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작은 키 랄 종에 대 한 쿨롱 폭발 이미징 개별 분자의 handedness를 결정 하는 새로운 접근을 제공 합니다.
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.
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.
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
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.
3. 샘플 배달
4. 측정
참고: 다음 단계는 데이터 수집 소프트웨어에서 수행 됩니다.
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.
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.
R 과 S를 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.
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.
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.
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.
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.
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, 즉 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, 즉 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 cis 및 트랜스의 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.
저자 아무 경쟁 관심사를 선언합니다.
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.
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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