Coulomb explosie Imaging als een instrument om te onderscheiden tussen stereo-isomeren

Het algemene doel van dit experiment is om Coulomb-explosie te gebruiken om de chiraliteit van individuele moleculen in de gasfase te beeldvormen. Deze methode is een nieuwe benadering om belangrijke vragen in de stereochemie te beantwoorden. In het bijzonder maakt het mogelijk om de absolute configuratie van kleine chirale componenten en hun foto-geïnduceerde dynamiek te bepalen.

Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat de energie en emissierichting van alle geladen fragmenten uit een moleculaire splitsing in coincidentie kunnen worden geregistreerd. We hebben deze multicoincidentie-beeldvormingstechniek gedurende een periode van meer dan 25 jaar ontwikkeld om meer te leren over en de geheimen van de stereochemie op basis van enkelvoudige moleculen te meten. De kern van het experiment is een opstelling voor de coincidentie-beeldvorming van ionen en een femtosecondelaser, zoals dit COLTRIMS-apparaat.

De femtoseconde laserstraal komt uit een aangrenzende ruimte. De basisprincipes van de COLTRIMS-techniek worden in deze animatie weergegeven. Een moleculaire straal treedt de vacuümkamer binnen via een sproeier en een skimmer.

Een laserstraal kruist de moleculaire bundel in een rechte hoek en leidt tot ionisatie en daaropvolgende fragmentatie. Het elektrisch veld in de spectrometer geleidt de ionen naar de detector, waar de tijden en posities van hun inslagen worden geregistreerd. Bereid de opstelling voor gebruik voor en controleer het vacuüm in de interactiekamer.

De druk moet lager zijn dan 10⁻⁹ hPa. Voer de uitlijning van de bundel uit terwijl de laser is ingeschakeld en op lage intensiteit staat. Zorg ervoor dat de bundel de experimentele kamer binnengaat en wordt gereflecteerd door de focusspiegel van de kamer.

Gebruik een beamcard om te controleren of de inkomende en uitgaande stralen ruimtelijk samenvallen. Blokkeer de laserstraal voordat u verdergaat. Maak u klaar om de voedingen van de spectrometer en de detector in te schakelen.

Zet eerst de vacuümmeters in de interactiekamer uit. Sluit vervolgens de versterkte signaaluitgang van de microkanaalplaatjes aan op een snelle oscilloscoop. Zet nu de hoogspanningsvoedingen voor de detector en het elektrische veld in de spectrometer in.

Keer terug naar het werken met de laserstraal door deze eerst te ontblokkeren. Houd een draaibare polarisatiefilter gereed om de intensiteit van de straal aan te passen. Plaats een vermogensmeter in de straal vlak voor de kamer en gebruik het filter om de straalintensiteit aan te passen naar minder dan 10¹⁴ watt per vierkante centimeter.

Voor deze opstelling komt dit overeen met 100 milliwatt op de vermogensmeter. Verwijder de vermogensmeter en observeer de oscilloscoopcurve. Het is essentieel om de signaalkwaliteit en de detectorinstellingen te controleren.

Als er te veel ruis wordt geregistreerd, zijn de werkelijke coincidenties zeer moeilijk te vinden. De signaalfrequentie moet ongeveer 5% van de herhalingssnelheid van de laser bedragen. Het signaal moet één piek van enkele honderden millivolt hebben zonder enige ringing.

De breedte van de signalen van de microchannelplate mag 10 nanoseconden niet overschrijden. Ga nu naar de software voor gegevensverwerving. Toon daar een afbeelding van de detector, welke een cirkel moet zijn met een diffuse vlek in het centrum als gevolg van de laser.

Lever op dit punt één bar argon uit een gascilinder als bron voor de gasstraal. Bekijk het live-detectorbeeld in de software voor gegevensacquisitie terwijl de focusspiegel wordt afgesteld. Als er een smalle stip verschijnt, is de overlap tussen de moleculaire straal en de laserstraal gelokaliseerd.

Het doel is om de overlap van de jetstraal te maximaliseren en de tellingen in de jetspot te verhogen. Bereid na het optimaliseren van de overlap van de jetstraal het monster voor gebruik in het experiment voor. Dit monster bevindt zich al in een cilinder die compatibel is met de opstelling.

Koel eerst de cilinder één tot twee minuten in vloeibare stikstof om monsterverlies te voorkomen. Sluit de gekoelde cilinder aan op het jet-systeem en draai de verbinding stevig aan om deze vacuümdicht te maken. Open vervolgens de klep om het systeem enkele seconden te pompen om de lucht te verwijderen.

Wacht tot het monster weer op kamertemperatuur is voordat u het ventiel naar de jet-nozzle opent. De druk in de bronkamer zou moeten toenemen. Keer terug naar de software voor gegevensacquisitie.

Verifieer op de computer of een jet spot nog zichtbaar is en identificeer de meest prominente pieken in het time-of-flight spectrum. Werk verder in de software voor gegevensacquisitie. Maak voor de analyse een plot met de time-of-flight van het eerste gedetecteerde ion op de x-as en de time-of-flight van het tweede gedetecteerde ion op de y-as.

Wanneer twee fragmenten in coïncidentie zijn gedetecteerd, verschijnen zij als regio's met veel tellingen. Als twee fragmenten samen gelijk zijn aan de massa van het moederdeeltje, voldoen ze aan de behoudswet van het momentum en verschijnen ze als scherpe diagonale lijnen. Voer een vluchttijdmeting uit van vier deeltjes met een plot die is gemaakt door de vluchttijden van de eerste en tweede hits op te tellen voor de waarde op de x-as en de vluchttijden van de derde en vierde hits op te tellen voor de waarde op de y-as.

De posities en vormen van de resulterende structuren onthullen informatie over de massa's en momenta. Pas het laservermogen aan zodat het aantal counts in het spectrum wordt geoptimaliseerd. Bij het optimaliseren van de snelheid voor de relevante dissociatie moet er rekening mee worden gehouden dat de totale snelheid 10% van de herhalingssnelheid van de laser niet mag overschrijden om valse coïncidenties te voorkomen.

Deze gegevens zijn afkomstig van een synthetisch racemisch mengsel van bromchloorfluormethaan. Er worden alleen gebeurtenissen weergegeven waarbij fragmentatie in vijf enkelvoudig geladen ionen is geregistreerd. De horizontale as is berekend met behulp van een drievoudig product van de momentumvectoren van de halogeenionen.

Het S-enantiomeer bevindt zich links in het histogram. Het diagram illustreert de bijbehorende hoekgegevens. Het R-enantiomeer bevindt zich rechts in het histogram, samen met een diagram ter illustratie van de hoek.

De herhalingssnelheid van de laser was 100 kilohertz en de meting duurde ongeveer 11 uur. Deze animatie demonstreert hoe het mogelijk is om de geregistreerde impulsvectorgegevens van de fragmenten te gebruiken om hun willekeurige oriëntatie in de jets om te zetten naar een moleculair coördinatensysteem. Na het bekijken van deze video zou u een idee moeten hebben van hoe Coulomb-explosie-imaging wordt uitgevoerd met behulp van de COLTRIMS-techniek.

Het registreren van de impulsvectoren van vier of vijf fragmenten in coïncidentie maakt een gedetailleerd inzicht in het molecuul mogelijk. Het extraheren van deze informatie uit de ruwe gegevens vereist echter veel inspanning tijdens de analysestap. De geheimen van de levenswetenschappen in de wereld van moleculen spelen zich af op een tijdschaal van een miljardste van een miljardste van een seconde, en onze methode kan deze snelle dynamiek onthullen en visualiseren.