Method Article
Küçük kiral türler için patlama Coulomb Imaging bireysel moleküllerin el kullanımı belirlemek için yeni bir yaklaşım sağlar.
Bu makalede nasıl COLTRIMS (soğuk hedef geri tepme iyon Momentum spektroskopisi) veya "tepki mikroskop" tekniği enantiomers (hipoglisemi) bireysel moleküllerin düzeyde basit kiral türlerin ayırt etmek için kullanılabileceğini gösterir. Bu yaklaşımda, gaz halinde olan yakıtlar moleküler jet örnek bir vakum odasına genişletir ve (fs) femtosecond lazer bakliyat ile kesişiyor. Bakliyat yüksek yoğunluklu birkaç Katyonik (pozitif yüklü) parçaları üreten sözde bir Coulomb patlama tutuşabilme birden fazla iyonlaşma hızlı yol açar. Bir elektrostatik alan zaman ve pozisyon duyarlı dedektörler üzerine bu özellikler size yol gösterir. Benzer şekilde bir uçuş zaman Kütle Spektrometre, her iyon varış saati kütlesi hakkında bilgi verir. Bir fazlalık Elektrostatik alan emisyon yön ve parçalanma sonra kinetik enerji çeşitleri için uçuş zaman ve etkisi konumda Dedektör üzerinde kurşun bir şekilde ayarlanır.
Her iyon etkisi bir elektronik sinyal dedektörü oluşturur; Bu sinyali yüksek frekanslı elektronik tarafından tedavi ve bu olay tarafından bir bilgisayar tarafından kaydedildi. Kayıtlı veri etkisi kez ve pozisyonlar için karşılık gelir. Bu veriler ile enerji ve her parça emisyon yönünü hesaplanabilir. Bu değerler soruşturma, yani bağ uzunlukları ve atomlar molekül molekül tarafından el kullanımı basit kiral tür ve isomeric diğer özellikleri belirlemek için izin, göreli konumları altında molekülünün yapısal özellikleri ile ilgili.
Sembolik büyüleyici araştırmacılar 150 yıldan fazla oldu bizim doğanın bir özelliktir. 19th yüzyıl, Pasteur, van't Hoff ve diğer moleküller süper-bizim sol ve sağ ellerini gibi imposable - olmayan iki ayna görüntüsü yapıları meydana gelebilir keşfetti. Bu özellik 'kiral', 'el' için Yunanca kelime olarak adlandırdığı oldu.
Şimdiye kadar hiçbir fark termodinamik özellikleri veya sol ve sağ el formları (iki ' enantiomers') enerji seviyeleri tespit edilmiştir. Belirli bir örnek el kullanımı çözümlemek amacıyla ve enantiomers ayırmak için kiral diğer molekülleri ile etkileşimi, örneğin çeşitli chromatographical yaklaşımlar yapılır gibi kullanılabilir. 1 Chiroptical yöntemleri (titreşim) dairesel dichroism, (V) CD ve optik çevirme dağılım, ORD, gibi düzenli olarak enantiomers arasında ayırt etmek için istihdam edilmektedir. 2
Bu mikroskobik yapısı belirlenmesi gelince, bu tekniklerin ek bilgiler, örneğin kuantum kimyasal hesaplamalar yer gerektirir. Doğrudan mutlak yapılandırması belirlemek için yaygın olarak kabul edilen tek anormal x-ışını kırınım tekniğidir. 3
Son zamanlarda basit kiral türlerin mutlak yapılandırma Coulomb patlama Imaging tarafından belirlenebilir gösterilmiştir. 4 , 5 bu yaklaşım, gaz aşamasında moleküller vardır çarpma iyonize kalan çekirdek güçlü her diğer püskürtmek böylece. Bu itme moleküller hızlı parçalanma ('patlama') yol açar. Yönü ve parça momenta ilişkili – küçük moleküller için molekül yapısını büyüklüğü ivme yön şaşırtıcı derecede iyi bond eksenleri karşılık gelir. Coulomb patlama moleküler yapısı tayini için moleküler iyon kirişler Hızlandırıcı üzerinden kullanarak öncülük. 6 bu ışın folyo tekniği son zamanlarda da be kiral tanıma için uygulanan. 7
Aksine anormal x-ışını kırınım, kristal ama gaz aşamasında sağlanan örnek olmamalıdır. Bu uçucu türler için ideal ve böylece x-ışını kırınımı için tamamlayıcı Coulomb patlama yaklaşım sağlar. Belirli durumlarda, el kullanımı için bireysel moleküllerin bile belirlenebilir.
Uygulamada, moleküler yapısı tam olarak yeniden inşası metan türevleri, örneğin merkezi bir karbon ve farklı ornatıklarla moleküller için bile zor kanıtlamıştır. Bu gerçeği parçaları arasındaki etkileşimi tam olarak Coulombic değil ve tüm bağlarını aynı anda koparmak için atfedilir. Özellikle enantiomers arasında ayırt edilebilmesi için stereochemical bilgi elde etmek için bu yeniden yapılanma Neyse ki gerekli değildir. Bunun yerine, farklı parçalarının ivme vektörel çizimler sol ve sağ el molekülleri için ayrı bir miktar vermeye ilişkili olabilir. Güvenilir sonuçlar elde etmek için en az dört parça momenta kaydedilmesi gerekiyor.
Bu ivme bilgi ölçmek için bir- ve sadece bir-moleküler ayrılık parçalardan bir tek ölçüm adımda tespit gerekir. Bu durum genellikle 'çakışık algılama' denir. Buna ek olarak, emisyon yönergeleri analiz edilecek tutarları zaman ve parçanın konumunu kaydetmek için pratik bir liste modu veri biçiminde etkisi var.
Atomik ve moleküler fizik Elektrostatik Spektrometreler yığın ayırma ve zaman ve pozisyon duyarlı çok isabet dedektörleri için istihdam ederek bu yaklaşım ölçü uygulayan teknikleri geliştirilmiştir. COLTRIMS (soğuk hedef geri tepme iyon Momentum spektroskopisi) kurulum-olarak da bilinen tepki mikroskop en önemli örnektir. 8 , 9 bir kroki böyle bir deney için şekil 1' de verilmiştir. Elektron de kaydedebilirsiniz bir standart COLTRIMS aksine, Coulomb patlama Imaging yalnızca iyon detektörü gerektirir.
Spektrometre ve Dedektör ultra yüksek vakum altında monte edilmiştir (< 1 x 10-9 inç) iyonları arta kalan gaz üzerinden oluşturulmasını önlemek için. Örnek tek molekülleri gaz halinde olan yakıtlar ücretsiz moleküler jet süpersonik genişleme tarafından oluşturulan aracılığıyla sağlanır: buhar basıncı sayesinde molekülleri küçük bir başlık (yaklaşık 50 µm çapı) vakum içine genişletin. Bu deneyin, kaynak odası parçası etkileşim bölgesinden genellikle iki kevgir ve differentially pompalanan aşamaları tarafından ayrılır. Ek bir bölüm differentially pompalı gaz jet dökümü ve böylece arka plan gaz etkileşim bölgesi önlemek için etkileşim bölgesi arkasında yer alır.
İyonizan radyasyon moleküler jet altında 90 ° ile kesişiyor. Sinkrotron radyasyon, hızlı iyonları veya elektron etkisi olmasına rağmen 'Coulomb patlama ikna etmek mümkün mermi' çoğu laboratuvarları femtosecond lazer bakliyat, günümüzde kullanın.
Aşağıdaki iletişim kuralı kurulumunu çalıştırarak iyonları ve femtosecond lazer çakışık görüntüleme için laboratuar ortamında kullanılabilir varsayımı yapar. Coulomb patlama dört bes bile parçalara ikna etmek için gerekli en yüksek yoğunluk 6 x 1014 sırasına W/cm2olması gerekir. Son derece uzun ölçümleri önlemek için lazer tekrarlama oranı 10 kHz veya daha fazla olmalıdır. Parçalanma lazer odak için olasılık önemli ölçüde lazer darbe (ideal olarak fazla % 10) başına 1 aşağıda ise bir yandan çakışık algılama yalnızca tespit edilebilir çünkü bu önemlidir. Çünkü ilgili multifragmentation yolları payı genellikle az 10-4toplam parçalanma hızı, öte yandan, bir kaç kHz düşük olmamalıdır. Kadar cesaret verici aslında, ilke bir tek parçalanma olayı bir enantiopure örnek yapılandırma tanımlamak için yeterli zaten ve enantiomers içinde bolluk belirlemek için bir kaç yüz tespiti sağlar belirtilmelidir bir Bilinmeyen enantiomeric kompozisyon örneği.
Uyarı: Laboratuar ve deney ile bağlı tüm olası tehlikeler konusunda bilgi sahibi olmanız emin olun. Aşağıdaki yordamı sınıf-IV lazerler, yüksek gerilim ve vakum içerir. Malzeme güvenlik veri sayfaları (MSDS) tür araştırılması için başvurun.
1. hazırlık
2. Spektrometre ve dedektörleri
Not: Bu protokolün bir parçası biraz Spektrometre ve Dedektör sistemi gerçek uygulanmasına bağlıdır. Açıklama burada bir Altıgen gecikme hattı dedektörü (HEX75) ile standart bir COLTRIMS kurulumu için geçerlidir. 10 bu uygulama, bir Dedektör 7 çıkış kanal içerir: bir mikro levhalar için (MCP) ikincisi her anot üç kat için.
3. Örnek dır
4. Ölçüm
Not: veri edinme yazılımında aşağıdaki adımlar gerçekleştirilir.
5. Veri analizi
Not: Coulomb patlama Imaging bir denemede veri analizidir bir kompleks, henüz ödüllendirici görev fazla parametre deneme ve ölçülen arasındaki ilişkiler çok sayıda sonra ince ayar olabilir çünkü Momenta düzenlemelidir. Tüm aşağıdaki adımlar genellikle veri analiz yazılımı deneyde sonra gerçekleştirilir.
Bu bölümde, halomethanes için elde edilen sonuçlar gösterir. Bu tür kanıt prensibi deneyler basitlik ve yüksek buhar basıncı nedeniyle için idealdir. Bu arada, daha karmaşık türler halotan birden fazla iyonlaşma ikna etmek için bir sinkrotron kaynaktan tek yumuşak-x-ışını fotonlar kullanarak araştırmış. 14
CHBrClF
Bromochlorofluoromethane (CHBrClF) bir stereogenic Karbon atomu kiral moleküller için ders kitabı bir örnektir. Basit yapısı ve yüksek buhar basıncı (oda sıcaklığında yaklaşık 600 hPa) nedeniyle Coulomb patlama görüntüleme için ideal bir aday da sağlar. Ne yazık ki, bu tür ticari olarak mevcut değildir; Burada sunulan deneme için bir Rasemik karışım tepki CHBr2Cl HgF2 başvuru15göre tarafından sentezlenen. Enantio zenginleştirilmiş örnekleri yalnızca sonuçlar için racemates defa elde edilmiştir gerekli miktarlarda elde etmek zordur.
Burada sunulan sonuçlar için örnek verilen meme (iyonlaşma olasılık darbe başına % 10) ile ilgili hedef yoğunluğu elde etmek için yaklaşık 240 K için soğutmalı. Lazer en yüksek yoğunluğu 6 x 1014 W/cm2olarak tahmin edildi. Ölçüm 100 kHz lazer tekrarlama oranı 11 h aldı.
R ve Sayırmak için-enantiomers, normalleştirilmiş bir üçlü ürün üç halojenler Flor, klor ve brom ivme vektörlerinden hesaplanır. Geometrik olarak, bu miktar Flor momentum ve klor ve brom momenta uçak arasındaki açının kosinüsünü olarak yorumlanabilir.
Şekil 3 gösterir cosθ izotop CH79Br35ClF, geometrik tanımı ile birlikte. Enantiomers gösteren iki açık doruklarına görülebilir. Klasik moleküler dinamiği simülasyon ile tutarlı doruklarına konumdur. Hemen hemen hiçbir arka plan olarak, el kullanımı atama bir tek molekül düzeyde çalışır.
CHBrCl2
CHBrCl2 sembolik sadece oluşur izotoplar 35Cl ve 37Cl aynı molekül mevcut. İzotoplar doğal zenginliği ile bir örnek böylece kiral ve achiral molekülleri içerir. İki ek komplikasyonlar ortaya burada: Öncelikle, klor ve brom izotoplar uçuş saat dağılımları sırasıyla küçük kitle farklılıktan dolayı üst üste. El kullanımı belirlenmesi izotoplar doğru ataması üzerinde bağlı olarak bu klor için özellikle önemlidir. İkinci olarak, kiral türler CH79Br35Cl37Cl aynı toplam kütle achiral tür CH81Br35Cl2olarak (Kur'ın doğruluk içinde) vardır. Bu tür incelenmesi böylece bir benchmark sınav yöntemi olarak görülebilir.
Kullanılan Spektrometre ile (Spektrometre uzunluğu s = 60.5 mm, elektrik alan şiddeti E 57.1 V/cm =), veri istimal kiral izotop CH79Br35Cl37Cl ile toplam ivme seçilmiş olabilir için bir hangi hitlerinden atamak için başvuru16 tarafından önerilen algoritma hangi izotop ait.
Geometrik konuları yönelimleri uzayda iki klor izotoplar aynı zaman-in-uçuş olduğu molekülünün olabilir sonuç yol; Bu durumda, bir prensip meselesi ayırt edici olamazlar. Bu olayları sıralamak için bir yordam ek materyalleri başvuru4' te tanımlanmıştır. Sonuç olarak, yapılandırmanın isotopically kiral moleküllerin bile yüksek güvenilirlik ile belirlenebilir.
Resim 1 : COLTRIMS kurulum görünüme. Molekülleri kurulum süresince meme girin ve skimmers çifti geçirin. Etkileşim odasında lazer bakliyat moleküler jet altında 90 ° ile çapraz. İyonları dedektörü (üst) Spektrometre elektrik alanı tarafından yönlendirilir. Daha iyi görüş için değil tüm Spektrometre plakaları gösterilir. Kalan molekülleri differentially pompalanan bir bölümünde (jet dökümü) arka plan baskı etkileşim bölgede mümkün olduğunca düşük tutmak terk etti. Başvuru17 izni olan G. Kastirke tarafından değiştirilen şekil. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Resim 2 : Dört-parçacık tesadüf spektrum. Bu çubuk grafik bir uçuş zaman kitle spektrum dört parçacıklar için bir uzantısıdır: zaman-in-uçuşlar dedektörü birinci ve ikinci hit için toplamı xüzerinde çizilen-eksenli, üçüncü ve dördüncü için Toplam isabet üzerinde y-eksen. Merkezi doruklarına dört tespit parçaları kitlelerin tanıtılmasına olanak sağlar. Yapıları şeklinde ek bilgiler içerir: parçaları momenta ilâ sıfır eklerseniz, olayları dar hat (H, CF, Cl, Br) yer alır. Fark edilmeden bir parçası ivme içeriyorsa, sıfırsız toplam ivme ölçülen parçacığın özelliklerini genişletmek için yol açar. Örnek amacıyla sinkrotron değil, lazer ölçüm verileri burada nedeniyle daha yüksek istatistikleri kullanılmıştır. Şekil başvuru5 ile Wiley-VCH izniyle çoğaltılamaz. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 3 : Beş-parçacık break-up CHBrClF sembolik parametresi ile enantiomers bir ayrım cos θ metinde tanımlanan. Pozitif değerler zirvesinde R-enantiomer, S-enantiomer için negatif değerler zirvesinde karşılık gelir. Çünkü ilave gösterir θ geometrik olarak. Düşükel kullanımı için bireysel moleküllerin ataması için arka plan sağlar. Şekil başvuru4 AAAS izniyle çoğaltılamaz. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Bileşenleri çeşitli nedeniyle, özellikle vakum tekniği, parçacık algılama, hızlı elektronik ve veri analizi alanlarında teknik uzmanlık oldukça yüksek düzeyde bir COLTRIMS kurulum gerektirir. Kur tarafından performans ve diatomic veya triatomic türler üzerinde bir ölçüm analiz örneğin düzgün çalışıyorsa, karmaşık türler soruşturma açmadan önce bu nedenle iyice kontrol edilmelidir.
Yoğunluk ve lazer bakliyat ve moleküler jet ile örtüşme süresi optimize birçok mümkün olduğunca birden fazla iyonlaşma etkinlik elde etmek için esastır. Momentum dağıtım farklı döngüleri lazer darbe sırasında ardışık iyonizasyon nedeniyle genişletmek gibi darbe süresi 40 fs ideal geçmemelidir. Ölçüm sırasında yeterli istatistikler elde etmek çok önemlidir. Pozitif tarafta, mutlak yapılandırma belirlenmesi diğer tesadüf deneyler için Yani prosedür karşılaştırıldığında özellikle hassas lazer veya jet şiddeti dalgalanmalar ve elektrik için oldukça sağlam gerektirmez alan distorsiyonları Spektrometre içinde.
Bu teknik en temel sınırlama büyük moleküllerin onun uygulanabilirliği ile ilgili. Bir sonuçları parçaları, momenta temsil değil gerçek uzayda moleküllerin yapısını unutmayın gerekir. Karmaşık biyolojik moleküller için ölçülen momenta ve moleküler yapısı arasındaki ilişkiyi burada sunulan molekülleri gelince basit olması beklenmiyor. Ayrıca, karmaşık molekülleri muhtemelen azalan verim ilgili kanal yapılandırması hakkında bilgi olarak yerine birçok ayrılık kanal üretebilir. Teknik moleküllere üç veya daha fazla Karbon atomu ile genişletilmesi için ise teorik parçalanma modelleme, ayrılık desenleri ve daha karmaşık analiz prosedürleri kontrol gerekecektir. Geçerli noktada bu proteinlerin yapılandırma veya molekül benzer karmaşıklığı araştırmak mümkün değil gibi görünüyor, ancak gerçek sınırlamalar hala belirlenmesi gerekir.
Başka bir geçerli kurulum moleküler jet nedeniyle nispeten yüksek örnek tüketimi kısıtlamasıdır. Geri dönüşüm mekanizması (örneğin soğuk kapanlarına vakum foreline) uygulayarak azaltılabilir. Yine de, Coşkun jetleri, thermodesorption18 gibi diğer örnek hazırlama yöntemleri sınamak veya gaz aşamasında biyo-moleküllerin eğitimi için başarıyla uygulanmış olan desorpsiyon teknikleri19 lazer faydalı olacaktır.
Coulomb patlama Imaging yıkıcı bir yöntemdir, Yani yapılandırma belirlenmesi için parçalanmış molekülleri daha fazla kullanılamaz. Ancak, sadece küçük bir bölümü aslında (bu önceki paragrafta bahsedilen yüksek örnek tüketimi için nedenlerinden biri) iyonize. Böylece sonraki uygulama için geri dönüşümlü molekülleri kullanmak mümkün olabilir.
Momenta ölçümü molekülleri 'hizalanmış' bir veri kümesi oluşturmak için ve kayma belirli yönergeleri seçmek için izin verdiğinden, tesadüf tekniği asimetri etkileri incelenmesi için yeni bakış açıları kiral molekülleri bu özellikle açılır. momenta elektron COLTRIMS Kurulumu tamamlamak kullanarak elde edilebilir tesadüf ölçülür Eğer durumda. Pompa-soruşturma teknikleri Ayrıca kiral türünün yapısal dinamikleri çalışmaya izin.
Son zamanlarda, Coulomb patlama Imaging da CIS ve transmutlak geometrileri belirlemek için kullanılmıştır-İzomerler, olası türler ve soruları ele alınması için yeni bir sınıf ekleyerek20 . Stereokimya tesadüf spektroskopisi ile incelenmesi hala emekleme döneminde olduğu gibi yazarlar bu makale yeni deneyler için önceki paragraflarda açıklanan yönde çalışan araştırmacılar ilham yardımcı olur umuyoruz.
Yazarlar hiçbir rakip ilgi bildirin.
Biz Robert Berger (Philipps-Universität Marburg, Almanya) için teşekkür ederiz bizim veri ve moleküler sembolik yorumu hakkında tartışmalar genel olarak ilham verici. Örnek sağlamak için ZHAW Wädenswil (İsviçre) Julia Kiedrowski, Alexander Schießer ve Michael Reggelin TU Darmstadt (Almanya), gelen yanı sıra Benjamin Spenger, Manuel Mazenauer ve Jürgen Stohner için minnettarız.
Proje Hessen devlet girişimi tarafından bilimsel ve ekonomik mükemmellik için odak ELCH (kiral sistemlerinin Electron dynamics) ve Federal Bakanlığı Eğitim ve araştırma (BMBF) altında desteklenmiştir. MS finansal destek Adolf Messer Vakfı tarafından kabul eder.
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 |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır