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Chemistry

Imagerie d’Explosion coulombienne comme un outil pour faire la distinction entre stéréoisomères

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

Pour les petites espèces chirales, Coulomb Explosion d’imagerie fournit une nouvelle approche pour déterminer le caractère gaucher ou droitier des molécules individuelles.

Abstract

Cet article montre comment le COLTRIMS (Cold cible recul Ion Momentum Spectroscopy) ou la technique de « microscope de réaction » peut servir à distinguer les énantiomères (stéréoisomères) de simples chirales espèces au niveau des molécules individuelles. Dans cette approche, un jet moléculaire gazeux de l’échantillon se développe en une chambre à vide et recoupe des impulsions laser femtoseconde (fs). La forte intensité des impulsions mène à jeûner ionisation multiple, enflammant une Explosion dite de Coulomb qui produit plusieurs fragments (chargés positivement) cationiques. Un champ électrostatique oriente ces cations sur temps - et les détecteurs de position. Semblable à un spectromètre de masse à temps de vol, l’heure d’arrivée de chaque ion donne des informations sur sa masse. Comme un surplus, le champ électrostatique est réglé de sorte que la direction d’émission et l’énergie cinétique après fragmentation mènent aux variations dans le temps de vol et dans la position de l’impact sur le détecteur.

Chaque impact d’ion crée un signal électronique dans le détecteur ; ce signal est traité par l’électronique haute fréquence et enregistré par un événement par un ordinateur. Les données enregistrées correspondent à la fois de l’impact et les positions. Avec ces données, on peuvent calculer l’énergie et la direction d’émission de chaque fragment. Ces valeurs sont liés aux propriétés structurales de la molécule sous enquête, c'est-à-dire à la longueurs des liaisons et la position relative des atomes, permettant de vérifier molécule par molécule, le gaucher/droitier de simple espèce chirale et autres éléments isomères.

Introduction

Chiralité est une caractéristique de notre nature fascinantes chercheurs depuis plus de 150 ans. Dans le 19ème siècle, Pasteur, Van ' t Hoff et autres ont découvert que les molécules peuvent se produire dans deux structures d’image miroir qui ne sont pas super-imposable - comme notre gauche et la main droite. Cette propriété a été appelée « chirale », du mot grec pour « main ».

Jusqu’ici, aucune différence dans les propriétés thermodynamiques ou niveaux d’énergie de left et right - handed formes (les deux « énantiomères ») n’a été trouvé. Afin d’analyser le caractère gaucher ou droitier d’un échantillon donné et pour séparer les énantiomères, interaction avec d’autres molécules chirales utilisables, comme par exemple en diverses méthodes chromatographiques. 1 méthodes chiroptiques dichroïsme circulaire (vibration), CD (V) et la dispersion rotatoire optique, ORD, sont régulièrement employées pour distinguer les énantiomères. 2

Quand il s’agit de la détermination de la structure microscopique, ces techniques nécessitent des informations supplémentaires, par exemple des calculs de chimie quantique. La seule technique qui est largement acceptée directement déterminer la configuration absolue est anormale de diffraction des rayons x. 3

Il a récemment été démontré que la configuration absolue des espèces chirales simples peut être déterminée par Coulomb Explosion d’images. 4 , 5 dans cette approche, molécules en phase gazeuse sont multiplier ionisé afin que les carottes restent fortement repoussent mutuellement. Cette répulsion conduit à la fragmentation rapide (« explosion ») des molécules. La direction et l’ampleur de la corrélation de moments fragment à la structure de la molécule – pour les petites molécules, les indications de quantité de mouvement correspondant étonnamment bien à des axes de liaison. Explosion de Coulomb pour déterminer la structure moléculaire a été frayé un chemin à l’aide de faisceaux d’ions moléculaires d’un accélérateur. 6 cette technique de "lame" faisceau a récemment été également demandé la reconnaissance chirale. 7

À l’encontre de diffraction des rayons x anormal, l’échantillon ne doit pas être cristalline mais fourni en phase gazeuse. Cela rend l’approche de l’Explosion de Coulomb, idéal pour les espèces volatiles et donc complémentaires à la diffraction des rayons x. Dans certains cas, le gaucher/droitier peut même être déterminé pour des molécules individuelles.

Dans la pratique, la reconstruction exacte de la structure moléculaire s’est avérée difficile même pour les dérivés du méthane, par exemple les molécules avec un carbone central et différents substituants. Ceci est attribué au fait que l’interaction entre les fragments n’est pas exactement coulombienne et que pas toutes les obligations briser simultanément. Afin d’obtenir des informations stéréochimiques, en particulier de distinguer les énantiomères, cette reconstruction n’est heureusement pas nécessaire. Au contraire, les vecteurs de la dynamique des différents fragments peuvent être corrélés pour produire une quantité qui est distincte pour les molécules à gauche et à droite handed. Pour obtenir des résultats fiables, au moins quatre moments de fragment doivent être enregistrées.

Afin de mesurer cette information de l’élan, les fragments d’un – et un seul – moléculaire rupture doivent être détecté lors d’une étape de mesure unique. Cette condition est généralement dénommée « détection coïncidente ». En outre, les indications d’émission doivent être analysées, qui ont une incidence de montants dans la pratique d’enregistrer l’heure et la position du fragment dans un format de données du mode liste.

En physique atomique et moléculaire, les techniques ont été développées qui implémentent cette méthode de mesure en employant électrostatiques spectromètres de masse séparation et sensibles au temps et position des détecteurs de multi-hit. L’exemple le plus frappant est le programme d’installation COLTRIMS (Cold cible recul Ion Momentum Spectroscopy) – également connu sous le nom de réaction de Microscope. 8 , 9 un croquis pour ce genre d’expérience est donné à la Figure 1. Contrairement à un COLTRIMS standard qui permet d’enregistrer aussi bien des électrons, Coulomb Explosion d’imagerie nécessite seulement le détecteur ionique.

Spectromètre et le détecteur sont montés sous ultravide (< 1 x 10-9 hPa) afin d’éviter la création d’ions de gaz résiduel. Molécules simples de l’échantillon sont fournies via un jet libre moléculaire gazeux, créé par détente supersonique : en raison de la pression de vapeur, les molécules s’élargir grâce à une petite brosse (environ 50 µm de diamètre) dans le vide. Cette partie de l’expérience, la chambre de la source, est séparée de la région d’interaction par habituellement deux skimmers et stades différentiellement pompés. Pompée différentiellement section supplémentaires sont situé derrière la région d’interaction pour vider le jet de gaz et éviter ainsi les gaz de fond dans la région d’interaction.

Le rayonnement ionisant recoupe le jet moléculaire moins de 90°. Plupart des laboratoires aujourd'hui utilisent des impulsions de laser femtoseconde, bien que le rayonnement synchrotron, ions rapides ou l’impact d’électrons sont possibles « projectiles » pour provoquer l’Explosion de Coulomb.

Le protocole suivant a fait l’hypothèse qu’il existe une configuration en cours d’exécution pour l’imagerie coïncidente d’ions et d’un laser femtoseconde dans le laboratoire. Le pic d’intensité nécessaire pour provoquer l’Explosion de Coulomb en quatre ou même cinq fragments doit être de l’ordre de 6 x 1014 W/cm2. Afin d’éviter des mesures extrêmement longues, la fréquence de répétition du laser doit être 10 kHz ou plus. Ceci est crucial car, d’une part, détection coïncide peut être établie seulement si la probabilité de fragmentation dans la mise au point du laser est significativement inférieur à 1 par impulsion laser (idéalement pas plus de 10 %). Le taux de fragmentation totale, en revanche, ne doit pas être inférieur à quelques kHz car la part des voies multifragmentation pertinents est généralement inférieure à 10-4. Fait plus positif, il convient de mentionner que, en principe, un événement unique de fragmentation est déjà suffisant pour identifier la configuration d’un échantillon d’énantiopur, et cette détection de quelques centaines permet de déterminer l’abondance des énantiomères dans un exemple de composition énantiomérique inconnue.

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Protocol

attention : s’assurer de se familiariser avec tous les risques liées à l’expérience et en laboratoire. La procédure suivante inclut les lasers de classe IV, de haute tension et de vide. Consulter la fiche signalétique (FS) pour les espèces à examiner.

1. préparation

  1. considérations préparatoires
    Remarque : avant le début de l’expérience réelle, deux principaux choix doivent être faits ; le premier concernant les espèces possibles dans les enquêtes et la le deuxième champ électrique dans le spectromètre. On suppose ici que le programme d’installation a été utilisé précédemment pour d’autres expériences et que le spectromètre se n'est pas rénové.
    1. Choix d’échantillon
      1. choisir un échantillon où est susceptible de fragmentation qui portent la signature de la gaucher/droitier ou la caractéristique structurale à être l’objet d’une enquête. Gardez à l’esprit que l’hydrogène atomes sont souvent rejetés comme des fragments neutres ; les groupes fonctionnels qui diffèrent uniquement par le nombre d’atomes d’hydrogène ne peut probablement pas distinguer. Commencez par des espèces (peut-être achirales) simples comme halomethanes ou haloethanes.
      2. Vérifier qu’au moins 0,02 mol de l’échantillon est disponible comme il s’agit de la quantité minimale d’expérimentation réussie jusqu'à présent
      3. Vérifier qu’une pression de vapeur suffisante est réalisable avec l’échantillon. Selon la conception de l’appareil, les pressions de vapeur > 5 hPa sont nécessaires à une densité suffisante de jet pour des expériences de laser. Si la pression de vapeur est nettement inférieure, examiner si les pressions de vapeur nécessaires peut être atteint en chauffant l’échantillon. Cela peut être possible pour les échantillons liquides et solides, en vertu de la sublimation pour ces derniers. Si le chauffage est nécessaire, il est nécessaire d’avoir un gradient de température positif sur la voie du gaz dans le système de livraison (avec la buse étant la partie la plus chaude) pour éviter la condensation. Plus avancé des programmes de préparation échantillon tels que prise en charge par un gaz porteur pourrait être considérée comme.
    2. Choix de l’intensité du champ électrique dans le spectromètre
      Remarque : une valeur de 50 à 100 V/cm s’est avérée raisonnable pour Coulomb Explosion d’imagerie. La valeur optimale, cependant, dépend de la géométrie du spectromètre. Les étapes suivantes montrent comment optimiser l’intensité du champ électrique.
      1. Estimation du temps de vol des fragments attendus cationiques. Si le spectromètre se compose seulement d’une région de champ homogène avec s de la longueur et l’intensité du champ électrique E, le temps moyen de vol d’une particule de masse m et charge q est simplement donné par
        < img alt = « Équation 1 » src = « / Files/ftp_upload/56062/56062eq1.jpg » / >
      2. estimer la propagation x des cations fragment avec masse m sur le détecteur à l’aide de la formule et le temps de vol t calculé ci-dessus
        < img alt = « équation 2"src = « /files/ ftp_upload/56062/56062eq2.jpg » / >
        Ions gagnera moments p x de jusqu'à 400 unités atomiques de momentum (protons jusqu'à 150 unités atomiques).
      3. Si la propagation spatiale x des espèces ioniques plus léger est plus grand que le rayon détecteur, augmentez l’intensité du champ électrique dans le calcul jusqu'à ce que la propagation est plus petit que la taille du détecteur de quelques millimètres. L’intensité de champ ne devrait pas être beaucoup plus élevée que cela conduit à une résolution inférieure pour des fragments plus lourds qui s’étalent de moins sur le détecteur de.
  2. Contrôle du montage expérimental
    Remarque : avant de procéder à la mesure réelle, il doit être vérifié que le montage expérimental est bien préparée.
    1. Vérifier que le vide dans la chambre de l’interaction est < 1 x 10 -9 hPa. Si ce n’est pas le cas, le gaz résiduel conduira à un taux de fond élevé. En cas de doute sur les conditions de vide, continuer jusqu'à l’étape 2.2.1 où le taux d’ionisation du gaz résiduel est déterminé. Si la pression est trop élevée, effectuer un contrôle de fuite. Si aucune fuite n’est apparent, faites cuire la chambre pendant quelques jours.
    2. Pour vérifier les connexions pour l’alimentation et les signaux du détecteur selon le manuel ou expérimenter description.
    3. Vérifier que le logiciel d’acquisition de données sur l’ordinateur de la mesure est capable d’enregistrer et d’analyser au moins quatre ions. S’assurer que le temps mort des modules électroniques et la largeur d’impulsion du signal sont inférieure à 30 ns.
  3. Livraison d’échantillon Prepare
    1. vérifier que les tubes à échantillon livraison sont propres et les connexions serré. Si l’échantillon est corrosif (p. ex. acides) Assurez-vous que tous les composants du système de livraison et les pompes de dégrossissage de la chambre à vide sont compatibles avec l’échantillon choisi. Le système de fourniture d’échantillon de pompe avec une pompe de dégrossissage, ouvrir les vannes et vérifier que la pression dans la chambre expérimentale n’augmente pas.
    2. Nettoyer et préparer le destinataire de l’échantillon. Un bain à ultrasons avec acétone ou une rondelle de verrerie de laboratoire habituels ne suffisent.
    3. Préparer le chauffage du réservoir et sample système de livraison si l’échantillon doit être chauffé (cf. 1.1.1.3). La façon la plus pratique consiste à utiliser des circuits de chauffage réglable, chacun composé d’un câble chauffant, une sonde de température et un régulateur de température.
    4. Si l’échantillon a une très faible pression de vapeur, ou si elle a tendance à former des grappes (p. ex. acides), utiliser des approches différentes pour pick-up ou copropagation avec des gaz inertes. Modifier la conception des lignes de gaz selon ces exigences.
    5. Vérifier que le jet moléculaire est bien aligné. Pour cela, utilisez un échantillon de gaz rares (p. ex. Argon) afin qu’un jet dense est possible (environ 1 bar de pression absolue devrait suffire pour une buse de 50 µm). Maximiser la pression dans la section de vidage de jet en déplaçant le manipulateur sur lequel est installée la buse de.
  4. Fournir femtoseconde laser
    Remarque : les impulsions ionisantes sont fournies par un système de laser femtoseconde. Décrivant un tel laser et son utilisation en détail déborde le cadre du présent protocole. Si on utilise un système de laser commerciale, consultez le manuel.
    1. Allumer le laser et vérifiez le laser beam profil à la sortie.
    2. Vérifier et corriger (si nécessaire) la marche des rayons vers la fenêtre d’entrée de l’expérience en ajustant les miroirs respectifs.
    3. Si nécessaire, aligner le miroir se concentrant à l’intérieur de la chambre expérimentale à l’aide du manipulateur respectif. Centrez le reflet du miroir mise au point en ce qui concerne le faisceau entrant.
      4. Filtres
    4. insert ou un polarisant rotatif dans le trajet optique pour atteindre un pic d’intensité à peu près 6 x 10 14 W/cm 2. Pour normal Coulomb Explosion Imaging, utiliser la polarisation linéaire. Si les effets de dichroïsme doivent être analysés, changer la polarisation par une lame quart d’onde juste avant la fenêtre entrée.
    5. Insérer une photodiode dans un endroit où il peut enregistrer une réplique fiable de l’impulsion laser (par exemple par la réflexion ou la transmission à travers un miroir d’alignement). Connectez la sortie de la photodiode à un oscilloscope et vérifiez que la diode produit propres impulsions à la fréquence de répétition du laser.
    6. Toujours bloquer la poutre quand pas en service.

2. Allumer de spectromètre et détecteurs

Remarque : cette partie du protocole dépend légèrement de la mise en œuvre effective du système spectromètre et détecteur. Ici, la description est valable pour une installation standard de COLTRIMS avec un détecteur de ligne retard hexagonal (HEX75). 10 dans cette implémentation, un détecteur possède 7 sorties : une pour les plaques de microcanaux (GPE) et deux pour chacune des trois couches de l’anode.

  1. Rétablissez l’alimentation électrique.
    1. Éteindre manomètres à vide dans la chambre de l’interaction qu’ils pourraient produire des ions qui sont détectées par le détecteur de.
    2. Connecter la sortie de signal amplifié (en utilisant un amplificateur rapide avec amplification ≈ 100) du CDM à un oscilloscope rapide (préférence analogique). Régler l’oscilloscope pour 5 ou 10 ns par division sur l’échelle de temps et 100 mV par division sur l’échelle de signal. Vérifiez que le bruit électronique est inférieur à 30 mV.
    3. Commutateur sur la haute tension d’alimentation pour le détecteur. Pour un détecteur ionique typique, la tension est de-2 000 V pour la face avant et 300 V pour le côté anode. La tension varie selon l’âge de la MCPs et doit être définie de telle sorte que les signaux analogiques sont maximales, mais ne pas saturent. Contrôler l’intensité. Il dépend de la résistance de la MCPs dans le détecteur, mais ne doit pas dépasser 50 µA. Sur la trace d’oscilloscope, quelques signaux par seconde avec une hauteur de plusieurs centaines mV du signal doivent être visibles (' foncés comtes ').
    4. Tune l’alimentation pour le spectromètre à la valeur créée à l’étape 1.1.2.
  2. Vérifier des signaux de détecteur par ionisation de gaz résiduel
    Remarque : une description détaillée de la mise en marche du détecteur se retrouve dans les manuels réspectifs. 11 , 12
    1. atténuer l’intensité du laser d’une valeur estimée à moins de 10 14 W/cm 2 dans le foyer. Débloquer le laser et regardez la trace d’oscilloscope. Si cela conduit à un débit supérieur à 5 % de la fréquence de répétition de laser, la quantité des résidus de gaz dans la chambre est trop élevée ou le laser touche le spectromètre. Corriger ce problème avant de continuer. Si le taux de comptage est significativement inférieur à 5 % de la fréquence de répétition de laser, augmenter progressivement l’intensité du laser.
    2. Ai regarder de plus près les signaux. Ils devraient montrer seulement un seul pic de plusieurs centaines mV et no ' sonnerie ' (oscillations après le pouls réel). La largeur du signal MCP ne doit pas dépasser 10 ns (FWHM).
    3. Regardez la trace d’oscilloscope de tous les signaux de six anode. Les signaux sont ici plus large (20-30 ns) et habituellement un peu plus bas dans la tension. Vérifiez à nouveau qu’aucune perturbation de signal n’est présentes. Si tous les signaux de l’anode sont inférieurs à 100 mV, augmentation de la tension (étape 2.1.3) par pas de 50 V. Tuning le gain de l’amplificateur peut aider à obtenir la même hauteur d’impulsion pour toutes les voies.
    4. Convertir ces signaux analogiques en signaux standard de NIM (Module d’Instrumentation nucléaire) de -0,8 V par un discriminateur de Fraction constante (CFD). Vérifiez les paramètres de la CFD avant chaque course expérimentale. Pour une description détaillée, se référer à un manuel disponible sur internet. 12 alimentent les impulsions NIM un Time-to-Digital Converter (TDC) qui enregistre l’heure d’arrivée des impulsions à haute résolution (habituellement 25 ch). Ces signaux de temps sont l’entrée pour le logiciel d’acquisition et d’analyse de données.
      5. Logiciel d’acquisition
    5. tournant sur les données et commencer à enregistrer des données. Regarder la distribution hit pour chaque canal - les histogrammes devraient être similaires pour tous les canaux. Si c’est pas le cas pour certaines chaînes, vérifiez les paramètres de la CFD (étape 2.2.4) pour que ces canaux. Vérifier les paramètres en inspectant de plus la somme du signal exécutent fois pour chacune des couches détecteur tel que décrit dans le manuel du détecteur. Si nécessaire, corrigez les paramètres de la SDCD.
    6. Détecteur image s’affiche dans le logiciel d’acquisition de données. Le détecteur doit être affiché comme un cercle avec une tache diffuse (image de la mise au point du laser) dans le centre. L’extension de la tache est principalement due à la vitesse thermique des gaz résiduel qui obtient ionisée.
    7. Envoyer le signal de la diode laser (étape 1.5.5) dans l’acquisition des données, préférence de la même manière que les signaux du détecteur. Afficher un spectre de temps de vol dans le logiciel. Concernent les espèces de gaz résiduel de pics observés (H 2, H 2 O, éventuellement N 2, O 2, CO 2) en calculant leur temps-de-vols attendus de la géométrie du spectromètre (étape 1.1.2.1).
    8. Essayer de minimiser la durée de l’impulsion laser en maximisant le taux de comptage, à l’aide de la correction de dispersion du système laser. Une impulsion plus courte (et donc une plus grande intensité de crête) conduira à une augmentation significative du taux de.
    9. Si la pression de fond est si faible que le taux n’est pas suffisamment élevé pour effectuer les étapes ci-dessus, activez le jet de gaz (voir étape 2.3) et procédez comme 2.2.1 jusqu'à 2.2.8. Le spectre de temps de vol à l’étape 2.2.7 devrait alors évidemment dominé par les espèces dans le jet.
    10. Find out l’orientation absolue du détecteur. Pour ce faire, déplacez le miroir mise au point afin que l’image de la mise au point du laser se déplace visiblement à l’image du détecteur dans le logiciel. Faire attention au sens du mouvement (utilisé à l’étape 5.1.1). Cette étape est importante pour la mesure de la configuration absolue, car elle permet d’éviter l’inversion des moments mesurés en ce qui concerne l’espace de laboratoire real.
  3. Trouver le chevauchement du jet de gaz et laser.
    1. Tourner sur le jet de gaz comme indiqué au point 1.3.5.
    2. Si le taux augmente et un endroit très étroit (' spot de jet ') est visible sur l’image du détecteur dans le programme d’acquisition de données, faire en sorte que le jet moléculaire et le laser faisceau chevauchement au moins partiellement. Dans ce cas, réglez le manipulateur pour le miroir mise au point avec soin afin de maximiser les comtes dans le spot de jet. À chevauchement optimal, ils doivent dépasser le nombre d’échelons de gaz résiduel (étape 2.2) d’ordres de grandeur. Il peut être nécessaire de diminuer l’intensité du laser, car le taux de comptage MCP ne doit pas dépasser 30 kHz. Si le fond en raison de l’ionisation du gaz résiduel est trop élevé par rapport au signal du jet de gaz, envisager d’élargir le faisceau laser à l’extérieur de la chambre pour parvenir à une vision plus étroite.
    3. Si aucune tache de jet n’est visible sur l’image du détecteur, accordez le manipulateur pour le miroir se concentrant dans les grandes étapes pour trouver le chevauchement et continuer ensuite avec étape 2.3.2.

3. Exemple de livraison

  1. préparez bien tous les outils, les joints bénéficiaires et les autres articles nécessaires, comme l’exposition de l’échantillon dans l’environnement devrait être réduite au minimum.
  2. Remplir l’échantillon dans le récipient qui sera relié à l’expérience. Si l’échantillon a une haute pression de vapeur, refroidir le destinataire et l’échantillon au préalable afin de réduire les pertes par évaporation dans cette étape.
  3. Connecter la bouteille d’échantillon au système jet et serrer la connexion vide-preuve. Laisser refroidir le cylindre (pour éviter les pertes de l’échantillon) et la pompe pendant quelques secondes chasser l’air.
  4. Ouvrir la vanne de la buse. La pression dans le cham de la sourceBER devrait augmenter d’au moins plusieurs 10 hPa -5.
  5. Vérifier qu’un spot de jet est visible (étape 2.3.2) et identifier les pics plus importants dans le spectre de temps de vol.
  6. Optimiser les conditions expérimentales (température, intensité du laser, pression de gaz de copropagating …) pour maximiser le taux d’ionisation de l’échantillon. N’oubliez pas que chauffage conduit à la dilatation thermique des composants pour que l’ajustement du manipulateur jet (étape 1.4.5) pourrait être nécessaire.

4. Mesure

Remarque : les étapes suivantes sont effectuées dans le logiciel d’acquisition de données.

  1. Vérifier le spectre de masse et le spectre de la coïncidence.
    1. Tracer un spectre de temps de vol et d’affecter les différents sommets aux masses qui peuvent se produire lors de la fragmentation (fragments de masse, abondant de parent).
    2. Tracer le temps de vol de l’ion premier sur l’axe des abscisses et le temps de vol de l’ion deuxième sur l’axe y. Régions de nombreux chefs indiquent deux fragments émis en coincidence. Des lignes diagonales indiquent un éclatement en deux fragments chargés.
    3. Tracer un histogramme similaire pour plus de particules, par exemple la somme des temps-des-vols pour les deux premiers ions sur l’axe des abscisses et la somme des temps-des-vols pour la troisième et quatrième ion sur l’axe y. Un exemple d’un tel éventail de multicoincidence est illustré à la Figure 2.
    4. Essayer d’identifier les différentes ruptures dans le spectre des particules quatre ou cinq particules et vérifiez s’il y a un éclatement qui pourrait rapporter l’information structurale incriminés.
  2. Estimer le temps de mesure.
    1. Laissez l’expérience de laisser couler pendant environ 1 h et vérifier le nombre de chefs d’accusation pour le canal sélectionné. Veillez à ne pas compter des événements fond.
    2. Multiplier ce nombre avec le temps prévu disponible pour l’expérience. Le nombre total de chefs d’accusation dans le canal pertinent doit être au moins quelques milliers.
    3. Si le nombre d’échelons dans le canal sélectionné est sensiblement inférieure à ce nombre, augmenter l’intensité du laser et répétez les étapes 4.2.1 et 4.2.2. Veillez à ce que le taux est encore assez bas pour détection coïncidente (voir Introduction).

5. Analyse des données

Remarque : l’analyse des données dans une expérience de Coulomb Explosion Imaging est un complexe, mais enrichissante tâche car beaucoup de paramètres peut être affiné après l’expérience et une multitude de corrélations entre les mesures impulsions peuvent être explorées. Toutes les étapes suivantes sont généralement effectuées après l’expérience dans le logiciel d’analyse de données.

  1. Paramètres expérimentaux Calibrate
    Remarque : dans un premier temps, vérifiez que les informations de position et le temps reconstruites du détecteur sont correctes. Comme pour le réglage de l’électronique (étape 2.2), la procédure exacte dépend de l’implémentation spécifique, dans ce cas sur le logiciel d’analyse de données. Ainsi, vous pouvez donner seulement quelques conseils généraux.
    1. Terrain images du détecteur. Vérifier que pour toutes les couches de trois anode, la taille de l’image du détecteur correspond à la taille réelle du CDM et que l’image du détecteur est centrée sur 0. Vérifiez que toutes les combinaisons des trois couches donnent la même image du détecteur. Si nécessaire faire pivoter ou retourner le détecteur tel que le système de coordonnées de l’image du détecteur correspond au frame de laboratoire (utiliser les mesures de l’étape 2.2.10).
    2. Identifier les masses différentes dans le spectre de temps de vol et s’adapter à la fonction du spectromètre (étape 1.1.2.1) à ces valeurs. Le paramètre important dans cette étape, c’est le temps de vol offset t 0 que toutes les valeurs de temps de vol doivent être corrigés dédiée
    3. Jetez un oeil sur les spectres de coïncidence (cf. étape 4.1.4) et identifier les prometteurs éclatement canaux. Il est recommandé de mettre une porte sur les valeurs de temps de vol de quelques 100 ns autour l’intéressant patterns et sélectionner uniquement les événements au sein de ces fenêtres pour les nouvelles mesures. Dans le cas contraire, la quantité d’événements inutiles est trop grande et va ralentir l’analyse.
    4. Stocker les valeurs corrigées pour x, y, t pour une analyse ultérieure.
  2. Calculer les moments d’ion et énergies. Paramètres
    1. usage expérimental et les ratios de masse sur charge assumées pour calculer l’élan composants p x, y de la p et p z. Utilisez-les pour calculer l’énergie cinétique des fragments et leur somme, la libération de l’énergie cinétique (KER).
    2. Utiliser le spectre de la coïncidence (étape 4.1.4) pour ajuster l’intensité du champ électrique E et le spectromètre longueur s et un terrain de position impact vs temps de vol pour déterminer les offsets de position x 0 et y 0 et la vitesse v j et du jet de gaz. Si un étalonnage de précision est nécessaire, utilisation N 2 et O 2 fragmentant en deux seuls inculpés espèces progressions vibrations très étroites et bien caractérisées dans la libération de l’énergie cinétique (Voir Réf. 13 et les références qui y sont).
      1. Plot p x vs p y etc. et ajuster les paramètres afin que les impulsions sont distribuées sur une sphère dans l’espace des impulsions (par exemple sur un cercle dans les parcelles à deux dimensions) et centrées à 0. Cela est dû au fait que l’énergie cinétique ne devrait pas dépendre de la direction d’émission du fragment ion.
      2. Tracer l’élan de la somme de tous les fragments d’une rupture moléculaire. Pour un éclatement complet, la distribution doit être étroite (en général < 10 élan d’unité atomique) et centrée à 0.
  3. Sélectionnez les événements pertinents et d’enquêter sur les propriétés du système moléculaire.
    1. Séparer l’éclatement des événements réels de l’arrière-plan en définissant les contraintes dans l’élan de somme autour des pics observés (généralement inférieur à 20 unités atomiques dans chaque sens).
    2. Pour ces événements, utilisez vecteur arithmétique pour construire des quantités qui contiennent l’information structurale à investiguer. Un exemple pour la différenciation entre gauche et droite - handed stéréoisomères est donné dans la section suivante.

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Representative Results

Dans cette partie, nous montrons les résultats obtenus pour halométhanes. Ces espèces sont idéales pour des expériences de démonstration des principes en raison de leur simplicité et haute pression de vapeur. Dans l’intervalle, l’halothane espèces plus complexe a été étudié en utilisant unique soft-x-ray photons provenant d’une source de rayonnement synchrotron pour induire d’ionisation multiple. 14

CHBrClF

Bromochlorofluoromethane (CHBrClF) est un exemple pour les molécules chirales avec un atome de carbone stéréogène. C’est également le candidat idéal pour Coulomb Explosion d’imagerie en raison de sa structure simple et de la haute pression de vapeur (environ 600 hPa à température ambiante). Malheureusement, l’espèce n’est pas disponible dans le commerce ; pour l’expérience présentée ici, un mélange racémique a été synthétisé par réaction entre CHBr2Cl avec HgF2 selon référence15. Échantillons enrichis énantio sont difficiles à obtenir dans les quantités nécessaires de sorte que seuls les résultats de racémates ont été obtenus jusqu'à présent.

Pour les résultats présentés ici, l’échantillon a été refroidi à environ 240 K pour obtenir une densité de cible approprié avec la buse donnée (10 % de probabilité d’ionisation par impulsion). Le pic d’intensité du laser a été estimée à 6 x 1014 W/cm2. La mesure avec un taux de répétition pour le laser 100 kHz a pris 11 h.

Afin de distinguer les R et S-énantiomères, un triple produit normalisé est calculé d’après les vecteurs de l’élan de fluor trois halogènes, le chlore et du brome. Géométriquement, cette quantité peut être interprétée comme le cosinus de l’angle entre l’élan de fluor et le plan des moments chlore et du brome.

Equation 3

La figure 3 montre cosθ pour l’isotope CH79Br35NSI, conjointement avec la définition géométrique. Deux pics clairs sont visibles, indiquant les énantiomères. La position des pics est conforme à une simulation de dynamique moléculaire classique. Puisque presque aucun arrière-plan n’est présent, l’affectation de gaucher/droitier travaille sur le plan de la molécule.

CHBrCl2

La chiralité de le CHBrCl2 se produit uniquement si les deux isotopes 35Cl et 37Cl sont présents dans la même molécule. Un échantillon avec l’abondance naturelle des isotopes contient donc des molécules chirales et achirales. Deux autres complications surviennent ici : tout d’abord, les répartitions de temps de vol des isotopes de chlore et de brome se chevauchent respectivement en raison de la faible différence de masse. Cela est particulièrement pertinent pour le chlore comme la détermination du caractère gaucher ou droitier dépend de l’affectation correcte des isotopes. Deuxièmement, l’espèce chirale CH79Br35Cl37Cl a (à moins de précision de l’installation) de la même masse totale que l’espèce achiraux CH81Br35Cl2. L’enquête de cette espèce on voit donc comme un test pour la méthode.

Avec le spectromètre utilisé (spectromètre longueur s = 60,5 mm, intensité du champ électrique E = 57,1 V/cm), les données pour l’isotope chiraux CH79Br35Cl37Cl pourraient être choisis par l’intermédiaire de la quantité de mouvement totale, en utilisant un algorithme proposé par référence16 pour assigner que des succès appartient à quel isotope.

Des considérations géométriques conduisent à la conclusion qu’il peut y avoir des orientations de la molécule dans l’espace où les deux isotopes du chlore ont le même temps de vol ; dans ce cas, elles ne se distinguent comme une question de principe. Une procédure pour régler ces événements a été décrite dans les documents complémentaires référence4. Par conséquent, la configuration même des molécules chirales isotopiquement peut être déterminée avec une fiabilité élevée.

Figure 1
Figure 1 : Vue dans une configuration COLTRIMS. Molécules rentre dans la configuration par le biais de la buse et passent par une paire de skimmers. Dans la chambre de l’interaction, les impulsions laser croisent avec le jet moléculaire moins de 90°. Les ions sont guidées par le champ électrique du spectromètre au détecteur (en haut). Pour une meilleure visibilité, pas toutes les plaques de spectromètre apparaissent. Les molécules restantes sont déversés dans une section différentiellement Pompée (vidage de la jet) pour maintenir la pression de fond dans la région d’interaction aussi bas que possible. Figure de référence17 avec la permission de modification par G. Kastirke. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : Spectre de quatre particules coïncidence. Cet histogramme est une extension d’un spectre de masse de temps de vol à quatre particules : la somme des temps-des-vols pour le premier et le second hit sur le détecteur sont tracés sur le x-axe de la somme pour les troisième et quatrième coup sur y-axe. Le Centre des pics permet d’identifier les masses des quatre fragments détectés. La forme des structures contient des informations supplémentaires : si les impulsions des fragments d’ajouter jusqu'à zéro, les événements sont contenus dans une ligne étroite (H, CF, Cl, Br). Si un fragment non détecté exerce son élan, l’impulsion totale non nulle de la particule mesurée conduit à un élargissement des fonctionnalités. À des fins d’illustration, les données de synchrotron, pas de laser, des mesures sont utilisées ici en raison de statistiques plus élevé. Figure reproduite de référence5 avec la permission de Wiley-VCH. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : Distinction des énantiomères dans le cinq particules éclatement de CHBrClF via le paramètre de chiralité cos Θ tel que défini dans le texte. Le pic à valeurs positives correspond à l’énantiomère R, le pic à des valeurs négatives à l’énantiomère S. L’encart illustre cos θ géométriquement. La faiblearrière-plan permet une cession de gaucher/droitier pour des molécules individuelles. Figure reproduite de référence4 avec la permission de l’AAAS. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Discussion

En raison de la variété des composants, une configuration COLTRIMS nécessite un assez haut niveau d’expertise technique, en particulier dans les domaines de la technique sous vide, la détection de particules, rapide électronique et analyse de données. Avant d’aborder l’étude des espèces complexes, il faudrait donc bien vérifier si le programme d’installation s’exécute correctement, par exemple en exécutant et en analysant une mesure sur une espèce diatomique ou le triatomique.

Optimiser l’intensité et la durée des impulsions laser et le chevauchement avec le jet moléculaire est essentielle pour obtenir autant que possible, plusieurs événements d’ionisation. Comme la distribution d’impulsion pourrait élargir en raison de l’ionisation séquentielle au cours des différents cycles de l’impulsion laser, la durée de l’impulsion doit idéalement pas dépasser 40 fs. Pendant la mesure, il est crucial d’obtenir des statistiques suffisantes. Du côté positif, la détermination de la configuration absolue n’exige pas une précision particulièrement élevée par rapport à d’autres expériences de coïncidence, c'est-à-dire la procédure est plutôt robuste aux fluctuations dans le laser ou l’intensité du jet et électrique distorsions de champ dans le spectromètre.

La limitation plus fondamentale de la technique concerne son applicabilité aux molécules plus grosses. Il faut garder à l’esprit que les résultats représentent les moments des fragments, pas la structure des molécules dans l’espace réel. Pour des bio-molécules complexes, la relation entre la structure moléculaire et moments mesurés ne devrait pas être aussi simple que pour les molécules présentées ici. En outre, des molécules complexes peuvent produire des nombreux canaux de dislocation qui ne transportent pas d’informations sur la configuration, éventuellement diminuer le rendement des chaînes concernées. Théorique, modélisation de la fragmentation, contrôle des motifs de rupture et de procédures plus sophistiquées d’analyse il faudra si la technique doit être étendue aux molécules avec trois atomes de carbone. Au stade actuel, il ne semble pas possible d’étudier la configuration des protéines ou des molécules d’une complexité similaire, mais les limites réelles restent encore à être déterminée.

Une autre limitation de l’installation actuelle est la consommation de l’échantillon relativement élevé en raison de la réaction moléculaire. Il peut être réduit en mettant en place un mécanisme de recyclage (par exemple les pièges dans la foreline sous vide). Néanmoins, il serait utile de tester d’autres méthodes de préparation d’échantillon comme effusives jets, thermodésorption18 ou laser desorption techniques19 qui ont été appliqués avec succès pour l’étude des bio-molécules en phase gazeuse.

Coulomb Explosion d’imagerie est une méthode destructive, c'est-à-dire les molécules qui ont été fragmentés pour la détermination de la configuration ne peuvent être utilisés plus loin. Cependant, seule une petite fraction est ionisée en fait (ce qui est une des raisons pour la consommation élevée d’échantillon mentionné dans le paragraphe précédent). Il serait donc possible d’utiliser les molécules recyclées pour demande ultérieure.

Comme la mesure des impulsions permet de créer un ensemble de données « aligné » des molécules et de choisir certaines directions spatiales, la technique de coïncidence ouvre de nouvelles perspectives pour l’étude des effets de l’asymétrie dans les molécules chirales c’est en particulier le affaire si les impulsions des électrons sont mesurées en coïncidence qui peut être obtenue en utilisant une installation complète de COLTRIMS. Les techniques de pompe-sonde permettent en outre d’étudier la dynamique structurale des espèces chirales.

Très récemment, Coulomb Explosion d’imagerie a également été utilisé pour déterminer la géométrie absolue des cis et trans-isomères,20 ajout d’une nouvelle classe d’espèces possibles et les questions à examiner. Comme l’enquête de la stéréochimie avec la spectroscopie de coïncidence est encore à ses débuts, les auteurs espèrent que cet article contribue à inspirer les chercheurs travaillant dans les orientations décrites dans les paragraphes précédents de nouvelles expériences.

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Disclosures

Les auteurs ne déclarent aucun intérêts opposés.

Acknowledgments

Nous remercions Robert Berger (Philipps-Universität Marburg, Allemagne) pour inspirer les débats sur l’interprétation de nos données et chiralité moléculaire en général. Nous sommes reconnaissants à Julia Kiedrowski, Alexander Schießer et Michael Reggelin de TU Darmstadt (Allemagne), ainsi que Benjamin Spenger, Manuel Mazenauer et Jürgen Stohner de ZHAW Wädenswil (Suisse) pour la fourniture de l’échantillon.

Le projet a été soutenu par l’Initiative d’état de Hesse scientifique et économique d’Excellence dans le focus ELCH (dynamique des électrons des systèmes chiraux) et le ministère fédéral de l’éducation et recherche (BMBF). MS reconnaît le soutien financier de la Fondation 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

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References

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  4. Pitzer, M., et al. Direct Determination of Absolute Molecular Stereochemistry in Gas Phase by Coulomb Explosion Imaging. Science. 341 (6150), 1096-1100 (2013).
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  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).
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  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).

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Chimie numéro 126 Explosion coulombienne Imaging laser femtoseconde de chiralité Configuration absolue COLTRIMS coïncidence spectrométrie de masse faisceau moléculaire photoionisation
Imagerie d’Explosion coulombienne comme un outil pour faire la distinction entre stéréoisomères
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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).

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