Stereoisomers के बीच अंतर करने के लिए एक उपकरण के रूप में Coulomb धमाका इमेजिंग
Summary
छोटे चिराल प्रजातियों के लिए, Coulomb धमाका इमेजिंग व्यक्तिगत अणुओं की हाथ निर्धारित करने के लिए एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है ।
Abstract
इस लेख से पता चलता है कैसे COLTRIMS (शीत लक्ष्य हटना आयन गति स्पेक्ट्रोस्कोपी) या “प्रतिक्रिया माइक्रोस्कोप” तकनीक के लिए व्यक्तिगत अणुओं के स्तर पर सरल चिराल प्रजातियों में से enantiomers (stereoisomers) के बीच अंतर किया जा सकता है । इस दृष्टिकोण में, नमूना के एक गैसीय आणविक जेट एक निर्वात चैंबर और femtosecond (एफएस) लेजर दालों के साथ संप्रदायों में फैलता है । दालों की उच्च तीव्रता के लिए तेजी से कई ionization की ओर जाता है, एक तथाकथित Coulomb विस्फोट है कि कई cationic (सकारात्मक आरोप लगाया) टुकड़े का उत्पादन प्रज्वलित । एक इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र समय पर इन cations गाइड-और स्थिति के प्रति संवेदनशील डिटेक्टरों । एक समय की उड़ान मास स्पेक्ट्रोमीटर के समान, अपने द्रव्यमान पर प्रत्येक आयन पैदावार जानकारी के आगमन के समय । एक अधिशेष के रूप में, इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र एक तरह से समायोजित किया जाता है कि उत्सर्जन की दिशा और विखंडन के बाद काइनेटिक ऊर्जा समय की उड़ान में बदलाव के लिए नेतृत्व और डिटेक्टर पर प्रभाव की स्थिति में ।
प्रत्येक आयन प्रभाव डिटेक्टर में एक इलेक्ट्रॉनिक संकेत बनाता है; यह संकेत एक कंप्यूटर द्वारा घटना द्वारा उच्च आवृत्ति इलेक्ट्रॉनिक्स और दर्ज की घटना द्वारा इलाज किया जाता है । पंजीकृत डेटा प्रभाव समय और पदों के अनुरूप है । इन आंकड़ों के साथ, ऊर्जा और प्रत्येक टुकड़ा के उत्सर्जन की दिशा की गणना की जा सकती है । इन मूल्यों की जांच के तहत अणु के संरचनात्मक गुणों से संबंधित हैं, अर्थात् बांड लंबाई और परमाणुओं के सापेक्ष पदों के लिए, अणु द्वारा अणु सरल चिराल प्रजातियों और अंय isomeric सुविधाओं की सौंपी निर्धारित करने की अनुमति ।
Introduction
Chirality हमारे स्वभाव की एक विशेषता है कि अधिक से अधिक १५० वर्षों के लिए किया गया है आकर्षक शोधकर्ताओं । 19वें सदी में, पाश्चर, van’t Hoff और दूसरों की खोज की है कि अणुओं दो दर्पण छवि संरचनाओं कि सुपर भव्य नहीं कर रहे है में हो सकता है-हमारे बाएं और दाएं हाथ की तरह । ‘ हाथ ‘ के लिए ग्रीक शब्द से इस गुण को ‘ चिराल ‘ करार दिया गया था ।
अब तक, ऊष्मा के गुणों में कोई अंतर नहीं या बाएँ और दाएँ हाथ के रूपों की ऊर्जा के स्तर में (दो ‘ enantiomers ‘) पाया गया है. आदेश में एक दिए गए नमूने के हाथ का विश्लेषण करने के लिए और enantiomers अलग करने के लिए, अंय चिराल अणुओं के साथ बातचीत इस्तेमाल किया जा सकता है, के रूप में विभिंन chromatographical दृष्टिकोण में किया उदाहरण के लिए है । 1 Chiroptical विधियों जैसे (कंपन) परिपत्र dichroism, (V) CD, और ऑप्टिकल rotatory फैलाव, ORD, enantiomers के बीच अंतर करने के लिए नियमित रूप से कार्यरत हैं । 2
जब यह सूक्ष्म संरचना के निर्धारण की बात आती है, इन तकनीकों अतिरिक्त जानकारी की आवश्यकता है, क्वांटम रासायनिक गणना से उदा । केवल तकनीक है कि व्यापक रूप से सीधे निरपेक्ष विंयास निर्धारित करने के लिए स्वीकार कर लिया है असंगत एक्स-रे विवर्तन है । 3
यह हाल ही में दिखाया गया है कि सरल चिराल प्रजातियों में से निरपेक्ष विंयास Coulomb धमाका इमेजिंग द्वारा निर्धारित किया जा सकता है । 4 , इस दृष्टिकोण में 5 , गैस चरण में अणु गुणा कर रहे है ताकि शेष कोर दृढ़ता से एक दूसरे को पीछे हटाना । इस आवेग को तेजी से विखंडन की ओर जाता है (‘ विस्फोट ‘) अणुओं की । दिशा और टुकड़ा momenta की भयावहता अणु की संरचना को सहसंबंधी बनाना-छोटे अणुओं के लिए, गति दिशाओं आश्चर्यजनक रूप से अच्छी तरह से बंधन कुल्हाड़ियों के अनुरूप हैं । आणविक संरचना निर्धारण के लिए Coulomb विस्फोट एक त्वरक से आणविक आयन मुस्कराते हुए का उपयोग करने का बीड़ा उठाया गया है । 6 इस बीम पन्ना तकनीक हाल ही में चिराल मान्यता के लिए भी आवेदन किया गया है । 7
विषम एक्स-रे विवर्तन के विपरीत, नमूना क्रिस्टलीय नहीं होना चाहिए, लेकिन गैस चरण में प्रदान की । यह अस्थिर प्रजातियों के लिए आदर्श Coulomb विस्फोट दृष्टिकोण बनाता है और इस प्रकार एक्स-रे विवर्तन के पूरक । कुछ मामलों में, हाथ भी व्यक्तिगत अणुओं के लिए निर्धारित किया जा सकता है ।
व्यवहार में, आणविक संरचना के सटीक पुनर्निर्माण मुश्किल भी मीथेन डेरिवेटिव के लिए साबित कर दिया है, जैसे एक केंद्रीय कार्बन और विभिंन substituents के साथ अणुओं । यह तथ्य यह है कि टुकड़े के बीच बातचीत बिल्कुल Coulombic नहीं है और है कि सभी बांड एक साथ तोड़ने के लिए जिंमेदार ठहराया है । आदेश में stereochemical जानकारी प्राप्त करने के लिए, विशेष रूप से enantiomers के बीच अंतर करने के लिए, इस पुनर्निर्माण सौभाग्य से आवश्यक नहीं है । इसके बजाय, विभिंन टुकड़ों की गति वैक्टर को एक मात्रा है कि बाएं और दाएं हाथ अणुओं के लिए अलग है उपज को संबद्ध किया जा सकता है । विश्वसनीय परिणाम प्राप्त करने के लिए, कम से कम चार टुकड़ा momenta दर्ज करना होगा ।
आदेश में इस गति की जानकारी को मापने के लिए, एक से टुकड़े-और केवल एक-आणविक तोड़-अप करने के लिए एक माप कदम में पता लगाया जाना है । इस हालत में आम तौर पर ‘ संपाती डिटेक्शन ‘ के रूप में जाना जाता है । इसके अलावा, उत्सर्जन दिशाओं का विश्लेषण किया जाना है, जो समय और एक सूची-मोड डेटा स्वरूप में टुकड़ा प्रभाव की स्थिति को रिकॉर्ड करने के लिए व्यवहार में मात्रा ।
परमाणु और आणविक भौतिकी में, तकनीक विकसित किया गया है कि जन जुदाई और समय के लिए इलेक्ट्रोस्टैटिक स्पेक्ट्रोमीटर को रोजगार और स्थिति के प्रति संवेदनशील बहु मारा डिटेक्टरों द्वारा माप के इस दृष्टिकोण को लागू करने । सबसे प्रमुख उदाहरण COLTRIMS (शीत लक्ष्य हटना आयन गति स्पेक्ट्रोस्कोपी) सेटअप-भी प्रतिक्रिया माइक्रोस्कोप के रूप में जाना जाता है । 8 , 9 इस तरह के प्रयोग के लिए एक स्केच चित्रा 1में दिया गया है । एक मानक COLTRIMS है कि इलेक्ट्रॉनों के रूप में अच्छी तरह से रिकॉर्ड कर सकते है के विपरीत, Coulomb धमाका इमेजिंग केवल आयन डिटेक्टर की आवश्यकता है ।
स्पेक्ट्रोमीटर और डिटेक्टर अल्ट्रा के तहत घुड़सवार है उच्च वैक्यूम (& #60; 1 x 10-9 hPa) अवशिष्ट गैस से आयनों के निर्माण से बचने के लिए । नमूने के एकल अणुओं एक गैसीय मुक्त आणविक सुपरसोनिक विस्तार के द्वारा बनाई गई जेट के माध्यम से प्रदान की जाती हैं: वाष्प दबाव के आधार पर, अणु एक छोटी सी नोक के माध्यम से विस्तार (लगभग ५० µm व्यास) निर्वात में । प्रयोग के इस भाग, स्रोत चैंबर, आम तौर पर दो स्किम और विभेदक चरणों पंप द्वारा संपर्क क्षेत्र से अलग है । एक अतिरिक्त विभेदक पंप अनुभाग संपर्क क्षेत्र के पीछे स्थित गैस जेट डंप और इस तरह संपर्क क्षेत्र में पृष्ठभूमि गैस से बचने के है ।
९० ° के तहत आणविक जेट के साथ विकिरण संप्रदायों । अधिकांश प्रयोगशालाओं आजकल femtosecond लेजर दालों का उपयोग करें, हालांकि सिंक्रोट्रॉन विकिरण, तेजी आयनों या इलेक्ट्रॉन प्रभाव Coulomb विस्फोट के लिए प्रेरित करने के लिए संभव ‘ फेंकने ‘ हैं.
निंनलिखित प्रोटोकॉल धारणा है कि आयनों की संपाती इमेजिंग और एक femtosecond लेजर के लिए चल रहे सेटअप प्रयोगशाला में उपलब्ध है बनाता है । चोटी की तीव्रता चार या यहां तक कि पांच टुकड़ों में Coulomb विस्फोट प्रेरित करने की जरूरत 6 x 1014 डब्ल्यू/ बेहद लंबे माप से बचने के लिए, लेजर की पुनरावृत्ति दर 10 kHz या अधिक होना चाहिए. यह महत्वपूर्ण है क्योंकि, एक हाथ पर, संयोग का पता लगाने केवल लेजर ध्यान में विखंडन के लिए संभावना काफी नीचे लेजर पल्स प्रति 1 (आदर्श से अधिक नहीं है, तो पता लगाया जा सकता है 10%) । कुल विखंडन दर, दूसरी ओर, कुछ kHz से कम नहीं होना चाहिए क्योंकि प्रासंगिक multifragmentation रास्ते का हिस्सा आम तौर पर 10 से कम है-4. के रूप में उत्साहजनक तथ्य यह है कि सिद्धांत में पहले से ही एक एकल विखंडन घटना एक enantiopure नमूना के विंयास की पहचान करने के लिए पर्याप्त है उल्लेख किया जाना चाहिए, और है कि कुछ सौ का पता लगाने के लिए एक में enantiomers की बहुतायत निर्धारित करने की अनुमति देता है अज्ञात enantiomeric रचना का नमूना ।
Protocol
सावधानी: प्रयोग के साथ और प्रयोगशाला में जुड़े हर संभव खतरों से परिचित होना सुनिश्चित करें । नीचे दी गई प्रक्रिया में कक्षा-IV पराबैंगनीकिरण, उच्च वोल्टेज और वैक्यूम शामिल है । प्रजातियों के लिए स?…
Representative Results
Discussion
घटकों की विविधता के कारण, एक COLTRIMS सेटअप तकनीकी विशेषज्ञता के बजाय उच्च स्तर की आवश्यकता है, विशेष रूप से निर्वात तकनीक के क्षेत्रों में, कण का पता लगाने, तेजी से इलेक्ट्रॉनिक्स और डेटा विश्लेषण. जटिल प्रज…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
हम अपने डेटा और सामांय में आणविक chirality की व्याख्या के बारे में प्रेरणादायक विचार विमर्श के लिए रॉबर्ट बर्ग (Philipps-Universität Marburg, जर्मनी) का शुक्र है । हम टू Darmstadt (जर्मनी) से जूलिया Kiedrowski, अलेक्जेंडर Schießer और माइकल Reggelin के लिए आभारी हैं, साथ ही बिंयामीन Spenger, मैनुअल Mazenauer और Jürgen Stohner से ZHAW Wädenswil (स्विट्जरलैंड) के लिए नमूना प्रदान करने के लिए ।
इस परियोजना का ध्यान ELCH (इलेक्ट्रॉन चिराल सिस्टम की गतिशीलता) और संघीय शिक्षा और अनुसंधान मंत्रालय (BMBF) के तहत वैज्ञानिक और आर्थिक उत्कृष्टता के लिए Hessen राज्य पहल द्वारा समर्थित किया गया था । एमएस एडॉल्फ मेसर फाउंडेशन द्वारा वित्तीय सहायता स्वीकार करता है ।
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
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