Methodenartikel

Räumliche Trennung von molekularen Konformen und Clustern

DOI:

10.3791/51137

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9. Januar 2014

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1Center for Free-Electron Laser Science, CFEL, DESY, 2Department of Physics, University of Hamburg, 3The Hamburg Center for Ultrafast Imaging, University of Hamburg

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Wir präsentieren eine Technik, die die räumliche Trennung verschiedener Konformer oder Cluster ermöglicht, die in einem molekularen Strahl vorhanden sind. Ein elektrostatischer Deflektor wird verwendet, um Arten durch ihr Massen-Dipol-Momentverhältnis zu trennen, was zur Produktion von Gasphasen-Ensembles eines einzelnen Konformators oder Clusterstoichiometrie führt.

Zusammenfassung

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Gasphasen-Molekularphysik und physikalische Chemieexperimente verwenden häufig Überschallerweiterungen durch gepulste Ventile zur Herstellung kalter molekularer Strahlen. Diese Strahlen enthalten jedoch oft mehrere Konformer und Cluster, selbst bei niedrigen Rotationstemperaturen. Wir stellen eine experimentelle Methodik vor, die die räumliche Trennung dieser Bestandteile einer molekularen Strahlexpansion ermöglicht. Mit Hilfe eines elektrischen Deflektors wird der Strahl durch sein Massen-Dipol-Momentverhältnis getrennt, analog zu einem Biege- oder einem elektrischen Sektor-Massenspektrometer, das geladene Moleküle auf der Grundlage ihres Massen-Zu-Lade-Verhältnisses räumlich dispergiert. Dieser Deflektor nutzt den Stark-Effekt in einem inhomogenen elektrischen Feld aus und ermöglicht die Trennung einzelner Arten polarer neutraler Moleküle und Cluster. Darüber hinaus ermöglicht es die Auswahl des kältesten Teils eines molekularen Strahls, da niedrigenergetische Rotationsquantenzustände in der Regel die größte Durchbiegung erfahren. Verschiedene strukturelle Isomere (Konformer) einer Art können durch die unterschiedliche Anordnung funktioneller Gruppen getrennt werden, was zu unterschiedlichen Dipolmomenten führt. Diese werden vom elektrostatischen Deflektor zur Herstellung einer konformational reinen Probe aus einem Molekularstrahl genutzt. In ähnlicher Weise können spezifische Cluster-Stoichiometrien ausgewählt werden, da das Masse- und Dipolmoment eines bestimmten Clusters vom Grad der Lösung um das übergeordnete Molekül abhängt. Dies ermöglicht Experimente an bestimmten Clustergrößen und -strukturen und ermöglicht die systematische Untersuchung der Lösung neutraler Moleküle.

Einleitung

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Moderne Gasphasen-Molekularphysik und physikalische Chemieexperimente verwenden häufig Überschallerweiterungen von Zielmolekülen, um rotationskalte molekulare Proben innerhalb eines molekularen Strahls zu erzeugen. Doch selbst bei niedrigen Rotationstemperaturen von 1 K, die routinemäßig mit Überschallausdehnungen erreicht werden können, können große Moleküle noch in mehreren Konformationen innerhalb des Strahls1verbleiben. Ebenso führt die Produktion molekularer Cluster in einer Strahlquelle nicht zu einer einzigen Spezies, sondern zur Bildung einer "Clustersuppe", die viele verschiedene Clusterstoichiometrien enthält, sowie zu verbleibenden reinen Mutterm....

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Protokoll

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1. Beschreibung des Versuchsaufbaus

Abbildung 221zeigt einen Schaltplan des Gasphasen-Molekularstrahlaufbaus und -Abweisers. Es besteht aus

  1. Ein gepulstes Even-Lavie-Ventil29, das die molekulare Probe enthält. Andere gepulste Molekularstrahlventile können ebenso gut eingesetzt werden, solange ein kalter Molekularstrahl (O(1 K)) gebildet wird. Die folgenden Parameter sind spezifisch für das eingesetzte Even-Lavie-Ventil. In den hier vorgestellten Experimenten wird das Ventil mit 20 Hz Wiederholungsrate mit hohen Rückendrücken (Helium bei 50 bar) betrieben und zu einer Vakuumkammer erweitert, di....

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Ergebnisse

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Die elektrostatische Umlenktechnik wurde erfolgreich auf die Trennung von Strukturisomern16 und neutralen Clustern21angewendet, sowie auf die Produktion von rotationsquantenzustandsausgewählten molekularen Proben31. Wir zeigen dies mit repräsentativen Ergebnissen für die Trennung von cis und trans conformers von 3-Fluorphenol und Größe ausgewählt indole(H2O)n Cluster.

3-Fluorophenol-Konformer wurden in einem Molekularstra.......

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Diskussion

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In diesem Manuskript wird von der Vertrautheit mit Ultrahochvakuumkomponenten, gepulsten Molekularstrahlventilen und Laserquellen ausgegangen und die damit verbundenen Sicherheitsverfahren sollten immer eingehalten werden. Beim Umgang mit den Hochspannungselektroden für den Deflektor ist besondere Vorsicht geboten. Ihre Oberflächen müssen auf hohem Niveau poliert werden und müssen absolut sauber sein, um Lichtbögen innerhalb der Vakuumkammer zu vermeiden. Vor dem ersten Gebrauch sollten die Elektroden unter Vakuum konditioniert werden. Die a.......

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Offenlegungen

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Die Autoren haben nichts zu verraten.

Danksagungen

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Unterstützt wurde diese Arbeit vom Exzellenzcluster "The Hamburg Center for Ultrafast Imaging – Structure, Dynamics and Control of Matter at the Atomic Scale" der Deutschen Forschungsgemeinschaft und vom Helmholtz Virtual Institute "Dynamic Pathways in Multidimensional Landscapes".

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Vakuumsystemverschiedene, z.B. Pfeiffer Vacuum, Varian, Edwards, Leybold
Dye Lasersystemdiverse, z.B. Coherent, Spectra Physics, Syrah, LIOP-TEC, Radiant Dyes…
ImpulsventilEven-Lavie
Hochspannungsnetzteilz.B. FUGHCP 14-20000
DeflektorSonderanfertigung
FlugzeitspektrometerJordan TOFC-677
TOF-NetzteilJordan TOFD-603
FokussierlinseThorlabsLA4745
Translationstischz.B. Vision Lasertechnik8MT167-25
Digitizerz.B. Agilenterwirbt DC440
Digitaler VerzögerungsgeneratorStanford SystemsSRS DG645
Molekularstrahl-SkimmerBeam Dynamics Inc.http://www.beamdynamicsinc.com/

Referenzen

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  1. Rizzo, T. R., Park, Y. D., Peteanu, L., Levy, D. H. Electronic spectrum of the amino acid tryptophan cooled in a supersonic molecular beam. J. Chem. Phys. 83, 4819-4820 (1985).
  2. Itatani, J., et al. Tomographic imaging of molecular orbitals. Nature. 432, 867....

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Schlagwörter

Molekularstrahltrennungelektrostatischer DeflektorStark EffektKonformer IsolierungCluster Selektionresonanzverst rkte MultiphotonenionisationFlugzeitmassenspektrometriegepulste Ventilexpansionr umliches ProfilingDipolmoment Deflektion

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