Chemistry

הפיצוץ הקולומבית הדמיה ככלי להבחנה בין Stereoisomers

Published: August 18, 2017 doi: 10.3791/56062

Martin Pitzer^1,2, Kilian Fehre¹, Maksim Kunitski¹, Till Jahnke¹, Lothar Schmidt¹, Horst Schmidt-Böcking¹, Reinhard Dörner¹, Markus Schöffler¹

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

Summary

עבור מינים כיראלי קטן, קולון פיצוץ הדמיה מספקת גישה חדשה כדי לקבוע את יד של מולקולות בודדות.

Abstract

מאמר זה מראה איך את COLTRIMS (קר היעד רתע יון מומנטום ספקטרוסקופיה) או הטכניקה "התגובה מיקרוסקופ" יכול לשמש כדי להבחין בין enantiomers (stereoisomers) של מינים כיראלי פשוט ברמה של מולקולות בודדות. בגישה זו, מטוס סילון מולקולרית לגז המדגם מתרחב לכדי תא ואקום, מצטלב עם פעימות לייזר הפמטו-שנייה (fs). עוצמה גבוהה של הפולסים מוביל מהר יינון מרובים, והצתת פיצוץ קולון כביכול המפיקה מספר cationic קטעים (הטעון חיובית). שדה אלקטרוסטטי המדריכים האלה קטיונים על גבי הזמן עמדה-והרגיש גלאי. בדומה בספקטרומטר זמן-של-טיסה, זמן ההגעה של יון כל התשואות מידע על המסה. כמו עודף, שדה אלקטרוסטטי מותאמת בצורה כי הכיוון פליטה והאנרגיה הקינטית לאחר פיצול להוביל וריאציות בטיסה הזמן-של- ואת התנוחה ההשפעה על הגלאי.

כל השפעה יון יוצר אות אלקטרוני הגלאי; האות הזה הוא מטופל על ידי אלקטרוניקה בתדירות גבוהה, נרשם אירוע על-ידי האירוע על ידי מחשב. רשומים הנתונים תואמים התקופה השפעה על עמדות. עם נתונים אלה, האנרגיה ואת הכיוון פליטה של כל שבר ניתן לחשב. ערכים אלה קשורים מאפיינים מבניים של המולקולה תחת חקירה, דהיינו ה ל אורכי קשר היחסיים של האטומים, המאפשר לקבוע מולקולה על ידי מולקולה של יד של מינים כיראלי פשוטות ותכונות אחרות של isomeric.

Introduction

כיראליות היא תכונה של טבענו מרתקים חוקרים כבר יותר מ-150 שנה. ב 19^th המאה, פסטר, עכשיו תקשיב הוף ואחרים גילה כי מולקולות יכול להתרחש שני מבנים תמונת ראי שאינם סופר-imposable - כמו שלנו כשהיד השמאלית. מאפיין זה היה כינה 'כיראלי', מן המילה היוונית 'יד'.

עד כה, נמצא הבדל במאפייני תרמודינמי או בכל רמות האנרגיה של handed שמאלה ולא ימינה צורות (שני ' enantiomers'). על מנת לנתח את יד של מדגם נתון, כדי להפריד את enantiomers, אינטראקציה עם מוקולות כיראליות אחרות ניתן להשתמש, לדוגמה זאת על מגוון גישות chromatographical. ¹ שיטות Chiroptical כגון קיווטות (הרטט), תקליטור (V) פיזור על כל ההזמנות אופטי, ORD, מועסקים באופן שגרתי כדי להבחין בין enantiomers. ²

כשמדובר על הקביעה של המבנה המיקרוסקופי, טכניקות אלו דורשים מידע נוסף, כגון חישוב קוונטי-כימית. השיטה היחידה זה מקובל ישירות לקבוע את תצורת מוחלטת היא חריגה עקיפה של קרני רנטגן. ³

לאחרונה הוכח כי התצורה המוחלטת של מינים כיראלי פשוט יכול להיקבע על ידי הדמיה פיצוץ קולון. ⁴ ^, ⁵ בגישה זו, מולקולות בשלב גז הם הכפילו מיונן כך הליבות נותרת חריפה להדוף את אחד לשני. סלידה זו מובילה פיצול מהיר ("פיצוץ") של המולקולות. הכיוון ועוצמת לתאם momenta שבר המבנה של מולקולת – עבור מולקולות קטנות, ההוראות מומנטום יתאימו באופן מפתיע גם כדי הצירים בונד. היה חלוץ קולון פיצוץ לקביעת מבנה מולקולרי באמצעות קורות יון מולקולרית של מאיץ. ⁶ טכניקה לסכל זו קרן יש לאחרונה גם כבר הוחל על פולימרים. ⁷

בניגוד חריגה עקיפה של קרני רנטגן, לדוגמה אסור גבישי אבל הניתנים השלב גז. זה הופך את הגישה קולון פיצוץ אידיאלי עבור מינים נדיף ומשלימים ובכך על קרני רנטגן. במקרים מסוימים, אפילו ניתן לקבוע את יד עבור מולקולות בודדות.

בפועל, שחזור מדויק של המבנה המולקולרי הוכיחה קשה גם עבור נגזרים מתאן, למשל מולקולות עם העתק המרכזי, substituents שונים. זה מיוחס לעובדה כי האינטראקציה בין שברי היא לא בדיוק Coulombic, כי לא כל חוב לשבור בו זמנית. על מנת לקבל מידע סטריאוכימיים, במיוחד כדי להבחין בין enantiomers, שחזור זה הוא למרבה המזל לא הכרחי. במקום זאת, הווקטורים המומנטום של שברים שונים ישויך להניב כמות זה ברור לאורך handed שמאלה ולא ימינה מולקולות. כדי לקבל תוצאות אמינות, יש לפחות ארבעה פרגמנט momenta שיירשמו.

על מנת למדוד את המידע המומנטום הזה, שברי אחד – והוא אחד בלבד – מולקולרי הפרידה צריך להתגלות בשלב המדידות יחיד. מצב זה מכונה בדרך כלל 'זיהוי וצירוף'. בנוסף, ההוראות פליטה יש להיות מנותח, אשר כמויות בפועל כדי להקליט את הזמן ואת המיקום של השבר להשפיע על מצב-רשימת נתונים בתבנית.

בפיסיקה אטומית ומולקולרית, טכניקות פותחו ליישם גישה זו מדידה על ידי העסקת ספקטרומטרים אלקטרוסטטית לגלאי המוני ההפרדה ואת הזמן עמדה-והרגיש פגע רב. הדוגמה הבולטת ביותר היא הגדרת COLTRIMS (קר היעד רתע יון מומנטום ספקטרוסקופיה) – ידוע גם התגובה מיקרוסקופ. ⁸ ^, ⁹ סקיצה עבור סוג זה של הניסוי ניתנת באיור1. בניגוד COLTRIMS רגיל כי ניתן להקליט גם אלקטרונים, קולון פיצוץ הדמיה דורש רק את. הגלאי.

ספקטרומטר, גלאי תיטען תחת ואקום אולטרה גבוה (< עונה 1 פרק 10^-9 hPa) כדי למנוע יצירה של יונים מגז שיורית. מולקולות יחיד של המדגם ניתנים באמצעות מטוס סילון גז מולקולרית חינם שנוצרו על-ידי הרחבת קולית: בשל לחץ אדים, המולקולות להרחיב באמצעות זרבובית קטן (קוטר בסביבות 50 מיקרומטר) לתוך הוואקום. חלק זה של הניסוי, תא המקור, מופרד מהאזור אינטראקציה על-ידי skimmers בדרך כלל שני שלבים שאוב באופן שונה. שאוב באופן שונה סעיף נוסף נמצא מאחורי האזור אינטראקציה לזרוק את המטוס של גז, ובכך להימנע רקע גז באזור אינטראקציה.

קרינה מייננת חותך עם המטוס מולקולרית מתחת לגיל 90°. רוב מעבדות כיום להשתמש פעימות לייזר הפמטו-שנייה, למרות סינכרוטרון קרינה, יונים מהיר או אלקטרון השפעה אפשרית 'קליעים' כדי לגרום לפיצוץ קולון.

להלן כללי התנהגות הופך את ההנחה כי התקנה פועלת עבור הדמיה וצירוף של יונים, לייזר הפמטו-שנייה זמינים במעבדה. עוצמת שיא הדרוש כדי לגרום לפיצוץ קולון לחלקים ארבעה או אפילו חמישה חייב להיות הסדר 6 x 10¹⁴W/ס מ². כדי להימנע מדידות מאוד ארוך, קצב החזרה של הלייזר צריך להיות 10 קילו-הרץ או יותר. דבר זה חיוני, כי מצד אחד, זיהוי וצירוף ניתן רק לקביעה אם ההסתברות פיצול בפוקוס לייזר הוא משמעותי מתחת 1 לפי הדופק לייזר (אידיאלי לא יותר מ 10%). הקצב הכולל קיטוע, מצד שני, לא צריך להיות נמוך יותר מאשר כמה קילו-הרץ כי המשותף של מסלולים multifragmentation הרלוונטי הוא בדרך כלל פחות מ- 10^-4. עובדה גם מעודד, יצוין כי באופן עקרוני כבר אירוע פיצול אחת מספיקה לזהות את התצורה של דוגמה enantiopure, ומאפשר את הזיהוי של כמה מאות כדי לקבוע שפע enantiomers ב מדגם של הרכב enantiomeric לא ידוע.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

התראה: הקפד להיות מוכר עם סכנות אפשרי מקושר עם הניסוי במעבדה. ההליך שלהלן כולל מחלקה-IV לייזרים, מתח גבוה, ואקום. להתייעץ עם דף הנתונים גשמי בטיחות (MSDS) עבור המין להיחקר.

1. הכנה

שיקולים הכנה
הערה: לפני תחילת הניסוי בפועל, שתי אפשרויות הראשי יש לבצע; הראשון לגבי המינים אפשרי תחת חקירות ו השדה החשמלי בספקטרומטר השני. ההנחה כאן כי ההתקנה שימש בעבר לניסויים אחרים, כי ספקטרומטר עצמו לא להיות שופצה.
1. הבחירה של מדגם
  1. לבחור מדגם איפה פיצול מסלולים צפויים לשאת חתימה של יד או התכונה מבניים להיחקר. זכור המימן הזה אטומים מתפרסמים לעיתים קרובות כקטעים מפוצלים נייטרלית; כנראה לא ניתן לזיהוי קבוצות פונקציונליות שונות רק לפי מספר אטומי המימן. להתחיל עם מינים (אולי achiral) פשוטים כגון halomethanes או haloethanes.
  2. הסימון הזה מול לפחות 0.02 נקודות המדגם הינו זמין גם את הכמות המינימלית בשימוש ניסויים מוצלחים ייקחו כל כך
  3. אימות כי בלחץ קיטור מספיק הוא בר השגה עם הדוגמה. בהתאם לעיצוב של המנגנון, אדי לחצים > 5 hPa נחוצים עבור צפיפות סילון די לניסויים לייזר. אם הלחץ אדי הוא נמוך משמעותית, לבחון אם הלחצים אדי הנדרש ניתן להגיע על ידי חימום הדגימה. זה יכול להיות אפשרי עבור דגימות נוזלי ומוצק, מכוח סובלימציה עבור האחרון. אם חימום נדרש, זה צריך להיות הדרגתי טמפרטורת חיובית לאורך הנתיב של הגז במערכת המסירה (עם הזרבובית להיות החמות ביותר) כדי למנוע עיבוי. יותר מתקדם מדגם ערכות הכנה כמו איסוף על ידי המוביל גז עשוי להיחשב.
2. הבחירה של שדה חשמלי כוח ספקטרומטר
  הערה: ערך של 50 עד 100 V/cm הוכיחה סביר קולון פיצוץ הדמיה. הערך האופטימלי, עם זאת, תלוי הגיאומטריה של ספקטרומטר. השלבים הבאים מראים כיצד למטב את עוצמת שדה חשמלי.
  1. הערכת הזמן-של-הטיסה של השברים cationic הצפוי. אם ספקטרומטר מורכב רק האזור שדה הומוגני בעל אורך s ושדה חשמלי כוח E, זמן-של-הטיסה של חלקיק עם מסה m ותשלום q פשוט ניתן ע י
    < img alt = "משוואה 1" src = "/ files/ftp_upload/56062/56062eq1.jpg"/ >
  2. מעריכים את התפשטות x של קטיונים קטע עם מסה m בהגלאי באמצעות זמן-של-טיסה t החישוב לעיל והנוסחה
    < img alt ="משוואה 2"src ="/files/ ftp_upload/56062/56062eq2.jpg"/ >
    יונים ירוויח momenta p _x של עד 400 יחידות אטומי של תנע (פרוטונים עד 150 יחידות האטום).
  3. אם ההתפשטות המרחבית x של המין יון הקל הוא גדול יותר מאשר הרדיוס גלאי, להגדיל את הכוח שדה חשמלי בחישוב עד הפער הוא קטן יותר מהגודל גלאי כמה מילימטרים. עוצמת השדה לא צריך להיות הרבה יותר גבוה. כמו זה מוביל לרזולוציה נמוכה יותר עבור כבד שברי כי פרושים פחות על הגלאי.
בדיקה של הגדרת ניסיוני
הערה: לפני שתמשיך למדידה בפועל, הוא חייב לבדוק הגדרת הניסוי הינו מוכן היטב.
1. סימון זה שואב האבק בבית הבליעה האינטראקציה < עונה 1 פרק 10 ^-9 hPa. אם זה לא המקרה, הגז שיורית יוביל שיעור רקע. בכל מקרה של ספק לגבי התנאים ואקום, המשיכו עד שלב 2.2.1 שבו נקבע שיעור יינון של הגז שיורית. אם הלחץ הוא גבוה מדי, לבצע בדיקת הדליפה. אם הדליפה לא נראית לעין, לאפות את החדר לכמה ימים.
2. לאמת את החיבורים עבור אספקת מתח, את האותות גלאי לפי ספר ההוראות או התנסה תיאור.
3. בדוק כי התוכנה רכישת נתונים במחשב מדידה הוא מסוגל לתעד ולנתח יונים לפחות ארבעה. ודא כי הזמן מת של המודולים אלקטרונית ואת רוחב הדופק של האותות מתחת 30 ns-
משלוח הדגימה הכן
1. לוודא כי הצינורות משלוח הדגימה נקיים, הידק החיבורים. אם המדגם הוא מאכל (למשל חומצי) לוודא כי כל הרכיבים במערכת המסירה, משאבות roughing תא ואקום תואמים המדגם שבחרת. משאבת מערכת משלוח הדגימה עם משאבה roughing, פתח את השסתומים וודא כי הלחץ בבית הבליעה ניסיוני אינה משתפרת.
2. נקיים ולהכין הנמען לדוגמה. באמבט אולטרא עם אצטון או דסקית זכוכית מעבדה הרגילים מספיקים.
3. להכין את החימום של אגירה ומערכת משלוח הדגימה אם המדגם צריך להיות מחומם (cf. 1.1.1.3). הדרך הנוחה ביותר היא להשתמש חימום מתכווננת מעגלים, כל אחד של חוט חימום, חיישן טמפרטורה, בקר טמפרטורה.
4. אם המדגם לחץ אדים נמוכה מאוד, או אם הוא נוטה טופס אשכולות (למשל חומצות), השתמש גישות שונות עבור איסוף או copropagation עם גזים. לשנות את העיצוב של קווי גז בהתאם לדרישות אלה.
5. בדוק כי המטוס מולקולרית מיושרים כראוי. לצורך כך להשתמש מדגם נדיר גז (למשל ארגון) כך ניתן להשיג מטוס צפוף (בערך 1 אטמוספרות מוחלטות תצטרך להסתפק זרבובית 50 מיקרומטר). למקסם את הלחץ במקטע dump jet על-ידי הזזת manipulator אשר נטענה הזרבובית.
פעימות לייזר הפמטו-שנייה לספק
הערה: הפולסים ionizing הינם מסופקים על ידי מערכת לייזר הפמטו-שנייה. המתאר כזה לייזר והשימוש בו פירוט הוא מעבר להיקף של פרוטוקול זה. אם מערכת לייזר מסחרי, התייעץ עם המדריך.
1. לעבור על הלייזר, בדוק הלייזר לשגר פרופיל על הפלט.
2. לבדוק ולתקן (במקרה הצורך) הנתיב של קרן בחלון הכניסה של הניסוי על-ידי התאמת המראות המתאימות.
3. במידת הצורך, ישר במראה התמקדות בתוך החדר ניסיוני באמצעות manipulator בהתאמה. מרכז את ההשתקפות במראה התמקדות ביחס קרן נכנסות.
4. הוספה או מקטב rotatable בנתיב קרן כדי להשיג את עוצמת שיא בערך 6 x 10 ¹⁴ W/cm ². הדמיה נורמלי קולון פיצוץ, השתמש קיטוב לינארי. אם אפקטים dichroism להיחקר, לשנות את קיטוב על-ידי צלחת רבע-גל לפני חלון הכניסה.
5. הכנס פוטודיודה מקום שבו יכולה להקליט את העתק אמין של הדופק לייזר (למשל השתקפות או השידור דרך המראה יישור). להתחבר הפלט של פוטודיודה אוסצילוסקופ ולוודא כי "דיודה" בגלל מייצרת פולסים נקי עם שיעור החזרה של הלייזר.
6. תמיד לחסום את הקורה כאשר אינו בשימוש.

2. הפעלת ספקטרומטר וגלאים

הערה: חלק זה של הפרוטוקול מעט תלוי היישום בפועל של מערכת ספקטרומטר, גלאי. התיאור כאן בתוקף עבור הגדרת COLTRIMS סטנדרטי עם גלאי קו עיכוב משושה (HEX75). ¹⁰ ביישום זה, גלאי יש 7 ערוצי פלט: אחד עבור לוחות microchannels (MCPs) ו-2 עבור כל שלושת הרבדים של האנודה.

להפעיל את ספקי כוח.
1. לכבות ואקום מאבחנים בבית הבליעה אינטראקציה כפי שהם יכולים לייצר יונים כי הם ראו על ידי הגלאי.
2. לחבר את פלט אות מוגבר (באמצעות מגבר מהיר עם הגברה ≈ 100) של ת ל אוסצילוסקופ (רצוי אנלוגי) מהיר. הגדר את אוסצילוסקופ ns 5 או 10 לכל חלוקה על ציר הזמן ואת 100 mV לכל חלוקה בסולם אות. ודא כי רעש חשמלי מתחת 30 mV.
3. מתג על מתח הגבוה אספקת חשמל עבור הגלאי. עבור גלאי יון טיפוסי, המתח הוא-2,000 V על הצד הקדמי ו- 300 V עבור הצד אנודת. המתח תלוי גיל MCPs ו צריכה להיות מוגדרת כך האותות האנלוגיים מקסימלי אבל לא להרוות. בדוק הנוכחי. זה תלוי עמידות MCPs בתוך הגלאי אך לא יעלה על 50 µA. על הסימן אוסצילוסקופ, כמה אותות לשניה אות בגובה של כמה מאות mV צריך להיות גלוי (' ספירות כהה ').
4. כוון הזרם החשמלי ספקטרומטר לערך נוסדה בשלב 1.1.2.
בדיקת גלאי אותות דרך יינון של משקעי גז
הערה: ניתן למצוא תיאור מפורט של סטארט-אפ גלאי גם בהמדריכים המתאימים. ¹¹ ^, ¹²
1. להחליש את עוצמת הלייזר לערך משוער מתחת 10 W/cm ¹⁴ ² בפוקוס. החסימה של הלייזר ולצפות את האיתור אוסצילוסקופ. אם זה יוביל שיעור העולה על 5% ממחיר חזרה לייזר, כמות הגז שיורית בבית הבליעה הוא גבוה מדי או קרן הלייזר נוגע את ספקטרומטר. לפתור בעיה זו לפני שתמשיך. אם ספירת קצב נמוך משמעותית מאשר 5% של קצב החזרה לייזר, להגדיל בהדרגה את עוצמת הלייזר.
2. יש מבט מקרוב על האותות. הם רק צריך להראות פסגה אחת של מספר מאות mV ולא ' מצלצל ' (תנודות אחרי הדופק בפועל). הרוחב של האות ת לא יעלה על 10 ns (FWHM).
3. תראה עקבות אוסצילוסקופ כל הסימנים אנודת שש. האותות הם כאן רחבה יותר (20-30 ns), בדרך כלל קצת יותר נמוך במתח. בדוק שוב בלי הפרעות של אותות נוכחים. אם כל הסימנים אנודת מתחת 100 mV, להגדיל המתח (שלב 2.1.3) בשלבים של 50 נ' כוונון הגברה מגבר יכול לעזור להגיע באותו הגובה. הדופק בכל הערוצים.
4. להמיר אותות אנלוגי אלה אותות נים רגיל (מודול מיכשור גרעיני)-0.8 V על ידי מבדיל שבר קבוע (CFD). בדוק את ההגדרות של ההפרשים לפני כל הפעלה ניסיונית. לקבלת תיאור מפורט, עיין ידנית הזמינים באינטרנט. ¹² להאכיל הפולסים נימ לתוך הזמן לדיגיטלי ממיר (TDC) המקליט זמן ההגעה של הפולסים עם רזולוציה גבוהה (בדרך כלל 25 ps). אותות הזמן אלה הם הקלט עבור התוכנה רכישת וניתוח הנתונים.
5. הפעל את הנתונים רכישת התוכנה ולהתחיל הקלטה נתונים. תסתכל על התפלגות כניסות לכל ערוץ - היסטוגרמות צריך להיות דומה לכל הערוצים. אם זה לא המקרה עבור כמה ערוצים, בדוק את ההגדרות CFD (שלב 2.2.4) עבור הערוצים הללו. בדוק ההגדרות על-ידי בדיקה בנוסף לסכום האות להפעיל פעמים עבור כל אחד הרבדים גלאי כפי שמתואר במדריך גלאי. במידת הצורך, תקן את ההגדרות על הפרשים.
6. להציג תמונה גלאי התוכנה רכישת נתונים. הגלאי צריך להיות מוצג בצורת מעגל עם נקודה ' מאטום לשקוף ' (תמונה של המוקד לייזר) במרכז. ההרחבה של המקום נובע בעיקר בשל המהירות התרמית של הגז שיורית זה מקבל מיוננת.
7. להאכיל את האות של דיודת לייזר (שלב 1.5.5) לתוך רכישת נתונים, רצוי באותו אופן כמו האותות גלאי. הצגת ספקטרום זמן-של-טיסה התוכנה. מתייחסים המין גז שיורית פסגות הנצפה (H ₂, H ₂ O, ואולי N ₂, O ₂, CO ₂) על-ידי חישוב שלהם צפוי הזמן-של-טיסות הגיאומטריה ספקטרומטר (שלב 1.1.2.1).
8. לנסות לצמצם את משך פעימה לייזר על-ידי למקסם את קצב הספירה, באמצעות התיקון פיזור של מערכת לייזר. דופק נמוך (ובכך בעוצמה גבוהה יותר של שיא) תוביל עלייה משמעותית של הקצב-
9. אם הלחץ רקע כל כך נמוך כי הקצב אינה גבוהה מספיק כדי לבצע את השלבים לעיל, הפעל את המטוס של גז (ראה שלב 2.3) ולבצע צעדים 2.2.1 עד 2.2.8. הקשת זמן-של-טיסה בשלב 2.2.7 צריך אז ברור להישלט על ידי המין במטוס הסילון.
10. למצוא את הכיוון מוחלטת של הגלאי. לשם כך, להזיז את המראה התמקדות כך התמונה של המוקד לייזר עובר בעליל בתמונה גלאי בתוכנה. הערה כיוון התנועה (משמש בשלב 5.1.1). השלב זה חשוב למדידה של תצורת מוחלט מכיוון שהיא מאפשרת להימנע היפוך momenta נמדד ביחס לשטח מעבדה אמיתי.
למצוא חפיפה של סילון גז ולייזר.
1. להפעיל את המטוס של גז, כפי שמתואר בשלב 1.3.5.
2. אם מגביר את הקצב ואת מקום צר מאוד (' סילון במקום ') מוצגת בתמונה גלאי בתוכנית רכישת נתונים, להבטיח כי jet מולקולרית של לייזר קרן חפיפה לפחות באופן חלקי. במקרה זה, מנגינה manipulator עבור השיקוף התמקדות בקפידה למקסם את ספירת במקום סילון. -חפיפה אופטימלית, הם צריכים יעלה על מספר סעיפים מן הגז שיורית (שלב 2.2) על-ידי סדרי גודל. יתכן צורך להקטין את עוצמת הלייזר בגלל הקצב ספירת MCP לא יעלה על 30 קילו-הרץ. אם הרקע עקב יינון של הגז שיורית הוא גבוה מדי לעומת האות מן המטוס גז, שקול להרחיב את קרן הלייזר מחוץ לחדר כדי להגיע אל מוקד הצר יותר.
3. אם אין מקום סילון גלוי על התמונה גלאי, מנגינה manipulator עבור השיקוף התמקדות צעדים גדולים יותר כדי למצוא את החפיפה, ולהמשיך לאחר מכן צעד 2.3.2.

3. לטעום משלוח

להכין היטב כל הכלים, אטמים הנמען ופריטים אחרים הדרושים, כמו חשיפת המדגם לסביבה צריך להיות ממוזער.
למלא את הדגימה אל הנמען כי תהיה מחוברת הניסוי. אם המדגם לחץ אדים, מגניב הנמען ולטעום מראש כדי להפחית את התאיידות בשלב זה.
לחבר את הצילינדר מדגם למערכת סילון והדק ואקום-ההוכחה חיבור. מגניב הגליל (כדי למנוע הפסדים לדוגמה), משאבות לכמה שניות להוציא אוויר.
פתח את השסתום כדי הזרבובית. הלחץ ב cham המקורבער צריך להגדיל את מספר לפחות 10 ^-5 hPa.
לוודא נקודה סילון הוא גלוי (שלב 2.3.2) ולזהות את הפסגות הבולטות ביותר בספקטרום זמן-של-טיסה.
לייעל את תנאי הניסוי (להתאים טמפרטורה, עוצמת לייזר, הלחץ של גז copropagating …) כדי למקסם את שיעור יינון מדגם. יש לזכור כי חימום מוביל הרחבה תרמי של הרכיבים כך ההתאמה של manipulator סילון (שלב 1.4.5) יכול להיות נחוץ.

4. מדידה

הערה: השלבים הבאים מבוצעות בהתוכנה רכישת נתונים.

בדוק ספקטרום המונית ואת ספקטרום מקרים.
1. עלילה קשת זמן-של-טיסה ולהקצות הפסגות שונים ההמונים היכולים להתרחש הפיצול (אב המוני, שפע שברי).
2. מגרש הזמן-של-הטיסה של יונים הראשון בציר ה-x ואת הזמן-של-הטיסה של יונים השני בציר ה-y. אזורים עם סעיפים רבים מציינים שני קטעים הנפלטים בצירופי מקרים. קווים אלכסוניים חדה מצביעים על פרידה לשני מקטעים טעון.
3. מגרש היסטוגרמה דומה עבור יותר חלקיקים, למשל הסכום של הזמן-של-הטיסות עבור שתי יונים על ציר ה-x ואת סכום הזמן-של-הטיסות עבור יונים השלישית והרביעית על ציר ה-y. דוגמה כזו קשת multicoincidence מוצגת באיור 2.
4. מנסה לזהות את פרידות שונים בספקטרום החלקיקים התת-ארבע או חמש-חלקיק, בדוק אם יש ניתוק זה יכולה להניב את המידע המבני תחת חקירה.
הערכת זמן מדידה.
1. תן הניסוי לשעה בערך ולרוץ לבדוק את מספר ספירות עבור הערוץ שבחרת. להיזהר לא נחשב האירועים רקע.
2. להכפיל את המספר הזה. עם הזמן הצפוי זמינים עבור הניסוי. המספר הכולל של ספירות בערוץ רלוונטי צריך להיות לפחות כמה אלפים.
3. אם מספר ספירות בערוץ שבחרת הוא משמעותי מתחת למספר הזה, להגביר את עוצמת הלייזר וחזור על שלבים 4.2.1 ו 4.2.2. להיזהר כי הקצב הוא עדיין נמוך מספיק לגילוי וצירוף (ראה מבוא).

5. ניתוח נתונים

הערה: ניתוח נתונים בניסוי קולון פיצוץ הדמיה היא מורכבת, אך מתגמל פעילות כי פרמטרים רבים ניתן לכוונן לאחר הניסוי, שפע של מתאמים בין נמדד ניתן לסייר momenta. כל השלבים הבאים מבוצעות בדרך כלל לאחר הניסוי בתוכנת ניתוח נתונים.

פרמטרים ניסיוני כיול
הערה: בשלב הראשון, ודא כי המיקום והשעה של הגלאי שהמידע נכון. בדומה לכיוונון של האלקטרוניקה (שלב 2.2), את הנוהל המדויק תלוי על יישום ספציפי, במקרה זה תוכנת ניתוח נתונים. לפיכך, ניתן לתת רק עצה כללית.
1. עלילה תמונות של הגלאי. בדוק כי עבור כל אנודת שלוש שכבות, הגודל של התמונה גלאי תואם לגודל בפועל של המיקרו, גלאי התמונה ממורכזת על 0. ודא כי כל השילובים של שלושת הרבדים תשואות התמונה גלאי. אם הצורך לסובב או להפוך את הגלאי כזה מערכת הקואורדינטות של התמונה גלאי מתאים למסגרת מעבדה (השתמש את המידות של שלב 2.2.10).
2. לזהות גושים שונים בספקטרום זמן-של-טיסה ובכושר הפונקציה ספקטרומטר (שלב 1.1.2.1) לערכים אלו. הפרמטר החשוב בשלב זה הוא הזמן-של-הטיסה לקזז t ₀ כל ערכי זמן-של-טיסה צריכה להיות מתוקנת הממ
3. מבט על ספקטרום מקרים (cf. שלב 4.1.4) ולזהות מבטיח ערוצי הפרידות. מומלץ לשים שער ערכי זמן-של-טיסה מספר 100 ns סביב מעניין תבניות ובחר רק את האירועים בתוך החלונות עבור הצעדים נוספות. אחרת, כמות האירועים מיותרים גדול מדי, יהיה להאט את הניתוח.
4. לאחסן את הערכים המתוקן עבור x, y, t לצורך ניתוח נוסף.
לחשב יון momenta ואנרגיות.
1. שימוש ניסיוני פרמטרים, את יחס מסה-כדי-אחראי בדוי כדי לחשב את המומנטום רכיבים p _x, p _y ו- p _z. להשתמש בהן כדי לחשב את האנרגיות קינטית של שברי ואת סכומן, שחרור אנרגיה קינטית (KER).
2. השתמש הקשת צירוף מקרים (שלב 4.1.4) עבור כוונון עוצמת שדה חשמלי E, את אורך ספקטרומטר s ומגרש של עמדת השפעה לעומת זמן-של-טיסה כדי לקבוע ההיסטים מיקום x ₀ ו- y ₀, את מהירות v _j _ואח של המטוס גז. אם כיול דיוק הוא הכרחי, שימוש N ₂ ו- O ₂ מזימות לתוך שני ביחידים מואשם מינים המהלכים הרטט צר מאוד ומתאפיינות טוב במהדורה אנרגיה קינטית (ראה הפניה למעורר 13 והפניות בו).
  1. עלילה p _x vs p _y וכו ולכוונן את הפרמטרים כך momenta מופץ על כדור בחלל תנע (למשל על עיגול בתוך העלילות דו מימדי) וממורכזות ב 0. זאת בשל העובדה כי האנרגיה הקינטית לא צריך לסמוך על הכיוון פליטה של השבר יון.
  2. להתוות את המומנטום סכום של כל חלקי של פרידה מולקולרית. על פרידה מוחלטת, ההתפלגות צריך להיות צר (בדרך כלל < 10 יחידה אטומית מומנטום) מרוכז ב 0-
בחר אירועים רלוונטיים ולחקור מאפייני המבנה המולקולרי.
1. להפריד את אירועי הפרידה בפועל הרקע על-ידי הגדרת אילוצים המומנטום סכום סביב הפסגות הנצפה (בדרך כלל פחות מ 20 יחידות אטומי לכל כיוון).
2. לאירועים אלה, השתמש וקטור אריתמטיקה לבנות כמויות המכילים את המידע המבני להיחקר. דוגמא על הבידול בין stereoisomers handed שמאלה ולא ימינה ניתנת בסעיף הבא.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

בחלק זה, אנו מראים התוצאות המתקבלות עבור halomethanes. המינים הללו הינם אידיאליים עבור ניסויים הוכחה של עקרון בשל הפשטות שלהם לחץ אדים גבוה. בינתיים, ההלותן מינים מורכבים יותר נחקר באמצעות פוטונים רך-x-ray יחיד ממקור סינכרוטרון לזירוז יינון מרובים. ¹⁴

CHBrClF

Bromochlorofluoromethane (CHBrClF) היא דוגמה קלאסית עבור מוקולות עם אטום פחמן stereogenic. . זה גם המועמד האידיאלי עבור הדמיה פיצוץ קולון בשל מבנהו פשוט לחץ קיטור גבוה (כ-600 hPa בטמפרטורת החדר). למרבה הצער, המין אינו זמין מסחרית; עבור הניסוי המוצג כאן, תערובת רצמית היה מסונתז על ידי מגיבים CHBr₂Cl עם דבורה שחר₂ על פי הפניה¹⁵. דוגמאות מועשר Enantio הם מתקשים להשיג בהכמויות הנחוצות כך רק תוצאות עבור racemates הושגו עד כה.

לקבלת התוצאות המובאות כאן המדגם היה מקורר כ- 240 ק כדי להשיג צפיפות של יעד מתאימה עם הזרבובית נתון (10% ההסתברות יינון לפי הדופק). שיא עוצמת הלייזר היה מוערך 6 x 10¹⁴W/ס מ². המדידה בקצב החזרה של 100 קילו-הרץ לייזר לקח 11 h.

על מנת להבחין בין R ו S-enantiomers, מוצר טריפל מנורמל מחושבת על פי הווקטורים מומנטום של שלושה הלוגנים פלואור, כלור, ברום. גאומטרית, כמות זו יכול להתפרש הקוסינוס של הזווית בין מישור momenta כלור, ברום המומנטום פלואור.

Equation 3

איור 3 מראה כיθ באמצעות עבור איזוטופ CH⁷⁹Br³⁵משחקי, יחד עם הגדרת גיאומטריים. שתי הפסגות ברור גלויים, המציין את enantiomers. המיקום של הפסגות הוא עקבי עם סימולציה דינמיקה מולקולרית קלאסית. כמו כמעט ללא רקע קיים, ההקצאה של יד פועל ברמה מולקולה בודדת.

CHBrCl₂

כיראליות של CHBrCl₂ מתרחשת רק אם שניהם איזוטופים ³⁵קלרנית ו ³⁷Cl נמצאים ב- אותה המולקולה. דגימה עם השפע הטבעי של איזוטופים ובכך מכיל מולקולות כיראלי ו achiral. שתי בעיות נוספות להתעורר כאן: ראשית, חלוקות הזמן-של-טיסה של האיזוטופים כלור, ברום חפיפה בהתאמה לאור ההבדל מסה קטנה. זה רלוונטי במיוחד כלור כמו הקביעה של יד תלוי ההקצאה הנכון של האיזוטופים. שנית, כיראלי CH⁷⁹Br³⁵Cl³⁷Cl המין (במרחק דיוק של הגדרת) המסה הכוללת אותו כמו המין achiral CH⁸¹Br³⁵Cl₂. וכך ניתן לראות את החקירה של מין זה כמבחן בחינת ביצועים עבור פעולת השירות.

עם ספקטרומטר בשימוש (ספקטרומטר אורך s = 60.5 מ מ, שדה חשמלי כוח E = V 57.1/ס מ), הנתונים עבור כיראלי איזוטופ CH⁷⁹Br³⁵Cl³⁷Cl יכול להיבחר דרך המומנטום הכולל, שימוש אלגוריתם שהוצעה על ידי הפניה¹⁶ כדי להקצות אשר של מכה שייך לאיזה איזוטופ.

שיקולים גיאומטרי להוביל למסקנה שלא יכולה להיות אוריינטציות של המולקולה במרחב שבו שני האיזוטופים כלור יש באותו הזמן-של-הטיסה; במקרה זה, הם לא יכולים להיות מכובד כעניין של עיקרון. הליך לסדר את האירועים שתיארנו את הפניית החומרים המשלימים⁴. כתוצאה מכך, ניתן לקבוע את תצורת אפילו של מוקולות isotopically עם אמינות גבוהה.

איור 1 : תצוגת לתוך מלכודת COLTRIMS. מולקולות להיכנס להגדרת ה מבעד לנחיר ועובר דרך זוג skimmers. בבית הבליעה אינטראקציה, לחצות פעימות לייזר עם המטוס מולקולרית מתחת לגיל 90°. יונים מונחית על ידי שדה חשמלי של ספקטרומטר כדי הגלאי (למעלה). עבור ניראות טובה יותר, לא כל הצלחות ספקטרומטר מוצגים. המולקולות הנותרות הן זרקה במקטע שאוב באופן שונה (קובץ dump של jet) כדי לשמור על רקע הלחץ באזור אינטראקציה נמוכה ככל האפשר. דמות שונה ההתייחסות¹⁷ עם הרשאה מאת Kastirke G... אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 2 : ארבע-חלקיקים מקרים ספקטרום. היסטוגרמה זו היא הרחבה של קשת זמן-של-טיסה מסת החלקיקים ארבע: הסכום של הזמן-של-הטיסות על הלהיט הראשון והשני על הגלאי מותוות על ה- x-ציר, את הסכום עבור השלישי והרביעי תתחיל את y-ציר. מרכז הפסגות מאפשר לזהות את ההמונים של השברים שזוהו ארבע. הצורה של המבנים מכילה מידע נוסף: אם momenta של השברים להוסיף עד אפס, האירועים הכלולים פס צר (H, CF Cl, Br). אם קטע מבלי שיבחינו נושא מומנטום, המומנטום אפס מוחלט של החלקיק נמדד מוביל התרחבות של התכונות. להמחשה, נתונים סינכרוטרון, לא לייזר, מדידות משמשים כאן בשל הסטטיסטיקה גבוה יותר. איור לשכפל הפניה⁵ עם הרשאה מאת ווילי-VCH. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 3 : ההבחנה enantiomers ב 5-חלקיקים הפרידה של CHBrClF באמצעות הפרמטר כיראליות cos Θ באמצעות כפי שהן מוגדרות בטקסט. הפסגה-ערכים חיוביים מקביל R-אננטיומר, הפסגה-ערכים שליליים ל S-אננטיומר. שיבוץ ממחיש כי θ באמצעות גיאומטריים. נמוכהרקע מאפשר הקצאה של יד עבור מולקולות בודדות. איור לשכפל הפניה⁴ עם הרשאה מאת AAAS. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

בשל המגוון של רכיבים, מלכודת COLTRIMS דורשת רמה גבוהה למדי של מומחיות טכנית, במיוחד באזורים של טכניקה ואקום, זיהוי החלקיקים, אלקטרוניקה מהיר וניתוח נתונים. לפני החקירה של מינים מורכבים, יש לכן ביסודיות לבדוק אם ההתקנה פועלת כהלכה, למשל על-ידי ביצוע וניתוח מדידה על זן דו-אטומית או triatomic.

מיטוב את העוצמה ואת משך את פעימות לייזר ואת החפיפה עם המטוס מולקולרית היא חיונית כדי להשיג כמה שיותר אירועי יינון מרובים ככל האפשר. כמו התפלגות מומנטום יכול להרחיב בשל יינון רציפים במהלך מחזורים שונים של הדופק לייזר, משך דופק אידיאלי לא יעלה 40 fs. במהלך המדידה, זה הכרחי לקבל סטטיסטיקות מספיקות. בצד החיובי, קביעת התצורה המוחלטת אינה דורשת לדיוק גבוה במיוחד בהשוואה אחרים ניסויים מקרים, קרי ההליך היא די חזקה. תנודות לייזר או עוצמת הסילון, חשמלי עיוותים ספקטרומטר שדה.

המגבלה הבסיסיים ביותר של טכניקת מדאיג את תחולתן כדי מולקולות גדולות יותר. אחד חייב לזכור כי התוצאות מייצגים את momenta של קטעים, לא את המבנה של מולקולות בחלל האמיתי. עבור ביו-מולקולות מורכבות, היחס בין המבנה המולקולרי momenta נמדד לא צפוי להיות ברורים באשר מולקולות המוצג כאן. בנוסף, לייצר מולקולות מורכבות ערוצים הפרידות רבים אשר אינם נושאים מידע על התצורה, יכול להקטין את התשואה של הערוצים הרלוונטיים. מידול של פיצול תיאורטי, שליטה על דפוסי פרידה ונהלים אנליזה מתוחכמות יותר יהיה צורך אם הטכניקה היא להתרחב גם מולקולות עם שלושה או יותר אטומי פחמן. בשלב הנוכחי, זה לא נראה אפשרי לחקור את התצורה של חלבונים או מולקולות המורכבות דומה, אבל המגבלות בפועל יש עדיין אמור להיקבע.

הגבלה נוספת של הכיוונון הנוכחי הוא צריכת מדגם גבוה יחסית בשל המטוס מולקולרית. זה יכול להיות מופחת על ידי יישום מנגנון מיחזור (למשל קר מלכודות ב foreline ואקום). בכל זאת, זה יהיה מועיל לבדוק שיטות הכנה אחרות דוגמת כגון מטוסי שופעת, thermodesorption¹⁸ או לייזר טכניקות desorption¹⁹ זה הוחלו בהצלחה ללמוד ביו-מולקולות בשלב גז.

קולון פיצוץ הדמיה שיטה הרסנית, אין אפשרות להשתמש קרי מולקולות פיצול קבצים עבור קביעת תצורה נוספת. עם זאת, רק חלק קטן הוא למעשה מיונן (שהיא אחת הסיבות לצריכה גבוהה מדגם המוזכרים בפיסקה הקודמת). לכן ייתכן ניתן להשתמש מולקולות ממוחזר עבור יישום עוקבות.

כמו המדד של momenta מאפשר ליצור ערכת נתונים 'מיושר' של המולקולות וכדי לבחור שישנם כיוונים המרחבי, הטכניקה מקרים פותח אופקים חדשים החקירה של אסימטריה אפקטים מוקולות זה בפרט מקרה אם momenta האלקטרונים נמדדים מקרים אשר יכולה להיות מושגת באמצעות מלכודת COLTRIMS מלאה. משאבה-בדיקה טכניקות בנוסף אפשר ללמוד את הדינמיקה מבנית של מינים כיראלי.

ממש לאחרונה, קולון פיצוץ הדמיה שימש גם כדי לקבוע את גיאומטריות מוחלטת cis וטרנס-isomers,²⁰ הוספת סוג חדש של מינים אפשרי ושאלות יש לטפל. כמו חקירת סטריאוכימיה עם מקרים ספקטרוסקופיה הוא עדיין בחיתוליו, המחברים מקווה כי מאמר זה עוזר לעודד חוקרים עובד את הכיוונים המפורטים בפיסקאות הקודמות כדי ניסויים חדשים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים מצהירים אין אינטרסים מתחרים.

Acknowledgments

אנו מודים רוברט ברגר (Philipps-Universität מרבורג, גרמניה) על השראה דיונים על הפרשנות של הנתונים שלנו כיראליות מולקולרית באופן כללי. אנו אסירי תודה יוליה Kiedrowski, אלכסנדר Schießer, מייקל Reggelin מ ט ו דרמשטט (גרמניה), כמו גם בנג'מין Spenger, מנואל מצנאואר, יורגן Stohner מן ZHAW Wädenswil (שוויץ) למתן את הדגימה

הפרויקט נתמך על ידי יוזמת מדינת הסן המדעית ומצוינות כלכלית תחת המוקד ELCH (אלקטרון דינמיקה של מערכות כיראלי) ואת משרד החינוך הפדרלי מחקר (BMBF). MS מאשר תמיכה כספית על ידי קרן מסר אדולף.

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