Summary
For små chiral arter gir Coulomb eksplosjon Imaging en ny tilnærming for å fastslå håndbruk av molekyler.
Abstract
Denne artikkelen viser hvordan COLTRIMS (kald målet rekyl Ion Momentum spektroskopi) eller "reaksjon microscope" teknikken kan brukes til å skille mellom enantiomers (stereoisomers) enkel chiral arter på nivået av molekyler. I denne en gass molekylær jet av utvalget utvides til et vakuum kammer og skjærer med femtosecond (AS) laser pulser. Høy intensitet på pulser fører til rask flere ionisering, tenne en såkalt Coulomb eksplosjon som produserer flere kationisk (positivt ladet) fragmenter. En elektrostatisk feltet guider disse kasjoner på tid og posisjon følsom detektorer. Ligner en gang-i-fly masse spectrometer, ankomsttid hver ion gir informasjon om sin masse. Som et overskudd justeres feltet elektrostatisk på en måte at utslipp retning og den kinetiske energien etter fragmentering fører til variasjoner i tid-av-klassen og i innvirkning posisjon på detektoren.
Hver ion innvirkning oppretter en elektronisk signal på detektoren; signalet er behandlet av høyfrekvente elektronikk og registrert hendelse av begivenhet av en datamaskin. De registrerte dataene tilsvarer innvirkning tider og posisjoner. Med disse dataene, kan energi og utslipp retning hver fragment beregnes. Disse verdiene er knyttet til strukturelle egenskapene til molekylet under etterforskning, dvs til bond lengder og relative posisjoner av atomer, slik at for å bestemme molekyl av molekylet håndbruk enkel chiral arter og andre isomere funksjoner.
Introduction
Chiralitet er en funksjon i vår natur som har vært fascinerende forskere i mer enn 150 år. I det 19th oppdaget århundre, Pasteur, van't Hoff og andre at molekyler kan oppstå i to speilbilde strukturer som ikke er super-imposable - som vår venstre og høyre hånd. Denne egenskapen ble kalt 'chiral", fra det greske ordet for"hånd".
Så langt har ingen forskjell termodynamisk egenskaper eller energi nivåer av venstre - og høyrehendte former (de to ' enantiomers') blitt funnet. For å analysere håndbruk i en gitt utvalg og skille enantiomers, kan interaksjon med andre chiral molekyler brukes som er for eksempel gjort i ulike chromatographical tilnærminger. 1 Chiroptical metoder som (vibrasjonsmedisin) sirkulære dichroism, (V) CD og optisk rotatory spredning, ORD, er rutinemessig ansatt å skille mellom enantiomers. 2
Når det gjelder fastsettelse av mikroskopiske struktur, krever disse teknikkene tilleggsinformasjon, for eksempel fra quantum-kjemiske beregninger. Den eneste teknologien som for å bestemme direkte absolutt konfigurasjonen er unormalt X-ray Diffraksjon. 3
Det har nylig vist at absolutt konfigurasjonen av enkel chiral arter kan bestemmes ved Coulomb eksplosjon Imaging. 4 , 5 i denne molekyler i gassform er multiplisere ionisert slik at de gjenværende kjernene sterkt frastøte hverandre. Denne frastøting fører til rask fragmentering ("eksplosjon") av molekyler. Retning og omfanget av fragment momenta relatere til strukturen i molekylet-for små molekyler, momentum instruksjonene tilsvarer overraskende godt bond aksene. Coulomb eksplosjon for molekylstrukturen vilje vært pioner benytter molekylær ion bjelker fra hurtigvalget. 6 denne strålen folie teknikken har nylig også blitt brukt for chiral anerkjennelse. 7
I motsetning til uregelrett X-ray Diffraksjon må ikke prøven krystallinsk men gitt i gassform. Dette gjør Coulomb eksplosjon tilnærming ideelt for volatile arten og dermed utfyllende til X-ray Diffraksjon. I enkelte tilfeller kan håndbruk selv bestemmes for molekyler.
I praksis, eksakt rekonstruksjon av den molekylære strukturen har vist seg vanskelig selv for metan derivater, f.eks molekyler med en sentral karbon og ulike substituents. Dette tilskrives det faktum at samspillet mellom fragmenter er ikke akkurat Coulombic og at ikke alle obligasjoner bryte samtidig. For å få stereokjemiske informasjon, spesielt for å skille mellom enantiomers, er denne rekonstruksjonen ikke Heldigvis nødvendig. I stedet kan momentum vektorer av ulike fragmenter være korrelert for å gi et antall som er forskjellige for venstre - og høyrehendte molekyler. For å få pålitelige resultater, må minst fire fragment momenta registreres.
For å måle fremdriften informasjonen, må fragmenter fra ett- og eneste-molekylær oppløsningen registreres på en enkelt måling. Denne tilstanden er vanligvis referert til som "sammenfallende oppdagelse". I tillegg må utslipp instruksjonene analyseres, som beløp i praksis å registrere tiden og plasseringen av fragmentet effekt i listemodus dataformat.
I Atom og molekylære fysikk, har teknikker blitt utviklet som implementerer denne tilnærmingen av målingen ved å bruke elektrostatisk spektrometre for masse separasjon og tid - og posisjon-sensitive multi-hit detektorer. Det fremste eksempelet er COLTRIMS (kald målet rekyl Ion Momentum spektroskopi) setup-også kjent som reaksjon mikroskop. 8 , 9 en skisse for denne typen eksperiment er gitt i figur 1. I motsetning til en standard COLTRIMS som kan ta opp elektroner også, krever Coulomb eksplosjon Imaging bare ion detektoren.
Spectrometer og detektor er montert under svært høy vakuum (< 1 x 10-9 hPa) å unngå etablering av ioner fra gjenværende gass. Enkelt molekyler av prøven er levert via en gass gratis molekylær jet opprettet av supersoniske ekspansjon: i kraft av Damptrykk, molekylene utvide gjennom et lite munnstykke (rundt 50 µm diameter) til vakuum. Denne delen av eksperimentet kilde kammeret, er separert fra regionen samhandlingen vanligvis to skimmere og ulikt pumpet stadier. En ekstra ulikt pumpet delen ligger bak regionen interaksjon å fylling gass jet og dermed unngå bakgrunn gass i regionen interaksjon.
Ioniserende stråling skjærer med molekylær jet under 90°. De fleste laboratorier bruker i dag femtosecond laser pulser, men synchrotron stråling, rask ioner eller electron effekt er mulig prosjektiler å indusere Coulomb eksplosjon.
Følgende protokollen gjør antagelsen om at det finnes en kjører installasjonsprogrammet ved sammenfallende avbildning av ioner og en femtosecond laser i laboratoriet. Topp intensiteten for å indusere Coulomb eksplosjon i fire eller med fem fragmenter må være på 6 x 1014 W/cm2. For å unngå meget lang målinger, skal gjentakelseshastigheten av laser 10 kHz eller mer. Dette er viktig fordi, på den ene siden, sammenfallende gjenkjenning kan bare ascertained hvis sannsynligheten for fragmentering i laser fokus er betydelig under 1 per laser puls (ideelt ikke mer enn 10%). Totalt fragmentering ofte, derimot, bør ikke være lavere enn noen kHz fordi del av relevante multifragmentation er vanligvis mindre enn 10-4. Så oppmuntrende faktum, det bør nevnes at i prinsippet allerede en enkelt fragmentering hendelse er tilstrekkelig til å identifisere konfigurasjonen av en enantiopure utvalg, og at påvisning av et par hundre kan bestemme tettheten av enantiomers i en eksempel på enantiomeric moirene.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Advarsel: Sørg for å bli kjent med alle mulige farer knyttet eksperimentet og i laboratoriet. Fremgangsmåten nedenfor inkluderer klasse-IV lasere, høy spenning og vakuum. Se sikkerhetsdatabladet (MSDS) for arten undersøkes.
1. forberedelse
- forberedende hensyn
Merk: før det aktuelle eksperimentet begynner, to valg må gjøres, først om mulig arter under undersøkelser og andre elektriske feltet i spectrometer. Det antas her at oppsettet er brukt tidligere for andre eksperimenter og at spectrometer selv ikke vil være remodeled.- Valg av prøve
- velge et utvalg der fragmentering trasé kan forventes som bærer håndbruk eller funksjonen strukturelle undersøkes signatur. Vær oppmerksom på at hydrogen atomer er ofte utgitt som nøytral fragmenter; funksjonelle grupper som ulikheter antall hydrogenatomer kan neppe skilles. Starte med enkel (kanskje achiral) arter som halomethanes eller haloethanes.
- At minst 0.02 mol prøven er tilgjengelig som dette er minimalt vellykket forsøk så langt
- Kontroller at et tilstrekkelig Damptrykk er oppnåelig med prøven. Avhengig av apparatet, damp press > 5 hPa er nødvendig for en jet tettheten for laser eksperimenter. Hvis damp trykket er betydelig lavere, undersøke om nødvendig damp presset kan nås med oppvarming prøven. Dette kan være mulig for både flytende og fast prøver, i kraft av sublimering sistnevnte. Hvis oppvarming, er det nødvendig å ha en positiv temperaturgradient langs banen for gassen i levering systemet (med munnstykke er den hotteste delen) å unngå kondens. Mer avansert eksempel forberedelse ordninger som pick-up av en transportør gass kan betraktes som.
- Valg av elektriske feltstyrken i spectrometer
Merk: en verdi på 50 til 100 V/cm har bevist rimelig for Coulomb eksplosjon Imaging. Optimal verdi, er imidlertid avhengig av geometri i spectrometer. Trinnene nedenfor viser hvordan du kan optimalisere den elektriske feltstyrken.- Anslag tid-av-klassen av forventet kationisk fragmenter. Hvis spectrometer består bare av en homogen feltet region med lengde s og elektriske feltstyrken E, mellomtiden-av-klassen av en partikkel med masse m og lade q er bare gitt av
< img-alt = "Formel 1" src = "/ files/ftp_upload/56062/56062eq1.jpg"/ > - anslå spredning x av fragment kasjoner med masse m på detektoren ved hjelp av time-av-flight t beregnet over og formelen
< img-alt ="Ligning 2"src ="/files/ ftp_upload/56062/56062eq2.jpg"/ >
ioner får momenta p x av opptil 400 Atom momentum (protoner til 150 atomic enheter). - Hvis den romlige spredning x av letteste ion arter er større enn detektor radius, øke den elektriske feltstyrken i beregningen til spredningen er noen millimeter mindre enn detektor. Feltstyrke bør ikke være mye høyere som dette fører til en lavere oppløsning for tyngre fragmenter som er spredt ut mindre på detektoren.
- Anslag tid-av-klassen av forventet kationisk fragmenter. Hvis spectrometer består bare av en homogen feltet region med lengde s og elektriske feltstyrken E, mellomtiden-av-klassen av en partikkel med masse m og lade q er bare gitt av
- Valg av prøve
- Sjekk av eksperimentelle set-up
Merk: før du fortsetter til faktiske målingen, må det kontrolleres at eksperimentelle oppsettet er godt forberedt.- Kontroller at vakuum i samhandling chamber < 1 x 10 -9 hPa. Hvis dette ikke er tilfelle, vil gjenværende gassen føre til en høy bakgrunn. Tviler om vakuum forholdene Fortsett til trinn 2.2.1 der ionisering frekvensen av gjenværende gassen bestemmes. Dersom trykket er for høy, kan du utføre en lekkasje-sjekk. Hvis ingen lekkasje er tydelig, stek kammeret i dagene.
- Kontroller tilkoblinger for nettspenningen og detektor signaler Ifølge manualen eller eksperimentere beskrivelse.
- Kontroller at den oppkjøp programvaren på datamaskinen som måling er kjøpedyktig fortegnelse og analysere minst fire ioner. Kontroller at dødtid elektronisk modulene og pulsbredde signaler er under 30 ns.
- Forberede prøven levering
- Kontroller at prøven levering rør er rene og tilkoblinger strammet. Hvis prøven er etsende (f.eks surt) sørg for at alle komponentene i levering systemet og roughing pumper av vakuum kammeret er kompatible med den valgte prøven. Pumpe eksempel leveringssystemet med roughing pumpe, åpne ventiler og kontrollerer at trykket i eksperimentell kammeret ikke øker.
- Rene og forberede prøven mottakeren. Ultralydbad med aceton eller en vanlig laboratoriet glass vaskemaskin er tilstrekkelig.
- Forberede oppvarming av reservoaret og prøve leveringssystem hvis prøven skal være oppvarmet (jf. 1.1.1.3). Den enkleste måten er å bruke justerbar oppvarming kretser, hver av dem en oppvarming ledning, en temperatursensor og en temperatur kontroller.
- Prøven har en svært lav Damptrykk, eller hvis det gjerne skjemaet klynger (f.eks syrer), bruke ulike tilnærminger for henting eller copropagation med inert gasser. Endre utformingen av ledninger avhengig av disse kravene.
- Kontroller at molekylær jet er vel på linje. For dette formålet, bruke en sjelden gass prøve (f.eks Argon) slik at en tett jet kan oppnås (omtrent 1 bar absolutt trykk burde være nok for en 50 µm dyse). Maksimere trykket i delen jet dump ved å flytte manipulatoren munnstykket monteres som.
- Gir femtosecond laser pulser
Merk: på ionisert pulser tilbys av en femtosecond lasersystem. Beskriver slik en laser og dens bruk i detalj er utenfor omfanget av denne protokollen. Hvis en kommersiell lasersystem brukes, kan du se i håndboken.- Slå på laser og sjekk laserstrålen profil på utdataene.
- Sjekke og korrigere (om nødvendig) banen bjelke til vinduet ved inngangen av eksperimentet ved å justere de respektive speilene.
- Eventuelt justere fokus speilet inne i eksperimentell kammeret ved hjelp av de respektive manipulatoren. Midtstille refleksjon av fokus speilet når det gjelder innkommende bjelken.
- Sett inn filtre eller en roterbare polarisator i banen bjelke å oppnå en topp intensitet omtrent 6 x 10 14 W/cm 2. Normal Coulomb eksplosjon Imaging, bruke linear polarisasjon. Hvis dichroism effekter undersøkes, endrer polarisering av et kvartal-bølge tallerken like før vinduet inngangen.
- Inn et photodiode på et sted hvor det kan ta opp en pålitelig kopi av laser pulsen (f.eks en refleksjon eller overføringen gjennom en justering speil). Koble til produksjon av photodiode til et oscilloskop og kontroller at diode produserer ren pulser med gjentakelseshastigheten av laser.
- Blokkere bjelken når den ikke er i bruk.
2. Slå på Spectrometer og detektorer
Merk: denne delen av protokollen er litt avhengig av den faktiske gjennomføringen av spectrometer og detektor. Beskrivelsen gjelder for en standard COLTRIMS oppsett med en Sekskantet forsinkelse linje detektor (HEX75). 10 i denne implementeringen, en detektor har 7 output kanaler: ett for microchannels plater (MCPs) og to for hver av de tre lagene i anoden.
- Aktivere strømforsyninger.
- Slå vakuum målere i samhandling kammer som de kan produsere ioner som er sett av detektoren.
- Koble forsterket signal utgangen (bruker rask forsterker med forsterkning ≈ 100) av MCP til en rask (fortrinnsvis analog) oscilloskop. Angi oscilloskop 5 eller 10 ns per inndeling på tidsskalaen og 100 mV per inndeling på signalet skala. Kontroller at elektronisk støy er under 30 mV.
- Bryter på høyspent strømforsyning for detektoren. For en typisk ion-detektor er spenningen-2,000 V for forsiden og 300 V for anode side. Spenningen avhenger år i MCPs og bør angis slik at de analoge signalene er maksimal men ikke mette. Kontroller gjeldende. Det avhenger av motstanden til MCPs på detektoren, men bør ikke overstige 50 µA. På oscilloskop kurven, noen signaler per sekund med et signal høyde på flere hundre mV skal vises (' mørk teller ').
- Tune strømforsyningen spectrometer verdien i trinn 1.1.2.
- Sjekke detektor signaler ionisering gjenværende gass
Merk: en detaljert beskrivelse av detektor oppstart kan også finnes i respektive manualer. 11 , 12- attenuere laser intensiteten til en anslått verdi under 10 14 W/cm 2 i fokus. Oppheve laseren og se oscilloskop sporingen. Hvis dette fører til en overstiger 5% av laser gjentakelseshastigheten, mengden av gjenværende gass i kammeret er for høy eller laserstrålen berører spectrometer. Løse problemet før du fortsetter. Hvis antall kursen er betydelig lavere enn 5% av laser gjentakelseshastigheten, gradvis øke intensiteten laser.
- Har en nærmere titt på signalene. De bør bare vise en toppen av flere hundre mV og ingen ' ringe ' (svingninger etter den faktiske pulsen). Bredden av MCP bør ikke overstige 10 ns (FWHM).
- Se på oscilloskop spor av alle seks anode signaler. Signalene er bredere her (20-30 ns), og vanligvis litt lavere i spenning. Sjekk igjen at det finnes ingen forstyrrelser av signal. Hvis alle anode signaler er under 100 mV, øke spenningen (trinn 2.1.3) i trinn på 50 V. Tuning forsterker gevinst kan bidra til å få samme puls høyde for alle kanaler.
- Konvertere disse analoge signaler til standard NIM signaler (kjernefysisk instrumentering modul) av-0.8 V ved konstant brøkdel diskriminator (CFD). Kontroller innstillingene for CFD før hver eksperimentelle kjøre. En detaljert beskrivelse, se en håndbok på Internett. 12 feed NIM pulser i en tid-til-Digital Omformer (TDC) som poster ankomsttid pulser med høy oppløsning (vanligvis 25 ps). Disse tidssignaler er inndataene for den oppkjøp og analyse programvaren.
- Slå på dataene oppkjøpet programvaren og starte innspillingen data. Se finne fordelingen for hver kanal - histogrammer bør være lik for alle kanaler. Hvis det er ikke tilfelle for noen kanaler, sjekke CFD innstillingene (trinn 2.2.4) for disse kanalene. Kontroller innstillingene ved å se i tillegg summen av signalet kjøre tidspunktene for detektor lagene som beskrevet i håndboken detektor. Om nødvendig kan du endre innstillingene for CFDer.
- Viser en detektor bildet i den oppkjøp programvaren. Detektoren skal vises som en sirkel med et diffus sted (bilde av laser fokus) i midten. Utvidelse av stedet er hovedsakelig knyttet til termisk hastigheten av gjenværende gassen som blir ionisert.
- Mate signalet fra laserdiode (trinn 1.5.5) inn datainnsamling, fortrinnsvis på samme måte som detektor signaler. Vise en gang-i-fly spekteret i programvaren. Relatere observerte topper gjenværende gass arter (H-2 H 2 O, muligens N 2, O 2, CO 2) ved å beregne sin forventet tid-av-flyreiser fra spectrometer geometri (trinn 1.1.2.1).
- Prøve å minimere laser puls varigheten ved å maksimere antall ofte, ved å bruke av spredning av laser system. En kortere puls (og dermed en høyere peak intensitet) vil føre til en betydelig økning i hastigheten.
- Dersom bakgrunnen trykket er så lav at prisen ikke er tilstrekkelig høye til å utføre trinnene ovenfor, og slå på gass jet (se trinn 2.3) og utføre trinn 2.2.1 til 2.2.8. Time-av-flight spekteret i trinn 2.2.7 skal så åpenbart bli dominert av arter i jet.
- Finne ut absolutt retningen på detektoren. Flytte fokus speilet vil gjøre dette, slik at bildet av laser fokus flyttes synlig detektor bildet i programvaren. Merk bevegelsesretning (brukt i trinn 5.1.1). Dette trinnet er viktig for måling av absolutt konfigurasjon fordi det gjør det mulig for å unngå inversjon av de målte momenta med hensyn til den virkelige laboratoriet plassen.
- Finne overlapping av gass jet og.
- Aktivere gass jet som beskrevet i trinn 1.3.5.
- Hvis hastigheten øker og en svært smal spot (' jet stedet ') synlig på detektoren bildet data oppkjøpet program, sikre at den molekylære jet og stråle overlapper delvis. I dette tilfellet tune manipulatoren for fokus speilet nøye å maksimere teller i jet stedet. På optimal overlapping, bør de overskrider antall teller fra gjenværende gassen (trinn 2.2) av størrelsesordener. Det kan være nødvendig å redusere laser intensiteten fordi MCP teller prisen ikke bør overstige 30 kHz. Hvis bakgrunnen på grunn av ionisering gjenværende gassen er for høy i forhold til signalet fra gass jet, vurdere for å utvide laserstrålen utenfor kammeret å nå et mer smalt fokus.
- Hvis ingen jet er synlig på detektoren bildet, justere manipulatoren for fokus speilet i større skritt å finne overlappingen, og fortsett deretter med trinn 2.3.2.
3. Prøve levering
- forberede vel alle verktøy, mottaker pakninger og andre elementer som trengs, som eksponering for eksempel miljøet bør minimaliseres.
- Fyll utvalget til mottakeren kobles til eksperimentet. Hvis utvalget har en høy Damptrykk, kule mottakeren og smake på forhånd for å redusere fordamping tap i dette trinnet.
- Koble eksempel sylinderen til jet og stram tilkobling vakuum-bevis. Cool sylinderen (for å unngå eksempel tap) og pumpe noen sekunder å fjerne luft.
- Åpne ventilen til munnstykke. Trykket i kilde chamber bør øke til minst flere 10 -5 hPa.
- Kontroller at en jet-spot er synlig (trinn 2.3.2) og identifisere de mest fremtredende toppene i time of flight spektrum.
- Optimalisere eksperimentelle forhold (justere temperaturen, laser intensitet, presset av copropagating gass …) å maksimere ionisering fra utvalget. Husk at oppvarming fører til termisk ekspansjon av komponentene slik at justering av jet manipulatoren (trinn 1.4.5) kan være nødvendig.
4. Måling
Merk: følgende er utført i den oppkjøp programvaren.
- Masse spektrum og tilfeldighet spektrum.
- Plott en gang-i-fly spektrum og tilordne forskjellige toppene til massene som kan oppstå i fragmentering (overordnet masse, rikelig fragmenter).
- Plot tid-av-klassen av første ion på x-aksen og tid-av-klassen av andre ion på y-aksen. Områder med mange teller viser to fragmenter slippes ut i sammentreff. Skarp diagonale linjer angir at i to ladet fragmenter.
- Plot et lignende histogram for mer partikler, f.eks summen av tid-av-flyreiser for to første ioner på x-aksen og summen av tid-av-flyreiser for tredje og fjerde ion på y-aksen. Et eksempel på slike et multicoincidence spekter er vist i figur 2.
- Prøve å identifisere ulike break-ups i fire-partikkel eller fem-partikkel spektrum og sjekk om det er en break-up som kan gi strukturinformasjon undersøkes.
- Anslå måling tid.
- La eksperimentet kjøre ca 1t og se hvor mange teller for den valgte kanalen. Vær forsiktig med å telle bakgrunn hendelser.
- Multipliserer du dette tallet med forventet tid tilgjengelig for eksperimentet. Totalt antall teller i den aktuelle kanalen bør være minst et par tusen.
- Hvis antall teller i den valgte kanalen er betydelig under dette nummeret, øke laser intensiteten og gjenta 4.2.1 og 4.2.2. Pass på at er fortsatt lav nok for sammenfallende gjenkjenning (se innledningen).
5. Dataanalyse
Merk: dataanalyse i et Coulomb eksplosjon Imaging eksperiment er en kompleks, men givende oppgave fordi mange parametere kan være finjustert etter eksperimentet og en rekke sammenhenger mellom den målte momenta kan utforskes. Alle følgende er vanligvis utført etter eksperimentet i data analyseprogramvare.
- Kalibrer eksperimentelle parametere
Merk: et første skritt, kontroller at posisjon og tid informasjonen rekonstruert fra detektoren er riktig. Lik tuning av elektronikk (trinn 2.2), fremgangsmåten avhenger på bestemte gjennomføringen, i dette tilfellet den analyse programvaren. Dermed kan bare noen generelle råd gis.- Handlingen bilder av detektoren. Kontroller at for alle tre anode lag, størrelsen på detektoren bildet samsvarer med den faktiske størrelsen på MCP og at bildet detektoren er sentrert ved 0. Kontroller at alle kombinasjoner av de tre lagene gi samme detektor bilde. Hvis nødvendig Roter eller Vend detektoren slik at koordinatsystemet til detektor bildet tilsvarer laboratorium rammen (bruk målinger av trinn 2.2.10).
- Identifisere ulike massene i time of flight spektrum og passe spectrometer funksjonen (trinn 1.1.2.1) til disse verdiene. Parameteren viktig i dette trinnet er tid-av-klassen forskyvning t 0 som alle tid-av-flight verdier må være korrigert for
- Har en betrakte til tilfeldighet spectra (jf trinn 4.1.4) og identifisere lovende oppløsningen kanaler. Det anbefales å sette en gate på tid-av-flight verdiene for noen 100 ns rundt interessant mønstre og bare velge hendelsene i disse vinduene for den videre skritt. Ellers unødvendige hendelser er for stort og vil avta analysen.
- Lagre endrede verdier for x, y, t for videre analyse.
- Beregne ion momenta og energier.
- Bruk den eksperimentelle parametere og de antatte masse-til-lade å Beregn fart komponenter p x, p y og p z. Bruk dette til å beregne den kinetiske energien til fragmenter og deres sum, kinetisk energi utgivelsen (KER).
- Bruke tilfeldighet spekteret (trinn 4.1.4) for finjustering den elektriske feltstyrken E og spectrometer lengde s og et plott av virkningen posisjon vs tid-av-fly til å fastslå posisjon forskyvningene x 0 og y 0 og hastighet v j et av gass jet. Hvis en presisjon kalibrering er nødvendig, belastet bruk N 2 og O 2 fragmentering i to enkeltvis arter med svært smale og godt preget vibrasjonsmedisin fremskrittene i kinetisk energi utgivelsen (se Ref. 13 og referanser der).
- Plot p x vs p y etc. og justere parametere slik at momenta er fordelt på en kule i momentum space (f.eks på en sirkel i todimensjonale tomter) og sentrert ved 0. Dette er på grunn av at den kinetiske energien ikke bør stole på utslipp retning ion fragmentet.
- Plot summen momentum av alle fragmenter fra en molekylær break-up. For en komplett bruddet, fordelingen bør være smal (vanligvis < 10 atomic enhet fart) og sentrert ved 0.
- Velg aktuelle hendelser og undersøke egenskapene for molekylær systemet.
- Skille faktiske oppløsningen hendelser fra bakgrunnen ved å angi betingelser i summen momentum rundt observert toppene (vanligvis mindre enn 20 atomic enheter i hver retning).
- For disse hendelsene, bruker vektor aritmetiske for å konstruere som inneholder strukturinformasjon undersøkes. Et eksempel for differensiering mellom venstre - og høyrehendte stereoisomers er gitt nedenfor.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
I denne delen viser vi resultatene for halomethanes. Disse artene er ideelle for bevis-av-prinsippet eksperimenter på grunn av sin enkelhet og høy Damptrykk. I mellomtiden har den mer komplekse arter gi alvorlige blitt undersøkt med enkelt myk-x-ray fotoner fra en synchrotron kilde for å indusere flere ionisering. 14
CHBrClF
Bromochlorofluoromethane (CHBrClF) er en lærebok eksempel på chiral molekyler med en stereogenic karbonatom. Det er også den ideelle kandidaten for Coulomb eksplosjon Imaging dens enkel struktur og damp høytrykk (rundt 600 hPa ved romtemperatur). Dessverre er arter ikke tilgjengelig kommersielt; for eksperimentet presenteres her, var en racemic blanding syntetisert reagere CHBr2Cl med HgF2 etter referanse15. Enantio-beriket prøvene er vanskelig å få tak i mengder slik at bare resultater for racemates har vært oppnådd så langt.
For resultatene som presenteres her prøven ble kjølt ned til rundt 240 K å få en passende mål tetthet med gitt dysen (10% av ionisering sannsynligheten per puls). Topp intensiteten av laser ble anslått til 6 x 1014 W/cm2. Målet på 100 kHz laser gjentakelseshastigheten tok 11 h.
For å skille og S -enantiomers, en normalisert trippel produkt beregnes fra momentum vektorer av tre Halogener fluor, klor og brom. Geometrisk, kan dette antallet tolkes som cosinus til vinkelen mellom fluor momentum og flyet av klor og brom momenta.
Figur 3 viser cosθ for isotop CH79Br35ClF, sammen med geometrisk definisjonen. To klare topper vises, indikerer enantiomers. Plasseringen av toppene er konsistent med en klassisk molecular dynamics simulering. Som ikke er nesten ingen bakgrunn fungerer tildelingen av håndbruk på et enkelt molekyl-nivå.
CHBrCl2
Chiralitet CHBrCl2 oppstår bare hvis den både isotoper 35Cl og 37Cl finnes i samme molekyl. Et utvalg med naturlige overflod av isotoper inneholder dermed chiral og achiral molekyler. To ytterligere komplikasjoner oppstår her: for det første gang-i-fly distribusjonen av klor og brom isotoper overlapper henholdsvis på grunn av den liten masse forskjellen. Dette er spesielt relevant for klor som fastsettelse av håndbruk avhenger av riktig tildeling av isotoper. Dernest har chiral arten CH79Br35Cl37Cl (innen setup nøyaktighet) samme totale massen som den achiral Art CH81Br35Cl2. Etterforskningen av denne arten kan dermed ses som en benchmark test for metoden.
Med spectrometer brukes (spectrometer lengde s = 60.5 mm, elektriske feltstyrken E = 57.1 V/cm), data for chiral isotop CH79Br35Cl37Cl kunne velges via total momentum, bruker en algoritmen foreslått av referanse16 tilordne hvilke av treff tilhører hvilke isotop.
Geometriske betraktningene føre til konklusjonen at det kan være orientering i molekylet i rommet der to klor isotoper har samme tid-av-fly; i dette tilfellet være de ikke anerkjent som et spørsmål om prinsipp. En prosedyre for å sortere ut disse hendelsene har blitt beskrevet i supplerende materiale referanse4. Som et resultat, kan konfigurasjonen av isotopically chiral molekyler fastsettes med høy pålitelighet.
Figur 1 : Visning til en COLTRIMS oppsett. Molekyler åpne setup gjennom munnstykket og passerer gjennom en skimmer. I samspillet kammeret krysse laser pulser med molekylær jet under 90°. Ioner blir veiledet av elektriske feltet i spectrometer til detektoren (øverst). For bedre synlighet vises ikke alle spectrometer plater. Gjenværende molekylene er dumpet i narkotikalovgivningen pumpet inndelingen (jet dump) for å holde bakgrunn trykket i regionen interaksjon så lavt som mulig. Figur endret referanse17 med tillatelse av G. Kastirke. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2 : Fire-partikkel tilfeldighet spektrum. Dette histogrammet er en utvidelse av en gang-i-fly masse spektrum til fire partikler: summen av tid-av-flyreiser til første og andre hit på detektoren plottes på x-aksen, summen for tredje og fjerde traff på y-aksen. Midten av toppene kan identifisere massene av fire oppdaget fragmenter. Form av strukturer inneholder tilleggsinformasjon: Hvis momenta av fragmenter legger til null, hendelsene finnes i en smal linje (H, CF, Cl, Br). Hvis en uoppdaget fragment bærer momentum, fører null totale fremdriften av målt partikkel til en utvidelse av funksjonene. Illustrasjon brukes dataene fra synchrotron, ikke laser, målinger her høyere statistikk. Figur gjengitt referanse5 med tillatelse av Wiley-VCH. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3 : Æren av enantiomers i fem-partikkel bruddet i CHBrClF via parameteren chiralitet cos Θ som definert i teksten. Høyden på positive verdier tilsvarer R-enantiomer, en topp på negative verdier til S-enantiomer. Rammemargen illustrerer cos θ geometrisk. Lavbakgrunn gir en tilordning av håndbruk for molekyler. Figur gjengitt fra referanse4 med tillatelse av AAAS. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
På grunn av ulike komponentene krever en COLTRIMS oppsett ganske høy faglig kompetanse, spesielt innen teknikk, partikkel system, rask elektronikk og data analyse. Før du slår til granskingen av komplekse arter, bli dermed grundig sjekket Hvis installasjonsprogrammet kjører riktig, f.eks ved å utføre og analysere et mål på diatomic eller triatomic art.
Optimalisere intensitet og varighet på laser pulser og overlappingen med molekylær jet er vesentlig for å få så mange flere ionisering hendelser som mulig. Som momentum fordelingen kan utvide på grunn av sekvensiell ionisering under ulike sykluser av laser pulsen, bør ideelt puls varigheten, ikke overstiger 40 fs. Under målingen er det avgjørende å få tilstrekkelig statistikk. På den positive siden krever bestemmelse av absolutt konfigurasjonen ikke spesielt høy presisjon sammenlignet med andre tilfeldighet eksperimenter, dvs prosedyren er ganske robust svingninger i laser eller jet intensitet og elektrisk feltet skjevheter i spectrometer.
Den mest grunnleggende begrensningen av teknikken gjelder brukbarheten til større molekyler. Man må huske på at resultatene representerer momenta av fragmenter, ikke strukturen av molekyler i ekte verdensrommet. For komplekse bio-molekyler forventes forholdet mellom målt momenta og molekylære strukturen ikke å være så enkelt som for molekylene presenteres her. Dessuten, kan komplekse molekyler produsere mange oppløsningen kanaler som ikke bære informasjon om konfigurasjonen, muligens redusere avkastningen av relevante kanaler. Teoretisk modellering av fragmentering, oppløsningen mønstre og mer avansert analyse prosedyrer vil være nødvendig hvis teknikken er utvides til molekyler med tre eller flere karbonatomer. På nåværende stadium, synes det ikke mulig å undersøke konfigurasjonen av proteiner eller molekyler av lignende kompleksitet, men faktisk begrensningene må fortsatt bestemmes.
En annen begrensning av gjeldende oppsett er relativt høy eksempel forbruket på grunn av molekylære jet. Det kan reduseres ved å implementere en resirkulering mekanisme (f.eks kaldt feller i vakuum foreline). Likevel, det ville være fordelaktig å teste andre eksempel forberedelse metoder som overstrømmende jets, thermodesorption18 eller laser desorpsjon teknikker19 som har blitt brukt for å studere bio-molekyler i gassform.
Coulomb eksplosjon Imaging er en destruktiv metode, dvs molekyler som har blitt fragmentert for fastsettelse av konfigurasjon kan ikke brukes lenger. Men ionisert bare en liten brøkdel faktisk (som er en av årsakene til høye eksempel forbruket nevnt i forrige avsnitt). Dermed kan det være mulig å bruke resirkulert molekyler for anvendelse.
Som måling av momenta tillater å lage et "justert" datasett av molekyler og velge bestemte romlige retninger, tilfeldighet teknikken åpnes perspektiver for etterforskningen av asymmetri effekter i chiral molekyler dette er spesielt den saken om momenta av elektroner måles i sammentreff som kan oppnås ved hjelp av en fullstendig COLTRIMS installasjon. Pumpe-sonden teknikker kunne i tillegg studere strukturelle dynamikken i chiral arter.
Nylig, Coulomb eksplosjon Imaging er også brukt til å bestemme absolutt geometrier av cis og trans-isomerene,20 å legge til en ny klasse av mulig arter og spørsmål tas. Etterforskningen av stereokjemi med tilfeldighet spektroskopi er fortsatt i sin barndom, håper forfatterne at denne artikkelen hjelper for å inspirere forskerne arbeider i retning skissert i foregående avsnitt til nye eksperimenter.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne erklærer ingen konkurrerende interesser.
Acknowledgments
Vi takker Robert Berger (Philipps-Universität Marburg, Tyskland) for inspirerende diskusjoner om tolkningen av våre data og molekylær chiralitet generelt. Vi er takknemlige til Julia Kiedrowski, Alexander Schießer og Michael Reggelin fra TU Darmstadt (Tyskland), samt Benjamin Spenger, Manuel Mazenauer og Jürgen Stohner fra ZHAW Wädenswil (Sveits) for å gi prøven.
Prosjektet ble støttet av Hessen staten initiativ for vitenskapelige og økonomiske fortreffelighet under fokus ELCH (Electron dynamikken i chiral systemer) og Federal Utdannings og forskning (BMBF). MS erkjenner økonomisk støtte av Adolf Messer foundation.
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 |
References
- Gübitz, G., Schmid, M. G. Chiral Separation by Chromatographic and Electromigration Techniques. A Review. Biopharm. Drug Disposition. 22, 291-336 (2001).
- Comprehensive Chiroptical Spectroscopy. Berova, N., Polaravapu, P. L., Nakanishi, K., Woody, R. W. , Wiley. Hoboken. (2012).
- 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).
- Pitzer, M., et al. Direct Determination of Absolute Molecular Stereochemistry in Gas Phase by Coulomb Explosion Imaging. Science. 341 (6150), 1096-1100 (2013).
- Pitzer, M., et al. Absolute Configuration from Different Multifragmentation Pathways in Light-Induced Coulomb Explosion Imaging. Chem Phys Chem. 17 (16), 2465-2472 (2016).
- Vager, Z., Naaman, R., Kanter, E. P. Coulomb Explosion Imaging of small molecules. Science. 244 (4903), 426-431 (1989).
- Herwig, P. H., et al. Imaging the Absolute Configuration of a Chiral Epoxide in the Gas Phase. Science. 342 (6162), 1084-1186 (2013).
- Dörner, R., et al. Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy: a 'momentum microscope' to view atomic collision dynamics. Physics Reports. 330, 95-192 (2000).
- Ullrich, J., et al. Recoil-ion and electron momentum spectroscopy: reaction-microscopes. Rep. Prog. Phys. 66 (9), 1463-1545 (2003).
- 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).
- RoentDek GmbH MCP Delay Line Detector Manual. , http://www.roentdek.com/manuals/MCP%20Delay%20Line%20manual.pdf (2017).
- RoentDek GmbH The RoentDek Constant Fraction Discriminators CFD8c, CFD7x, CFD4c, CFD1c and CFD1x. , http://www.roentdek.com/manuals/CFD%20Manual.pdf (2017).
- Zeller, S., et al. Imaging the He2 quantum halo state using a free electron laser. PNAS. 113 (51), 14651-14655 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kastirke, G. Konstruktion und Aufbau einer UHV-tauglichen COLTRIMS-Kammer. , Goethe-University Frankfurt. Master Thesis (2014).
- 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).
- 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).
- Ablikim, U., et al. Identification of absolute geometries of cis and trans molecular isomers by Coulomb Explosion Imaging. Sci. Rep. 6, 38202 (2016).
