אנו מודים רוברט ברגר (Philipps-Universität מרבורג, גרמניה) על השראה דיונים על הפרשנות של הנתונים שלנו כיראליות מולקולרית באופן כללי. אנו אסירי תודה יוליה Kiedrowski, אלכסנדר Schießer, מייקל Reggelin מ ט ו דרמשטט (גרמניה), כמו גם בנג'מין Spenger, מנואל מצנאואר, יורגן Stohner מן ZHAW Wädenswil (שוויץ) למתן את הדגימה
הפרויקט נתמך על ידי יוזמת מדינת הסן המדעית ומצוינות כלכלית תחת המוקד ELCH (אלקטרון דינמיקה של מערכות כיראלי) ואת משרד החינוך הפדרלי מחקר (BMBF). MS מאשר תמיכה כספית על ידי קרן מסר אדולף.

<ol>
	<li>G&#252;bitz, G., Schmid, M. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chiral+Separation+by+Chromatographic+and+Electromigration+Techniques.+A+Review.">Chiral Separation by Chromatographic and Electromigration Techniques. A Review.</a> Biopharm. Drug Disposition. 22, 291-336 (2001).</li><li>Berova, N., Polaravapu, P. L., Nakanishi, K., Woody, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Comprehensive Chiroptical Spectroscopy. , (2012).</li><li>Bijvoet, J. M., Peerdeman, A. F., van Bommel, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determination+of+the+Absolute+Configuration+of+Optically+Active+Compounds+by+means+of+X-rays.">Determination of the Absolute Configuration of Optically Active Compounds by means of X-rays.</a> Nature. 168 (4268), 271-272 (1951).</li><li>Pitzer, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+Determination+of+Absolute+Molecular+Stereochemistry+in+Gas+Phase+by+Coulomb+Explosion+Imaging.">Direct Determination of Absolute Molecular Stereochemistry in Gas Phase by Coulomb Explosion Imaging.</a> Science. 341 (6150), 1096-1100 (2013).</li><li>Pitzer, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Absolute+Configuration+from+Different+Multifragmentation+Pathways+in+Light-Induced+Coulomb+Explosion+Imaging.">Absolute Configuration from Different Multifragmentation Pathways in Light-Induced Coulomb Explosion Imaging.</a> Chem Phys Chem. 17 (16), 2465-2472 (2016).</li><li>Vager, Z., Naaman, R., Kanter, E. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coulomb+Explosion+Imaging+of+small+molecules.">Coulomb Explosion Imaging of small molecules.</a> Science. 244 (4903), 426-431 (1989).</li><li>Herwig, P. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+the+Absolute+Configuration+of+a+Chiral+Epoxide+in+the+Gas+Phase.">Imaging the Absolute Configuration of a Chiral Epoxide in the Gas Phase.</a> Science. 342 (6162), 1084-1186 (2013).</li><li>D&#246;rner, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cold+Target+Recoil+Ion+Momentum+Spectroscopy:+a+'momentum+microscope'+to+view+atomic+collision+dynamics.">Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy: a 'momentum microscope' to view atomic collision dynamics.</a> Physics Reports. 330, 95-192 (2000).</li><li>Ullrich, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recoil-ion+and+electron+momentum+spectroscopy:+reaction-microscopes.">Recoil-ion and electron momentum spectroscopy: reaction-microscopes.</a> Rep. Prog. Phys. 66 (9), 1463-1545 (2003).</li><li>Jagutzki, O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multiple+Hit+Readout+of+a+Microchannel+Plate+Detector+With+a+Three-Layer+Delay-Line+Anode.">Multiple Hit Readout of a Microchannel Plate Detector With a Three-Layer Delay-Line Anode.</a> IEEE Trans Nucl Sci. 49 (5), 2477-2483 (2002).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> RoentDek GmbH MCP Delay Line Detector Manual. , (2017).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> RoentDek GmbH The RoentDek Constant Fraction Discriminators CFD8c, CFD7x, CFD4c, CFD1c and CFD1x. , (2017).</li><li>Zeller, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+the+He2+quantum+halo+state+using+a+free+electron+laser.">Imaging the He2 quantum halo state using a free electron laser.</a> PNAS. 113 (51), 14651-14655 (2016).</li><li>Pitzer, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stereochemical+configuration+and+selective+excitation+of+the+chiral+molecule+halothane.">Stereochemical configuration and selective excitation of the chiral molecule halothane.</a> J. Phys. B.: At. Mol. Opt. Phys. 49 (23), 234001 (2016).</li><li>Hine, J., Dowell, A. M., Singley, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Carbon+Dihalides+as+Intermediates+in+the+Basic+Hydrolysis+of+Haloforms:+IV+Relative+Reactivities+of+Haloforms.">Carbon Dihalides as Intermediates in the Basic Hydrolysis of Haloforms: IV Relative Reactivities of Haloforms.</a> J. Am. Soc. Chem. 78, 479-482 (1956).</li><li>Wales, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+coincidence+detection+algorithm+for+improving+detection+rates+in+coulomb+explosion+imaging.">A coincidence detection algorithm for improving detection rates in coulomb explosion imaging.</a> Nucl. Instr. Meth. in Phys. Res. A. 667, 11-15 (2012).</li><li>Kastirke, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Konstruktion und Aufbau einer UHV-tauglichen COLTRIMS-Kammer. , (2014).</li><li>Calegari, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Charge+migration+induced+by+attosecond+pulses+in+bio-relevant+molecules.">Charge migration induced by attosecond pulses in bio-relevant molecules.</a> J. Phys. B.: At. Mol. Opt. Phys. 49 (14), 142001 (2016).</li><li>Gaie-Levrel, F., Garcia, G. A., Schwell, M., Nahon, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=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.">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.</a> Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 7024-7036 (2010).</li><li>Ablikim, U., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Identification+of+absolute+geometries+of+cis+and+trans+molecular+isomers+by+Coulomb+Explosion+Imaging.">Identification of absolute geometries of cis and trans molecular isomers by Coulomb Explosion Imaging.</a> Sci. Rep. 6, 38202 (2016).</li></ol>

המחברים מצהירים אין אינטרסים מתחרים.

בשל המגוון של רכיבים, מלכודת COLTRIMS דורשת רמה גבוהה למדי של מומחיות טכנית, במיוחד באזורים של טכניקה ואקום, זיהוי החלקיקים, אלקטרוניקה מהיר וניתוח נתונים. לפני החקירה של מינים מורכבים, יש לכן ביסודיות לבדוק אם ההתקנה פועלת כהלכה, למשל על-ידי ביצוע וניתוח מדידה על זן דו-אטומית או triatomic.
<p ...

כיראליות היא תכונה של טבענו מרתקים חוקרים כבר יותר מ-150 שנה. ב 19th המאה, פסטר, עכשיו תקשיב הוף ואחרים גילה כי מולקולות יכול להתרחש שני מבנים תמונת ראי שאינם סופר-imposable - כמו שלנו כשהיד השמאלית. מאפיין זה היה כינה 'כיראלי', מן המילה היוונית 'יד'.
עד כה, נמצא הבדל במאפייני תרמודינמי או בכל רמות האנרגיה של handed שמאלה ולא ימינה צורות (שני ' enantiomers'). על מנת לנתח את יד של מדגם נתון, כדי להפריד את enantiomers, אינטראקציה עם מוקולות כיראליות אחרות ניתן להשתמש, לדוגמה זאת על מגוון גישות chromatographical. 1 שיטות Chiroptical כגון קיווטות (הרטט), תקליטור (V) פיזור על כל ההזמנות אופטי, ORD, מועסקים באופן שגרתי כדי להבחין בין enantiomers. 2
כשמדובר על הקביעה של המבנה המיקרוסקופי, טכניקות אלו דורשים מידע נוסף, כגון חישוב קוונטי-כימית. השיטה היחידה זה מקובל ישירות לקבוע את תצורת מוחלטת היא חריגה עקיפה של קרני רנטגן. 3
לאחרונה הוכח כי התצורה המוחלטת של מינים כיראלי פשוט יכול להיקבע על ידי הדמיה פיצוץ קולון. 4 , 5 בגישה זו, מולקולות בשלב גז הם הכפילו מיונן כך הליבות נותרת חריפה להדוף את אחד לשני. סלידה זו מובילה פיצול מהיר ("פיצוץ") של המולקולות. הכיוון ועוצמת לתאם momenta שבר המבנה של מולקולת – עבור מולקולות קטנות, ההוראות מומנטום יתאימו באופן מפתיע גם כדי הצירים בונד. היה חלוץ קולון פיצוץ לקביעת מבנה מולקולרי באמצעות קורות יון מולקולרית של מאיץ. 6 טכניקה לסכל זו קרן יש לאחרונה גם כבר הוחל על פולימרים. 7
בניגוד חריגה עקיפה של קרני רנטגן, לדוגמה אסור גבישי אבל הניתנים השלב גז. זה הופך את הגישה קולון פיצוץ אידיאלי עבור מינים נדיף ומשלימים ובכך על קרני רנטגן. במקרים מסוימים, אפילו ניתן לקבוע את יד עבור מולקולות בודדות.
בפועל, שחזור מדויק של המבנה המולקולרי הוכיחה קשה גם עבור נגזרים מתאן, למשל מולקולות עם העתק המרכזי, substituents שונים. זה מיוחס לעובדה כי האינטראקציה בין שברי היא לא בדיוק Coulombic, כי לא כל חוב לשבור בו זמנית. על מנת לקבל מידע סטריאוכימיים, במיוחד כדי להבחין בין enantiomers, שחזור זה הוא למרבה המזל לא הכרחי. במקום זאת, הווקטורים המומנטום של שברים שונים ישויך להניב כמות זה ברור לאורך handed שמאלה ולא ימינה מולקולות. כדי לקבל תוצאות אמינות, יש לפחות ארבעה פרגמנט momenta שיירשמו.
על מנת למדוד את המידע המומנטום הזה, שברי אחד – והוא אחד בלבד – מולקולרי הפרידה צריך להתגלות בשלב המדידות יחיד. מצב זה מכונה בדרך כלל 'זיהוי וצירוף'. בנוסף, ההוראות פליטה יש להיות מנותח, אשר כמויות בפועל כדי להקליט את הזמן ואת המיקום של השבר להשפיע על מצב-רשימת נתונים בתבנית.
בפיסיקה אטומית ומולקולרית, טכניקות פותחו ליישם גישה זו מדידה על ידי העסקת ספקטרומטרים אלקטרוסטטית לגלאי המוני ההפרדה ואת הזמן עמדה-והרגיש פגע רב. הדוגמה הבולטת ביותר היא הגדרת COLTRIMS (קר היעד רתע יון מומנטום ספקטרוסקופיה) – ידוע גם התגובה מיקרוסקופ. 8 , 9 סקיצה עבור סוג זה של הניסוי ניתנת באיור1. בניגוד COLTRIMS רגיל כי ניתן להקליט גם אלקטרונים, קולון פיצוץ הדמיה דורש רק את. הגלאי.
ספקטרומטר, גלאי תיטען תחת ואקום אולטרה גבוה (&#60; עונה 1 פרק 10-9 hPa) כדי למנוע יצירה של יונים מגז שיורית. מולקולות יחיד של המדגם ניתנים באמצעות מטוס סילון גז מולקולרית חינם שנוצרו על-ידי הרחבת קולית: בשל לחץ אדים, המולקולות להרחיב באמצעות זרבובית קטן (קוטר בסביבות 50 מיקרומטר) לתוך הוואקום. חלק זה של הניסוי, תא המקור, מופרד מהאזור אינטראקציה על-ידי skimmers בדרך כלל שני שלבים שאוב באופן שונה. שאוב באופן שונה סעיף נוסף נמצא מאחורי האזור אינטראקציה לזרוק את המטוס של גז, ובכך להימנע רקע גז באזור אינטראקציה.
קרינה מייננת חותך עם המטוס מולקולרית מתחת לגיל 90°. רוב מעבדות כיום להשתמש פעימות לייזר הפמטו-שנייה, למרות סינכרוטרון קרינה, יונים מהיר או אלקטרון השפעה אפשרית 'קליעים' כדי לגרום לפיצוץ קולון.
להלן כללי התנהגות הופך את ההנחה כי התקנה פועלת עבור הדמיה וצירוף של יונים, לייזר הפמטו-שנייה זמינים במעבדה. עוצמת שיא הדרוש כדי לגרום לפיצוץ קולון לחלקים ארבעה או אפילו חמישה חייב להיות הסדר 6 x 1014 W/ס מ2. כדי להימנע מדידות מאוד ארוך, קצב החזרה של הלייזר צריך להיות 10 קילו-הרץ או יותר. דבר זה חיוני, כי מצד אחד, זיהוי וצירוף ניתן רק לקביעה אם ההסתברות פיצול בפוקוס לייזר הוא משמעותי מתחת 1 לפי הדופק לייזר (אידיאלי לא יותר מ 10%). הקצב הכולל קיטוע, מצד שני, לא צריך להיות נמוך יותר מאשר כמה קילו-הרץ כי המשותף של מסלולים multifragmentation הרלוונטי הוא בדרך כלל פחות מ- 10-4. עובדה גם מעודד, יצוין כי באופן עקרוני כבר אירוע פיצול אחת מספיקה לזהות את התצורה של דוגמה enantiopure, ומאפשר את הזיהוי של כמה מאות כדי לקבוע שפע enantiomers ב מדגם של הרכב enantiomeric לא ידוע.

<table><tbody><tr><td>CHBrCl2</td><td>SigmaAldrich</td><td>139181-10G</td><td>or other suitable sample</td></tr><tr><td>femtosecond laser system</td><td>KMLabs</td><td>Wyvern500</td><td></td></tr><tr><td>High-reflective mirrors</td><td>EKSMA</td><td>042-0800</td><td></td></tr><tr><td>mirror mounts</td><td>Newport</td><td>U100-A-LH-2K&amp;nbsp;&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>focusing mirror (protected silver, f = 75 mm)</td><td>Thorlabs&amp;nbsp;</td><td>CM254-075-P01</td><td>(if available: f = 60 mm)</td></tr><tr><td>COLTRIMS spectrometer, including electronics and data acquisition system</td><td>RoentDek</td><td>custom</td><td>contrary to the standard COLTRIMS, only one detector is needed</td></tr></tbody></table>

coulomb explosion imaging as a tool to distinguish between stereoisomers

מאמר זה מראה איך את COLTRIMS (קר היעד רתע יון מומנטום ספקטרוסקופיה) או הטכניקה "התגובה מיקרוסקופ" יכול לשמש כדי להבחין בין enantiomers (stereoisomers) של מינים כיראלי פשוט ברמה של מולקולות בודדות. בגישה זו, מטוס סילון מולקולרית לגז המדגם מתרחב לכדי תא ואקום, מצטלב עם פעימות לייזר הפמטו-שנייה (fs). עוצמה גבוהה של הפולסים מוביל מהר יינון מרובים, והצתת פיצוץ קולון כביכול המפיקה מספר cationic קטעים (הטעון חיובית). שדה אלקטרוסטטי המדריכים האלה קטיונים על גבי הזמן עמדה-והרגיש גלאי. בדומה בספקטרומטר זמן-של-טיסה, זמן ההגעה של יון כל התשואות מידע על המסה. כמו עודף, שדה אלקטרוסטטי מותאמת בצורה כי הכיוון פליטה והאנרגיה הקינטית לאחר פיצול להוביל וריאציות בטיסה הזמן-של- ואת התנוחה ההשפעה על הגלאי.
כל השפעה יון יוצר אות אלקטרוני הגלאי; האות הזה הוא מטופל על ידי אלקטרוניקה בתדירות גבוהה, נרשם אירוע על-ידי האירוע על ידי מחשב. רשומים הנתונים תואמים התקופה השפעה על עמדות. עם נתונים אלה, האנרגיה ואת הכיוון פליטה של כל שבר ניתן לחשב. ערכים אלה קשורים מאפיינים מבניים של המולקולה תחת חקירה, דהיינו ה ל אורכי קשר היחסיים של האטומים, המאפשר לקבוע מולקולה על ידי מולקולה של יד של מינים כיראלי פשוטות ותכונות אחרות של isomeric.

בחלק זה, אנו מראים התוצאות המתקבלות עבור halomethanes. המינים הללו הינם אידיאליים עבור ניסויים הוכחה של עקרון בשל הפשטות שלהם לחץ אדים גבוה. בינתיים, ההלותן מינים מורכבים יותר נחקר באמצעות פוטונים רך-x-ray יחיד ממקור סינכרוטרון לזירוז יינון מרובים. 14
<p class="jove_content" f...

Watch this Scientific Journal Video about Coulomb Explosion Imaging as a Tool to Distinguish Between Stereoisomers at JoVE.com

Coulomb Explosion Imaging as a Tool to Distinguish Between Stereoisomers

הפיצוץ הקולומבית הדמיה ככלי להבחנה בין Stereoisomers

עבור מינים כיראלי קטן, קולון פיצוץ הדמיה מספקת גישה חדשה כדי לקבוע את יד של מולקולות בודדות.

This article shows how the COLTRIMS (Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy) or the "reaction microscope" technique can be used to distinguish ...

coulomb-explosion-imaging-as-tool-to-distinguish-between

Education

Research

JoVE Core

JoVE Journal

Organic Chemistry

Chemistry

Unit 1

Transition Metals and Coordination Complexes

Stereoisomerism

SCIENTISTS IN ACTION

9.0K Views.  Goethe-Universität Frankfurt am Main. עבור מינים כיראלי קטן, קולון פיצוץ הדמיה מספקת גישה חדשה כדי לקבוע את יד של מולקולות בודדות.

Video: Coulomb Explosion Imaging as a Tool to Distinguish Between Stereoisomers

Spatial Separation of Molecular Conformers and Clusters

Gas-phase molecular physics and physical chemistry experiments commonly use supersonic expansions through pulsed valves for the production of cold molecular beams. However, these beams often contain multiple conformers and clusters, even at low rotational temperatures. We present an experimental methodology that allows the spatial separation of these constituent parts of a molecular beam expansion. Using an electric deflector the beam is separated by its mass-to-dipole moment ratio, analogous to a bender or an electric sector mass spectrometer spatially dispersing charged molecules on the basis of their mass-to-charge ratio. This deflector exploits the Stark effect in an inhomogeneous electric field and allows the separation of individual species of polar neutral molecules and clusters. It furthermore allows the selection of the coldest part of a molecular beam, as low-energy rotational quantum states generally experience the largest deflection. Different structural isomers (conformers) of a species can be separated due to the different arrangement of functional groups, which leads to distinct dipole moments. These are exploited by the electrostatic deflector for the production of a conformationally pure sample from a molecular beam. Similarly, specific cluster stoichiometries can be selected, as the mass and dipole moment of a given cluster depends on the degree of solvation around the parent molecule. This allows experiments on specific cluster sizes and structures, enabling the systematic study of solvation of neutral molecules.

We present a technique that allows the spatial separation of different conformers or clusters present in a molecular beam. An electrostatic deflector is used to separate species by their mass-to-dipole moment ratio, leading to the production of gas-phase ensembles of a single conformer or cluster stoichiometry.

הפרדה מרחבית של קונפורמרים מולקולריים ואשכולות

Gas-phase molecular physics and physical chemistry experiments commonly use supersonic expansions through pulsed valves for the production of cold ...

Engineering

Direct Imaging of Laser-driven Ultrafast Molecular Rotation

We present a method for visualizing laser-induced, ultrafast molecular rotational wave packet dynamics. We have developed a new 2-dimensional Coulomb explosion imaging setup in which a hitherto-impractical camera angle is realized. In our imaging technique, diatomic molecules are irradiated with a circularly polarized strong laser pulse. The ejected atomic ions are accelerated perpendicularly to the laser propagation. The ions lying in the laser polarization plane are selected through the use of a mechanical slit and imaged with a high-throughput, 2-dimensional detector installed parallel to the polarization plane. Because a circularly polarized (isotropic) Coulomb exploding pulse is used, the observed angular distribution of the ejected ions directly corresponds to the squared rotational wave function at the time of the pulse irradiation. To create a real-time movie of molecular rotation, the present imaging technique is combined with a femtosecond pump-probe optical setup in which the pump pulses create unidirectionally rotating molecular ensembles. Due to the high image throughput of our detection system, the pump-probe experimental condition can be easily optimized by monitoring a real-time snapshot. As a result, the quality of the observed movie is sufficiently high for visualizing the detailed wave nature of motion. We also note that the present technique can be implemented in existing standard ion imaging setups, offering a new camera angle or viewpoint for the molecular systems without the need for extensive modification.

We present a protocol for creating a real-time movie of a molecular rotational wave packet using a high-resolution Coulomb explosion imaging setup.

הדמיה ישירה של סיבוב מולקולרי מהיר ליזר מונחה

We present a method for visualizing laser-induced, ultrafast molecular rotational wave packet dynamics. We have developed a new 2-dimensional Coulomb ...

Photoelectron Imaging of Anions Illustrated by 310 Nm Detachment of F&#8722;

Anion photoelectron imaging is a very efficient method for the study of energy states of bound negative ions, neutral species and interactions of unbound electrons with neutral molecules/atoms. State-of-the-art in vacuo anion generation techniques allow application to a broad range of atomic, molecular, and cluster anion systems. These are separated and selected using time-of-flight mass spectrometry. Electrons are removed by linearly polarized photons (photo detachment) using table-top laser sources which provide ready access to excitation energies from the infra-red to the near ultraviolet. Detecting the photoelectrons with a velocity mapped imaging lens and position sensitive detector means that, in principle, every photoelectron reaches the detector and the detection efficiency is uniform for all kinetic energies. Photoelectron spectra extracted from the images via mathematical reconstruction using an inverse Abel transformation reveal details of the anion internal energy state distribution and the resultant neutral energy states. At low electron kinetic energy, typical resolution is sufficient to reveal energy level differences on the order of a few millielectron-volts, i.e., different vibrational levels for molecular species or spin-orbit splitting in atoms. Photoelectron angular distributions extracted from the inverse Abel transformation represent the signatures of the bound electron orbital, allowing more detailed probing of electronic structure. The spectra and angular distributions also encode details of the interactions between the outgoing electron and the residual neutral species subsequent to excitation. The technique is illustrated by the application to an atomic anion (F&#8722;), but it can also be applied to the measurement of molecular anion spectroscopy, the study of low lying anion resonances (as an alternative to scattering experiments) and femtosecond (fs) time resolved studies of the dynamic evolution of anions.

Here, we present a protocol for photoelectron imaging of anionic species. Anions generated in vacuo and separated by mass spectrometry are probed using velocity mapped photoelectron imaging, providing details of anion and neutral energy levels, anion and neutral structure and the nature of the anion electronic state.

Photoelectron הדמיה של אניונים מאויר על ידי ניתוק 310 ננומטר F−

Anion photoelectron imaging is a very efficient method for the study of energy states of bound negative ions, neutral species and interactions of unbound ...

Using a Cyclic Ion Mobility Spectrometer for Tandem Ion Mobility Experiments

Accurate characterization of chemical structures is important to understand their underlying biological mechanisms and functional properties. Mass spectrometry (MS) is a popular tool but is not always sufficient to completely unveil all structural features. For example, although carbohydrates are biologically relevant, their characterization is complicated by numerous levels of isomerism. Ion mobility spectrometry (IMS) is an interesting complement because it is sensitive to ion conformations and, thus, to isomerism. 
Furthermore, recent advances have significantly improved the technique: the last generation of Cyclic IMS instruments offers additional capabilities compared to linear IMS instruments, such as an increased resolving power or the possibility to perform tandem ion mobility (IMS/IMS) experiments. During IMS/IMS, an ion is selected based on its ion mobility, fragmented, and reanalyzed to obtain ion mobility information about its fragments. Recent work showed that the mobility profiles of the fragments contained in such IMS/IMS data can act as a fingerprint of a particular glycan and can be used in a molecular networking strategy to organize glycomics datasets in a structurally relevant way. 
The goal of this protocol is thus to describe how to generate IMS/IMS data, from sample preparation to the final Collision Cross Section (CCS) calibration of the ion mobility dimension that yields reproducible spectra. Taking the example of one representative glycan, this protocol will show how to build an IMS/IMS control sequence on a Cyclic IMS instrument, how to account for this control sequence to translate IMS arrival time into drift time (i.e., the effective separation time applied to the ions), and how to extract the relevant mobility information from the raw data. This protocol is designed to clearly explain the critical points of an IMS/IMS experiment and thus help new Cyclic IMS users perform straightforward and reproducible acquisitions.

Ion mobility spectrometry (IMS) is an interesting complement to mass spectrometry for the characterization of biomolecules, notably because it is sensitive to isomerism. This protocol describes a tandem IMS (IMS/IMS) experiment, which allows the isolation of a molecule and the generation of the mobility profiles of its fragments.

שימוש בספקטרומטר ניידות יונים מחזורי לניסויי ניידות יון דו-מושבית

Accurate characterization of chemical structures is important to understand their underlying biological mechanisms and functional properties. Mass ...

Direct Comparison of Hyperspectral Stimulated Raman Scattering and Coherent Anti-Stokes Raman Scattering Microscopy for Chemical Imaging

Stimulated Raman scattering (SRS) and coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) microscopy are the most widely used coherent Raman scattering imaging technologies. Hyperspectral SRS and CARS imaging offer Raman spectral information at every pixel, which enables better separation of different chemical compositions. Although both techniques require two excitation lasers, their signal detection schemes and spectral properties are quite different. The goal of this protocol is to perform both hyperspectral SRS and CARS imaging on a single platform and compare the two microscopy techniques for imaging different biological samples. The spectral focusing method is employed to acquire spectral information using femtosecond lasers. By using standard chemical samples, the sensitivity, spatial resolution, and spectral resolution of SRS and CARS in the same excitation conditions (i.e., power at the sample, pixel dwell time, objective lens, pulse energy) are compared. The imaging contrasts of CARS and SRS for biological samples are juxtaposed and compared. The direct comparison of CARS and SRS performances would allow for optimal selection of the modality for chemical imaging.

This paper directly compares the resolution, sensitivity, and imaging contrasts of stimulated Raman scattering (SRS) and coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) integrated into the same microscope platform. The results show that CARS has a better spatial resolution, SRS gives better contrasts and spectral resolution, and both methods have similar sensitivity.

השוואה ישירה של פיזור ראמן מגורה היפרספקטרלי ומיקרוסקופיית פיזור ראמן אנטי-סטוקס קוהרנטית להדמיה כימית

Stimulated Raman scattering (SRS) and coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) microscopy are the most widely used coherent Raman scattering imaging ...

Differential Imaging of Biological Structures with Doubly-resonant Coherent Anti-stokes Raman Scattering (CARS)

Coherent Raman imaging techniques have seen a dramatic increase in activity over the past decade due to their promise to enable label-free optical imaging with high molecular specificity 1. The sensitivity of these techniques, however, is many orders of magnitude weaker than fluorescence, requiring milli-molar molecular concentrations 1,2. Here, we describe a technique that can enable the detection of weak or low concentrations of Raman-active molecules by amplifying their signal with that obtained from strong or abundant Raman scatterers. The interaction of short pulsed lasers in a biological sample generates a variety of coherent Raman scattering signals, each of which carry unique chemical information about the sample. Typically, only one of these signals, e.g. Coherent Anti-stokes Raman scattering (CARS), is used to generate an image while the others are discarded. However, when these other signals, including 3-color CARS and four-wave mixing (FWM), are collected and compared to the CARS signal, otherwise difficult to detect information can be extracted 3. For example, doubly-resonant CARS (DR-CARS) is the result of the constructive interference between two resonant signals 4. We demonstrate how tuning of the three lasers required to produce DR-CARS signals to the 2845 cm-1 CH stretch vibration in lipids and the 2120 cm-1 CD stretching vibration of a deuterated molecule (e.g. deuterated sugars, fatty acids, etc.) can be utilized to probe both Raman resonances simultaneously. Under these conditions, in addition to CARS signals from each resonance, a combined DR-CARS signal probing both is also generated. We demonstrate how detecting the difference between the DR-CARS signal and the amplifying signal from an abundant molecule's vibration can be used to enhance the sensitivity for the weaker signal. We further demonstrate that this approach even extends to applications where both signals are generated from different molecules, such that e.g. using the strong Raman signal of a solvent can enhance the weak Raman signal of a dilute solute.

Differential Imaging of Biological Structures with Doubly-resonant Coherent Anti-stokes Raman Scattering CARS

A combination of three single wavelength short-pulsed lasers is used to generate coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) and doubly-resonant CARS (DR-CARS). The difference between these signals provides enhanced sensitivity for otherwise difficult to detect coherent Raman signals, enabling imaging of weak Raman scatterers.

דיפרנציאל הדמיה של מבנים ביולוגיים עם פיזור כפליים-התהודה אנטי סטוקס קוהירנט ראמאן (CARS)

Coherent Raman imaging techniques have seen a dramatic increase in activity over the past decade due to their promise to enable label-free optical imaging ...

Biology

שימוש במיקרוסקופ VSFG לאנליזה כימית מולטימודאלית, מהירה והיפרספקטרלית

Multimodal Nonlinear Hyperspectral Chemical Imaging Using Line-Scanning Vibrational Sum-Frequency Generation Microscopy

Vibrational sum-frequency generation (VSFG), a second-order nonlinear optical signal, has traditionally been used to study molecules at interfaces as a spectroscopy technique with a spatial resolution of ~100 &#181;m. However, the spectroscopy is not sensitive to the heterogeneity of a sample. To study mesoscopically heterogeneous samples, we, along with others, pushed the resolution limit of VSFG spectroscopy down to ~1 &#181;m level and constructed the VSFG microscope. This imaging technique not only can resolve sample morphologies through imaging, but also record a broadband VSFG spectrum at every pixel of the images. Being a second-order nonlinear optical technique, its selection rule enables the visualization of non-centrosymmetric or chiral self-assembled structures commonly found in biology, materials science, and bioengineering, among others. In this article, the audience will be guided through an inverted transmission design that allows for imaging unfixed samples. This work also showcases that VSFG microscopy can resolve chemical-specific geometric information of individual self-assembled sheets by combining it with a neural network function solver. Lastly, the images obtained under brightfield, SHG, and VSFG configurations of various samples briefly discuss the unique information revealed by VSFG imaging.

מחבר זרקור: חשיפת הפוטנציאל של מיקרוסקופיית VSFG בחקר מבנים הטרוגניים מזוסקוגניים בהרכבה עצמית 

A multimodal, rapid hyperspectral imaging framework was developed to obtain broadband vibrational sum-frequency generation (VSFG) images, along with brightfield, second harmonic generation (SHG) imaging modalities. Due to the infrared frequency being resonant with molecular vibrations, microscopic structural and mesoscopic morphology knowledge is revealed of symmetry-allowed samples.

הדמיה כימית היפרספקטרלית מולטימודאלית לא ליניארית באמצעות מיקרוסקופ יצירת סכום תדר רטט בסריקת קווים

Vibrational sum-frequency generation (VSFG), a second-order nonlinear optical signal, has traditionally been used to study molecules at interfaces as a ...

Stereoisomers

On the basis of mirror symmetry, stereoisomers of an organic molecule can be further classified into diastereomers and enantiomers. Diastereomers are stereoisomers that are not mirror images of each other. Substituted alkenes, such as the cis and trans isomers of 2-butene, are diastereomers, as these molecules exhibit different spatial orientations of their constituent atoms, are not mirror images of each other,&#160;and do not interconvert. Here, the interconversion is suppressed due to restricted rotation around the &#960; bond. Another class of diastereomers &#8212; those without &#960; bonds &#8212; are molecules that have non-superposable spatial orientations and exhibit different configurations of their substituent groups at some, but not all, stereocenters. For example, cis-1,2-dimethylcyclohexane and trans-1,2-dimethylcyclohexane are diastereomers, as these molecules are not superposable and have a different configuration of the methyl and hydrogen groups at only one out of their two stereocenters.
Enantiomers are stereoisomers that are mirror images of each other. As only chiral molecules can have non-superposable mirror images, enantiomers are chiral molecules. For example, the chiral molecule 2-butanol and its mirror image are enantiomers, as these molecules exhibit non-superposable spatial orientations of their constituent atoms and are mirror images of each other. A chiral molecule and its mirror image are collectively referred to as an enantiomeric pair, or a pair of enantiomers. The enantiomer of a chiral molecule can be drawn by taking its mirror image from any position or&#160;exchanging the positions of two of the substituents at each stereocenter of the molecule.

Stereoisomers: Diastereomers and Enantiomers

סטריאואיזומרים

On the basis of mirror symmetry, stereoisomers of an organic molecule can be further classified into diastereomers and enantiomers. Diastereomers are ...

הפיצוץ הקולומבית הדמיה ככלי להבחנה בין Stereoisomers

Summary

Explore More Videos

Chapters in this video

הפרדה מרחבית של קונפורמרים מולקולריים ואשכולות

הדמיה ישירה של סיבוב מולקולרי מהיר ליזר מונחה

Photoelectron הדמיה של אניונים מאויר על ידי ניתוק 310 ננומטר F⁻

שימוש בספקטרומטר ניידות יונים מחזורי לניסויי ניידות יון דו-מושבית

השוואה ישירה של פיזור ראמן מגורה היפרספקטרלי ומיקרוסקופיית פיזור ראמן אנטי-סטוקס קוהרנטית להדמיה כימית

דיפרנציאל הדמיה של מבנים ביולוגיים עם פיזור כפליים-התהודה אנטי סטוקס קוהירנט ראמאן (CARS)

הדמיה כימית היפרספקטרלית מולטימודאלית לא ליניארית באמצעות מיקרוסקופ יצירת סכום תדר רטט בסריקת קווים

הדמיה כימית היפרספקטרלית מולטימודאלית לא ליניארית באמצעות מיקרוסקופ יצירת סכום תדר רטט בסריקת קווים

הדמיה כימית היפרספקטרלית מולטימודאלית לא ליניארית באמצעות מיקרוסקופ יצירת סכום תדר רטט בסריקת קווים

סטריאואיזומרים