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Chemistry

Stereoisomers 사이 구별 하는 도구로 쿨롱 폭발 영상

doi: 10.3791/56062 Published: August 18, 2017

Summary

작은 키 랄 종에 대 한 쿨롱 폭발 이미징 개별 분자의 handedness를 결정 하는 새로운 접근을 제공 합니다.

Abstract

이 기사에서는 COLTRIMS (찬 대상 반동 이온 추진력 분광학) 또는 "반응 현미경" 기술을 사용 하는 방법을 개별 분자의 수준에서 간단한 카이 랄의 상체 (stereoisomers) 사이 구별 하. 이 방법에서는, 샘플의 기체 분자 제트 진공 챔버로 확장 하 고 펨 (fs) 레이저 펄스와 교차. 펄스의 강도 높은 여러 이온화, 여러 양이온 (긍정적으로 위탁된) 파편을 생성 하는 소위 쿨롱 폭발 점화를 빨리 이끌어 낸다. 정전기 필드 가이드 시간 및 위치에 민감한 검출기에 이러한 양이온. 시간의 비행 질량 분석기와 마찬가지로, 각 이온의 도착 시간 그것의 질량에 대 한 정보를 생성합니다. 흑자로 정전기 필드는 방출 방향과 조각화 후 운동 에너지 이어질 유사 비행 시간 및 영향 위치 검출기에 방식으로 조정 됩니다.

각 이온 충격 감지기;에 전자 신호를 생성 이 신호는 높은 주파수 전자 처리 하 고는 컴퓨터에서 이벤트에 의해 이벤트를 기록. 등록 된 데이터는 영향 시간과 위치에 해당합니다. 이러한 데이터는 에너지와 각 조각의 방출 방향을 계산할 수 있습니다. 이러한 값은 조사, 즉 채권 길이 결정 분자에 의해 분자 다른 이성질체 기능과 간단한 카이 랄 종의 handedness를 수 있도록 원자의 상대적 위치를 분자의 구조적 속성 관련이 있습니다.

Introduction

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카이랄성은 150 년 이상에 대 한 매혹적인 연구 된 우리의 본성의 기능입니다. 19토 륨 세기, 파스퇴르, van't Hoff 등 분자 슈퍼-imposable-우리의 왼쪽 손과 오른쪽 처럼 되지 않은 두 개의 미러 이미지 구조에서 발생할 수 있습니다 발견. 이 속성 '랄', '손'에 대 한 그리스어 단어에서 불리 했다.

지금까지, 열역학 속성 또는 왼쪽 및 오른 형태 (는 두 ' 상체')의 에너지 레벨 차이가 발견 되었습니다. 주어진된 샘플의 handedness를 분석 하 고는 상체 분리, 다른 카이 랄 분자와 상호 작용 사용할 수 있습니다, 예를 들어 다양 한 chromatographical 방식에서 이루어집니다. 1 (진동) 원형이 색 성, (V) CD 등 광 회전 분산, 오드, Chiroptical 방법 정기적으로 상체를 구분 하기 위해 고용 됩니다. 2

그것은 미세한 구조의 결정에 관해서 라면, 이러한 기술 예: 양자 화학 계산에서에서 추가 정보가 필요. 직접 절대 구성 결정에 널리 허용 되는 유일한 기술이 이다 변칙 엑스레이 회절. 3

그것은 최근에 보였다 간단한 카이 랄의 절대적인 구성 쿨롱 폭발 영상에 의해 결정 될 수 있다. 4 , 5 이 방법에서는, 기체에서 분자는 곱하면 이온 수 있도록 나머지 코어는 강력 하 게 서로 격퇴. 이 반발 분자의 빠른 조각화 ('폭발') 이끌어 낸다. 방향과 크기-작은 분자에 대 한 분자의 구조를 조각 결합체 상관의 운동량 방향 일치 의외로 잘 본드 축. 분자 구조 결정에 대 한 쿨롱 폭발은 분자 이온 빔 가속기에서를 사용 하 여 개척 되었습니다. 6 이 빔 포 일 기술은 최근에 랄 인식에 대 한 적용. 7

변칙 엑스레이 회절, 반대로 샘플 결정 하지만 가스 단계에서 제공 되지 않아야 합니다. 이것은 쿨롱 폭발 접근 휘발성 종족에 대 한 적합 하 고 따라서 x 선 회절을 보완 합니다. 경우에 따라 handedness도 개별 분자에 대 한 확인할 수 있습니다.

실제로, 분자 구조의 정확한 재건 메탄 파생 상품, 예를 들면 중앙 탄소와 다른 치환 기 분자에도 어려운 입증 했다. 이것은 사실 조각 사이 상호 작용은 정확히 Coulombic 모든 채권 동시에 휴식에 기인 합니다. 특히 상체, 사이 구별을 stereochemical 정보를 얻기 위하여이 재건 다행히 필요는 없습니다. 대신, 다른 파편의 기세 벡터 수익률은 왼쪽 및 오른 분자에 대 한 수량 상관 될 수 있다. 신뢰할 수 있는 결과를 얻으려면, 적어도 4 개의 단편 결합체를 기록 해야 합니다.

이 기세 정보를 측정 하기 위해서는 한-그리고 한-분자 휴식-최대에서 파편 단일 측정 단계에서 검색 될 수 있다. 이 상태는 일반적으로 '일치 검색' 이라고 합니다. 또한, 방출 방향 있다 분석할 시간과 조각의 위치를 기록 하는 것에 금액 리스트 모드 데이터 형식에 영향을.

원자와 분자 물리학, 기술 개발 되었다 대량 분리 및 시간 및 위치에 민감한 멀티 히트 탐지기 정전기 분석기를 사용 하 여 측정의이 접근을 구현 하는. 가장 눈에 띄는 COLTRIMS (찬 대상 반동 이온 추진력 분광학) 설치-라고 반응 현미경입니다. 8 , 9 실험의이 종류에 대 한 스케치는 그림 1에서 주어진 다. 뿐만 아니라 전자를 기록할 수 있는 표준 COLTRIMS, 반대로 쿨롱 폭발 이미징 이온 검출기를을 요구 한다.

분석기와 검출기 초고 진공에서 마운트 (< 1 x 10-9 hPa) 잔류 가스에서 이온의 생성을 피하기 위해. 샘플의 단일 분자 만든 초음속 팽창에 의해 가스 무료 분자 jet를 통해 제공 됩니다: 증기압, 덕 분자 진공으로 소형 노즐 (약 50 µ m 직경) 통해 확장. 실험, 소스 챔버의이 부분은 일반적으로 두 개의 스키와 차동 펌핑된 단계 상호 작용 영역에서 분리 된다. 추가 섹션을 펌핑 차동은 가스 제트기를 덤프 하 고 따라서 상호 작용 영역에 배경 가스를 피하기 위해 상호 작용 지역 뒤에 위치 해 있습니다.

이온화 방사선 분자 제트 미만 90 °로 교차합니다. 싱크 로트 론 방사선, 빠른 이온 또는 전자 충격 가능한 '발사체' 쿨롱 폭발을 유도 하는 있지만 대부분 실험실 요즘 펨 레이저 펄스를 사용 합니다.

다음 프로토콜은 이온과 펨 레이저의 일치 이미징에 대 한 실행 설치 실험실에서 사용할 수 있는 가정 합니다. 4 개 또는 5 개의 조각으로 쿨롱 폭발을 유도 하는 데 필요한 최대 강도 6 x 1014 W/c m2의 순서 여야 합니다. 상당히 긴 측정을 방지 하려면 레이저의 반복 속도 10khz 이상 이어야 한다. 이것이 중요 한 한편으로, 일치 탐지 수만 수 ascertained 레이저 초점의 조각화에 대 한 확률은 크게 레이저 펄스 (이상적으로 하지 10% 이상) 당 1 아래 경우 때문에. 총 조각화 비율, 다른 한편으로, 해서는 안됩니다 몇 kHz 보다 낮은 있기 때문에 관련 multifragmentation 통로의 공유는 일반적으로 10-4. 으로 장려 사실 원리 이미 단일 조각 이벤트는 enantiopure 샘플의 구성을 식별 하기에 충분 및 몇 백의 그 검출에 상체의 풍부를 결정 하기 위해 수 있습니다 언급 해야 한 알 수 없는 enantiomeric 구성의 샘플입니다.

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Protocol

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주의: 실험실에서 실험과 연결 가능한 모든 위험에 잘 알고 있을 것을 확인 하십시오. 다음 절차에는 클래스 4 레이저, 높은 전압 진공 포함 됩니다. 조사를 종족에 대 한 물질 안전 데이터 시트 (MSDS)를 참조 하십시오.

1. 준비

  1. 예비 고려 사항
    참고: 실제 실험 시작 하기 전에 두 가지 주요 선택 해야; 조사에서 가능한 종에 관한 첫 번째 그리고 두 번째는 분석기에서 전기 분야. 그것은 가정 여기 설치는 다른 실험에 대 한 이전 사용 되었습니다 분석기 자체를 개장 될 것 이다.
    1. 샘플
      1. 의 선택 선택의 서명 handedness 또는 조사를 구조적 기능을 수행 하는 샘플을 조각화 경로 예상 될 수 있다. 마음에 계속 그 수소 원자는 자주 중립 파편;로 발표 수소 원자의 수만 다른 기능 그룹을 구별 아닐 수 있습니다. 간단한 (어쩌면 achiral) 종 halomethanes 또는 haloethanes 시작.
      2. 체크 샘플의 그 이상 0.02 mol이 성공적인 실험에 사용 된 최소한의 금액으로 하는 것은 그렇게까지
      3. 확인 충분 한 증기 압력은 샘플 달성. 기구 설계에 따라 증기 압력 > 5 hPa 레이저 실험에 대 한 충분 한 제트 밀도 대 한 필요 하다. 증기 압력이 상당히 낮은 경우 검사 경우 필요한 증기 압력 샘플을가 열 하 여 도달 될 수 있다. 이 승화는 후자에 대 한 미 덕으로 액체와 고체 모두 샘플에 대 한 가능한 수 있습니다. 난방 필요한 경우, 그것은 필요가 긍정적인 온도 기울기는 가스의 경로 따라 전달 시스템에서 (와 함께 뜨거운 부분 되 고 노즐)을 응축을 피하기 위해. 더 고급 샘플 준비 제도 같은 캐리어 가스에 의해 픽업 간주 될 수 있습니다.
    2. 는 분석기에 전기장 강도의 선택
      참고: 50 ~ 100 V/cm의 값 쿨롱 폭발 이미징에 대 한 합리적인 입증. 그러나 최적의 값은,는 분석기의 형상에 따라 달라 집니다. 아래 단계에는 전기장 강도 최적화 하는 방법을 보여 줍니다.
    3. 예상 예상된 양이온 파편의 비행의 시간
        . 질량 m 및 충전 q 입자의 비행의 평균 시간에 의해 주어진 단순히는 분석기 길이 s와 전계 강도 E 균질 필드 지역 으로만 구성 된, 경우
        < img alt = "공식 1" src = "/ files/ftp_upload/56062/56062eq1.jpg"/ >
      1. 검출기에 질량 m 조각 양이온의 확산 x 위의 계산 시간의 비행 t 및 수식을 사용 하 여 추정
        < img alt =" 공식 2 "src ="/files/ ftp_upload/56062/56062eq2.jpg"/ >
        이온 추진력 (150 원자 단위까지 양성자)의 최대 400 원자 단위의 결합체 p x을 얻게 될 것 이다.
      2. 가벼운 이온 종의 공간 확산 x 검출기 반지름 보다 크면 확산은 몇 밀리미터 감지기 크기 보다 작은 때까지 계산에 전기 분야 힘을 증가. 강도 훨씬 더 높은이 검출기에 덜 퍼져 무거운 조각에 대 한 낮은 해상도로 리드 해서는 안.
  2. 실험 설정의 확인
    참고: 실제 측정을 하기 전에, 그것은 실험 설치 잘 준비 하는 것을 확인할 수 있다.
  3. 상호 작용 약 실에 있는 진공은 체크
      < 1 x 10 -9 hPa. 이 경우가 아니라, 잔류 가스 높은 배경 율 이어질 것입니다. 진공 조건에 대 한 의심, 경우 단계 2.2.1까지 계속 하는 잔류 가스의 이온화 율은 결정 됩니다. 압력이 너무 높은 경우에, 누설 검사를 수행 합니다. 아무 누출 명백한 경우에, 몇 일 동안 챔버를 구워.
    1. 전압 공급 및 설명서에 따라 검출기 신호에 대 한 연결을 확인 하거나 설명 실험.
    2. 측정 컴퓨터에 데이터 수집 소프트웨어를 기록 하 고 분석 하는 적어도 4 개의 이온 수 있는지 확인 합니다. 전자 모듈의 죽은 시간과 신호 펄스 폭 30 아래는 ns.
  4. 준비 샘플 배달
    1. 샘플 배달 튜브 깨끗 하 고 연결 강화를 확인. 이 예제는 경우 부식성 (예: 산 성) 전달 시스템, 진공 챔버의 황삭 펌프의 모든 구성 요소는 선택한 샘플와 호환 있는지 확인 하십시오. 황삭 펌프와 펌프 샘플 배달 시스템, 밸브를 열고 실험 챔버에서 압력 증가 하지 확인.
    2. 클린 샘플 받는 준비. 아세톤 또는 일반적인 실험실 유리 그릇 세척기는 초음파 목욕 충분 하다.
    3. 샘플 (cf. 1.1.1.3)가 열 될 경우 저수지 및 샘플 배달 시스템의 난방을 준비 합니다. 가장 편리한 방법은 조절 난방 회로, 각자 난방 철사, 온도 센서 및 온도 컨트롤러의 구성을 사용 하는.
    4. 샘플은 매우 낮은 증기 압력, 또는 양식 클러스터 (예:이), 하는 경향이 경우 픽업 또는 불활성 가스와 copropagation에 대 한 다른 접근을 사용 합니다. 이러한 요구 사항에 따라 가스 라인의 디자인 수정.
    5. 분자 제트 잘 정렬 확인 합니다. 그 목적을 위해 사용 (예: 아르곤) 희귀 가스 샘플 밀도 제트를 얻을 수 있도록 (약 바 절대 압력 1 충분 해야 50 µ m의 노즐에 대 한). 제트 덤프 섹션에서 압력 노즐 탑재 조작자를 이동 하 여 극대화.
  5. 펄스 레이저 제공 펨
    참고: 이온화 펄스는 펨 레이저 시스템에 의해 제공 됩니다. 이 프로토콜의 범위를 벗어납니다 같은 레이저와 세부 사항에 그것의 사용을 설명 하. 상업 레이저 시스템을 사용 하는 경우 설명서를 참조 하십시오.
    1. 레이저에 스위치와 확인 레이저 빔 출력 프로필.
    2. 확인 및 수정 (필요한 경우) 각각 거울을 조정 하 여 실험의 입구 창 빔 경로.
    3. 필요한 경우 각각 조작자를 사용 하 여 실험 챔버 내부 초점 거울을 맞춥니다. 들어오는 광속에 관하여 초점 거울의 반사 센터.
    4. 삽입 필터 또는 약 6 x 10 14 W/c m 2의 피크 강도 달성 하기 위해 빔 경로에 회전 편광판. 일반 쿨롱 폭발 이미징에 대 한 선형 편광을 사용 합니다. 이 색 성 효과 조사 하는, 분극 입구 창 직전 분기 웨이브 플레이트에 의해 변경.
    5. 그것은 (예를 들어 반사는 또는 맞춤 거울을 통해 전송) 레이저 펄스의 신뢰할 수 있는 복제본을 기록할 수 있는 장소에는 포토 다이오드를 삽입 합니다. 광다이오드의 출력을 오실로스코프에 연결 하 고 다이오드 레이저의 반복 속도와 깨끗 한 펄스를 생성 하는 확인 하십시오.
    6. 항상 사용 중 경우의 빔 차단.

2. 분 광 계 및 검출기에

참고: 프로토콜의이 부분은 약간 분석기와 검출기 시스템의 실제 구현에 따라 다릅니다. 여기 설명은 6 각형 지연 선 검출기 (HEX75) 표준 COLTRIMS 설치에 대 한 유효 합니다. 10이 구현에는 검출기는 7 출력 채널: microchannels 번호판에 대 한 하나 (MCPs) 양극의 3 개의 층의 각각에 대해 2.

  1. 전원 공급 장치를 켭니다.
    1. 상호 작용 약 실에 있는 진공 게이지 끄고로 그들은 감지기에 의해 표시 되는 이온을 생성할 수 있습니다.
    2. 증폭 된 신호 출력 연결 (증폭 빠른 증폭기를 사용 하 여 ≈ 100) 빨리 (가급적 이면 아날로그) 오실로스코프에 MCP의. 5 또는 10 ns 시간 규모에 부서 마다 100 오실로스코프 설정 신호 규모로 부서 마다 mV. 전자 소음 30 아래 확인 mV.
    3. 스위치에 높은 전압 전원 공급 장치는 검출기에 대 한. 전형적인 이온 검출기는 전압 이며-2,000 전면 측면에 대 한 V 300 V 양극 측에 대 한. 전압 그리고는 MCPs의 나이에 따라 아날로그 신호는 최대한 하지만 포화 하지 않습니다 되도록 설정 해야 합니다. 현재 확인 하십시오. 그것은 검출기에 MCPs의 저항에 따라 다르지만 50 µ A를 초과 하지 않아야 합니다. 몇 백 mV의 신호 높이 초당 몇 가지 신호 오실로스코프 추적에 표시 되어야 합니다 (' 어두운 수 ').
    4. 값 단계 1.1.2에서에서 설립 하는 분석기에 대 한 전원 공급 장치 조정.
  2. 잔류 가스의 이온화를 통해 검출기 신호 확인
    참고: 검출기 시작에 대 한 자세한 설명 또한 해당 설명서에서 찾을 수 있습니다. 11 , 12
    1. 초점에서 10 14 W/c m 2 이하로 예상된 값에 레이저 강도 감소. 레이저를 차단 하 고 오실로스코프 트레이스를 볼. 이것은 레이저 반복 비율의 5%를 초과 하는 속도, 챔버에 잔류 가스의 양을 너무 높습니다 또는 레이저 빔을 접촉는 분석기. 계속 하기 전에이 문제를 해결. 수 속도 레이저 반복 비율의 5% 보다 훨씬 낮은 경우에, 점차적으로 레이저 강도 증가.
    2. 신호에 가까이 있다. 그들은 없고 몇 백 뮤직 비디오에의 한 피크 표시 한다 ' 울리는 ' (실제 펄스 후 진동). MCP 신호의 폭 10을 초과 하지 않아야 ns (FWHM).
    3. 모든 6 양극 신호 오실로스코프 트레이스를 봐. 신호는 광범위 한 여기 (20-30 ns), 그리고 일반적으로 낮은 전압에서 비트. 신호 없음 소요 있는지 다시 확인 합니다. 모든 양극 신호 100 아래 있다면 mV, 증가 전압 (2.1.3 단계) 동조 증폭기 이득 대 50의 단계에서 모든 채널에 대 한 동일한 펄스 높이 얻을 수.
    4. 일정 분수 판별자 (CFD)에 의해 표준 님 신호 (핵 계측 모듈)-0.8 V의 아날로그 신호를 변환합니다. 각 실험 실행 전에 CFD의 설정을 확인 합니다. 에 대 한 자세한 내용은 인터넷에서 사용할 수 있는 설명서를 참조 하십시오. 12 피드 님 펄스 시간-디지털 변환기 (TDC)로 기록 하 높은 해상도 (일반적으로 25 ps)과 펄스의 도착 시간. 이러한 시간 신호는 데이터 수집 및 분석 소프트웨어에 대 한 입력.
    5. 설정 데이터 수집 소프트웨어와 데이터를 기록 하는 시작. 보고-각 채널에 대 한 히트 배포 히스토그램 모든 채널에 대 한 유사 해야한다. 경우 즉 아닌 경우 일부 채널,이 채널에 대 한 CFD 설정 (2.2.4 단계)를 확인 합니다. 검출기 설명서에 설명 된 대로 각 검출기 계층에 대 한 배를 실행 하는 또한 신호의 합계를 검사 하 여 설정을 확인 하십시오. 필요한 경우는 Cfd의 설정을 수정.
    6. 는 데이터 수집 소프트웨어에 검출기 이미지를 표시합니다. 검출기는 확산 자리 (레이저 포커스의 이미지) 중앙에 있는 원으로 표시 되어야 합니다. 확장은 주로 이온화 되 면 잔류 가스의 열 속도.
    7. 공급 레이저 다이오드 (1.5.5 단계)의 신호 데이터 수집 선호 검출기 신호도 같은 방식에서입니다. 소프트웨어에서 시간의 비행 스펙트럼을 표시 합니다. 그들의 예상된 시간-의-출발지 분석기 형상 (단계 1.1.2.1)를 계산 하 여 (H 2, H 2 O, 아마도 N 2, O 2, CO 2) 관찰된 봉우리 잔류 가스 종 관계.
    8. 는 레이저 시스템의 분산 보정을 사용 하 여 계산 속도 극대화 하 여 레이저 펄스 지속 시간을 최소화 하십시오. 짧은 펄스 (및 높은 피크 강도) 속도의 상당한 증가 이어질 것입니다.
    9. 배경 압력이 너무 낮은 속도 위의 단계를 수행 하려면 충분히 높은 경우 가스 제트 설정 (단계 2.3 참조) 단계 2.2.1 2.2.8까지 하 고. 2.2.7 단계에서 비행 시간 스펙트럼 분명히 제트기에서 종에 의해 지배 다음 한다.
    10. 찾기 검출기의 절대 방향으로. 위해서는 이동 초점 거울 레이저 초점의 이미지 검출기 이미지 소프트웨어에 눈에 띄게 이동 합니다. (5.1.1 단계에서 사용 하는) 운동의 방향을 note합니다 실제 실험실 공간에 관하여 측정된 결합체의 전도 방지 하기 수 있기 때문에이 단계는 절대 구성의 측정에 대 한 중요.
  3. 가스 제트 및 레이저의 중복 찾을.
    1. 1.3.5 단계에 설명 된 대로 가스 제트 설정.
    2. 속도 증가 하는 경우와 매우 좁은 자리 (' 제트 자리 ') 데이터 수집 프로그램에 검출기 이미지에 표시 되는 분자 제트 및 레이저 빔 오버랩 적어도 부분적으로 확인. 이 경우에, 조정 제트 자리에 수를 극대화 하기 위해 신중 하 게 집중 시키는 거울에 대 한 조작. 최적의 중복에서 그들은 크기 순서에 의해 잔류 가스 (단계 2.2)에서 수 초과할 수 있습니다. MCP 수 속도 30 kHz를 넘지 않아야 하기 때문에 레이저 강도 줄일 수 있습니다. 잔류 가스의 이온화로 인해 배경 너무 높은 경우 가스 제트에서 신호에 비해, 더 좁은 초점을 도달 하는 챔버 밖에 서 레이저 빔 확대 고려.
    3. 없는 제트 자리 검출기 이미지에 표시 되는 경우 조정 초점 미러 중복, 찾아서 계속 더 큰 단계에서 다음 단계로 2.3.2 조작.

3. 샘플 배달

  1. 준비 하는 잘 모든 도구, 받는 사람 가스 켓 및 필요한 다른 항목 환경 샘플의 노출을 최소화 해야 합니다.
  2. 실험을 연결할 받는 사람으로 샘플을 채우십시오. 샘플 높은 증기 압력을가 하는 경우 받는 사람을 냉각 하 고이 단계에서 증발 손실을 줄이기 위해 미리 샘플.
  3. 제트 시스템에 샘플 실린더를 연결 하 고 연결 진공-증거를 조입니다. ()을 피하기 위해 샘플 손실 실린더 냉각 및 공기를 제거 하는 몇 초 동안 펌프.
  4. 노즐 밸브를 엽니다. 소스 참에 있는 압력ber 10 -5 hPa 이상에 증가 한다.
  5. 제트 자리 표시 (2.3.2 단계) 인지 확인 하 고 식별 시간의 비행 스펙트럼에서 가장 눈에 띄는 봉우리.
  6. 최적화 실험 조건 (온도, 레이저 강도, copropagating 가스의 압력을 조정 …) 샘플에서 이온화 율을 최대화 하기 위해. 제트 조작 (단계 1.4.5)의 조정 해야 할 수 있습니다 있도록 난방 부품의 열 확장을 리드 하는 유의 하십시오.

4. 측정

참고: 다음 단계는 데이터 수집 소프트웨어에서 수행 됩니다.

  1. 질량 스펙트럼과 일치 스펙트럼 확인.
    1. 플롯 시간의 비행 스펙트럼 및 조각화 (부모 질량, 풍부한 조각)에서 발생할 수 있는 대 중에 게 다른 봉우리를 할당.
    2. X 축에 첫 번째 이온의 비행의 시간 및 y 축에 두 번째 이온의 비행의 시간을 플롯합니다. 많은 건의와 지역 일치에서 방출 하는 2 개의 파편을 나타냅니다. 날카로운 대각선 두 충전된 조각으로 휴식-최대 나타냅니다.
    3. 예를 들어 x 축에 처음 두 이온에 대 한 항공편의 시간의 합계와 y 축에 3, 4 이온에 대 한 항공편의 시간에 더 많은 입자에 대 한 비슷한 히스토그램 플롯. 이러한 multicoincidence 스펙트럼의 예를 그림 2에 표시 됩니다.
    4. 4 입자 또는 5-입자 스펙트럼에 다른 브레이크 업 확인 하 고 조사를 받고 구조 정보를 얻을 수 있는 헤어가 되 고 있는지 확인 하려고.
  2. 측정 시간 추정.
    1. 실험 1 시간 약에 대 한 실행 하 고 선택한 채널에 대 한 카운트 수를 확인 하자. 백그라운드 이벤트를 계산 하지 않도록 주의 하십시오.
    2. 실험을 위해 사용할 수 있는 예상된 시간으로이 숫자를 곱하십시오. 관련 채널에는 총 수는 적어도 몇 수천 되어야 합니다.
    3. 선택한 채널의 수는 크게이 번호 아래의 경우 레이저 강도 증가 하 고 4.2.1 및 4.2.2 단계 반복 합니다. 속도가 일치 검색에 충분히 낮은 조심 (소개 참조).

5. 데이터 분석

참고: 쿨롱 폭발 이미징 실험에서 데이터 분석은 복잡 한, 아직 많은 매개 변수 실험과 다양 한 상관 관계는 측정 사이 후 괜찮을 수 있기 때문에 작업 보람 결합체를 탐험 하실 수 있습니다. 모든 다음 단계는 일반적으로 데이터 분석 소프트웨어에서 실험 후 수행.

  • 보정 실험 매개 변수

      참고: 첫 번째 단계에서 위치와 시간 정보는 검출기에서 재건 올바른지 확인 하십시오. 튜닝 (2.2 단계), 전자의 정확한 절차로 비슷한 데이터 분석 소프트웨어에이 경우에 특정 구현에 따라 다릅니다. 따라서, 몇 가지 일반적인 조언을 주어질 수 있다.
    1. 검출기의 음모 이미지
        입니다. 모든 3 개의 양극 층에 대 한 검출기 이미지의 크기에 해당 하는 MCP의 실제 크기와 검출기 이미지는 가운데에 0에 확인 하십시오. 3 개의 층의 모든 조합 동일한 검출기 이미지 생성 확인 합니다. 경우 필요한 회전 또는 검출기 이미지의 좌표 시스템 실험실 프레임에 해당 하는 검출기를 대칭 (를 사용 하 여 단계 2.2.10의 측정).
      1. 시간의 비행 스펙트럼에서 다른 대 중 식별 하 고 이러한 값을 분석기 기능 (단계 1.1.2.1)에 맞게. 이 단계에서 중요 한 매개 변수는 비행 시간 t 0 모든 비행 시간 값 수정된 위해 해야 하는 오프셋
      2. (Cf. 단계 4.1.4) 우연의 일치 스펙트럼에서 봐야 하 고 유망한 헤어 채널을 식별 합니다. 몇 100의 비행 시간 값에는 게이트를 넣어 하는 것이 좋습니다 재미 있는 주위 ns 패턴 및 추가 단계에 대 한 이러한 창 내의 이벤트에만 선택. 그렇지 않으면, 불필요 한 이벤트의 양은 너무 커서 고 분석 속도.
      3. X, y, t 추가 분석에 대 한 수정된 값을 저장.
    2. 이온 결합체 및 에너지 계산.
      1. 사용 실험 매개 변수 및 추진력 구성 요소 p x, p y p z를 계산 가정된 대량 충전 비율. 조각과 그들의 합계, 운동 에너지 방출 (KER)의 운동 에너지를 계산 하려면 다음을 사용.
      2. 를 사용 하 여 일치 스펙트럼 (단계 4.1.4) 전기 분야 E와 분석기 길이 s 강도와 충격 위치 비행 시간 대의 미세 조정에 대 한 결정 위치 오프셋 x 0y 0과 속도 v j 가스 제트의 . 정밀 교정은 필요한 경우, 사용 N 2와 O 2 단독 2로 분할 혐의로 종 운동 에너지 방출에 매우 좁고 잘 특징이 진동 progressions (참고. 13 참조 및 참조 거기에).
        1. 플롯 p vs x p y 등 고를 결합체 모멘텀 공간에서 (예를 들어 2 차원 플롯에 원) 영역에 분산 가운데 0에 매개 변수를 조정할. 이것은 사실은 운동 에너지 이온 파편의 방출 방향에 의존 하지 해야 합니다.
        2. 플롯 분자 휴식-최대에서 모든 조각의 합 기세. 완벽 한 헤어, 분포 좁은 이어야 합니다 (일반적으로 < 10 원자 단위 기세) 0에서 중심으로.
    3. 관련 이벤트를 선택 하 고 분자 시스템의 속성을 조사.
      1. 관찰된 봉우리 (각 방향에서 보통 20 원자 단위) 주위 합계 모멘텀에 제약 조건을 설정 하 여 백그라운드에서 실제 헤어 이벤트 분리.
      2. 이러한 이벤트를 사용 하 여 벡터 산술 수량 조사를 구조 정보를 포함 하는 구성. 왼쪽 및 오른 stereoisomers 사이 감 별 법에 대 한 예는 다음 섹션에서 제공 됩니다.
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    Representative Results

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    이 부분에서 우리는 halomethanes에 대 한 결과 보여줍니다. 이러한 종의 원리 증명 실험 그들의 단순 하 고 높은 증기 압력 때문에 이상적입니다. 한편, 더 복잡 한 종 halothane 여러 이온화를 유도 하는 싱크 로트 론 소스에서 단일 소프트-x-선 광자를 사용 하 여 조사 했다. 14

    CHBrClF

    Bromochlorofluoromethane (CHBrClF) 카이 랄 분자 stereogenic 탄소 원자에 대 한 교과서 예제입니다. 그것은 또한 그것의 간단한 구조와 높은 증기압 (실 온에서 약 600 hPa) 쿨롱 폭발 이미징에 대 한 이상적인 후보자. 불행 하 게도, 종족은 사용할 수 없습니다 상용; 여기에 제시 된 실험에 대 한 라 세미 혼합물 반응 CHBr2Cl HgF2 참조15에 의해 합성 되었다. Enantio 농축 샘플은 않았으나 대 한 결과만 지금까지 얻은 있도록 필요 수량에 얻기 어렵다.

    여기에 제시 된 결과 대 한 샘플 약 240 k 주어진된 노즐 (펄스 당 이온화 가능성의 10%)와 적절 한 대상 밀도를 냉각 했다. 레이저의 피크 강도 6 x 1014 W/c m2을 것으로 추정 했다. 100 kHz 레이저 반복 속도로 측정이 했다 11 h.

    RS를 구분 하기 위해-상체, 정규화 된 트리플 제품 3 할로겐 불 소, 염소, 브롬의 기세 벡터에서 계산 됩니다. 기하학적으로,이 불 소 추진력과 염소와 브롬 결합체의 평면 사이의 각도의 코사인 값으로 해석할 수 있다.

    Equation 3

    그림 3 은 cosθ 동위 원소 채널79Br35ClF, 기하학적 정의 함께. 분명 두 봉우리는 상체를 나타내는 볼 수 있습니다. 봉우리의 위치는 고전 분자 동역학 시뮬레이션에 일치 합니다. 거의 아무 배경이 있으면 handedness의 할당 단일 분자 수준에서 작동 합니다.

    CHBrCl2

    경우에 발생 하는 CHBrCl2 의 카이랄성은 동위 35Cl 및 37Cl은 동일한 분자에 존재. 동위 원소의 자연 풍부한 샘플 랄 achiral 분자를 따라서 포함 되어 있습니다. 두 개의 추가 합병증 발생 여기: 첫째, 염소 및 브롬 동위의 비행 시간 배포판 오버랩 각각 작은 질량 차이 때문. 이것은 특히 염소에 대 한 관련 handedness의 동위 원소의 정확한 할당에 따라 달라 집니다. 둘째, 랄 종 채널79Br35Cl37Cl achiral 종 채널81Br35Cl2로 같은 총 질량 (내 설치의 정확성) 있다. 이 종족의 조사 방법에 대 한 벤치 마크 테스트로 따라서 볼 수 있습니다.

    사용 하는 분석기와 (분석기 길이 s 60.5 m m, 전계 강도 E = = 57.1 V/cm), 데이터 랄 동위 원소 채널79Br35Cl37Cl 총 기세를 통해 선택 될 수, 사용 하는 알고리즘 참조16 안타를 할당 하 여 제안 어떤 동위 원소에 속한다.

    기하학 고려 사항 두 염소 동위 원소는 같은 시간--비행의; 있는 공간에서 분자의 방향 수 있다는 결론에 도달 리드 이 경우에, 그들은 원리의 문제로 서 고유 수 없습니다. 이러한 이벤트에 밖으로 정렬 하려면 프로시저 보충 자료 참조4에서 설명 하고있다. 그 결과, isotopically 카이 랄 분자의 구성 높은 안정성으로 확인할 수 있습니다.

    Figure 1
    그림 1 : COLTRIMS 설치로 보기. 분자는 노즐을 통해 설치 프로그램을 시작 하 고 스키의 쌍을 통해 전달 합니다. 상호 작용 약 실에서 레이저 펄스 분자 제트 미만 90 °로 교차. 이온은 검출기 (위)에 분석기의 전기 분야에 의해 인도 된다. 더 나은 가시성에 대 한 모든 분석기 번호판 표시 됩니다. 나머지 분자 상호 작용 지역에서 가능한 배경 압력을 유지 하는 차동 펌핑된 섹션 (제트 덤프)에 버려진. 그림 G. Kastirke에 의해 참조17 권한이 있는 수정. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

    Figure 2
    그림 2 : 4-입자 우연 스펙트럼. 이 히스토그램은 4 개의 입자에 시간의 비행 질량 스펙트럼의 확장: 검출기에 첫 번째 및 두 번째 타격에 대 한 항공편의 시간의 합 x에 그려집니다-축, 제 3 및 4에 대 한 합계 y에 명 중 했다-축. 봉우리의 중심 4 감지 된 파편의 질량을 확인 수 있습니다. 추가 정보를 포함 하는 구조의 모양: 파편의 결합체를 0을 추가 하는 경우 이벤트 (H, CF, Cl, Br) 좁은 줄에 포함 됩니다. 경우 들 키 지 않고 조각 운반 기세, 측정 된 입자의 0이 아닌 총 기세의 기능 확대 이끌어 낸다. 용도로, 싱크 로트 론, 레이저, 측정 데이터는 더 높은 통계 때문 여기 사용 됩니다. 그림 참조5 와 일리 VCH 의해에서에서 재현. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

    Figure 3
    그림 3 : 5-입자 휴식-최대 CHBrClF의 카이랄성 매개 변수를 통해 상체의 구별 cos Θ 텍스트에 정의 된. 양수 값에 피크 R enantiomer, S enantiomer을 음수 값에 피크에 해당합니다. 삽입 보여줍니다 cos θ 기하학적으로. 낮은배경은 handedness 개별 분자에 대 한 할당 수 있습니다. 그림 참조4 AAAS가에서 재현. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

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    Discussion

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    때문에 다양 한 구성 요소, COLTRIMS 설치 필요 전문 기술, 진공 기술, 입자 감지, 빠른 전자 및 데이터 분석의 분야에서 특히의 다소 높은 수준을 합니다. 하기 전에 복잡 한 종족의 수사에, 그것은 따라서 수 철저 하 게 확인 한다 설치 예: 수행 하 고 2 원자 또는 triatomic 종에 측정 분석 하 여 제대로 실행 되는 경우.

    레이저 펄스와 분자 제트 오버랩의 기간과 강도 최적화 하는 것입니다 가능한 여러 이온화 이벤트 만큼 달성 하 게 근본적. 로 운동량 분포는 레이저 펄스의 다른 주기 동안 순차적 이온화 때문 확대 수 있습니다, 펄스 기간 넘지 말아야 한다 이상적으로 40 fs. 측정, 동안 그것은 충분 한 통계를 얻을 중요 합니다. 긍정적인 측면에서 절대 구성의 필요 하지 않습니다 다른 우연 실험, 절차에 비해 특히 높은 정밀도 오히려 강력한 레이저 또는 제트 강렬에서 변동 하 고 전기 분석기에서의 필드 왜곡

    기술은의 가장 근본적인 제한 우려 큰 분자에의 적용. 한 마음 결과의 조각, 결합체 나타내는 아니라 실제 공간에서 분자의 구조에에서 유지 해야 합니다. 복잡 한 생물 분자에 대 한 측정된 결합체와 분자 구조 사이의 관계 하지 여기에 제시 하는 분자에 관해서는 간단 전망 이다. 또한, 복잡 한 분자 구성, 가능 하 게 관련 된 채널의 수익률 감소에 대 한 정보를 수행 하지 않습니다 많은 헤어 채널을 생성할 수 있습니다. 이론적인 조각화의 모델링, 브레이크 업 패턴 및 더 정교한 분석 절차의 제어 필요 합니다 기술 3 개 이상의 탄소 원자를 가진 분자를 확장 해야 하는 경우. 현재 단계에서 그것은 단백질의 구성 또는 유사한 복합성의 분자 조사 수 되지 않는 것 같습니다 하지만 실제 한계 아직도 결정 될 것.

    현재 설치의 또 다른 한계 분자 제트로 인해 상대적으로 높은 샘플 소비 이다. 그것은 재활용 메커니즘 (예: 진공 foreline 콜드 트랩)을 구현 하 여 줄일 수 있습니다. 그럼에도 불구 하 고, 그것은 심정을 토로 제트기, thermodesorption18 등 다른 샘플 준비 방법 테스트 또는 탈 착 기법19 가스 단계에서 생물 분자를 공부에 대 한 성공적으로 적용 된 레이저를 도움이 될 것 이다.

    쿨롱 폭발 이미징 파괴적인 방법, 분자 구성의 결정에 대 한 조각화를 더 이상 사용할 수 없습니다. 그러나, 작은 일부만 (이 이전 단락에서 언급 한 높은 샘플 소비에 대 한 이유 중 하나)를 이온화 실제로 된다. 따라서 후속 응용 프로그램에 대 한 재활용된 분자를 사용 하 여 수 있습니다.

    우연의 일치 기술 이것이 특히 카이 랄 분자에 비대칭 효과의 조사에 대 한 새로운 시각을 엽니다 결합체의 측정 특정 공간 방향을 선택 하 고 분자의 '정렬된' 데이터 집합을 만들 수 있습니다는 경우 전자의 결합체 일치 완벽 한 COLTRIMS 설치를 사용 하 여 달성 될 수 있는 측정 하는 경우. 펌프-프로브 기법 또한 랄 종의 구조 역학을 공부 하실 수 있습니다.

    아주 최근에, 쿨롱 폭발 이미징도 사용 하 고 cis트랜스의 절대 형상 결정-이 성체,20 가능한 종 및 질문 해결의 새로운 클래스를 추가. 우연이 분광학과 입체 화학의 조사는 여전히 초기 단계에, 저자는이 문서에서는 새로운 실험을 이전 단락에 명시 된 방향에서 일 하는 연구자를 격려 하기 바랍니다.

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    Disclosures

    저자 아무 경쟁 관심사를 선언합니다.

    Acknowledgments

    로버트 버거 (Philipps 대학 Marburg, 독일)를 감사 우리가 우리의 데이터와 분자 카이랄성의 해석에 대 한 논의 일반적 영감. 우리는 제공 하는 샘플에 대 한 ZHAW Wädenswil (스위스)에서 줄리아 Kiedrowski 알렉산더 Schießer와 마이클 Reggelin TU 다름슈타트 (독일)에서 뿐 아니라 벤자민 Spenger, 마누엘 Mazenauer, Jürgen Stohner 감사.

    프로젝트 초점 ELCH (랄 시스템의 전자 역학)와 연방 교육부의 연구 (BMBF) 아래 과학 · 경제 우수 헤센 주 이니셔티브에 의해 지원 되었다. MS는 아돌프 메 재단이 재정 지원을 인정 한다.

    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).
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    20. Ablikim, U., et al. Identification of absolute geometries of cis and trans molecular isomers by Coulomb Explosion Imaging. Sci. Rep. 6, 38202 (2016).
    Stereoisomers 사이 구별 하는 도구로 쿨롱 폭발 영상
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    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

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