在同步辐射装置上耦合可调谐真空紫外光电离质谱仪的分子束为研究孤立气相分子和团簇的电子结构提供了便捷工具。该技术阐明了DNA碱基二聚体中的质子转移机制。
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摘要
摘要
可调谐软电离耦合质谱技术是研究孤立分子、复合物和团簇及其光谱与动力学行为的有力方法1-4对生物分子光电离过程的基础研究可提供这些体系电子结构的相关信息。此外，测定生物分子在气相中的电离能及其他性质并非易事，而此类实验为获取这些数据提供了平台。我们开发了一种结合热蒸发技术与超声分子束的方法，能够温和地将这些物种引入气相。通过合理选择载气种类与温度，可实现DNA碱基二聚体及更高阶团簇的形成。本研究的重点在于非共价相互作用的影响， 即氢键、堆积作用和静电相互作用对单个生物分子、其复合物以及水分子微水合作用下的电离能和质子转移的影响1, 5-9.
我们利用位于先进光源（Advanced Light Source）的化学动力学光束线10上的同步辐射，结合分子束技术，对气相尿嘧啶及1,3-二甲基尿嘧啶二聚体的光电离动力学进行了实验与理论表征，其实验细节在此展示。该方法使我们能够观测1,3-二甲基尿嘧啶二聚体中的质子转移过程，该体系具有π堆叠结构且不含氢键1。分子束技术提供了一种非常便捷高效的手段，可将目标样品与环境扰动隔离，从而实现与电子结构计算结果的精确比对11, 12。通过调节同步辐射的光子能量，可绘制出光电离效率（PIE）曲线，从而揭示阳离子电子态的信息。这些数据可进一步与理论模型和计算结果进行比较，进而详细阐明被研究物种的电子结构与动力学行为1, 3。
方案
1. 样品上样
- 拆下后部法兰，并将装置上的3/8英寸不锈钢喷嘴管拆解下来（参见 图1 和 图2）并确保其清洁，且100 mm孔径通畅（可通过透过光源观察确认）。清洁时，向管内加入约1 ml乙醇，用棉签刷洗内壁。或者，将喷嘴置于含有肥皂水或乙醇的超声波清洗仪中，超声约20分钟。随后用压缩空气吹干。
- 使用一支小巧洁净的刮勺，将约250 mg样品置于喷嘴前端，靠近孔口但不堵塞孔口。为防止孔口堵塞，可在孔口前方放置一小团铝箔或玻璃棉，再加入样品粉末。用棉签将样品推入管内，确保其位于管的前25 mm范围内。该前端区域将构成加热区。
- 小心地将喷嘴重新连接到装置上，以避免扰动内部的样品粉末。然后安装鸟笼适配器（参见 图2），加热块和热电偶（参见 图3).
- 在关闭真空腔室之前，测量法兰表面到喷嘴尖端的距离，确保为22.5英寸；这样可使喷嘴与截取器之间留有0.5英寸的间隙。
- 当真空腔体关闭后，测试加热器 cartridge 和热电偶的连接，确保它们与馈通连接器连接良好。
- 确保载气入口阀已关闭。
- 关闭排气阀（如果已使用）。
- 缓慢开始使用粗抽泵（4个阀门）对腔室进行抽气，当腔室内的压力降至 <1 torr时，启动涡轮分子泵（5台）。
- 当腔室内的压力为 <10-6 托，对飞行时间质谱仪的离子光学系统和微通道板检测器施加电压（后者的电压应逐步开启）（参见 图1 针对不同电压。
- 打开VUV快门，使光子束进入腔室。
- 打开载气进气阀，将背压调节器设为460（此为真空调节器，量程为0至-760 torr的负压刻度，因此当设定为460时，可将管路压力调节至300 torr）。
- 在这些条件下，离子源和质谱仪腔室内的压力应约为 ~1 x 10⁻⁶ Torr。-6 托和约 1 x 10-6 托，分别。
2. 质谱的采集
- 在计算机上启动 FAST 卡（型号 P7889，100 ps/步）软件，并使其在后台运行。
- 打开 Labview 数据采集程序：“General Interface.vi”*（图 4）
（*该软件及其他Labview代码由光束线开发，可从通讯作者处免费获取）
- 使用 Labview 软件中的 ALS Control 选项卡，将光子能量设置为所需的波长。
- 在 scaler 选项卡中，设置需合并在一起的时间单位数量（通常为 32）、范围（bin 数量）和扫描次数（叠加生成最终质谱的质谱数量），然后点击 accept，以保存并应用这些参数。
- 接下来，点击 get data 开始数据采集。采集完成后，质谱将显示在屏幕上。
- 点击 save 按钮保存质谱。（所得谱图的 X 轴对应离子飞行时间，单位为 100 ps）
3. 光电离效率曲线（PIE）的获取
- 在 Labview 软件中使用 ALS Scan 选项卡（图 5），可在调节光束线电机的同时采集数据。此时，选择电机“Mono T3 energy”以调节不同的光子能量（同步加速器内的波荡器将自动移动以匹配所需波长）。将光子能量设置为所需的值（单位：eV）。
- 输入起始（Start）和终止（Stop）能量值（单位：eV），以及步长大小。
- 请勿输入扫描次数——该数值将根据步骤 2.4 中输入的值自动更新。
- 点击 Read current from K486 以读取光电二极管测得的光电流。
- 接着，点击 Start 开始扫描。系统将提示您选择一个文件名，用于在运行结束后存储数据。
- 数据文件中的第一列包含通道编号（Bin#），需转换为质量单位13。典型转换公式为：质量 = 0.6 + 1×10⁻³ (Bin#) + 5×10⁻⁷ (Bin#)²（可通过已知气体混合物，甚至室内空气（i.e. 主要为 O2、N2 和 H2O 的混合物）进行更精确的质量校准，并将其到达时间拟合为二阶多项式）。
- 将第一列已转换为质量单位的数据保存至数据文件。
- 要绘制 PIE 曲线，一种简便方法是使用另一个名为“ALS energy scan.vi”的 Labview 程序，该程序专为分析扫描数据并生成 PIE 曲线而设计。
4. 绘制光电离效率曲线 (PIE)
- 如上所述，可以使用“ALS energy scan.vi”程序进行分析（见图6），但此处我们也将描述在没有该程序的情况下分析数据所需的步骤。
- 启动程序时，系统会提示您选择包含数据的文件。此文件即为步骤3.7中保存的文件，其第一列为质量数，后续各列分别为不同光子能量下的离子计数。请注意，文件中的第一行和第二行分别表示该列数据对应的光子能量和光电流。
- 在上方面板中为数据的二维图；移动红色水平标记可选择特定光子能量下的质谱图，并在下方面板中显示。
- 下一步是在每个光子能量下对特定质量的离子计数进行积分，同时扣除背景信号。在下方面板中，应将两个红色垂直标记设置在待积分的质量峰两侧，而将两个蓝色标记设置在附近无信号区域以确定背景值。软件将在右侧面板中显示扣除背景后的积分数据。
- 为了获得准确的PIE曲线，必须对每一步的离子计数进行光子通量变化的校正。此校正由软件自动完成。如果您选择跳过此校正，请点击顶部面板右侧的电流校正按钮将其关闭。如果您选择手动执行此步骤，则还需考虑光电二极管在不同光子能量下的量子效率（可从光电二极管制造商处获得，或通过通讯作者获取），见公式1。否则，所有这些步骤均由软件自动完成。
- 单击右下角的保存光谱以保存校正后的PIE曲线。
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结果
图7展示了1,3-二甲基尿嘧啶蒸气超声膨胀的典型质谱图（A），以及从8 eV至10 eV的真空紫外光扫描中提取出的三个主要特征的光致电离效率曲线（B）（分别为质荷比m/z 140的单体、m/z 141的质子化单体以及m/z 280的1,3-二甲基尿嘧啶二聚体）。灰色阴影表示连续三次扫描的标准偏差。
图 1. 实验装置示意图，标示了各部分电压。(1) 微通道板探测器，(2) 反射镜，(3) 分子束区域，(4) 离...
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讨论
单体与二聚体通过超音速喷流膨胀产生，形成分子束。将少量DNA碱基样品置于热蒸发源中加热，以产生足够的蒸气压。氩气将蒸气携带通过一个100 μm的孔径，并经过一个2 mm的限束器，从而生成低温分子束14。或者，也可使用扩散分子束源，即将样品置于与质谱仪的排斥极板（离子光学部件）相连的加热炉中。
我们利用真空紫外光（7.4–25 eV）通过单光子电离方式对分子进行软电离，该方法可最大限度地减少碎片化和次级过程，是传统使用电子轰击方式的电离技术所无法比拟的。离子在Wiley-McLaren13反射式飞行时间质谱仪的相互作用区域中产生，最终由微通道板进行检测。探测器输出信号被送入一台个人计算机中的前置放大器和多通道量程卡，数据由此被保存以供进一步分析。准连续辐射来自同步辐射装置（先进光源）中的波荡器，随后通过一个气体滤光器，其中光的高次谐波被去除，并经由一台3米单色仪色散，从而实现最高5 meV的分辨率。
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致谢
实验在美国能源部科学办公室基础能源科学办公室资助下，于劳伦斯伯克利国家实验室先进光源的化学动力学光束线完成，项目合同编号为 DE-AC02-05CH11231，由化学科学部负责执行。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 尿嘧啶 | Sigma | U0750 | |
| 1,3-二甲基尿嘧啶 | Aldrich | 349801 |
参考文献
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重印与许可
