Method Article
小手性的物种,库仑爆炸成像提供了新的途径来确定单个分子的手性。
这篇文章显示了如何使用 COLTRIMS (冷目标反冲离子动量谱仪) 或"反应显微镜"技术来区分对映体 (立体异构体) 的单个分子水平上的简单手性物种。在此方法中,样品的气体分子射流扩展进入真空室和飞秒 (fs) 激光脉冲与相交。高强度的脉冲会导致快速多个电离,点燃了所谓的库仑爆炸,产生几个阳离子 (正电) 片段。静电场指导这些阳离子时间和位置灵敏探测器上。类似于飞行时间质谱仪,每个离子的到达时间产生于它的质量信息。如有盈余,静电场被调整中,发射方向和动能后碎片导致变异在飞行时间和影响位置探测器的一种方式。
每个离子影响创建电子信号在探测器;这个信号是治疗高频率电子和计算机记录事件的事件。注册的数据对应的影响时间和位置。面对这些数据,可以计算能量和每个片段的发射方向。这些值是根据调查,即对债券长度和相对位置的原子,允许以确定分子通过分子的手性的简单手性物种和其他同分异构体的功能分子的结构性质有关。
手性是性质的我们一直令人着迷的研究人员超过 150 年特征。在 19th世纪、 巴斯德、 范特霍夫和别人发现分子可以发生在并不是超级不再依赖-像我们的左手和右手的两个镜像结构。此属性被称为 '手',从 '手' 的希腊语。
到目前为止,已发现了在热力学性质或左和右旋形式 (两个对映体') 的能量水平无差异。分析了样品的惯用手,分离对映体,可以使用与其他手性分子相互作用,例如这样做的各种色谱方法。1 (振动) 圆二色性、 (V) CD、 旋光色散,ORD,Chiroptical 方法经常被雇用来区分对映体。2
微观结构测定的时候,这些技术需要附加信息,例如从量子化学计算。唯一的技术正在被广泛接受,直接确定的绝对构型是反常的 x 射线衍射。3
它最近被证明绝对构型的简单手性物种可以由库仑爆炸成像。4,5在这种方法,在气相中的分子是乘以电离,其余内核强烈排斥对方。这斥力导致的分子的快速瓦解 (' 爆炸')。片段动量相关结构的分子 — — 小分子的大小和方向的动量方向对应出奇好债券轴。使用分子离子束从加速器,开创了分子结构测定的库仑爆炸。6这束箔技术最近也被应用于手性识别。7
与异常的 x 射线衍射、 样品不能结晶,但在气相中提供。这使得库仑爆炸方法挥发性化合物的理想和对 x-射线衍射从而补充。在某些情况下,甚至可以为单个分子已确定惯用手。
在实践中,分子的结构的精确重建已证明困难甚至甲烷衍生物,如中央碳与不同取代基的分子。这被归功于片段之间的相互作用不完全是库仑和并不是所有债券同时都打破。为了获得立体化学信息,尤其是以区分对映体,这种重建是幸运的是不必要的。相反,可以相关不同片段的动量向量,是明显的左和右旋分子的产量。为了得到可靠的结果,至少四个片段动量必须被记录下来。
为了衡量这势头信息,从一个 — — 且只有一个 — — 分子分手片段必须在一个单一的测量步骤中检测到。这种情况通常被称为 '重合检测'。此外,发射方向必须加以分析,这数额在实践中记录的时间和片段的位置影响在列表模式数据格式。
在原子和分子物理学中,技术已经采用静电光谱仪的大规模分离和时间和位置灵敏多命中探测器实现这种测量的方法。最突出的例子是 COLTRIMS (冷目标反冲离子动量谱仪) 设置 — — 也称为反应显微镜。8,9这种实验示意图图 1中给出。相反可以记录以及电子的标准 COLTRIMS,库仑爆炸成像要求只有离子化检测器。
光谱仪和探测器安装在超高真空条件下 (< 1 × 10-9自置居所津贴) 以避免创建从残余气体离子。通过超音速规模扩张所造成的气态自由分子射流提供样品的单分子: 根据蒸汽压力,分子扩大通过小的喷嘴 (大约 50 µ m 直径) 放入真空。实验中,源分庭,这一部分被隔开相互作用区域通常两撇和差异泵浦的阶段。额外的差异抽水部分位于后面的互动区域转储气体射流,从而避免背景气体相互作用区域。
电离辐射与分子射流 90 ° 之下相交。大多数实验室现在用飞秒激光脉冲的同步辐射,快离子或电子冲击虽可能 '弹' 诱使库仑爆炸。
以下协议使重合的离子和飞秒激光成像的运行安装程序可在实验室中的假设。进四个或甚至五个片段诱导库仑爆炸所需的峰值强度必须大约 6 x 1014 W/厘米2。为了避免极长的测量,激光重复频率应 10 千赫或更多。这是关键的因为一方面,重合检测可以只确定如果碎片在激光焦点的概率远远低于 1 每激光脉冲 (理想情况下不超过 10%)。总的碎片率,另一方面,不应低于几千赫因为有关多重碎裂通路的份额通常是小于 10-4。同样令人鼓舞的事实,应该提到的是原则单一碎片事件已足以识别的光学纯样品,配置和检测几百允许确定的对映异构体中丰度未知的对映体组成的样品。
注意: 请务必要熟悉所有可能危害连接与实验和实验室。下面的过程包括第四类激光器、 高电压和真空。物种要追究咨询材料安全数据表 (MSDS)。
1。 制备
2。拐弯处光谱仪和探测器
注: 议定书 》 的这一部分略取决于光谱仪和探测器系统的实际实现。描述在这里是有效的标准的 COLTRIMS 设置与六角延迟线探测器 (HEX75)。 10 在此实现中,探测器具有 7 输出通道: 一个用于微通道板(MCPs),两个用于每个三层的阳极。
3。样品交期
4。测量
注: 数据采集软件中执行以下步骤。
5。数据分析
注: 库仑爆炸成像实验的数据分析是一种复杂但奖励任务因为很多参数可以微调后实验和大量的实测值的相关性可以探索动量。实验数据分析软件中后通常执行所有以下步骤。
在这一部分中,我们显示结果的应用。这些种类的原理验证实验由于其简单性和蒸汽压力高的理想选择。同时,利用同步辐射光源的软 x 射线光子诱导多个电离研究了更复杂的物种氟烷。14
CHBrClF
Bromochlorofluoromethane (CHBrClF) 是一个教科书例子为手性分子与手性碳原子。它也是由于其简单的结构和高的蒸汽压 (在室温约 600 hPa) 的理想候选人的库仑爆炸成像。不幸的是,此物种并没有可用商业;这里介绍的实验中,外消旋混合物合成反应 CHBr2Cl 与肝细胞生长因子2根据参考15。对映丰富的样品很难获得所需,只为外消旋的结果得到了到目前为止的数量。
这里给出的结果为样品冷却到约 240 K 获得适当的目标密度与给定喷嘴 (每脉冲电离几率 10%)。激光峰值强度估计为 6 × 1014 W/厘米2。在 100 kHz 激光重复频率测量了 11 h。
为了区分R和S-对映体,归一化的三重产品由三个卤素氟、 氯和溴的动量向量计算。几何,这个数量可以解释为氟动量和氯和溴的动量的平面之间的夹角的余弦值。
图 3显示了因为θ为同位素 CH79Br35ClF,以及几何定义。两个清晰的高峰是可见的该值指示对映异构体。峰的立场是一贯的经典分子动力学模拟。由于几乎没有背景,本的惯用手分配工作在单分子水平。
CHBrCl2
手性 CHBrCl2才发生同位素35Cl 和37Cl 存在相同的分子。一份样品和自然丰度的同位素因而包含手性和非手性分子。两个附加的并发症出现在这里: 首先,氯和溴同位素的飞行时间分布重叠分别由于小的质量差异。这是特别相关的氯测定的惯用手上同位素正确分配取决于。其次,手性物种 CH79Br35Cl37Cl (内安装的精度) 有这样一种非手性物种 CH81Br35Cl2相同的总质量。这种类调查因而可以看作是该方法的基准测试。
与光谱仪配合使用 (光谱仪长度s = 60.5 毫米,电场强度E = 57.1 V/cm),数据为手性同位素 CH79Br35Cl37Cl 可以选择通过总动量,使用算法提出参考16要分配的命中属于哪个同位素。
几何因素导致的结论是可以在空间两种氯同位素有相同的飞行时间; 分子的取向在这种情况下,他们无法区分作为一个原则问题。在补充材料参考4介绍了整理这些事件的过程。因此,即使同位素手性分子的配置可以确定与高可靠性。
图 1: COLTRIMS 设置的视图。分子进入通过喷嘴设置,并通过一撇。在互动室,激光脉冲十字架与分子射流 90 ° 之下。离子探测器 (顶部) 由电场光谱仪的指导。为更好的可见性,并不是所有的光谱仪板显示。其余的分子弃置在差异泵浦节 (jet 转储) 保持的背景压力相互作用区域尽可能低的水平。G.卡斯蒂克从参考17权限与改性的图。请点击这里查看此图的大版本。
图 2: 四粒子巧合谱。此直方图是扩展到四个粒子的飞行时间质谱: 探测器第一和第二次打航班时间的总和绘制在x- y轴,第三和第四笔打-轴。山峰的中心允许确定检测到的四块碎片的群众。结构的形状包含附加信息: 如果动量的片段添加到零,事件载有一条狭窄的线 (H、 CF、 Cl、 Br)。如果未被发现的片段进行动量,测量粒子的非零总动量导致功能扩大。为说明起见,这里使用数据来自同步测量,而不是激光由于较高的统计。图转载从参考5与权限,权限由威利 VCH。请点击这里查看此图的大版本。
图 3: 在五粒子解体的 CHBrClF 通过手性参数对映体的区别 cosΘ文本中定义。在正值高峰对应于 R 对映体,在负值向 S-异构体峰。插图说明了因为θ几何。低背景允许赋值为单个分子的惯用手。图转载从参考4与美国科学促进会的权限。请点击这里查看此图的大版本。
由于各种元器件,COLTRIMS 安装程序需要相当高水平的技术专长,尤其是在真空技术、 粒子检测、 快速的电子和数据分析等领域。在谈到复杂种类调查之前, 它应因此彻底检查如果运行安装程序的方法正确,例如通过执行和分析测量对双原子或原子的物种。
优化的强度和持续时间的激光脉冲与分子射流重叠实现尽可能多尽可能多个电离事件至关重要。随着动量分布可能扩大由于连续电离在不同周期的激光脉冲,脉冲持续时间理想的情况下不应超过 40 fs。在测量过程中至关重要的来获取足够的统计信息。积极的一面,绝对构型测定不需要特别高的精度,相对于其他巧合实验,即程序是相当强劲的激光或喷射强度的波动和电分光计的场扭曲。
最基本的技术局限性关注其适用于较大的分子。一个必须牢记,这些结果反映的片段,动量不包括结构的分子在真实的空间。对于复杂的生物分子,测量的动量与分子结构之间的关系预计不会那么简单,至于在这里提出了一种分子。此外,复杂的分子可以产生许多不携带信息的配置,可能会降低产量的相关渠道的分手渠道。理论建模的碎片,分手模式和更复杂的分析程序将需要控制如果这项技术是将扩大到有三个或更多碳原子的分子。在目前阶段,似乎不可能探讨蛋白质的配置或分子相似的复杂性,但实际的限制仍然必须确定。
当前设置的另一个限制是由于分子射流相对较高的样品消耗。它可以通过实施回收机制 (例如冷阱真空 foreline) 减少。然而,它将有益测试的其他样本制备方法如热情洋溢的喷气机,活性炭18或激光解吸技术19已成功地应用在气相中研究生物分子。
库仑爆炸成像是一种破坏性的方法,即测定配置变得支离破碎的分子不能进一步使用。然而,只有一小部分实际上被电离 (这是前一段所述的高样品消耗的原因之一)。因此有可能要再生的分子用于后面的应用程序。
因为动量测量允许创建分子 '对齐' 的数据集,选择某些空间的方向,符合技术在手性分子,尤其是打开了新视野为不对称影响的调查情况下,如果电子的动量测量中可以通过使用一个完整的 COLTRIMS 安装的巧合。另外,泵浦-探测技术允许研究手性物种结构的动态变化。
最近,库仑爆炸成像有也被用于确定绝对构型的顺式和反式-异构体,20增加一类新的可能的物种和加以解决的问题。正如与巧合光谱立体化学的调查仍处于发展初期,作者希望这篇文章有助于激励研究人员在新实验前几段所述的方向工作。
作者宣称没有相互竞争的利益。
我们感谢罗伯特 · 伯杰 (菲利普斯大学马尔堡,德国) 一般激励讨论我们的数据和分子手性的解释。我们对于感谢茱莉亚凯德罗夫斯基、 亚历山大 Schießer 和 Michael Reggelin 从土达姆施塔特 (德国),以及本杰明 Spenger、 曼纽尔 · 马泽瑙尔 Jürgen Stohner 从 ZHAW Wädenswil (瑞士) 提供样品。
Hessen 国家倡议科学和卓越的经济成长,焦点 ELCH (电子系统动力学的手性) 和联邦教育部及研究 (BMBF) 下支持该项目。MS 由阿道夫 · 梅塞尔基金会承认金融支持。
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 |
请求许可使用此 JoVE 文章的文本或图形
请求许可This article has been published
Video Coming Soon
版权所属 © 2025 MyJoVE 公司版权所有,本公司不涉及任何医疗业务和医疗服务。