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Chemistry

Imágenes de explosión de Coulomb como herramienta para distinguir entre los estereoisómeros

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

Para pequeñas especies quirales, imágenes de explosión de Coulomb proporciona un nuevo enfoque para determinar el uso de las manos de moléculas individuales.

Abstract

Este artículo muestra cómo el COLTRIMS (frío destino retroceso Ion ímpetu espectroscopia) o la técnica del "microscopio de la reacción" puede utilizarse para distinguir entre enantiómeros (estereoisómeros) de especies quirales simple en el nivel de las moléculas individuales. En este enfoque, un jet gaseoso molecular de la muestra se expande en una cámara de vacío y cruza con pulsos de láser de femtosegundo (fs). La alta intensidad de los impulsos conduce a rápida ionización múltiple, encendiendo una llamada explosión de Coulomb que produce varios fragmentos (cargados positivamente) catiónicos. Un campo electrostático guías de estos cationes en detectores sensibles a tiempo y posición. Similar a un espectrómetro de masas de tiempo de vuelo, la hora de llegada de cada ion aporta información sobre su masa. Como un superávit, el campo electrostático se ajusta de manera que la dirección de emisión y la energía cinética después de la fragmentación conducen a variaciones en el tiempo de vuelo y en la localización del impacto en el detector.

Cada impacto ion crea una señal electrónica en el detector; Esta señal es tratada por electrónica de alta frecuencia y grabada por evento por una computadora. Los datos registrados corresponden a las posiciones y tiempos de impacto. Con estos datos, se pueden calcular la energía y la dirección de emisión de cada fragmento. Estos valores están relacionados con las propiedades estructurales de la molécula bajo investigación, es decir, a las longitudes de enlace y las posiciones relativas de los átomos, lo que permite para determinar a la molécula por molécula el uso de las manos de simple especies quirales y otras características isoméricos.

Introduction

Quiralidad es una característica de nuestra naturaleza que ha sido fascinante investigadores de más de 150 años. En el 19 demayo siglo, Pasteur, van ' t Hoff y otros descubrieron que las moléculas pueden ocurrir en dos estructuras de la imagen del espejo que no son imponibles en super - como izquierda y manos derechas. Esta propiedad se denomina quiral, de la palabra griega para 'mano'.

Hasta ahora, se ha encontrado ninguna diferencia en propiedades termodinámicas o niveles de energía de las formas de mano izquierda y derecha (los dos "enantiómeros"). Para analizar el uso de las manos de una determinada muestra y para separar los enantiómeros, interacción con otras moléculas quirales puede utilizarse, como por ejemplo se hace en diversos enfoques cromatográficas. 1 métodos de Chiroptical como dicroísmo circular (vibracional), CD (V) y la dispersión rotativa óptica, ORD, habitualmente se emplean para distinguir entre enantiómeros. 2

En cuanto a la determinación de la estructura microscópica, estas técnicas requieren información adicional, por ejemplo de los cálculos del quántum-producto químico. La única técnica que es ampliamente aceptada para determinar directamente la configuración absoluta es anómala difracción de rayos x. 3

Recientemente se ha demostrado que se puede determinar la configuración absoluta de especies quirales simple por proyección de imagen de explosión de Coulomb. 4 , 5 en este enfoque, las moléculas en la fase gaseosa se multiplican ionizado para que los restantes núcleos fuertemente repelen uno al otro. Esta repulsión lleva a la fragmentación rápida ('explosión') de las moléculas. La dirección y la magnitud de la correlación de ímpetus de fragmento a la estructura de la molécula-para moléculas pequeñas, las indicaciones de impulso corresponden asombrosamente a los ejes de enlace. Explosión de Coulomb para la determinación de la estructura molecular pionera utilizando haces de iones moleculares de un acelerador. 6 esta técnica de papel Haz recientemente ha sido aplicado para el reconocimiento quiral. 7

Contrariamente a la difracción anómala de rayos x, la muestra no debe ser cristalina pero en la fase de gas. Esto hace que el enfoque de la explosión de Coulomb ideal para especies volátiles y por lo tanto complementario de difracción de rayos x. En ciertos casos, incluso puede determinar el uso de las manos para las moléculas individuales.

En la práctica, la reconstrucción exacta de la estructura molecular se ha demostrado difícil incluso para los derivados del metano, por ejemplo, moléculas con un carbono central y diversos sustitutos. Esto se atribuye al hecho de que la interacción entre los fragmentos no es exactamente Coulombic y que no todos los bonos rompen al mismo tiempo. Para obtener información de stereochemical, especialmente para diferenciar los enantiómeros, esta reconstrucción no es afortunadamente necesaria. En cambio, los vectores del impulso de diferentes fragmentos pueden correlacionarse para producir una cantidad que es distinta para las moléculas de mano izquierda y derecha. Para obtener resultados confiables, por lo menos cuatro ímpetus de fragmento tienen a grabar.

Para medir esta información de impulso, los fragmentos de una – y sólo una – molecular ruptura tengan que ser detectados en el paso de una sola medición. Esta condición se conoce generalmente como 'detección coincidente'. Además, las direcciones de emisión debe ser analizado, que asciende en la práctica para registrar el tiempo y la posición del fragmento de impacto en un formato de datos de modo de lista.

En física atómica y molecular, se han desarrollado técnicas que aplicar este enfoque de medición empleando electrostáticas espectrómetros de masa separación y tiempo-posición-sensibles y detectores multi-hit. El ejemplo más prominente es la configuración COLTRIMS (frío destino retroceso Ion ímpetu espectroscopia) – también conocido como microscopio de la reacción. 8 , 9 un croquis para este tipo de experimento se dan en la figura 1. Contrario a una norma COLTRIMS que puede grabar electrones así, imágenes de explosión de Coulomb requiere sólo el detector de iones.

Detector y espectrómetro se montan en ultra alto vacío (< 1 x 10-9 hPa) para evitar la creación de iones del gas residual. Las moléculas individuales de la muestra se proporcionan a través de un jet molecular libre gaseoso creado por expansión supersónica: en virtud de la presión de vapor, las moléculas de expansión a través de una boquilla pequeña (alrededor de 50 μm de diámetro) en el vacío. Esta parte del experimento, la cámara de origen, se separa de la región de interacción por etapas diferencialmente bombeadas y generalmente dos skimmers. Un adicional bombeada diferencialmente sección está situado detrás de la región de interacción para el jet del gas de la descarga y así evitar gas de fondo en la región de interacción.

La radiación ionizante se intersecta con el jet molecular menores de 90°. Mayoría de los laboratorios hoy en día utiliza pulsos de láser de femtosegundo, aunque la radiación sincrotrón, iones rápidos o impacto del electrón son posibles 'proyectiles' para inducir la explosión de Coulomb.

El siguiente protocolo hace la asunción que una configuración de ejecución para imágenes coincidentes de iones y un láser de femtosegundo son disponibles en el laboratorio. La intensidad de pico es necesaria para inducir la explosión de Coulomb en cuatro o incluso cinco fragmentos debe ser del orden de 6 x 1014 W/cm2. Para evitar medidas excesivamente largas, la tasa de repetición del láser debe ser 10 kHz o más. Esto es crucial porque, por un lado, detección coincidente puede sólo determinar si la probabilidad de fragmentación en el foco del láser está significativamente por debajo de 1 por cada pulso de láser (idealmente no más de 10%). La tasa de fragmentación total, por el contrario, no debe ser inferior a unos pocos kHz porque el porcentaje de las vías multifragmentation es generalmente menos de 10-4. Hecho tan alentadora, cabe mencionar que en principio ya es suficiente para identificar la configuración de una muestra de carbonil un evento de fragmentación solo, y que la detección de unos pocos cientos permite determinar la abundancia de los enantiómeros en un muestra de la composición enantiomérica desconocida.

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Protocol

PRECAUCIÓN: Asegúrese de estar familiarizado con todas posibles peligros relacionados con el experimento y en el laboratorio. El procedimiento a continuación incluye láseres de clase IV, alto voltaje y vacío. Consulte la hoja de datos de seguridad del material (MSDS) para que las especies a ser investigado.

1. preparación

  1. consideraciones preparatorias
    Nota: antes de que comience el experimento real, dos opciones principales tienen que ser; el primero con respecto a la posible especie en las investigaciones y la en segundo lugar el campo eléctrico en el espectrómetro. Se asume aquí que la instalación se ha utilizado previamente para otros experimentos y que el espectrómetro de sí mismo no ser remodelado.
    1. Elección de la muestra
      1. elige una muestra donde pueden esperarse vías de fragmentación que llevan la firma del uso de las manos o la característica estructural a ser investigado. Tenga en cuenta que de hidrógeno átomos a menudo se liberan fragmentos neutros; probablemente no se pueden distinguir grupos funcionales que diferencian solamente por el número de átomos de hidrógeno. Comenzar con especies (tal vez achiral) simple como halometanos o haloethanes.
      2. Comprobar que por lo menos 0.02 mol de la muestra está disponible ya que esta es la cantidad mínima utilizada en experimentos de éxito todavía tan
      3. Comprobar que una suficiente presión de vapor es alcanzable con la muestra. Dependiendo del diseño del aparato, las presiones de vapor > 5 hPa son necesarios para una suficiente densidad de jet para los experimentos del laser. Si la presión de vapor es menor, examinar si las presiones de vapor requeridas se puede llegar mediante el calentamiento de la muestra. Esto puede ser posible para las muestras líquidas y sólidas, en virtud de la sublimación para este último. Si se requiere de calefacción, es necesario tener un gradiente de temperatura positivo a lo largo de la trayectoria del gas en el sistema de entrega (con la boquilla es la parte más caliente) para evitar la condensación. Más avanzados sistemas de preparación de muestra como Pick-up por un gas portador puede ser considerada como.
    2. Opción de fuerza del campo eléctrico en el espectrómetro de
      Nota: un valor de 50 a 100 V/cm ha demostrado ser razonable para la proyección de imagen de explosión de Coulomb. El valor óptimo, sin embargo, depende de la geometría del espectrómetro. Los pasos siguientes muestran cómo optimizar la intensidad de campo eléctrico.
      1. Estimación del tiempo de vuelo de los fragmentos catiónicos esperados. Si el espectrómetro consiste solamente en una región de campo homogéneo de longitud s y la fuerza de campo eléctrico E, el tiempo promedio de vuelo de una partícula con masa m y carga q está dada simplemente por
        < img alt = "Ecuación 1" src = "/ files/ftp_upload/56062/56062eq1.jpg"/ >
      2. estimar la extensión x de los cationes del fragmento con la masa m del detector mediante el tiempo de vuelo t calculado anteriormente y la fórmula
        < img alt ="Ecuación 2"src ="/files/ ftp_upload/56062/56062eq2.jpg"/ >
        iones ganará ímpetus p x de hasta 400 unidades atómicas de impulso (protones hasta 150 unidades atómicas).
      3. Si la propagación espacial x de las especies de iones más ligeras es mayor que el radio del detector, aumentar la fuerza de campo eléctrico en el cálculo hasta que la propagación es unos milímetros más pequeño que el tamaño del detector. La fuerza del campo no debe ser mucho mayor ya que esto conduce a una resolución menor para fragmentos más pesados que se extienden menos detector de.
  2. Compruebe de montaje experimental
    Nota: antes de proceder a la medición real, tiene que verificarse que el montaje experimental está bien preparado.
    1. Comprobar que el vacío en la cámara de interacción < 1 x 10 -9 hPa. Si este no es el caso, el gas residual dará lugar a una tasa alta de fondo. En caso de duda sobre las condiciones de vacío, continuar hasta el paso 2.2.1 donde se determina la tarifa de la ionización del gas residual. Si la presión es demasiado alta, realizar una verificación de fugas. Si no hay fuga es evidente, hornee la cámara durante unos días.
    2. Verificar las conexiones para la alimentación y las señales del detector según el manual o experimentar Descripción.
    3. Compruebe que el software de adquisición de datos en el equipo de medición es capaz de grabar y analizar por lo menos cuatro iones. Asegúrese de que el tiempo muerto de los módulos electrónicos y la anchura de pulso de las señales por debajo de 30 ns.
  3. Entrega de la muestra preparar
    1. verificar que los tubos de entrega de muestras están limpios y las conexiones apretadas. Si la muestra es corrosivo (p. ej. ácidos) Asegúrese de que todos los componentes en el sistema de entrega y las bombas de desbaste de la cámara de vacío son compatibles con las muestras solicitadas. El sistema muestra la bomba con una bomba de desbaste, abrir las válvulas y verificar que no está aumentando la presión en la cámara experimental.
    2. Limpiar y preparar el recipiente de la muestra. Un baño de ultrasonidos con acetona o una lavadora de cristalería de laboratorio generalmente son suficientes.
    3. Preparar la calefacción del depósito y la muestra si la muestra tiene que ser calentado (cf. 1.1.1.3). La manera más conveniente es usar circuitos de calefacción ajustable, cada uno formado por un alambre de la calefacción, un sensor de temperatura y un regulador de temperatura.
    4. Si la muestra tiene una presión de vapor muy baja, o si tiende a clusters de forma (p. ej. ácidos), usar diferentes enfoques para Pick-up o copropagation con gases inertes. Modificar el diseño de las líneas de gas según estos requisitos.
    5. Comprobar que el chorro molecular está bien alineado. Para ello, utilice una muestra de gas raro (por ejemplo argón) por lo que se consigue un chorro denso (aproximadamente 1 bar presión absoluta debe ser suficiente para una boquilla de 50 μm). Maximizar la presión en la sección de descarga de chorro al mover el manipulador a la que está montada la boquilla de.
  4. Proporcionar pulsos de láser de femtosegundo
    Nota: los pulsos ionizantes son proporcionados por un sistema de láser de femtosegundo. Describir tal láser y su uso en detalle está fuera del alcance del presente Protocolo. Si se utiliza un sistema láser comercial, consulte el manual.
    1. Encienda el láser y compruebe el laser viga perfil a la salida.
    2. Echale un vistazo y corregir (si es necesario) la trayectoria del haz a la ventana de entrada del experimento mediante el ajuste de los espejos respectivos.
    3. Si es necesario, alinear el espejo de concentración dentro de la cámara experimental utilizando el manipulador respectivo. Centro de la reflexión del espejo de concentración con respecto a la viga entrante.
    4. Insertar filtros o un polarizador giratorio en la trayectoria de la viga para alcanzar una intensidad máxima de aproximadamente 6 x 10 14 W/cm 2. Para culombio normal de explosión de imágenes, utilizar polarización lineal. Si dicroísmo efectos deben investigarse, cambiar la polarización de una placa de cuarto de onda justo antes de la ventana de entrada.
    5. Insertar un fotodiodo en un lugar donde puede grabar una reproducción fiable del pulso láser (por ejemplo, una reflexión o transmisión a través de un espejo de alineación). Conectar la salida del fotodiodo a un osciloscopio y verificar que el diodo produce pulsos limpios con las tasas de repetición del láser de.
    6. Bloquear siempre el rayo cuando no esté en uso.

2. A espectrómetro y detectores

Nota: esta parte del protocolo depende ligeramente de la aplicación efectiva del sistema detector y espectrómetro. La descripción aquí es válida para una configuración estándar de la COLTRIMS con un detector de línea de retardo hexagonal (HEX75). 10 en esta implementación, un detector tiene 7 canales de salida: uno para las placas microcanales (MCPs) y dos para cada una de las tres capas del ánodo de.

  1. Abra los suministros de energía.
    1. Apagar medidores de vacío en la cámara de interacción ya que pueden producir los iones que se ven por el detector de.
    2. Conecte la salida de la señal amplificada (utilizando un amplificador rápido con amplificación ≈ 100) del MCP a un osciloscopio rápido (preferiblemente analógico). Ajustar el osciloscopio a 5 o 10 ns por división de la escala de tiempo y 100 mV por división en la escala de la señal. Verificar que el ruido electrónico es inferior a 30 mV.
    3. Interruptor en el voltaje de alta fuente de alimentación para el detector. Para un detector típico iónico, la tensión es-2,000 V la parte delantera y 300 V para el lado del ánodo. El voltaje depende de la edad de las MCP y debe establecer de forma que las señales analógicas son máximas, pero no saturan. Compruebe la corriente. Depende de la resistencia de lo MCPs en el detector pero no debe exceder 50 μA. En el rastro de osciloscopio, unas señales por segundo con una altura de la señal de varios cientos mV deben ser visibles (' cuenta de dark ').
    4. Ajustar la fuente de alimentación para el espectrómetro con el valor establecido en el paso 1.1.2.
  2. Compruebe las señales del detector por ionización del gas residual
    Nota: una descripción detallada de la puesta en marcha del detector también puede encontrarse en los manuales respectivos. 11 , 12
    1. atenuar la intensidad del láser a un valor estimado inferior a 10 14 W/cm 2 en el foco. Desbloquear el láser y ver la traza del osciloscopio. Si esto conduce a una tasa superior al 5% de la tasa de repetición del láser, la cantidad de gas residual en la cámara es demasiado alta o el láser toca el espectrómetro. Solucionar este problema antes de continuar. Si la tasa de conteo es significativamente menor al 5% de la tasa de repetición del láser, aumentar gradualmente la intensidad láser.
    2. Tienen un vistazo a las señales. Sólo debe mostrar un pico de varios cientos mV y no ' llamada ' (oscilaciones después el pulso real). La anchura de la señal de la MCP no excederá de 10 ns (FWHM).
    3. Mira la traza del osciloscopio de todas las señales de seis del ánodo. Las señales son aquí más amplia (20-30 ns) y generalmente un poco inferior en tensión. Comprobar otra vez que no hay perturbaciones de la señal. Si todas las señales del ánodo están por debajo de 100 mV, aumento de la tensión (paso 2.1.3) en pasos de 50 V. Ajuste la ganancia del amplificador puede ayudar a obtener la misma altura de pulso en todos los canales.
    4. Convertir estas señales analógicas en señales estándar de NIM (módulo de instrumentación Nuclear) de -0.8 V por un discriminador de la fracción constante (CFD). Compruebe la configuración de la CFD antes de cada ejecución experimental. Para una descripción detallada, consulte un manual disponible en internet. 12 alimentación los pulsos NIM en un tiempo-a-Digital Converter (TDC) que registra la hora de llegada de los pulsos de alta resolución (generalmente 25 ps). Estas señales de tiempo son la entrada para el software de adquisición y análisis de datos.
      5. Software de adquisición de
    5. activar los datos ya comienzan a registrar los datos. Buscar en la distribución de golpe para cada canal - los histogramas deben ser similares para todos los canales. Si ese no es el caso de algunos canales, Compruebe la configuración de CFD (paso 2.2.4) de estos canales. Compruebe la configuración mediante la inspección además de la suma de la señal de ejecuta tiempos para cada una de las capas del detector como se describe en el manual del detector. Si es necesario, corrija la configuración de los CFDs.
    6. Mostrar una imagen del detector en el software de adquisición de datos. El detector debe mostrarse como un círculo con una mancha difusa (imagen del foco del láser) en el centro. La extensión de la mancha se debe principalmente a la velocidad térmica de los gases residuales que obtienen ionizado.
    7. Alimentar la señal del diodo láser (paso 1.5.5) en la adquisición de datos, preferiblemente en la misma forma que las señales del detector. Mostrar un espectro de tiempo de vuelo en el software. Se relacionan con la especie de gas residual observado picos (H 2, H 2 O, posiblemente N 2, O 2, CO 2) calculando su tiempo de vuelos previstos desde la geometría del espectrómetro (paso 1.1.2.1).
    8. Tratar de minimizar la duración del pulso láser maximizando la tasa de conteo, utilizando la corrección de dispersión del sistema láser. Un pulso más corto (y por lo tanto una mayor intensidad de pico) conducirá a un aumento significativo de la tasa de.
    9. Si la presión de fondo es tan baja que la tasa no es lo suficientemente alta para llevar a cabo los pasos anteriores, encender el chorro de gas (vea el paso 2.3) y realizar pasos 2.2.1 hasta 2.2.8. El espectro de tiempo de vuelo en el paso 2.2.7 obviamente entonces debe ser dominado por la especie en el jet.
    10. Encontrar la orientación absoluta del detector. Para ello, mueva el espejo de concentración para que la imagen del foco del láser se mueve visiblemente en la imagen del detector en el software. Tenga en cuenta la dirección del movimiento (utilizado en el paso 5.1.1). Este paso es importante para la medida de la configuración absoluta ya que permite evitar la inversión de los ímpetus medidos en relación con el espacio del laboratorio real.
  3. Encontrar superposición de láser y de chorro de gas.
    1. Encienda el jet del gas como se describe en el paso 1.3.5.
    2. Si la tasa aumenta y un lugar muy estrecho (' punto jet ') es visible en la imagen del detector en el programa de adquisición de datos, asegúrese de que el jet molecular y laser la viga de superposición al menos parcialmente. En este caso, ajustar el manipulador para el espejo centrarse cuidadosamente maximizar las cuentas en el lugar de jet. En el solape óptimo, debe superar el número de cuentas de gas residual (paso 2.2) en órdenes de magnitud. Podría ser necesario disminuir la intensidad del láser ya que la tasa de conteo MCP no excederá de 30 kHz. Si el fondo debido a la ionización del gas residual es demasiado alto en comparación con la señal del jet del gas, considere ampliar el haz del láser fuera de la cámara para llegar a un enfoque más limitado.
    3. Si no jet es visible en la imagen del detector, Afine el manipulador para el espejo centrarse en pasos más grandes para encontrar la coincidencia y continuar luego con paso 2.3.2.

3. Entrega de la muestra

  1. preparar bien todas las herramientas, las juntas receptores y otros artículos necesarios, como debe reducirse al mínimo la exposición de la muestra con el medio ambiente.
  2. Llenar la muestra en el recipiente que estará conectado con el experimento. Si la muestra tiene una alta presión de vapor, enfriar el recipiente y de la muestra previamente para reducir las pérdidas por evaporación en este paso.
  3. Conectar el cilindro de muestra para el sistema de jet y apriete la conexión a prueba de vacío. Enfriar el cilindro (para evitar las pérdidas de la muestra) y la bomba durante unos pocos segundos eliminar el aire.
  4. Abra la válvula de la boquilla. La presión en el cham de la fuenteBER se debe incrementar en al menos varios 10 hPa de -5.
  5. Verificar que un punto de jet es visible (2.3.2) e identificar los picos más prominentes en el espectro de tiempo de vuelo.
  6. Optimizar las condiciones experimentales (ajuste de temperatura, intensidad de láser, presión de copropagating gas …) para maximizar la tarifa de la ionización de la muestra. Tenga en cuenta que la calefacción conduce a la expansión térmica de los componentes para que ajuste el manipulador de jet (paso 1.4.5) puede que sea necesario.

4. Medición

Nota: los siguientes pasos se realizan en el software de adquisición de datos.

  1. Compruebe el espectro de masas y el espectro de la coincidencia.
    1. Parcela un espectro de tiempo de vuelo y asignar los diferentes picos a las masas que pueden ocurrir en la fragmentación (fragmentos de masa, abundante de matriz).
    2. Parcela el tiempo de vuelo del primer ion en el eje x y el tiempo de vuelo del ion del segundo en el eje y. Regiones con muchas cuentas indican dos fragmentos emitidos en coincidencia. Afiladas líneas diagonales indican una ruptura en dos fragmentos cargados.
    3. Trazar un histograma similar de más partículas, por ejemplo, la suma de los tiempo de vuelos para los dos primeros iones en el eje x y la suma de los tiempo de vuelos para el ion tercero y cuarto en el eje y. En la figura 2 se muestra un ejemplo de un espectro tan multicoincidence.
    4. Tratar de identificar las diferentes escisiones en el espectro de partículas de cuatro o cinco partículas y compruebe si hay una ruptura que podría generar la información estructural bajo investigación.
  2. Estimación de tiempo de medición.
    1. Deje que el experimento funcione durante aproximadamente 1 hora y comprobar el número de cuentas para el canal elegido. Tenga cuidado de no contar eventos de fondo.
    2. Multiplicar a este número con el tiempo esperado para el experimento. El número total de cuentas en el canal correspondiente debe ser al menos unos pocos miles.
    3. Si el número de cuentas en el canal elegido está significativamente por debajo de este número, aumenta la intensidad de laser y repita los pasos del 4.2.1 y 4.2.2. Tenga cuidado de que la tasa es aún lo suficientemente baja como para detección coincidente (véase Introducción).

5. Análisis de datos

Nota: Análisis de los datos en un experimento de imágenes de explosión de Coulomb es un complejo, pero gratificante tarea porque muchos parámetros pueden ser ajustados después de la experiencia y una multitud de correlaciones entre la medida ímpetus pueden ser exploradas. Todos los pasos siguientes se realizan generalmente después de la experiencia en el software de análisis de datos.

  1. Calibrar parámetros experimentales
    Nota: en un primer paso, asegúrese de que la información de posición y tiempo reconstruida del detector es correcta. Similar a la afinación de la electrónica (paso 2.2), el procedimiento exacto depende de la implementación específica, en este caso en el software de análisis de datos. Así, se pueden dar consejos generales.
    1. Imágenes de la trama del detector. Compruebe que para todas las capas ánodo tres, el tamaño de la imagen de detector corresponde al tamaño real del MCP y que la imagen del detector está centrada en 0. Verificar que todas las combinaciones de las tres capas dan la misma imagen del detector. Si es necesario rotar o voltear el detector que el sistema de coordenadas de la imagen de detector corresponde a la estructura del laboratorio (uso de las mediciones de paso 2.2.10).
    2. Identificar masas diferentes en el espectro de tiempo de vuelo y ajuste la función del espectrómetro (paso 1.1.2.1) a estos valores. El parámetro importante en este paso es el tiempo de vuelo t 0 que todos los valores de tiempo de vuelo tienen que ser información corregida en offset
    3. Echa un vistazo a los espectros de coincidencia (cf. paso 4.1.4) e identificar canales de desintegración prometedoras. Se recomienda colocar una puerta en los valores de tiempo de vuelo de unos 100 ns en el interesante patrones y seleccione sólo los eventos dentro de estas ventanas para los pasos posteriores. De lo contrario, la cantidad de eventos innecesarios es demasiado grande y retrasará el análisis.
    4. Almacenar los valores corregidos para x, y, t para su posterior análisis.
  2. Calcular ion ímpetus y energías. Parámetros
    1. uso experimental y las proporciones de masa de la carga asumidas para calcular el impulso componentes p x, p y y p z. Utilizarlas para calcular la energía cinética de los fragmentos y su suma, la liberación de energía cinética (KER).
    2. Utilizar el espectro de coincidencia (paso 4.1.4) para ajustar la fuerza del campo eléctrico E y el espectrómetro longitud s y una parcela de la posición de impacto vs. tiempo de vuelo para determinar los desvíos de posición x 0 y y 0 y la velocidad v j et del jet del gas. Si una calibración de precisión es necesaria, use N 2 y O 2 fragmentar en dos solos cargada especies con progresiones vibracionales muy estrechos y bien caracterizados en la liberación de energía cinética (ver Ref. 13 y referencias en esto).
      1. Parcela p x vs p y etc. y ajustar los parámetros para que los ímpetus son distribuidos en una esfera en el espacio de momentum (por ejemplo, en un círculo en las parcelas bidimensionales) y centrados en 0. Esto es debido a que la energía cinética no debe depender de la dirección de la emisión del fragmento ion.
      2. Parcela el impulso de la suma de todos los fragmentos de una ruptura molecular. Para un descanso completo, la distribución debe ser estrecha (normalmente < 10 impulso unidad atómica) y centrada en 0.
  3. Seleccionar acontecimientos relevantes e investigar propiedades del sistema molecular de.
    1. Separar los acontecimientos reales de la desintegración de fondo estableciendo restricciones en el impulso de suma alrededor de los picos observados (generalmente menos de 20 unidades atómicas en cada dirección).
    2. Para estos eventos, utilizar aritmética de vectores para construir cantidades que contienen la información estructural a ser investigado. En la siguiente sección se da un ejemplo para la diferenciación entre zurdos y diestros stereoisomers.

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Representative Results

En esta parte, mostramos los resultados obtenidos para halometanos. Estas especies son ideales para los experimentos de la prueba de principio debido a su simplicidad y alta presión de vapor. Mientras tanto, se ha investigado el halotano de especies más compleja usando solo suave radiografía fotones de una fuente del sincrotrón para inducir ionización múltiple. 14

CHBrClF

Bromochlorofluoromethane (CHBrClF) es un ejemplo clásico de moléculas quirales con un átomo de carbono stereogenic. También es el candidato ideal para la proyección de imagen de explosión de Coulomb debido a su estructura simple y la alta presión de vapor (alrededor de 600 hPa a temperatura ambiente). Desafortunadamente, las especies no está disponible comercialmente; para el experimento aquí presentado, una mezcla racémica fue sintetizada por reaccionar CHBr2Cl con HgF2 según referencia15. Enriquecido Enantio muestras son difíciles de obtener en las cantidades necesarias de modo que hasta ahora se han obtenido solamente resultados para separar racematos.

Para los resultados presentados aquí la muestra se enfrió a alrededor de 240 K para obtener una densidad objetivo apropiado con la boquilla dada (10% de probabilidad de ionización por pulsos). La intensidad de pico del laser era estimada para ser 6 x 1014 W/cm2. La medición en la tasa de repetición de kHz 100 laser tuvo 11 h.

Para distinguir R y S-enantiómeros, un producto de triple normalizado se calcula a partir de los vectores del impulso de los tres halógenos flúor, cloro y bromo. Geométricamente, esta cantidad puede interpretarse como el coseno del ángulo entre el impulso de flúor y el plano de los ímpetus de cloro y bromo.

Equation 3

La figura 3 muestra cosθ para el isótopo CH79Br35ClF, junto con la definición geométrica. Dos picos claros son visibles, indicando los enantiómeros. La posición de los picos es consistente con una simulación de dinámica molecular clásica. Ya casi no hay fondo, la asignación de uso de las manos trabaja a nivel de molécula única.

CHBrCl2

La quiralidad de CHBrCl2 ocurre solamente si los isótopos 35Cl y 37Cl están presentes en la misma molécula. Una muestra con abundancia natural de isótopos así contiene moléculas quirales y achiral. Dos complicaciones adicionales se presentan aquí: en primer lugar, las distribuciones de tiempo de vuelo de los isótopos de cloro y bromo se superponen respectivamente debido a la pequeña diferencia de masa. Esto es particularmente relevante para cloro, como la determinación del uso de las manos depende de la correcta asignación de los isótopos. En segundo lugar, las especies quirales CH79Br35Cl37Cl tiene (dentro de la exactitud de la configuración) de la misma masa total como la especie achiral CH81Br35Cl2. La investigación de esta especie puede verse así como una prueba de referencia para el método.

Con el espectrómetro utilizado (espectrómetro longitud s = 60,5 mm, fuerza de campo eléctrico E = 57,1 V/cm), los datos para el isótopo quirales CH79Br35Cl37Cl podría ser seleccionado por el impulso total, utilizando una algoritmo sugerido por referencia16 asignar cual de los golpes pertenece a qué isótopo.

Consideraciones geométricas llevan a la conclusión de que pueden ser orientaciones de la molécula en el espacio donde los dos isótopos de cloro tienen el mismo tiempo de vuelo; en este caso, no pueden ser distinguidos por una cuestión de principio. Un procedimiento para clasificar estos eventos se ha descrito en la referencia de materiales suplementarios4. Como resultado, la configuración de moléculas isotópicamente quirales puede ser determinada con una alta fiabilidad.

Figure 1
Figura 1 : Vista en una configuración COLTRIMS. Las moléculas de acceder a la configuración a través de la boquilla y pasan por un par de skimmers. En la sala de interacción, los pulsos del láser se cruzan con el jet molecular menores de 90°. Los iones son guiados por el campo eléctrico del espectrómetro del detector (arriba). Para una mejor visibilidad, no todas las placas del espectrómetro se muestran. Las moléculas restantes son objeto de dumping en una sección diferencialmente bombeada (descarga jet) para mantener la presión de fondo en la región de interacción posible. Figura modificada de referencia17 con permiso de G. Kastirke. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2 : Coincidencia de cuatro partículas espectro. Este histograma es una extensión de un espectro de masas de tiempo de vuelo de cuatro partículas: la suma de los tiempo de vuelos para el primer y segundo golpe en el detector se trazan en el x-eje, la suma de la tercera y cuarta del golpe del y-axis. El centro de los picos permite identificar las masas de los fragmentos detectados cuatro. La forma de las estructuras contiene información adicional: si los ímpetus de los fragmentos agregar hasta cero, los acontecimientos se encuentran en una estrecha línea (H, CF, Cl, Br). Si un fragmento lleva ímpetu, el ímpetu total distinto de cero de la partícula medida conduce a una ampliación de las funciones. Para fines de Ilustración, se utilizan datos de sincrotrón no láser, las mediciones aquí debido a las estadísticas más altas. Figura reproducida de referencia5 con permiso de Wiley-VCH. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3 : Distinción de enantiómeros en la cinco partículas desintegración de CHBrClF mediante el parámetro de quiralidad cos Θ como se define en el texto. El pico a los valores positivos se corresponde con el R-enantiomer, el pico a los valores negativos para el S-enantiómero. El recuadro ilustra cos θ geométricamente. La bajaFondo permite la cesión de uso de las manos para las moléculas individuales. Figura reproducida de referencia4 con permiso de AAAS. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

Debido a la variedad de componentes, una instalación COLTRIMS requiere un nivel bastante alto de conocimientos técnicos, especialmente en las áreas de técnica de vacío, detección de partículas, análisis rápido de datos y electrónica. Antes de dedicarse a la investigación de especies complejas, se debe así ser examinado si la instalación funciona correctamente, por ejemplo, realizando y analizando una medición sobre una especie diatómica o triatómica.

Optimización de la intensidad y duración de los pulsos del láser y la superposición con el jet molecular es esencial para lograr tantos múltiples eventos de ionización como sea posible. Como la distribución de impulso podría ampliar debido a la ionización secuencial durante diferentes ciclos del pulso del láser, la duración del pulso ideal no debe exceder 40 fs. Durante la medición es crucial obtener estadísticas suficientes. En el lado positivo, la determinación de la configuración absoluta no requiere una particularmente alta precisión comparada con otros experimentos de coincidencia, es decir, el procedimiento es bastante robusta a las fluctuaciones en el láser o la intensidad del chorro y eléctrico distorsiones del campo en el espectrómetro.

La limitación más fundamental de la técnica refiere a su aplicabilidad a moléculas más grandes. Se debe tener en cuenta que los resultados representan los ímpetus de los fragmentos, no la estructura de las moléculas en el espacio real. De bio-moléculas complejas, la relación entre medidas ímpetus y estructura molecular no se espera que sea tan sencillo en cuanto a las moléculas que presentan aquí. Además, las moléculas complejas pueden producir muchos canales de desintegración que no llevan información sobre la configuración, posiblemente disminuyendo el rendimiento de los canales pertinentes. Modelado de la fragmentación teórica, control de ruptura de patrones y procedimientos de análisis más sofisticados se necesitarán si la técnica consiste en extender a moléculas con tres o más átomos de carbono. En la etapa actual, no parece posible investigar la configuración de las proteínas o moléculas de complejidad similar, pero las limitaciones reales todavía deben determinarse.

Otra limitación de la configuración actual es el consumo relativamente alto debido al chorro molecular. Puede ser reducida mediante la implementación de un mecanismo de reciclaje (por ejemplo frío trampas en el frontal vacío). Sin embargo, sería beneficioso probar otros métodos de preparación de la muestra tales como jets efusivos, thermodesorption18 o láser de desorción técnicas19 que se han aplicado con éxito para el estudio de bio-moléculas en la fase gaseosa.

Imágenes de explosión de Coulomb es un método destructivo, es decir, moléculas que han sido fragmentadas para la determinación de la configuración no se puede utilizar más. Sin embargo, sólo una pequeña fracción realmente está ionizada (que es una de las razones para el consumo de alto mencionado en el párrafo anterior). Así podría ser posible utilizar las moléculas recicladas para su posterior aplicación.

Como la medición de ímpetus permite crear un conjunto de datos 'alineado' de las moléculas y para seleccionar ciertas direcciones espaciales, la técnica de coincidencia abre nuevas perspectivas para la investigación de los efectos de la asimetría en las moléculas quirales es en particular el caso si los ímpetus de los electrones se miden en coincidencia que puede lograrse mediante el uso de una configuración completa de COLTRIMS. Bomba-sonda técnicas permiten además estudiar la dinámica estructural de especies quirales.

Muy recientemente, imágenes de explosión de Coulomb ha utilizado también para determinar la geometría absoluta de cis y trans-isómeros,20 agregar una nueva clase de especies posibles y cuestiones que abordar. Como la investigación de la estereoquímica con espectroscopia de la coincidencia es aún en su infancia, los autores esperan que este artículo ayuda a inspirar a los investigadores que trabajan en las direcciones descritas en los párrafos anteriores a nuevos experimentos.

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Disclosures

Los autores declaran a no hay intereses contrapuestos.

Acknowledgments

Agradecemos a Robert Berger (Philipps-Universität Marburg, Alemania) para inspirar los debates sobre la interpretación de nuestros datos y quiralidad molecular en general. Agradecemos a Julia Kiedrowski, Alexander Schießer y Michael Reggelin de TU Darmstadt (Alemania), así como Benjamin Spenger, Manuel Mazenauer y Jürgen Stohner de ZHAW Wädenswil (Suiza) para proporcionar la muestra.

El proyecto fue apoyado por la iniciativa del estado de Hessen para la ciencia y la excelencia económica bajo el enfoque ELCH (dinámica de sistemas quirales de electrones) y el Ministerio Federal de educación e investigación (BMBF). MS reconoce el apoyo financiero de la Fundación de 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

  1. Gübitz, G., Schmid, M. G. Chiral Separation by Chromatographic and Electromigration Techniques. A Review. Biopharm. Drug Disposition. 22, 291-336 (2001).
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  3. Bijvoet, J. M., Peerdeman, A. F., van Bommel, A. J. Determination of the Absolute Configuration of Optically Active Compounds by means of X-rays. Nature. 168 (4268), 271-272 (1951).
  4. Pitzer, M., et al. Direct Determination of Absolute Molecular Stereochemistry in Gas Phase by Coulomb Explosion Imaging. Science. 341 (6150), 1096-1100 (2013).
  5. Pitzer, M., et al. Absolute Configuration from Different Multifragmentation Pathways in Light-Induced Coulomb Explosion Imaging. Chem Phys Chem. 17 (16), 2465-2472 (2016).
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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).
  9. Ullrich, J., et al. Recoil-ion and electron momentum spectroscopy: reaction-microscopes. Rep. Prog. Phys. 66 (9), 1463-1545 (2003).
  10. Jagutzki, O., et al. Multiple Hit Readout of a Microchannel Plate Detector With a Three-Layer Delay-Line Anode. IEEE Trans Nucl Sci. 49 (5), 2477-2483 (2002).
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  12. RoentDek GmbH The RoentDek Constant Fraction Discriminators CFD8c, CFD7x, CFD4c, CFD1c and CFD1x. , http://www.roentdek.com/manuals/CFD%20Manual.pdf (2017).
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  18. Calegari, F., et al. Charge migration induced by attosecond pulses in bio-relevant molecules. J. Phys. B.: At. Mol. Opt. Phys. 49 (14), 142001 (2016).
  19. Gaie-Levrel, F., Garcia, G. A., Schwell, M., Nahon, L. VUV state-selected photoionization of thermally-desorbed biomolecules by coupling an aerosol source to an imaging photoelectron/photoion coincidence spectrometer: case of the amino acids tryptophan and phenylalanine. Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 7024-7036 (2010).
  20. Ablikim, U., et al. Identification of absolute geometries of cis and trans molecular isomers by Coulomb Explosion Imaging. Sci. Rep. 6, 38202 (2016).

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Química número 126 explosión de Coulomb la proyección de imagen láser de femtosegundos de quiralidad configuración absoluta COLTRIMS coincidencia espectrometría de masas haces moleculares fotoionización
Imágenes de explosión de Coulomb como herramienta para distinguir entre los estereoisómeros
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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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