Imagem de Coulomb explosão como uma ferramenta para distinguir estereoisômeros

O objetivo geral deste experimento é utilizar a explosão coulombiana para imagens da quiralidade de moléculas individuais na fase gasosa. Este método é uma nova abordagem para responder perguntas importantes em estereoquímica. Em particular, permite determinar a configuração absoluta de espécies quirais pequenas e sua dinâmica fotoinduzida.

A principal vantagem desta técnica é que a energia e a direção de emissão de todos os fragmentos carregados provenientes da quebra molecular podem ser registradas em coincidência. Desenvolvemos esta técnica de imageamento multicoincidência ao longo de um período de mais de 25 anos para conhecer melhor e medir os segredos da estereoquímica com base em moléculas individuais. O cerne do experimento é uma montagem para imageamento coincidente de íons e um laser de femtosegundo, como este aparelho COLTRIMS.

O feixe a laser de femtosegundo entra por uma sala adjacente. Os fundamentos da técnica COLTRIMS são mostrados nesta animação. Um feixe molecular entra na câmara de vácuo por meio de um bocal e um separador.

Um feixe a laser atravessa o feixe molecular em ângulos retos, provocando ionização e subsequente fragmentação. O campo elétrico no espectrômetro direciona os íons até o detector, onde os tempos e as posições dos impactos são registrados. Prepare a configuração para operação e verifique o vácuo na câmara de interação.

A pressão deve ser inferior a 10 elevado a menos nove hectopascal. Com o laser ligado e em baixa intensidade, realize o alinhamento do feixe. Certifique-se de que o feixe entre na câmara do experimento e seja refletido pelo espelho de foco da câmara.

Use um cartão de feixe para verificar se os feixes incidente e emergente coincidem espacialmente. Bloqueie o feixe do laser antes de continuar. Prepare-se para ligar as fontes de alimentação do espectrômetro e do detector.

Primeiro, desligue os manômetros de vácuo na câmara de interação. Em seguida, conecte a saída do sinal amplificado das placas de microcanais a um osciloscópio rápido. Agora ligue as fontes de alta tensão para o detector e o campo elétrico no espectrômetro.

Retorne ao trabalho com o feixe a laser removendo primeiro o bloqueio. Tenha um filtro de polarização rotativo pronto para ajustar a intensidade do feixe. Coloque um medidor de potência no feixe logo antes da câmara e use o filtro para ajustar a intensidade do feixe a menos de 10 à 14ª potência watts por centímetro quadrado.

Para esta configuração, isso corresponde a 100 miliwatts no medidor de potência. Remova o medidor de potência e observe o traçado no osciloscópio. É fundamental verificar a qualidade do sinal e as configurações do detector.

Se for registrado muito ruído, é muito difícil encontrar as coincidências reais. A frequência do sinal deve ser cerca de 5% da taxa de repetição do laser. O sinal deve apresentar um único pico de várias centenas de milivolts, sem qualquer oscilação residual.

A largura dos sinais provenientes da placa de microcanais não deve exceder 10 nanossegundos. Agora, volte-se para o software de aquisição de dados. Nele, exiba uma imagem do detector, que deve ser um círculo com um ponto difuso em seu centro devido ao laser.

Neste momento, forneça um bar de argônio de um cilindro de gás como fonte para o jato de gás. Observe a imagem do detector em tempo real no software de aquisição de dados enquanto ajusta o espelho de focalização. Se aparecer um ponto estreito, a sobreposição entre o jato molecular e o feixe de laser foi localizada.

O objetivo é maximizar a sobreposição do feixe de jato e aumentar as contagens no ponto do jato. Após otimizar a sobreposição do feixe de jato, prepare a amostra para uso no experimento. Esta amostra já está em um cilindro compatível com a montagem.

Primeiro, resfrie o cilindro em nitrogênio líquido por um a dois minutos para evitar perdas de amostra. Conecte o cilindro resfriado ao sistema de jato e aperte a conexão para torná-la à prova de vácuo. Em seguida, abra a válvula para bombear o sistema por alguns segundos a fim de remover o ar.

Aguarde o retorno da amostra à temperatura ambiente antes de abrir a válvula para o bico injetor. A pressão na câmara de origem deve aumentar. Retorne ao software de aquisição de dados.

No computador, verifique se uma mancha de jato ainda é visível e identifique os picos mais proeminentes no espectro de tempo de voo. Continue trabalhando no software de aquisição de dados. Para análise, crie um gráfico utilizando o tempo de voo do primeiro íon detectado no eixo x e o tempo de voo do segundo íon detectado no eixo y.

Quando dois fragmentos são detectados em coincidência, eles aparecem como regiões com muitas contagens. Se dois fragmentos somam à massa do íon pai, cumprem a conservação do momento e aparecem como linhas diagonais nítidas. Realize uma análise de tempo de voo de quatro partículas com um gráfico criado pela soma dos tempos de voo para o primeiro e segundo impactos, usados como valor do eixo x, e pela soma dos tempos de voo para o terceiro e quarto impactos, usados como valor do eixo y.

As posições e formas das estruturas resultantes revelam informações sobre as massas e os momentos. Ajuste a potência do laser de modo que o número de contagens no espectro seja otimizado. Ao otimizar a taxa para a dissociação relevante, devemos ter em mente que a taxa global não deve exceder 10% da taxa de repetição do laser para evitar coincidências falsas.

Esses dados são provenientes de uma mistura racêmica sintética de bromoclorofluorometano. Apenas eventos em que houve fragmentação em cinco íons com carga simples foram registrados. O eixo horizontal é calculado utilizando um produto triplo dos vetores de momento dos íons de halogênio.

O enantiômero S está à esquerda do histograma. O diagrama ilustra seus dados angulares associados. O enantiômero R está à direita do histograma, juntamente com um diagrama para ilustrar seu ângulo.

A taxa de repetição do laser era de 100 quilohertz e a medição levou cerca de 11 horas. Esta animação demonstra como é possível usar os dados registrados do vetor momento dos fragmentos para transformar sua orientação aleatória nos jatos em um sistema de coordenadas molecular. Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma ideia de como a imagem de explosão de Coulomb é realizada utilizando a técnica COLTRIMS.

O registro dos vetores de momento de quatro ou cinco fragmentos em coincidência permite uma visão detalhada da molécula. No entanto, extrair essas informações dos dados brutos exige muito esforço na etapa de análise. Os segredos da ciência da vida no mundo das moléculas ocorrem em uma escala de tempo de um bilionésimo de bilionésimo de segundo, e nosso método pode revelar e visualizar essas dinâmicas rápidas.