Coulomb Explosion Imaging som ett verktyg för att skilja mellan stereoisomerer
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.
Protocol
Representative Results
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 …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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).
- Berova, N., Polaravapu, P. L., Nakanishi, K., Woody, R. W. . Comprehensive Chiroptical Spectroscopy. , (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. , (2017).
- . . RoentDek GmbH The RoentDek Constant Fraction Discriminators CFD8c, CFD7x, CFD4c, CFD1c and CFD1x. , (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. , (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).
