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Chemistry

Formazione immagine di esplosione Coulombiana come uno strumento per distinguere tra stereoisomeri

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

Per piccole specie chirali, Coulomb esplosione Imaging fornisce un nuovo approccio per determinare la manualità delle singole molecole.

Abstract

Questo articolo viene illustrato come COLTRIMS (freddo Target rinculo Ion Momentum Spectroscopy) o la tecnica del "reazione microscopio" può essere utilizzata per distinguere tra enantiomeri (stereoisomeri) di specie chirali semplici a livello di singole molecole. In questo approccio, un getto molecolare gassoso del campione si espande in una camera a vuoto e si interseca con impulsi laser a femtosecondi (fs). L'alta intensità degli impulsi conduce a digiuno più ionizzazione, accendendo una cosiddetta esplosione di Coulomb che produce parecchi frammenti cationici (caricati positivamente). Un campo elettrostatico guide questi cationi su rivelatori sensibili tempo e posizione. Simile ad uno spettrometro di massa di tempo di volo, l'orario di arrivo di ogni ione si ottengono informazioni sulla sua massa. Come un surplus, il campo elettrostatico è regolato in modo che la direzione di emissione e l'energia cinetica dopo frammentazione portare a variazioni nel tempo-di-volo e in posizione di impatto sul rivelatore.

Ogni impatto di ioni crea un segnale elettronico nel rivelatore; Questo segnale è trattato dall'elettronica ad alta frequenza e registrato evento per evento da un computer. I dati registrati corrispondono ai tempi di effetto e posizioni. Con questi dati, l'energia e la direzione di emissione di ogni frammento può essere calcolati. Questi valori sono correlati alle proprietà strutturali della molecola sotto inchiesta, vale a dire le lunghezze di legame e le posizioni relative degli atomi, che permette di determinare la molecola per molecola la manualità delle specie chirali semplici e altre caratteristiche isomerica.

Introduction

Chiralità è una caratteristica della nostra natura che è stato affascinanti ricercatori per più di 150 anni. Nella 19th century, Pasteur, Van ' t Hoff e altri scoperto che molecole possono accadere in due strutture di immagine speculare che non sono super-imposable - come la nostra mano destra e sinistra. Questa proprietà è stata definita 'chirale', dalla parola greca per 'mano'.

Finora, nessuna differenza in proprietà termodinamiche o nei livelli di energia di destri e forme (i due ' enantiomeri') è stata trovata. Al fine di analizzare la manualità di un dato campione e a separare gli enantiomeri, interazione con altre molecole chirali può essere utilizzato, come avviene ad esempio in vari metodi cromatografici. 1 chiroottiche metodi quali dicroismo circolare (vibrazionale), CD (V) e dispersione rotatoria ottica, ORD, ordinariamente sono impiegati per distinguere tra enantiomeri. 2

Quando si tratta della determinazione della struttura microscopica, queste tecniche richiedono informazioni aggiuntive, ad esempio da calcoli di chimica quantistica. L'unica tecnica che ampiamente è accettato per determinare direttamente la configurazione assoluta è anomala diffrazione di raggi x. 3

Recentemente è stato dimostrato che la configurazione assoluta di specie chirali semplice può essere determinata da Coulomb esplosione Imaging. 4 , 5 in questo approccio, molecole in fase gassosa sono moltiplicare ionizzato affinché i restanti nuclei fortemente respingono ogni altro. Questa repulsione conduce alla frammentazione veloce ('esplosione') delle molecole. La direzione e l'entità del frammento momenta correlato alla struttura della molecola – per piccole molecole, le direzioni di slancio corrispondono sorprendentemente bene per gli assi di legame. Esplosione di Coulomb per determinazione della struttura molecolare è stato sperimentato utilizzando fasci di ioni molecolari da un acceleratore. 6 questa tecnica di lamina fascio ha recentemente stato anche chiesto il riconoscimento chirale. 7

Contrariamente anomala diffrazione di raggi x, il campione non deve essere cristallina ma fornito in fase gassosa. Questo rende l'approccio di Coulomb esplosione ideale per specie volatili e così complementari per diffrazione dei raggi x. In alcuni casi, la manualità può essere determinata anche per singole molecole.

In pratica, la ricostruzione esatta della struttura molecolare ha dimostrato difficile anche per i derivati del metano, ad es. molecole con un carbonio centrale e diversi sostituenti. Ciò è attribuita al fatto che l'interazione tra i frammenti non è esattamente Coulombic e che non tutti i legami rompono simultaneamente. Al fine di ottenere informazioni stereochimiche, soprattutto per distinguere tra enantiomeri, questa ricostruzione non è fortunatamente necessaria. Invece, i vettori di slancio di diversi frammenti possono essere correlati per produrre una quantità che si è distinta per le molecole di mano destra e sinistra. Per ottenere risultati affidabili, momenta frammento almeno quattro deve essere registrate.

Per misurare queste informazioni di slancio, i frammenti da uno – e un solo – disgregazione molecolare devono essere rilevato in un passaggio di misurazione singola. Questa condizione è definita solitamente come 'coincidente rilevamento'. Inoltre, le indicazioni di emissione devono essere analizzati, che gli importi in pratica per registrare il tempo e la posizione del frammento impatto in un formato di dati modalità elenco.

In fisica atomica e molecolare, tecniche sono state sviluppate che implementano questo approccio di misurazione impiegando elettrostatiche spettrometri di massa per massa rivelatori multi hit separazione e tempo - e posizione-sensibili. L'esempio più prominente è l'installazione COLTRIMS (freddo Target rinculo Ion Momentum Spectroscopy) – noto anche come reazione microscopio. 8 , 9 uno schizzo per questo tipo di esperimento è dato in Figura 1. Contrariamente a un COLTRIMS standard che può registrare anche gli elettroni, Coulomb esplosione Imaging richiede solo il rivelatore di ioni.

Spettrometro e rilevatore sono montati sotto vuoto ultraelevato (< 1 x 10-9 hPa) per evitare la creazione di ioni da gas residuo. Singole molecole del campione sono fornite tramite un getto molecolare gratis gassoso creato da espansione supersonica: in virtù della pressione del vapore, le molecole espandono attraverso un piccolo ugello (circa 50 micron di diametro) nel vuoto. Questa parte dell'esperimento, la camera di origine, è separata dalla regione di interazione di solito due skimmer e fasi differenzialmente pompati. Un ulteriore pompata differenzialmente sezione si trova dietro la regione di interazione per il getto del gas di discarica e quindi evitare gas di fondo della regione di interazione.

Le radiazioni ionizzanti si interseca con il getto molecolare inferiore ai 90°. Maggior parte dei laboratori oggi utilizzano impulsi laser a femtosecondi, anche se la radiazione di sincrotrone, ioni veloci o impatto elettronico sono possibili 'proiettili' per indurre esplosione di Coulomb.

Il seguente protocollo rende il presupposto che esegue l'installazione per l'imaging coincidente di ioni e un laser a femtosecondi sono disponibili in laboratorio. L'intensità di picco necessaria per indurre l'esplosione di Coulomb in quattro o persino cinque frammenti deve essere dell'ordine di 6 x 1014 W/cm2. Per evitare misurazioni estremamente lunghi, il tasso di ripetizione del laser dovrebbe essere 10 kHz o più. Questo è fondamentale perché, da un lato, coincidente rilevazione può essere accertato solo se la probabilità di frammentazione nel fuoco del laser è significativamente inferiore a 1 ogni impulso laser (idealmente non più di 10%). Il tasso di frammentazione totale, d'altra parte, non dovrebbe essere inferiore a qualche kHz perché la quota delle vie multifragmentation pertinenti è di solito meno di 10-4. Fatto come incoraggiante, va ricordato che in linea di principio un evento singolo frammentazione è già sufficiente per identificare la configurazione di un campione di enantiopuri, e che la rilevazione di poche centinaia permette di determinare l'abbondanza di enantiomeri in un esempio di composizione enantiomerica sconosciuta.

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Protocol

Attenzione: assicurarsi di avere familiarità con tutti i possibili pericoli connessi con l'esperimento e in laboratorio. La procedura riportata di seguito include i laser di classe IV, alta tensione e vuoto. Consultare il foglio di dati materiale di sicurezza (MSDS) per le specie a essere investigato.

1. preparazione

  1. preparatorie considerazioni
    Nota: prima di inizia l'esperimento vero e proprio due principali scelte devono essere fatte; il primo per quanto riguarda le possibili specie sotto le indagini e la secondo il campo elettrico nello spettrometro. Qui si presume che l'installazione è stato utilizzato in precedenza per altri esperimenti e che lo spettrometro stesso non sarà ristrutturato.
    1. Scelta del campione
      1. scegliere un campione di cui si possono prevedere vie di frammentazione che portano la firma della manualità o la caratteristica strutturale di essere studiato. Tenete a mente che l'idrogeno gli atomi vengono spesso rilasciati come frammenti neutri; gruppi funzionali che differiscono solo per il numero di atomi di idrogeno probabilmente non possono essere distinte. Iniziare con semplici (forse achirali) specie come halomethanes o haloethanes.
      2. Check quello almeno 0,02 mol del campione è disponibile come questo è l'importo minimo utilizzato in esperimenti di successo finora
      3. Verifica che una sufficiente pressione di vapore è realizzabile con il campione. A seconda della struttura dell'apparato, pressioni di vapore > 5 hPa sono necessari per una sufficiente densità di jet per esperimenti di laser. Se la pressione di vapore è significativamente inferiore, esaminare se le necessarie pressioni di vapore può essere raggiunto dal riscaldamento del campione. Questo può essere possibile per i campioni liquidi e solidi, in virtù della sublimazione per quest'ultimo. Se il riscaldamento è richiesto, è necessario disporre di un gradiente di temperatura positivo lungo il percorso del gas il sistema di consegna (con l'ugello essendo la parte più calda) per evitare la condensa. Più avanzati sistemi di preparazione del campione come pick-up da un gas di trasporto potrebbe essere considerato.
    2. Scelta di intensità di campo elettrico nello spettrometro
      Nota: un valore di 50 a 100 V/cm ha dimostrato ragionevole per l'Imaging di esplosione di Coulomb. Il valore ottimale, tuttavia, dipende dalla geometria dello spettrometro. La procedura riportata di seguito viene illustrato come ottimizzare la forza del campo elettrico.
      1. Stima il tempo di volo dei frammenti cationici previsti. Se lo spettrometro è costituito solo da una regione di campo omogeneo con lunghezza s e intensità di campo elettrico E, il tempo medio di volo di una particella con massa m e carica q è semplicemente dato dalla
        < img alt = "Equazione 1" src = "/ files/ftp_upload/56062/56062eq1.jpg"/ >
      2. utilizzando il tempo di volo t calcolato in precedenza e la formula per stimare la diffusione x dei cationi frammento con massa m sul rilevatore
        < img alt ="Equazione 2"src ="/files/. ftp_upload/56062/56062eq2.jpg"/ >
        ioni guadagneranno momenta p x di fino a 400 unità atomiche di slancio (protoni fino a 150 unità atomiche).
      3. Se la diffusione spaziale x della specie dello ione più leggero è maggiore del raggio del rivelatore, aumentare l'intensità del campo elettrico nel calcolo fino a quando la diffusione è minore della dimensione di rivelatore di pochi millimetri. L'intensità di campo non dovrebbe essere molto più alto di come questo porta a una risoluzione più bassa per i frammenti più pesanti che sono sparse di meno sul rivelatore.
  2. Verifica di set-up sperimentale
    Nota: prima di procedere con la misurazione effettiva, deve essere controllato che la messa a punto sperimentale è ben preparata.
    1. Controllare che il vuoto nella camera di interazione è < 1 x 10 -9 hPa. Se questo non è il caso, il residuo di gas porterà a un tasso elevato background. In caso di dubbio circa le condizioni di vuoto, continuare fino al punto 2.2.1, dove il tasso di ionizzazione del gas residuo è determinato. Se la pressione è troppo alta, eseguire un controllo di perdita. Se nessuna perdita è apparente, cuocere la camera per un paio di giorni.
    2. Verificare le connessioni per l'alimentazione di tensione e i rilevatore di segnali secondo il manuale o sperimentare Descrizione.
    3. Verifica che il software di acquisizione dati del computer di misura è in grado di registrare e analizzare almeno quattro ioni. Assicurarsi che i tempi morti dei moduli elettronici e la larghezza di impulso dei segnali è inferiore a 30 ns.
  3. Consegna del campione preparare
    1. verificare che i tubi di consegna del campione sono puliti e i collegamenti serrati. Se il campione è corrosivo (ad es. acidi) assicurarsi che tutti i componenti del sistema di consegna e le pompe di sgrossatura della camera del vuoto sono compatibili con il campione selezionato. Pompa per il sistema di consegna del campione con una pompa di sgrossatura, aprire le valvole e verificare che la pressione nella camera sperimentale non è in aumento.
    2. Pulite e preparare il destinatario di esempio. Bagno ad ultrasuoni con acetone o una rondella di vetreria di laboratorio sono sufficienti.
    3. Preparare il riscaldamento del serbatoio e campione sistema di consegna se il campione deve essere riscaldata (cfr 1.1.1.3). Il modo più comodo è quello di utilizzare circuiti di riscaldamento regolabile, ognuno composto da un filo di riscaldamento, un sensore di temperatura e un regolatore di temperatura.
    4. Se il campione ha una pressione di vapore molto bassa o se tende a cluster di forma (ad es. acidi), è possibile utilizzare diversi approcci per pick-up o copropagation con gas inerti. Modificare la struttura delle linee gas a seconda di questi requisiti.
    5. Controllare che il getto molecolare sia ben allineato. A tale scopo, utilizzare un campione di gas rari (ad es. Argon) in modo che può essere realizzato un getto denso (circa 1 bar di pressione assoluta dovrebbe essere sufficiente per un ugello di 50 µm). Massimizzare la pressione nella sezione di dump jet spostando il manipolatore su cui è montato l'ugello.
  4. Impulsi laser a femtosecondi di fornire
    Nota: gli impulsi di radiazioni ionizzanti sono forniti da un sistema laser a femtosecondi. Che descrive tale laser e il suo uso in dettaglio esula dall'ambito del presente protocollo. Se viene utilizzato un sistema laser commerciali, consultare il manuale.
    1. Accendere il laser e controllare il fascio laser profilo in uscita.
    2. Controllare e correggere (se necessario) il percorso del raggio nella finestra di ingresso dell'esperimento regolando i rispettivi specchi.
    3. Se necessario, allineare lo specchio di messa a fuoco all'interno della camera sperimentale utilizzando il manipolatore rispettivo. Centrare la riflessione dello specchio messa a fuoco per quanto riguarda il fascio in entrata.
    4. Inserisci filtri o un polarizzatore ruotabile nel percorso ottico per raggiungere un'intensità di picco di circa 6 x 10 14 W/cm 2. Per Coulomb normale esplosione di Imaging, utilizzare polarizzazione lineare. Se gli effetti dicroismo devono essere studiati, cambiare la polarizzazione da una piastra a quarto d'onda appena prima che la finestra di ingresso.
    5. Inserire un fotodiodo in un luogo dove si può registrare una replica affidabile dell'impulso laser (ad es. una riflessione o trasmissione attraverso uno specchio di allineamento). Collegare l'uscita del fotodiodo ad un oscilloscopio e verificare che il diodo produce impulsi puliti con il tasso di ripetizione del laser.
    6. Sempre bloccare il fascio quando non in uso.

2. Accendere lo spettrometro e rivelatori

Nota: questa parte del protocollo leggermente dipende dall'implementazione effettiva del sistema spettrometro e rivelatore. Qui la descrizione è valida per un'installazione standard di COLTRIMS con un rilevatore di linea di ritardo esagonale (HEX75). 10 in questa implementazione, un rivelatore ha 7 canali di uscita: uno per le piastre di microcanali (MCP) e due per ciascuno dei tre strati dell'anodo.

  1. Accendere alimentatori.
    1. Spegnere vuotometri nella camera di interazione come potrebbero produrre ioni che sono visti dal rivelatore.
    2. Collegare l'uscita del segnale amplificato (utilizzando un amplificatore veloce con amplificazione ≈ 100) di MCP per un veloce oscilloscopio (preferibilmente analogico). Impostare l'oscilloscopio a 5 o 10 ns per divisione nella scala cronologica e 100 mV per divisione della scala di segnale. Verificare che il rumore elettronico è inferiore a 30 mV.
    3. Interruttore sull'alta tensione alimentazione elettrica per il rivelatore. Per un rivelatore di ioni tipico, la tensione è -2.000 V per il lato anteriore e 300 V per il lato anodo. La tensione dipende dall'età del MCPs e deve essere impostata in modo tale che i segnali analogici sono massimi ma non saturano. Controllare la corrente. Esso dipende dalla resistenza di MCP nel rivelatore ma non deve superare 50 µA. Sulla traccia dell'oscilloscopio, pochi segnali al secondo con un'altezza di segnale di diverse centinaia di mV devono essere visibili (' scuri conteggi ').
    4. Ottimizzare l'alimentazione per lo spettrometro al valore stabilito al punto 1.1.2.
  2. Verifica rilevatore segnali tramite ionizzazione del gas residuo
    Nota: una descrizione dettagliata della startup rivelatore si trovano nei rispettivi manuali. 11 , 12
    1. attenuare l'intensità del laser per un valore stimato inferiore a 10 14 W/cm 2 nel fuoco. Sbloccare il laser e guardare la traccia dell'oscilloscopio. Se questo porta ad un tasso superiore al 5% del tasso di ripetizione di laser, la quantità di gas residuo nella camera è troppo alta o il fascio laser tocca lo spettrometro. Risolvere il problema prima di continuare. Se il tasso di conteggio è significativamente inferiore al 5% del tasso di ripetizione di laser, aumentare gradualmente l'intensità del laser.
    2. Avere uno sguardo più da vicino i segnali. Solo dovrebbero mostrare un picco di diverse centinaia di mV e non ' di chiamata ' (oscillazioni dopo l'impulso effettivo). La larghezza dell'ingresso del MCP non deve superare i 10 ns (FWHM).
    3. Guardate la traccia dell'oscilloscopio di tutti i sei anodo segnali. I segnali sono qui più ampio (20-30 ns) e solito un po ' più basso in tensione. Controllare nuovamente che nessun tipo di disturbo del segnale è presenti. Se tutti i segnali di anodo sono inferiori a 100 mV, aumento della tensione (punto 2.1.3) in passi da 50 v Tuning il guadagno dell'amplificatore può aiutare a ottenere la stessa altezza di impulso per tutti i canali.
    4. Convertire questi segnali analogici in segnali standard NIM (modulo strumentazione nucleare) di -0,8 V di un discriminatore a frazione costante (CFD). Controllare le impostazioni del CFD prima di ogni esecuzione sperimentale. Per una descrizione dettagliata, consultare un manuale disponibile su internet. 12 alimentazione gli impulsi NIM in un Time-to-Digital Converter (TDC) che registra l'orario di arrivo degli impulsi ad alta risoluzione (solitamente 25 ps). Questi segnali di tempo rappresentano l'input per il software di acquisizione e analisi dati.
      5. Software di acquisizione
    5. accendere i dati e iniziare la registrazione dei dati. Guardare la hit distribuzione per ogni canale - gli istogrammi dovrebbero essere simili per tutti i canali. Se non è il caso per alcuni canali, controllare le impostazioni di CFD (punto 2.2.4) per questi canali. Verifica le impostazioni controllando inoltre la somma del segnale eseguire volte per ciascuno degli strati rivelatore come descritto nel manuale del rilevatore. Se necessario, correggere le impostazioni dei CFD.
    6. Visualizzare un'immagine di rivelatore del software di acquisizione dati. Il rilevatore deve essere visualizzato come un cerchio con una macchia diffusa (immagine della messa a fuoco laser) al centro. L'estensione dello spot è pricipalmente dovuto la velocità termica del gas residuo che si ottiene ionizzato.
    7. Alimentano il segnale del diodo laser (punto 1.5.5) l'acquisizione di dati, preferibilmente nello stesso modo come i segnali del rilevatore. Visualizzare un spettro di tempo di volo nel software. Riguardano le specie di gas residuo osservati picchi (H 2, H 2 O, possibilmente N 2, O 2, CO 2) calcolando il loro tempo di voli previsto dalla geometria spettrometro (passo 1.1.2.1).
    8. Tenta di minimizzare la durata dell'impulso laser massimizzando il tasso di conteggio, utilizzando la correzione di dispersione del sistema laser. Un impulso più breve (e quindi una maggiore intensità di picco) porterà ad un aumento significativo del tasso di.
    9. Se la pressione di sfondo è così bassa che il tasso non è sufficientemente elevato per eseguire la suddetta procedura, accendere il getto di gas (Vedi punto 2.3) ed eseguire i passaggi 2.2.1 fino 2.2.8. Lo spettro di tempo di volo nel passaggio 2.2.7 quindi dovrebbe ovviamente essere dominato da specie nel getto.
    10. Trovare l'orientamento assoluto del rivelatore. Al fine di farlo, spostare lo specchio di messa a fuoco in modo che l'immagine del fuoco laser si muove visibilmente nell'immagine rivelatore nel software. Osservare la direzione del movimento (utilizzato nel passaggio 5.1.1). Questo passaggio è importante per la misurazione della configurazione assoluta perché consente di evitare l'inversione dei momenti misurati per quanto riguarda lo spazio vero e proprio laboratorio.
  3. Trovare la sovrapposizione di gas jet e laser.
    1. Accendere il getto del gas come descritto al punto 1.3.5.
    2. Se il tasso aumenta ed è un posto molto stretto (' jet spot ') è visibile sull'immagine rivelatore nel programma di acquisizione dati, assicurarsi che il getto molecolare del fascio laser e sovrapposizione almeno parzialmente. In questo caso, sintonizzare il manipolatore per lo specchio di messa a fuoco con attenzione massimizzare i conteggi al posto di getto. A sovrapposizione ottimale, devono superare il numero di conteggi dal gas residuo (punto 2.2) di ordini di grandezza. Potrebbe essere necessario diminuire l'intensità del laser perché il tasso di conteggio di MCP non deve superare i 30 kHz. Se lo sfondo a causa l'ionizzazione del gas residuo è troppo alto rispetto al segnale dal getto di gas, prendere in considerazione per espandere il raggio laser fuori dall'aula per raggiungere un fuoco più stretto.
    3. Se nessun punto di getto è visibile sull'immagine rivelatore, accordare il manipolatore per specchio di focalizzazione in incrementi maggiori per trovare la sovrapposizione e continuare poi con passo 2.3.2.

3. Consegna del campione

  1. preparare bene tutti gli strumenti, destinatari guarnizioni e altri elementi necessari, come l'esposizione del campione per l'ambiente deve essere ridotto al minimo.
  2. Riempire il campione nel ricevente che sarà collegato all'esperimento. Se il campione ha un'alta pressione di vapore, raffreddare il destinatario e campione in anticipo per ridurre le perdite per evaporazione in questo passaggio.
  3. Collegare il cilindro campione il sistema jet e serrare il collegamento a prova di vuoto. Raffreddare il cilindro (per evitare perdite di campione) e la pompa per pochi secondi rimuovere aria.
  4. Aprire la valvola per l'ugello. La pressione in origine chamBER dovrebbe aumentare di almeno diverse 10 -5 hPa.
  5. Verificare che una macchia di getto è visibile (punto 2.3.2) e identificare i più importanti picchi nello spettro time-of-flight.
  6. Ottimizzare condizioni sperimentali (regolare temperatura, intensità del laser, pressione del gas di attesa …) per massimizzare il tasso di ionizzazione del campione. Tenete a mente che riscaldamento conduce alla dilatazione termica dei componenti di modo che la regolazione del manipolatore jet (punto 1.4.5) potrebbe essere necessaria.

4. Misura

Nota: le seguenti operazioni vengono eseguite nel software di acquisizione dati.

  1. Verifica spettro della massa e coincidenza.
    1. Trama uno spettro di tempo di volo e assegnare i diversi picchi alle masse che possono verificarsi durante la frammentazione (padre massa, abbondanti frammenti).
    2. Tracciare il tempo di volo dello ione primo sull'asse x e il tempo di volo dello ione secondo sull'asse y. Regioni con molti conteggi indicano due frammenti emessi in coincidenza. Taglienti diagonali indicano un break-up in due frammenti caricate.
    3. Trama un istogramma simile per altre particelle, ad esempio la somma del tempo di voli per i primi due ioni su asse x e la somma del tempo di voli per il terzo e il quarto ion sull'asse y. Nella Figura 2 è riportato un esempio di uno spettro di multicoincidence.
    4. Tenta di identificare i diversi break-up nello spettro particella di quattro o cinque-particella e verificare se c'è un break-up che potrebbe produrre le informazioni strutturali sotto inchiesta.
  2. Stimare il tempo di misura.
    1. Lasciare che l'esperimento per circa 1h e controllare il numero di conteggi per il canale scelto. Fare attenzione a non contare gli eventi background.
    2. Moltiplicare questo numero con il termine previsto per l'esperimento. Il numero totale di conteggi nel canale in questione dovrebbe essere almeno un paio di migliaia.
    3. Se il numero di conteggi in canale prescelto è significativamente sotto questo numero, aumentare l'intensità del laser e ripetere i punti 4.2.1 e 4.2.2. Fare attenzione che il tasso è ancora abbastanza basso per individuazione coincidente (Vedi introduzione).

5. Analisi dei dati

Nota: analisi dei dati in un esperimento di Coulomb esplosione Imaging è un complesso, ma gratificante attività dal momento che molti parametri possono essere regolati dopo l'esperimento e una moltitudine di correlazioni tra il misurato quantità di moto può essere esplorata. Solitamente vengono eseguiti tutti i passaggi seguenti dopo l'esperimento del software di analisi dati.

  1. Parametri sperimentali Calibra
    Nota: In una prima fase, assicurarsi che le informazioni di posizione e ora ricostruite dal rivelatore siano corrette. Simile alla sintonizzazione dell'elettronica (punto 2.2), la procedura esatta dipende dall'implementazione specifica, in questo caso il software di analisi dati. Così, possono essere dato solo alcuni consigli generali.
    1. Immagini trama del rivelatore. Verificare che per tutti i livelli di tre anodo, la dimensione dell'immagine rivelatore corrisponde alla dimensione effettiva del MCP e l'immagine del rivelatore è centrata a 0. Verificare che tutte le combinazioni dei tre strati producono la stessa immagine di rivelatore. Se necessario, ruotare o capovolgere il rivelatore, tale che il sistema di coordinate dell'immagine rivelatore corrisponde al telaio di laboratorio (utilizzare le misure di passo 2.2.10).
    2. Identificare diverse masse nello spettro di tempo di volo e la funzione di spettrometro (passo 1.1.2.1) a questi valori in forma. Il parametro importante in questo passaggio è il tempo di volo offset t 0 che tutti i valori di tempo di volo devono essere corretti for
    3. Un'occhiata agli spettri di coincidenza (cfr. punto 4.1.4) e identificare i canali di break-up promettenti. Si consiglia di mettere un cancello sui valori di tempo di volo di pochi 100 ns intorno le interessanti modelli e selezionare solo gli eventi all'interno di queste finestre per i passi successivi. In caso contrario, la quantità di eventi inutili è troppo grande e rallenterà l'analisi.
    4. Memorizzare i corretti valori per x, y, t per ulteriori analisi.
  2. Calcolare momenti dello ione ed energie. I parametri
    1. uso sperimentale ed i rapporti di massa / carica assunti per calcolare la quantità di moto componenti p x, p y e p z. Utilizzare questi per calcolare le energie cinetiche di frammenti e la loro somma, il rilascio di energia cinetica (KER).
    2. Utilizzare lo spettro di coincidenza (punto 4.1.4) per regolare con precisione l'intensità del campo elettrico E e la spettrometro lunghezza s e un terreno di posizione di impatto vs tempo di volo per determinare gli offset di posizione x 0 e y 0 e la velocità v j et del getto di gas. Se una taratura di precisione è necessaria, utilizzare N 2 e O 2 frammentazione in due singolarmente addebitato specie con progressioni vibrazionale molto strette e ben caratterizzati nel rilascio di energia cinetica (Vedi rif. 13 e i riferimenti ivi).
      1. Plot p x vs p y ecc e ottimizzare i parametri in modo che i momenti sono distribuiti su una sfera nello spazio di quantità di moto (ad es. su un cerchio nelle trame bidimensionale) e centrati a 0. Questo è dovuto al fatto che l'energia cinetica non deve dipendere la direzione di emissione del frammento ione.
      2. Plot lo slancio di somma di tutti i frammenti da un break-up molecolare. Per un break-up completo, la distribuzione deve essere stretta (in genere < 10 slancio unità atomica) e centrata in 0.
  3. Selezionare eventi rilevanti e studio delle proprietà del sistema molecolare.
    1. Separare gli eventi effettivi di scioglimento dallo sfondo impostando vincoli lo slancio di somma intorno le cime osservate (solitamente meno di 20 unità atomiche in ogni direzione).
    2. Per questi eventi, utilizzare l'aritmetica vettoriale per costruire quantità che contengono le informazioni strutturali da indagare. Un esempio per la differenziazione tra sinistra e mano destra stereoisomeri è dato nella seguente sezione.

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Representative Results

In questa parte, vi mostriamo i risultati ottenuti per halomethanes. Queste specie sono l'ideale per gli esperimenti di prova-de-principio grazie alla loro semplicità e alta pressione di vapore. Nel frattempo, l'alotano specie più complessa è stato studiato facendo uso di singoli fotoni di raggi-x-soft da una fonte di sincrotrone per indurre ionizzazione più. 14

CHBrClF

Bromochlorofluoromethane (CHBrClF) è un esempio da manuale per molecole chirali con un atomo di carbonio stereogenico. È anche il candidato ideale per l'Imaging di Coulomb esplosione grazie alla sua struttura semplice e l'elevata tensione di vapore (circa 600 hPa a temperatura ambiente). Purtroppo, la specie non è disponibile in commercio; per l'esperimento presentato qui, una miscela racemica fu sintetizzata da reagire CHBr2Cl con HgF2 secondo riferimento15. Enantio-arricchita campioni sono difficili da ottenere in quantità necessaria in modo che solo i risultati per racemati sono stati ottenuti finora.

Per i risultati presentati qui il campione è stato raffreddato a circa 240 K per ottenere una densità di destinazione appropriata con l'ugello dato (10% di probabilità di ionizzazione per impulso). L'intensità di picco del laser è stata stimata per essere di 6 x 1014 W/cm2. La misura a una frequenza di ripetizione di 100 kHz laser ha preso 11 h.

Al fine di distinguere R e S-enantiomeri, un triplo prodotto normalizzato viene calcolata dai vettori di slancio del tre alogeni fluoro, cloro e bromo. Geometricamente, questa quantità può essere interpretata come il coseno dell'angolo tra lo slancio di fluoro e l'aereo dei momenti cloro e bromo.

Equation 3

La figura 3 Mostra cosθ per l' isotopo CH79Br35ClF, insieme alla definizione geometrica. Due picchi chiari sono visibili, che indica gli enantiomeri. La posizione dei picchi è coerenza con una simulazione di dinamica molecolare classica. Come quasi nessuno sfondo è presente, l'assegnazione di manualità funziona a livello di singola molecola.

CHBrCl2

La chiralità di CHBrCl2 si verifica solo se l'isotopi 35Cl 37Cl sono presenti sia nella stessa molecola. Un campione con la naturale abbondanza di isotopi così contiene molecole chirali e achirale. Due ulteriori complicazioni derivano qui: in primo luogo, le distribuzioni di tempo di volo degli isotopi cloro e bromo si sovrappongono rispettivamente a causa della piccola differenza di massa. Ciò è particolarmente rilevante per cloro come la determinazione di manualità dipende la corretta assegnazione degli isotopi. In secondo luogo, la specie chirale CH79Br35Cl37Cl ha (all'interno di precisione di installazione) la stessa massa totale della specie achirale CH81Br35Cl2. L'indagine di questa specie può quindi essere visto come un test di benchmark per il metodo.

Con lo spettrometro utilizzato (spettrometro lunghezza s = 60,5 mm, intensità di campo elettrico E = 57,1 V/cm), i dati per l' isotopo chirali CH79Br35Cl37Cl potrebbe essere selezionata tramite la quantità di moto totale, utilizzando un algoritmo suggerito da riferimento16 per assegnare che dei successi appartiene a quale isotopo.

Considerazioni geometriche portano alla conclusione che ci possono essere gli orientamenti della molecola nello spazio dove i due isotopi di cloro hanno lo stesso ora di volo; in questo caso, non possono essere distinti come una questione di principio. Una procedura per risolvere questi eventi è stata descritta in materiali integrativi riferimento4. Di conseguenza, la configurazione anche di molecole isotopicamente chirali può essere determinata con alta affidabilità.

Figure 1
Figura 1 : Vista in un programma di installazione di COLTRIMS. Molecole l'installazione attraverso l'ugello di entrare e passano attraverso un paio di skimmer. Nella camera di interazione, gli impulsi laser attraversano con il getto molecolare inferiore ai 90°. Gli ioni sono guidati dal campo elettrico dello spettrometro al rivelatore (in alto). Per una migliore visibilità, non tutte le piastre di spettrometro sono mostrate. Le molecole restanti vengono scaricate in una sezione differenzialmente pompata (dump di getto) per mantenere la pressione di fondo della regione di interazione più basso possibile. Figura modificata da riferimento17 con autorizzazione da G. Kastirke. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2 : Quattro-particella coincidenza spettro. Questo istogramma è un'estensione di uno spettro di massa di tempo di volo a quattro particelle: la somma del tempo di voli per il primo e il secondo colpo sul rivelatore vengono tracciate sulla x-asse, la somma per il terzo e quarto colpo sul y-axis. Il centro delle cime permette di identificare le masse dei quattro frammenti rilevati. La forma delle strutture contiene informazioni aggiuntive: se la quantità di moto dei frammenti è possibile aggiungere fino a zero, gli eventi sono contenuti in una linea sottile (H, CF, Cl, Br). Se un frammento inosservato trasporta lo slancio, la quantità di moto totale diverso da zero della particella misurata conduce ad un ampliamento delle funzionalità. A scopo illustrativo, dati da sincrotrone e laser, non misure vengono utilizzati qui grazie a statistiche superiore. Figura riprodotta da riferimento5 con permesso da Wiley-VCH. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3 : Distinzione di enantiomeri nel break-up di cinque-particella di CHBrClF tramite il parametro di chiralità cos Θ come definito nel testo. Il picco a valori positivi corrisponde per il R-enanziomero, il picco a valori negativi per il S-enanziomero. L'inserto viene illustrato cos θ geometricamente. Il bassosfondo consente un'assegnazione di manualità per singole molecole. Figura riprodotta da riferimento4 con il permesso di AAAS. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Discussion

A causa della varietà di componenti, un programma di installazione COLTRIMS richiede un livello piuttosto elevato di competenza tecnica, soprattutto nei settori della tecnica del vuoto, rivelazione di particelle, veloce elettronica e analisi dei dati. Prima di dedicarsi alla ricerca delle specie complesse, dovrebbe quindi essere accuratamente controllato se l'installazione è in esecuzione correttamente, ad esempio eseguendo e analizzando una misura su una specie di biatomica o triatomica.

Ottimizzare l'intensità e la durata del laser gli impulsi e la sovrapposizione con il getto molecolare è essenziale per ottenere come molti più eventi di ionizzazione come possibile. Come la distribuzione di quantità di moto potrebbe ampliare a causa di ionizzazione sequenziale durante i diversi cicli dell'impulso laser, la durata dell'impulso non dovrebbe idealmente superare 40 fs. Durante la misurazione, è fondamentale ottenere statistiche sufficienti. Sul lato positivo, la determinazione della configurazione assoluta non richiede una precisione particolarmente elevata rispetto ad altri esperimenti di coincidenza, cioè la procedura è piuttosto robusta di fluttuazioni nel laser o intensità del getto e di elettrico distorsioni di campo nello spettrometro.

La limitazione più fondamentale della tecnica riguarda la sua applicabilità ai più grandi molecole. Si deve tenere a mente che i risultati rappresentano i momenti di frammenti, non la struttura delle molecole nello spazio reale. Per bio-molecole complesse, la relazione tra momenti misurati e struttura molecolare non dovrebbe essere così semplice per quanto riguarda le molecole presentate qui. Inoltre, molecole complesse possono produrre molti canali di scioglimento che non riportano informazioni sulla configurazione, possibilmente riducendo la resa dei canali pertinenti. Teorico di modellazione della frammentazione, controllo di rottura modelli e procedure di analisi più sofisticate sarà necessari se la tecnica deve essere esteso alle molecole con tre o più atomi di carbonio. Allo stato attuale, non sembra possibile studiare la configurazione delle proteine o molecole di analoga complessità, ma le reali limitazioni devono ancora essere determinato.

Un'altra limitazione della configurazione attuale è il consumo di campione relativamente alto a causa del getto molecolare. Può essere ridotto mediante l'implementazione di un meccanismo di riciclaggio (ad es. trappole fredde nei vacuometri vuoto). Tuttavia, sarebbe utile testare altri metodi di preparazione del campione come getti effusive, thermodesorption18 o laser desorbimento tecniche19 che sono state applicate con successo per lo studio di bio-molecole in fase gassosa.

Coulomb esplosione Imaging è un metodo distruttivo, cioè le molecole che hanno state frammentate per la determinazione della configurazione non possono essere utilizzate ulteriormente. Tuttavia, solo una piccola frazione è effettivamente ionizzata (che è uno dei motivi per il consumo di campione alto accennato nel paragrafo precedente). Così potrebbe essere possibile utilizzare le molecole riciclate per la successiva applicazione.

Come la misurazione della quantità di moto che permette di creare un set di dati 'allineato' delle molecole e di selezionare determinate direzioni spaziali, la tecnica di coincidenza apre nuove prospettive per l'indagine degli effetti di asimmetria in molecole chirali, questo è in particolare il caso se la quantità di moto degli elettroni sono misurati in coincidenza che può essere raggiunto utilizzando un'installazione completa di COLTRIMS. Pompa-sonda tecniche consentono inoltre di studiare le dinamiche strutturali delle specie chirali.

Molto recentemente, Coulomb esplosione Imaging è anche stato utilizzato per determinare le geometrie assolute di cis e trans-isomeri,20 l'aggiunta di una nuova classe di specie possibili e questioni da affrontare. Come l'indagine della stereochimica con spettroscopia di coincidenza è ancora nella sua infanzia, gli autori sperano che questo articolo aiuta ad per ispirare i ricercatori che lavorano nelle indicazioni descritte nei paragrafi precedenti a nuove sperimentazioni.

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Disclosures

Gli autori non dichiarano interessi concorrenti.

Acknowledgments

Ringraziamo Robert Berger (Philipps-Universität Marburg, Germania) per ispirare le discussioni circa l'interpretazione dei nostri dati e chiralità molecolare in generale. Siamo grati a Julia Kiedrowski, Alexander Schießer e Michael Reggelin da TU Darmstadt (Germania), così come Benjamin Spenger, Manuel Mazenauer e Jürgen Stohner da ZHAW Wädenswil (Svizzera) per la fornitura del campione.

Il progetto è stato sostenuto dall'iniziativa di uno stato di Hessen per scientifica ed eccellenza economica sotto il fuoco ELCH (Electron dynamics dei sistemi chirali) e il Ministero federale dell'istruzione e ricerca (BMBF). MS riconosce il sostegno finanziario della Fondazione Adolf Messer.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
CHBrCl2 SigmaAldrich 139181-10G or other suitable sample
femtosecond laser system KMLabs Wyvern500
High-reflective mirrors EKSMA 042-0800
mirror mounts Newport U100-A-LH-2K  
focusing mirror (protected silver, f = 75 mm) Thorlabs  CM254-075-P01 (if available: f = 60 mm)
COLTRIMS spectrometer, including electronics and data acquisition system RoentDek custom contrary to the standard COLTRIMS, only one detector is needed

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References

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  4. Pitzer, M., et al. Direct Determination of Absolute Molecular Stereochemistry in Gas Phase by Coulomb Explosion Imaging. Science. 341 (6150), 1096-1100 (2013).
  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).
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  19. Gaie-Levrel, F., Garcia, G. A., Schwell, M., Nahon, L. VUV state-selected photoionization of thermally-desorbed biomolecules by coupling an aerosol source to an imaging photoelectron/photoion coincidence spectrometer: case of the amino acids tryptophan and phenylalanine. Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 7024-7036 (2010).
  20. Ablikim, U., et al. Identification of absolute geometries of cis and trans molecular isomers by Coulomb Explosion Imaging. Sci. Rep. 6, 38202 (2016).

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Chimica problema 126 esplosione Coulombiana Imaging laser a femtosecondi di chiralità configurazione assoluta COLTRIMS coincidenza spettrometria di massa fascio molecolare fotoionizzazione
Formazione immagine di esplosione Coulombiana come uno strumento per distinguere tra stereoisomeri
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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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