Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

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 bezpieczeństwa (MSDS) dla badanych gatunków.

1. Przygotowanie

  1. Kwestie przygotowawcze
    UWAGA: Przed rozpoczęciem właściwego eksperymentu należy dokonać dwóch głównych wyborów: pierwszy dotyczy gatunków przeznaczonych do badania, a drugi natężenia pola elektrycznego w spektrometrze. Przyjmuje się, że układ był wcześniej wykorzystywany w innych eksperymentach i że sam spektrometr nie będzie modyfikowany.
    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 neutralne; grupy funkcyjne różniące się jedynie liczbą atomów wodoru prawdopodobnie nie będą możliwe do rozróżnienia. Rozpocznij od prostych (być może achiralnych) związków, takich jak halometany lub haloetany.
      2. Należy sprawdzić, czy dostępna jest co najmniej 0,02 mola próbki, ponieważ jest to minimalna ilość wykorzystana w dotychczasowych udanych eksperymentach.
      3. Należy zweryfikować, czy dla danej próbki możliwe jest osiągnięcie wystarczającej prężności pary. W zależności od konstrukcji aparatury prężności par >Do przeprowadzenia eksperymentów laserowych niezbędne jest uzyskanie odpowiedniej gęstości strumienia przy ciśnieniu 5 hPa. Jeśli ciśnienie pary jest znacznie niższe, należy sprawdzić, czy wymagane ciśnienia pary można osiągnąć poprzez podgrzanie próbki. Jest to możliwe w przypadku próbek zarówno ciekłych, jak i stałych, przy czym w przypadku tych ostatnich zachodzi sublimacja. Jeśli wymagane jest podgrzewanie, konieczne jest zapewnienie dodatniego gradientu temperatury wzdłuż drogi przepływu gazu w systemie doprowadzania (przy czym najgorętszym elementem musi być dysza), aby zapobiec kondensacji. Można rozważyć bardziej zaawansowane schematy przygotowania próbek, takie jak transport za pomocą gazu nośnego.
    2. Wybór natężenia pola elektrycznego w spektrometrze
      UWAGA: Wartość od 50 do 100 V/cm okazała się odpowiednia dla obrazowania metodą eksplozji kulombowskiej. Optymalna wartość zależy jednak od geometrii spektrometru. Poniższe kroki opisują sposób optymalizacji natężenia pola elektrycznego.
      1. Oszacuj czas przelotu oczekiwanych fragmentów kationowych. Jeśli spektrometr składa się wyłącznie z obszaru o jednorodnym polu o długości s or natężenie pola elektrycznego E, średni czas przelotu cząsteczki o masie m i naładuj q wynosi po prostu
        Równanie czasu przelotu; t=√(2ms/qE); wzór w analizie spektrometrii mobilności jonów.
      2. Oszacuj rozprzestrzenienie Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. kationów fragmentowych o masie m na detektorze z wykorzystaniem czasu przelotu t obliczone powyżej oraz wzór
        Równanie ruchu jednostajnego, x=px/m·t, wzór fizyczny.
        Jony uzyskają pęd pProszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. do 40 jednostek atomowych pędu (protony do 150 jednostek atomowych).
      3. Jeśli rozprzestrzenienie przestrzenne Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. Jeśli rozrzut najlżejszych gatunków jonów jest większy niż promień detektora, należy zwiększać natężenie pola elektrycznego w obliczeniach do momentu, 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. Kontrola układu eksperymentalnego
    UWAGA: Przed przystąpieniem do właściwego pomiaru należy sprawdzić, czy układ doświadczalny został odpowiednio przygotowany.
    1. Upewnij się, że w komorze oddziaływań panuje próżnia <1 x 10-9 hPa. W przeciwnym razie pozostały gaz doprowadzi do wysokiego poziomu tła. W przypadku wątpliwości co do warunków próżni, należy kontynuować do kroku 2.2.1, w którym wyznacza się szybkość jonizacji pozostałego gazu. Jeśli ciśnienie jest zbyt wysokie, należy przeprowadzić kontrolę szczelności. Jeśli nie stwierdzono wycieku, należy poddać komorę wygrzewaniu przez kilka dni.
    2. Zweryfikuj połączenia zasilania napięciowego oraz sygnałów detektora zgodnie z instrukcją lub opisem eksperymentu.
    3. Upewnij się, że oprogramowanie do akwizycji danych na komputerze pomiarowym umożliwia rejestrację i analizę co najmniej czterech jonów. Sprawdź, czy czas martwy modułów elektronicznych oraz szerokość impulsu sygnałów wynoszą poniżej 30 ns.
  3. Przygotowanie dostarczenia próbek
    1. Upewnij się, że przewody doprowadzające próbkę są czyste, a połączenia dokręcone. Jeśli próbka ma charakter korozyjny (np. (kwasowe) należy upewnić się, że wszystkie elementy systemu doprowadzania próbek oraz pompy wstępne komory próżniowej są kompatybilne z wybraną próbką. Odssać powietrze z systemu doprowadzania próbek za pomocą pompy wstępnej, otworzyć zawory i zweryfikować, czy ciśnienie w komorze eksperymentalnej nie wzrasta.
    2. Oczyścić i przygotować naczynie na próbkę. Wystarczające będzie zastosowanie kąpieli ultradźwiękowej z acetonem lub standardowej laboratoryjnej myjki do szkła.
    3. Przygotuj system podgrzewania zbiornika oraz układ podawania próbek, jeśli próbka wymaga podgrzania (por. 1.1.1.3). Najbardziej dogodnym sposobem jest zastosowanie regulowanych obwodów grzewczych, z których każdy składa się z drutu grzejnego, czujnika temperatury i kontrolera temperatury.
    4. Jeśli próbka ma bardzo niską prężność pary lub ma tendencję do tworzenia klastrów (np. kwasach), stosuje się różne podejścia w celu pobierania lub współprzesyłania z gazami obojętnymi. Należy zmodyfikować konstrukcję linii gazowych w zależności od tych wymagań.
    5. Upewnij się, że strumień molekularny jest odpowiednio wyrównany. W tym celu wykorzystaj próbkę gazu szlachetnego (np. Argon), aby uzyskać gęstą strużkę (wystarczyć powinno ciśnienie bezwzględne wynoszące około 1 bar dla 50 µm dysza). Maksymalizuj ciśnienie w sekcji zrzutu strumienia poprzez przemieszczenie manipulatora, do którego zamontowana jest dysza.
  4. Zastosuj femtosekundowe impulsy laserowe
    UWAGA: Impulsy jonizujące są generowane przez femtosekundowy system laserowy. Szczegółowy opis takiego lasera oraz jego zastosowania wykracza poza zakres niniejszego protokołu. W przypadku użycia komercyjnego systemu laserowego należy zapoznać się z instrukcją obsługi.
    1. Włącz laser i sprawdź profil wiązki laserowej na wyjściu.
    2. Sprawdzić i w razie potrzeby skorygować drogę wiązki do okna wejściowego układu doświadczalnego, regulując odpowiednie lustra.
    3. W razie potrzeby wyregulować położenie lustra skupiającego wewnątrz komory eksperymentalnej za pomocą odpowiedniego manipulatora. Wycentrować odbicie z lustra skupiającego względem wiązki wejściowej.
    4. Wprowadź filtry lub obrotowy polaryzator na drodze wiązki, aby uzyskać natężenie szczytowe na poziomie około 6 x 1014 W/cm2W przypadku standardowego obrazowania metodą eksplozji kulombowskiej (Coulomb Explosion Imaging) należy stosować polaryzację liniową. Jeśli planowane jest badanie efektów dychroizmu, należy zmienić polaryzację za pomocą płytki ćwierćfalowej bezpośrednio przed oknem wlotowym.
    5. Umieść fotodiodę w miejscu, w którym będzie mogła zarejestrować wiarygodną replikę impulsu laserowego (np. odbicie lub transmisja przez lustro pozycjonujące). Podłącz wyjście fotodiody do oscyloskopu i upewnij się, że dioda generuje czyste impulsy z częstotliwością powtórzeń zgodną z częstotliwością pracy lasera.
    6. Zawsze blokuj wiązkę, gdy nie jest ona używana.

2. Włączanie spektrometru i detektorów

UWAGA: Ta część protokołu w niewielkim stopniu zależy od rzeczywistej implementacji spektrometru i systemu detekcji. Opis zawarty w tym miejscu jest właściwy dla standardowej konfiguracji COLTRIMS z sześciokątnym detektorem z linią opóźniającą (HEX75).10 W tej implementacji detektor posiada 7 kanałów wyjściowych: jeden dla płytek mikrokanałowych (MCPs) i dwa dla każdej z trzech warstw anody.

  1. Włącz zasilacze.
    1. Wyłącz wskaźniki próżni w komorze oddziaływania, ponieważ mogą one generować jony wykrywane przez detektor.
    2. Podłącz wyjście sygnału wzmocnionego (korzystając z szybkiego wzmacniacza ze wzmocnieniem ≈10) MCP do szybkiego (najlepiej analogowego) oscyloskopu. Ustaw oscyloskop na 5 lub 10 ns na działkę w skali czasu i 10 mV na działkę w skali sygnału. Upewnij się, że szum elektroniczny wynosi poniżej 30 mV.
    3. Włącz zasilacz wysokiego napięcia dla detektora. Dla typowego detektora jonowego napięcie wynosi -2 0 V dla strony przedniej i 30 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 kilkuset 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.1,12
    1. Zmniejsz intensywność lasera do szacowanej wartości poniżej 1014 W/cm2 w ognisku. Odblokuj laser i obserwuj przebieg na oscyloskopie. Jeśli doprowadzi to do częstotliwości zliczeń przekraczającej 5% częstotliwości repetycji lasera, ilość gazu resztkowego w komorze jest zbyt wysoka lub wiązka lasera dotyka spektrometru. Rozwiąż ten problem przed kontynuacją. Jeśli częstotliwość zliczeń jest znacznie niższa niż 5% częstotliwości repetycji lasera, stopniowo zwiększaj intensywność lasera.
    2. Przyjrzyj się uważnie sygnałom. Powinny one wykazywać tylko jeden pik o wysokości kilkuset mV i brak „dzwonienia” (oscylacji po rzeczywistym impulsie). Szerokość sygnału MCP nie powinna przekraczać 10 ns (FWHM).
    3. Przeanalizuj przebieg oscyloskopu dla wszystkich sześciu sygnałów anodowych. Sygnały są tutaj szersze (20-30 ns) i zazwyczaj mają nieco niższe napięcie. Sprawdź ponownie, czy nie występują zakłócenia sygnału. Jeśli wszystkie sygnały anodowe są poniżej 10 mV, zwiększ napięcie (krok 2.1.3) w krokach po 50 V. Regulacja wzmocnienia wzmacniacza może pomóc w uzyskaniu takiej samej wysokości impulsu dla wszystkich kanałów.
    4. Przekształć te sygnały analogowe w standardowe sygnały NIM (Nuclear Instrumentation Module) o wartości -0,8 V za pomocą dyskryminatora z stałą frakcją (CFD). Przed każdym przebiegiem eksperymentalnym sprawdź ustawienia CFD. Szczegółowy opis znajduje się w instrukcji dostępnej w internecie.12 Wprowadź impulsy NIM do przetwornika czasu na cyfrę (TDC), który rejestruje czas przybycia impulsów z wysoką rozdzielczością (zazwyczaj 25 ps). Sygnały czasowe te stanowią wejście dla oprogramowania do akwizycji i analizy danych.
    5. Uruchom oprogramowanie do akwizycji danych i rozpocznij rejestrację. Spójrz na 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, sprawdzając dodatkowo 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 plamką (obraz ogniska lasera) w centrum. Rozciągnięcie plamki wynika głównie z prędkości termicznej jonizowanego gazu resztkowego.
    7. Wprowadź 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 oczekiwane czasy przelotu na podstawie geometrii spektrometru (krok 1.1.2.1).
    8. Spróbuj zminimalizować czas trwania impulsu laserowego poprzez maksymalizację częstotliwości zliczeń, korzystając z korekcji dyspersji systemu laserowego. Krótszy impuls (a tym samym wyższa intensywność szczytowa) doprowadzi do znacznego wzrostu częstotliwości zliczeń.
    9. Jeśli ciśnienie tła jest tak niskie, że częstotliwość zliczeń jest niewystarczająca do wykonania 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 ewidentnie zdominowane przez gatunki obecne w strumieniu.
    10. Ustal absolutną orientację detektora. Aby to zrobić, przesuń zwierciadło skupiające tak, aby obraz ogniska lasera widocznie przemieszczał się na obrazie detektora w oprogramowaniu. Zanotuj kierunek ruchu (wykorzystywany w kroku 5.1.1). Krok ten jest istotny dla pomiaru absolutnej konfiguracji, ponieważ pozwala uniknąć inwersji 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 częstotliwość zliczeń wzrośnie i na obrazie detektora w programie do akwizycji danych pojawi się bardzo wąska plamka („plamka strumienia”), upewnij się, że strumień molekularny i wiązka lasera nakładają się przynajmniej częściowo. W takim przypadku ostrożnie dostrój manipulator zwierciadła skupiającego, aby zmaksymalizować liczbę zliczeń w plamce strumienia. Przy optymalnym nakładaniu się liczba zliczeń powinna być o rzędy wielkości większa niż liczba zliczeń z gazu resztkowego (krok 2.2). Może być konieczne zmniejszenie intensywności lasera, ponieważ częstotliwość 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 plamki strumienia, dostrój manipulator zwierciadła skupiającego w większych krokach, aby znaleźć obszar nakładania się, a następnie kontynuuj od kroku 2.3.2.

3. Dostarczanie próbek

  1. Przygotuj wszystkie niezbędne narzędzia, uszczelki do naczyń i pozostałe elementy, aby zminimalizować ekspozycję próbki na środowisko zewnętrzne.
  2. Napełnij naczynie, które zostanie podłączone do układu eksperymentalnego, próbką. Jeśli próbka charakteryzuje się wysoką prężnością pary, uprzednio ochłodź naczynie i próbkę, aby ograniczyć straty wynikające z odparowania na tym etapie.
  3. Podłącz cylinder z próbką do układu strumienia i uszczelnij połączenie próżniowo. Ochłodź cylinder (aby uniknąć 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 poziomu kilku 10-5 hPa.
  5. Kwestia widoczności plamki strumienia (krok 2.3.2) oraz zidentyfikuj najbardziej prominentne piki w widmie czasu przelotu.
  6. Zoptymalizuj warunki eksperymentalne (dostosuj temperaturę, intensywność lasera, ciśnienie gazu współbieżnego...), aby zmaksymalizować stopień jonizacji próbki. Pamiętaj, że ogrzewanie prowadzi do rozszerzalności termicznej komponentów, w związku z czym może być konieczna regulacja manipulatora strumienia (krok 1.4.5).

4. Pomiar

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

  1. Sprawdzenie widma masowego i widma koincydencji.
    1. Narysować widmo czasu przelotu i przyporządkować poszczególne piki do mas, które mogą wystąpić w procesie fragmentacji (masa jonu macierzystego, dominujące fragmenty).
    2. Narysować czas przelotu pierwszego jonu na osi x oraz czas przelotu drugiego jonu na osi y. Obszary z dużą liczbą 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 istotnym kanale powinna wynosić co najmniej kilka tysięcy.
    3. Jeśli liczba zliczeń w wybranym kanale jest znacznie niższa od tej wartości, zwiększyć intensywność lasera i powtórzyć kroki 4.2.1 oraz 4.2.2. Należy zadbać o to, aby szybkość zliczeń nadal była wystarczająco niska dla detekcji koincydencyjnej (patrz: Wstęp).

5. Analiza danych

UWAGA: Analiza danych w eksperymencie obrazowania wybuchu kulombowskiego (Coulomb Explosion Imaging) jest złożonym, lecz satysfakcjonującym zadaniem, ponieważ wiele parametrów można dostroić po zakończeniu eksperymentu, a ponadto można badać 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. W związku z tym można podać jedynie ogólne wskazówki.
    1. Wygeneruj obrazy detektora. Sprawdź, czy dla wszystkich trzech warstw anod rozmiar obrazu detektora odpowiada rzeczywistemu rozmiarowi MCP i czy obraz detektora jest wyśrodkowany w punkcie 0. Zweryfikuj, czy wszystkie kombinacje trzech warstw dają ten sam obraz detektora. W razie potrzeby 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. Ważnym parametrem w tym kroku jest offset czasu przelotu t0 , o który należy skorygować wszystkie wartości czasu przelotu.
    3. Przeanalizuj widma koincydencji (por. krok 4.1.4) i zidentyfikuj obiecujące kanały rozpadu. Zaleca się ustawienie bramki (gate) na wartościach czasu przelotu o szerokości kilku 10 ns wokół interesujących wzorców i wybieranie do dalszych kroków tylko zdarzeń w obrębie tych okien. W przeciwnym razie liczba niepotrzebnych zdarzeń będzie zbyt duża, co spowolni analizę.
    4. Zapisz skorygowane wartości x, y oraz t do dalszej analizy.
  2. Obliczenie pędów i energii jonów.
    1. Wykorzystaj parametry eksperymentalne oraz przyjęte stosunki masy do ładunku, aby obliczyć składowe pędu px, py i pz. Na ich podstawie oblicz energie kinetyczne fragmentów oraz ich sumę, czyli energię kinetyczną rozpadu (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 offsetów pozycji x0 i y0 oraz prędkości vjet strumienia gazu. Jeśli wymagana jest precyzyjna kalibracja, użyj N2 i O2 rozpadających się na dwa jednokrotnie naładowane gatunki z bardzo wąskimi i dobrze scharakteryzowanymi progresjami wibracyjnymi w energii kinetycznej rozpadu (patrz odniesienie 13 oraz bibliografia w nim zawarta).
      1. Wygeneruj wykres px względem py itd. i dostrój parametry tak, aby pędy rozkładały się na sferze w przestrzeni pędów (np. na okręgu na wykresach dwuwymiarowych) i były wyśrodkowane w punkcie 0. Wynika to z faktu, że energia kinetyczna nie powinna zależeć od kierunku emisji fragmentu jonowego.
      2. Wygeneruj wykres sumarycznego pędu wszystkich fragmentów z jednego rozpadu cząsteczki. W przypadku pełnego rozpadu rozkład powinien być wąski (zazwyczaj <10 jednostek pędu atomowego) i wyśrodkowany w punkcie 0.
  3. Wybór istotnych zdarzeń i badanie właściwości układu cząsteczkowego.
    1. Oddziel rzeczywiste zdarzenia rozpadu od tła, wprowadzając ograniczenia pędu sumarycznego wokół obserwowanych pików (zazwyczaj mniej niż 20 jednostek atomowych w każdym kierunku).
    2. Dla tych zdarzeń zastosuj arytmetykę wektorową, 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. Związki te są idealne do eksperymentów potwierdzających zasadę działania ze względu na swoją prostotę i wysoką prężność pary. Jednocześnie bardziej złożony związek, halotan, został zbadany przy użyciu pojedynczych miękkich fotonów rentgenowskich 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

Tagi

Technika COLTRIMSrozróżnianie stereoizomerówfemtosekundowe impulsy laserowespektroskopia pęduanaliza czasu przelotuwyrównywanie strumienia molekularnegosystem detekcji jonówanaliza gatunków chiralnychobrazowanie w fazie gazowej
Obrazowanie eksplozji kulombowskiej jako narzędzie do rozróżniania stereoizomerów
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.