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Für kleine chiralen Arten bietet Coulomb Explosion Imaging einen neuen Ansatz um die Händigkeit einzelner Moleküle bestimmen.
Dieser Artikel zeigt, wie die COLTRIMS (kalte Target Recoil Ion Momentum Spektroskopie) oder die "Reaktion Mikroskop" Technik verwendet werden, um Enantiomere (Stereoisomere) einfache chiralen Arten auf der Ebene der einzelnen Moleküle unterscheiden. Bei diesem Ansatz ein gasförmiger molekulare Jet der Probe in eine Vakuumkammer erweitert und schneidet mit Laserpulsen Femtosekunden (fs). Die hohe Intensität der Impulse führt um zu schnell mehrere Ionisation, zünden eine sogenannte Coulomb-Explosion, die mehrere kationisch (positiv geladenen) Fragmente produziert. Ein elektrostatisches Feld führt diese kationen auf zeitkritische und Position Detektoren. Ähnlich wie bei einem Time-of-Flight-Massenspektrometer, die Ankunftszeit jedes Ion liefert Informationen über seine Masse. Ein Überschuss ist das elektrostatische Feld so eingestellt, dass die Abstrahlrichtung und der kinetischen Energie nach Fragmentierung zu Variationen in der Time-of-Flight und Auswirkungen auf den Detektor führen.
Jedes Ion Auswirkungen erzeugt ein elektronisches Signal im Detektor; Dieses Signal wird von Hochfrequenz-Elektronik behandelt und durch Veranstaltung von einem Computer aufgezeichnet. Die gespeicherten Daten entsprechen den Auswirkungen Zeiten und Positionen. Mit diesen Daten können die Energie und die Abstrahlrichtung des jedes Fragment berechnet werden. Diese Werte beziehen sich auf strukturelle Eigenschaften des Moleküls ermittelt, d. h. auf die Bindungslängen und relativen Positionen der Atome, Molekül von Molekül bestimmen die Händigkeit von einfachen chiralen Arten und anderen Isomeren Funktionen ermöglichen.
Chiralität ist ein Bestandteil unserer Natur, der faszinierenden Forscher mehr als 150 Jahren seit. In den 19th entdeckte Jahrhundert, Pasteur und van't Hoff, dass Moleküle in zwei Spiegelbild Strukturen auftreten können, die nicht Super-Eingliederungsmaßnahme - wie unsere linken und rechten Hand sind. Diese Eigenschaft wurde "chirale", aus dem griechischen Wort für "Hand" bezeichnet.
Bisher wurde kein Unterschied in thermodynamischen Eigenschaften oder Energie-Ebenen der linken und rechtshändigen Formen (die beiden "Enantiomere") gefunden. Um die Händigkeit von einer Probe zu analysieren und die Enantiomere trennen, kann Wechselwirkung mit anderen chiralen Molekülen verwendet werden, wie zum Beispiel in verschiedenen chromatographical Ansätze. 1 Chiroptical Methoden wie (Schwingung) kreisförmigen Dichroismus, (V) CD und Optik rotatorischen Dispersion, ORD, werden routinemäßig eingesetzt, um Enantiomere unterscheiden. 2
Wenn es um die Bestimmung der mikroskopischen Struktur geht, erfordern diese Techniken zusätzliche Angaben, z. B. von Quanten-physikalischen Berechnungen. Die einzige Technik, die allgemein akzeptiert wird, um direkt die absolute Konfiguration bestimmen ist anomale Röntgenbeugung. 3
Vor kurzem hat sich gezeigt, dass die absolute Konfiguration einfach chiralen Arten von Coulomb Explosion Imaging ermittelt werden kann. 4 , 5 bei diesem Ansatz Moleküle in der Gasphase sind multiplizieren ionisierten so dass die verbleibenden Kerne stark gegenseitig abstoßen. Diese Abstoßung führt zu schnellen Fragmentierung ("Explosion") der Moleküle. Die Richtung und das Ausmaß des Fragments Momenta korrelieren, die Struktur des Moleküls – für kleine Moleküle, entsprechen die Dynamik Richtungen überraschend gut zu den Bond-Achsen. Coulomb-Explosion für molekulare Strukturbestimmung hat mit molekularen Ion Beams von einer Zugriffstaste Pionierarbeit geleistet wurde. 6 dieser Beam-Folie-Technik hat vor kurzem auch chirale Anerkennung beantragt. 7
Entgegen der anomalen Röntgendiffraktometrie muss die Probe nicht kristalline aber in der Gasphase vorgesehen sein. Dies macht den Coulomb Explosion Ansatz ideal für flüchtige Arten und somit komplementär zur Röntgenbeugung. In bestimmten Fällen kann der Händigkeit auch für einzelne Moleküle bestimmt werden.
In der Praxis hat die genaue Rekonstruktion der molekularen Struktur selbst für Methan-Derivate, z. B. Moleküle mit einem zentralen Kohlenstoff und verschiedene Substituenten schwierig erwiesen. Dies ist zurückzuführen auf die Tatsache, dass die Interaktion zwischen den Fragmenten nicht genau Coulombsche und gleichzeitig nicht alle Bindungen aufzubrechen. Um stereochemische informieren, vor allem zu unterscheiden, Enantiomere, ist diese Rekonstruktion glücklicherweise nicht notwendig. Stattdessen können die Dynamik Vektoren aus verschiedenen Fragmenten um eine Menge zu liefern, die für die linken und rechtshändigen Moleküle unterscheidet korreliert werden. Um zuverlässige Ergebnisse zu erhalten, müssen mindestens vier Fragment Momenta erfasst werden.
Um diese Dynamik-Informationen zu messen, müssen die Fragmente aus ein – und einzige – molekularer Zerfall in einer einzigen Messung Schritt erkannt werden. Diese Bedingung wird in der Regel als "koinzident Detection" bezeichnet. Darüber hinaus haben die Emission Richtungen analysiert werden, die Beträge in der Praxis zum Aufzeichnen von die Zeit und die Position des Fragments in einem List-Modus-Datenformat auswirken.
Atomare und molekulare Physik haben Techniken entwickelt, die Umsetzung dieses Ansatzes der Messung durch den Einsatz von elektrostatischen Spektrometer für die Masse Trennung und zeitkritische und Position Multi-hit-Detektoren. Das prominenteste Beispiel ist die COLTRIMS (kalte Target Recoil Ion Momentum Spektroskopie) Setup – auch bekannt als Reaktion Mikroskop. 8 , 9 eine Skizze für ein solches Experiment ist in Abbildung 1aufgeführt. Im Gegensatz zu einem standard COLTRIMS, die Elektronen als auch aufzeichnen können, erfordert das Coulomb Explosion Imaging nur die Ionen-Detektor.
Spektrometer und Detektor werden im Ultra-Hochvakuum montiert (< 1 x 10-9 hPa), Schaffung von Ionen aus Restgas zu vermeiden. Einzelne Moleküle der Probe sind über eine gasförmige molekulare Freistrahl erstellt von Überschall Erweiterung bereitgestellt: aufgrund der Dampfdruck, erweitern die Moleküle durch eine kleine Düse (rund 50 µm Durchmesser) in das Vakuum. Dieser Teil des Experiments, die Quelle-Kammer ist aus der Interaktion Region durch in der Regel zwei Skimmer und differenziell gepumpten Phasen getrennt. Eine zusätzliche differentiell gepumpt Abschnitt befindet sich hinter der Interaktion Region dump den Gasstrahl und somit Hintergrund Gas im Bereich Interaktion zu vermeiden.
Die ionisierende Strahlung überschneidet sich mit der molekularen Jet unter 90°. Die meisten Labors verwenden heutzutage Femtosekunden-Laserpulse, obwohl Synchrotronstrahlung, schnellen Ionen oder Elektronen Auswirkungen sind möglich "Geschosse" Coulomb-Explosion zu induzieren.
Das folgende Protokoll macht die Annahme, dass eine laufende Setup für die deckungsgleiche Darstellung von Ionen und ein Femtosekunden-Laser sind im Labor zur Verfügung. Die Peak-Intensität induzieren Coulomb Explosion in vier oder sogar fünf Fragmente benötigt muss in der Größenordnung von 6 x 1014 W/cm2. Um überaus lange Messungen zu vermeiden, sollte die Wiederholrate des Lasers 10 kHz oder mehr sein. Dies ist entscheidend, denn auf der einen Seite koinzident Erkennung nur festgestellt werden kann, ist die Wahrscheinlichkeit, dass Fragmentierung im Laserfokus deutlich unter 1 pro Laserpuls (idealerweise nicht mehr als 10 %). Die totale Fragmentierungsrate sollte auf der anderen Seite nicht niedriger als ein paar kHz sein, weil der Anteil der relevanten multifragmentation Wege in der Regel weniger als 10-4. So ermutigende Tatsache, es sollte erwähnt werden, dass im Prinzip bereits ein einzelnes Fragmentierung Ereignis ausreichend ist, um die Konfiguration einer Enantiopure Probe zu identifizieren, und die Erkennung von ein paar hundert erlaubt um zu bestimmen, die Fülle der Enantiomere in eine Stichprobe von Enantiomeren unbekannter Zusammensetzung.
Vorsicht: Achten Sie darauf, mit allen möglichen Gefahren verbunden mit dem Experiment und im Labor vertraut sein. Das folgende Verfahren enthält Laser Klasse IV, Hochspannung und Vakuum. Konsultieren Sie das Sicherheitsdatenblatt (MSDS) für die Arten untersucht werden.
1. Vorbereitung
2. Spektrometer und Detektoren einschalten
Hinweis: dieser Teil des Protokolls leicht richtet sich nach der tatsächlichen Implementierung des Spektrometers und Detektor. Die Beschreibung hier ist gültig für ein standard COLTRIMS-Setup mit einem sechseckigen Verzögerung Linie Detektor (HEX75). 10 in dieser Implementierung ein Detektor verfügt über 7 Ausgangskanäle: eine für die Mikrokanäle Platten (MCPs) und zwei für jede der drei Schichten der Anode.
3. Probieren Sie Lieferung
4. Messung
Hinweis: die folgenden Schritte sind in der Datenerfassungs-Software durchgeführt.
5. Analyse der Daten
Hinweis: Datenanalyse in einem Coulomb Explosion Imaging Experiment ist ein Komplex, aber lohnende Aufgabe, weil viele Parameter nach dem Experiment und eine Vielzahl von Korrelationen zwischen der gemessenen abgestimmt werden können Momenta können erkundet werden. Alle folgenden Schritte sind in der Regel nach dem Experiment in der Datenanalyse-Software durchgeführt.
In diesem Teil zeigen wir Ergebnisse für Trihalomethane. Diese Arten sind ideal für Proof of Principle Experimenten aufgrund ihrer Einfachheit und hohen Dampfdruck. In der Zwischenzeit ist die komplexeren Arten Halothan untersucht worden mit einzelnen Soft-X-Ray Photonen aus einem Synchrotron-Quelle mehrere Ionisation zu induzieren. 14
CHBrClF
Bromochlorofluoromethane (CHBrClF) ist ein Musterbeispiel für chirale Moleküle mit einem Stereogenic Kohlenstoffatom. Es ist auch der ideale Kandidat für Coulomb Imaging-Explosion aufgrund ihres einfachen Aufbaus und der hohen Dampfdruck (rund 600 hPa bei Raumtemperatur). Die Spezies ist leider nicht im Handel erhältlich; für das hier vorgestellte Experiment wurde eine racemischem Mischung reagierenden CHBr2Cl mit HgF2 nach Referenz15synthetisiert. Enantio angereicherten Proben sind schwer zu bekommen in den Mengen benötigt, so dass nur Ergebnisse für Racematspaltung bisher gewonnen wurden.
Für die hier vorgestellten Ergebnisse war die Probe auf rund 240 K zu einer entsprechenden Ziel-Dichte mit der gegebenen Düse (10 % der Ionisation Wahrscheinlichkeit pro Puls) abgekühlt. Die Peak-Intensität des Lasers wurde schätzungsweise 6 x 1014 W/cm2. Messung bei 100 kHz Laser Wiederholungsrate nahm 11 h.
Zur Unterscheidung von R und S-Enantiomere, eine normalisierte dreifach Produkt errechnet sich aus der Momentum Vektoren von drei Halogene Fluor, Chlor und Brom. Diese Menge kann geometrisch als der Kosinus des Winkels zwischen der Fluor-Dynamik und das Flugzeug an die Chlor und Brom Momenta interpretiert werden.
Abbildung 3 zeigt cosθ für das Isotop CH79Br35ClF, zusammen mit der geometrischen Definition. Zwei klare Spitzen sind sichtbar, unter Angabe der Enantiomere. Die Position der Gipfel steht im Einklang mit der klassischen Molekulardynamik-Simulation. Da fast kein Hintergrund vorhanden ist, funktioniert die Zuordnung der Händigkeit auf ein einzelnes Molekül-Ebene.
CHBrCl2
Die Chiralität des CHBrCl2 tritt nur, wenn die Isotope 35Cl und 37Cl im gleichen Molekül vorhanden sind. Eine Probe mit natürlichen Fülle von Isotope enthält somit achiral und chiralen Moleküle. Zwei zusätzliche Komplikationen ergeben sich hier: Erstens die Time-of-Flight-Verteilungen der Chlor und Brom Isotope überlappen bzw. aufgrund der kleinen Massendifferenz. Dies ist besonders relevant für Chlor, da die Bestimmung der Händigkeit die korrekte Zuordnung der Isotope hängt. Zweitens hat der chiralen Arten CH79Br35Cl37Cl (innerhalb der Einrichtung Genauigkeit) der gleichen Gesamtmasse als Gattung achiral CH81Br35Cl2. Die Untersuchung dieser Art kann somit als ein Benchmark-Test für die Methode angesehen werden.
Mit dem Spektrometer verwendet (Spektrometer Länge s = 60,5 mm, elektrische Feldstärke E = 57.1 V/cm), die Daten für die chirale Isotop CH79Br35Cl37Cl über die gesamte Dynamik ausgewählt werden konnte, mit Hilfe einer Algorithmus vorgeschlagen durch Verweis16 zuweisen, die der Hits gehört zu welchem Isotop.
Geometrische Überlegungen führen zu dem Schluss, dass es Orientierungen des Moleküls im Raum, wo die beiden Isotope von Chlor die gleiche Flugzeit haben, kann; in diesem Fall können nicht sie als grundsätzlich unterschieden werden. Ein Verfahren zu klären, diese Ereignisse wurde in der Zusatzmaterialien Referenz4beschrieben. Infolgedessen kann die Konfiguration auch isotopischer chiralen Moleküle mit hoher Zuverlässigkeit bestimmt werden.
Abbildung 1 : Blick in ein COLTRIMS Setup. Moleküle rufen Sie das Setup durch die Düse und ein paar Skimmer durchlaufen. In der Interaktion-Kammer überqueren die Laserpulse mit der molekularen Jet unter 90°. Ionen werden durch das elektrische Feld des Spektrometers mit dem Detektor (oben) geführt. Zur besseren Sichtbarkeit werden nicht alle Spektrometer Platten angezeigt. Die restlichen Moleküle werden in einem differenziell gepumpten Abschnitt (Jet-Dump) geworfen, um den Hintergrund Druck im Großraum Interaktion so gering wie möglich zu halten. Abbildung von Referenz17 mit freundlicher Genehmigung von G. Kastirke geändert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2 : Vier-Teilchen Zufall Spektrum. Dieses Histogramm ist eine Erweiterung des Time-of-Flight-Massenspektrum auf vier Teilchen: die Summe der Zeit-von-Flüge für den ersten und zweiten Treffer auf den Detektor werden gezeichnet, auf die X-Achse, die Summe für die dritte und vierte hit auf der y-Achse. Das Zentrum der Gipfel ermöglicht es, um die Massen der vier gefundenen Fragmente zu identifizieren. Die Form der Strukturen enthält zusätzliche Informationen: Wenn der Momenta der Fragmente bis zu Null hinzufügen, die Ereignisse in eine schmale Linie (H, CF, Cl, Br) enthalten sind. Wenn eine unerkannte Fragment Schwung trägt, führt die Null-total Dynamik der gemessenen Partikel zu einer Ausweitung der Funktionen. Zur Veranschaulichung sind hier Daten aus Synchrotron, nicht Laser, Messungen durch höhere Statistik verwendet. Abbildung von Referenz5 mit freundlicher Genehmigung von Wiley-VCH reproduziert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 3 : Unterscheidung der Enantiomere in der fünf-Partikel Zerfall des CHBrClF über die Chiralität Parameter cos Θ wie im Text definiert. Der Peak bei positiven Werten entspricht das R-Enantiomer, der Peak bei negativen Werten für das S-Enantiomer. Der Inset zeigt cos θ geometrisch. Die geringeHintergrund ermöglicht eine Zuordnung der Händigkeit für einzelne Moleküle. Abbildung von Referenz4 mit freundlicher Genehmigung von AAAS reproduziert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Aufgrund der Vielzahl von Komponenten erfordert eine COLTRIMS-Setup ein ziemlich hohes Maß an Fachkompetenz, vor allem in den Bereichen Vakuumtechnik, Partikeldetektoren, schnelle Elektronik und Datenanalyse. Bevor er sich der Untersuchung von komplexen Arten, sollten daher gründlich überprüft werden, ob das Setup korrekt, z. B. durch die Durchführung und Analyse einer Messung auf ein zweiatomiges oder dreiatomigen Arten ausgeführt wird.
Optimierung der Intensität und Dauer der Laserpulse und die Überlappung mit der molekularen Jet ist wichtig, möglichst viele mehrere Ionisation Ereignisse wie möglich erreichen. Da die Dynamik-Verteilung durch sequentielle Ionisation während der verschiedenen Zyklen der Laserpuls erweitern könnte, sollte die Impulsdauer 40 fs idealerweise nicht überschreiten. Während der Messung ist es wichtig, genügende Statistiken zu erhalten. Auf der positiven Seite erfordert die Bestimmung der absoluten Konfiguration, dass eine besonders hohe Präzision im Vergleich zu anderen Zufall Experimenten, d. h. das Verfahren ist ziemlich robust, um Schwankungen in der Laser- oder Jet-Intensität und elektrische Feld-Verzerrungen in das Spektrometer.
Die grundlegendste Einschränkung der Technik betrifft seine Anwendbarkeit auf größere Moleküle. Beachten Sie, dass die Ergebnisse der Momenta Fragmente, repräsentieren nicht die Struktur der Moleküle im realen Raum muss man halten. Für komplexe Biomoleküle soll das Verhältnis zwischen gemessenen Momenta und molekulare Struktur nicht so einfach, wie die Moleküle, die hier vorgestellt werden. Darüber hinaus können komplexe Moleküle, die viele Auseinanderbrechen zu erzeugen, die keine Informationen über die Konfiguration möglicherweise verringern den Ertrag der relevanten Kanäle enthalten. Theoretische Modellierung der Fragmentierung, wird Kontrolle der Zerfall Muster und differenziertere Analyseverfahren erforderlich sein, wenn die Technik zu Molekülen mit mindestens drei Kohlenstoffatomen verlängert werden soll. Zum aktuellen Zeitpunkt scheint es nicht möglich, die Konfiguration von Proteinen oder Molekülen ähnlicher Komplexität zu untersuchen, sondern die tatsächlichen Einschränkungen müssen noch festgelegt werden.
Eine weitere Einschränkung des aktuellen Setups ist der relativ hohe Sample-Verbrauch aufgrund der molekularen Jet. Es kann durch die Implementierung eines recycling-Mechanismus (z. B. Kühlfallen im Vakuum Foreline) reduziert werden. Dennoch wäre es vorteilhaft für andere Probenvorbereitungsmethoden wie überschwänglich Düsen, Thermodesorption18 zu testen oder laser Desorption Techniken19 , die für ein Studium Bio-Moleküle in der Gasphase erfolgreich angewendet wurden.
Coulomb Explosion Imaging ist eine destruktive Methode, d.h. Moleküle, die zur Bestimmung der Konfiguration fragmentiert wurde nicht weiter verwendet werden. Allerdings wird nur ein Bruchteil tatsächlich ionisiert (das ist einer der Gründe für die hohe Sample-Verbrauch im vorherigen Absatz genannten). Es wäre so möglich recycelten Moleküle für Folgeantrag zu verwenden.
Wie die Messung der Momenta erstelle ich einen "ausgerichteten" Datenbestand der Moleküle und bestimmte Raumrichtungen wählen erlaubt, die Zufall-Technik eröffnet neue Perspektiven für die Untersuchung der Auswirkungen der Asymmetrie in chiralen Molekülen, dies insbesondere ist, der Fall, wenn der Momenta der Elektronen in Tateinheit bewertet werden, welche mit einer vollständigen COLTRIMS-Setup erreicht werden kann. Pumpe-Sonde Techniken erlauben zusätzlich um die strukturelle Dynamik von chiralen Arten zu studieren.
Vor kurzem Coulomb Explosion Imaging wurde auch verwendet, um festzustellen, die absolute Geometrien von Cis und Trans-Isomeren,20 Hinzufügen einer neuen Klasse von möglichen Arten und Fragen angesprochen werden. Wie die Untersuchung der Stereochemie mit Zufall Spektroskopie noch in den Kinderschuhen steckt, hoffen die Autoren, dass dieser Artikel hilft Forschern, die in den Anweisungen gemäß den vorstehenden Absätzen zu neuen Experimenten inspirieren.
Die Autoren erklären keinen Interessenkonflikt.
Wir danken Robert Berger (Philipps-Universität Marburg, Deutschland) für anregende Diskussionen über die Interpretation der Daten und molekularen Chiralität im Allgemeinen. Wir sind dankbar, Julia Kiedrowski, Alexander Schießer und Michael Reggelin der TU Darmstadt (Deutschland), sowie Benjamin Spenger, Manuel Mazenauer und Jürgen Stohner von ZHAW Wädenswil (Schweiz) für die Bereitstellung der Probe.
Das Projekt wurde von der Landesinitiative Hessen für wissenschaftliche und wirtschaftliche Exzellenz unter den Fokus ELCH (Elektron Dynamik chiralen Systeme) und das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt. MS erkennt finanziellen Unterstützung durch die Adolf Messer Stiftung.
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 |
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