Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Chemistry

Coulomb eksplosion billeddannelse som et redskab til at skelne mellem stereoisomere

doi: 10.3791/56062 Published: August 18, 2017

Summary

For små chiral arter giver Coulomb eksplosion Imaging en ny tilgang for at bestemme håndethed af individuelle molekyler.

Abstract

Denne artikel viser, hvordan COLTRIMS (koldt Target rekyl Ion fremdrift spektroskopi) eller "reaktion mikroskop" teknik kan bruges til at skelne mellem enantiomerer (stereoisomere) af simple chiral arter på niveauet af individuelle molekyler. I denne tilgang, en gasformige molekylære jet af prøven ekspanderer i en vakuumkammer og skærer med femtosekund (fs) laserpulser. Den høje intensitet af impulser fører til hurtige flere ionisering, antændende en såkaldt Coulomb eksplosion, der producerer flere kationiske (positivt ladede) fragmenter. En elektrostatisk felt guider disse kationer på tid - og position-følsomme detektorer. Ligner en time of flight massespektrometer, ankomsttidspunktet for hver ion giver oplysninger om dens masse. Som et overskud reguleres den elektrostatisk felt på en måde, at retningen emission og den kinetiske energi efter fragmentering føre til variationer i time of flight og i positionen indvirkning på detektoren.

Hver ion indvirkning skaber en elektronisk signal i detektoren; Dette signal er behandlet af højfrekvens elektronik og indspillet begivenhed af begivenhed af en computer. De registrerede data svarer til virkningen gange og holdninger. Med disse data, kan energi og emission retning af hvert fragment beregnes. Disse værdier er relateret til strukturelle egenskaber af molekylet under undersøgelsen, dvs at bond længder og relative positioner af atomer, gør det muligt for at bestemme molekyle af molekylet håndethed simpel chiral arter og andre isomere funktioner.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Chiralitet er en funktion af vores natur, der har været fascinerende forskere i mere end 150 år. I de 19th opdagede century, Pasteur, van't Hoff og andre at molekyler kan forekomme i to spejlbillede strukturer, der ikke er super-maksimumstraffen - ligesom vores venstre og højre hånd. Denne ejendom blev kaldt 'chiral', fra det græske ord for 'hånd'.

Hidtil, er ingen forskel i termodynamiske egenskaber eller energi niveauer af venstre og højre hånd former (de to ' enantiomerer') blevet fundet. For at analysere håndethed af en given prøve og adskille enantiomerer kan interaktion med andre chiral molekyler bruges, som sker for eksempel i forskellige chromatographical tilgange. 1 Chiroptical metoder såsom (vibrationelle) cirkulære dichroism, (V) CD og optisk rotatorisk dispersion, ORD, er rutinemæssigt ansat til at skelne mellem enantiomerer. 2

Når det kommer til bestemmelse af den mikroskopiske struktur, kræver disse teknikker yderligere oplysninger, f.eks. fra quantum-kemiske beregninger. Den eneste teknik, der er almindeligt accepteret at direkte bestemme den absolutte konfiguration er unormal røntgen diffraktion. 3

Det har for nylig påvist, at den absolutte konfiguration af simple chiral arter kan bestemmes ved Coulomb eksplosion Imaging. 4 , 5 i denne fremgangsmåde, molekyler i gasfasen er multiplicere ioniseret således at de resterende kerner kraftigt frastøde hinanden. Denne frastødning fører til hurtig fragmentering ("eksplosion") af molekyler. Retning og omfanget af fragment momenta korrelat til strukturen af molekylet – for små molekyler, momentum retninger svarer overraskende godt til bond akser. Coulomb eksplosion for molekylære struktur bestemmelse har været banebrydende ved hjælp af molekylarionen bjælker fra en accelerator. 6 denne stråle folie teknik har for nylig også været anvendt til chiral anerkendelse. 7

I modsætning til anormale røntgen diffraktion, skal prøven ikke være krystallinsk men forudsat i gasfasen. Dette gør metoden Coulomb eksplosion, ideel til flygtige arter og dermed supplerer røntgen diffraktion. I visse tilfælde kan håndethed engang bestemmes for individuelle molekyler.

I praksis har den nøjagtige genopbygningen af den molekylære struktur vist sig vanskeligt selv for metan derivater, fx molekyler med en central carbon og forskellige substituenter. Dette tilskrives det faktum, at samspillet mellem fragmenterne er ikke ligefrem Coulombic og at ikke alle obligationer bryde samtidigt. For at indhente stereokemiske oplysninger, især til at skelne mellem enantiomerer, er denne genopbygning heldigvis ikke nødvendigt. I stedet kan være korreleret momentum vektorer af forskellige fragmenter for at give et antal, der er forskellig for de venstre og højre hånd molekyler. For at få pålidelige resultater, har mindst fire fragment momenta skal registreres.

For at måle oplysningerne momentum, skal fragmenter fra ét- og kun ét – Molekylær break-up påvises i en enkelt måling skridt. Denne betingelse er normalt omtales som 'sammenfaldende påvisning'. Derudover har emission retninger skal analyseres, hvilket beløb i praksis at registrere tid og holdning af fragmentet betydning i en liste-mode-dataformat.

I Atom- og molekyleniveau fysik, er blevet udviklet teknikker, der implementerer denne tilgang af måling ved hjælp af elektrostatisk spektrometre til masse adskillelse og tid - og position-følsomme multi-hit detektorer. Det mest fremtrædende eksempel er opsætningen COLTRIMS (koldt Target rekyl Ion fremdrift spektroskopi) – også kendt som reaktion mikroskop. 8 , 9 en skitse til denne form for eksperiment er givet i figur 1. I modsætning til en standard COLTRIMS, der kan optage elektroner samt, kræver Coulomb eksplosion Imaging kun ion detektoren.

Spektrometret og detektor er monteret under ultra-højt vacuum (< 1 x 10-9 hPa) at undgå oprettelsen af ioner fra resterende gas. Enkelt molekyler i stikprøven leveres via et gasformigt gratis molekylære jet lavet af supersoniske ekspansion: i kraft af damptryk, molekylerne udvide gennem et lille mundstykke (ca. 50 µm diameter) ind i vakuum. Denne del af forsøget, kilde kammer, er adskilt fra regionen interaktion af normalt to hulskeer og varierende pumpede faser. En yderligere varierende pumpes sektion er placeret bag regionen interaktion at dumpe gas jet og dermed undgå baggrund gas i regionen interaktion.

Ioniserende stråling skærer med den molekylære jet under 90°. De fleste laboratorier bruger i dag femtosekund laserpulser, selvom synkrotron stråling, hurtige ioner eller electron indvirkning er muligt 'projektiler' at fremkalde Coulomb eksplosion.

Følgende protokol gør den antagelse, at en kører installationsprogrammet for sammenfaldende billeddannelse af ioner og en femtosekund laser er tilgængelige i laboratoriet. Peak intensiteten nødvendig for at fremkalde Coulomb eksplosion i fire eller endda fem fragmenter skal være størrelsesordenen 6 x 1014 W/cm2. For at undgå overordentlig lang målinger, bør gentagelseshyppighed af laser være 10 kHz eller mere. Dette er afgørende for, på den ene side sammenfaldende registrering kun kan konstateres hvis sandsynligheden for opsplitning i laser fokus ligger betydeligt under 1 pr. laser puls (ideelt set ikke mere end 10%). Den totale opsplitning sats, på den anden side bør ikke være lavere end et par kHz fordi andelen af relevante multifragmentation veje er normalt mindre end 10-4. Som opmuntrende omstændighed, det bør nævnes, at i princippet allerede et enkelt fragmentering begivenhed er tilstrækkelige til at identificere konfigurationen af en enantiopure prøve, og at registrering af et par hundrede giver mulighed for at bestemme overfloden af enantiomerer i en udsnit af ukendt enantiomeric sammensætning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Advarsel: Sørg for at være bekendt med alle mulige risici forbundet med eksperimentet og i laboratoriet. Nedenstående fremgangsmåde indeholder klasse-IV lasere, høj spænding og vakuum. Konsultere det materielle sikkerhedsdatabladet (MSDS) for arterne undersøges.

1. forberedelse

  1. forberedende overvejelser
    Bemærk: før den faktiske eksperiment starter, to vigtigste valg skal gøres; først med hensyn til den mulige arter under undersøgelser og den anden elektrisk felt i spektrometeret. Det antages her at opsætningen er blevet brugt tidligere for andre eksperimenter og at spektrometeret, selv ikke vil være ombygget.
    1. Valg af prøve
      1. vælge en prøve hvor opsplitning veje kan forventes at bære underskrift af håndethed eller funktionen strukturelle skal undersøges. Husk på, at brint atomer er ofte udgivet som neutral fragmenter; funktionelle grupper, der adskiller sig kun af antallet af brintatomer kan sandsynligvis ikke skelnes. Starte med enkle (måske achiral) arter som halomethanes og haloethanes.
      2. Check at mindst 0,02 mol af prøven er tilgængelige, da dette er den minimale mængde vellykket forsøgsdyr så langt
      3. Bekræft at en tilstrækkelig damptryk er opnåelige med prøven. Afhængig af udformningen af apparatet, dampe pres > 5 hPa er nødvendige for en tilstrækkelig jet tæthed for laser eksperimenter. Hvis damptryk er betydeligt lavere, undersøge, om de nødvendige damp pres kan nås ved at opvarme prøven. Dette kan være muligt for både flydende og fast prøver, i kraft af sublimering for sidstnævnte. Hvis varme er påkrævet, er det nødvendigt at have en positiv temperaturgradient langs stien til gas i leveringssystemet (med dysen er den varmeste del) at undgå kondens. Mere avancerede stikprøveprogrammer forberedelse som kan anses for pick-up af en bæregas.
    2. Valg af elektrisk feltstyrke i spektrometeret
      Bemærk: en værdi på 50 til 100 V/cm bevist rimelig for Coulomb eksplosion Imaging. Den optimale værdi, men afhænger af geometrien af spektrometret. Nedenstående trin viser, hvordan du optimerer elektrisk feltstyrke.
      1. Skøn time of flight af de forventede kationiske fragmenter. Hvis spektrometeret består kun af et homogent felt region med længde s og elektrisk feltstyrke E, mean time of flight af en partikel med masse m og ladning q er simpelthen givet ved
        < img alt = "Ligning 1" src = "/ files/ftp_upload/56062/56062eq1.jpg"/ >
      2. skøn spredning x af fragment kationer med massen m på detektoren ved hjælp af time of flight t ovenfor beregnede og formlen
        < img alt ="Ligning 2"src ="/files/ ftp_upload/56062/56062eq2.jpg"/ >
        ioner vil få momenta p x op til 400 atomic enheder af momentum (protoner op til 150 atomic enheder).
      3. Hvis den rumlige udbredelse x af de letteste ion arter er større end detektor radius, øge elektrisk feltstyrke i beregningen indtil udbredelsen er et par millimeter mindre end detektor. Feltstyrken bør ikke være meget højere, da dette fører til en lavere opløsning for tungere fragmenter, der er spredt ud mindre på detektoren.
  2. Check af eksperimentelle set-up
    Bemærk: før du går videre til selve målingen, har det skal kontrolleres, at opsætningen af eksperimenterende er velforberedte.
    1. Kontrollér, tomrum samspillet her er < 1 x 10 -9 hPa. Hvis dette ikke er tilfældet, vil de resterende gas føre til en høj baggrund sats. I tvivlstilfælde om vakuum betingelserne skal fortsætte indtil trin 2.2.1 hvor ionisering af det resterende gas bestemmes. Hvis trykket er for højt, udføre en lækage-kontrol. Hvis ingen lækage er tilsyneladende, bage salen for et par dage.
    2. Verificere forbindelser til spændingsforsyning og detektor signaler ifølge manualen eller eksperimentere beskrivelse.
    3. Kontrollere, at data erhvervelse software på computeren, måling er i stand til at optage og analysere mindst fire ioner. Sørg for, at den døde tid af de elektroniske moduler og pulse bredde af signalerne er under 30 ns.
  3. Forbered prøven levering
    1. kontrollere, at prøven levering rør er ren og tilslutninger strammet. Hvis prøven er ætsende (f.eks. sure) Sørg for, at alle komponenter i et leveringssystem og den vakuumkammer roughing pumperne er kompatible med den valgte stikprøve. Pumpe prøven leveringssystem med en roughing pumpe, åbner ventilerne og kontrollere, at trykket i den eksperimentelle kammer ikke er stigende.
    2. Clean og forberede prøve modtageren. Et ultralydsbad med acetone eller en sædvanlige laboratorium glasvarer skive er tilstrækkelig.
    3. Forberede opvarmning af reservoir og prøve levering system, hvis prøven skal være opvarmet (jf. 1.1.1.3). Den mest bekvemme måde er at bruge justerbare varme kredsløb, hver enkelt består af en varme ledning, en temperatursensor og en temperatur controller.
    4. Hvis prøven har et meget lavt damptryk, eller hvis det har en tendens til form klynger (fx fedtsyrer), bruge forskellige tilgange til afhentning eller copropagation med inaktive gasser. Ændre udformningen af gasledninger afhængigt af disse krav.
    5. Kontrollere, at den molekylære jet er godt afstemt. Til dette formål, bruger en sjælden gas prøve (fx Argon) så der kan opnås en tæt jet (omtrent 1 bar absolut tryk bør være tilstrækkeligt for en 50 µm dyse). Maksimere trykket i afsnittet jet dump ved at flytte manipulator som dysen er monteret.
  4. Give femtosekund laserpulser
    Bemærk: de ioniserende pulser er leveret af en femtosekund laser system. Beskriver sådan en laser og dets anvendelse i detaljer er uden for rammerne af denne protokol. Hvis en kommerciel laser system bruges, se i manualen.
    1. Tænder laseren og laser stråle profil på outputtet.
    2. Kontrollere og korrigere (hvis nødvendigt) strålegang til vinduet indgangen af eksperiment ved at justere de respektive spejle.
    3. Hvis det er nødvendigt, justere fokus spejlet inde i den eksperimentelle kammer ved hjælp af de respektive manipulator. Centrere afspejling af fokusering spejlet med hensyn til den indgående beam.
    4. Indsæt filtre eller en drejelig polarisator i stien stråle til at opnå en højdepunkt intensitet på ca 6 x 10 14 W/cm 2. Normal Coulomb eksplosion Imaging, bruge lineær polarisation. Hvis dichroism virkninger skal undersøges, ændre polariseringen af en kvart-bølge plade lige før vinduet indgangen.
    5. Indsætte en fotodiode i et sted, hvor det kan optage en pålidelig replika af laser puls (f.eks. en refleksion eller transmission gennem en justering spejl). Forbind udgangen af en fotodiode til et oscilloskop og kontrollere, at dioden producerer ren pulser med gentagelseshyppighed af laser.
    6. Altid blokere strålen når den ikke er i brug.

2. Dreje på spektrometret og detektorer

Bemærk: denne del af protokollen afhænger lidt af den faktiske gennemførelse af spektrometret og detektor. Beskrivelsen her er gyldig for en standard COLTRIMS setup med en sekskantet forsinkelse linje detektor (HEX75). 10 i denne implementering, en detektor har 7 output kanaler: en for microchannels pladerne (MCP) og to for hver af de tre lag af anoden.

  1. Aktivere strømforsyninger.
    1. Slukke vakuum målere i salen, interaktion, som de kan producere ioner der er set af detektoren.
    2. Tilslutte den forstærkede udgangssignal (ved hjælp af en hurtig forstærker med forstærkning ≈ 100) af MCP til en hurtig (helst analog) oscilloskop. Indstil oscilloskopet til 5 eller 10 ns pr. division på tidsskalaen og 100 mV per division på signal-skalaen. Kontroller, at den elektroniske støj er under 30 mV.
    3. Switch på høj spænding strømforsyning til detektoren. For en typisk ion detektor er spændingen-2,000 V for forsiden og 300 V for anode side. Spændingen afhænger af alder af MCP og bør fastsættes således, at de analoge signaler er maksimal men ikke mætte. Kontrollere aktuelt. Det afhænger af MCP i detektoren modstand men ikke bør overstige 50 µA. Oscilloskop sporing, et par signaler pr. sekund med en signal højde af flere hundrede mV skal være synlige (' mørke tæller ').
    4. Tune strømforsyning til spektrometer til den værdi, der fastsattes i trin 1.1.2.
  2. Kontrollere detektor signaler via ionisering af resterende gas
    Bemærk: en detaljeret beskrivelse af detektor start-up kan også findes i de respektive manualer. 11 , 12
    1. dæmpe laser intensitet til en anslået værdi under 10 14 W/cm 2 i fokus. Fjerne blokeringen af laseren og se oscilloskop spor. Hvis dette fører til en sats på over 5% af laser gentagelseshyppighed, mængden af resterende gas i salen er for høj eller laserstrålen rører spektrometeret. Løse problemet før du fortsætter. Hvis tælle er betydeligt lavere end 5% af laser gentagelseshyppighed, gradvist øge laser intensitet.
    2. Har et nærmere kig på signalerne. De bør kun viser et peak af flere hundrede mV og ingen ' ringe ' (svingninger efter den faktiske puls). Bredden af MCP signal bør ikke overstige 10 ns (FWHM).
    3. Ser på oscilloskop sporingen af alle seks anode signaler. Signalerne er bredere her (20-30 ns), og som regel en smule lavere i spænding. Kontroller igen, at ingen forstyrrelser af signal er til stede. Hvis alle anode signaler er under 100 mV, stigende spænding (trin 2.1.3) i trin af 50 V. Tuning forstærker gevinst kan bidrage til at få den samme puls højde for alle kanaler.
    4. Konvertere disse analoge signaler til standard NIM signaler (Nuclear instrumentering modul) af-0.8 V ved en konstant brøkdel diskriminator (CFD). Kontroller indstillingerne for CFD før hver eksperimentelle løbetur. For en detaljeret beskrivelse, se i brugervejledningen til en tilgængelig på internettet. 12 feed NIM pulser ind i en tid-til-Digital konverter (TDC) der optager ankomsttid af pulser med høj opløsning (normalt 25 ps). Disse tid signaler er input til data erhvervelse og analyse software.
    5. Slå data erhvervelse software og starte optagelsen data. Kig på den hit fordeling for hver kanal - histogrammer bør være ens for alle kanaler. Hvis dette ikke er tilfældet for nogle kanaler, kontrollere indstillingerne CFD (trin 2.2.4) for disse kanaler. Kontrollere indstillingerne af desuden inspicere summen af signalet køre gange for hver af lag, detektor, som beskrevet i manualen detektor. Hvis det er nødvendigt, rette indstillingerne for CFD'er.
    6. Vise en detektor billede i data erhvervelse software. Detektoren skal vises som en cirkel med en diffus spot (billedet af laser fokus) i midten. Udvidelse af stedet er hovedsagelig på grund af termisk hastigheden af det resterende gas der bliver ioniseret.
    7. Feed signal af laser dioden (trin 1.5.5) til dataopsamling, helst på samme måde som detektor signaler. Vise en time of flight spektrum i softwaren. Relatere den observerede toppe resterende gas arter (H 2, H 2 O, eventuelt Nielsen 2, O 2 og CO 2) ved at beregne deres forventede tid af flyvninger fra spektrometer geometri (trin 1.1.2.1).
    8. Forsøger at minimere laser puls varighed ved at maksimere count sats, ved hjælp af dispersion korrektion af laser system. En kortere puls (og dermed en højere peak intensitet) vil føre til en betydelig stigning i hastigheden.
    9. Hvis baggrunden pres er så lav, at den ikke er tilstrækkelig høj til at udføre ovenstående trin, drej på gas jet (Se trin 2.3) og udføre trin 2.2.1 indtil 2.2.8. Time of flight spektrum i trin 2.2.7 bør derefter naturligvis være domineret af arter i jet.
    10. Finde ud af den absolutte orientering af detektor. For at gøre det, skal du flytte fokus spejlet, så billedet af laser fokus flytter synligt i detektor billedet i softwaren. Bemærk retningen bevægelighed (bruges i trin 5.1.1). Dette trin er vigtigt for måling af absolutte konfiguration, fordi det gør det muligt for at undgå inversion af de målte momenta forhold til den virkelige laboratorium plads.
  3. Finde overlapning af gas jet- og laser.
    1. Tænd gas jet, som beskrevet i trin 1.3.5.
    2. Hvis den renteforhøjelser og en meget smal spot (' jet spot ') er synlig på detektor billedet i programmet erhvervelse sikre, at den molekylære jet- og laser stråle overlapning i det mindste delvist. I dette tilfælde tune manipulator til fokusering spejlet omhyggeligt at maksimere tæller i jet spot. Ved optimal overlapning, bør de overstiger antallet af tællinger fra det resterende gas (trin 2.2) med størrelsesordener. Det kan være nødvendigt at reducere laser intensitet, fordi MCP count ikke bør overstige 30 kHz. Hvis baggrunden på grund af ionisering af det resterende gas er for høj i forhold til signalet fra gas jet, overveje for at udvide laserstråle uden for Parlamentet at nå frem til et mere snævert fokus.
    3. Hvis ingen jet spot er synlig på billedet for detektor, tune manipulator til fokusering spejlet i større skridt til at finde overlapningen, og fortsæt derefter med trin 2.3.2.

3. Prøve levering

  1. forberede godt alle værktøjer, modtager pakninger og andre elementer, der er nødvendige, da prøven eksponering for miljøet bør minimeres.
  2. Fylde prøven i recipienten, der vil være forbundet til eksperimentet. Hvis prøven har et højt damptryk, cool modtageren og prøve på forhånd for at reducere fordampning tab i dette trin.
  3. Tilsluttes jet system prøve cylinder og stramme forbindelse vakuum-bevis. Cool cylinder (for at undgå tab af prøven) og pumpe i et par sekunder for at fjerne luft.
  4. Åbne ventilen til dysen. Trykket i kilde chamber skal øges til mindst flere 10 -5 hPa.
  5. Kontrollere, at en jet spot er synlige (trin 2.3.2) og identificere de mest prominente toppe i spektrum, time of flight.
  6. Optimere forsøgsbetingelser (justere temperatur, laser intensitet, pres fra copropagating gas …) til at maksimere den ioniserende stråling sats fra prøven. Husk at opvarmning fører til termisk udvidelse af komponenterne så at kan blive behov for justering af jet manipulator (trin 1.4.5).

4. Måling

NOTE: følgende trin udføres i data erhvervelse software.

  1. Kontrollere masse spektrum og tilfældighed spektrum.
    1. Plot en time of flight spektrum og tildele de forskellige bjergtoppe til masserne, der kan opstå i fragmentering (overordnede masse, rigelige fragmenter).
    2. Plot time of flight af den første ion på x-aksen og tid af flyvningen af den anden ion på y-aksen. Regioner med mange tæller angiver to fragmenter udsendes i tilfældighed. Skarpe Diagonale linjer angiver en break-up to ladede hakning.
    3. Plot en lignende histogram for flere partikler, fx summen af tid af flyrejser for de første to ioner på x-aksen og summen af tid af flyrejser for tredje og fjerde ion på y-aksen. Et eksempel på sådan en multicoincidence spektrum er vist i figur 2.
    4. Forsøger at identificere de forskellige break-ups i de fire-partikel eller fem-partikel spektrum og kontrollere, om der er en break-up, der kunne give den strukturelle oplysninger under efterforskning.
  2. Skøn måleperioden.
    1. Lade forsøget køre i ca 1 time og kontrollere antallet af tæller for den valgte kanal. Vær omhyggelig med ikke at tælle baggrund begivenheder.
    2. Ganger dette antal med det forventede tidspunkt for eksperimentet. Det samlede antal tæller i den relevante kanal bør være mindst et par tusinde.
    3. Hvis antallet af tæller i den valgte kanal ligger betydeligt under dette nummer, øge laser intensitet og Gentag trin 4.2.1 og 4.2.2. Være omhyggelig med at prisen er stadig lav nok til sammenfaldende påvisning (Se introduktion).

5. Dataanalyse

Bemærk: analyse af Data i en Coulomb eksplosion Imaging eksperiment er en kompleks, men givende opgave fordi mange parametre kan finjusteres efter forsøget, og et væld af sammenhænge mellem de målte Momenta kan udforskes. Alle følgende trin udføres normalt efter eksperiment i data analyse software.

  1. Kalibrer eksperimentelle parametre
    Bemærk: I et første skridt sikre, at oplysninger om position og tid rekonstrueret fra detektoren er korrekte. Svarende til tuning af elektronik (trin 2.2), den nøjagtige fremgangsmåde afhænger af den konkrete gennemførelse, i dette tilfælde data analyse software. Således kan kun nogle generelle råd gives.
    1. Plot billeder af detektor. Check at for alle tre anode lag, størrelsen af detektor billede svarer til den faktiske størrelse af MCP og at detektoren billedet er centreret på 0. Kontroller, at alle kombinationer af de tre lag udbytte samme detektor billedet. Hvis nødvendigt Roter eller Spejlvend detektoren, således at koordinatsystem af detektor billede svarer til rammen laboratorium (bruge målinger af trin 2.2.10).
    2. Identificerer forskellige masserne i time of flight spektrum og passe funktionen spectrometer (trin 1.1.2.1) til disse værdier. En vigtig parameter i dette trin er time of flight forskydningen t 0 at alle time of flight værdier skal være korrigeret for.
    3. Har et kig på de tilfældighed spektre (jf. trin 4.1.4) og identificere lovende break-up kanaler. Det anbefales at lægge en gate på time of flight værdier på et par 100 ns rundt i interessante mønstre og kun vælge begivenheder inden for disse vinduer for de videre skridt. Ellers, mængden af unødvendige arrangementer er for stor og vil bremse analysen.
    4. Gemme korrigeret værdierne for x, y, t for yderligere analyse.
  2. Beregne ion momenta og energier.
    1. Brug den eksperimentelle parametre og formodet masse til ladning forhold at beregne momentum komponenter p x, p y og p z. Brug disse til at beregne de kinetiske energi fragmenter og deres sum, den kinetiske energi slippe (KER).
    2. Bruge tilfældighed spektrum (trin 4.1.4) til finjustering elektrisk feltstyrke E og spektrometer længde s og et plot af indvirkning stilling vs. time of flight til at bestemme position forskydningerne x 0 og y 0 og hastighed v j et af jet-gas. Hvis en præcision kalibrering er nødvendigt, opkrævet brug N 2 og O 2 splittes op i to enkeltvis arter med meget smalle og godt karakteriseret vibrationelle progressioner i den kinetiske energi udgivelse (Se Ref. 13 og referencer heri).
      1. Plot p x vs p y etc. og tune parametrene, således at momenta er fordelt på en kugle i momentum rum (f.eks. på en cirkel i to-dimensionelle parceller) og centreret på 0. Dette er at den kinetiske energi ikke bør afhænge af emission retning af ion fragment.
      2. Plot summen fremdriften i alle fragmenter fra en molekylær break-up. For en komplet break-up, fordelingen skal være smalle (typisk < 10 atomic enhed momentum) og centreret på 0.
  3. Markere relevante begivenheder og undersøge egenskaberne for den molekylære system.
    1. Adskiller de faktiske break-up begivenheder fra baggrunden ved at angive begrænsninger i summen momentum omkring de observerede toppe (normalt mindre end 20 atomic enheder i hver retning).
    2. For disse begivenheder, bruge vektor aritmetiske for at konstruere mængder, der indeholder de strukturelle information skal undersøges. Et eksempel for differentiering mellem venstre - og højrehåndede stereoisomere er givet i følgende afsnit.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

I denne del viser vi resultater for halomethanes. Disse arter er ideelle til proof-of-principle eksperimenter på grund af deres enkelhed og høje damptryk. I mellemtiden, har den mere komplekse arter halothan været undersøgt ved hjælp af enkelt soft-x-ray fotoner fra en kilde, synkrotron for at fremkalde flere ionisering. 14

CHBrClF

Bromochlorofluoromethane (CHBrClF) er et skoleeksempel for chiral molekyler med en stereogenic carbonatom. Det er også den ideelle kandidat til Coulomb eksplosion Imaging på grund af dens enkle struktur og den højt damptryk (omkring 600 hPa ved stuetemperatur). Arten er desværre ikke tilgængelige kommercielt; for eksperimentet præsenteres her, blev en racemisk blanding syntetiseret af reagerende CHBr2Cl med HgF2 ifølge reference15. Enantio-beriget prøver er vanskeligt at opnå i de mængder, der er nødvendige, så kun resultater for racemates har opnået hidtil.

For resultaterne præsenteres her var Prøven afkøles til ca 240 K for at opnå en passende mål tæthed med given dysen (10% af ionisering sandsynlighed pr. puls). Peak intensiteten af laser blev anslået til at være 6 x 1014 W/cm2. Måling ved 100 kHz laser gentagelseshyppighed tog 11 h.

For at kunne skille R - og S-enantiomerer, en normaliseret tredobbelt produkt beregnes fra momentum vektorer af tre halogener fluor, klor og brom. Geometrisk, kan denne mængde fortolkes som cosinus til vinklen mellem fluor momentum og flyet af klor og brom momenta.

Equation 3

Figur 3 viser cosθ for isotop CH79Br35ClF, sammen med den geometriske definition. To klare toppe er synlige, der angiver enantiomerer. Placeringen af toppene er i overensstemmelse med en klassisk Molekylær dynamik simulering. Som næsten ingen baggrund er til stede, værker tildeling af håndethed på en enkelt molekyle niveau.

CHBrCl2

Chiralitet CHBrCl2 opstår kun, hvis de både isotoper 35Cl og 37Cl er til stede i det samme molekyle. En prøve med naturlig forekomst af isotoper indeholder således chiral og achiral molekyler. To yderligere komplikationer opstå her: for det første, at klor og brom isotoper time of flight-distributioner overlapper henholdsvis på grund af den lille masse forskel. Dette er især relevant for klor, som bestemmelsen af håndethed afhænger den korrekte tildeling af isotoper. For det andet har den chiral arter CH79Br35Cl37Cl (inden for opsætningen af nøjagtighed) den samme samlede masse som de achiral arter CH81Br35Cl2. Undersøgelsen af denne art kan således ses som en benchmark test for metoden.

Med spektrometeret anvendes (spektrometer længde s = 60.5 mm, elektrisk feltstyrke E = 57,1 V/cm), data for chiral isotop CH79Br35Cl37Cl kunne vælges via den samlede fremdrift, ved hjælp af en foreslået af reference16 tildele som hits algoritme tilhører hvilken isotop.

Geometriske betragtninger fører til den konklusion, at der kan være retningslinjer molekyle i rum, hvor de to klor isotoper have den samme time-of-flight; i dette tilfælde ikke kan de skelnes som en principsag. En procedure til at sortere ud disse begivenheder er blevet beskrevet i supplerende materialer reference4. Som et resultat, kan konfigurationen endda af brændselsfremstilling chiral molekyler bestemmes med høj pålidelighed.

Figure 1
Figur 1 : Se ind i en opsætning af COLTRIMS. Molekyler kommer ind i opsætningen gennem dysen og passere gennem et par hulskeer. I salen interaktion krydse laserpulser med den molekylære jet under 90°. Ioner er styret af det elektriske felt af spektrometret til detektoren (øverst). For bedre synlighed, er ikke alle spektrometer plader vist. De resterende molekyler er dumpet i et varierende pumpede afsnit (jet dump) for at holde baggrund pres i regionen interaktion så lavt som muligt. Figur ændres fra reference17 med tilladelse af G. Kastirke. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2 : Fire-partikel tilfældighed spektrum. Denne histogram er en udvidelse af massespektrum time of flight til fire partikler: summen af tid af fly for første og anden hit på detektoren er afbildet på x-akse, sum for tredje og fjerde hit på y-aksen. Midten af toppene gør det muligt for at identificere masserne af de fire detekterede fragmenter. Formen af strukturerne, der indeholder yderligere oplysninger: Hvis momenta af fragmenter tilføje op til nul, begivenhederne er indeholdt i en smal linje (H, CF, Cl, Br). Hvis en uopdaget fragmentet bærer momentum, fører nul samlede fremdrift af de målte partikel til en udvidelse af funktionerne. Til illustration formål anvendes data fra synchrotron, ikke laser, målinger her på grund af højere statistik. Figur gengivet fra reference5 med tilladelse af Wiley-VCH. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3 : Skelnen af enantiomerer i fem-partikel break-up af CHBrClF via parameteren chiralitet cos Θ som defineret i teksten. Peak på positive værdier svarer til R-enantiomer, peak på negative værdier til S-enantiomer. Indsatsen illustrerer cos θ geometrisk. Lavebaggrund giver mulighed for en tildeling af håndethed for individuelle molekyler. Figur gengivet fra reference4 med tilladelse af AAAS. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

På grund af forskellige komponenter kræver et COLTRIMS installationsprogrammet et ret højt niveau af teknisk ekspertise, især i områderne af vakuum teknik, partikel afsløring, hurtig elektronik og data analyse. Før du tænder for undersøgelsen af komplekse arter, bør det derfor grundigt kontrolleres Hvis opsætningen er kører korrekt, fx ved at udføre og analysere en måling på en diatomiske eller triatomic arter.

Optimering af intensitet og varighed af laserpulser og overlapningen med det molekylære jet er altafgørende for at opnå så mange flere ionisering hændelser som muligt. Som momentum distribution kan udvide på grund af sekventielle ionisering under forskellige cyklusser af laser puls, bør pulse varighed ideelt ikke overstiger 40 fs. Under målingen er det afgørende at få tilstrækkelige statistikker. På den positive side kræver bestemmelse af absolutte konfiguration ikke en særlig stor præcision i forhold til andre tilfældighed eksperimenter, dvs proceduren er temmelig robust, at udsving i laser eller jet intensitet og elektrisk feltet forvridninger i spektrometeret.

Den mest fundamentale begrænsning af teknikken, der vedrører dets anvendelighed til større molekyler. Man skal være opmærksom at resultaterne udgør momenta af fragmenter, ikke strukturen af molekyler i det virkelige rum. For komplekse bio-molekyler forventes forholdet mellem målte momenta og molekylære struktur ikke at være så ligetil som molekyler præsenteres her. Derudover kan komplekse molekyler producere mange break-up-kanaler, der ikke indeholder oplysninger om konfiguration, eventuelt faldende udbytte af relevante kanaler. Teoretisk modellering af opsplitningen, kontrol af break-up mønstre og mere sofistikeret analyse procedurer er nødvendig, hvis teknikken er udvides til molekyler med tre eller flere kulstofatomer. På nuværende tidspunkt synes det ikke muligt at undersøge konfigurationen af proteiner eller molekyler af lignende kompleksitet, men de faktiske begrænsninger har stadig skal fastlægges.

En anden begrænsning i den aktuelle opsætning er relativt høj sample forbruget på grund af den molekylære jet. Det kan reduceres ved at gennemføre en genanvendelse mekanisme (f.eks. kolde fælder i vakuum foreline). Alligevel ville det være gavnligt at teste andre prøve forberedelse metoder såsom overstrømmende jetfly, thermodesorption18 eller laser desorption teknikker19 der har været anvendt med succes til at studere bio-molekyler i gasfasen.

Coulomb eksplosion Imaging er en destruktiv metode, dvs molekyler, der har været opsplittet for bestemmelse af konfiguration kan ikke bruges yderligere. Dog er kun en lille brøkdel faktisk ioniseret (som er en af årsagerne til høje prøve forbruget nævnt i det foregående afsnit). Det kan således være muligt at anvende de genvundne molekyler til senere anvendelse.

Da målingen af momenta giver mulighed for at oprette en 'linje' datasæt i molekyler og vælge bestemte rumlige retninger, tilfældighed teknik åbner nye perspektiver for undersøgelse af asymmetri effekter i chiral molekyler det er især den tilfældet, hvis momenta af elektronerne er målt i tilfældighed, der kan opnås ved hjælp af en komplet COLTRIMS installation. Pumpe-sonde teknikker giver desuden mulighed for at studere strukturdynamik chiral arter.

Ganske nylig, Coulomb eksplosion Imaging er også blevet brugt til at bestemme de absolutte geometrier cis og trans-isomerer,20 tilføjer en ny klasse af mulige arter og spørgsmål behandles. Undersøgelsen af stereokemi med tilfældighed spektroskopi er stadig i sin vorden, håber forfatterne at denne artikel hjælper med at inspirere forskere, der arbejder i de retninger, der er skitseret i de foregående afsnit til nye eksperimenter.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer ikke konkurrerende interesser.

Acknowledgments

Vi takker Robert Berger (Philipps-Universität Marburg, Tyskland) for inspirerende diskussioner om fortolkningen af vores data og molekylær chiralitet i almindelighed. Vi er taknemmelige for Julia Kiedrowski, Alexander Schießer og Michael Reggelin fra TU Darmstadt (Tyskland), såvel som Benjamin Spenger, Manuel Mazenauer og Jürgen Stohner fra ZHAW Wädenswil (Schweiz) for at give prøven.

Projektet blev støttet af Hessen stat initiativ for videnskabelig og økonomisk ekspertise under fokus ELCH (elektron dynamics chiral systemer) og Forbundsministeriet for uddannelse og forskning (BMBF). MS anerkender finansiel støtte ved instituttets 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Gübitz, G., Schmid, M. G. Chiral Separation by Chromatographic and Electromigration Techniques. A Review. Biopharm. Drug Disposition. 22, 291-336 (2001).
  2. Comprehensive Chiroptical Spectroscopy. Berova, N., Polaravapu, P. L., Nakanishi, K., Woody, R. W. Wiley. Hoboken. (2012).
  3. Bijvoet, J. M., Peerdeman, A. F., van Bommel, A. J. Determination of the Absolute Configuration of Optically Active Compounds by means of X-rays. Nature. 168, (4268), 271-272 (1951).
  4. Pitzer, M., et al. Direct Determination of Absolute Molecular Stereochemistry in Gas Phase by Coulomb Explosion Imaging. Science. 341, (6150), 1096-1100 (2013).
  5. Pitzer, M., et al. Absolute Configuration from Different Multifragmentation Pathways in Light-Induced Coulomb Explosion Imaging. Chem Phys Chem. 17, (16), 2465-2472 (2016).
  6. Vager, Z., Naaman, R., Kanter, E. P. Coulomb Explosion Imaging of small molecules. Science. 244, (4903), 426-431 (1989).
  7. Herwig, P. H., et al. Imaging the Absolute Configuration of a Chiral Epoxide in the Gas Phase. Science. 342, (6162), 1084-1186 (2013).
  8. Dörner, R., et al. Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy: a 'momentum microscope' to view atomic collision dynamics. Physics Reports. 330, 95-192 (2000).
  9. Ullrich, J., et al. Recoil-ion and electron momentum spectroscopy: reaction-microscopes. Rep. Prog. Phys. 66, (9), 1463-1545 (2003).
  10. Jagutzki, O., et al. Multiple Hit Readout of a Microchannel Plate Detector With a Three-Layer Delay-Line Anode. IEEE Trans Nucl Sci. 49, (5), 2477-2483 (2002).
  11. RoentDek GmbH MCP Delay Line Detector Manual. http://www.roentdek.com/manuals/MCP%20Delay%20Line%20manual.pdf (2017).
  12. RoentDek GmbH The RoentDek Constant Fraction Discriminators CFD8c, CFD7x, CFD4c, CFD1c and CFD1x. http://www.roentdek.com/manuals/CFD%20Manual.pdf (2017).
  13. Zeller, S., et al. Imaging the He2 quantum halo state using a free electron laser. PNAS. 113, (51), 14651-14655 (2016).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Kastirke, G. Konstruktion und Aufbau einer UHV-tauglichen COLTRIMS-Kammer. Goethe-University Frankfurt. Master Thesis (2014).
  18. Calegari, F., et al. Charge migration induced by attosecond pulses in bio-relevant molecules. J. Phys. B.: At. Mol. Opt. Phys. 49, (14), 142001 (2016).
  19. Gaie-Levrel, F., Garcia, G. A., Schwell, M., Nahon, L. VUV state-selected photoionization of thermally-desorbed biomolecules by coupling an aerosol source to an imaging photoelectron/photoion coincidence spectrometer: case of the amino acids tryptophan and phenylalanine. Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 7024-7036 (2010).
  20. Ablikim, U., et al. Identification of absolute geometries of cis and trans molecular isomers by Coulomb Explosion Imaging. Sci. Rep. 6, 38202 (2016).
Coulomb eksplosion billeddannelse som et redskab til at skelne mellem stereoisomere
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter