Hipoglisemi arasında ayırt etmek için bir araç olarak Coulomb patlama görüntüleme
Summary
Küçük kiral türler için patlama Coulomb Imaging bireysel moleküllerin el kullanımı belirlemek için yeni bir yaklaşım sağlar.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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 o…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
Materials
| 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 |
References
- Gübitz, G., Schmid, M. G. Chiral Separation by Chromatographic and Electromigration Techniques. A Review. Biopharm. Drug Disposition. 22, 291-336 (2001).
- Berova, N., Polaravapu, P. L., Nakanishi, K., Woody, R. W. . Comprehensive Chiroptical Spectroscopy. , (2012).
- Bijvoet, J. M., Peerdeman, A. F., van Bommel, A. J. Determination of the Absolute Configuration of Optically Active Compounds by means of X-rays. Nature. 168 (4268), 271-272 (1951).
- Pitzer, M., et al. Direct Determination of Absolute Molecular Stereochemistry in Gas Phase by Coulomb Explosion Imaging. Science. 341 (6150), 1096-1100 (2013).
- Pitzer, M., et al. Absolute Configuration from Different Multifragmentation Pathways in Light-Induced Coulomb Explosion Imaging. Chem Phys Chem. 17 (16), 2465-2472 (2016).
- Vager, Z., Naaman, R., Kanter, E. P. Coulomb Explosion Imaging of small molecules. Science. 244 (4903), 426-431 (1989).
- Herwig, P. H., et al. Imaging the Absolute Configuration of a Chiral Epoxide in the Gas Phase. Science. 342 (6162), 1084-1186 (2013).
- Dörner, R., et al. Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy: a ‘momentum microscope’ to view atomic collision dynamics. Physics Reports. 330, 95-192 (2000).
- Ullrich, J., et al. Recoil-ion and electron momentum spectroscopy: reaction-microscopes. Rep. Prog. Phys. 66 (9), 1463-1545 (2003).
- Jagutzki, O., et al. Multiple Hit Readout of a Microchannel Plate Detector With a Three-Layer Delay-Line Anode. IEEE Trans Nucl Sci. 49 (5), 2477-2483 (2002).
- . . RoentDek GmbH MCP Delay Line Detector Manual. , (2017).
- . . RoentDek GmbH The RoentDek Constant Fraction Discriminators CFD8c, CFD7x, CFD4c, CFD1c and CFD1x. , (2017).
- Zeller, S., et al. Imaging the He2 quantum halo state using a free electron laser. PNAS. 113 (51), 14651-14655 (2016).
- Pitzer, M., et al. Stereochemical configuration and selective excitation of the chiral molecule halothane. J. Phys. B.: At. Mol. Opt. Phys. 49 (23), 234001 (2016).
- Hine, J., Dowell, A. M., Singley, J. E. Carbon Dihalides as Intermediates in the Basic Hydrolysis of Haloforms: IV Relative Reactivities of Haloforms. J. Am. Soc. Chem. 78, 479-482 (1956).
- Wales, B., et al. A coincidence detection algorithm for improving detection rates in coulomb explosion imaging. Nucl. Instr. Meth. in Phys. Res. A. 667, 11-15 (2012).
- Kastirke, G. . Konstruktion und Aufbau einer UHV-tauglichen COLTRIMS-Kammer. , (2014).
- Calegari, F., et al. Charge migration induced by attosecond pulses in bio-relevant molecules. J. Phys. B.: At. Mol. Opt. Phys. 49 (14), 142001 (2016).
- Gaie-Levrel, F., Garcia, G. A., Schwell, M., Nahon, L. VUV state-selected photoionization of thermally-desorbed biomolecules by coupling an aerosol source to an imaging photoelectron/photoion coincidence spectrometer: case of the amino acids tryptophan and phenylalanine. Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 7024-7036 (2010).
- Ablikim, U., et al. Identification of absolute geometries of cis and trans molecular isomers by Coulomb Explosion Imaging. Sci. Rep. 6, 38202 (2016).
