Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Coulomb explosie Imaging als een instrument om te onderscheiden tussen stereo-isomeren

doi: 10.3791/56062 Published: August 18, 2017

Summary

Voor kleine chirale soorten biedt Coulomb explosie Imaging een nieuwe benadering om te bepalen van de handigheid van individuele moleculen.

Abstract

Dit artikel toont hoe de COLTRIMS (koude Target terugslag Ion Momentum spectroscopie) of de "reactie Microscoop" techniek kan worden gebruikt om te onderscheiden tussen enantiomeren (stereo-isomeren) van eenvoudige chirale soorten op het niveau van afzonderlijke moleculen. In deze benadering een gasvormige moleculaire straal van het monster breidt uit naar een vacuuemcel en kruist met de laserpulsen femtoseconde (fs). De hoge intensiteit van de pulsen leidt tot snel meerdere ionisatie, ontsteken een zogenaamde Coulomb explosie die verschillende kationische (positief geladen) fragmenten produceert. Een elektrostatisch veld begeleidt deze caties op tijd en positie gevoelige detectoren. Gelijkaardig aan een massaspectrometer time-of-flight, de aankomsttijd van elke ion levert informatie over de massa. Als een overschot, is het elektrostatische veld aangepast op een manier dat de richting van de emissie en de kinetische energie na fragmentatie tot variaties in de time-of-flight en in de positie van invloed op de detector leiden.

Elke ion effect creëert een elektronisch signaal in de detector; Dit signaal is behandeld door Hoogfrequent elektronica en gebeurtenis door gebeurtenis geregistreerd door een computer. De geregistreerde gegevens komen overeen met de tijden van de gevolgen en posities. Met deze gegevens, kunnen de energie en de richting van de emissie van elk fragment worden berekend. Deze waarden zijn gerelateerd aan de structurele eigenschappen van de molecule onderzochte, dat wil zeggen aan de bindingslengte en de relatieve posities van de atomen, waardoor bepalen molecuul door molecule de handigheid van eenvoudige chirale soorten en andere isomere functies.

Introduction

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

Chiraliteit is een functie van onze natuur die al meer dan 150 jaar fascinerende onderzoekers. In de 19e ontdekt eeuw, Pasteur, van't Hoff en anderen dat moleculen kunnen optreden in twee spiegelbeeld structuren die niet super-waardoor - zoals onze linker- en rechterhand. Deze eigenschap werd genoemd 'chiraal centrum', van het Griekse woord voor 'hand'.

Tot nu toe is geen verschil in thermodynamische eigenschappen of in de energieniveaus van links - en rechtshandig vormen (de twee ' enantiomeren') gevonden. Om de handigheid van een monster te analyseren en te scheiden van de enantiomeren, kan interactie met andere chirale moleculen worden gebruikt, zoals bijvoorbeeld in verschillende chromatographical benaderingen wordt gedaan. 1 Chiroptical methoden zoals (vibrationele) circulair dichroïsme, (V) CD en optische hiervoor dispersie, ORD, worden routinematig die onderscheid maken tussen enantiomeren. 2

Als het gaat om de bepaling van de microscopische structuur, vereisen deze technieken extra informatie, bijvoorbeeld van quantum-chemische berekeningen. De enige techniek die is algemeen aanvaard om rechtstreeks de absolute configuratie is abnormaal Röntgendiffractie. 3

Onlangs is gebleken dat de absolute configuratie van eenvoudige chirale soorten kan worden bepaald door Coulomb explosie Imaging. 4 , 5 in deze aanpak, moleculen in de gasfase zijn vermenigvuldigen geïoniseerd zodat de resterende kernen sterk elkaar afstoten. Deze afkeer leidt tot snelle fragmentatie ('explosie') van de moleculen. De richting en de omvang van het fragment momenta correlaat aan de structuur van de molecule – voor kleine molecules, de dynamiek richtingen overeen met verrassend goed de obligatie-assen. Coulomb explosie voor Moleculaire structuurbepaling heeft zijn baanbrekend werk verricht met behulp van molecuulion balken uit een versneller. 6 deze lichtbundel folie techniek heeft onlangs ook toegepast voor chirale erkenning. 7

In tegenstelling tot abnormale röntgendiffractie mag het monster geen kristallijne maar verstrekt in de gasfase. Dit maakt de Coulomb explosie aanpak ideaal voor vluchtige soorten en dus aanvulling op Röntgendiffractie. In bepaalde gevallen kan zelfs de rechts-of linkshandigheid worden bepaald voor individuele moleculen.

In de praktijk, heeft de exacte wederopbouw van de moleculaire structuur moeilijk zelfs voor methaan derivaten, bijvoorbeeld moleculen met een centrale koolstof en verschillende substituenten bewezen. Dit wordt toegeschreven aan het feit dat de interactie tussen de fragmenten niet precies Coulombic is en dat niet alle obligaties tegelijk breken. Met het oog op de stereochemische informatie, met name om te onderscheiden tussen enantiomeren, is deze reconstructie gelukkig niet nodig. In plaats daarvan kunnen de vectoren van de dynamiek van de verschillende fragmenten worden gecorreleerd zodanig dat deze een aantal dat is verschillend voor de links - en rechtshandig moleculen. Om betrouwbare resultaten, moeten ten minste vier fragment momenta worden geregistreerd.

Om te meten deze dynamiek informatie, moeten de fragmenten uit één- en slechts één-moleculaire uiteenvallen worden gedetecteerd in de stap van een enkele meting. Deze aandoening wordt meestal aangeduid als "samenvallende detectie". Bovendien, moeten de richtingen van de emissie worden geanalyseerd, die van invloed zijn bedragen in de praktijk om de tijd en de positie van het fragment te registreren in een lijst-modus-gegevensindeling.

In de atomaire en moleculaire fysica, zijn technieken ontwikkeld, die deze benadering van de meting worden geïmplementeerd door gebruik te maken van elektrostatische spectrometers voor massale scheiding en en positie-tijdgevoelige multi-hit detectoren. Het meest prominente voorbeeld is de COLTRIMS (koude Target terugslag Ion Momentum spectroscopie) setup – ook bekend als reactie Microscoop. 8 , 9 een schets voor dit soort experimenten wordt gegeven in Figuur 1. In tegenstelling tot een standaard COLTRIMS die elektronen ook kan opnemen, vereist Coulomb explosie Imaging alleen de ion detector.

Spectrometer en detector zijn gemonteerd onder ultra hoog vacuüm (< 1 x 10-9 hPa) om te voorkomen dat de oprichting van ionen uit residuele gas. Afzonderlijke moleculen van het monster worden geleverd via een gasvormige gratis moleculaire straal gemaakt door supersonische uitbreiding: op grond van de dampdruk, de moleculen uit te breiden door middel van een kleine spuitmond (ongeveer 50 µm diameter) in het vacuüm. Dit deel van het experiment, de kamer van de bron, wordt gescheiden van de interactie-regio door meestal twee skimmers en differentieel gepompt stadia. Een extra differentieel gepompt sectie ligt direct achter de interactie regio te dumpen van de gas-jet en dus vermijden achtergrond gas in de regio van de interactie.

De ioniserende straling snijdt met behulp van de moleculaire straal onder 90°. De meeste laboratoria gebruiken tegenwoordig femtoseconde laserpulsen, hoewel synchrotronstraling, snelle ionen of elektron effect mogelijk 'projectielen' voor het opwekken van Coulomb explosie.

Het volgende protocol maakt de veronderstelling dat een setup uitvoeren voor samenvallende beeldvorming van ionen en een laser femtoseconde zijn beschikbaar in het lab. De piek intensiteit die nodig zijn voor het opwekken van Coulomb explosie in vier of zelfs vijf fragmenten moet worden over de volgorde van 6 x 1014 W/cm2. Om te voorkomen dat de buitengewoon lange metingen, moet de herhaling van de laser 10 kHz of meer. Dit is van cruciaal belang, want aan de ene kant, samenvallende detectie alleen kan worden vastgesteld als de kans voor versnippering in de laser focus ligt aanzienlijk lager dan 1 per laser pulse (idealiter niet meer dan 10%). Het percentage van de totale fragmentatie, aan de andere kant, mag niet lager zijn dan een paar kHz omdat het aandeel van de relevante multifragmentation trajecten meestal minder dan 10-4 is. Zo bemoedigend feit, dient te worden vermeld dat in principe al een interne versnippering gebeurtenis is voldoende om te identificeren van de configuratie van een monster enantiomeer en die detectie van een paar honderd toelaat om te bepalen van de overvloed van de enantiomeren in een steekproef van de onbekende Enantiomere samenstelling.

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

Let op: Zorg ervoor dat u vertrouwd zijn met alle mogelijke gevaren verbonden met het experiment als in het laboratorium. De onderstaande procedure omvat klasse-IV lasers, hoogspanning en vacuüm. Het veiligheidsinformatieblad (MSDS) raadplegen voor de soorten worden onderzocht.

1. voorbereiding

  1. voorbereidende overwegingen
    Opmerking: voordat het werkelijke experiment begint, twee belangrijke keuzen moeten worden gemaakt; de eerste met betrekking tot de mogelijke soorten onder de onderzoeken en de tweede de veldsterkte in de spectrometer. Hier wordt aangenomen dat de setup nog eerder is gebruikt voor andere experimenten en dat de spectrometer zelf niet zal worden verbouwd.
    1. Keus van steekproef
      1. Kies een monster waar fragmentatie trajecten kunnen worden verwacht dat dragen van de handtekening van de rechts-of linkshandigheid of de structurele functie worden onderzocht. Houd er rekening mee dat waterstof atomen vaak als neutrale fragmenten uitgebracht zijn; functionele groepen die alleen door het aantal waterstofatomen verschillen kan waarschijnlijk niet worden onderscheiden. Beginnen met eenvoudige (misschien achiraal) soorten zoals halomethanes of haloethanes.
      2. Check dat ten minste 0,02 mol van het monster is beschikbaar als dit het minimale bedrag gebruikt in succesvolle experimenten is zo nu toe
      3. Verifiëren dat een voldoende dampdruk haalbaar is met het monster is. Afhankelijk van het ontwerp van het toestel, damp druk > 5 hPa nodig zijn voor een voldoende dichtheid van jet voor laser experimenten. Als de dampdruk beduidend lager is, onderzoeken indien de vereiste druk van damp kan worden bereikt door verwarming van het monster. Dit is mogelijk voor zowel vloeibare als vaste monsters, op grond van de sublimatie voor het laatste. Als verwarming vereist is, is het noodzakelijk dat een positieve temperatuurgradiënt langs het pad van het gas in het uitvoeringssysteem (met het mondstuk wordt het heetste deel) om condensatie te voorkomen. Meer geavanceerde monster voorbereiding regelingen zoals pick-up door een draaggas kan worden beschouwd.
    2. Keuze van de elektrische veldsterkte in de spectrometer
      Opmerking: een waarde van 50 tot 100 V/cm voor Coulomb explosie Imaging redelijk heeft bewezen. De optimale waarde, is echter afhankelijk van de geometrie van de spectrometer. De volgende stappen laten zien hoe de elektrische veldsterkte te optimaliseren.
      1. Raming de time-of-flight van de verwachte kationische fragmenten. Als de spectrometer alleen uit een homogeen veld regio met lengte s en de elektrische veldsterkte E bestaat, het gemiddelde time-of-flight van een deeltje met massa m en lading q gewoon wordt gegeven door
        < img alt = "Vergelijking 1" src = "/ files/ftp_upload/56062/56062eq1.jpg"/ >
      2. de x van de verspreiding van het fragment kationen met massa m op de detector schatten met behulp van de time-of-flight t berekend boven en de formule
        < img alt ="Vergelijking 2"src ="/bestanden/ ftp_upload/56062/56062eq2.jpg"/ >
        ionen krijgt momenta p x van maximaal 400 atomaire eenheden van momentum (protonen tot 150 atomaire eenheden).
      3. Als de ruimtelijke verspreiding x van de lichtste ion-soorten groter dan de straal van de detector is, Verhoog de elektrische veldsterkte in de berekening totdat de verspreiding enkele millimeters kleiner dan de detector is. De veldsterkte mag niet veel hoger als dit leidt tot een lagere resolutie voor zwaardere fragmenten die minder op de detector zijn verspreid.
  2. Controle van experimentele opstelling
    Opmerking: voordat de werkelijke meting, moet worden gecontroleerd dat de experimentele opzet is goed voorbereid.
    1. Controleer het vacuüm in de zaal van de interactie is < 1 x 10 -9 hPa. Als dit niet het geval, zal de resterende gas leiden tot een hoge achtergrond tarief. In geval van twijfel over de vacuüm voorwaarden, blijven tot stap 2.2.1 waar de ionisatie van het resterende gas wordt bepaald. Als de druk te hoog is, een lek-controle uitvoeren. Als het geen lek is herkenbaar, bak de kamer voor een paar dagen.
    2. Controleer of de aansluitingen voor de voedingsspanning en de signalen van de detector volgens de handleiding of beschrijving experimenteren.
    3. Controleer of de software van de overname van gegevens op de computer van de meting kunnen vastleggen en analyseren van ten minste vier ionen. Zorg ervoor dat de dode tijd van de elektronische modules en de pulsbreedte van de signalen onder 30 ns.
  3. Voorbereiden monster levering
    1. Controleer of de steekproef levering buizen zijn schoon en de verbindingen aangescherpt. Als het monster is bijtend (bv zure) Zorg ervoor dat alle onderdelen in het uitvoeringssysteem en de roughing pompen van de Vacuuemcel verenigbaar zijn met het gekozen monster. Pomp van het uitvoeringssysteem van het monster met een roughing pomp, opent u de kleppen en verifiëren dat de druk in de experimentele kamer niet groeit.
    2. Schoon en bereiden van de monster-ontvanger. Een ultrasoonbad met aceton of een gebruikelijke laboratorium glaswerk wasmachine volstaan.
    3. Bereiden de verwarming van reservoir en monster delivery systeem als het monster worden verwarmd moet (zie 1.1.1.3). De handigste manier is het gebruik van regelbare verwarming circuits, eenieder die zijn samengesteld uit een draad van Verwarming, een temperatuursensor en een temperatuurregelaar.
    4. Als het monster heeft een zeer lage dampdruk, of als het de neiging om vorm clusters (bijvoorbeeld zuren), gebruiken verschillende benaderingen voor ophaal- of copropagation met inerte gassen. Het ontwerp van de lijnen van het gas afhankelijk van deze vereisten wijzigen.
    5. Check dat de moleculaire jet goed wordt uitgelijnd. Gebruik voor dat doel, een gasmonster van zeldzame (bijvoorbeeld Argon) zodat een dichte jet kan worden bereikt (ongeveer 1 bar de absolute druk moet voldoende zijn voor een mondstuk 50 µm). De druk in de jet dump sectie maximaliseren door het bewegen van de manipulator waarnaar de verstuiver is gemonteerd.
  4. Geven femtoseconde laserpulsen
    Opmerking: de ioniserende pulsen worden geleverd door een systeem van de laser femtoseconde. Een dergelijke laser en het gebruik ervan in detail te beschrijven valt buiten het bestek van dit protocol. Als een commerciële lasersysteem wordt gebruikt, raadpleegt u de handleiding.
    1. Zet de laser aan en controleer de laserstraal profiel aan de uitgang.
    2. Controleren en corrigeren (indien nodig) het pad van de lichtbundel naar het venster van de ingang van het experiment door aanpassing van de respectieve spiegels.
    3. Indien nodig, uitlijnen de focus spiegel binnen de experimentele zaal met de respectieve manipulator. Centreren van de reflectie van de focus spiegel met betrekking tot de binnenkomende lichtbundel.
    4. Invoegen filters of een draaibare polarisator in het pad van de lichtbundel te bereiken een piek intensiteit van ongeveer 6 x 10 14 W/cm 2. Gebruiken voor normale Coulomb explosie Imaging, lineaire polarisatie. Als dichroïsme effecten worden onderzocht moeten, de polarisatie met een kwart-golf plaat vlak voor de ingang-venster wijzigen.
    5. Invoegen een fotodiode op een plaats waar het een betrouwbare replica van de pols van de laser (bijvoorbeeld een reflectie of de transmissie via een spiegel uitlijning) kan opnemen. De output van de fotodiode verbinden met een oscilloscoop en verifiëren dat de diode schoon pulsen met de herhaling van de laser produceert.
    6. Altijd blokkeren de lichtbundel wanneer niet in gebruik.

2. Inschakelen van de Spectrometer en detectoren

Opmerking: dit deel van het protocol is enigszins afhankelijk van de daadwerkelijke uitvoering van de spectrometer en detector systeem. De omschrijving hier is geldig voor een standaardinstallatie van de COLTRIMS met een zeshoekig vertraging lijn detector (HEX75). 10 in deze implementatie, een detector heeft 7 uitgangskanalen: één voor de microchannels platen (MCP's) en twee voor elk van de drie lagen van de anode.

  1. Voedingen inschakelen.
    1. Vacuüm meters in de zaal interactie uitschakelen als zij zouden kunnen produceren ionen die door de detector worden gezien.
    2. Sluit het versterkte signaaluitgang (met behulp van een snelle versterker met versterking ≈ 100) van de MCP aan een snelle (bij voorkeur analoge) oscilloscoop. De oscilloscoop instellen met 5 of 10 ns per divisie op de tijdschaal en 100 mV per divisie op de schaal van het signaal. Controleer of de motorgeluiden onder 30 mV.
    3. Schakelaar op de hoog-voltage voeding voor de detector. De spanning is een typisch ion detector,-2,000 V voor de voorzijde en 300 V voor de anode kant. De spanning is afhankelijk van de leeftijd van de MPPs en moet worden zo ingesteld dat de analoge signalen maximale zijn maar doen niet verzadigen. Controleer de huidige. Het hangt van de weerstand van de MPPs in de detector maar mag niet hoger zijn dan 50 µA. Op het spoor van de oscilloscoop, een paar signalen per seconde met een hoogte van het signaal van meerdere honderden mV zichtbaar moeten zijn (' graven van de donkere ').
    4. Afstemmen van de voeding voor de spectrometer aan de waarde die is ingesteld in stap 1.1.2.
  2. Controleren detector signalen via ionisatie van residuele gas
    Opmerking: een gedetailleerde beschrijving van de detector start-up kan ook gevonden worden in de respectievelijke handleidingen. 11 , 12
    1. verminderen de intensiteit van de laser tot een geschatte waarde beneden 10 14 W/cm 2 in de focus. Deblokkeren van de laser en Bekijk de oscilloscoop trace. Als dit tot een tarief meer dan 5% van de laser herhaling snelheid leidt, de hoeveelheid residuele gas in de kamer is te hoog of de laserstraal raakt de spectrometer. Dit probleem oplossen voordat u verdergaat. Als de graaf-tarief aanzienlijk lager dan 5% van de herhaling van de laser is, geleidelijk verhogen van de intensiteit van de laser.
    2. Hebben een kijkje op de signalen. Ze moeten alleen tonen een piek van verschillende honderden mV en no ' beltonen ' (oscillaties na de werkelijke pols). De breedte van het MCP-signaal mag niet hoger zijn dan 10 ns (FWHM).
    3. Kijken naar de sporen van de oscilloscoop van alle zes anode signalen. De signalen zijn bredere hier (20-30 ns), en meestal een beetje lager in spanning. Controleer nogmaals dat er geen verstoring van signaal aanwezig zijn. Als alle anode signalen onder 100 mV, verhoging van de spanning (stap 2.1.3) in stappen van 50 V. Tuning de versterker gain helpen kan om dezelfde pols hoogte voor alle zenders.
    4. Omzetten in deze analoge signalen standaard NIM signalen (nucleaire Instrumentation Module) van -0,8 V door een Constant deel discriminator (CFD). Controleer de instellingen van de CFD voor elk experimenteel punt. Voor een uitgebreide beschrijving, verwijzen naar een handleiding beschikbaar op het internet. 12 feed de NIM pulsen in een tijd / Digitaal-Converter (TDC) dat records de aankomsttijd van de pulsen met een hoge resolutie (meestal 25 ps). De signalen van deze tijd zijn de input voor de data-acquisitie en analyse software.
    5. Inschakelen de data acquisitie software en start de opname van de gegevens. Kijk op de hit verdeling voor elk kanaal - de histogrammen moeten vergelijkbaar zijn voor alle zenders. Als dat niet het geval voor sommige kanalen, Controleer de CFD-instellingen (stap 2.2.4) voor deze kanalen. Controleer de instellingen door te inspecteren bovendien de som van het signaal bewerkingstijden voor elk van de detector lagen zoals beschreven in de handleiding van de detector. Indien noodzakelijk, kunt corrigeren de instellingen van de CFDs.
    6. Beeld een detector in de data-acquisitie software. De detector moet worden weergegeven als een cirkel met een diffuse plek (beeld van de laser focus) in het midden. De uitbreiding van de plek is voornamelijk te wijten aan de thermische snelheid van de resterende gas dat gets geïoniseerd.
    7. Feed het signaal van de laserdiode (stap 1.5.5) in de data-acquisitie, bij voorkeur op dezelfde manier als de signalen van de detector. Een time-of-flight spectrum worden weergegeven in de software. Hebben betrekking op de waargenomen pieken residuele gas soorten (H 2 H 2 O, eventueel N 2, O 2, CO 2) door het berekenen van hun verwachte tijd-van-vluchten uit de geometrie van de spectrometer (stap 1.1.2.1).
    8. Probeer te minimaliseren de impulstijd laser door het maximaliseren van de graaf-tarief, met behulp van de correctie van de spreiding van het lasersysteem. Een kortere puls (en dus een hogere piek intensiteit) zal leiden tot een aanzienlijke verhoging van het tarief.
    9. Als de achtergrond druk zo laag is dat het tarief niet voldoende hoog is om het uitvoeren van de bovenstaande stappen, schakelt u de gas-jet (zie stap 2.3) en stappen 2.2.1 tot 2.2.8. Het spectrum van de time-of-flight in stap 2.2.7 moet dan duidelijk worden gedomineerd door de soort van de jet.
    10. Zoeken uit de absolute oriëntatie van de detector. Om dit te doen, verplaats de focus spiegel zodat het imago van de laser focus zichtbaar in de afbeelding van de detector in de software beweegt. Opmerking de richting van de beweging (gebruikt in stap 5.1.1). Deze stap is belangrijk voor de meting van absolute configuratie omdat het in staat stelt om te voorkomen dat de omkering van de gemeten momenta met betrekking tot de ruimte van de echte laboratorium.
  3. Vinden van overlapping van gas jet en laser.
    1. De gas-jet inschakelen, zoals beschreven in stap 1.3.5.
    2. Als de snelheid verhoogt en een zeer smalle plek (' jet plek ') is zichtbaar op de afbeelding van de detector in de data-acquisitie-programma, zorgen dat de moleculaire jet en laser beam overlap op zijn minst gedeeltelijk. Tune in dit geval de manipulator voor de focus spiegel zorgvuldig te maximaliseren van de graven in de jet-plek. Op optimale overlap, mag ze met ordes van grootte hoger zijn dan het aantal graven uit het residuele gas (stap 2.2). Kan het nodig zijn de laser-intensiteit afnemen omdat het MCP graaf tarief mag niet hoger zijn dan 30 kHz. Als de achtergrond als gevolg van de behandeling door ionisering van het resterende gas te hoog in vergelijking met het signaal van de gas-jet is, kunt u overwegen om uit te breiden van de laserstraal buiten de vergaderzaal te bereiken een meer smalle focus.
    3. Als geen jet-vlek zichtbaar op de afbeelding van de detector is, stemmen de manipulator voor het scherpstellen spiegel in grotere stappen naar het vinden van de overlap, en blijven vervolgens met stap 2.3.2.

3. Proef de levering

  1. bereiden goed alle tools, ontvangende pakkingen en andere items die nodig zijn, als de blootstelling van het monster aan het milieu moet worden geminimaliseerd.
  2. Vul het monster in de ontvanger die wordt verbonden met het experiment. Als het monster een hoge dampdruk heeft, afkoelen van de ontvanger en genieten van tevoren ter vermindering van de verdamping verliezen in deze stap.
  3. De monster cilinder verbinden met de jet-systeem en draai de verbinding vacuüm-proof. Koel de cilinder (Voorkom monster verliezen) en pomp voor een paar seconden om lucht.
  4. Opent de klep aan de verstuiver. De druk in de bron-chamber moet oplopen tot ten minste enkele 10 -5 hPa.
  5. Controleert of dat een jet plek is zichtbaar (stap 2.3.2) en identificeert de meest prominente pieken in het spectrum van de time-of-flight.
  6. Optimaliseren experimentele omstandigheden (temperatuur, laser intensiteit, druk van het gas copropagating aanpassen …) te maximaliseren van het tarief van de ionisatie van het monster. Houd in gedachten dat verwarming tot thermische expansie van de componenten, leidt zodat de aanpassing van de jet manipulator (stap 1.4.5) kan het nodig zijn.

4. Meting

Opmerking: de volgende stappen worden uitgevoerd in de data-acquisitie software.

  1. Controleer massaspectrum en toeval spectrum.
    1. Uitzetten van een time-of-flight-spectrum en het toewijzen van de verschillende toppen aan de massa's die in de versnippering (bovenliggende massa, overvloedige fragmenten optreden kunnen).
    2. De time-of-flight van de eerste ion op de x-as en de time-of-flight van de tweede ion op de y-as worden uitgezet. Regio's met veel graven geven twee fragmenten in toeval uitgestoten. Scherpe diagonale lijnen geven een break-up in twee geladen fragmenten.
    3. Plot een soortgelijke histogram voor meer deeltjes, bijvoorbeeld de som van de tijd-van-vluchten voor de eerste twee ionen op de x-as en de som van de tijd-van-vluchten voor de ion van het derde en vierde op de y-as. Een voorbeeld van een dergelijke multicoincidence-spectrum is afgebeeld in Figuur 2.
    4. Proberen te identificeren van de verschillende break-ups in de vier-deeltje of vijf-deeltje spectrum en controleer of er een break-up die, de structuurgegevens onderzochte opleveren kan.
  2. Meting tijd schatten.
    1. Laat het experiment uitgevoerd gedurende ongeveer 1 uur en controleer het nummer van graven voor het gekozen kanaal. Wees voorzichtig niet te tellen achtergrond gebeurtenissen.
    2. Vermenigvuldig dit aantal met de verwachte beschikbare tijd voor het experiment. Het totale aantal graven in het gewenste kanaal moet ten minste een paar duizend.
    3. Als het aantal graven in het gekozen kanaal aanzienlijk lager dan dit nummer ligt, verhogen van de intensiteit van de laser en herhaal stap 4.2.1 en 4.2.2. Wees voorzichtig dat het tarief nog steeds laag genoeg voor samenvallende detectie is (Zie Inleiding).

5. Data-analyse

Opmerking: Data-analyse in een experiment Coulomb explosie Imaging is een complex, maar belonen taak omdat veel parameters kunnen worden verfijnd na het experiment en een veelheid van correlaties tussen de gemeten Momenta kunnen worden verkend. Alle volgende stappen worden gewoonlijk uitgevoerd na het experiment in de data-analysesoftware.

  1. Kalibreren experimentele parameters
    Opmerking: In een eerste stap, ervoor zorgen dat de positie en tijd informatie gereconstrueerd op basis van de detector juist is. Vergelijkbaar met de afstemming van de elektronica (stap 2.2), de precieze procedure hangt af van de specifieke implementatie, in dit geval op de software van de analyse van de gegevens. Dus, alleen wat algemeen advies kan worden gegeven.
    1. Plot beelden van de detector. Controleer dat de grootte van de afbeelding van de detector voor alle lagen van de drie anode, komt met de werkelijke grootte van de MCP overeen en dat de detector afbeelding is gecentreerd op 0. Controleer of dat alle combinaties van de drie lagen dezelfde detector afbeelding opleveren. Zo nodig roteren of spiegelen van de detector, zodat het coördinatensysteem van het detector beeld komt met het laboratorium frame overeen (gebruik de metingen van stap 2.2.10).
    2. Identificeren van verschillende massa's in het spectrum van de time-of-flight en passen de spectrometer-functie (stap 1.1.2.1) aan deze waarden. De belangrijke parameter in deze stap is de time-of-flight gecompenseerd t 0 dat alle time-of-flight waarden moeten worden gecorrigeerd voor
    3. Neem een kijkje op het toeval spectra (zie stap 4.1.4) en veelbelovende uiteenvallen kanalen te identificeren. Het is aanbevolen om een hek te zetten door de time-of-flight-waarden van een paar 100 ns rond de interessante patronen en selecteer alleen de gebeurtenissen in deze vensters voor de verdere stappen. Anders, de hoeveelheid overbodige gebeurtenissen is te groot en de analyse zal vertragen.
    4. Slaan de gecorrigeerde waarden voor x, y, t voor verdere analyse.
  2. Berekenen ion momenta en energieën.
    1. Gebruik de experimentele parameters en de veronderstelde massa-naar-charge-ratio's om het momentum onderdelen p x, p y en p z te berekenen. Deze gebruiken voor het berekenen van de kinetische energie van de fragmenten en hun som, de vrijlating van de kinetische energie (KER).
    2. Gebruik het toeval spectrum (stap 4.1.4) voor "fine-tuning"-de elektrische veldsterkte E en de spectrometer lengte s en een plot van invloed positie vs. time-of-flight om de positie-offsets x 0 en y 0 en de snelheid v j et van de gas-jet. Als een precisie-kalibratie nodig is, betalen gebruik N 2 en O 2 fragmenteren in tweeën afzonderlijk soort met zeer smalle en goed gekarakteriseerd vibrationele progressies in de release van de kinetische energie (Zie Ref. 13 en verwijzingen daarin).
      1. Plot p x vs p y etc. en afstemmen van de parameters, zodat de momenta worden gedistribueerd op een bol in dynamiek ruimte (bijvoorbeeld op een cirkel in de twee-dimensionale percelen) en gecentreerd op 0. Dit is vanwege het feit dat de kinetische energie mag niet afhankelijk zijn van de richting van de emissie van het ion fragment.
      2. Plot de dynamiek van de som van alle fragmenten uit een moleculaire break-up. Voor een volledige break-up, moet de verdeling smalle (meestal < 10 atomaire eenheid dynamiek) en gecentreerd op 0.
  3. Selecteer relevante gebeurtenissen en eigenschappen van de moleculaire systeem onderzoeken.
    1. Scheiden van de werkelijke gebeurtenissen van het uiteenvallen van de achtergrond door het instellen van beperkingen in de dynamiek van de som rond de waargenomen toppen (meestal minder dan 20 atomaire eenheden in elke richting).
    2. Voor deze gebeurtenissen, vector rekenkundig te gebruiken voor het bouwen van de hoeveelheden die de structurele bevatten om te worden onderzocht. In de volgende sectie wordt een voorbeeld voor de differentiatie tussen links - en rechtshandig stereo-isomeren gegeven.

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

In dit deel tonen we de resultaten voor de halomethanes. Deze soorten zijn ideaal voor het aantonen van de principiële experimenten door hun eenvoud en hoge dampdruk. In de tussentijd heeft de meer complexe soorten halothaan onderzocht met behulp van één soft-x-ray fotonen van een synchrotron bron voor het opwekken van meerdere ionisatie. 14

CHBrClF

Bromochlorofluoromethane (CHBrClF) is een schoolvoorbeeld voor chirale moleculen met een stereogenic koolstof-atoom. Het is ook de ideale kandidaat voor Imaging-Coulomb explosie als gevolg van zijn eenvoudige structuur en de hoge dampdruk (rond 600 hPa bij kamertemperatuur). De soort is helaas niet beschikbaar commercieel; voor het experiment hier gepresenteerd, werd een racemisch mengsel gesynthetiseerd door reactie CHBr2Cl met HgF2 volgens referentie15. Enantio verrijkte monsters zijn moeilijk te verkrijgen in de hoeveelheden nodig zodat alleen voor racemates resultaten tot nu toe.

Voor de resultaten die hier gepresenteerd was het monster afgekoeld tot ongeveer 240 K te verkrijgen van een passende doelstelling dichtheid met de gegeven mondstuk (10% van ionisatie waarschijnlijkheid per puls). De intensiteit van de piek van de laser werd geschat op 6 x 1014 W/cm2. De meting 100 kHz laser herhaling tempo nam 11u.

Teneinde te onderscheiden van de R - en S-enantiomeren, een genormaliseerde triple product is berekend op basis van de vectoren van de dynamiek van de drie halogenen fluor, chloor en broom. Geometrisch, kan deze hoeveelheid worden geïnterpreteerd als de cosinus van de hoek tussen het fluor-momentum en het vlak van de momenta chloor en broom.

Equation 3

Figuur 3 toont cosθ voor de isotoop CH79Br35ClF, samen met de geometrische definitie. Twee duidelijke pieken zijn zichtbaar, met vermelding van de enantiomeren. De positie van de pieken strookt met de simulatie van een klassieke moleculaire dynamica. Zoals bijna geen achtergrond aanwezig is, werkt de toewijzing van rechts-of linkshandigheid op het niveau van een enkel molecuul.

CHBrCl2

De chiraliteit van CHBrCl2 treedt alleen op als de isotopen 35Cl zowel 37Cl in het molecuul aanwezig zijn. Een monster met natuurlijke overvloed van isotopen bevat dus chirale en achiraal moleculen. Twee extra complicaties ontstaan hier: ten eerste, de time-of-flight verdelingen van de isotopen van chloor en broom overlappen respectievelijk als gevolg van de kleine massa verschil. Dit is met name relevant voor chloor, zoals de bepaling van de rechts-of linkshandigheid is afhankelijk van de juiste toewijzing van de isotopen. Ten tweede heeft de chirale soorten CH79Br35Cl37Cl (binnen de instellingen van de nauwkeurigheid) dezelfde totale massa als de achiraal soorten CH81Br35Cl2. Het onderzoek van deze soort kan dus gezien worden als een benchmark-test voor de methode.

Met de spectrometer gebruikt (spectrometer lengte s = 60.5 mm, elektrische veldsterkte E = 57.1 V/cm), de gegevens voor de chirale isotoop CH79Br35Cl37Cl kon worden geselecteerd via de totale impuls, met behulp van een algoritme voorgesteld door verwijzing16 toe te wijzen die van de hits behoort tot welke isotoop.

Geometrische overwegingen leiden tot de conclusie dat kan er oriëntaties van het molecuul in de ruimte waar de twee isotopen van chloor het zelfde tijd-of-flight hebben; in dit geval, kunnen zij niet onderscheiden als een kwestie van principe. Een procedure voor het uitzoeken van deze gebeurtenissen is beschreven in de aanvullende materialen referentie4. Dientengevolge, kan de configuratie zelfs van ionenpaar chirale moleculen worden bepaald met hoge betrouwbaarheid.

Figure 1
Figuur 1 : Weergave in de opstelling van een COLTRIMS. Moleculen het installatiemenu via het mondstuk en passeren van een paar van de skimmers. In de zaal van de interactie steken de laserpulsen met behulp van de moleculaire straal onder 90°. Ionen zijn geleid door de veldsterkte van de spectrometer liggen naar de detector (boven). Voor betere zichtbaarheid staan niet alle platen van de spectrometer. De resterende moleculen worden gedumpt in een differentieel gepompt sectie (jet dump) om te houden van de druk van de achtergrond in de regio interactie zo laag mogelijk. Figuur gewijzigd van referentie17 met toestemming door G. Kastirke. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2 : Vier-deeltje toeval Spectrum. Dit histogram is een uitbreiding van een time-of-flight massaspectrum aan vier deeltjes: de som van de tijd-van-vluchten voor de eerste en tweede hit op de detector worden uitgezet op de x-as, de som voor de derde en vierde hit op de y-as. Het midden van de pieken kunt identificeren van de massa's van de vier gedetecteerde fragmenten. De vorm van de structuren bevat aanvullende informatie: als de momenta van de fragmenten tot nul toevoegt, de gebeurtenissen staan in een smalle lijn (H, CF, Cl, Br). Als een onopgemerkt fragment dynamiek draagt, wordt de niet-nulzijnde totale impuls van de gemeten deeltje leidt tot een verbreding van de functies. Ter illustratie, worden gegevens van synchrotron, niet laser, metingen hier gebruikt als gevolg van hogere statistieken. Figuur overgenomen van verwijzing5 met toestemming door Wiley-VCH. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3 : Onderscheid van enantiomeren in de vijf-deeltje break-up van CHBrClF via de parameter chiraliteit cos Θ als omschreven in de tekst. De piek op positieve waarden komt overeen met de R-enantiomeer, de piek op negatieve waarden aan het S-enantiomeer. De inzet toont cos θ geometrisch. De lageachtergrond zorgt voor een toewijzing van rechts-of linkshandigheid voor individuele moleculen. Figuur overgenomen van referentie4 met toestemming van AAAS. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

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

Vanwege de verscheidenheid aan onderdelen vereist een COLTRIMS setup een vrij hoog niveau van technische expertise, met name op het gebied van vacuüm techniek, deeltje detection, snelle elektronica en data-analyse. Voordat ik overga tot het onderzoek van complexe soorten, moet het dus worden grondig gecontroleerd als de setup goed, bijvoorbeeld draait door het uitvoeren en analyseren van een meting op een diatomic of triatomisch soorten.

Optimaliseren van de intensiteit en de duur van de laserpulsen en de overlapping met de moleculaire straal is essentieel voor het bereiken zo veel meerdere ionisatie evenementen mogelijk. Zoals de verdeling van de dynamiek als gevolg van de opeenvolgende ionisatie tijdens verschillende cycli van de laser-pols verbreden kan, de impulstijd moet idealiter niet meer bedragen dan 40 fs. Tijdens de meting is het van cruciaal belang voor het verkrijgen van voldoende statistieken. Aan de positieve kant vereist de vaststelling van absolute configuratie geen een bijzonder hoge nauwkeurigheid in vergelijking met andere toeval experimenten, dat wil zeggen de procedure is vrij robuust op schommelingen in de laser of jet intensiteit en naar elektrische veld verstoringen in de spectrometer.

De belangrijkste beperking van de techniek heeft betrekking op de toepasbaarheid op grotere moleculen. Men moet houden in het achterhoofd dat de resultaten de momenta van fragmenten vertegenwoordigen, niet de structuur van de moleculen in de reële ruimte. Voor complexe bio-moleculen, de relatie tussen gemeten momenta en moleculaire structuur niet naar verwachting worden zo eenvoudig als voor de moleculen die hier gepresenteerd. Bovendien, kunnen complexe moleculen produceren veel uiteenvallen kanalen die niet voor informatie over de configuratie zorgt, eventueel verlagen het rendement van relevante kanalen. Theoretisch modelleren van de versnippering, controle van uiteenvallen patronen en meer geavanceerde analyse procedures nodig zal zijn indien de techniek is om te worden uitgebreid tot moleculen met drie of meer koolstofatomen. In het huidige stadium, het lijkt niet mogelijk te onderzoeken van de configuratie van eiwitten of moleculen van vergelijkbare complexiteit, maar de werkelijke beperkingen moeten nog worden bepaald.

Een andere beperking van de huidige setup is de relatief hoge monster consumptie als gevolg van de moleculaire straal. Het kan worden verminderd door de uitvoering van een recycling mechanisme (bv . koude vallen in de vacuüm foreline). Echter zou het gunstig zijn voor de andere steekproef voorbereiding testmethoden zoals uitbundig stralen, thermodesorption18 of laser desorptie technieken19 die met succes zijn toegepast voor de studie van bio-moleculen in de gasfase.

Coulomb explosie Imaging is een "destructieve methode", dat wil zeggen de moleculen die gefragmenteerd zijn geweest voor bepaling van de configuratie kunnen niet verder worden gebruikt. Echter is slechts een klein deel eigenlijk geïoniseerd (dit is een van de redenen voor de consumptie van de veel monsters in de vorige alinea genoemde). Het mogelijk dus gebruik van de gerecycleerde moleculen voor latere toepassing.

Als de meting van de momenta toelaat een 'uitgelijnde' gegevensset van de moleculen maken en selecteren van bepaalde ruimtelijke richtingen, het toeval techniek opent nieuwe perspectieven voor het onderzoek van asymmetrie effecten in chirale moleculen dit met name is de Indien de momenta van de elektronen worden gemeten in toeval, die kan worden bereikt met behulp van een volledige installatie van de COLTRIMS. Pomp-sonde technieken laat bovendien de structurele dynamica van chirale soorten bestuderen.

Zeer onlangs, Coulomb explosie Imaging is ook gebruikt om te bepalen van de absolute meetkunde van cis - en trans-isomeren,20 voor het toevoegen van een nieuwe klasse van mogelijke soorten en vragen worden aangepakt. Als het onderzoek van stereochemie met toeval spectroscopie nog in de kinderschoenen is, hopen de auteurs dat dit artikel helpt om te inspireren onderzoekers werkzaam in de aanwijzingen in de voorgaande alinea's op nieuwe experimenten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs verklaren geen concurrerende belangen.

Acknowledgments

Wij danken Robert Berger (Philipps-Universität Marburg, Duitsland) voor inspirerende discussies over de interpretatie van onze gegevens en moleculaire chiraliteit in het algemeen. Wij zijn dankbaar aan Julia Kiedrowski, Alexander Schießer en Michael Reggelin van de TU Darmstadt (Duitsland), evenals Benjamin Spenger, Manuel Mazenauer en Jürgen Stohner van ZHAW Wädenswil (Zwitserland) voor het verstrekken van het monster.

Het project werd gesteund door het initiatief van de staat Hessen voor wetenschappelijke en economische Excellence onder de focus Flamingo (Electron dynamica van chirale systemen) en het federale ministerie van onderwijs en onderzoek (goedgekeurd). MS erkent financiële steun door de Adolf Messer foundation.

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 explosie Imaging als een instrument om te onderscheiden tussen stereo-isomeren
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