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.

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</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 molecolare ad angolo retto, provocando ionizzazione e successiva frammentazione. Il campo elettrico nello spettrometro guida gli ioni verso il rivelatore, dove vengono registrati i tempi e le posizioni degli impatti. Preparare l'allestimento per l'uso e verificare il vuoto nella camera di interazione.La pressione dovrebbe essere inferiore a 10 alla meno nove ettopascal. Con il laser acceso e a bassa intensità, eseguire l'allineamento del fascio. Assicurarsi che il fascio entri nella camera dell'esperimento e venga riflesso dallo specchio focalizzante della camera.Utilizzare una scheda per fascio per verificare che i fasci in entrata e in uscita coincidano spazialmente. Bloccare il fascio del laser prima di proseguire. Prepararsi ad accendere le alimentazioni dello spettrometro e del rivelatore.Prima di tutto, spegnere i manometri a vuoto nella camera di interazione. Successivamente, collegare l'uscita del segnale amplificato delle piastre a microcanale a un oscilloscopio veloce. Ora accendere le alimentazioni ad alta tensione per il rivelatore e per il campo elettrico nello spettrometro.Riprendere il lavoro con il fascio laser rimuovendo innanzitutto il blocco. Avere a disposizione un filtro polarizzatore rotante per regolare l'intensità del fascio. Posizionare un misuratore di potenza nel fascio appena prima della camera e utilizzare il filtro per regolare l'intensità del fascio al di sotto di 10 alla 14a potenza watt per centimetro quadrato.Per questa configurazione, ciò corrisponde a 100 milliwatt sul misuratore di potenza. Rimuovere il misuratore di potenza e osservare il tracciato dell'oscilloscopio. È fondamentale verificare la qualità del segnale e le impostazioni del rivelatore.Se viene registrato troppo rumore, è molto difficile individuare le vere coincidenze. La frequenza del segnale dovrebbe essere circa il 5% della frequenza di ripetizione del laser. Il segnale dovrebbe presentare un unico picco di alcune centinaia di millivolt, senza alcun effetto di risonanza.La larghezza dei segnali provenienti dalla piastra a microcanali non deve superare i 10 nanosecondi. Passare ora al software di acquisizione dati. Visualizzare un'immagine del rivelatore, che dovrebbe presentare un cerchio con una macchia diffusa al centro dovuta al laser.A questo punto, fornire un bar di argon da una bombola del gas come sorgente per il getto gassoso. Osservare in tempo reale l'immagine del rivelatore nel software di acquisizione dati mentre si regola lo specchio di focalizzazione. Se appare un punto stretto, si è individuata la sovrapposizione tra il getto molecolare e il fascio laser.L'obiettivo è massimizzare la sovrapposizione del fascio a getto e aumentare i conteggi nel punto del getto. Dopo aver ottimizzato la sovrapposizione del fascio a getto, preparare il campione per l'uso nell'esperimento. Questo campione si trova già in un cilindro compatibile con l'apparato sperimentale.Per prima cosa, raffreddare il cilindro in azoto liquido per uno o due minuti per evitare perdite di campione. Collegare il cilindro raffreddato al sistema a getto e serrare il collegamento per renderlo ermetico al vuoto. Successivamente, aprire la valvola per pompare il sistema per alcuni secondi ed eliminare l'aria.Attendere che il campione ritorni alla temperatura ambiente prima di aprire la valvola verso l'ugello a getto. La pressione nella camera della sorgente dovrebbe aumentare. Tornare al software di acquisizione dati.Al computer, verificare che una macchia del getto sia ancora visibile e identificare i picchi più evidenti nello spettro di tempo di volo. Continuare a lavorare nel software di acquisizione dati. Per l'analisi, creare un grafico utilizzando il tempo di volo del primo ione rilevato lungo l'asse x e il tempo di volo del secondo ione rilevato lungo l'asse y.Quando due frammenti sono stati rilevati in coincidenza, appaiono come regioni con molti conteggi. Se due frammenti sommati corrispondono alla massa del genitore, soddisfano la conservazione della quantità di moto e si manifestano come linee diagonali nette. Eseguire un'analisi del tempo di volo di quattro particelle utilizzando un grafico creato sommando i tempi di volo della prima e della seconda collisione per ottenere il valore dell'asse x e sommando i tempi di volo della terza e della quarta collisione per ottenere il valore dell'asse y.Le posizioni e le forme delle strutture risultanti rivelano informazioni sulle masse e sui momenti. Regolare la potenza del laser in modo da ottimizzare il numero di conteggi nello spettro. Quando si ottimizza il tasso per la frammentazione rilevante, bisogna tenere presente che il tasso complessivo non deve superare il 10% della frequenza di ripetizione del laser per evitare coincidenze false.Questi dati provengono da una miscela racemica sintetica di bromoclorofluorometano. Sono mostrati solo gli eventi in cui è stata registrata una frammentazione in cinque ioni semplicemente carichi. L'asse orizzontale è calcolato utilizzando un prodotto triplo dei vettori quantità di moto degli ioni alogenuro.L'enantiomero S si trova a sinistra dell'istogramma. Il diagramma illustra i dati relativi all'angolo. L'enantiomero R si trova a destra dell'istogramma, insieme a un diagramma che illustra il suo angolo.La frequenza di ripetizione del laser era di 100 kilohertz e la misurazione ha richiesto circa 11 ore. Questa animazione mostra come sia possibile utilizzare i dati registrati del vettore quantità di moto dei frammenti per trasformare la loro orientazione casuale nei getti in un sistema di coordinate molecolari. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere un'idea di come viene eseguita l'immagine mediante esplosione coulombiana utilizzando la tecnica COLTRIMS.Registrare i vettori di quantità di moto di quattro o cinque frammenti in coincidenza permette una visione dettagliata della molecola. Tuttavia, estrarre queste informazioni dai dati grezzi richiede un notevole sforzo nella fase di analisi. I segreti delle scienze della vita nel mondo delle molecole avvengono su una scala temporale di un miliardesimo di miliardesimo di secondo e il nostro metodo può rivelare e visualizzare queste dinamiche rapide.

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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.

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

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