Stereoisomers 사이 구별 하는 도구로 쿨롱 폭발 영상

본 실험의 전반적인 목표는 쿨롱 폭발(Coulomb explosion)을 이용하여 기상 상태에 있는 개별 분자의 카이랄성(handedness)을 이미지화하는 것입니다. 이 방법은 입체화학의 중요한 질문들을 해결하기 위한 새로운 접근 방식입니다. 특히, 이 방법을 통해 작은 카이랄 종의 절대 배열과 그들의 광유도 역학을 결정할 수 있습니다.

이 기술의 주요 장점은 분자 붕괴로 발생하는 모든 전하 파편의 에너지와 방출 방향을 동시 계수(coincidence) 방식으로 기록할 수 있다는 것입니다. 당사는 단일 분자를 기반으로 입체 화학의 비밀을 측정하고 더 자세히 알아내기 위해 25년 이상의 기간 동안 이러한 다중 동시 계수 이미징 기술을 개발해 왔습니다. 이 실험의 핵심은 이 COLTRIMS 장치와 같은 이온 동시 이미징 설정과 펨토초 레이저입니다.

펨토초 레이저 빔이 인접한 방에서 들어옵니다. COLTRIMS 기술의 기본 원리가 이 애니메이션에 묘사되어 있습니다. 분자 빔이 노즐과 스키머를 통해 진공 챔버로 들어옵니다.

레이저 빔이 분자 빔을 직각으로 가로지르며 이온화와 그에 따른 파편화를 유도합니다. 분광계 내의 전기장은 이온을 검출기로 안내하며, 이곳에서 이온이 충돌하는 시간과 위치가 기록됩니다. 작동을 위해 설비를 준비하고 상호작용 챔버의 진공 상태를 확인하십시오.

압력은 10⁻⁹ hPa 미만이어야 합니다. 레이저를 켜고 낮은 강도에서 빔 정렬을 수행하십시오. 빔이 실험 챔버로 들어가 챔버의 집광 거울에서 반사되는지 확인하십시오.

빔 카드를 사용하여 입사빔과 출사빔이 공간적으로 일치하는지 확인하십시오. 작업을 계속하기 전에 레이저 빔을 차단하십시오. 분광계와 검출기 전원 공급 장치를 켤 준비를 하십시오.

먼저, 상호작용 챔버의 진공 게이지를 끕니다. 다음으로, 마이크로채널 플레이트의 증폭 신호 출력을 고속 오실로스코프에 연결합니다. 이제 검출기와 분광계의 전기장용 고전압 전원 공급 장치를 켭니다.

먼저 레이저 빔의 차단을 해제하여 작업을 재개하십시오. 빔 강도를 조절할 수 있도록 회전 가능한 편광 필터를 준비합니다. 챔버 바로 앞 빔 경로에 파워 미터를 배치하고, 필터를 사용하여 빔 강도를 10¹⁴ W/cm² 미만으로 조정하십시오.

이 설정에서 이는 전력계의 100 milliwatts에 해당합니다. 전력계를 제거하고 오실로스코프 파형을 관찰하십시오. 신호 품질과 검출기 설정을 확인하는 것이 매우 중요합니다.

너무 많은 노이즈가 기록되면 실제 일치 신호를 찾기가 매우 어렵습니다. 신호 주파수는 레이저 반복률의 약 5%여야 합니다. 신호는 링잉 현상 없이 수백 밀리볼트의 단일 피크를 가져야 합니다.

마이크로채널 플레이트의 신호 폭은 10 nanoseconds를 초과해서는 안 됩니다. 이제 데이터 수집 소프트웨어로 전환하십시오. 소프트웨어에서 검출기 이미지를 표시하면, 레이저로 인해 중앙에 확산된 점이 있는 원형 모양이 나타나야 합니다.

이 단계에서 가스 실린더로부터 1 bar의 argon을 가스 제트의 공급원으로 제공합니다. 포커싱 거울을 조정하는 동안 데이터 획득 소프트웨어에서 검출기 이미지를 실시간으로 관찰하십시오. 좁은 점이 나타나면 분자 제트와 레이저 빔의 중첩 지점을 찾은 것입니다.

목표는 제트 빔 중첩을 최대화하고 제트 스팟의 카운트를 증가시키는 것입니다. 제트 빔 중첩을 최적화한 후, 실험에 사용할 샘플을 준비하십시오. 이 샘플은 이미 장치와 호환되는 실린더에 들어 있습니다.

먼저, 시료 손실을 방지하기 위해 실린더를 액체 질소에서 1~2분 동안 냉각합니다. 냉각된 실린더를 제트 시스템에 연결하고, 진공 상태가 유지되도록 연결 부위를 단단히 조입니다. 다음으로, 밸브를 열어 시스템을 몇 초 동안 펌핑하여 공기를 제거합니다.

제트 노즐 밸브를 열기 전에 샘플이 상온으로 돌아올 때까지 기다립니다. 소스 챔버의 압력이 상승해야 합니다. 데이터 수집 소프트웨어로 돌아갑니다.

컴퓨터에서 제트 스폿(jet spot)이 여전히 보이는지 확인하고, 비행 시간(time-of-flight) 스펙트럼에서 가장 두드러진 피크들을 식별합니다. 데이터 수집 소프트웨어를 계속 사용하여 작업을 수행합니다. 분석을 위해, x축에는 처음으로 검출된 이온의 비행 시간을, y축에는 두 번째로 검출된 이온의 비행 시간을 사용하여 그래프를 작성합니다.

두 개의 파편이 동시 검출되면, 많은 카운트가 나타나는 영역으로 표시됩니다. 두 파편의 합이 모분자 질량과 일치하면, 운동량 보존 법칙을 충족하며 날카로운 대각선 형태로 나타납니다. 첫 번째와 두 번째 충돌의 비행 시간 합계를 x축 값으로 사용하고, 세 번째와 네 번째 충돌의 비행 시간 합계를 y축 값으로 사용하는 그래프를 생성하여 네 입자에 대한 비행 시간 분석을 수행하십시오.

결과 구조의 위치와 모양은 질량과 운동량에 대한 정보를 나타냅니다. 스펙트럼의 카운트 수가 최적화되도록 레이저 출력을 조정하십시오. 관련 붕괴의 속도를 최적화할 때, 거짓 일치(false coincidences)를 방지하기 위해 전체 속도가 레이저 반복률의 10%를 초과하지 않도록 주의해야 합니다.

이 데이터는 브로모클로로플루오로메탄의 합성 라세미 혼합물에서 얻은 것입니다. 5개의 단일 전하 이온으로 파편화된 이벤트만 기록하여 표시하였습니다. 가로축은 할로겐 이온들의 운동량 벡터의 삼중곱을 사용하여 계산되었습니다.

S 거울상 이성질체는 히스토그램의 왼쪽에 위치합니다. 도표는 이와 관련된 각도 데이터를 보여줍니다. R 거울상 이성질체는 히스토그램의 오른쪽에 있으며, 각도를 설명하는 도표가 함께 제시되어 있습니다.

레이저 반복률은 100 kilohertz였으며, 측정에는 약 11시간이 소요되었습니다. 이 애니메이션은 파편의 기록된 운동량 벡터 데이터를 사용하여 제트 내의 무작위 방향성을 분자 좌표계로 변환하는 방법을 보여줍니다. 이 영상을 시청하고 나면 COLTRIMS 기술을 이용한 쿨롱 폭발 이미징이 어떻게 수행되는지 이해하게 될 것입니다.

네 개 또는 다섯 개의 파편에 대한 운동량 벡터를 동시 계수하여 기록하면 분자의 세부적인 모습을 살펴볼 수 있습니다. 하지만 원시 데이터에서 이러한 정보를 추출하려면 분석 단계에서 많은 노력이 필요합니다. 분자 세계에서 생명 과학의 비밀은 100경분의 1초라는 시간 척도에서 일어나며, 본 연구의 방법은 이러한 빠른 역학을 밝혀내고 시각화할 수 있습니다.