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Para pequenas espécies quirais, Coulomb explosão Imaging fornece uma nova abordagem para determinar a lateralidade de moléculas individuais.
Este artigo mostra como o COLTRIMS (frio alvo Recoil Ion Momentum espectroscopia) ou a técnica de "microscópio de reação" pode ser usada para distinguir entre enantiômeros (estereoisômeros) das espécies quirais simples no nível de moléculas individuais. Nessa abordagem, um jato gasoso molecular da amostra se expande em uma câmara de vácuo e cruza com pulsos de laser de femtosecond (fs). A alta intensidade dos pulsos leva à rápida ionização múltipla, acendendo uma explosão de Coulomb chamados que produz vários fragmentos (carregados positivamente) catiônicos. Campo eletrostático orienta estes cátions para detectores e posição-urgente. Semelhante a um espectrômetro de massa de tempo-de-voo, o tempo de chegada de cada íon produz informações sobre sua massa. Como um excedente, o campo eletrostático é regulado de forma que a direção de emissão e a energia cinética após a fragmentação da levam a variações no tempo-de-voo e na posição de impacto sobre o detector.
Cada impacto de íon cria um sinal eletrônico no detector; Este sinal é tratado pela eletrônica de alta frequência e gravado pelo evento por um computador. Os dados registados correspondem aos tempos de impacto e posições. Com esses dados, podem ser calculadas a energia e a direção de emissão de cada fragmento. Estes valores estão relacionados com as propriedades estruturais da molécula sob investigação, ou seja, para os comprimentos de ligação e as posições relativas dos átomos, que permite para determinar a molécula por molécula a lateralidade das espécies quirais simples e outras características isoméricos.
Quiralidade é uma característica da nossa natureza que tem sido fascinantes pesquisadores de mais de 150 anos. Em 19th século, Pasteur, Van ' t Hoff e outros descobriram que as moléculas podem ocorrer em duas estruturas de imagem de espelho que não são super-imposable - como a nossa esquerda e mão direita. Esta propriedade foi denominada 'quiral', da palavra grega para 'mão'.
Até agora, não há diferença entre propriedades termodinâmicas ou em níveis de energia da mão esquerda e direita formulários (os dois ' enantiômeros') foi encontrada. A fim de analisar a destreza manual de uma determinada amostra e para separar os enantiômeros, interação com outras moléculas quirais pode ser usada, como por exemplo é feito em várias abordagens chromatographical. 1 Chiroptical métodos como Dicroísmo circular (vibracional), CD (V) e dispersão rotatory óptico, ORD, são rotineiramente empregados para distinguir entre os enantiômeros. 2
Quando se trata da determinação da estrutura microscópica, estas técnicas exigem informações adicionais, por exemplo, dos cálculos de química quântica. A única técnica que é amplamente aceito para determinar diretamente a configuração absoluta é anômala de difração de raios x. 3
Recentemente mostrou que a configuração absoluta de espécies quirais simples pode ser determinada por Coulomb explosão Imaging. 4 , 5 nesta abordagem, as moléculas na fase gasosa são multiplicar ionizado para que os restantes núcleos fortemente repelem ao outro. Esta repulsão leva à fragmentação rápida ('explosão') das moléculas. A direção e a magnitude do fragmento correlato de momentos para a estrutura da molécula – para pequenas moléculas, as direções de impulso correspondem surpreendentemente bem para os eixos de ligação. Explosão de Coulomb para determinação da estrutura molecular tem sido pioneira usando feixes de íon molecular de um acelerador. 6 esta técnica de folha do feixe tem recentemente sido também solicitou o reconhecimento quiral. 7
Ao contrário da difração de raios x anômalos, a amostra não deve ser cristalino mas fornecido na fase gasosa. Isso torna a abordagem de Coulomb explosão ideal para espécies voláteis e, portanto, complementar à difração de raios x. Em certos casos, a destreza manual nem pode ser determinada por moléculas individuais.
Na prática, a reconstrução exata da estrutura molecular provou difícil mesmo para derivados do metano, por exemplo, moléculas com um carbono central e diferentes substituintes. Isto é atribuído ao fato de que a interação entre os fragmentos não é exatamente Coulombic e que nem todos os títulos quebraram simultaneamente. Para obter informações de estereoquímicas, especialmente para distinguir entre os enantiômeros, esta reconstrução Felizmente não é necessária. Em vez disso, os vetores da dinâmica dos diferentes fragmentos podem ser correlacionados para render uma quantidade que é distinta para as moléculas de mão esquerda e direita. Para obter resultados fiáveis, pelo menos quatro momentos de fragmento tem que ser gravado.
Para medir esta informação dinâmica, os fragmentos de um – e única – molecular rompimento precisa ser detectada em uma etapa de medição. Esta condição é geralmente referida como 'detecção coincidente'. Além disso, as direções de emissão precisa ser analisado, que montantes na prática para gravar o tempo e a posição do fragmento de impacto em um formato de dados de lista-modo.
Em física atômica e molecular, foram desenvolvidas técnicas que implementam essa abordagem de medição empregando eletrostáticos espectrômetros para detectores de multi-hit separação e tempo e posição-sensíveis à massa. O exemplo mais proeminente é a instalação COLTRIMS (frio alvo Recoil Ion Momentum espectroscopia) – também conhecido como microscópio de reação. 8 , 9 um esboço para este tipo de experiência é dada na Figura 1. Ao contrário de um padrão COLTRIMS que pode gravar os elétrons também, Coulomb explosão Imaging requer apenas o detector de íons.
Espectrômetro e detector são montados sob vácuo ultra elevado (< 1 x 10-9 hPa) para evitar a criação de íons do gás residual. Moléculas simples da amostra são fornecidas através de um jato de molecular gasoso gratuito criado por expansão supersônica: em virtude da pressão de vapor, as moléculas se expandir através de um bocal pequeno (cerca de 50 µm de diâmetro) no vácuo. Esta parte do experimento, a câmara de origem, é separado da região de interação por geralmente duas escumadeiras e estágios diferencialmente bombeados. Diferencialmente bombeado seção adicional está localizado atrás da região de interação para despejar o jato de gás e, assim, evitar o gás de fundo na região de interação.
A radiação ionizante cruza-se com o jato molecular abaixo dos 90°. A maioria dos laboratórios atualmente usam pulsos de laser de femtosecond, apesar de radiação síncrotron, íons rápidos ou impacto do elétron são possíveis 'projéteis' para induzir a explosão de Coulomb.
O protocolo seguinte faz a suposição de que uma configuração de execução para a imagem latente coincidente de íons e um laser de femtosecond estão disponíveis no laboratório. O pico de intensidade necessário para induzir a explosão de Coulomb em quatro ou mesmo cinco fragmentos deve ser da ordem de 6 x 1014 W/cm2. Para evitar medidas excessivamente longas, a taxa de repetência do laser deve ser igual ou superior a 10 kHz. Isto é crucial porque, por um lado, deteção coincidente só pode ser verificada se a probabilidade de fragmentação no foco do laser é significativamente inferior a 1 por pulso de laser (idealmente não mais de 10%). A taxa de fragmentação total, por outro lado, deve não ser inferior a poucos kHz porque o compartilhamento das vias multifragmentation relevantes é geralmente inferior a 10-4. Fato tão encorajador, deve ser mencionado que em princípio já um evento único de fragmentação é suficiente para identificar a configuração de uma amostra de enantiopure, e a deteção de algumas centenas permite determinar a abundância dos enantiômeros em um amostra de composição enantiomérica desconhecida.
atenção: Certifique-se de estar familiarizado com todos os possíveis perigos ligados com a experiência e no laboratório. O procedimento abaixo inclui lasers de classe-IV, de alta tensão e vácuo. Consulte a folha de dados de segurança do material (MSDS) para a espécie a ser investigado.
1. preparação
2. Ativar o espectrômetro e detectores de
Nota: esta parte do protocolo ligeiramente depende a aplicação efectiva do sistema espectrômetro e detector. A descrição aqui é válida para uma instalação padrão de COLTRIMS com um detector de linha de atraso hexagonal (HEX75). 10 nesta implementação, um detector tem 7 canais de saída: um para as placas de microcanais (CIM) e dois para cada uma das três camadas do ânodo.
3. Entrega da amostra
4. Medição
Nota: as seguintes etapas são executadas no software de aquisição de dados.
5. Análise de dados
Nota: análise de dados em um experimento de Coulomb explosão Imaging é um complexo, mas gratificante tarefa porque muitos parâmetros podem ser afinados após o experimento e uma infinidade de correlações entre as medidas momentos podem ser explorados. Todas as seguintes etapas são executadas geralmente após a experiência do software de análise de dados.
Nesta parte, mostramos os resultados obtidos para halomethanes. Estas espécies são ideais para prova de princípio experiências devido à sua simplicidade e alta pressão de vapor. Entretanto, o halotano espécies mais complexo foi investigado usando fótons de raio-x-macio único de uma fonte de síncrotron para induzir múltiplas de ionização. 14
CHBrClF
Bromochlorofluoromethane (CHBrClF) é um exemplo clássico para moléculas quirais com um átomo de carbono estereogênico. Também é o candidato ideal para Coulomb explosão de imagem devido à sua estrutura simples e a alta pressão de vapor (cerca de 600 hPa à temperatura ambiente). Infelizmente, a espécie não está disponível comercialmente; para o experimento apresentado aqui, uma mistura racêmica foi sintetizada por reagir CHBr2Cl com HgF2 de acordo com a referência15. Enriquecido em Vallagarina amostras são difíceis de obter nas quantidades necessárias para que apenas os resultados para racemates foram obtidos até agora.
Para os resultados aqui apresentados, a amostra foi resfriada a cerca de 240 K para obter uma densidade de destino apropriado com o bocal determinado (10% de probabilidade de ionização por impulso). O pico de intensidade do laser foi estimado em 6 x 1014 W/cm2. A medição em 100 kHz taxa de repetição de laser levou 11 h.
A fim de distinguir a R e S-enantiômeros, um produto triplo normalizado é calculado a partir dos vectores de impulso da três halogênios flúor, cloro e bromo. Geometricamente, esta quantidade pode ser interpretada como o cosseno do ângulo entre o ímpeto de flúor e o plano do momento de cloro e bromo.
A Figura 3 mostra porqueθ para o isótopo CH79Br35ClF, juntamente com a definição geométrica. Dois picos de claros são visíveis, indicando os enantiômeros. A posição dos picos é consistente com uma simulação de dinâmica molecular classical. Como quase nenhum fundo está presente, a atribuição de destreza manual funciona em um nível da molécula.
CHBrCl2
A quiralidade de CHBrCl2 ocorre somente se a ambos os isótopos 35Cl e 37Cl estão presentes na mesma molécula. Uma amostra com abundância natural de isótopos, portanto, contém moléculas quirais e aquiral. Duas complicações adicionais surgem aqui: em primeiro lugar, as distribuições de tempo-de-voo os isótopos de cloro e bromo sobrepõem-se respectivamente devido a pequena diferença de massa. Isto é particularmente relevante para cloro, como a determinação de lateralidade depende a atribuição correcta dos isótopos. Em segundo lugar, a espécie quiral CH79Br35Cl37Cl tem (dentro de precisão a configuração) a mesma massa total que a espécie aquiral CH81Br35Cl2. A investigação desta espécie, portanto, pode ser vista como um teste de benchmark para o método.
Com o espectrômetro usado (espectrômetro comprimento s = 60,5 mm, força do campo elétrico E = 57,1 V/cm), os dados para o isótopo quiral CH79Br35Cl37Cl pode ser selecionada através do impulso total, usando um algoritmo sugerido por referência16 para atribuir dos hits que pertence a qual isótopo.
Considerações geométricas levam à conclusão de que pode haver orientações da molécula no espaço onde os dois isótopos de cloro tem o mesmo tempo de voo; Neste caso, não podem ser distinguidos por uma questão de princípio. Um procedimento para resolver estes eventos tem sido descrito nos materiais complementares referência4. Como resultado, a configuração nem de desvendar chiral moléculas pode ser determinada com alta confiabilidade.
Figura 1 : Modo de exibição em uma configuração COLTRIMS. Moléculas de entram na configuração do bocal e passam por um par de skimmers. Na câmara de interação, os pulsos de laser cruzam com o jet molecular abaixo dos 90°. Íons são guiadas pelo campo elétrico do espectrómetro para o detector (topo). Para melhor visibilidade, nem todas as placas de espectrômetro são mostradas. As moléculas restantes são despejadas em uma seção diferencialmente bombeada (despejo de jato) para manter a pressão de fundo na região de interação mais baixo possível. Figura modificada de referência17 com permissão por G. Kastirke. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2 : Quatro-partícula coincidência espectro. Este histograma é uma extensão de um espectro de massa de tempo-de-voo de quatro partículas: A soma de tempo de voos para o primeiro e o segundo hit no detector são plotadas no x-eixo, a quantia para a terceira e a quarta bateu na y-eixo. O centro dos picos permite identificar as massas dos quatro fragmentos detectados. A forma das estruturas contém informações adicionais: se o momento dos fragmentos adicionar a zero, os eventos estão contidos em uma linha estreita (H, CF, Cl, Br). Se um fragmento não detectado carrega o impulso, o impulso total diferente de zero da partícula medido leva a uma ampliação dos recursos. Para fins de ilustração, dados de síncrotron, não do laser, as medições são usados aqui devido à maiores estatísticas. Figura reproduzida de referência5 com permissão pela Wiley-VCH. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3 : Distinção dos enantiômeros na cinco-partícula break-up de CHBrClF via parâmetro quiralidade cos Θ conforme definido no texto. O R-Enantiômero, o pico em valores negativos para o S-enantiômero corresponde o pico em valores positivos. O baixo-relevo ilustra porque θ geometricamente. A baixaplano de fundo permite uma atribuição de lateralidade para moléculas individuais. Figura reproduzida de referência4 com permissão da AAAS. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Devido à variedade de componentes, uma instalação COLTRIMS requer um nível bastante elevado de conhecimentos técnicos, especialmente nas áreas de técnica de vácuo, detecção de partículas, rápido eletrônica e análise de dados. Antes de virar para a investigação de espécies complexas, deve, portanto, completamente verificar-se a instalação está sendo executado corretamente, por exemplo, executar e analisar uma medição em uma espécie diatômica ou triatômica.
Otimizando a intensidade e a duração dos pulsos de laser e a sobreposição com o jet molecular é essencial para alcançar o máximo Múltiplo eventos de ionização quanto possível. Como a distribuição dinâmica pode ampliar devido à ionização sequencial durante ciclos diferentes do pulso do laser, a duração do pulso idealmente não deve exceder 40 fs. Durante a medição, é crucial obter estatísticas suficientes. No lado positivo, a determinação da configuração absoluta não requer uma precisão particularmente elevado em comparação com outros experimentos de coincidência, ou seja, o procedimento é bastante robusto para flutuações em laser ou intensidade do jato e elétrica distorções de campo no espectrómetro.
A limitação mais fundamental da técnica diz respeito à sua aplicabilidade para moléculas maiores. Se deve ter em mente que os resultados representam o momento de fragmentos, não a estrutura das moléculas no espaço real. Para bio-moléculas complexas, a relação entre momentos medidos e estrutura molecular não deverá ser tão simples quanto as moléculas aqui apresentadas. Além disso, moléculas complexas podem produzir muitos canais de rompimento que não carregam informações sobre a configuração, possivelmente diminuindo o rendimento dos canais relevantes. Teóricos da fragmentação de modelagem, controle de rompimento de padrões e procedimentos de análise mais sofisticados serão necessários se a técnica deve ser estendido para moléculas com três ou mais átomos de carbono. Na fase actual, não parece possível investigar a configuração das proteínas ou moléculas de complexidade semelhante, mas as limitações reais ainda precisam ser determinado.
Outra limitação da configuração atual é o consumo de amostra relativamente elevado devido o jato molecular. Ela pode ser reduzida através da implementação de um mecanismo de reciclagem (por exemplo, frio armadilhas em foreline a vácuo). No entanto, seria benéfico para testar outros métodos de preparação de amostra como jatos efusivos, thermodesorption18 ou laser dessorção técnicas19 que foram aplicados com sucesso para estudar bio-moléculas na fase gasosa.
Explosão de Coulomb Imaging é um método destrutivo, ou seja, moléculas que têm sido fragmentadas para determinação de configuração não podem ser usadas ainda mais. No entanto, apenas uma pequena fração na verdade é ionizada (que é uma das razões para o consumo elevado de amostra mencionada no parágrafo anterior). Assim, é possível usar as moléculas recicladas para posterior aplicação.
Como a medição do momento permite criar um conjunto de dados 'alinhado' das moléculas e selecionar determinadas direções espaciais, a técnica de coincidência abre novas perspectivas para a investigação dos efeitos de assimetria em moléculas quirais em particular é o caso se o momento dos elétrons é medido em coincidência que pode ser alcançada usando uma instalação completa do COLTRIMS. Bomba-sonda técnicas adicionalmente permitem estudar a dinâmica estrutural das espécies quirais.
Muito recentemente, Coulomb explosão Imaging também tem sido usado para determinar as geometrias absolutas de cis e trans-isômeros,20 , adicionando uma nova classe de espécies possíveis e questões a abordar. Como a investigação de estereoquímica com espectroscopia de coincidência está ainda em sua infância, os autores, espero que este artigo ajuda a inspirar os investigadores que trabalham nas direções descritas nos parágrafos anteriores para novas experiências.
Os autores declaram não interesses concorrentes.
Agradecemos a Robert Berger (Philipps-Universität Marburg, Alemanha) para inspirar as discussões sobre a interpretação de nossos dados e quiralidade molecular em geral. Estamos gratos a Julia Kiedrowski, Alexander Schießer e Michael Reggelin de TU Darmstadt (Alemanha), bem como Benjamin Spenger, Manuel Mazenauer e Jürgen Stohner de faculdade Wädenswil (Suíça) para fornecer a amostra.
O projeto foi apoiado pela iniciativa do estado de Hessen para científico e económico excelência sob o foco ELCH (dinâmica de elétrons de sistemas quirais) e o Ministério Federal da educação e pesquisa (BMBF). MS reconhece o apoio financeiro da Fundação de Adolf Messer.
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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