Summary
För små kirala arter erbjuder Coulomb Explosion Imaging en ny metod för att bestämma handanvändning av enskilda molekyler.
Abstract
Denna artikel visar hur COLTRIMS (kall mål rekyl Ion Momentum spektroskopi) eller ”reaktion mikroskopet” tekniken kan användas för att skilja mellan enantiomererna (stereoisomerer) av enkel kirala arter på enskilda molekylers nivå. I detta synsätt, en gasformiga molekylär jet provets expanderar in i en vakuumkammare och skär med femtosekund (fs) laser pulserar. Pulserna hög intensitet leder till snabb flera jonisering, tända en s.k. Coulomb Explosion som producerar flera katjonaktiva (positivt laddade) fragment. Ett elektrostatiskt fält vägleder dessa katjoner på tid - och ställning-känsliga detektorer. Liknar en time-of-flight masspektrometer, ankomsttiden för varje ion ger information på dess massa. Som ett överskott justeras elektrostatiska fältet på ett sätt att utsläpp riktning och rörelseenergin efter fragmentering leder till variationer i den time-of-flight och i inverkan position på detektorn.
Varje ion effekt skapar en elektronisk signalen i detektorn; Denna signal är behandlas av högfrekvenselektronik och inspelad händelse av händelse av en dator. Registrerade data motsvarar inverkan gånger och positioner. Med dessa data, kan energi och utsläpp riktning varje fragment beräknas. Dessa värden är relaterade till strukturella egenskaperna hos molekylen under utredning, d.v.s. att bond längder och relativa positioner av atomer, gör det möjligt för att fastställa molekyl av molekylen handanvändning enkel kirala arter och andra isomera funktioner.
Introduction
Kiralitet är en funktion i vår natur som har varit fascinerande forskare i mer än 150 år. I den 19: e upptäckte talet, Pasteur, van't Hoff och andra att molekyler kan förekomma i två spegelvända strukturer som inte är super-imposable - som vår vänster och höger hand. Detta boende var kallas 'kiral', från det grekiska ordet för 'hand'.
Ingen skillnad i termodynamiska egenskaper eller energinivåer av vänster - och högerhänta former (de två ' enantiomererna') har hittills hittats. För att analysera handanvändning av ett givet prov och separera enantiomererna, kan interaktion med andra kirala molekyler användas, som till exempel i olika chromatographical metoder. 1 Chiroptical metoder såsom (vibrerande) cirkulärdichroism, (V) CD och optiska roterande spridning, ORD, används rutinmässigt att skilja mellan enantiomererna. 2
När det gäller fastställandet av mikroskopiska struktur, kräver dessa tekniker ytterligare information, t.ex. från quantum-kemiska beräkningar. Den enda teknik som är allmänt accepterat att direkt fastställa absoluta konfigurationen är avvikande röntgendiffraktion. 3
Det har nyligen visat att den absoluta konfigurationen av enkla kirala arter kan bestämmas genom Coulomb Explosion Imaging. 4 , 5 i detta synsätt, molekyler i gasfas är multiplicera joniserat så att de resterande kärnorna starkt stöta bort varandra. Detta repulsion leder till snabb fragmentering ('explosion') av molekyler. Riktning och omfattningen av den fragment momenta korrelat av strukturen i molekylen – för små molekyler, momentum anvisningarna motsvarar förvånansvärt väl bond axlarna. Coulomb Explosion för molekylstruktur bestämning har varit pionjärer använder molekylära jonen strålar från en accelerator. 6 denna balk folie teknik har nyligen också varit tillämpas för kiral igenkänning. 7
Tvärtemot avvikande röntgendiffraktion, får provet inte crystalline men tillhandahålls i gasfas. Detta gör metoden Coulomb Explosion idealisk för flyktiga arter och därmed kompletterar röntgendiffraktion. I vissa fall kan handanvändning även fastställas för enskilda molekyler.
I praktiken exakta återuppbyggnaden av den molekylära strukturen har visat sig svårt även för metan derivat, t.ex. molekyler med en central kol och olika substituenter. Detta tillskrivs det faktum att samspelet mellan fragmenten är inte exakt Coulombic och att inte alla obligationer bryta samtidigt. För att erhålla stereokemiska information, särskilt för att skilja mellan enantiomererna, är denna rekonstruktion lyckligtvis inte nödvändigt. I stället kan momentum vektorerna av olika fragment korreleras för att ge en kvantitet som skiljer sig för vänster - och högerhänta molekylerna. För att få tillförlitliga resultat, har minst fyra fragment momenta ska registreras.
För att mäta informationen momentum, måste fragment från en – och enda – molekylära, uppbrott upptäckas i en enskild mätning steg. Detta tillstånd kallas vanligen 'sammanfallande upptäckt'. Dessutom måste utsläpp anvisningarna analyseras, vilket belopp i praktiken att registrera tiden och placeringen av fragmentet påverka i listläge dataformat.
I Atom- och molekylfysik fysik, har det utvecklats metoder att genomför denna strategi för mätning av anställa elektrostatiska spektrometrar för massa separation och tid - och ställning-känslig multi-hit detektorer. Det mest framstående exemplet är den COLTRIMS (kall mål rekyl Ion Momentum spektroskopi) setup – även känd som reaktion mikroskopet. 8 , 9 en skiss för detta slags experiment ges i figur 1. Tvärtemot en vanlig COLTRIMS som kan spela in elektroner samt, kräver Coulomb Explosion Imaging endast ion detektorn.
Spektrometer och detektorn monteras under ultrahöga vakuum (< 1 x 10-9 hPa) att undvika skapandet av joner från resterande gas. Enstaka molekyler i provet tillhandahålls via en gasformiga gratis molekylär jet skapad av supersonic expansion: enligt ångtryck, molekylerna expandera genom ett litet munstycke (cirka 50 µm diameter) in i vakuum. Denna del av experimentet, källa kammaren, är separerad från regionen interaktion av vanligtvis två tårtspadar och differentially pumpade stadier. En ytterligare differentially pumpas avsnitt ligger bakom regionen interaktion att dumpa gas jet och därmed undvika bakgrund gas i regionen interaktion.
Den joniserande strålningen skär med molekylär jet under 90°. De flesta laboratorier använder numera femtosecond laserpulser, även om synkrotronstrålning, snabb joner eller electron inverkan är möjligt 'projektiler' att inducera Coulomb Explosion.
Följande protokoll gör antagandet att det finns en köra installationsprogrammet för sammanfallande avbildning av joner och en femtosecondlaser i labbet. Maximal intensitet behövs för att framkalla Coulomb Explosion i fyra eller ens fem fragment måste vara storleksordningen 6 x 1014 W/cm2. För att undvika ytterst lång mätningar, bör upprepning av laser vara 10 kHz eller mer. Detta är avgörande eftersom det dels, sammanfallande upptäckt endast kan fastställas om sannolikheten för fragmentering i laser fokus ligger betydligt under 1 per laserpuls (helst inte mer än 10%). Den totala fragmentering hastigheten, däremot, bör inte lägre än några kHz eftersom andelen relevanta multifragmentation vägar är oftast mindre än 10-4. Så uppmuntrande faktum, det bör nämnas att i princip redan en enda fragmentering händelse är tillräcklig för att identifiera konfigurationen av ett enantiopure prov och att upptäcka några hundra tillåter för att fastställa överflödet av enantiomererna i en prov av okänd enantiomeric sammansättning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
försiktighet: se till att vara bekant med alla möjliga faror i samband med experiment och i laboratoriet. Proceduren nedan innehåller klass-IV lasrar, högspänning och vakuum. Konsultera det materiella säkerhetsdatabladet (MSDS) för arterna utredas.
1. beredning
- förberedande överväganden
Obs: innan själva experimentet startar två huvudsakliga val måste göras; först angående de möjliga arterna under utredningar och andra det elektriska fältet i spektrometern. Det antas här att installationen har använts tidigare för andra experiment och att spektrometern själv inte kommer att vara renoverade.- Val av prov
- Välj ett prov där fragmentering vägar kan förväntas som bär handanvändning eller funktionen strukturella för utredas underskrift. Tänk på att väte atomer släpps ofta som neutral fragment; funktionella grupper som endast skiljer antalet väteatomer kan förmodligen inte särskiljas. Börja med enkla (kanske butan) arter såsom Halometaner eller haloethanes.
- Kontrollera det minst 0,02 mol av provet är tillgänglig som den minimala storleken som används i framgångsrika experiment så far.
- Kontrollera att en tillräcklig ångtryck är genomförbara med provet. Beroende på utformningen av apparaten, ånga pressar > 5 hPa är nödvändiga för en tillräcklig jet densitet för laser experiment. Om ångtryck är betydligt lägre, undersöka om krävs ånga pressar kan nås genom upphettning av provet. Detta kan vara möjligt för både flytande och fasta prover, enligt sublimering för den senare. Om det krävs värme, det är nödvändigt att ha en positiv temperaturgradient längs sökvägen till gas i systemet leverans (med munstycket är den hetaste delen) att undvika kondens. Mer avancerade förberedelser stickprovsundersökningar som pick-up av en bärgas kan anses.
- Val av elektrisk fältstyrka i spektrometern
Obs: ett värde av 50 till 100 V/cm har visat rimlig för Coulomb Explosion Imaging. Det optimala värdet, beror dock på geometri av spektrometern. I stegen nedan visas hur du optimerar den elektriska fältstyrkan.- Uppskattning den time-of-flight förväntade katjoniska fragment. Om spektrometern består endast av en homogen fältet region med längd s och elektrisk fältstyrka E, den tiden-of-flight av en partikel med massan m och laddning q ges helt enkelt av
< img alt = ”formel 1” src = ”/ Files/ftp_upload/56062/56062eq1.jpg ”/ > - uppskatta spridningen x av fragmentet cationsna med massan m på detektorn med hjälp av time-of-flight t beräknats ovan och formeln
< img alt =” ekvation 2 ”src =” /files/ ftp_upload/56062/56062eq2.jpg ”/ >
joner kommer få momenta p x upp till 400 Atom enheter av momentum (protons upp till 150 Atom enheter). - Om den spatiala spridning x av de ljusaste ion arterna är större än detektor radien, öka den elektriska fältstyrkan i beräkningen tills spridningen är några millimeter mindre än storleken på detektorn. Fältstyrkan bör inte vara mycket högre eftersom detta leder till en lägre upplösning för tyngre fragment som sprids ut mindre på detektorn.
- Uppskattning den time-of-flight förväntade katjoniska fragment. Om spektrometern består endast av en homogen fältet region med längd s och elektrisk fältstyrka E, den tiden-of-flight av en partikel med massan m och laddning q ges helt enkelt av
- Val av prov
- Kontrollera av experimentella set-up
Obs: innan du fortsätter till den faktiska mätningen, måste det kontrolleras att den experimentella setup är väl förberedd.- Kontrollera att dammsuga i interaktion kammaren är < 1 x 10 -9 hPa. Om detta inte är fallet, kommer att den resterande gas leda till en hög bakgrund. Vid tveksamhet om vakuum villkoren, fortsätta till steg 2.2.1 där jonisering av resterande gas bestäms. Om trycket är för högt, utföra en läcka-kontroll. Om någon läcka är uppenbart, baka i kammaren för ett par dagar.
- Kontrollera anslutningarna för spänning och detektor signaler enligt handboken eller experimentera beskrivning.
- Kontrollera att programvaran data förvärv på mätning datorn skall kunna registrera och analysera minst fyra joner. Kontrollera att döda tiden av elektroniska moduler och pulsbredd signalerna är under 30 ns.
- Förbereda prov leverans
- Kontrollera att prov leverans rören är rena och anslutningarna åtdragna. Om provet är frätande (t.ex. sura) Kontrollera att alla komponenter i leveranssystem och grovbearbetning pumpar vakuum avdelning är kompatibla med det valda urvalet. Vattenpump prov leveranssystemet med en grovbearbetning pump, öppna ventilerna och kontrollera att trycket i experimentell kammaren inte ökar.
- Rena och förbereda prov mottagaren. Ultraljudsbad med aceton eller vanliga laboratorium glas bricka är tillräckliga.
- Förbereda uppvärmning av reservoaren och prov leveranssystem om provet behöver värmas (jfr 1.1.1.3). Det bekvämaste sättet är att använda justerbara värmekretsar, var och en består av en värmetråden, en temperaturgivare och en temperatur styrenhet.
- Om provet har ett mycket lågt ångtryck, eller om det tenderar att bilda kluster (t.ex. syror), använder olika metoder för hämtning eller copropagation med Inerta gaser. Ändra designen på raderna gas beroende på dessa krav.
- Kontrollera att molekylär jet stämmer väl. För det ändamålet använda en sällsynt gasprov (e.g. Argon) så att en tät jet kan uppnås (ungefär 1 bar absolut tryck bör vara tillräcklig för en 50 µm munstycke). Maximera trycket i avsnittet jet dump genom att flytta manipulatorn som munstycket monteras.
- Ge femtosecond laserpulser
Obs: joniserande pulserna tillhandahålls av en femtosecond lasersystem. Beskriva en sådan laser och dess användning i detalj är utanför ramen för detta protokoll. Om en kommersiell lasersystem används, konsultera manualen.- Växla på laser och kontrollera att laserstrålen profil på utdata.
- Kontrollera och korrigera (om nödvändigt) beam sökvägen till fönstret ingången av experimentet genom att justera respektive speglarna.
- Om nödvändigt, justera fokus spegeln inne i experimentell kammaren genom att använda respektive manipulatorn. Centrera reflektion av den fokuserande spegeln med avseende på inkommande balken.
- Infoga filter eller en vridbar polarisator i sökvägen balk att uppnå en maximal intensitet av ungefär 6 x 10 14 W/cm 2. För normala Coulomb Explosion Imaging, använda linjär polarization. Om dichroism effekter ska undersökas, ändra polarisation genom en kvarts våg plattan precis innan fönstret ingången.
- In en fotodiod på ett ställe där det kan spela in en tillförlitlig replik av laserpulsen (t.ex. en reflektion eller överföringen genom en justering spegel). Anslut utgången av en fotodiod till ett oscilloskop och verifierar att dioden producerar ren pulser med repetition rate laserns.
- Alltid blockera strålen när inte i använda.
2. Slå på spektrometer och detektorer
Obs: denna del av protokollet något beror på det faktiska genomförandet av systemet spektrometer och detektor. Beskrivningen här är giltig för en standard COLTRIMS installation med en sexkantig dröjsmål line-detektor (HEX75). 10 i detta genomförande, en detektor har 7 utgångskanalerna: en för mikrokanaler plattorna (MCP) och två för var och en av de tre skikten av anoden.
- Slå på nätaggregat.
- Stäng av vakuummetrar i interaktion kammaren eftersom de kan producera joner som ses av detektorn.
- Ansluta den förstärkt signalutgång (använder en snabb förstärkare med förstärkning ≈ 100) av MCP till en snabb (helst analoga) oscilloskop. Ställa in oscilloskopet till 5 eller 10 ns per division på tidsskalan och 100 mV per division på signal skala. Kontrollera att det elektroniska bullret är under 30 mV.
- Switch på högspänningsnät strömförsörjning för detektorn. För en typisk ion detektor är spänningen-2,000 V för framsidan och 300 V för anod sida. Spänningen beror på åldern av MCPsen och bör ställas in så att de analoga signalerna är maximal men inte mätta. Kontrollera aktuellt. Det beror på motståndet av MCPsen i detektorn men bör inte överstiga 50 μA. På oscilloskop tracen, några signaler per sekund med en signal höjd på flera hundra mV ska synas (' mörka räknas ').
- Tune strömförsörjning spektrometern till det värde som fastställts i steg 1.1.2.
- Kontrollera detektor signaler via jonisering av resterande gas
Obs: en detaljerad beskrivning av detektor uppstarten kan också hittas i användarhandböckerna. 11 , 12- dämpa intensiteten, laser till ett uppskattat värde under 10 14 W/cm 2 i fokus. Avblockera laser och titta på oscilloskop spårningen. Om detta leder till en hastighet som överstiger 5% av laser upprepning, mängden kvarvarande gas i kammaren är för hög eller laserstrålen berör spektrometern. Åtgärda problemet innan du fortsätter. Om räkningen är betydligt lägre än 5% av laser upprepning, gradvis öka laser intensitet.
- Har en närmare titt på signalerna. De bör endast visar en topp flera hundra mV och ingen ' ringa ' (svängningar efter den faktiska pulsen). Bredden på MCP signalen bör inte överstiga 10 ns (FWHM).
- Titta på oscilloskop tracen av alla sex anod signaler. Signalerna är bredare här (20-30 ns), och oftast lite lägre i spänning. Kontrollera igen att inga störningar av signalen är närvarande. Om alla anod signaler är under 100 mV, öka spänningen (steg 2.1.3) i steg om 50 V. Tuning förstärkare vinsten kan hjälpa för att få samma puls höjd för alla kanaler.
- Konvertera dessa analoga signaler till standard NIM signaler (Nuclear Instrumentation modul) -0,8 V av en konstant andel diskriminator (CFD). Kontrollera inställningarna för CFD innan varje experimentella körning. För en detaljerad beskrivning, se en manual tillgänglig på internet. 12 mata NIM pulserna i en tid-till-Digital-omvandlare (TDC) som spelar ankomsttiden för pulserna med hög upplösning (vanligen 25 ps). Dessa tidssignaler är ingången för den data förvärv och analysprogram.
- Aktivera data förvärv programvaran och börja spela in data. Titta på träff fördelningen för varje kanal - histogram bör vara densamma för alla kanaler. Om så är inte fallet för vissa kanaler, kontrollera inställningarna för CFD (steg 2.2.4) för dessa kanaler. Kontrollera inställningarna genom att dessutom kontrollera summan av signalen kör gånger för varje detektor lager som beskrivs i handboken för detektorn. Om nödvändigt, korrigera inställningarna för CFDn.
- Visa en detektor bild i programvaran data förvärv. Detektorn ska visas som en cirkel med en diffus fläck (bild av laser fokus) i mitten. Förlängning av plats beror främst på termisk hastigheten hos den kvarvarande gas som blir joniserat.
- Mata signalen av laserdiod (steg 1.5.5) in dataförvärvet, helst på samma sätt som detektor signalerna. Visa en time-of-flight spektrum i programvaran. Relatera de observerade toppar resterande gas arterna (H 2 H 2 O möjligen N 2, O 2, CO 2) genom att beräkna sin förväntade tid-av-flyg från spektrometer geometri (steg 1.1.2.1).
- Försöker minimera laser puls varaktigheten genom att maximera andelen räkna, använda dispersion korrigering av Lasersystemet. En kortare puls (och därmed en högre maximal intensitet) kommer att leda till en betydande ökning av andelen.
- Om bakgrunden trycket är så låg att denna skattesats inte är tillräckligt höga för att utföra stegen ovan, slå på gasen jet (se steg 2,3) och utför steg 2.2.1 tills 2.2.8. Time-of-flight spektrumet i steg 2.2.7 bör sedan uppenbarligen domineras av arterna i jet.
- Hitta ut absolut orientering på detektorn. För att göra det, flytta den fokuserande spegeln så att bilden av laser fokus flyttar synligt i detektorn bilden i programvaran. Notera riktningen av rörelsen (används i steg 5.1.1). Detta steg är viktigt för mätning av absolut konfiguration eftersom det gör det möjligt för att undvika inversion av de uppmätta momenta med avseende på verklig laboratorium utrymmet.
- Hitta överlappning av gasstrålen och laser.
- Slå på gas jet som beskrivs i steg 1.3.5.
- Om ökar och en mycket smal plats (' jet plats ') syns på detektorn bilden i programmet data förvärv, säkerställa att den molekylära jet och laser beam överlappning åtminstone delvis. I det här fallet tune manipulatorn för den fokuserande spegeln noggrant att maximera räknas i jet plats. Vid optimal överlappning, bör de överskrider antalet räknas från den resterande gas (steg 2.2) med tiopotenser. Det kan vara nödvändigt att minska laser intensitet eftersom MCP räkningen inte bör överstiga 30 kHz. Om bakgrunden på grund av joniseringen av kvarvarande gasen är för hög jämfört med signalen från gas jet, överväga för att utöka laserstrålen utanför kammaren att nå ett mer snävt fokus.
- Om ingen jet plats syns på bildens detektor, tune manipulatorn för den fokuserande spegeln i större steg att hitta överlappningen, och fortsätter sedan med steg 2.3.2.
3. Prova leverans
- förbereda väl alla verktyg, mottagarens packningar och andra förnödenheter, som provet exponering för miljön ska minimeras.
- Fyll provet i mottagaren som kommer att anslutas till experimentet. Om provet har ett högt ångtryck, cool mottagaren och prov i förväg för att minska avdunstningsförlusterna i det här steget.
- Ansluta prov cylindern till jet-systemet och dra åt anslutningen vakuum-bevis. Cool cylindern (Undvik provet förluster) och pumpen i några sekunder för att avlägsna luft.
- Öppna ventilen till munstycket. Trycket i källa chamber bör öka till minst flera 10 -5 hPa.
- Kontrollera att en jet plats är synlig (steg 2.3.2) och identifiera de mest framträdande topparna i time-of-flight spectrumen.
- Optimera försöksbetingelser (justera temperatur, laser intensitet, tryck av copropagating gas …) att maximera andelen jonisering från provet. Tänk på att värme leder till termisk expansion av komponenter så att justering av jet manipulatorn (steg 1.4.5) kan vara nödvändigt.
4. Mätning
Obs: följande steg utförs i programvaran data förvärv.
- Kontrollera masspektrum och tillfällighet spektrum.
- Rita en time-of-flight spektrum och tilldela de olika topparna till massorna som kan uppstå i fragmenteringen (överordnade massa, riklig fragment).
- Rita den time-of-flight av de första Jon på x-axeln och den time-of-flight av de andra Jon på y-axeln. Regioner med många räknas ange två fragment som avges i tillfällighet. Skarpa diagonala linjer indikerar en uppdelning i två laddade fragment.
- Tomt ett liknande histogram för mer partiklar, t ex summan av den tid-av-flygen för de första två joner på x-axeln och summan av den tid-av-flygen för den tredje och fjärde ion på y-axeln. Ett exempel av sådan en multicoincidence spektrum visas i figur 2.
- Försöka identifiera de olika break-ups i fyra-partikel eller fem-partikel spektrum och kontrollera om det finns en break-up som kan ge strukturella informationen under utredning.
- Uppskatta mättid.
- Låt experimentet kör för ungefär 1 h och kontrollera antalet räknas för den valda kanalen. Var noga med att inte räkna bakgrund händelser.
- Multiplicera detta tal med den beräknade tiden som är tillgängliga för experimentet. Det totala antalet räknas i kanalen bör vara minst ett par tusen.
- Om antalet räknas i den valda kanalen ligger betydligt under detta nummer, öka laser intensitet och upprepa steg 4.2.1 och 4.2.2. Var försiktig med att priset är fortfarande tillräckligt låg för sammanfallande upptäckt (se inledning).
5. Dataanalys
Obs: dataanalys i en Coulomb Explosion Imaging experiment är en komplex, men givande uppgift eftersom många parametrar kan finjusteras efter experimentet och en mångfald av korrelationer mellan de uppmätta Momenta kan utforskas. Alla följande steg utförs vanligtvis efter experimentet i programvaran data analys.
- Kalibrera experimentella parametrar
Observera: I ett första steg, se till att information om position och tid som rekonstrueras från detektorn är korrekt. Liknar trimning av elektroniken (steg 2.2), det exakta förfarandet beror på specifika genomförandet, i detta fall på data analys programvara. Således, bara några allmänna råd kan ges.- Tomt bilder av detektorn. Kontrollera att storleken på detektorn bilden för alla tre anod lager, motsvarar den faktiska storleken på MCP och att detektorn bilden centreras på 0. Kontrollera att alla kombinationer av de tre lagrarna ger samma detektor bild. Om nödvändigt rotera eller vänd detektorn så att koordinatsystemet för detektor bilden motsvarar ramen laboratorium (använda mätningar av steg 2.2.10).
- Identifiera olika massa i time-of-flight spektrumet och passar funktionen spektrometer (steg 1.1.2.1) till dessa värden. Den viktiga parametern i det här steget är det time-of-flight offset t 0 att alla time-of-flight värden måste vara korrigerade för
- Ta en titt på slump spektra (jfr steg 4.1.4) och identifiera lovande uppbrott kanaler. Det rekommenderas att sätta en grind på time-of-flight värdena några 100 ns runt intressanta mönster och endast markera händelserna inom dessa windows för ytterligare steg. Annars mängden onödiga händelser är alltför stor och kommer att sakta ner analysen.
- Lagra de korrigerade värdena för x, y, t för vidare analys.
- Beräkna ion momenta och energier.
- Använd den experimentella parametrar och den förmodade massa-till-avgift kvoten till beräkna fart komponenter p x, p y och p z. Använd dessa för att beräkna kinetiska energier fragment och deras summa, rörelseenergi utgivningen (KER).
- Använda tillfällighet spektrumet (steg 4.1.4) för att finjustera den elektriska fältstyrkan E och spektrometern längd s och en tomt på inverkan position kontra time-of-flight för att avgöra position förskjutningarna x 0 och y 0 och hastighet v j et av gasstrålen. Om en precision kalibrering är nödvändigt, debiteras Använd N 2 och O 2 fragmentera i två ensamma arter med mycket smala och väl karakteriserade vibrationella progressioner i rörelseenergi release (se Ref. 13 och referenser däri).
- Rita p x vs p y etc. och finjustera parametrarna så att momenta distribueras på en sfär i momentum utrymme (t.ex. på en cirkel i de tvådimensionella tomterna) och centrerad på 0. Detta är på grund av att rörelseenergin inte bör bero på utsläpp riktningen av ion fragmentet.
- Rita summan dynamiken i alla fragment från en molekylär break-up. För en komplett break-up, fördelningen bör vara smala (vanligtvis < 10 Atom enhet fart) och centrerad på 0.
- Välj relevanta händelser och undersöka egenskaperna för molekylär systemet.
- Skilja de faktiska händelserna uppbrott från bakgrunden genom att ange begränsningar i den summan farten runt de observerade topparna (vanligtvis mindre än 20 Atom enheter i varje riktning).
- För dessa händelser, Använd vektor aritmetiska för att konstruera mängder som innehåller strukturella information för utredas. I följande avsnitt ges ett exempel för differentiering mellan vänster - och högerhänta stereoisomerer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
I denna del visar vi resultat som erhålls för Halometaner. Dessa arter är idealiska för proof-of-principle experiment på grund av sin enkelhet och höga ångtryck. Under tiden har den mer komplexa arter halotan undersökts med enda mjuk-x-ray fotoner från en synkrotron källa för att framkalla flera jonisering. 14
CHBrClF
Bromochlorofluoromethane (CHBrClF) är ett skolexempel för kirala molekyler med en stereogenic kolatom. Det är också den idealiska kandidaten för Coulomb Explosion Imaging på grund av sin enkla struktur och höga ångtryck (cirka 600 hPa i rumstemperatur). Arten är tyvärr inte tillgängligt kommersiellt; för experimentet presenteras här, syntetiserades en racemisk blandning av reagerande CHBr2Cl med HgF2 enligt referens15. Vallagarina-berikad prover är svåra att få tag i de mängder som behövs så att endast resultat för Racemat har uppnåtts hittills.
För de resultat som presenteras här kyldes provet till runt 240 K att erhålla en lämplig mål täthet med viss munstycket (10% av jonisering sannolikhet per puls). Maximal intensitet laser beräknades till 6 x 1014 W/cm2. Mätningen på 100 kHz laser upprepning kurs tog 11 h.
För att särskilja R - och S-enantiomererna, en normaliserad trippel produkt beräknas från momentum vektorerna av tre Halogenerna fluor, klor och brom. Denna kvantitet kan geometriskt, tolkas som cosinus för vinkeln mellan fluor drivkraften och planet av de klor och brom momenta.
Figur 3 visar cosθ för den isotopen CH79Br35ClF, tillsammans med geometriska definitionen. Två tydliga toppar är synliga, som anger enantiomererna. Positionen för topparna är förenligt med en klassisk Molekyldynamik simulering. Eftersom nästan ingen bakgrund är närvarande, fungerar tilldelning av handanvändning på en enda molekyl nivå.
CHBrCl2
Kiralitet CHBrCl2 uppstår bara om den både isotoper 35Cl och 37Cl är närvarande i samma molekyl. Ett prov med naturliga överflöd av isotoper innehåller alltså kirala och akiralt molekyler. Två ytterligare komplikationer uppstå här: för det första time-of-flight fördelningorna av klor och brom isotoperna överlappar respektive på grund av små samlasskillnaden. Detta är särskilt relevant för klor som fastställandet av handanvändning beror på rätt uppdrag av isotoper. För det andra har den kirala arten CH79Br35Cl37Cl (inom den setup's noggrannhet) samma totala massan som butan arter CH81Br35Cl2. Undersökningen av denna art kan således ses som ett benchmark-test för metoden.
Med spektrometern används (spektrometer längd s = 60,5 mm, elektrisk fältstyrka E = 57,1 V/cm), data för den kirala isotopen CH79Br35Cl37Cl kan väljas via den totala rörelsemängden, med en algoritm som föreslagits av referens16 att tilldela som av träffar tillhör vilken isotop.
Geometriska överväganden leder till slutsatsen att det kan finnas riktlinjer av molekylen i utrymme där de två klor isotoperna har den samma time-of-flight; i detta fall inte kan de särskiljas som en principfråga. Ett förfarande för att sortera ut dessa händelser har beskrivits i kompletterande material referens4. Därför kan konfiguration även isotopically kirala molekyler bestämmas med hög tillförlitlighet.
Figur 1 : Visa in en COLTRIMS installationen. Molekylar in i setup genom munstycket och passera ett par tårtspadar. I interaktion kammaren korsa laserpulser med molekylär jet under 90°. Joner styrs av det elektriska fältet för spektrometern till detektorn (överst). För bättre synlighet visas inte alla spektrometer plattor. De kvarvarande molekylerna dumpas i en differentially pumpade avsnitt (jet dump) för att hålla bakgrunden trycket i regionen interaktion så låg som möjligt. Figur modifierad från referens17 med tillstånd av G. Kastirke. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2 : Fyra-partikel tillfällighet Spectrum. Histogrammet är en förlängning av time-of-flight masspektrum till fyra partiklar: summan av den tid-av-flygen för den första och den andra träffen på detektorn ritas på x-axeln, summan för den tredje och fjärde träff på y-axeln. Mitten av topparna kan identifiera massorna av fyra identifierade fragment. Formen på strukturerna som innehåller ytterligare information: om momenta fragment lägger till upp till noll, händelserna finns i en smal linje (H, CF, Cl, Br). Om ett oupptäckt fragment bär rörelsemängd, leder den totala rörelsemängden noll av uppmätta partikel till en breddning av funktioner. I illustrationssyfte används data från synchrotron, inte laser, mätningar här på grund av högre statistik. Figur reproduceras från referens5 med tillstånd av Wiley-VCH. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3 : Skillnaden av enantiomererna i fem-partikel upplösningen av CHBrClF via parametern kiralitet cos Θ enligt definitionen i texten. Toppen vid positiva värden motsvarar de R-enantiomeren, toppen vid negativa värden för S-enantiomer. Infällt illustrerar cos θ geometriskt. Lågabakgrunden tillåter för en tilldelning av handanvändning för enskilda molekyler. Figur reproduceras från referens4 med tillstånd av AAAS. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
På grund av en mängd komponenter kräver en COLTRIMS installationen en ganska hög nivå av teknisk expertis, särskilt i områdena av vakuum teknik, partikel upptäckt, snabb elektronik och data analys. Innan du slår till utredningen av komplexa arter, bör det således noga kontrolleras om installationen körs ordentligt, t.ex. genom att utföra och analysera en mätning på en tvåatomiga eller gas art.
Det är nödvändigt för att uppnå så många flera jonisering händelser som möjligt att optimera intensitet och varaktighet av laserpulser och överlappningen med molekylär jet. Som momentum fördelningen kan bredda på grund av sekventiell jonisering under olika cykler av laserpulsen, bör puls helst inte överstiga 40 fs. Under mätningen är det avgörande för att få tillräcklig statistik. På den positiva sidan kräver bestämning av absoluta konfiguration inte en särskilt hög precision jämfört med andra tillfällighet experiment, dvs förfarandet är ganska robust att fluktuationer i laser eller jet intensitet och elektriska fältet snedvridningar i spektrometern.
Den mest grundläggande begränsningen av tekniken gäller dess tillämplighet på större molekyler. Man måste hålla i minnet att resultaten representerar momenta av fragment, inte strukturen i molekylerna i verkliga rymden. För komplexa bio-molekyler förväntas relationen mellan uppmätta momenta och molekylstruktur inte vara lika enkelt som för de molekyler som presenteras här. Komplexa molekyler kan dessutom producera många uppbrott kanaler som inte bär information om konfigurationen, möjligen minskar avkastningen av relevanta kanaler. Teoretisk modellering av fragmentering, kontroll av uppbrott mönster och mer sofistikerad analys förfaranden kommer att behövas om tekniken är att förlängas till molekyler med tre eller fler kolatomer. I det nuvarande skedet, verkar det inte möjligt att undersöka konfigurationen av proteiner eller molekyler av liknande komplexitet, men de faktiska begränsningarna måste fortfarande fastställas.
En annan begränsning av den nuvarande setup är relativt höga samplingsfrekvenser konsumtion på grund av molekylär jet. Det kan minskas genom att implementera en återvinning mekanism (e.g. kalla fällor i det vakuum foreline). Det skulle dock vara fördelaktigt att testa andra prov förberedelse metoder såsom översvallande jets, thermodesorption18 eller laser desorption tekniker19 som framgångsrikt har använts för att studera bio-molekyler i gasfas.
Coulomb Explosion Imaging är en förstörande metod, dvs molekyler som har splittrats för bestämning av konfigurationen kan inte användas ytterligare. Dock joniseras bara en bråkdel faktiskt (vilket är en av orsakerna till den höga samplingsfrekvenser förbrukningen nämns i föregående punkt). Det skulle således vara möjligt att använda återvunnet molekylerna för efterföljande ansökan.
Som mätning av momenta tillåter att skapa en 'anpassad' data av molekylerna och välja vissa rumsliga riktningar, tillfällighet tekniken öppnar nya perspektiv för utredning av asymmetri effekter i kirala molekyler det är i synnerhet den fallet om momenta av elektronerna är mätvärdena i sammanträffande som kan uppnås med hjälp av en komplett COLTRIMS-setup. Pump-probe metoder innebär dessutom för att studera strukturella dynamiken av kirala arter.
Helt nyligen Coulomb Explosion Imaging har också använts att bestämma de absoluta geometrierna cis och trans-isomerer,20 att lägga till en ny klass av möjliga arter och frågor behandlas. Utredningen av stereokemi med slump spektroskopi är fortfarande i sin linda, hoppas författarna att denna artikel hjälper till att inspirera forskare som arbetar i de riktningar som beskrivs i de föregående punkterna till nya experiment.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna förklarar inget konkurrerande intressen.
Acknowledgments
Vi tackar Robert Berger (Philipps-Universität Marburg, Tyskland) för inspirerande diskussioner om tolkningen av vår data och molekylär kiralitet i allmänhet. Vi är tacksamma mot Julia Kiedrowski, Alexander Schießer och Michael Reggelin från TU Darmstadt (Tyskland), samt Benjamin Spenger, Manuel Mazenauer och Jürgen Stohner från ZHAW Wädenswil (Schweiz) för att lämna provet.
Projektet stöddes av Hessen statligt initiativ för vetenskaplig och ekonomisk spetskompetens under fokus ELCH (Electron dynamics av kirala system) och förbundsministeriet för utbildning och forskning (BMBF). MS erkänner ekonomiskt stöd av stiftelsen 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 |
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).
