Summary
Küçük kiral türler için patlama Coulomb Imaging bireysel moleküllerin el kullanımı belirlemek için yeni bir yaklaşım sağlar.
Abstract
Bu makalede nasıl COLTRIMS (soğuk hedef geri tepme iyon Momentum spektroskopisi) veya "tepki mikroskop" tekniği enantiomers (hipoglisemi) bireysel moleküllerin düzeyde basit kiral türlerin ayırt etmek için kullanılabileceğini gösterir. Bu yaklaşımda, gaz halinde olan yakıtlar moleküler jet örnek bir vakum odasına genişletir ve (fs) femtosecond lazer bakliyat ile kesişiyor. Bakliyat yüksek yoğunluklu birkaç Katyonik (pozitif yüklü) parçaları üreten sözde bir Coulomb patlama tutuşabilme birden fazla iyonlaşma hızlı yol açar. Bir elektrostatik alan zaman ve pozisyon duyarlı dedektörler üzerine bu özellikler size yol gösterir. Benzer şekilde bir uçuş zaman Kütle Spektrometre, her iyon varış saati kütlesi hakkında bilgi verir. Bir fazlalık Elektrostatik alan emisyon yön ve parçalanma sonra kinetik enerji çeşitleri için uçuş zaman ve etkisi konumda Dedektör üzerinde kurşun bir şekilde ayarlanır.
Her iyon etkisi bir elektronik sinyal dedektörü oluşturur; Bu sinyali yüksek frekanslı elektronik tarafından tedavi ve bu olay tarafından bir bilgisayar tarafından kaydedildi. Kayıtlı veri etkisi kez ve pozisyonlar için karşılık gelir. Bu veriler ile enerji ve her parça emisyon yönünü hesaplanabilir. Bu değerler soruşturma, yani bağ uzunlukları ve atomlar molekül molekül tarafından el kullanımı basit kiral tür ve isomeric diğer özellikleri belirlemek için izin, göreli konumları altında molekülünün yapısal özellikleri ile ilgili.
Introduction
Sembolik büyüleyici araştırmacılar 150 yıldan fazla oldu bizim doğanın bir özelliktir. 19th yüzyıl, Pasteur, van't Hoff ve diğer moleküller süper-bizim sol ve sağ ellerini gibi imposable - olmayan iki ayna görüntüsü yapıları meydana gelebilir keşfetti. Bu özellik 'kiral', 'el' için Yunanca kelime olarak adlandırdığı oldu.
Şimdiye kadar hiçbir fark termodinamik özellikleri veya sol ve sağ el formları (iki ' enantiomers') enerji seviyeleri tespit edilmiştir. Belirli bir örnek el kullanımı çözümlemek amacıyla ve enantiomers ayırmak için kiral diğer molekülleri ile etkileşimi, örneğin çeşitli chromatographical yaklaşımlar yapılır gibi kullanılabilir. 1 Chiroptical yöntemleri (titreşim) dairesel dichroism, (V) CD ve optik çevirme dağılım, ORD, gibi düzenli olarak enantiomers arasında ayırt etmek için istihdam edilmektedir. 2
Bu mikroskobik yapısı belirlenmesi gelince, bu tekniklerin ek bilgiler, örneğin kuantum kimyasal hesaplamalar yer gerektirir. Doğrudan mutlak yapılandırması belirlemek için yaygın olarak kabul edilen tek anormal x-ışını kırınım tekniğidir. 3
Son zamanlarda basit kiral türlerin mutlak yapılandırma Coulomb patlama Imaging tarafından belirlenebilir gösterilmiştir. 4 , 5 bu yaklaşım, gaz aşamasında moleküller vardır çarpma iyonize kalan çekirdek güçlü her diğer püskürtmek böylece. Bu itme moleküller hızlı parçalanma ('patlama') yol açar. Yönü ve parça momenta ilişkili – küçük moleküller için molekül yapısını büyüklüğü ivme yön şaşırtıcı derecede iyi bond eksenleri karşılık gelir. Coulomb patlama moleküler yapısı tayini için moleküler iyon kirişler Hızlandırıcı üzerinden kullanarak öncülük. 6 bu ışın folyo tekniği son zamanlarda da be kiral tanıma için uygulanan. 7
Aksine anormal x-ışını kırınım, kristal ama gaz aşamasında sağlanan örnek olmamalıdır. Bu uçucu türler için ideal ve böylece x-ışını kırınımı için tamamlayıcı Coulomb patlama yaklaşım sağlar. Belirli durumlarda, el kullanımı için bireysel moleküllerin bile belirlenebilir.
Uygulamada, moleküler yapısı tam olarak yeniden inşası metan türevleri, örneğin merkezi bir karbon ve farklı ornatıklarla moleküller için bile zor kanıtlamıştır. Bu gerçeği parçaları arasındaki etkileşimi tam olarak Coulombic değil ve tüm bağlarını aynı anda koparmak için atfedilir. Özellikle enantiomers arasında ayırt edilebilmesi için stereochemical bilgi elde etmek için bu yeniden yapılanma Neyse ki gerekli değildir. Bunun yerine, farklı parçalarının ivme vektörel çizimler sol ve sağ el molekülleri için ayrı bir miktar vermeye ilişkili olabilir. Güvenilir sonuçlar elde etmek için en az dört parça momenta kaydedilmesi gerekiyor.
Bu ivme bilgi ölçmek için bir- ve sadece bir-moleküler ayrılık parçalardan bir tek ölçüm adımda tespit gerekir. Bu durum genellikle 'çakışık algılama' denir. Buna ek olarak, emisyon yönergeleri analiz edilecek tutarları zaman ve parçanın konumunu kaydetmek için pratik bir liste modu veri biçiminde etkisi var.
Atomik ve moleküler fizik Elektrostatik Spektrometreler yığın ayırma ve zaman ve pozisyon duyarlı çok isabet dedektörleri için istihdam ederek bu yaklaşım ölçü uygulayan teknikleri geliştirilmiştir. COLTRIMS (soğuk hedef geri tepme iyon Momentum spektroskopisi) kurulum-olarak da bilinen tepki mikroskop en önemli örnektir. 8 , 9 bir kroki böyle bir deney için şekil 1' de verilmiştir. Elektron de kaydedebilirsiniz bir standart COLTRIMS aksine, Coulomb patlama Imaging yalnızca iyon detektörü gerektirir.
Spektrometre ve Dedektör ultra yüksek vakum altında monte edilmiştir (< 1 x 10-9 inç) iyonları arta kalan gaz üzerinden oluşturulmasını önlemek için. Örnek tek molekülleri gaz halinde olan yakıtlar ücretsiz moleküler jet süpersonik genişleme tarafından oluşturulan aracılığıyla sağlanır: buhar basıncı sayesinde molekülleri küçük bir başlık (yaklaşık 50 µm çapı) vakum içine genişletin. Bu deneyin, kaynak odası parçası etkileşim bölgesinden genellikle iki kevgir ve differentially pompalanan aşamaları tarafından ayrılır. Ek bir bölüm differentially pompalı gaz jet dökümü ve böylece arka plan gaz etkileşim bölgesi önlemek için etkileşim bölgesi arkasında yer alır.
İyonizan radyasyon moleküler jet altında 90 ° ile kesişiyor. Sinkrotron radyasyon, hızlı iyonları veya elektron etkisi olmasına rağmen 'Coulomb patlama ikna etmek mümkün mermi' çoğu laboratuvarları femtosecond lazer bakliyat, günümüzde kullanın.
Aşağıdaki iletişim kuralı kurulumunu çalıştırarak iyonları ve femtosecond lazer çakışık görüntüleme için laboratuar ortamında kullanılabilir varsayımı yapar. Coulomb patlama dört bes bile parçalara ikna etmek için gerekli en yüksek yoğunluk 6 x 1014 sırasına W/cm2olması gerekir. Son derece uzun ölçümleri önlemek için lazer tekrarlama oranı 10 kHz veya daha fazla olmalıdır. Parçalanma lazer odak için olasılık önemli ölçüde lazer darbe (ideal olarak fazla % 10) başına 1 aşağıda ise bir yandan çakışık algılama yalnızca tespit edilebilir çünkü bu önemlidir. Çünkü ilgili multifragmentation yolları payı genellikle az 10-4toplam parçalanma hızı, öte yandan, bir kaç kHz düşük olmamalıdır. Kadar cesaret verici aslında, ilke bir tek parçalanma olayı bir enantiopure örnek yapılandırma tanımlamak için yeterli zaten ve enantiomers içinde bolluk belirlemek için bir kaç yüz tespiti sağlar belirtilmelidir bir Bilinmeyen enantiomeric kompozisyon örneği.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Uyarı: Laboratuar ve deney ile bağlı tüm olası tehlikeler konusunda bilgi sahibi olmanız emin olun. Aşağıdaki yordamı sınıf-IV lazerler, yüksek gerilim ve vakum içerir. Malzeme güvenlik veri sayfaları (MSDS) tür araştırılması için başvurun.
1. hazırlık
- hazırlık hakkında önemli noktalar
Not: gerçek deneme başlamadan önce iki ana seçenek; yapılmalı soruşturma altında olası türler ile ilgili ilk ve Spektrometre elektrik alanında ikinci. Burada kurulum daha önce diğer deneyler için kullanılmıştır ve Spektrometre kendisi değil yenilenmiş kabul edilir.- Örneği
- seçim el kullanımı veya araştırılması için yapısal özelliği imzası taşıyan bir örnek parçalanma yolları nerede beklenebilir. Bu hidrojen atomları kez tarafsız parçaları olarak yayımlanan unutmayın; Sadece hidrojen atomları sayısına göre farklı Fonksiyonel grupların ayırt muhtemelen değil. Halomethanes veya haloethanes gibi basit (belki achiral) türleri ile başlar.
- Onay o en azından 0,02 mol örnek bu başarılı deneylerde kullanılan en az miktar olarak kullanılabilir çok uzaklara
- Yeterli bir buhar basıncı ile örnek ulaşılabilir olduğunu doğrulayın. Aparatı tasarımına bağlı olarak, basınç buhar > 5 hPa lazer deneyler için yeterli bir jet yoğunluğu için gerekli. Buhar basıncı önemli ölçüde düşükse, gerekli buhar basınçları örnek Isıtma tarafından erişilebiliyorsa inceleyin. Bu sıvı ve katı örnekleri, süblimasyon için ikinci sayesinde mümkün olabilir. Isıtma gerekli ise, bir pozitif sıcaklık gradyanı gaz yol boyunca (en sıcak olan meme ile) iletim sistemi gerekli yoğunlaşma önlemek için. Daha gelişmiş pick-up taşıyıcı gaz tarafından kabul edilebilir gibi örnek hazırlama düzenleri.
- Elektrik alan şiddeti Spektrometre içinde seçim
Not: 50-100 V/cm değerini Coulomb patlama görüntüleme için makul kanıtlamıştır. En uygun değeri, ancak, Spektrometre geometri üzerinde bağlıdır. Aşağıdaki adımları elektrik alan şiddeti en iyi duruma getirmek için nasıl gösterir.- Tahmini saat-in-uçuş beklenen Katyonik parçalar. Spektrometre sadece uzunluğu s ve elektrik alan şiddeti E bir homojen alan bölge oluşuyorsa, bu süre-in-uçuş bir parçacık kitle m ve şarj q ile sadece tarafından verilir
< img alt = "Denklem 1" src = "/ Files/ftp_upload/56062/56062eq1.jpg"/ > - parçası katyonlar kitle m Dedektör ile yayılan x yukarıda hesaplanan uçuş zaman t ve formülü kullanarak tahmin
< img alt"Denklem 2"src ="/files/ = ftp_upload/56062/56062eq2.jpg"/ >
iyonları momenta p x 400 atomik birim momentum (proton 150 atomik birimleri kadar) kazanç.
En hafif iyon türlerin kayma yayılan x Dedektör RADIUS büyükse, yaymak birkaç milimetre dedektörü boyutundan daha küçük olana - elektrik alan şiddeti hesaplamadaki artırın. Alan şiddeti detektör daha az dışarı yayılır ağır parçaları için daha düşük bir çözünürlük bu yol açar daha yüksek olmamalı.
- Tahmini saat-in-uçuş beklenen Katyonik parçalar. Spektrometre sadece uzunluğu s ve elektrik alan şiddeti E bir homojen alan bölge oluşuyorsa, bu süre-in-uçuş bir parçacık kitle m ve şarj q ile sadece tarafından verilir
- Örneği
- Deneysel up kontrol
Not: gerçek ölçüme devam etmeden önce deneysel kurulum iyi hazırlanmış kontrol edilmesi vardır.- Etkileşim odası boşlukta kontrol edin < 1 x 10 -9 inç. Yoksa, arta kalan gaz yüksek arka plan oranı için yol açacaktır. Vakum koşulları hakkında şüphe halinde kalan gaz iyonlaşma oranı belirlendiği yerde adım 2.2.1 kadar devam edin. Basınç çok yüksek ise, bir sızıntı kontrol gerçekleştirin. Sızıntı yok belli ise, bir kaç günlüğüne odası fırında.
- Bağlantıları için gerilim kaynağı ve Dedektör sinyalleri kılavuzuna göre doğrulayın veya açıklama deneme.
- Veri toplama yazılımı ölçüm bilgisayardaki kayıt ve en az dört iyonları analiz etmek mümkün olup olmadığını denetleyin. Elektronik ürünler ölü zaman ve sinyallerin darbe genişliği 30 altında olduğundan emin olun ns.
- Prepare örnek teslim
- örnek teslim tüpler temiz olduğundan ve bağlantıları sıkılır emin olun. Örnek ise aşındırıcı (örneğin asidik) iletim sistemi ve roughing Pompalar, vakum odasının tüm bileşenleri seçilen örnek ile uyumlu olduğundan emin olun. Örnek dağıtım sistemi ile roughing bir pompa, vanaları açın ve deneysel odasında basınç artan değildir olun.
- Temiz ve örnek alıcı hazırlamak. Aseton veya her zamanki laboratuvar cam yıkayıcı bir ultrasonik banyo yeterli vardır. Örnek (bkz. 1.1.1.3) ısıtmalı gerekiyorsa
- rezervuar ve örnek dağıtım sistemi Isıtma hazırlayın. Ayarlanabilir ısıtma devreleri, Isıtma dinleme cihazı, sıcaklık sensörü ve sıcaklık denetleyicisi içeren her biri kullanmak için en uygun yoldur.
- Örnek bir çok düşük buhar basıncı varsa veya form kümeleri (örneğin asitler) eğilimi pick-up veya inert gazlar ile copropagation için farklı yaklaşımlar kullanın. Boru hatları bu gereksinimleri bağlı olarak tasarımını değiştirebilirsiniz.
- Moleküler jet de uyumlu olduğunu denetleyin. Böylece yoğun bir jet elde bir nadir gaz örneği (örneğin Argon) bu amaç için kullanmak (yaklaşık 50 µm meme için yeterli mutlak basınç çubuk 1 olmalıdır). Hangi meme monte edilmiş manipülatör taşıyarak jet dökümü kısmındaki basınç en üst düzeye çıkarmak.
- Sağlamak femtosecond lazer bakliyat
Not: iyonlaşma bakliyat femtosecond lazer sistemi tarafından sağlanır. Böyle bir lazer ve kullanımı ayrıntılı olarak açıklayan bu protokolü kapsamý dýþýndadýr. Bir ticari lazer sistemi kullanılıyorsa, el kitabına bakın.- Üzerine lazer geçin ve kontrol lazer ışın profil çıktı.
- Kontrol edin ve (gerekirse) doğru giriş penceresine ilgili aynalar ayarlayarak deneme ışın yolu.
- Gerekirse, deneysel odası içinde odaklama ayna ilgili manipülatör kullanarak hizalayın. Odaklama ayna ile ilgili gelen ışını yansıması Merkezi.
- Ekleme filtreleri veya kabaca 6 x 10 14 W/cm 2 pik yoğunluğu elde etmek için dönebilen bir polarize ışın yolunda. Normal Coulomb patlama görüntüleme için Doğrusal polarizasyon kullanın. Eğer dichroism etkileri araştırılması için bir çeyrek-dalga tabak hemen önce giriş penceresi polarizasyon değiştirmek.
- Bir yer nereye o-ebilmek yazmak lazer darbe (örneğin bir yansıma veya iletim bir hizalama ayna aracılığıyla) güvenilir bir kopyasını bir fotodiyot koyun. Fotodiyot çıktısı için bir osiloskop bağlanın ve diyot lazer tekrarlama oranı ile temiz bakliyat üreten doğrulayın.
- Her zaman kullanılmadığı zaman ışını engellemek.
2. Spektrometre ve dedektörleri
Not: Bu protokolün bir parçası biraz Spektrometre ve Dedektör sistemi gerçek uygulanmasına bağlıdır. Açıklama burada bir Altıgen gecikme hattı dedektörü (HEX75) ile standart bir COLTRIMS kurulumu için geçerlidir. 10 bu uygulama, bir Dedektör 7 çıkış kanal içerir: bir mikro levhalar için (MCP) ikincisi her anot üç kat için.
- Güç kaynakları üzerinde açın.
- Vakum göstergeleri etkileşim odasında dedektörü tarafından görülür iyonları üretebilir gibi kapatın.
- Bağlanmak güçlendirilmiş sinyal çıkışı (güçlendirme ile hızlı bir amplifikatör kullanarak ≈ 100) için hızlı bir (tercihen Analog) osiloskop MCP ile. Zaman ölçeği üstünde bölüm başı 5 veya 10 ns ve 100 osiloskop ayarla mV başına sinyal ölçekte bölümü. Elektronik gürültü 30 altında olduğundan emin olun mV.
- Anahtarı üzerinde yüksek voltajlı güç kaynağı bulmak için. İçin bir tipik iyon detektörü, gerilim-2,000 V için ön yüzü ve 300 V anot tarafı için olduğunu. Gerilim MCP yaş üzerinde bağlıdır ve analog sinyalleri maksimal ama değil emdirmek öyle ki ayarlamanız gerekir. Mevcut kontrol edin. Dedektör MCP dayanıklılığını bağlıdır ama 50 µA aşmaması gerekir. Osiloskop izleme üzerinde sinyal yüksekliği ile birkaç yüz mV saniyede birkaç sinyalleri görünür olacağını (' karanlık sayar ').
- Güç kaynağı 1.1.2. adımda belirlenen değere Spektrometre için tune.
- Yolu ile iyonlaşma arta kalan gaz Dedektör sinyalleri kontrol
Not: Dedektör start-up ayrıntılı bir açıklamasını da ilgili kılavuzları bulunabilir. 11 , 12- lazer yoğunluk tahmini değeri 10 14 W/cm 2 ' odak aşağıda azalt. Lazer engelini kaldırmak ve osiloskop izleme izle. Bu lazer tekrarlama oranı % 5'i aşan bir oranı yol açarsa, arta kalan gaz odasında çok yüksek miktardır veya lazer ışını Spektrometre dokunur. Devam etmeden önce bu sorunu düzelt. Sayısı oranı lazer tekrarlama oranı % 5'den daha düşük ise, yavaş yavaş lazer yoğunluğu artırmak.
- Sinyalleri daha yakından bir göz atın. Onlar sadece birkaç yüz mV ve Hayır bir zirve göstermelidir ' zil ' (salınımlarını gerçek darbe sonra). MCP sinyal genişliği 10 geçmemelidir ns (FWHM).
- Tüm altı anot sinyaller osiloskop izleme bak. Daha geniş burada (20-30 ns) ve genellikle biraz daha düşük voltaj sinyaller. Tekrar sinyal yok bozuklukları mevcut olduğundan emin olun. Eğer tüm anot sinyaller 100 mV, amplifikatör kazancı Tuning V. 50 adımda voltaj (Adım 2.1.3) aynı nabız yüksekliği bulunan tüm kanallar için almak için yardımcı olabilir artış.
- Bu Analog sinyalleri sürekli kesir Ayrıştırıcı (CFD) tarafından standart NIM sinyalleri-0.8 V için (nükleer araçları modülü) dönüştürün. CFD önce her deneysel çalışma ayarlarını kontrol edin. Ayrıntılı bir açıklama için bir Kılavuzu internette bulabilirsiniz bakın. 12 NIM bakliyat bakliyat yüksek çözünürlüklü (genellikle 25 ps) varış saati bu kayıtları bir zaman Dijital dönüştürücü (TDC) beslenir. Giriş veri toplama ve analizi yazılımı için bu zaman sinyaller.
- Verileri açmak satın alma yazılımı ve veri kaydetmeye başlayın. Bak, her kanal - hit dağıtıma histogramlar bulunan tüm kanallar için benzer olmalıdır. Bu durumda Eğer bazı kanallar için bu kanallar (Adım 2.2.4) CFD ayarlarını denetleyin. Ayrıca sinyal toplamı teftiş tarafından ayarları kez her biri dedektörü katmanları için Dedektör kılavuzunda gösterildiği gibi çalıştırmak kontrol edin. Gerekirse, CFD ayarları düzeltin.
- Veri toplama yazılımı bir Dedektör resmi göstermek. Dedektör merkezinde diffüz nokta (lazer odak resim) ile bir daire olarak görüntülenmesi gerekir. Özellikle iyonize arta kalan gaz termal hız nedeniyle spot uzantısıdır.
- Lazer diyot (Adım 1.5.5) sinyal veri toplama tercihen Dedektör sinyalleri olarak aynı şekilde besleme. Yazılımda bir uçuş saat tayfını görüntülemek. Onların beklenen saat-in-uçuşlar Spektrometre geometri (Adım 1.1.2.1) hesaplayarak gözlenen doruklarına arta kalan gaz tür (H 2 H 2 O, muhtemelen N 2, O 2, CO 2) ilişki.
- Lazer sistemi dağılım düzeltilmesi kullanarak sayısı oranı en üst düzeye çıkarma tarafından lazer darbe süresi en aza indirmek deneyin. Daha kısa bir darbe (ve böylece daha yüksek bir en yüksek yoğunluk) oranı önemli bir artış yol açacaktır.
- Arka plan basıncı çok düşük oranı yukarıdaki adımları izleyerek, yeterince yüksek değil ise açmak gaz Jette (bkz. Adım 2.3) ve adımları izleyerek 2.2.1 2.2.8 kadar. Adım 2.2.7 uçuş saat spektrumunda sonra belli tür Jet hakim olacağını.
- Bulmak dışarı belgili tanımlık bulmak mutlak yönünü. Bunu yapmak için odaklama ayna lazer odak görüntüsünü gözle görülür yazılım dedektörü görüntüde hareket eder taşıyın. (Adım 5.1.1 kullanılan) hareket yönü unutmayın. Gerçek laboratuvar alanı ile ilgili olarak ölçülen momenta inversiyon önlemek için verdiğinden bu mutlak yapılandırma ölçüm için önemli bir adımdır.
- Bulmak örtüşme gaz jet ve lazer.
- Gaz Jette 1.3.5. adımda açıklandığı gibi açın. Oranı artarsa,
- ve çok dar bir yer (' jet spot ') veri satın alma programı Dedektör görüntüde görünür örtüşme en azından kısmen moleküler jet ve lazer ışın emin olun. Bu durumda, manipülatör odaklama aynaya dikkatle jet spot sayar en üst düzeye çıkarmak için ayarlayın. En iyi örtüşme onlar büyüklük sayar arta kalan gaz (Adım 2.2) üzerinden sayısı aşmalıdır. MCP sayısı oranı 30 kHz aşmaması gerekir çünkü lazer yoğunluğu azaltmak gerekli olabilir. Arta kalan gaz iyonizasyon nedeniyle arka sinyal için gaz jet sayfasından karşılaştırıldığında çok yüksek, lazer ışını daha dar bir odak ulaşmak için odası dışında genişletmek için göz önünde bulundurun.
- Hiçbir jet nokta Dedektör görüntüde görünür durumdaysa manipülatör çakışma bulmak ve devam etmek için daha büyük adımları tıklatın ve adım 2.3.2 ile odaklama ayna için tune.
3. Örnek dır
- örnek maruz çevre indirilmelidir gibi de tüm araçları, alıcı contalar ve diğer öğeleri gerekli, hazır olun.
- Örnek için deneme bağlı alıcı içine doldurun. Örnek bir yüksek buhar basıncı varsa, alıcı serin ve önceden bu adımda buharlaşma kayıpları azaltmak için örnek.
- Örnek silindir jet sisteme bağlayın ve bağlantı vakum geçirmez sıkın. (Örnek kayıpları önlemek için) silindir cool ve havayı çıkarmak birkaç saniye için pompa.
- Meme Vana açın. Kaynak cham basıncıber için en az birkaç 10 -5 hPa artırmak.
- Bir jet nokta görünür (Adım 2.3.2) olduğundan emin olun ve en önemli dorukları uçuş saat spektrumda teşhis.
- En iyi duruma getirme deneysel koşullar (sıcaklık, lazer yoğunluğu, gaz copropagating baskısı ayarlamak …) örnekten iyonlaşma oranı en üst düzeye çıkarmak için. Jet manipülatör (Adım 1.4.5) düzeltilmesi gerekli olabilir böylece bileşenler için Genleşme Isıtma götüren unutmayın.
4. Ölçüm
Not: veri edinme yazılımında aşağıdaki adımlar gerçekleştirilir.
- Kontrol kütle spektrumu ve tesadüf spektrum.
- Bir uçuş saat spektrum arsa ve parçalanma (üst kitle, bol parçaları) oluşabilir kitleler için farklı zirveleri atayın.
- Saat-in-uçuş x ekseni üzerinde ilk iyon ve zaman-in-uçuş ikinci iyon y ekseni üzerinde Çiz. Birçok sayar bölgeleriyle tesadüflere yayılan iki parçaları gösterir. Keskin çapraz çizgiler gösterir bir break-up iki şarj edilmiş parçalara.
- Arsa daha fazla parçacıkları, örneğin saat-in-uçuşlar için ilk iki toplamı için benzer bir histogram iyonları x ekseni ve zaman-in-uçuşlar için y ekseni üzerinde üçüncü ve dördüncü iyon toplamı. Böyle bir multicoincidence spektrum örneği Şekil 2 ' de gösterildiği.
- Farklı break-up dört-parçacık veya beş-parçacık spektrumda belirlemek ve soruşturma altında yapısal bilgi verim bir break-up olup olmadığını denetlemek için.
- Tahmin ölçüm süresi.
- Kabaca 1 h için çalıştırmak ve sayıları için seçilen kanal sayısını kontrol edin deneme izin. Arka plan olaylarını değil saymak için dikkatli olun.
- Bu sayı deneme için beklenen süre ile çarpın. İlgili kanal sayıları toplam sayısı en az birkaç bin olmalıdır.
- Sayıları seçilen kanal sayısı önemli ölçüde bu sayı ise lazer yoğunluk artmak ve 4.2.1 ve 4.2.2 numaralı adımları yineleyin. Oranı hala yeterince düşük çakışık algılama için dikkatli olun (bkz: giriş).
5. Veri analizi
Not: Coulomb patlama Imaging bir denemede veri analizidir bir kompleks, henüz ödüllendirici görev fazla parametre deneme ve ölçülen arasındaki ilişkiler çok sayıda sonra ince ayar olabilir çünkü Momenta düzenlemelidir. Tüm aşağıdaki adımlar genellikle veri analiz yazılımı deneyde sonra gerçekleştirilir.
- Ayarla'ya deneysel parametreleri
Not: ilk adım olarak, detektör yeniden pozisyon ve saat bilgileri doğru olduğundan emin olun. Elektronik (Adım 2.2), aynı yordamın ayarlama benzer belirli uygulama üzerinde bu durumda veri analiz yazılımı üzerinde bağlıdır. Böylece, yalnızca genel bir tavsiye verilebilir.- Dedektör görüntülerini arsa. Onay için tüm üç anot katmanları, MCP gerçek boyuta dedektörü görüntünün boyutunu karşılık gelir ve Dedektör görüntü 0 olarak ortalanır. Tüm üç katmandan birleşimlerini aynı dedektörü görüntü verim doğrulayın. Gerekli döndürür veya Dedektör Dedektör görüntünün koordinat sistemi laboratuvar kareye karşılık gelen öyle ki çevirirseniz (Adım 2.2.10 ölçü birimlerinin kullanın).
- Uçuş saat spektrumda farklı kitleler belirlemek ve bu değerleri Spektrometre işleve (Adım 1.1.2.1) uygun. Bu adımda önemli parametre uçuş saat ofset t 0 tüm uçuş saat değerleri şey düzeltilmiş için olmak zorunda olduğunu
- (Bkz. Adım 4.1.4) tesadüf spectra bir göz atın ve gelecek vaat eden ayrılık kanalları tanımlamak. Bu bir kapı birkaç 100 uçuş saat değerleri üzerinde koymak için tavsiye edilir ns etrafında ilginç desenleri ve sadece daha fazla adımlar için bu windows içinde olayları seçin. Aksi takdirde, gereksiz olaylar miktarı çok büyük ve analiz yavaş olacak.
- X, y, t daha fazla analiz için düzeltilmiş değerleri depolamak.
- Hesaplamak iyon momenta ve enerjileri.
- Kullanım deneysel parametreleri ve momentum bileşenleri p x, p y ve p z hesaplamak için varsayılan yığın ücret oranları. Bunlar Kinetik enerjileri parçaları ve bunların toplamı, kinetik enerji salınımı (KER) hesaplamak için kullanın.
- Tesadüf spektrum (Adım 4.1.4) elektrik alan şiddeti E ve Spektrometre uzunluğu s ve uçuş süresi vs etkisi pozisyonun bir komplo ince ayar yapmak için belirlemek için kullanabilir pozisyon uzaklıklar x 0 ve y 0 ve hızı v j et gaz Jet. Hassas kalibrasyon gerekli ise, kullanım N 2 ve O 2 ikiye tek başına parçalanan türler ile kinetik enerji salınımı çok dar ve de karakterize titreşim ilerlemeler (Ref. 13 orada bkz: ve başvurular) ücret.
- p x vs p y vb arsa ve böylece momenta (örneğin daire iki boyutlu parsellerde üzerinde) momentum uzayda küre üzerinde dağıtılmış ve 0 merkezli parametrelerini ayarlamak. Gerçeğini kinetik enerji iyon parçası emisyon yönünü bağımlı olmamalıdır nedeniyle bu.
- Moleküler bir break-up tüm parçalar toplamı momentum arsa. Tam bir break-up için dağılımın dar olmalıdır (genellikle < 10 atomik birim momentum) ve 0 merkezli.
- Seçin ilgili olayların ve moleküler sisteminin özelliklerini araştırmak.
- Ayrı fiili ayrılık olaylar arka plandan toplam ivme çevresinde gözlenen tepeler (genellikle daha az 20 atomik birimleri her yönde) kısıtlamaları ayarlayarak.
- Bu olaylar için vektör aritmetik araştırılması için yapısal bilgi miktarlar oluşturmak için kullanın. Bir örnek için sol ve sağ el hipoglisemi arasındaki farklılaşma aşağıdaki bölümde verilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Bu bölümde, halomethanes için elde edilen sonuçlar gösterir. Bu tür kanıt prensibi deneyler basitlik ve yüksek buhar basıncı nedeniyle için idealdir. Bu arada, daha karmaşık türler halotan birden fazla iyonlaşma ikna etmek için bir sinkrotron kaynaktan tek yumuşak-x-ışını fotonlar kullanarak araştırmış. 14
CHBrClF
Bromochlorofluoromethane (CHBrClF) bir stereogenic Karbon atomu kiral moleküller için ders kitabı bir örnektir. Basit yapısı ve yüksek buhar basıncı (oda sıcaklığında yaklaşık 600 hPa) nedeniyle Coulomb patlama görüntüleme için ideal bir aday da sağlar. Ne yazık ki, bu tür ticari olarak mevcut değildir; Burada sunulan deneme için bir Rasemik karışım tepki CHBr2Cl HgF2 başvuru15göre tarafından sentezlenen. Enantio zenginleştirilmiş örnekleri yalnızca sonuçlar için racemates defa elde edilmiştir gerekli miktarlarda elde etmek zordur.
Burada sunulan sonuçlar için örnek verilen meme (iyonlaşma olasılık darbe başına % 10) ile ilgili hedef yoğunluğu elde etmek için yaklaşık 240 K için soğutmalı. Lazer en yüksek yoğunluğu 6 x 1014 W/cm2olarak tahmin edildi. Ölçüm 100 kHz lazer tekrarlama oranı 11 h aldı.
R ve Sayırmak için-enantiomers, normalleştirilmiş bir üçlü ürün üç halojenler Flor, klor ve brom ivme vektörlerinden hesaplanır. Geometrik olarak, bu miktar Flor momentum ve klor ve brom momenta uçak arasındaki açının kosinüsünü olarak yorumlanabilir.
Şekil 3 gösterir cosθ izotop CH79Br35ClF, geometrik tanımı ile birlikte. Enantiomers gösteren iki açık doruklarına görülebilir. Klasik moleküler dinamiği simülasyon ile tutarlı doruklarına konumdur. Hemen hemen hiçbir arka plan olarak, el kullanımı atama bir tek molekül düzeyde çalışır.
CHBrCl2
CHBrCl2 sembolik sadece oluşur izotoplar 35Cl ve 37Cl aynı molekül mevcut. İzotoplar doğal zenginliği ile bir örnek böylece kiral ve achiral molekülleri içerir. İki ek komplikasyonlar ortaya burada: Öncelikle, klor ve brom izotoplar uçuş saat dağılımları sırasıyla küçük kitle farklılıktan dolayı üst üste. El kullanımı belirlenmesi izotoplar doğru ataması üzerinde bağlı olarak bu klor için özellikle önemlidir. İkinci olarak, kiral türler CH79Br35Cl37Cl aynı toplam kütle achiral tür CH81Br35Cl2olarak (Kur'ın doğruluk içinde) vardır. Bu tür incelenmesi böylece bir benchmark sınav yöntemi olarak görülebilir.
Kullanılan Spektrometre ile (Spektrometre uzunluğu s = 60.5 mm, elektrik alan şiddeti E 57.1 V/cm =), veri istimal kiral izotop CH79Br35Cl37Cl ile toplam ivme seçilmiş olabilir için bir hangi hitlerinden atamak için başvuru16 tarafından önerilen algoritma hangi izotop ait.
Geometrik konuları yönelimleri uzayda iki klor izotoplar aynı zaman-in-uçuş olduğu molekülünün olabilir sonuç yol; Bu durumda, bir prensip meselesi ayırt edici olamazlar. Bu olayları sıralamak için bir yordam ek materyalleri başvuru4' te tanımlanmıştır. Sonuç olarak, yapılandırmanın isotopically kiral moleküllerin bile yüksek güvenilirlik ile belirlenebilir.
Resim 1 : COLTRIMS kurulum görünüme. Molekülleri kurulum süresince meme girin ve skimmers çifti geçirin. Etkileşim odasında lazer bakliyat moleküler jet altında 90 ° ile çapraz. İyonları dedektörü (üst) Spektrometre elektrik alanı tarafından yönlendirilir. Daha iyi görüş için değil tüm Spektrometre plakaları gösterilir. Kalan molekülleri differentially pompalanan bir bölümünde (jet dökümü) arka plan baskı etkileşim bölgede mümkün olduğunca düşük tutmak terk etti. Başvuru17 izni olan G. Kastirke tarafından değiştirilen şekil. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Resim 2 : Dört-parçacık tesadüf spektrum. Bu çubuk grafik bir uçuş zaman kitle spektrum dört parçacıklar için bir uzantısıdır: zaman-in-uçuşlar dedektörü birinci ve ikinci hit için toplamı xüzerinde çizilen-eksenli, üçüncü ve dördüncü için Toplam isabet üzerinde y-eksen. Merkezi doruklarına dört tespit parçaları kitlelerin tanıtılmasına olanak sağlar. Yapıları şeklinde ek bilgiler içerir: parçaları momenta ilâ sıfır eklerseniz, olayları dar hat (H, CF, Cl, Br) yer alır. Fark edilmeden bir parçası ivme içeriyorsa, sıfırsız toplam ivme ölçülen parçacığın özelliklerini genişletmek için yol açar. Örnek amacıyla sinkrotron değil, lazer ölçüm verileri burada nedeniyle daha yüksek istatistikleri kullanılmıştır. Şekil başvuru5 ile Wiley-VCH izniyle çoğaltılamaz. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 3 : Beş-parçacık break-up CHBrClF sembolik parametresi ile enantiomers bir ayrım cos θ metinde tanımlanan. Pozitif değerler zirvesinde R-enantiomer, S-enantiomer için negatif değerler zirvesinde karşılık gelir. Çünkü ilave gösterir θ geometrik olarak. Düşükel kullanımı için bireysel moleküllerin ataması için arka plan sağlar. Şekil başvuru4 AAAS izniyle çoğaltılamaz. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bileşenleri çeşitli nedeniyle, özellikle vakum tekniği, parçacık algılama, hızlı elektronik ve veri analizi alanlarında teknik uzmanlık oldukça yüksek düzeyde bir COLTRIMS kurulum gerektirir. Kur tarafından performans ve diatomic veya triatomic türler üzerinde bir ölçüm analiz örneğin düzgün çalışıyorsa, karmaşık türler soruşturma açmadan önce bu nedenle iyice kontrol edilmelidir.
Yoğunluk ve lazer bakliyat ve moleküler jet ile örtüşme süresi optimize birçok mümkün olduğunca birden fazla iyonlaşma etkinlik elde etmek için esastır. Momentum dağıtım farklı döngüleri lazer darbe sırasında ardışık iyonizasyon nedeniyle genişletmek gibi darbe süresi 40 fs ideal geçmemelidir. Ölçüm sırasında yeterli istatistikler elde etmek çok önemlidir. Pozitif tarafta, mutlak yapılandırma belirlenmesi diğer tesadüf deneyler için Yani prosedür karşılaştırıldığında özellikle hassas lazer veya jet şiddeti dalgalanmalar ve elektrik için oldukça sağlam gerektirmez alan distorsiyonları Spektrometre içinde.
Bu teknik en temel sınırlama büyük moleküllerin onun uygulanabilirliği ile ilgili. Bir sonuçları parçaları, momenta temsil değil gerçek uzayda moleküllerin yapısını unutmayın gerekir. Karmaşık biyolojik moleküller için ölçülen momenta ve moleküler yapısı arasındaki ilişkiyi burada sunulan molekülleri gelince basit olması beklenmiyor. Ayrıca, karmaşık molekülleri muhtemelen azalan verim ilgili kanal yapılandırması hakkında bilgi olarak yerine birçok ayrılık kanal üretebilir. Teknik moleküllere üç veya daha fazla Karbon atomu ile genişletilmesi için ise teorik parçalanma modelleme, ayrılık desenleri ve daha karmaşık analiz prosedürleri kontrol gerekecektir. Geçerli noktada bu proteinlerin yapılandırma veya molekül benzer karmaşıklığı araştırmak mümkün değil gibi görünüyor, ancak gerçek sınırlamalar hala belirlenmesi gerekir.
Başka bir geçerli kurulum moleküler jet nedeniyle nispeten yüksek örnek tüketimi kısıtlamasıdır. Geri dönüşüm mekanizması (örneğin soğuk kapanlarına vakum foreline) uygulayarak azaltılabilir. Yine de, Coşkun jetleri, thermodesorption18 gibi diğer örnek hazırlama yöntemleri sınamak veya gaz aşamasında biyo-moleküllerin eğitimi için başarıyla uygulanmış olan desorpsiyon teknikleri19 lazer faydalı olacaktır.
Coulomb patlama Imaging yıkıcı bir yöntemdir, Yani yapılandırma belirlenmesi için parçalanmış molekülleri daha fazla kullanılamaz. Ancak, sadece küçük bir bölümü aslında (bu önceki paragrafta bahsedilen yüksek örnek tüketimi için nedenlerinden biri) iyonize. Böylece sonraki uygulama için geri dönüşümlü molekülleri kullanmak mümkün olabilir.
Momenta ölçümü molekülleri 'hizalanmış' bir veri kümesi oluşturmak için ve kayma belirli yönergeleri seçmek için izin verdiğinden, tesadüf tekniği asimetri etkileri incelenmesi için yeni bakış açıları kiral molekülleri bu özellikle açılır. momenta elektron COLTRIMS Kurulumu tamamlamak kullanarak elde edilebilir tesadüf ölçülür Eğer durumda. Pompa-soruşturma teknikleri Ayrıca kiral türünün yapısal dinamikleri çalışmaya izin.
Son zamanlarda, Coulomb patlama Imaging da CIS ve transmutlak geometrileri belirlemek için kullanılmıştır-İzomerler, olası türler ve soruları ele alınması için yeni bir sınıf ekleyerek20 . Stereokimya tesadüf spektroskopisi ile incelenmesi hala emekleme döneminde olduğu gibi yazarlar bu makale yeni deneyler için önceki paragraflarda açıklanan yönde çalışan araştırmacılar ilham yardımcı olur umuyoruz.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar hiçbir rakip ilgi bildirin.
Acknowledgments
Biz Robert Berger (Philipps-Universität Marburg, Almanya) için teşekkür ederiz bizim veri ve moleküler sembolik yorumu hakkında tartışmalar genel olarak ilham verici. Örnek sağlamak için ZHAW Wädenswil (İsviçre) Julia Kiedrowski, Alexander Schießer ve Michael Reggelin TU Darmstadt (Almanya), gelen yanı sıra Benjamin Spenger, Manuel Mazenauer ve Jürgen Stohner için minnettarız.
Proje Hessen devlet girişimi tarafından bilimsel ve ekonomik mükemmellik için odak ELCH (kiral sistemlerinin Electron dynamics) ve Federal Bakanlığı Eğitim ve araştırma (BMBF) altında desteklenmiştir. MS finansal destek Adolf Messer Vakfı tarafından kabul eder.
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).
