Многие биологические процессы полностью зависят от того, являются ли участвующие органические молекулы левыми или правыми. Исследователи называют молекулы, которые существуют в двух формах, которые являются зеркальным отображением друг друга, «хиральными» молекулами. Поэтому ученые хотели бы знать, как атомы расположены относительно друг друга в таких молекулах. На научном жаргоне это известно как абсолютная конфигурация, и ее можно использовать для определения руки молекулы.
Хотя методы определения хиральности хиральных молекул действительно доступны, они не раскрывают абсолютную конфигурацию без использования теоретических моделей. Более того, ранее не было доступного метода измерения, который позволял бы исследовать хиральность отдельных хиральных молекул в газообразном состоянии.
Исследователи, работающие с Хольгером Крекелем и Андреасом Вольфом из Института ядерной физики Макса Планка и Оливером Траппом из Института органической химии Гейдельбергского университета, впервые смогли определить чувство руки или хиральности. газообразного образца, хирального эпоксида, путем непосредственного отображения его молекулярной структуры.С этой целью группа химиков Траппа сначала создала соединение с определенной хиральностью, перенеся хиральность производного природной винной кислоты на целевую молекулу дидейтерооксиран. Затем Крекель и его команда провели измерения, используя крошечные количества этого вещества в сильно разбавленных концентрациях.Команда из Института ядерной физики Макса Планка взяла электрически нейтральные молекулы и произвела ионы с одним положительным зарядом, удалив по одному электрону из каждой молекулы.
Эти ионы можно разогнать до очень высоких скоростей в ускорителе частиц. Затем ускоренные ионы проходят через очень тонкую алмазную фольгу. Менее чем за одну фемтосекунду (одна миллионная миллиардной доли секунды) фольга срывает связывающие электроны с молекул. Все, что осталось, — это сильно заряженные атомы, которые яростно отталкиваются друг от друга.
Потеряв электроны, которые «склеивают» молекулы вместе, фрагменты теперь разлетаются.Пройдя через фольгу, фрагменты отдаляются друг от друга.
Однако атомы сохраняют свое относительное положение. По мере увеличения времени полета получается все большее трехмерное изображение молекулы, сохраняющее лежащую в основе геометрию.
Как только молекула достигает трехмерного детектора, изображение молекулы уже выросло до нескольких сантиметров, и детектор фиксирует эту структуру. Чтобы удовлетворить строгие требования, предъявляемые к измерению хиральных молекул, устройство детектора было оптимизировано для обнаружения до пяти фрагментов одновременно. Изображение на детекторе показывает абсолютную конфигурацию, которая, в свою очередь, прямо показывает ручность молекулы.
Новаторская работа по этой схеме обнаружения многочастичного "кулоновского взрыва" была проведена в Институте Вейцмана в Израиле.«Эксперимент устроен так, что он также позволит исследовать хиральные фрагменты молекул», — объясняют исследователи. Это связано с тем, что в описанном эксперименте масс-селективный фильтр перед алмазной фольгой отбирает фрагменты молекул желаемой массы. Фильтр можно настроить так, чтобы только интересующий хиральный фрагмент направлялся на фольгу и, таким образом, регистрировался детектором.
Исследователи считают, что именно эта комбинация масс-спектрометрии с измерением кулоновского взрыва будет привлекательной для будущих приложений с хиральными молекулами.В будущем исследователи из Гейдельберга надеются расширить свой опыт в обнаружении хиральных молекул.
Они уже положили глаз на другой метод, при котором хиральные молекулы накапливаются в устройстве для хранения ионов до кулоновского взрыва.