立体異性体を区別するためのツールとしてクーロン爆発イメージング

本実験の全体的な目的は、クーロン爆発を用いて気相中の個々の分子のキラリティーをイメージングすることです。この手法は、立体化学における重要な課題に取り組むための新しいアプローチです。特に、小さなキラル種の絶対配置およびその光誘起ダイナミクスを決定することが可能になります。

この手法の主な利点は、分子崩壊によるすべての荷電フラグメントのエネルギーと放出方向を同時計数して記録できることです。私たちは、単一分子に基づいた立体化学の機密をより深く知り、測定するために、25年以上にわたってこの多重同時計数イメージング技術を開発してきました。実験の中核となるのは、このCOLTRIMS装置のような、イオンの同時計数イメージングのためのセットアップとフェムト秒レーザーです。

フェムト秒レーザービームは隣室から導入されます。COLTRIMS法の基本原理がこのアニメーションに示されています。分子ビームはノズルとスキマーを介して真空チャンバーに導入されます。

レーザービームを分子ビームに直角に交差させ、イオン化およびその後のフラグメンテーションを誘導します。分光計内の電場によりイオンを検出器まで導き、衝突の時間と位置を記録します。装置を動作可能な状態に準備し、相互作用室の真空度を確認してください。

圧力は10⁻⁹ hPa未満にする必要があります。レーザーを低強度で点灯させ、ビームのアライメントを行います。ビームが実験チャンバーに入り、チャンバーの集光ミラーで反射していることを確認してください。

ビームカードを使用して、入射ビームと出射ビームが空間的に一致しているかを確認します。操作を続行する前に、レーザービームを遮断してください。分光計および検出器の電源を入れる準備をします。

まず、相互作用室の真空計をオフにします。次に、マイクロチャネルプレートの増幅信号出力を高速オシロスコープに接続します。その後、検出器および分光器内の電界用高電圧電源をオンにします。

まず遮蔽物を除いて、レーザービームによる作業を再開します。ビーム強度を調整するため、回転可能な偏光フィルターを用意してください。チャンバーの直前にパワーメーターをビーム内に配置し、フィルターを使用してビーム強度を10¹⁴ W/cm²以下に調整します。

このセットアップでは、これはパワーメーター上の 100 milliwatts に相当します。パワーメーターを取り外し、オシロスコープのトレースを確認してください。信号の品質と検出器の設定を確認することが極めて重要です。

ノイズが多く記録されると、真の同時計数を見つけることが非常に困難になります。信号周波数はレーザー繰り返し周波数の約5%である必要があります。信号は、リンギングのない、数百ミリボルトの単一ピークを持つ必要があります。

マイクロチャンネルプレートからの信号幅は10 nanosecondsを超えないようにしてください。次に、データ収集ソフトウェアに切り替えます。そこで検出器の画像を表示させると、レーザーの影響で中心に拡散したスポットがある円形が表示されるはずです。

この時点で、ガスジェットの供給源としてガスシリンダーから1 barのアルゴンを供給します。集光ミラーを調整しながら、データ収集ソフトウェアで検出器の画像をリアルタイムで観察してください。狭いスポットが現れれば、分子ジェットとレーザービームの重なりが特定されたことになります。

目的は、ジェットビームのオーバーラップを最大化し、ジェットスポットのカウント数を増加させることです。ジェットビームのオーバーラップを最適化した後、実験に使用する試料を調製します。この試料は、すでにセットアップに適合するシリンダーに封入されています。

まず、サンプルの損失を防ぐため、シリンダーを液体窒素で1〜2分間冷却します。冷却したシリンダーをジェットシステムに接続し、接続部を締めて真空漏れがないようにします。次に、バルブを開いてシステム内を数秒間ポンプ排気し、空気を除去します。

ジェットノズルへのバルブを開く前に、サンプルが室温に戻るまで待機します。ソースチャンバー内の圧力が上昇します。データ収集ソフトウェアに戻ります。

コンピューター上で、ジェットスポットが引き続き確認できることを検証し、飛行時間スペクトルにおける最も顕著なピークを特定します。引き続きデータ収集ソフトウェアで操作を行います。解析のために、検出された1番目のイオンの飛行時間をx軸に、2番目のイオンの飛行時間をy軸にしたプロットを作成します。

2つのフラグメントが同時計数された場合、それらはカウント数の多い領域として現れます。2つのフラグメントの質量の合計が親粒子の質量と一致する場合、運動量保存則が満たされ、鋭い対角線として表示されます。1回目と2回目のヒットの飛行時間を合計した値をx軸に、3回目と4回目のヒットの飛行時間を合計した値をy軸にしたプロットを作成し、4つの粒子の飛行時間解析を行います。

得られた構造の位置と形状から、質量と運動量に関する情報を得ることができます。スペクトルのカウント数が最適になるようにレーザー出力を調整してください。関連する崩壊の率を最適化する際は、偽の同時計数を避けるため、全体の率がレーザー繰り返し周波数の10%を超えないように留意する必要があります。

これらのデータは、ブロモクロロフルオロメタンの合成ラセミ混合物から得られたものです。5つの1価イオンに断片化したイベントのみが表示されています。横軸は、ハロゲンイオンの運動量ベクトルの三重積を用いて計算されています。

ヒストグラムの左側がSエナンチオマーです。図は、それに関連する角度データを示しています。ヒストグラムの右側がRエナンチオマーであり、その角度を示す図が添えられています。

レーザー繰り返し周波数は100 kilohertzで、測定には約11時間かかりました。このアニメーションでは、記録されたフラグメントの運動量ベクトルデータを使用して、ジェット内でのランダムな配向を分子座標系に変換する方法を示しています。このビデオを視聴することで、COLTRIMS法を用いたクーロン爆発イメージングがどのように行われるかについて理解を深めることができます。

4つまたは5つのフラグメントの運動量ベクトルを同時計数で記録することにより、分子の詳細な視覚化が可能になります。しかし、生データからこの情報を抽出するには、解析段階で多大な労力を要します。分子の世界における生命科学の機密は、10兆分1秒という時間スケールで展開されており、本手法を用いることで、これらの高速なダイナミクスを明らかにし、可視化することができます。