molecolare gratis gassoso creato da espansione supersonica: in virtù della pressione del vapore, le molecole espandono attraverso un piccolo ugello (circa 50 micron di diametro) nel vuoto. Questa parte dell'esperimento, la camera di origine, è separata dalla regione di interazione di solito due skimmer e fasi differenzialmente pompati. Un ulteriore pompata differenzialmente sezione si trova dietro la regione di interazione per il getto del gas di discarica e quindi evitare gas di fondo della regione di interazione.
Le radiazioni ionizzanti si interseca con il getto molecolare inferiore ai 90°. Maggior parte dei laboratori oggi utilizzano impulsi laser a femtosecondi, anche se la radiazione di sincrotrone, ioni veloci o impatto elettronico sono possibili 'proiettili' per indurre esplosione di Coulomb.
Il seguente protocollo rende il presupposto che esegue l'installazione per l'imaging coincidente di ioni e un laser a femtosecondi sono disponibili in laboratorio. L'intensità di picco necessaria per indurre l'esplosione di Coulomb in quattro o persino cinque frammenti deve essere dell'ordine di 6 x 1014 W/cm2. Per evitare misurazioni estremamente lunghi, il tasso di ripetizione del laser dovrebbe essere 10 kHz o più. Questo è fondamentale perché, da un lato, coincidente rilevazione può essere accertato solo se la probabilità di frammentazione nel fuoco del laser è significativamente inferiore a 1 ogni impulso laser (idealmente non più di 10%). Il tasso di frammentazione totale, d'altra parte, non dovrebbe essere inferiore a qualche kHz perché la quota delle vie multifragmentation pertinenti è di solito meno di 10-4. Fatto come incoraggiante, va ricordato che in linea di principio un evento singolo frammentazione è già sufficiente per identificare la configurazione di un campione di enantiopuri, e che la rilevazione di poche centinaia permette di determinare l'abbondanza di enantiomeri in un esempio di composizione enantiomerica sconosciuta.

<table><tbody><tr><td>CHBrCl2</td><td>SigmaAldrich</td><td>139181-10G</td><td>o altro</td></tr><tr><td>sistema laser a femtosecondi</td> campione adatto <td>KMLabs</td><td>Wyvern500</td><td></td></tr><tr><td>Specchi ad alta riflessione</td><td>EKSMA</td><td>042-0800</td><td></td></tr><tr><td>supporti per specchi</td><td>Newport</td><td>U100-A-LH-2K&nbsp; &nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>specchio di messa a fuoco (argento protetto, f = 75 mm)</td><td>Thorlabs&nbsp;</td><td>CM254-075-P01</td><td>(se disponibile: f = 60 mm)</td></tr><tr><td>Spettrometro COLTRIMS, comprensivo di elettronica e sistema di acquisizione dati</td><td>RoentDek</td><td>custom</td><td>contrariamente allo standard COLTRIMS, è necessario un solo rivelatore</td></tr></tbody></table>

formazione immagine di esplosione coulombiana come uno strumento per distinguere tra stereoisomeri

Coulomb Explosion Imaging as a Tool to Distinguish Between Stereoisomers

Questo articolo viene illustrato come COLTRIMS (freddo Target rinculo Ion Momentum Spectroscopy) o la tecnica del "reazione microscopio" può essere utilizzata per distinguere tra enantiomeri (stereoisomeri) di specie chirali semplici a livello di singole molecole. In questo approccio, un getto molecolare gassoso del campione si espande in una camera a vuoto e si interseca con impulsi laser a femtosecondi (fs). L'alta intensità degli impulsi conduce a digiuno più ionizzazione, accendendo una cosiddetta esplosione di Coulomb che produce parecchi frammenti cationici (caricati positivamente). Un campo elettrostatico guide questi cationi su rivelatori sensibili tempo e posizione. Simile ad uno spettrometro di massa di tempo di volo, l'orario di arrivo di ogni ione si ottengono informazioni sulla sua massa. Come un surplus, il campo elettrostatico è regolato in modo che la direzione di emissione e l'energia cinetica dopo frammentazione portare a variazioni nel tempo-di-volo e in posizione di impatto sul rivelatore.
Ogni impatto di ioni crea un segnale elettronico nel rivelatore; Questo segnale è trattato dall'elettronica ad alta frequenza e registrato evento per evento da un computer. I dati registrati corrispondono ai tempi di effetto e posizioni. Con questi dati, l'energia e la direzione di emissione di ogni frammento può essere calcolati. Questi valori sono correlati alle proprietà strutturali della molecola sotto inchiesta, vale a dire le lunghezze di legame e le posizioni relative degli atomi, che permette di determinare la molecola per molecola la manualità delle specie chirali semplici e altre caratteristiche isomerica.

In questa parte, vi mostriamo i risultati ottenuti per halomethanes. Queste specie sono l'ideale per gli esperimenti di prova-de-principio grazie alla loro semplicità e alta pressione di vapore. Nel frattempo, l'alotano specie più complessa è stato studiato facendo uso di singoli fotoni di raggi-x-soft da una fonte di sincrotrone per indurre ionizzazione più. 14
CHBrClF
<p class="jove_content" fo:keep...

Per piccole specie chirali, Coulomb esplosione Imaging fornisce un nuovo approccio per determinare la manualità delle singole molecole.

Formazione immagine di esplosione Coulombiana come uno strumento per distinguere tra stereoisomeri

This article shows how the COLTRIMS (Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy) or the "reaction microscope" technique can be used to distinguish ...

L'obiettivo generale di questo esperimento è utilizzare l'esplosione coulombiana per rilevare la chiralità di singole molecole in fase gassosa. Questo metodo rappresenta un approccio innovativo per affrontare questioni fondamentali nella stereochimica. In particolare, consente di determinare la configurazione assoluta di specie chirali di piccole dimensioni e la loro dinamica indotta da processi fotochimici.Il principale vantaggio di questa tecnica è che energia e direzione di emissione di tutti i frammenti carichi derivanti dalla rottura di una molecola possono essere registrate in coincidenza. Abbiamo sviluppato questa tecnica di imaging multicoincidenza nel corso di un periodo superiore a 25 anni per approfondire e misurare i segreti della stereochimica sulla base di singole molecole. Il cuore dell'esperimento è un apparato per l'imaging coincidente di ioni e un laser a femtosecondi, come questo dispositivo COLTRIMS.Il fascio laser a femtosecondi entra da una stanza adiacente. I principi di base della tecnica COLTRIMS sono illustrati in questa animazione. Un fascio molecolare entra nella camera a vuoto attraverso un ugello e un collimatore.Un fascio laser attraversa il fascio mo

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