Method Article
للأنواع الصغيرة من مراوان، "تصوير الانفجار كولومب" يقدم نهجاً جديداً لتحديد استخدام إحدى اليدين الجزيئات الفردية.
يوضح هذا المقال كيف يمكن استخدام كولتريمس (الباردة الهدف نكص أيون الزخم التحليل الطيفي) أو تقنية "رد فعل المجهر" للتمييز بين متبلور مضاد (الفراغية) الأنواع مراوان بسيطة على مستوى الجزيئات الفردية. في هذا النهج، يتوسع في فراغ غرفة طائرة الجزيئات غازية العينة ويتقاطع مع نبضات ليزر femtosecond (خ). كثافة عالية من البقول يؤدي إلى سرعة التأين متعددة، تشعل "انفجار" ما يسمى كولومب التي تنتج عدة أجزاء (مشحونة بشكل إيجابي) الموجبة. حقل الكتروستاتي أدلة هذه الكاتيونات على كاشفات تراعي الوقت والموقف. شبيه وقت الطيران مطياف كتلة، وقت وصول كل أيون تعطي معلومات عن كتلته. كفائض، يتم ضبط الحقل الكهربائي في طريقة باتجاه الانبعاثات والطاقة الحركية بعد تجزئة تؤدي إلى اختلافات في الوقت الطيران وفي الموقف أثر على الجهاز.
ينشئ كل تأثير أيون إشارة إلكترونية في الكاشف؛ هذه الإشارة هو معاملة إلكترونية عالية التردد وتسجيل الحدث بالحدث باستخدام كمبيوتر. تتوافق مع البيانات المسجلة إلى إضعاف تأثير ومواقف. مع هذه البيانات، يمكن حساب الطاقة واتجاه الانبعاث لكل جزء. هذه القيم مرتبطة بالخصائص الهيكلية للجزيء قيد التحقيق، أي إلى أطوال السندات والمواضع النسبية للذرات، مما يسمح بتحديد جزيء بجزيء الطغيان الأنواع مراوان بسيطة وإضافة ميزات أخرى.
شرليتي هو سمة من سمات طبيعتنا التي تم الباحثين رائعة لأكثر من 150 عاماً. في 19th القرن، باستور، هوف van't وآخرين اكتشف أن جزيئات يمكن أن تحدث في هذين الهيكلين صورة طبق الأصل ليست سوبر مفروضة-مثل دولنا اليسرى واليد اليمنى. هذه الخاصية سمي 'مراوان'، من اليونانية كلمة 'اليد'.
وحتى الآن تم العثور على أي اختلاف في الخصائص الحرارية أو في مستويات الطاقة من أشكال اليد اليسرى واليمنى (اثنين 'متبلور مضاد'). بغية تحليل استخدام إحدى اليدين لنموذج معين وفصل متبلور مضاد، يمكن استخدام التفاعل مع جزيئات مراوان أخرى، كما هو الحال على سبيل المثال في مختلف النهج تشروماتوجرافيكال. 1 تستخدم أساليب تشيروبتيكال مثل تلوانيه دائرية (الذبذبات) والقرص المضغوط (V) والتشتت البصري الدنمارك، ORD، بشكل روتيني للتمييز بين متبلور مضاد. 2
عندما يتعلق الأمر بتحديد بنية مجهرية، هذه التقنيات تتطلب الحصول على معلومات إضافية، على سبيل المثال من حسابات الكم والكيميائية. الأسلوب الوحيد المقبول على نطاق واسع لتحديد التكوين المطلق مباشرة من الشاذ حيود الأشعة السينية. 3
لقد ثبت مؤخرا أن التكوين المطلقة من الأنواع مراوان بسيطة يمكن تحديده من خلال "التصوير كولومب الانفجار". 4 , 5 في هذا النهج، الجزيئات في الطور الغازي يتم ضرب المتأين حيث أن النوى المتبقية بشدة صد كل للآخر. هذا التنافر يؤدي إلى تجزئة سريع (الانفجار) للجزيئات. الاتجاه وحجم ربط مومنتثم يفتت الهيكل للجزيء – للجزيئات الصغيرة، تتوافق مع التوجيهات الزخم المثير للدهشة كذلك على المحاور السندات. كانت رائدة "كولومب الانفجار" لتحديد التركيبة الجزيئية باستخدام الحزم الأيونية الجزيئية من 'مسرع'. 6 تقنية رقائق شعاع هذه الآونة الأخيرة كما تم تطبيقها للتعرف على مراوان. 7
خلافا شاذا حيود الأشعة السينية، يجب إلا يكون العينة بلوري بل منصوص عليه في الطور الغازي. وهذا يجعل النهج "الانفجار كولومب" مثالية للأنواع المتقلبة وهكذا يكمل حيود الأشعة السينية. وفي بعض الحالات، لا يمكن تحديد استخدام إحدى اليدين حتى للجزيئات الفردية.
في الممارسة العملية، قد ثبت إعادة الضبط في بنية جزيئية صعبة حتى بالنسبة لمشتقات الميثان، مثل جزيئات الكربون مركزية وسوبستيتوينتس المختلفة. يعزى ذلك إلى حقيقة أن التفاعل بين الأجزاء ليست بالضبط كولومبيك وأن كسر السندات ليست كلها في وقت واحد. للحصول على معلومات تركيبية، لا سيما أن نميز بين متبلور مضاد، هذا التعمير لحسن الحظ غير ضروري. بدلاً من ذلك، يمكن أن يرتبط ناقلات الزخم من أجزاء مختلفة تسفر عن كمية متميزة للجزيئات اليد اليسرى واليمنى. للحصول على نتائج يمكن الاعتماد عليها، أن مالا يقل عن أربعة بلغة مومنتثم تسجيلها.
لقياس هذه المعلومات الزخم، بالشظايا من واحد – وواحد فقط – الجزيئية تفكك يمكن اكتشافها في خطوة واحدة قياس. هذا الشرط وعادة ما يشار إلى 'كشف تزامنت'. وباﻹضافة إلى ذلك، اتجاهات الانبعاثات يجب أن يتم تحليلها، التي تؤثر على المبالغ في الممارسة العملية لتسجيل الوقت والموقف من الجزء في تنسيق بيانات وضع قائمة.
في الفيزياء الذرية والجزيئية، استحدثت تقنيات تنفيذ هذا النهج للقياس باستخدام الطيف الكهربائي كاشفات المتعددة ضرب الانفصال وتراعي الوقت والموقف الجماعي. هو أبرز مثال على الإعداد كولتريمس (الباردة الهدف نكص أيون الزخم التحليل الطيفي) – المعروف أيضا "رد فعل المجهر". 8 , 9 رسماً تخطيطياً لهذا النوع من التجربة ويرد في الشكل 1. خلافا كولتريمس قياسية التي يمكن أن تسجل الإلكترونات، وكذلك، "كولوم الانفجار التصوير" يتطلب الكشف عن أيون فقط.
مطياف والكاشف هي التي شنت تحت الفراغ فائقة (< 1 × 10-9 hPa) لتجنب إنشاء أيونات من الغاز المتبقية. جزيئات مفردة من العينة التي ترد عن طريق طائرة جزيئية حرة غازية الناجمة عن التوسع الأسرع من الصوت: حكم ضغط البخار، توسيع الجزيئات من خلال فوهة صغيرة (حوالي 50 ميكرومتر القطر) في الفراغ. يتم فصل هذا الجزء من التجربة، دائرة المصدر، من منطقة التفاعل كاشطات عادة اثنين ومراحل ضخ متفاوتاً. إضافية الأثران ضخ قسم يقع خلف منطقة التفاعل تفريغ الطائرة النفاثة غازات، وبالتالي تجنب الغاز الخلفية في منطقة التفاعل.
بالإشعاع المؤين يتقاطع مع الطائرة النفاثة الجزيئية تحت 90°. معظم المختبرات في الوقت الحاضر استخدام نبضات الليزر femtosecond، على الرغم من أن الإشعاع السنكروتروني، سرعة الأيونات أو تأثير إلكترون 'القذائف' ممكن للحث على "الانفجار كولومب".
البروتوكول التالي يجعل افتراض أن تشغيل برنامج إعداد لتصوير تزامنت الأيونات وليزر femtosecond متاحة في المعمل. يجب أن تكون كثافة الذروة بحاجة لحمل "كولومب الانفجار" إلى شظايا أربع أو خمس حتى يقارب 6 × 1014 ث/سم2. لتجنب قياسات طويلة جداً، ينبغي أن يكون معدل تكرار الليزر 10 كيلو هرتز أو أكثر. وهذا بالغ الأهمية لأنه، من ناحية، تزامنت الكشف يمكن فقط التأكد إذا كان إلى حد كبير احتمال التجزؤ في تركيز الليزر أقل من واحد لكل نبض الليزر (ومن الناحية المثالية لا تزيد عن 10%). سعر التجزئة الإجمالية، من ناحية أخرى، لا ينبغي أقل من كيلو هرتز قليلة نظراً لأن حصة المسارات مولتيفراجمينتيشن ذات الصلة عادة أقل من 10-4. حقيقة أنها مشجعة، تجدر الإشارة إلى أن في مبدأ الفعل حدثاً تجزئة واحدة كافية لتحديد التكوين عينة انانتيوبوري، ويسمح هذا الكشف عن بضع مئات لتحديد الوفرة من متبلور مضاد في عينة تكوين الأجزاء غير معروف.
تنبيه: يجب التأكد من أن تكون على دراية بكل شيء ممكن الإخطار المرتبطة بهذه التجربة، وفي المختبر. ويشمل الإجراء أدناه الليزر الفئة الرابعة والجهد العالي والفراغ. راجع صحيفة بيانات سلامة المواد (MSDS) للأنواع التحقيق-
1. إعداد
2. تحول على مطياف وكاشفات
ملاحظة: هذا الجزء من البروتوكول يعتمد قليلاً على التنفيذ الفعلي لنظام مطياف وكاشف. الوصف هنا صالحاً لإعداد كولتريمس قياسي مع جهاز كشف خط تأخير سداسية (HEX75). 10 في هذا التنفيذ، وقد كاشف 7 قنوات الإنتاج: أحد لوحات ميكروتشانيلس (مكبس)، واثنان لكل من الطبقات الثلاثة اﻷنود.
3. نموذج تسليم
4. قياس
ملاحظة: يتم تنفيذ الخطوات التالية في برنامج اقتناء البيانات.
5. تحليل بيانات
ملاحظة: تحليل البيانات في تجربة "التصوير الانفجار كولومب" معقدة، ولكن مكافأة المهمة نظراً لأن العديد من معلمات يمكن صقل بعد التجربة والعديد من العلاقات المتبادلة بين يقاس ويمكن استكشاف مومنتثم. عادة ما يتم تنفيذ كافة الخطوات التالية بعد التجربة في برنامج تحليل البيانات-
في هذا الجزء، نعرض النتائج التي تم الحصول عليها هالوميثانيس. هذه الأنواع مثالية لتجارب إثبات لمبدأ سبب البساطة وارتفاع ضغط البخار. وفي الوقت نفسه، تم التحقيق هالوثان الأنواع أكثر تعقيداً تستخدم الفوتونات لينة-إكس-رأي واحد من مصدر السنكروتروني للحث على التأين متعددة. 14
تشبركلف
بروموتشلوروفلوروميثاني (تشبركلف) مثال الكتب المدرسية لجزيئات مراوان مع ذرة الكربون ستيريوجينيك. وهو أيضا المرشح المثالي "التصوير كولومب الانفجار" بسبب هيكلها بسيط وارتفاع ضغط البخار (حوالي 600 hPa في درجة حرارة الغرفة). ولسوء الحظ، الأنواع غير متوفرة تجارياً؛ للتجربة المعروضة هنا، تم تصنيعه مخلوط الراسيمي برد فعل شبر2Cl مع هجف2 وفقا لمرجعية15. أثري انانتيو عينات من الصعب الحصول على الكميات اللازمة حيث أنه قد تم الحصول على النتائج فقط على الراسيمات حتى الآن.
للحصول على النتائج المعروضة هنا كان تبريد العينة إلى حوالي 240 ك للحصول على بكثافة مستهدفة مناسبة مع فوهة معين (10% احتمالات التأين كل نبض). قدرت كثافة الذروة الليزر 6 × 1014 ث/سم2. وأحاطت بقياس معدل تكرار الليزر 100 كيلوهرتز ح 11.
من أجل التمييز بين R و S-يحسب متبلور مضاد، منتج ثلاثية تم تسويتها من ناقلات الزخم الهالوجين ثلاثة الفلور والكلور، والبروم. هندسيا، يمكن تفسير هذه الكمية كجيب تمام الزاوية بين زخم الفلورين والطائرة من مومنتثم الكلور والبروم.
ويبين الشكل 3 كوسθ ل النظائر الفصل79ر35ClF، جنبا إلى جنب مع التعريف الهندسي. اثنين من قمم واضحة مرئية، مما يشير إلى متبلور مضاد. موقف القمم يتسق مع محاكاة ديناميات جزيئية كلاسيكية. كما لا يكاد الخلفية غير موجود، يعمل على إحالة الطغيان على مستوى جزيء واحد.
تشبركل2
شرليتي تشبركل2 يحدث فقط في حالة النظائر 35Cl و 37Cl موجودة في نفس الجزيء. وهكذا يحتوي عينة مع وفرة النظائر المشعة الطبيعية الجزيئات مراوان وأتشيرال. تنشأ تعقيدات إضافية اثنين هنا: أولاً، تتداخل توزيعات الوقت الطيران نظائر الكلور والبروم على التوالي نظراً إلى اختلاف أسلحة صغيرة. هذا ذات الصلة لا سيما للكلور تحديد الطغيان يعتمد على التعيين الصحيح النظائر. ثانيا، قد الأنواع مراوان الفصل79ر35Cl37Cl (ضمن الدقة الإعداد) نفس الكتلة الإجمالية كالأنواع أتشيرال CH81ر35Cl2. يمكن اعتبار التحقيق في هذه الأنواع وبالتالي اختبار معيار للأسلوب.
مع مطياف المستخدمة (مطياف طول s = 60.5 ملم، قوة الحقل الكهربائي ه = 57.1 الخامس/سم)، البيانات يمكن تحديد النظائر مراوان الفصل79ر35Cl Cl37عبر الزخم الكلي، باستخدام الخوارزمية التي اقترحها المرجع16 لتعيين الذي يضرب ينتمي إلى فيها النظائر.
اعتبارات هندسية تؤدي إلى الاستنتاج بأن يمكن أن يكون هناك توجهات للجزيء في الفضاء حيث لها نظائر الكلور اثنين في نفس الوقت الطيران؛ وفي هذه الحالة، لا يمكن أن يكون الموقر كمسألة مبدأ. وصف إجراء لفرز هذه الأحداث في مرجع المواد التكميلية4. كنتيجة لذلك، يمكن تحديد تكوين جزيئات مراوان نظير حتى بدرجة عالية من الموثوقية.
الشكل 1 : طريقة العرض في إعداد كولتريمس- أدخل الإعداد من خلال الفوهة الجزيئات وتمر عبر زوج من كاشطات. في دائرة التفاعل، عبر نبضات الليزر مع الطائرة النفاثة الجزيئية تحت 90°. وتسترشد أيونات مجال الكهربائي والمطياف إلى الكاشف (أعلى). وترد لرؤية أفضل، ليس كل مطياف لوحات. الجزيئات المتبقية ملقاة في قسم خلطات ضخ (jet تفريغ) إبقاء الضغط الخلفية في منطقة التفاعل منخفضة قدر الإمكان. الرقم معدلة من مرجع17 بإذن من غ. كاستيركي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 2 : الطيف صدفة الجسيمات الأربعة- هذا الرسم البياني امتداد طيف كتلة وقت الطيران للجسيمات أربعة: مجموع الوقت الرحلات لضرب الأول والثاني على الجهاز يتم رسمها على x-المحور، ومجموع للثالثة والرابعة وضرب على y-المحور. مركز القمم يسمح بتحديد الجماهير من أربعة أجزاء تم الكشف عنها. شكل الهياكل التي تحتوي على معلومات إضافية: إذا مومنتثم الشظايا إضافة تصل إلى الصفر، الأحداث التي ترد في خط ضيق (ح، التليف الكيسي، Cl، Br). إذا كان يحمل جزء بلغة غير مكتشفة الزخم، الزخم غير صفرية المجموع الجسيمات المقيسة يؤدي إلى توسيع نطاق الميزات. لأغراض التوضيح، تستخدم بيانات من السنكروتروني، لا الليزر، والقياسات هنا سبب الإحصائيات أعلى. الشكل المستنسخ من المرجع5 مع الإذن بايلي-يقمن. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 3 : الفرق من متبلور مضاد في خمسة-الجسيمات تفكك من تشبركلف عن طريق المعلمة شرليتي كوس Θ حسب التعريف الوارد في النص- الذروة في القيم الإيجابية يناظر R-صوريا، الذروة في القيم السالبة إلى S-صوريا. ويوضح اقحم كوس θ هندسيا. منخفضةخلفية تسمح بإحالة الطغيان للجزيئات الفردية. الشكل المستنسخ من مرجع4 الإذن من قبل AAAS. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
بسبب مجموعة متنوعة المكونات، يتطلب برنامج إعداد كولتريمس مستوى عال بدلاً من الخبرة الفنية، لا سيما في مجالات تقنية الشفط، والكشف عن الجسيمات، وتحليل سريع للإلكترونيات والبيانات. قبل أن انتقل إلى التحقيق في الأنواع المعقدة، فإنه يجب وبالتالي دقة التحقق إذا كان الإعداد قيد التشغيل بشكل صحيح، مثلاً بإجراء وتحليل قياس على أنواع دياتوميك أو ترياتوميك.
الاستفادة المثلى من كثافة ومدة نبضات الليزر والتداخل مع الطائرة النفاثة الجزيئية ضروري لتحقيق العديد من أحداث التأين متعددة قدر الإمكان. كما قد يوسع توزيع قوة الدفع بسبب تاين متتابعة خلال دورات مختلفة من نبض الليزر، نبض ينبغي من الناحية المثالية ولا تتجاوز المدة 40 خ. أثناء القياس، من الأهمية بمكان الحصول على إحصاءات كافية. على الجانب الإيجابي، لا يتطلب تحديد التكوين المطلق بدقة عالية بصفة خاصة مقارنة بتجارب صدفة أخرى، أي الإجراء قوي بدلاً من التقلبات في الليزر أو كثافة جيت والكهربائية حقل التشوهات في والمطياف.
القيد الأساسي الأكثر تقنية تتعلق بانطباقه على جزيئات أكبر. واحد يجب أن نضع في اعتبارنا أن تمثل النتائج مومنتثم الشظايا، لا هيكل الجزيئات في الفضاء الحقيقي. للجزيئات البيولوجية المعقدة، العلاقة بين مومنتثم المقاسة والتركيب الجزيئي غير المتوقع أن تكون مباشرة أما بالنسبة للجزيئات المعروضة هنا. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تنتج جزيئات معقدة كثيرة تفكك القنوات التي لا تحمل معلومات عن التكوين، ربما تناقص غلة القنوات ذات الصلة. نظرية النمذجة التجزؤ، السيطرة على أنماط تفكك وإجراءات التحليل أكثر تعقيداً سوف يلزم إذا كان الأسلوب أن يمتد إلى جزيئات مع ثلاثة أو أكثر من ذرات الكربون. في المرحلة الحالية، يبدو من غير ممكن التحقيق في تكوين البروتينات أو جزيئات من التعقيد مشابهة، ولكن القيود الفعلية لم يتحدد.
قيد آخر من الإعداد الحالي هو استهلاك عينة مرتفعة نسبيا بسبب الطائرة النفاثة الجزيئية. يمكن الحد من ذلك بتنفيذ إليه إعادة تدوير (مثل الفخاخ الباردة في فرلين فراغ). ومع ذلك، من المفيد لاختبار أساليب إعداد عينة أخرى مثل الطائرات النفاثة مفرط، ثيرموديسوربشن18 أو الليزر تقنيات الامتزاز19 التي طبقت بنجاح لدراسة الجزيئات الحيوية في الطور الغازي.
تصوير الانفجار كولومب أسلوب مدمرة، لا يمكن استخدام أي من الجزيئات التي قد تم تجزئة لتحديد التكوين كذلك. ومع ذلك، هو جزء صغير فقط فعلا المتأين (والذي أحد الأسباب للعينة عالية الاستهلاك المشار إليها في الفقرة السابقة). وبالتالي قد يكون من الممكن استخدام الجزيئات المعاد تدويرها للطلب اللاحق.
كما يسمح بقياس مومنتثم لإنشاء مجموعة البيانات 'الانحياز' من الجزيئات وتحديد بعض الاتجاهات المكانية، التقنية من قبيل الصدفة يفتح آفاقاً جديدة للتحقيق في آثار عدم التماثل في الجزيئات مراوان هذا خاصة القضية إذا هي قياس مومنتثم الإلكترونات في الصدفة التي يمكن تحقيقها باستخدام إعداد كولتريمس كاملة. بالإضافة إلى ذلك تسمح تقنيات التحقيق مضخة لدراسة ديناميات الأنواع مراوان الهيكلية.
مؤخرا جداً، "كولومب الانفجار التصوير" استخدمت أيضا لتحديد الهندسات المطلق رابطة الدول المستقلة ، و عبر-ايزومرات،20 إضافة فئة جديدة من الأنواع المحتملة والمسائل التي يتعين تناولها. كما التحقيق في الفراغية مع التحليل الطيفي صدفة ما زالت في مهدها، الأمل المؤلفون أن هذه المادة يساعد على تلهم الباحثين العاملين في الاتجاهات المبينة في الفقرات السابقة إلى تجارب جديدة.
الكتاب يعلن لا تضارب المصالح.
ونحن نشكر روبرت بيرغر (جامعة فيليبس ماربورغ، ألمانيا) للملهم المناقشات حول التفسير البيانات وعدم التطابق الجزيئية بشكل عام. نحن ممتنون لجوليا كيدرووسكي وألكسندر Schießer ومايكل ريجيلين من "تو دارمشتات" (ألمانيا)، فضلا عن بنيامين سبينجير، ومانويل مازيناوير ويورغن ستوهنير من جو Wädenswil (سويسرا) لتقديم العينة.
وأيد المشروع "مبادرة الدولة هيسن" للعلم والتفوق الاقتصادي ظل التركيز ELCH (إلكترون ديناميات النظم مراوان) و "الوزارة الاتحادية للتعليم" والبحوث (الألمانية). مرض التصلب العصبي المتعدد تسلم الدعم المالي من مؤسسة ميسير أدولف.
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 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved