Artykuł metodologiczny

Obrazowanie eksplozji kulombowskiej jako narzędzie do rozróżniania stereoizomerów

9.8K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/56062

⸱

18 sierpnia 2017

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Institut für Kernphysik, Goethe-Universität Frankfurt am Main, 2Experimentalphysik IV, Universität Kassel

W tym artykule

Podsumowanie

Dla małych gatunków chiralnych, Coulomb Explosion Imaging dostarcza nowego podejścia do określania ręczności pojedynczych molekuł.

Streszczenie

Ten artykuł pokazuje, jak można wykorzystać technikę COLTRIMS (Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy) lub technikę "mikroskopu reakcyjnego" do rozróżniania enancjomerów (stereoizomerów) prostych gatunków chiralnych na poziomie pojedynczych cząsteczek. W tym podejściu gazowy strumień molekularny próbki rozszerza się do komory próżniowej i przecina się z femtosekundowymi (fs) impulsami lasera. Wysoka intensywność impulsów prowadzi do szybkiej jonizacji wielokrotnej, wywołując tak zwaną eksplozję kulombowską, która wytwarza kilka kationowych (dodatnio naładowanych) fragmentów. Pole elektrostatyczne kieruje te kationy do detektorów wrażliwych na czas i położenie. Podobnie jak w przypadku spektrometru mas czasu przelotu, czas przybycia każdego jonu dostarcza informacji o jego masie. Dodatkowym atutem jest to, że pole elektrostatyczne jest regulowane w taki sposób, że kierunek emisji i energia kinetyczna po rozdrobnieniu prowadzą do zmian czasu przelotu i położenia uderzenia w detektor.

Każde uderzenie jonu tworzy sygnał elektroniczny w detektorze; sygnał ten jest przetwarzany przez elektronikę wysokiej częstotliwości i rejestrowany zdarzenie po zdarzeniu przez komputer. Zarejestrowane dane odpowiadają czasom uderzenia i położeniom. Dzięki tym danym można obliczyć energię i kierunek emisji każdego fragmentu. Wartości te są związane z właściwościami strukturalnymi badanej cząsteczki, tj. z długościami wiązań i względnymi pozycjami atomów, co pozwala na określenie cząsteczka po cząsteczce ręczności prostych gatunków chiralnych i innych cech izomerycznych.

Wprowadzenie

Chiralność to cecha naszej natury, która fascynuje badaczy od ponad 150 lat. WXIX wieku Pasteur, van't Hoff i inni odkryli, że cząsteczki mogą występować w dwóch strukturach lustrzanych, które nie są na siebie nakładalne - jak nasza lewa i prawa ręka. Ta właściwość została nazwana "chiralną", od greckiego słowa oznaczającego "rękę".

Jak dotąd, nie znaleziono żadnej różnicy we właściwościach termodynamicznych ani w poziomach energii form lewo- i prawoskrętnych (dwóch 'enancjomerów'). W celu analizy ręczności danej próbki i oddzielenia enancjomerów można zastosować interakcję z innymi cząsteczkami chiralnymi, jak to ma miejsce na przykład w różnych podejściach chromatograficznych. 1 Metody chiroptyczne, takie jak (wibracyjny) dichroizm kołowy, (V)CD i optyczna dyspersja rotacyjna, ORD, są rutynowo stosowane do rozróżniania enancjomerów. 2

Jeśli chodzi o określenie struktury mikroskopowej, techniki te wymagają dodatkowych informacji, np. z obliczeń kwantowo-chemicznych. Jedyną techniką, która jest powszechnie akceptowana do bezpośredniego określenia konfiguracji absolutnej, jest anomalna dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego. 3

Ostatnio pokazano, że absolutna konfiguracja prostych gatunków chiralnych może być określona przez obrazowanie eksplozji kulombowskiej. 4,5 W tym podejściu cząsteczki w fazie gazowej są zwielokrotniane tak, że pozostałe rdzenie silnie się odpychają. To odpychanie prowadzi do szybkiej fragmentacji ("eksplozji") cząsteczek. Kierunek i wielkość momentu fragmentu korelują ze strukturą cząsteczki – w przypadku małych cząsteczek kierunki pędu zaskakująco dobrze odpowiadają osiom wiązania. Eksplozja kulombowska do określania struktury molekularnej została zapoczątkowana przy użyciu wiązek jonów molekularnych z akceleratora. 6 Ta technika foliowania wiązką została ostatnio również zastosowana do rozpoznawania chiralnego. 7

W przeciwieństwie do anomalnej dyfrakcji rentgenowskiej, próbka nie może być krystaliczna, ale dostarczona w fazie gazowej. To sprawia, że podejście eksplozji kulombowskiej jest idealne dla związków lotnych, a tym samym uzupełnia dyfrakcję promieniowania rentgenowskiego. W niektórych przypadkach ręczność można określić nawet dla pojedynczych cząsteczek.

W praktyce, dokładna rekonstrukcja struktury molekularnej okazała się trudna nawet dla pochodnych metanu, np. cząsteczek z centralnym węglem i różnymi podstawnikami. Wynika to z faktu, że oddziaływanie między fragmentami nie jest dokładnie kulombowskie i że nie wszystkie wiązania pękają jednocześnie. W celu uzyskania informacji stereochemicznej, a zwłaszcza rozróżnienia enancjomerów, rekonstrukcja ta na szczęście nie jest konieczna. Zamiast tego wektory pędu różnych fragmentów mogą być skorelowane, aby uzyskać wielkość, która jest odrębna dla cząsteczek lewo- i prawoskrętnych. Aby uzyskać wiarygodne wyniki, należy zarejestrować co najmniej cztery momenty fragmentów.

Aby zmierzyć tę informację o pędzie, fragmenty z jednego - i tylko jednego - rozpadu molekularnego muszą być wykryte w jednym kroku pomiarowym. Ten stan jest zwykle określany jako "wykrywanie zbiegów okoliczności". Ponadto należy przeanalizować kierunki emisji, co w praktyce sprowadza się do zapisania czasu i pozycji uderzenia fragmentu w formacie danych w trybie listy.

W fizyce atomowej i molekularnej opracowano techniki, które implementują to podejście do pomiaru, wykorzystując spektrometry elektrostatyczne do separacji masy oraz czułe na czas i pozycję detektory wielokrotnych trafień. Najbardziej znanym przykładem jest konfiguracja COLTRIMS (Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy) – znana również jako mikroskop reakcyjny. 8,9 Szkic tego rodzaju eksperymentu znajduje się w Rysunek 1. W przeciwieństwie do standardowego COLTRIMS, który może również rejestrować elektrony, obrazowanie eksplozji kulombowskiej wymaga tylko detektora jonów.

Spektrometr i detektor są zamontowane w ultra-wysokiej próżni (<1 x 10-9 hPa), aby uniknąć tworzenia jonów z gazu resztkowego. Pojedyncze cząsteczki próbki są dostarczane przez gazowy wolny strumień molekularny wytwarzany przez ekspansję naddźwiękową: Ze względu na ciśnienie pary cząsteczki rozszerzają się przez małą dyszę (o średnicy około 50 μm) do próżni. Ta część eksperymentu, komora źródłowa, jest oddzielona od obszaru interakcji zwykle dwoma skimmerami i stopniami pompowanymi różnicowo. Dodatkowa sekcja pompowana różnicowo znajduje się za obszarem oddziaływania, aby zrzucić strumień gazu, a tym samym uniknąć gazu tła w obszarze oddziaływania.

Promieniowanie jonizujące przecina się z dżetem molekularnym pod kątem 90°. Większość laboratoriów używa obecnie femtosekundowych impulsów laserowych, chociaż promieniowanie synchrotronowe, szybkie jony lub uderzenia elektronów są możliwymi "pociskami" do wywołania eksplozji kulombowskiej.

Poniższy protokół zakłada, że w laboratorium dostępne są działające urządzenia do obrazowania zbieżnego jonów oraz laser femtosekundowy. Szczytowa intensywność potrzebna do wywołania eksplozji kulombowskiej na cztery, a nawet pięć fragmentów musi być rzędu 6 x10 14 W/cm2. Aby uniknąć nadmiernie długich pomiarów, częstotliwość powtarzania lasera powinna wynosić 10 kHz lub więcej. Ma to zasadnicze znaczenie, ponieważ, z jednej strony, wykrywanie zbieżności można ustalić tylko wtedy, gdy prawdopodobieństwo fragmentacji w ognisku lasera jest znacznie mniejsze niż 1 na impuls laserowy (najlepiej nie więcej niż 10%). Z drugiej strony, całkowity współczynnik fragmentacji nie powinien być niższy niż kilka kHz, ponieważ udział odpowiednich szlaków wielofragmentacyjnych jest zwykle mniejszy niż 10-4. Jako zachęcający fakt należy wspomnieć, że w zasadzie już pojedyncze zdarzenie fragmentacji wystarcza do zidentyfikowania konfiguracji próbki enancjomury, a wykrycie kilkuset pozwala określić obfitość enancjomerów w próbce o nieznanym składzie enancjomerycznym.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Uwaga: Należy zapoznać się ze wszystkimi możliwymi zagrożeniami związanymi z eksperymentem oraz pracą w laboratorium. Poniższa procedura obejmuje zastosowanie laserów klasy IV, wysokiego napięcia oraz próżni. Należy zapoznać się z kartą charakterystyki substancji niebezpiecznych (MSDS) dla badanych gatunków.

1. Przygotowanie

  1. Rozważania przygotowawcze
    UWAGA: Przed rozpoczęciem właściwego eksperymentu należy dokonać dwóch głównych wyborów: pierwszego dotyczącego badanych gatunków chemicznych, a drugiego dotyczącego pola elektrycznego w spektrometrze. Przyjmuje się tutaj, że układ był wcześniej wykorzystywany w innych eksperymentach i że sam spektrometr nie będzie przebudowywany.
    1. Wybór próbki
      1. Wybierz próbkę, w której można spodziewać się ścieżek fragmentacji niosących sygnaturę chiralności lub badanej cechy strukturalnej. Należy pamiętać, że atomy wodoru są często uwalniane jako fragmenty obojętne; grup funkcyjnych różniących się jedynie liczbą atomów wodoru prawdopodobnie nie da się rozróżnić. Rozpocznij od prostych (być może achiralnych) gatunków, takich jak halometany lub haloetany.
      2. Upewnij się, że dostępna jest co najmniej 0,02 mol próbki, ponieważ jest to minimalna ilość wykorzystana w dotychczasowych udanych eksperymentach.
      3. Zweryfikuj, czy dla danej próbki można osiągnąć wystarczające ciśnienie pary. W zależności od konstrukcji aparatury, do uzyskania odpowiedniej gęstości strumienia w eksperymentach laserowych niezbędne są ciśnienia pary >5 hPa. Jeśli ciśnienie pary jest znacznie niższe, sprawdź, czy wymagane wartości można osiągnąć poprzez podgrzanie próbki. Jest to możliwe zarówno w przypadku próbek ciekłych, jak i stałych (dla tych ostatnich dzięki sublimacji). Jeśli wymagane jest podgrzewanie, konieczne jest zapewnienie dodatniego gradientu temperatury wzdłuż drogi gazu w systemie doprowadzania (przy czym dysza powinna być najgorętszym elementem), aby uniknąć kondensacji. Można rozważyć bardziej zaawansowane schematy przygotowania próbek, takie jak przechwytywanie przez gaz nośny.
    2. Wybór natężenia pola elektrycznego w spektrometrze
      UWAGA: Wartość od 50 do 100 V/cm okazała się odpowiednia dla obrazowania eksplozji kulombowskiej (Coulomb Explosion Imaging). Optymalna wartość zależy jednak od geometrii spektrometru. Poniższe kroki pokazują, jak zoptymalizować natężenie pola elektrycznego.
      1. Oszacuj czas przelotu oczekiwanych fragmentów kationowych. Jeśli spektrometr składa się wyłącznie z obszaru pola jednorodnego o długości s i natężeniu pola elektrycznego E, średni czas przelotu cząstki o masie m i ładunku q jest określony prostym wzorem
        figure-protocol-1
      2. Oszacuj rozrzut x kationów fragmentów o masie m na detektorze, korzystając z obliczonego powyżej czasu przelotu t i wzoru
        figure-protocol-2
        Jony zyskają pęda px do 400 jednostek atomowych pędu (protony do 150 jednostek atomowych).
      3. Jeśli rozrzut przestrzenny x najlżejszych jonów jest większy niż promień detektora, zwiększ natężenie pola elektrycznego w obliczeniach, aż rozrzut będzie o kilka milimetrów mniejszy od rozmiaru detektora. Natężenie pola nie powinno być znacznie wyższe, ponieważ prowadzi to do niższej rozdzielczości dla cięższych fragmentów, które wykazują mniejszy rozrzut na detektorze.
  2. Sprawdzenie układu eksperymentalnego
    UWAGA: Przed przystąpieniem do właściwego pomiaru należy sprawdzić, czy układ eksperymentalny jest odpowiednio przygotowany.
    1. Upewnij się, że próżnia w komorze oddziaływania wynosi <1 x 10-9 hPa. W przeciwnym razie gaz resztkowy spowoduje wysoki poziom tła. W przypadku wątpliwości co do warunków próżni kontynuuj do kroku 2.2.1, w którym określane jest tempo jonizacji gazu resztkowego. Jeśli ciśnienie jest zbyt wysokie, wykonaj test szczelności. Jeśli nie stwierdzono wycieków, wypal komorę przez kilka dni.
    2. Zweryfikuj połączenia zasilania napięciowego i sygnałów detektora zgodnie z instrukcją lub opisem eksperymentu.
    3. Sprawdź, czy oprogramowanie do akwizycji danych na komputerze pomiarowym jest w stanie rejestrować i analizować co najmniej cztery jony. Upewnij się, że czas martwy modułów elektronicznych oraz szerokość impulsu sygnałów są mniejsze niż 30 ns.
  3. Przygotowanie doprowadzania próbki
    1. Zweryfikuj, czy rurki doprowadzające próbkę są czyste, a połączenia dokręcone. Jeśli próbka jest korozyjna (np. kwasowa), upewnij się, że wszystkie komponenty w systemie doprowadzania oraz pompy wstępne komory próżniowej są kompatybilne z wybraną próbką. Odsysaj powietrze z systemu doprowadzania próbki za pomocą pompy wstępnej, otwórz zawory i sprawdź, czy ciśnienie w komorze eksperymentalnej nie rośnie.
    2. Oczyść i przygotuj naczynie na próbkę. Wystarczająca będzie kąpiel ultradźwiękowa z acetonem lub zwykła laboratoryjna myjka do szkła.
    3. Przygotuj podgrzewanie zbiornika i systemu doprowadzania próbki, jeśli próbka wymaga ogrzania (por. 1.1.1.3). Najwygodniejszym sposobem jest zastosowanie regulowanych obwodów grzewczych, z których każdy składa się z drutu grzejnego, czujnika temperatury i sterownika temperatury.
    4. Jeśli próbka ma bardzo niskie ciśnienie pary lub ma tendencję do tworzenia klastrów (np. kwasy), zastosuj inne podejścia w celu przechwytywania lub współpropagacji z gazami obojętnymi. Zmodyfikuj konstrukcję linii gazowych w zależności od tych wymagań.
    5. Sprawdź, czy strumień molekularny jest dobrze wyrównany. W tym celu użyj próbki gazu szlachetnego (np. argonu), aby uzyskać gęsty strumień (ciśnienie bezwzględne około 1 bar powinno być wystarczające dla dyszy 50 µm). Zmaksymalizuj ciśnienie w sekcji odprowadzania strumienia, przesuwając manipulator, na którym zamontowana jest dysza.
  4. Zapewnienie femtosekundowych impulsów laserowych
    UWAGA: Impulsy jonizujące są dostarczane przez femtosekundowy system laserowy. Szczegółowy opis takiego lasera i jego zastosowania wykracza poza zakres niniejszego protokołu. W przypadku korzystania z komercyjnego systemu laserowego należy zapoznać się z instrukcją obsługi.
    1. Włącz laser i sprawdź profil wiązki laserowej na wyjściu.
    2. Sprawdź i w razie potrzeby skoryguj tor wiązki do okna wlotowego układu eksperymentalnego, regulując odpowiednie lustra.
    3. W razie potrzeby ustaw lustro skupiające wewnątrz komory eksperymentalnej za pomocą odpowiedniego manipulatora. Wycentruj odbicie lustra skupiającego względem wiązki padającej.
    4. Wstaw filtry  lub obrotowy polaryzator na torze wiązki, aby osiągnąć szczytową intensywność wynoszącą około 6 x 1014 W/cm2. W przypadku standardowego obrazowania eksplozji kulombowskiej stosuj polaryzację liniową. Jeśli badane są efekty dichroizmu, zmień polaryzację za pomocą płytki ćwierćfalowej bezpośrednio przed oknem wlotowym.
    5. Umieść fotodiodę w miejscu, w którym może ona rejestrować wiarygodną replikę impulsu laserowego (np. odbicie lub transmisję przez lustro ustawcze). Podłącz wyjście fotodiody do oscyloskopu i sprawdź, czy dioda generuje czyste impulsy z częstotliwością powtarzania lasera.
    6. Zawsze blokuj wiązkę, gdy nie jest używana.

2. Włączanie spektrometru i detektorów

UWAGA: Ta część protokołu zależy w niewielkim stopniu od rzeczywistej implementacji spektrometru i systemu detekcji. Opis przedstawiony tutaj jest prawidłowy dla standardowego układu COLTRIMS z heksagonalnym detektorem linii opóźniającej (HEX75).10 W tej implementacji detektor posiada 7 kanałów wyjściowych: jeden dla płytek mikrokanalikowych (MCP) oraz dwa dla każdej z trzech warstw anody.

  1. Włącz zasilacze.
    1. Wyłącz mierniki próżni w komorze oddziaływania, ponieważ mogą one generować jony wykrywane przez detektor.
    2. Podłącz wyjście wzmocnionego sygnału (używając szybkiego wzmacniacza ze wzmocnieniem ≈100) z MCP do szybkiego (najlepiej analogowego) oscyloskopu. Ustaw oscyloskop na 5 lub 10 ns na dywizję w skali czasu oraz 100 mV na dywizję w skali sygnału. Zweryfikuj, czy szum elektroniczny jest niższy niż 30 mV.
    3. Włącz zasilacz wysokiego napięcia dla detektora. Dla typowego detektora jonów napięcie wynosi -2 000 V dla strony przedniej i 300 V dla strony anody. Napięcie zależy od wieku MCP i powinno być ustawione tak, aby sygnały analogowe były maksymalne, ale nie ulegały nasyceniu. Sprawdź prąd. Zależy on od rezystancji MCP w detektorze, ale nie powinien przekraczać 50 µA. Na przebiegu oscyloskopu powinny być widoczne kilka sygnałów na sekundę o wysokości kilku stu mV („ciemne zliczenia”).
    4. Dostrój zasilacz spektrometru do wartości ustalonej w kroku 1.1.2.
  2. Sprawdź sygnały detektora poprzez jonizację gazu resztkowego
    UWAGA: Szczegółowy opis uruchamiania detektora znajduje się również w odpowiednich instrukcjach.11,12
    1. Zmniejsz intensywność lasera do szacunkowej wartości poniżej 1014 W/cm2 w ognisku. Odblokuj laser i obserwuj przebieg na oscyloskopie. Jeśli spowoduje to częstotliwość przekraczającą 5% częstotliwości repetycji lasera, ilość gazu resztkowego w komorze jest zbyt wysoka lub wiązka lasera dotyka spektrometru. Rozwiąż ten problem przed kontynuacją. Jeśli szybkość zliczeń jest znacznie niższa niż 5% częstotliwości repetycji lasera, stopniowo zwiększaj intensywność lasera.
    2. Przyjrzyj się bliżej sygnałom. Powinny one wykazywać tylko jeden pik o wysokości kilku stu mV i brak „dzwonienia” (oscylacji po właściwym impulsie). Szerokość sygnału MCP nie powinna przekraczać 10 ns (FWHM).
    3. Przejrzyj przebiegi oscyloskopu dla wszystkich sześciu sygnałów anody. Sygnały są tutaj szersze (20-30 ns) i zazwyczaj mają nieco niższe napięcie. Sprawdź ponownie, czy nie występują zakłócenia sygnału. Jeśli wszystkie sygnały anody są poniżej 100 mV, zwiększaj napięcie (krok 2.1.3) w krokach co 50 V. Dostrojenie wzmocnienia wzmacniacza może pomóc w uzyskaniu tej samej wysokości impulsu dla wszystkich kanałów.
    4. Przetwórz te sygnały analogowe na standardowe sygnały NIM (Nuclear Instrumentation Module) o wartości -0,8 V za pomocą dyskryminatora stałej frakcji (CFD). Sprawdzaj ustawienia CFD przed każdą serią eksperymentalną. Szczegółowy opis znajduje się w instrukcji dostępnej w internecie.12 Podaj impulsy NIM do przetwornika czas-cyfra (TDC), który rejestruje czas przybycia impulsów z wysoką rozdzielczością (zazwyczaj 25 ps). Sygnały czasowe te stanowią dane wejściowe dla oprogramowania do akwizycji i analizy danych.
    5. Uruchom oprogramowanie do akwizycji danych i rozpocznij rejestrację. Przeanalizuj rozkład trafień dla każdego kanału – histogramy powinny być podobne dla wszystkich kanałów. Jeśli tak nie jest w przypadku niektórych kanałów, sprawdź ustawienia CFD (krok 2.2.4) dla tych kanałów. Zweryfikuj ustawienia, dodatkowo sprawdzając sumę czasów przebiegu sygnału dla każdej z warstw detektora, zgodnie z opisem w instrukcji detektora. W razie potrzeby skoryguj ustawienia CFD.
    6. Wyświetl obraz z detektora w oprogramowaniu do akwizycji danych. Detektor powinien być wyświetlany jako koło z rozmytą plamą (obraz ogniska lasera) w centrum. Rozmiar plamy wynika głównie z prędkości termicznej jonizowanego gazu resztkowego.
    7. Podaj sygnał z diody laserowej (krok 1.5.5) do systemu akwizycji, najlepiej w ten sam sposób co sygnały z detektora. Wyświetl w oprogramowaniu widmo czasu przelotu. Powiąż zaobserwowane piki z gatunkami gazu resztkowego (H2, H2O, ewentualnie N2, O2, CO2), obliczając ich przewidywane czasy przelotu na podstawie geometrii spektrometru (krok 1.1.2.1).
    8. Spróbuj zminimalizować czas trwania impulsu lasera poprzez maksymalizację szybkości zliczeń, korzystając z korekcji dyspersji systemu laserowego. Krótszy impuls (a tym samym wyższa intensywność szczytowa) doprowadzi do znacznego wzrostu szybkości zliczeń.
    9. Jeśli ciśnienie tła jest tak niskie, że szybkość zliczeń jest niewystarczająca do przeprowadzenia powyższych kroków, włącz strumień gazu (patrz krok 2.3) i wykonaj kroki od 2.2.1 do 2.2.8. Widmo czasu przelotu w kroku 2.2.7 powinno być wtedy wyraźnie zdominowane przez gatunki obecne w strumieniu.
    10. Ustal bezwzględną orientację detektora. Aby to zrobić, przesuń lustro skupiające tak, aby obraz ogniska lasera wyraźnie przesuwał się na obrazie detektora w oprogramowaniu. Zanotuj kierunek ruchu (wykorzystany w kroku 5.1.1). Krok ten jest ważny dla pomiaru konfiguracji bezwzględnej, ponieważ pozwala uniknąć odwrócenia zmierzonych pędów względem rzeczywistej przestrzeni laboratoryjnej.
  3. Znajdź obszar nakładania się strumienia gazu i lasera.
    1. Włącz strumień gazu zgodnie z opisem w kroku 1.3.5.
    2. Jeśli szybkość zliczeń wzrośnie i na obrazie detektora w programie do akwizycji pojawi się bardzo wąska plama („plama strumienia”), upewnij się, że strumień molekularny i wiązka lasera nakładają się przynajmniej częściowo. W takim przypadku ostrożnie dostrój manipulator lustra skupiającego, aby zmaksymalizować liczbę zliczeń w plamie strumienia. Przy optymalnym nakładaniu się liczba zliczeń powinna być o rzędy wielkości wyższa niż liczba zliczeń z gazu resztkowego (krok 2.2). Może być konieczne zmniejszenie intensywności lasera, ponieważ szybkość zliczeń MCP nie powinna przekraczać 30 kHz. Jeśli tło wynikające z jonizacji gazu resztkowego jest zbyt wysokie w porównaniu z sygnałem ze strumienia gazu, rozważ rozszerzenie wiązki lasera poza komorą, aby uzyskać węższe ognisko.
    3. Jeśli na obrazie detektora nie widać plamy strumienia, dostrój manipulator lustra skupiającego w większych krokach, aby znaleźć obszar nakładania się, a następnie kontynuuj od kroku 2.3.2.

3. Dostarczanie próbki

  1. Przygotuj wszystkie niezbędne narzędzia, uszczelki do naczyń oraz pozostałe elementy, aby zminimalizować ekspozycję próbki na środowisko zewnętrzne.
  2. Wypełnij próbką naczynie, które zostanie podłączone do układu eksperymentalnego. Jeśli próbka charakteryzuje się wysoką prężnością par, schłodź wcześniej naczynie i próbkę, aby ograniczyć straty wynikające z odparowania na tym etapie.
  3. Podłącz cylinder z próbką do układu strumienia i dokręć połączenie tak, aby było szczelne próżniowo. Schłodź cylinder (w celu uniknięcia strat próbki) i pompuj przez kilka sekund, aby usunąć powietrze.
  4. Otwórz zawór prowadzący do dyszy. Ciśnienie w komorze źródłowej powinno wzrosnąć do co najmniej kilku 10-5 hPa.
  5. Zweryfikuj, czy widoczna jest plama strumienia (krok 2.3.2) i zidentyfikuj najwyraźniejsze piki w widmie czasu przelotu.
  6. Zoptymalizuj warunki eksperymentalne (dostosuj temperaturę, intensywność lasera, ciśnienie gazu współbieżnego…), aby zmaksymalizować stopień jonizacji próbki. Należy pamiętać, że ogrzewanie prowadzi do rozszerzalności termicznej komponentów, zatem konieczna może być regulacja manipulatora strumienia (krok 1.4.5).

4. Pomiar

UWAGA: Następujące kroki są wykonywane w oprogramowaniu do akwizycji danych.

  1. Analiza widma masowego i widma koincydencji.
    1. Narysować widmo czasu przelotu i przypisać poszczególne piki do mas, które mogą wystąpić w procesie fragmentacji (masa jonu macierzystego, dominujące fragmenty).
    2. Wyznaczyć czas przelotu pierwszego jonu na osi x oraz czas przelotu drugiego jonu na osi y. Obszary o dużej liczbie zliczeń wskazują na dwa fragmenty emitowane w koincydencji. Ostre linie diagonalne wskazują na rozpad na dwa naładowane fragmenty.
    3. Narysować podobny histogram dla większej liczby cząstek, np. sumę czasów przelotu dwóch pierwszych jonów na osi x oraz sumę czasów przelotu trzeciego i czwartego jonu na osi y. Przykład takiego widma wielokrotnej koincydencji przedstawiono na Rysunku 2.
    4. Próbować zidentyfikować różne rodzaje rozpadów w widmie czterech lub pięciu cząstek i sprawdzić, czy występuje rozpad, który mógłby dostarczyć badanych informacji strukturalnych.
  2. Oszacowanie czasu pomiaru.
    1. Przeprowadzić eksperyment przez około 1 h i sprawdzić liczbę zliczeń dla wybranego kanału. Należy uważać, aby nie zliczać zdarzeń tła.
    2. Pomnożyć tę liczbę przez przewidywany czas dostępny na eksperyment. Całkowita liczba zliczeń w odpowiednim kanale powinna wynosić co najmniej kilka tysięcy.
    3. Jeśli liczba zliczeń w wybranym kanale jest znacznie niższa od tej wartości, należy zwiększyć intensywność lasera i powtórzyć kroki 4.2.1 oraz 4.2.2. Należy dopilnować, aby szybkość zliczeń była wciąż wystarczająco niska dla detekcji koincydencyjnej (patrz Wstęp).

5. Analiza danych

UWAGA: Analiza danych w eksperymencie obrazowania z wykorzystaniem eksplozji kulombowskiej (Coulomb Explosion Imaging) jest zadaniem złożonym, lecz satysfakcjonującym, ponieważ wiele parametrów można precyzyjnie dostroić po zakończeniu eksperymentu, a także można zbadać liczne korelacje między zmierzonymi pędami. Wszystkie poniższe kroki są zazwyczaj wykonywane po eksperymencie w oprogramowaniu do analizy danych.

  1. Kalibracja parametrów eksperymentalnych
    UWAGA: W pierwszym kroku należy upewnić się, że informacje o pozycji i czasie zrekonstruowane z detektora są poprawne. Podobnie jak w przypadku strojenia elektroniki (krok 2.2), dokładna procedura zależy od konkretnej implementacji, w tym przypadku od oprogramowania do analizy danych. Z tego powodu można podać jedynie ogólne wskazówki.
    1. Wygeneruj obrazy z detektora. Sprawdź, czy dla wszystkich trzech warstw anod wielkość obrazu detektora odpowiada rzeczywistej wielkości MCP oraz czy obraz detektora jest wycentrowany w punkcie 0. Zweryfikuj, czy wszystkie kombinacje trzech warstw dają ten sam obraz detektora. Jeśli to konieczne, obróć lub odwróć detektor tak, aby układ współrzędnych obrazu detektora odpowiadał układowi laboratoryjnemu (wykorzystaj pomiary z kroku 2.2.10).
    2. Zidentyfikuj różne masy w widmie czasu przelotu i dopasuj funkcję spektrometru (krok 1.1.2.1) do tych wartości. Kluczowym parametrem w tym kroku jest przesunięcie czasu przelotu t0 , o które należy skorygować wszystkie wartości czasu przelotu.
    3. Przeanalizuj widma koincydencji (por. krok 4.1.4) i zidentyfikuj obiecujące kanały rozpadu. Zaleca się ustawienie bramki dla wartości czasu przelotu rzędu kilkuset ns wokół interesujących wzorców i wybór tylko tych zdarzeń w tych oknach do kolejnych kroków. W przeciwnym razie liczba niepotrzebnych zdarzeń będzie zbyt duża, co spowolni analizę.
    4. Zapisz skorygowane wartości x, y, t do dalszej analizy.
  2. Obliczanie pędów i energii jonów.
    1. Wykorzystaj parametry eksperymentalne i przyjęte stosunki masy do ładunku, aby obliczyć składowe pędu px, py oraz pz. Użyj ich do obliczenia energii kinetycznych fragmentów oraz ich sumy, czyli wydzielonej energii kinetycznej (KER).
    2. Wykorzystaj widmo koincydencji (krok 4.1.4) do precyzyjnego dostrojenia natężenia pola elektrycznego E i długości spektrometru s , a wykres pozycji uderzenia w funkcji czasu przelotu do wyznaczenia przesunięć pozycji x0 i y0 oraz prędkości vjet strumienia gazu. Jeśli konieczna jest precyzyjna kalibracja, użyj N2 i O2 rozpadających się na dwa jednokrotnie naładowane gatunki z bardzo wąskimi i dobrze scharakteryzowanymi progresjami wibracyjnymi w wydzielonej energii kinetycznej (patrz odniesienie 13 i bibliografia w nim zawarta).
      1. Wygeneruj wykres px względem py itd. i dostrój parametry tak, aby pędy były rozłożone na sferze w przestrzeni pędów (np. na okręgu na wykresach dwuwymiarowych) i wycentrowane w punkcie 0. Wynika to z faktu, że energia kinetyczna nie powinna zależeć od kierunku emisji fragmentu jonu.
      2. Wygeneruj wykres pędu sumarycznego wszystkich fragmentów z rozpadu cząsteczki. W przypadku całkowitego rozpadu rozkład powinien być wąski (zazwyczaj <10 jednostek pędu atomowego) i wycentrowany w punkcie 0.
  3. Wybór istotnych zdarzeń i badanie właściwości układu cząsteczkowego.
    1. Oddziel rzeczywiste zdarzenia rozpadu od tła poprzez ustawienie ograniczeń pędu sumarycznego wokół zaobserwowanych pików (zazwyczaj mniej niż 20 jednostek atomowych w każdym kierunku).
    2. Dla tych zdarzeń zastosuj rachunek wektorowy, aby skonstruować wielkości zawierające badane informacje strukturalne. Przykład różnicowania lewo- i prawoskrętnych stereoisomerów podano w następnej sekcji.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

W tej części przedstawiamy wyniki uzyskane dla halometanów. Gatunki te są idealne do eksperymentów typu proof-of-principle ze względu na swoją prostotę i wysoką prężność pary. Tymczasem bardziej złożony związek, halotan, został zbadany z wykorzystaniem pojedynczych fotonów miękkiego promieniowania rentgenowskiego ze źródła synchrotronowego w celu wywołania wielokrotnej jonizacji.14

CHBrClF

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Ze względu na różnorodność komponentów, konfiguracja COLTRIMS wymaga dość wysokiego poziomu wiedzy technicznej, zwłaszcza w zakresie techniki próżniowej, wykrywania cząstek, szybkiej elektroniki i analizy danych. Przed przystąpieniem do badania gatunków złożonych należy zatem dokładnie sprawdzić, czy układ działa prawidłowo, np. wykonując i analizując pomiar na gatunku dwuatomowym lub trójatomowym.

Optymalizacja intensywności i czasu trwania impulsów laserowych oraz nakładania się na ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów.

Podziękowania

Dziękujemy Robertowi Bergerowi (Philipps-Universität Marburg, Niemcy) za inspirację do dyskusji na temat interpretacji naszych danych i chiralności molekularnej w ogóle. Jesteśmy wdzięczni Julii Kiedrowski, Alexandrowi Schießerowi i Michaelowi Reggelinowi z TU Darmstadt (Niemcy), a także Benjaminowi Spengerowi, Manuelowi Mazenauerowi i Jürgenowi Stohnerowi z ZHAW Wädenswil (Szwajcaria) za dostarczenie próbki.

Projekt był wspierany przez Inicjatywę Kraju Związkowego Hesja na rzecz Doskonałości Naukowej i Gospodarczej pod hasłem ELCH (Dynamika elektronów systemów chiralnych) oraz Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań (BMBF). MS dziękuje za wsparcie finansowe ze strony fundacji Adolfa Messera.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
CHBrCl2SigmaAldrich139181-10Glub inny odpowiedni próbny
system lasera femtosekundowegoKMLabsWyvern500
Lustra wysokorefleksyjneEKSMA042-0800
NewportU100-A-LH-2K   
lustro do ustawiania ostrości (zabezpieczone srebro, f = 75 mm)Thorlabs CM254-075-P01(jeśli jest dostępny: f = 60 mm)
Spektrometr COLTRIMS, w tym elektronika i system akwizycji danychRoentDekniestandardowyw przeciwieństwie do standardu COLTRIMS, potrzebny jest tylko jeden detektor
Mocowania luster

Bibliografia

  1. Gübitz, G., Schmid, M. G. Chiral Separation by Chromatographic and Electromigration Techniques. A Review. Biopharm. Drug Disposition. 22, 291-336 (2001).
  2. Comprehensive Chiroptical Spectroscopy. Berova, N., Polaravapu, P. L., Nakanishi, K., Woody, R. W. , Wiley. Hoboken. (2012).
  3. Bijvoet, J. M., Peerdeman, A. F., van Bommel, A. J. Determination of the Absolute Configuration of Optically Active Compounds by means of X-rays. Nature. 168 (4268), 271-272 (1951).
  4. Pitzer, M., et al. Direct Determination of Absolute Molecular Stereochemistry in Gas Phase by Coulomb Explosion Imaging. Science. 341 (6150), 1096-1100 (2013).
  5. Pitzer, M., et al. Absolute Configuration from Different Multifragmentation Pathways in Light-Induced Coulomb Explosion Imaging. Chem Phys Chem. 17 (16), 2465-2472 (2016).
  6. Vager, Z., Naaman, R., Kanter, E. P. Coulomb Explosion Imaging of small molecules. Science. 244 (4903), 426-431 (1989).
  7. Herwig, P. H., et al. Imaging the Absolute Configuration of a Chiral Epoxide in the Gas Phase. Science. 342 (6162), 1084-1186 (2013).
  8. Dörner, R., et al. Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy: a 'momentum microscope' to view atomic collision dynamics. Physics Reports. 330, 95-192 (2000).
  9. Ullrich, J., et al. Recoil-ion and electron momentum spectroscopy: reaction-microscopes. Rep. Prog. Phys. 66 (9), 1463-1545 (2003).
  10. Jagutzki, O., et al. Multiple Hit Readout of a Microchannel Plate Detector With a Three-Layer Delay-Line Anode. IEEE Trans Nucl Sci. 49 (5), 2477-2483 (2002).
  11. RoentDek GmbH MCP Delay Line Detector Manual. , http://www.roentdek.com/manuals/MCP%20Delay%20Line%20manual.pdf (2017).
  12. RoentDek GmbH The RoentDek Constant Fraction Discriminators CFD8c, CFD7x, CFD4c, CFD1c and CFD1x. , http://www.roentdek.com/manuals/CFD%20Manual.pdf (2017).
  13. Zeller, S., et al. Imaging the He2 quantum halo state using a free electron laser. PNAS. 113 (51), 14651-14655 (2016).
  14. Pitzer, M., et al. Stereochemical configuration and selective excitation of the chiral molecule halothane. J. Phys. B.: At. Mol. Opt. Phys. 49 (23), 234001(2016).
  15. Hine, J., Dowell, A. M., Singley, J. E. Carbon Dihalides as Intermediates in the Basic Hydrolysis of Haloforms: IV Relative Reactivities of Haloforms. J. Am. Soc. Chem. 78, 479-482 (1956).
  16. Wales, B., et al. A coincidence detection algorithm for improving detection rates in coulomb explosion imaging. Nucl. Instr. Meth. in Phys. Res. A. 667, 11-15 (2012).
  17. Kastirke, G. Konstruktion und Aufbau einer UHV-tauglichen COLTRIMS-Kammer. , Goethe-University Frankfurt. Master Thesis (2014).
  18. Calegari, F., et al. Charge migration induced by attosecond pulses in bio-relevant molecules. J. Phys. B.: At. Mol. Opt. Phys. 49 (14), 142001(2016).
  19. Gaie-Levrel, F., Garcia, G. A., Schwell, M., Nahon, L. 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. Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 7024-7036 (2010).
  20. Ablikim, U., et al. Identification of absolute geometries of cis and trans molecular isomers by Coulomb Explosion Imaging. Sci. Rep. 6, 38202(2016).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Technika COLTRIMSrozr nianie stereoizomer wfemtosekundowe impulsy laserowespektroskopia p duanaliza czasu przelotuwyr wnywanie strumienia molekularnegosystem detekcji jon wanaliza gatunk w chiralnychobrazowanie w fazie gazowej

Powiązane artykuły