Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Кулоновская взрыв изображений как инструмент для различения стереоизомеров

Published: August 18, 2017 doi: 10.3791/56062
Automatic Translation
1,2, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
1Institut für Kernphysik, Goethe-Universität Frankfurt am Main, 2Experimentalphysik IV, Universität Kassel

Summary

Для малых видов хиральным, кулона взрыва Imaging предоставляет новый подход для определения handedness отдельных молекул.

Abstract

Эта статья показывает, как COLTRIMS (холодная целевой Recoil Ион импульс спектроскопия) или метод «реакция микроскопа» может использоваться для различения энантиомеров (стереоизомеры) видов простых хиральная на уровне отдельных молекул. В этом подходе газообразных молекулярной jet образца расширяется в вакуумной камере и пересекается с (fs) Фемтосекундных лазерных импульсов. Высокая интенсивность импульсов приводит к быстрой несколько ионизации, разжигая так называемого взрыва кулона, которая производит несколько фрагментов катионные (положительно заряженные). Электростатическое поле руководства этих катионов на время и позиция чувствительных детекторов. Же время полета масс-спектрометр, время прибытия каждого иона дает информацию о его массы. Как положительное сальдо электростатическое поле корректируется таким образом, что направление выбросов и кинетической энергии после фрагментации привести к вариации в время полета и в позиции удара на детектор.

Каждый Ион воздействия создает электронный сигнал детектора; Этот сигнал обрабатывается путем высокочастотной электроники и записанная на событие с помощью компьютера. Зарегистрированные данные соответствуют раз влияние и позиции. С этими данными могут быть рассчитаны энергии и выбросов направление каждого фрагмента. Эти значения связаны с структурных свойств молекулы под следствием, т.е. до длины Бонд и относительных позиций атомов, позволяющий определить молекул, молекулы handedness простой хиральная видов и другие изомерных функции.

Introduction

Хиральность — это функция нашей природы, что увлекательный исследователи уже более 150 лет. В 19го века, Пастер, Вант Гоффа и другие обнаружили, что молекулы могут возникать в двух структур зеркальное изображение, которые не являются супер навязываемых - как наши левой и правой руки. Это свойство было названо «хиральная», от греческого слова «рука».

До настоящего времени обнаружено никакой разницы в термодинамических свойств или уровней энергии и для левши форм (два «энантиомеров»). Чтобы проанализировать handedness данного образца и разделения энантиомеров, взаимодействие с другими хиральные молекулы может использоваться, как например в различных chromatographical подходов. 1 Chiroptical (колебательных) круговой дихроизма, CD (V) и оптических вращательное дисперсии, Орд, регулярно используются различать энантиомеров. 2

Когда дело доходит до определения микроскопические структуры, эти методы требуют дополнительной информации, например от квантово химических расчетов. Только техника, которая широко признается непосредственно определить абсолютную конфигурацию является аномальным дифракции рентгеновских лучей. 3

Недавно было показано, что абсолютное конфигурацию хиральных видов простых может определяться кулона взрыва Imaging. 4 , 5 в этом подходе, молекул в газовой фазе умножить ионизированные так что оставшихся ядер сильно отталкивают друг друга. Это отталкивание приводит к быстрой фрагментации («взрыв») молекул. Направление и масштабы соотносятся импульсов фрагмент в структуре молекулы – для малых молекул, импульс направления соответствуют удивительно хорошо Бонд осей. Кулоновского взрыва для определения молекулярной структуры были впервые с помощью молекулярных ионных пучков из ускорителя. 6 этот луч фольга техника имеет недавно также применяется для хиральная признание. 7

Вопреки аномальных рентгеновской дифракции образец не должен быть кристаллический, но в газовой фазе. Это делает кулона взрыва подход идеально подходит для неустойчивых видов и таким образом дополняют дифракции рентгеновских лучей. В некоторых случаях преобладающая рука может определяться даже для отдельных молекул.

На практике реалистичный молекулярной структуры оказалось трудно даже производные метана, например молекул с центральным углерода и различных фторсодержащими заместителями. Это объясняется тот факт, что взаимодействие между фрагменты точно не Coulombic и что не все облигации разорвать одновременно. Для того чтобы получить стереохимические информацию, особенно в том, чтобы различать энантиомеров, Эта реконструкция к счастью не обязательна. Вместо этого импульса векторов различных фрагментов может быть соотнесена приносить количество, которое отличается для молекул, и для левши. Чтобы получить надежные результаты, по крайней мере четыре фрагмента импульсы должны быть записаны.

Для того чтобы измерить этот импульс информации, фрагменты из одного – и только один – молекулярного распада должны быть обнаружены в шаге однократное измерение. Это условие обычно называют «совпадающих обнаружения». Кроме того направления выбросов должны быть проанализированы, что суммы на практике для записи времени и положение фрагмента воздействие в режиме списка формат данных.

В атомной и молекулярной физики были разработаны методы, реализующие этот подход измерения с использованием электростатического спектрометры для массового разделения и чувствительных к времени и позиции многих хит детекторов. Наиболее ярким примером является установка COLTRIMS (холодная целевой Recoil Ион импульс спектроскопия)-также известен как реакция микроскопа. 8 , 9 эскиз для такого рода эксперимент приводится на рисунке 1. Отличие от стандартного COLTRIMS, который может записывать электронов также кулона взрыва Imaging требует только Ион детектора.

Спектрометр и детектор монтируются под ультра-высокого вакуума (< 1 x 10-9 hPa) чтобы избежать создания ионов из остаточного газа. Одной молекулы образца предоставляются через газообразных свободной молекулярной струи, созданные сверхзвуковой расширения: силу давления пара, молекулы расширить через малую насадку (диаметром около 50 мкм) в вакууме. Эта часть эксперимента, источник палата, отделена от взаимодействия региона обычно два скиммеров и дифференцированно перекачиваемой этапов. Дополнительных дифференциально накачкой секции расположен позади взаимодействия региона дамп струи газовой и таким образом избежать фон газа в регионе взаимодействия.

Ионизирующее излучение пересекается с молекулярной струи под 90°. Большинство лабораторий в настоящее время используют Фемтосекундных лазерных импульсов, хотя синхротронного излучения, быстрых ионов или электронов воздействия возможных «снарядов» чтобы побудить кулона взрыва.

Следующий протокол делает предположение, что запуск программы установки для совмещения изображений ионов и фемтосекундный лазер доступны в лаборатории. Пика интенсивности, необходимо побудить кулона взрыв на четыре или даже пять фрагментов должна быть порядка 6 x 1014 Вт/см2. Чтобы избежать чрезвычайно длинные измерений, частота повторения лазера должно быть 10 кГц, или больше. Это важно, потому что, с одной стороны, совпадающих обнаружения только может быть установлено, если вероятность фрагментации в фокусе лазерного значительно ниже 1 доллара лазерного импульса (в идеале не более 10%). Общая фрагментация скорость, с другой стороны, должна быть не ниже, чем в нескольких кГц потому, что доля соответствующих multifragmentation путей, как правило, менее чем в 10-4. Как обнадеживающий факт, следует отметить, что в принципе уже достаточно для определения конфигурации образца enantiopure событие одного фрагментации, и что обнаружение нескольких сотен позволяет определить обилие энантиомеров в Образец энантиомерные неизвестного состава.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

осторожность: Убедитесь в том быть в курсе всех возможных опасностей, связанных с эксперимента и в лаборатории. Описанная ниже процедура включает в себя IV класса лазеров, высокого напряжения и вакуума. Консультироваться паспорт безопасности материала (MSDS) для видов расследоваться.

1. Подготовка

  1. подготовительного соображения
    Примечание: перед началом фактической эксперимент, два основных выбора должны быть сделаны; первая относительно возможных видов расследований и второй электрического поля в спектрометре. Здесь предполагается, что установка использовалась ранее для других экспериментов и что спектрометр, сам не будет перестроен.
    1. Выбор образца
      1. выберите образец, где можно ожидать пути фрагментации, что подпись handedness или структурного компонента должны расследоваться. Имейте в виду, что водород, что атомы часто выпускаются как нейтральных фрагментов; функциональные группы, которые отличаются только количество атомов водорода, вероятно не отличишь. Начните с простой (возможно ахиральных) видов, таких как halomethanes или haloethanes.
      2. Проверить, по крайней мере 0,02 моль образца доступен как это минимальная сумма, используемая в успешных экспериментов так сих
      3. Убедитесь, что достаточное давление пара является достижимым с образцом. В зависимости от конструкции аппарата, давление паров > 5 гПа необходимы для достаточной плотности jet для лазерной экспериментов. Если давление паров значительно ниже, изучите, если необходимые давления пара может быть достигнуто путем нагрева образца. Это может быть возможным для жидких и твердых образцов, силу сублимации для последнего. Если требуется Отопление, это нужно иметь положительный градиент температуры по пути газа в системе доставки (с соплом, будучи горячих часть) чтобы избежать конденсации. Более сложные схемы подготовки образца, как пикап на газ-носитель может считаться.
    2. Выбор прочность электрического поля в спектрометр
      Примечание: значение от 50 до 100 V/см оказался разумным для кулона взрыва Imaging. Оптимальное значение, однако, зависит от геометрии спектрометра. Следующие действия показывают, как оптимизировать прочность электрического поля.
      1. Оценку время полета ожидаемого Катионный фрагментов. Если спектрометр состоит только из региона однородного поля с длиной s и прочность электрического поля E, просто дается среднее время полета частицы с массой m и заряд q
        < img alt = «Формулы 1» src = «/ Files/ftp_upload/56062/56062eq1.jpg» / >
      2. оценить распространение x фрагмент катионов с массой m на детектор с помощью время полета t, рассчитанные выше и формула
        < img alt = «уравнение 2"src = «/files/ ftp_upload/56062/56062eq2.jpg» / >
        ионов получат импульсы p x до 400 атомных единиц импульса (протоны до 150 атомарных единиц).
      3. Если пространственного распространения x легких видов Ион больше радиуса детектора, увеличить прочность электрического поля в расчете пока не распространяется на несколько миллиметров, меньше, чем размер детектор. Прочность поля не должно быть намного выше, как это приводит к более низким разрешением для более тяжелых фрагментов, которые рассредоточены меньше на детекторе.
  2. Проверить экспериментальной установки
    Примечание: прежде чем приступить к фактической измерения, она должна быть проверена, хорошо подготовлена экспериментальная установка.
    1. Убедитесь, что вакуум в камере взаимодействия < 1 x 10 -9 гПа. Если это не так, остаточного газа приведет к высокий фоновый уровень. В случае сомнения о условиях вакуума продолжать до шага 2.2.1 где определяется уровень ионизации остаточного газа. Если давление слишком высокое, выполните проверку утечки. Если нет утечки является очевидной, выпекать камеры на несколько дней.
    2. Проверка соединения для напряжения питания и сигналы детектора согласно инструкции или эксперимента описание.
    3. Проверить, что приобретение данных программное обеспечение на компьютере измерения способен записывать и анализировать по меньшей мере четыре ионов. Убедитесь, что Мертвое время электронных модулей и импульса сигналов ниже 30 НС.
  3. Подготовка образца доставки
    1. Убедитесь, что образец доставки трубки являются чистыми и затянуть соединения. Если образец коррозионные (например кислотные) убедитесь, что все компоненты в системе доставки и черновой Насосы вакуумные камеры совместимы с выбранного образца. Насос системы доставки образца с насосом обжимного, откройте клапаны и убедитесь, что давление в экспериментальной камеры не увеличивается.
    2. Чистые и подготовить образец получателя. Ультразвуковая ванна с ацетоном или обычное лабораторное стекло шайбы достаточно.
    3. Подготовить Отопление водохранилище и образец системы доставки, если образец должен нагреваться (cf. 1.1.1.3). Наиболее удобным способом является использование регулируемое отопление цепи, каждый из них состоит из Отопление проволоки, датчик температуры и контроллером температуры.
    4. Если образец имеет очень низким давлением пара, или если она, как правило, в форме кластеров (например, кислот), используют различные подходы для пикап или copropagation с инертными газами. Изменить дизайн газовых линий в зависимости от этих требований.
    5. Проверить, что молекулярные струя хорошо скоординированы. Для этой цели, используйте образец инертным газом (например аргона) так, что может быть достигнуто плотной струей (примерно 1 бар абсолютное давление должно быть достаточно для сопла 50 мкм). Максимального давления в разделе дампа струи путем перемещения манипулятор, к которому крепится сопло.
  4. Предоставляют Фемтосекундных лазерных импульсов
    Примечание: ионизирующего импульсов обеспечиваются Фемтосекундная лазерная система. Описание такого лазера и его использование в деталях выходит за рамки настоящего Протокола. Если коммерческая лазерная система используется, обратитесь к инструкции.
    1. Включите лазер и проверьте лазерный луч профиль на выходе.
    2. Проверить и исправить (при необходимости) луча в окне входа эксперимента путем корректировки соответствующих зеркала.
    3. При необходимости выровнять фокусируя зеркало внутри экспериментальной камеры с помощью соответствующих манипулятора. Центр отражение фокусируя зеркало отношении входящего пучка.
    4. Вставка фильтры или вращающийся поляризатора на пути луча для достижения пика интенсивности примерно 6 x 10 14 Вт/см 2. Для обычных изображений взрыв кулона используйте линейной поляризации. Если дихроизма эффекты должны быть расследованы, изменить поляризации, четверть волны пластины непосредственно перед окно входа.
    5. Вставить фотодиод в месте, где она может записывать надежный реплики лазерного импульса (например в отражении или передачи через зеркало выравнивание). Соедините выход фотодиода осциллографа и убедитесь, что диод производит чистый импульсов с частотой повторения лазера.
    6. Всегда блокировать луч когда не в пользе.

2. Переходя на спектрометр и детекторы

Примечание: Эта часть протокола слегка зависит от фактической реализации системы спектрометр и детектор. Здесь описание действителен для стандартной установки COLTRIMS с гексагональной задержки линии детектор (HEX75). 10 в этой реализации, детектор имеет 7 выходных каналов: один для микроканалов пластин (MCP) и два для каждого из трех слоев анода.

  1. Включите питания.
    1. Выключить Вакуумметры в зале взаимодействия, как они могут производить ионов, которые видели детектором.
    2. Подключите выход усилителем сигнала (с помощью быстро усилитель с усилением ≈ 100) извещателя к быстро осциллограф (предпочтительно аналог). Осциллограф равным 5 или 10 ns на дивизию на временной шкале и 100 мВ на дивизию на шкале сигнала. Убедитесь, что электронный шум ниже 30 м.
    3. Выключатель на высокое напряжение питания для детектора. Для типичного Ион детектор напряжение является-2,000 V для лицевой стороны и 300 V для стороны анода. Напряжение зависит от возраста MCP и должен быть установлен таким образом, что аналоговые сигналы максимальны, но не насыщают. Проверьте текущий. Это зависит от сопротивления MCP в детекторе, но не должен превышать 50 МКА. На осциллограф трассировки, должны быть видны несколько сигналов в секунду с высотой сигнал нескольких сотен милливольт (' темный графов ').
    4. Настроить источник питания для спектрометра к значению создан на шаге 1.1.2.
  2. Проверить детектор сигналы через ионизации остаточного газа
    Примечание: подробное описание на начальном этапе детектор можно также найти в соответствующих руководствах. 11 , 12
    1. ослабление интенсивности лазера к оценкам значения ниже 10 14 Вт/см 2 в центре внимания. Разблокировать лазер и смотреть осциллограф трассировки. Если это приводит к скорости, превышающей 5% частота повторения лазерных, количество остаточных газов в камере слишком высока или лазерный луч затрагивает спектрометр. Исправить эту проблему, прежде чем продолжить. Если количество составляет значительно меньше, чем 5% частота повторения лазерных, постепенно увеличивать интенсивность лазерного.
    2. Иметь пристальный взгляд на сигналы. Они должны показывать только один пик нескольких сотен милливольт и без ' звон ' (колебания после фактического пульс). Ширина MCP сигнала не должна превышать 10 НС (FWHM).
    3. Посмотрите на осциллограф след всех шести анод сигналов. Сигналы являются более широкие здесь (20-30 НС) и обычно немного ниже напряжения. Проверьте еще раз, что без помех сигнала присутствуют. Если все анод сигналы ниже 100 МВ, увеличение напряжения (шаг 2.1.3) с шагом 50 V. настройки усиления усилителя может помочь получить ту же высоту импульса для всех каналов,.
    4. Конвертировать эти аналоговые сигналы в стандартные сигналы NIM (ядерное приборостроение модуль) -0,8 V на постоянную часть дискриминатора (CFD). Проверьте параметры CFD перед каждым экспериментальный запуск. Подробное описание обратитесь к руководству, доступных в Интернете. 12 подпитывают NIM импульсов времени аналого цифрового преобразователя (ВМТ) что записи время прибытия импульсов с высоким разрешением (обычно 25 л.с.). Эти сигналы времени являются входными данными для программного обеспечения сбора и анализа данных.
    5. Поворот на данных приобретение программного обеспечения и начать запись данных. Посмотрите на хит распределение для каждого канала - гистограммы должны быть аналогичны для всех каналов. Если это не так для некоторых каналов, проверьте настройки CFD (шаг 2.2.4) для этих каналов. Проверьте, что параметры Дополнительно проверив сумму сигнала запуска раз для каждого из слоев детектор, как описано в руководстве детектор. При необходимости, исправить параметры CFDs.
    6. Изображение детектора в программное обеспечение получения данных. Детектор должен отображаться как круг с диффузным пятно (изображение лазерный фокус) в центре. Расширение пятно вызвано главным образом тепловой скорости остаточного газа, который получает ионизация.
    7. Канала сигнал лазерный диод (шаг 1.5.5) в сбора данных, желательно в так же, как сигналы детектора. Отображение спектра время полета в программном обеспечении. Касаются видов остаточных газов наблюдаемых пиков (H 2, H 2 O, возможно N 2, O 2, CO 2), вычисляя их ожидаемое время рейсы из спектрометра геометрии (шаг 1.1.2.1).
    8. Пытаются свести к минимуму длительность лазерного импульса путем увеличивать скорость счета, используя коррекции дисперсии лазерной системы. Короткий импульс (и, таким образом, выше пика интенсивности) приведет к значительному увеличению скорости.
    9. Если фон давление настолько низка, что курс не является достаточно высоким, чтобы выполнить вышеуказанные шаги, включите струи газа (см. шаг 2.3) и выполнить шаги 2.2.1 до 2.2.8. Время полета спектра в шаге 2.2.7 следует затем явно доминируют видов в струе.
    10. Найти абсолютное ориентации детектора. Для того, чтобы сделать это, переместите фокусируя зеркало так, чтобы изображение лазерный фокус перемещается заметно в изображении детектор в программном обеспечении. Обратите внимание на направление движения (используется в шаге 5.1.1). Этот шаг важен для измерения абсолютной конфигурации, потому что она позволяет избежать инверсии измеряемых импульсов в отношении пространства в реальных лабораторных.
  3. Найти совпадения струи газовой и лазерной.
    1. Включите струи газа, как описано в шаге 1.3.5.
    2. Если ставка увеличивается и очень узким местом (' струи пятно ') видно на изображении детектор в программе приобретения данных, убедитесь, что молекулярные jet и лазерного луча дублирования по крайней мере частично. В этом случае Настройка манипулятора для фокусируя зеркало тщательно максимизировать отсчеты в месте струи. На оптимальное дублирование они должны превышать количество остаточных газов (шаг 2.2) порядков. Это может быть необходимо уменьшить интенсивность лазера, потому что скорость счета МКП не должен превышать 30 кГц. Если фоном вследствие ионизации остаточного газа является слишком высоким по сравнению с сигналом от струи газовой, рассмотреть возможность расширения лазерный луч вне камеры для достижения более узкой направленности.
    3. Если не Джет пятно виден на датчик изображения, настроить манипулятор для фокусируя зеркало в большие шаги, чтобы найти совпадение и продолжить, а затем с шагом 2.3.2.

3. Пример доставки

  1. подготовить хорошо все инструменты, получателей прокладки и другие предметы, необходимые, как воздействие образца окружающей среды должны быть минимизированы.
  2. Заполнить образец в получателя, который будет подключен к эксперименту. Если образец имеет высокое давление паров, прохладный получателя и заранее образца для уменьшения испарения потерь на этом этапе.
  3. Подключить к системе jet пробоотборный цилиндр и затяните соединения вакуум доказательство. Охладить цилиндр (чтобы избежать потерь образца) и насос на несколько секунд, чтобы удалить воздух.
  4. Открыть клапан форсунки. Давление в источник ЧамBER следует увеличить по крайней мере несколько 10 -5 гПа.
  5. Убедитесь, что пятно jet является видимым (шаг 2.3.2) и определить наиболее видные пики в спектре времени рейса.
  6. Оптимизировать экспериментальных условий (отрегулировать температуру, интенсивности лазера, давление copropagating газа …) чтобы максимизировать уровень ионизации от образца. Имейте в виду, что Отопление приводит к теплового расширения компонентов, так что может потребоваться регулировка струи манипулятора (шаг 1.4.5).

4. Измерение

Примечание: следующие шаги выполняются в программе приобретения данных.

  1. Проверить массовых спектр и совпадение спектра.
    1. Участок спектра время полета и назначить различные вершины для масс, которые могут произойти в фрагментации (родитель массового, многочисленные фрагменты).
    2. Участок, время полета первого иона на оси x и время полета второго иона на оси y. Регионы с многие счетчики указывают два фрагмента в совпадение. Острые диагональные линии указывают распада на два заряженных фрагменты.
    3. Участок аналогичного гистограмму для больше частиц, например сумма времени рейсы для первых двух ионов на оси x и сумма времени рейсы для третьего и четвертого Ион на оси y. На рисунке 2 приведен пример такого спектра multicoincidence.
    4. Попытаться определить различные брейк ups в четырех частицы или пяти частицы спектра и проверить, если есть распада, что может принести структурную информацию под следствием.
  2. Оценить время измерения.
    1. Пусть эксперимент для примерно 1 h и проверить количество счетчиков для выбранного канала. Будьте осторожны, чтобы не рассчитывать фоновые события.
    2. Умножить это число с ожидаемое время, имеющееся для эксперимента. Общее число отсчетов в соответствующих каналов должно быть по крайней мере несколько тысяч.
    3. Если число отсчетов в выбранном канале значительно ниже это число увеличения интенсивности лазера и повторите шаги 4.2.1 и 4.2.2. Будьте осторожны, что ставка по-прежнему достаточно низким для совпадающих обнаружения (см. Введение).

5. Анализ данных

Примечание: анализ данных в эксперименте кулона взрыва Imaging представляет собой комплекс, но награждение задача, потому что многие параметры могут быть доработаны после эксперимента и множество корреляции между измеряемой импульсы могут быть изучены. После эксперимента в программное обеспечение для анализа данных обычно выполняются все следующие шаги.

  1. Экспериментальные параметры калибровки
    Примечание: В качестве первого шага, проверьте правильность положения и времени информации, реконструированный из детектора. Подобно к тюнинг электроники (шаг 2.2), точная процедура зависит от конкретной реализации, в этом случае на программное обеспечение для анализа данных. Таким образом может быть предоставлена только некоторые общие советы.
    1. Участок изображения детектора. Проверьте, что для всех трех анод слоев, размер изображения детектор соответствует фактическим размером MCP и что детектор изображение центрируется в 0. Убедитесь, что все комбинации из трех слоев дают один и тот же образ детектор. При необходимости повернуть или перевернуть детектора, таким образом, что система координат детектор изображения соответствует кадру лаборатории (используйте измерения Шаг 2.2.10).
    2. Определения различных масс в спектре время полета и подходят функцию спектрометр (шаг 1.1.2.1) эти значения. Важным параметром в этот шаг является время полета смещение t 0, все время полета значения должны быть исправлены for.
    3. Посмотрите на совпадение спектры (см. шаг 4.1.4) и определить перспективные каналы распада. Рекомендуется поставить ворота на время полета значения нескольких 100 НС вокруг интересные модели и выбрать только события в рамках этих окон для дальнейших шагов. В противном случае, количество ненужных событий слишком велик и будет замедлять анализ.
    4. Сохранить исправленные значения x, y, t для дальнейшего анализа.
  2. Вычислить Ион импульсов и энергий. Параметры
    1. использование экспериментальных и предполагаемая масса заряд коэффициенты для вычисления импульса компонентов p x, y p и p z. Используйте эти для расчета кинетической энергии фрагментов и их сумма, кинетической энергии релиз (KER).
    2. Использовать совпадение спектра (шаг 4.1.4) для точной настройки прочность электрического поля E и спектрометр длина s и участок позиции удара против времени полетов для определения позицию смещения x 0 и y 0 и скорость v j et газовой струи. Если необходима точность калибровки, использования N 2 и O 2 фрагментации на две отдельно взимается видов с очень узкой и хорошо характеризуется колебательных прогрессии в выпуске кинетической энергии (см. Ссылка 13 и ссылки на них).
      1. Участок p x против p y и т.д. и настроить параметры таким образом, что импульсы распространяются на сфере импульс пространстве (например, на круг в двумерных участков) и сосредоточены на 0. Это связано с тем, что кинетической энергии не должно зависеть от выбросов направлении ИОН фрагмента.
      2. Участок импульса сумма всех фрагментов из молекулярного распада. Для полного распада, распределение должно быть узким (обычно < 10 единицей импульса) и по центру в 0.
  3. Выберите соответствующие события и исследовать свойства системы молекулярного.
    1. Отделить реальные события распада от фона, установив ограничения в сумме импульса вокруг вершины наблюдаемых (обычно меньше, чем 20 атомных единиц в каждом направлении).
    2. Для этих событий, использовать вектор арифметики построить количеств, которые содержат структурную информацию должны расследоваться. В следующем разделе приводится пример для дифференциации и для левши стереоизомеров.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

В этой части мы показываем результаты, полученные для halomethanes. Эти виды являются идеальными для доказательства принцип экспериментов из-за их простоты и высокое давление паров. В то же время более сложных видов галотан исследовано с помощью единого софт x-ray фотоны из источника синхротронного навести множественные ионизации. 14

CHBrClF

Bromochlorofluoromethane (CHBrClF) является хрестоматийным примером для хиральные молекулы с атомом углерода stereogenic. Он также является идеальным кандидатом для кулона взрыва изображений из-за своей простой структурой и высокое давление паров (около 600 hPa при комнатной температуре). К сожалению этот вид не доступен коммерчески; для эксперимента, представленные здесь рацемические смеси был синтезирован реакции CHBr2Cl с2 HgF согласно ссылка15. Enantio обогащенный образцы трудно получить в количествах, необходимых тем, что до настоящего времени были получены только результаты для рацематы.

Для получения результатов, представленных здесь образец охлаждался до приблизительно 240 K для получения соответствующей целевой плотности с заданным сопла (10% вероятности ионизации в импульсе). Пика интенсивности лазера составляла 6 x 1014 Вт/см2. Измерения на 100 кГц частота повторения лазерных принял 11 h.

Для того, чтобы отличить R и S-энантиомеров, нормализованных тройной продукт рассчитывается от импульса векторов трех галогенов фтор, хлор и бром. Геометрически это количество может интерпретироваться как косинус угла между импульса фтора и плоскостью хлора и брома импульсов.

Equation 3

Рисунок 3 показывает cosθ для изотопов CH79Br35ClF, вместе с геометрическим определением. Две вершины ясно видны, указывающее энантиомеров. Положение вершины согласуется с классической молекулярной динамики моделирования. Как почти не фон присутствует, назначение Преобладающая рука работает на уровне одной молекулы.

CHBrCl2

Хиральность2 CHBrCl возникает, только если в той же молекулы присутствуют изотопы 35Cl и 37Cl. Таким образом, образец изобилием природных изотопов содержит хиральные и ахиральных молекул. Здесь возникают две дополнительные осложнения: во-первых, время полета распределений изотопов хлора и брома пересекаются соответственно из-за небольшой массы разница. Это особенно актуально для хлора, как определение handedness зависит от правильного назначения изотопов. Во-вторых хиральные видов CH79Br35Cl37Cl имеет (в пределах точности установки) той же общей массы как ахиральных видов CH в81Br35Cl2. Таким образом, расследование этого вида может рассматриваться как тест для метода.

С помощью спектрометра используется (спектрометр длина s = 60,5 мм, прочность электрического поля E = 57.1 V/см), данные для хиральная изотопов CH79Br35Cl37Cl может быть выбран через общий импульс, используя алгоритм, предложенные ссылки16 назначить который ударяет принадлежит к какой изотопа.

Геометрических соображений приводят к выводу, что может быть ориентаций молекул в пространстве, где два Изотопы хлора у того же времени рейса; в этом случае они не могут быть уважаемым в принципе. Процедура, чтобы разобраться в этих событиях был описан в дополнительных материалов ссылка4. В результате конфигурации даже гетерогенны хиральные молекулы могут определяться с высокой надежностью.

Figure 1
Рисунок 1 : Представление настройки COLTRIMS. Молекулы настройки через сопло и пройти через пару скиммеры. В зале взаимодействия лазерных импульсов крест с молекулярной струи под 90°. Ионы руководствуется электрического поля спектрометра для детектора (вверху). Для лучшей видимости отображаются не все спектрометр пластины. Оставшиеся молекулы сбрасываются в дифференциально перекачиваемой секции (Джет дамп) сохранить фон давление в регионе взаимодействия как можно ниже. Рисунок изменен17 ссылка с разрешения G. Kastirke. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2 : Четыре частица совпадение спектра. Эта Гистограмма является расширением массового спектра время полета до четырех частицы: сумма времени рейсы для первой и второй удар на детектор строятся на x-оси, сумма за третий и четвертый удара на y-ось. Центр вершины позволяет идентифицировать массы четыре обнаруженных фрагментов. Фигура структуры содержит дополнительную информацию: Если импульсы фрагментов добавить до нуля, события содержатся в узкой линией (H, CF, Cl, Br). Если фрагмент незамеченными несет импульса, ненулевое полный импульс частицы, измеренной приводит к расширение функций. Для целей иллюстрации данные из синхротрон, не лазер, измерения используются здесь из-за выше статистики. Рисунок воспроизводится от5 ссылки с разрешения Wiley-VCH. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
Рисунок 3 : Различие энантиомеров в пяти частиц распада CHBrClF через параметр хиральности cos Θ как это определено в тексте. Пик на положительные значения соответствует R-энантиомер, пик на отрицательные значения для S-энантиомер. Врезные иллюстрирует cos θ геометрически. Низкийфон позволяет назначение handedness для отдельных молекул. Рисунок воспроизводится от4 ссылка с разрешения AAAS. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Из-за различных компонентов COLTRIMS установки требует довольно высокий уровень технических знаний, особенно в области вакуумной техники, обнаружения частиц, быстро электроники и анализа данных. Прежде чем перейти к расследованию сложных видов, оно должно таким образом быть тщательно проверены если установка выполняется правильно, например , выполняя и анализа измерений на двухатомного или трехатомных видов.

Оптимизация, интенсивность и продолжительность лазерные импульсы и параллелизма с молекулярной jet имеет важное значение для достижения как многие несколько ионизации событий как можно. Как распределения импульса может расширить за счет последовательного ионизации во время различных циклов лазерного импульса, длительность импульса в идеале не должна превышать 40 fs. Во время измерения крайне важно для получения достаточных статистических данных. На положительной стороне определение абсолютной конфигурации не требует особо высокой точности, по сравнению с другими совпадение эксперименты, т.е. процедура довольно устойчива к колебаниям в лазерных или интенсивности струи и электрические поле искажения в спектрометре.

Наиболее фундаментальное ограничение техники касается ее применимости для больших молекул. Надо иметь в виду, что результаты представляют импульсов фрагментов, не структура молекул в реальном пространстве. Для сложных био молекул отношения между измеряемых импульсов и молекулярной структуры ожидается не будет так просто, как молекулы, представленные здесь. Кроме того сложных молекул может производить много каналов распада, которые несут информацию о конфигурации, возможно снижение доходности соответствующих каналов. Теоретическое моделирование фрагментации, контроль распада структур и более сложные процедуры анализа необходимо будет если техника должна быть удлиненным молекулы с тремя или более атомов углерода. На данном этапе это не представляется возможным расследовать конфигурации белков или молекулы аналогичные сложности, но фактические ограничения все еще должна быть определена.

Еще одно ограничение текущей настройки является относительно высокий образец потребление благодаря молекулярной струи. Она может быть уменьшена путем реализации механизма утилизации (например холодной ловушки в вакуумной foreline). Тем не менее было бы целесообразно проверить другие методы подготовки образцов таких экспансивный струй, термодесорбции18 или лазерные методы десорбции19 , были успешно применены для изучения био молекул в газовой фазе.

Кулоновского взрыва Imaging является разрушительной метод, т. е. молекул, которые дробят для определения конфигурации не может быть использован далее. Однако только малая часть фактически ионизированный (которая является одной из причин потребления высокий образец, упомянутых в предыдущем пункте). Таким образом можно было использовать повторно молекул для последующего применения.

Измерения импульсов позволяет создать «соответствие» набор данных молекул и для выбора определенных пространственных направлениях, совпадение техника открывает новые перспективы для расследования эффекты асимметрии в хиральные молекулы, это, в частности случае если импульсы электроны измеряются в совпадение, которое может быть достигнуто с помощью полной установки COLTRIMS. Насос зонд методы позволяют дополнительно изучить Структурная динамика хиральная видов.

Совсем недавно, кулона взрыва изображений используется также для определения абсолютной геометрии СНГ и транс-изомеров,20 Добавление нового класса возможных видов и вопросов для рассмотрения. Как исследование стереохимии с совпадением спектроскопии все еще находится в зачаточном состоянии, авторы надеются, что эта статья поможет вдохновить исследователи, работающие по направлениям, изложенным в предыдущих пунктах для новых экспериментов.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы заявляют не конкурирующие интересы.

Acknowledgments

Мы благодарим Роберт Бергер (Филиппс-Universität Марбург, Германия) для вдохновляющим дискуссии о толковании наших данных и молекулярная Хиральность в целом. Мы благодарны Julia Kiedrowski, Александр Schießer и Майкл Реггелин из ту Дармштадт (Германия), а также Бенджамин Spenger, Мануэль Mazenauer и Юрген Stohner от ZHAW Веденсвиль (Швейцария) для предоставления образца.

Проект был поддержан Гессен государство инициатива для науки и экономического превосходства под фокус ELCH (электрон динамика хиральная систем) и Федеральное министерство образования и научных исследований (BMBF). МС признает финансовую поддержку Фондом Adolf Messer.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
CHBrCl2 SigmaAldrich 139181-10G or other suitable sample
femtosecond laser system KMLabs Wyvern500
High-reflective mirrors EKSMA 042-0800
mirror mounts Newport U100-A-LH-2K  
focusing mirror (protected silver, f = 75 mm) Thorlabs  CM254-075-P01 (if available: f = 60 mm)
COLTRIMS spectrometer, including electronics and data acquisition system RoentDek custom contrary to the standard COLTRIMS, only one detector is needed

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Химия выпуск 126 кулона взрыва Imaging хиральности абсолютной конфигурации фемтосекундный лазер COLTRIMS совпадение масс-спектрометрия молекулярного пучка photoionization
Кулоновская взрыв изображений как инструмент для различения стереоизомеров
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Pitzer, M., Fehre, K., Kunitski, M., … More

Pitzer, M., Fehre, K., Kunitski, M., Jahnke, T., Schmidt, L., Schmidt-Böcking, H., Dörner, R., Schöffler, M. Coulomb Explosion Imaging as a Tool to Distinguish Between Stereoisomers. J. Vis. Exp. (126), e56062, doi:10.3791/56062 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter