Name: Separación espacial de conformadores moleculares y cúmulos (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-01-09T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 37 s
Description: Aprende a separar conformeros moleculares y cúmulos en fase gaseosa mediante un deflector electrostático. Este método utiliza campos eléctricos inhomogéneos para aislar especies según su momento dipolar.

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Este trabajo ha sido apoyado por el clúster de excelencia "The Hamburg Center for Ultrafast Imaging – Structure, Dynamics and Control of Matter at the Atomic Scale" de la Deutsche Forschungsgemeinschaft y por el Helmholtz Virtual Institute "Dynamic Pathways in Multidimensional Landscapes".

1. Descripción de la configuración experimental
En la Figura 2 21se muestra un esquema de la configuración del haz molecular en fase gaseosa y del deflector. Consiste en:
<ol><li>Una válvula Even-Laviepulsada 29 que contiene la muestra molecular. Otras válvulas de haz molecular pulsado se pueden utilizar igualmente bien siempre y cuando se forme un haz molecular frío (O (1 K)). Los siguientes parámetros son específicos para la válvula Even-Lavie empleada. En los experimentos presentados aquí, la válvula se opera a una tasa de repetición de 20 Hz con altas presiones de respaldo (helio a ~ 50 bar) y se expande en una cámara de vacío evacuada a <10-6 mbar.</li>
	<li>Un skimmer de haz molecular (2 mm de diámetro) se coloca 22 cm aguas abajo de la válvula, colimando el haz molecular y dando lugar a condiciones de bombeo diferenciales entre la válvula pulsada y el resto del sistema de vacío.</li>
	<li>Inmediatamente después del skimmer las moléculas entran en el dispositivo de deflexión electrostática. Esta consiste en una varilla (radio 3,0 mm) y una vaguada (radio de curvatura 3,2 mm), cada una de 24 cm de largo. El espacio vertical entre los electrodos en el centro del dispositivo es de 2,3 mm. Se aplica una diferencia de potencial entre 0-26 kV entre la varilla y el canal, produciendo un fuerte campo eléctrico no homogéneo con un gradiente de campo casi constantede 30,como se indica en el recuadro de la Figura 2.</li>
	<li>Directamente después de que las moléculas deflectoras entran en la región de interacción a través de un segundo skimmer, proporcionando una etapa de bombeo diferencial adicional.</li>
	<li>La región de interacción (evacuada a presiones <10-9 mbar) contiene una configuración estándar de tiempo de vuelo (TOF) de Wiley-McLaren. Las moléculas son ionizadas por pulsos láser enfocados en el centro de la región de extracción, entre los electrodos repelente y extractor. Los iones producidos se aceleran hacia un detector de placas multicanal (MCP), donde se registra un espectro de masas.</li>
	<li>Los pulsos láser se derivan de un láser de tinte bombeado Nd:YAG, proporcionando longitudes de onda de salida típicas alrededor de 283 nm (experimentos de indol) o 272 nm (experimentos de 3-fluorofenoles) y energías de pulso de unos pocos mJ. Las duraciones de los pulsos son del orden de 10 nsec y los pulsos se enfocan con una lente f = 750 mm a un tamaño de punto de ~ 100 μm en la región de interacción.</li>
	<li>La secuencia de temporización es controlada por un generador de retardo digital que proporciona el reloj maestro. Esto activa el láser Nd:YAG (lámparas de flash y Q-switch), la válvula pulsada y la tarjeta digitalizadora utilizada para registrar espectros de masas.</li>
	<li>Los espectros de masas se registran en una tarjeta digitalizadora, activada al mismo tiempo que el interruptor Q láser. Las densidades de haz molecular se extraen de las puertas de masa apropiadas en los espectros de tiempo de vuelo registrados.</li>
</ol>2. Producción y caracterización de un haz molecular conformer seleccionado
<ol><li>Un haz molecular frío de las moléculas objetivo se crea a través de la expansión supersónica y se caracteriza utilizando perfiles espaciales (direcciones x, y) y temporales (dirección z).</li>
	<li>Cargue el depósito de muestra de la válvula pulsada con la muestra química. Disuelva las muestras sólidas en un disolvente apropiado y coloque unas gotas en un pequeño trozo de papel de filtro que se inserta en el cartucho de muestra. Coloque las muestras líquidas directamente sobre el papel de filtro.</li>
	<li>Producir la expansión supersónica, utilizando un gas de respaldo de alta presión de alta pureza. Ajuste la temperatura del depósito de la muestra dentro de la válvula de tal manera que la presión parcial de la muestra sea de aproximadamente 10 mbar. Nota: Para las muestras líquidas típicamente no es necesario el calentamiento. El tiempo de apertura de la válvula depende del modelo exacto de válvula pulsada utilizado, para los experimentos presentados aquí la válvula Even-Lavie se opera con una duración de pulso eléctrico de 10 μsec.</li>
	<li>Caracterice el haz molecular producido con el deflector electrostático apagado. Ajuste el láser de ionización a una longitud de onda conocida para la ionización multifotónica mejorada por resonancia (REMPI) de un conformador particular de la muestra. Registre un perfil temporal del pulso del haz molecular monitoreando el rendimiento total de iones parentales en el detector MCP en función del retardo válvula-láser.</li>
	<li>Fije el retardo válvula-láser en la posición de máxima intensidad para todas las mediciones posteriores.</li>
	<li>Registre un perfil espacial transversal del haz molecular monitoreando el rendimiento total de iones parentales en función de la posición y del enfoque láser. Para ello, mueva la lente de enfoque perpendicular a la dirección de propagación del láser, de modo que el enfoque se mueva en la dirección y en relación con el haz molecular.</li>
	<li>Repita el perfil temporal y espacial para todos los conformadores de interés en el haz. Nota: Éstos tienen típicamente resonancias distintas de REMPI, tales que cada conformer se puede sondear por separado. Sin embargo, en ausencia de un campo de deflexión, los perfiles temporales y espaciales son idénticos para todos los conformadores.</li>
	<li>Caracterización del haz desviado. Encienda el suministro de alto voltaje al deflector y registre los perfiles espaciales para todos los isómeros. Estos ahora deben ser desviados de acuerdo con la relación de momento masa-dipolo. Nota: Para las especies sometidas a grandes deflexiones puede ser necesario mover el skimmer inmediatamente después del deflector para garantizar una buena transmisión del haz desviado a la región de detección.</li>
	<li>Realizar experimentos en la parte conformer o de tamaño seleccionado del haz molecular asegurando que la interacción (porejemplo, un rayo láser de cruce) tenga lugar dentro de la parte del haz molecular que contiene únicamente las especies de interés.</li>
</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

A lo largo de este manuscrito, se asume la familiaridad con los componentes de ultra alto vacío, las válvulas de haz molecular pulsado y las fuentes de láser, y siempre se deben cumplir los procedimientos de seguridad asociados. Se debe tener especial cuidado al manipular los electrodos de alto voltaje para el deflector. Sus superficies deben pulirse con un alto nivel y deben estar absolutamente limpias para evitar arcos dentro de la cámara de vacío. Antes de su primer uso, los electrodos deben estar acondicionados al vacío. El voltaje aplic...

Los experimentos modernos de física molecular en fase gaseosa y química física a menudo utilizan expansiones supersónicas de moléculas diana para producir muestras moleculares rotacionalmente frías dentro de un haz molecular. Sin embargo, incluso a bajas temperaturas de rotación de 1 K, que se pueden lograr rutinariamente utilizando expansiones supersónicas, las moléculas grandes todavía pueden permanecer en múltiples conformaciones dentro del haz1. Del mismo modo, la producción de cúmulos moleculares en una fuente de haz no resulta en una sola especie, sino más bien en la formación de una "sopa de racimos", que contiene muchas estequiometrías de racimo diferentes, así como moléculas madre puras restantes. Esto dificulta el estudio de estos sistemas con técnicas novedosas como la obtención de imágenes de orbitales moleculares2,distribuciones angulares de fotoelectrones de marco molecular3-5 oelectrón 6-10 y difracción de rayos X11-13, ya que requieren muestras puras, consistentes y homogéneas en la fase gaseosa.
Si bien actualmente se dispone de varias metodologías para separar diferentes conformadores de especies cargadas en la fasegaseosa (por ejemplo, tubos de deriva de movilidadiónica 14,15)y los grupos cargados se separan fácilmente por su relación masa-carga, estas técnicas no son aplicables a las especies neutras. Recientemente hemos demostrado que estos problemas pueden ser superados con el uso de un dispositivo de deflexión electrostática16,17,permitiendo la separación de conformadores moleculares, así como grupos y la producción de haces moleculares rotacionalmente fríos.
El uso de la deflexión electrostática es una técnica clásica de haz molecular, cuyo origen se remonta a mucho tiempo atrás18,19. Las primeras ideas de utilizar la deflexión electrostática para la separación de estados cuánticos fueron introducidas por Stern en 192620. Mientras que los primeros experimentos se llevaron a cabo en moléculas pequeñas a altas temperaturas, demostramos la aplicación de esta técnica a moléculas polares grandes y grupos a bajas temperaturas16,21.
Las moléculas polares experimentan una fuerza dentro de un campo eléctrico no homogéneo(E)debido a las diferencias espaciales en la energía potencial. Esta fuerza <img fo:content-width="0.25in" src="/files/ftp_upload/51137/force.jpg" width="30px"> depende del momento dipolar efectivo, μeff, de la molécula y puede ser evaluada como
<img src="/files/ftp_upload/51137/51137eq1.jpg"> (1) 
Como diferentes conformadores moleculares típicamente poseen diferentes momentos dipolares y diferentes números de moléculas de solventes dentro de un cúmulo conducen a diferentes masas de cúmulos y momentos dipolares, estas especies experimentarán una aceleración diferente en presencia de un fuerte campo eléctrico no homogéneo. Por lo tanto, la fuerza resultante del efecto Stark de un campo eléctrico no homogéneo puede utilizarse para la separación de conformadores y estados cuánticos22. Esto se indica en la Figura 1, mostrandolas curvas stark calculadas para los estados de rotación J = 0,1,2 de los conformadores cis y trans de 3-fluorofenol, respectivamente. Esto conduce a grandes diferencias en μeff,como se muestra en las Figuras 1c y 1d,y por lo tanto una aceleración diferente es experimentada por los dos conformadores en campos eléctricos no homogéneos. Por lo tanto, un dispositivo de deflexión electrostática se puede utilizar como separador de relación masa/momento dipolar(m/μeff),en analogía con un espectrómetro de masas que actúa como un filtro de relación masa/carga(m/z)23.
Además, estas técnicas permiten la separación de estados cuánticos rotacionales24,25. Como los estados de rotación del suelo (curvas azules en las Figuras 1a y 1b)exhiben el mayor desplazamiento stark, estos se desviarán más y se pueden separar espacialmente de las moléculas en estados J más altos17. Por lo tanto, se puede seleccionar la parte más fría de un haz molecular, lo que ayuda significativamente en muchas aplicaciones, como la alineación y orientación de las moléculas diana17, 26-28.
En esta contribución mostramos cómo un dispositivo de deflexión electrostática se puede utilizar para separar espacialmente diferentes especies de grandes moléculas polares y grupos. Se presentan datos de ejemplo para la producción de un haz puro de un conformador individual y de un clúster soluto-disolvente de tamaño y relación bien definidos. Específicamente presentamos datos sobre 3-fluorofenol, donde se produce un haz puro que contiene sólo el trans conformador, y sobre los grupos de indol-agua, donde el indol (H2O)1 racimo se puede separar espacialmente del agua, indol, indol (H2O)2, etc.

<table><tbody><tr><td>Sistema de vacío</td><td>varios, p. ej. Pfeiffer Vacuum, Varian, Edwards, Leybold</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Dye laser system</td><td>varios, p. ej. Coherente, Física de Espectros, Syrah, LIOP-TEC, Tintes Radiantes&hellip;</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Válvula pulsada</td><td>Even-Lavie</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Fuente de alimentación de alto voltaje</td><td>, por ejemplo. FUG</td><td>HCP 14-20000</td><td></td></tr><tr><td>Deflector</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Espectrómetro de tiempo de vuelo</td> hecho a medida <td>Jordan TOF</td><td>C-677</td><td></td></tr><tr><td>Fuente de alimentación TOF</td> Jordan <td>TOF</td><td>D-603</td><td></td></tr><tr><td>Lente de enfoque</td><td>Thorlabs</td><td>LA4745</td><td></td></tr><tr><td>Etapa de traducción</td><td>e.g. Visión Lasertechnik</td><td>8MT167-25</td><td></td></tr><tr><td>Digitalizador</td><td>e.g. Agilent</td><td>Acquiris DC440</td><td></td></tr><tr><td>Generador de retardo digital</td><td>Stanford Systems</td><td>SRS DG645</td><td></td></tr><tr><td>Skimmer de haz molecular</td><td>Beam Dynamics Inc.</td><td></td><td>http://www.beamdynamicsinc.com/</td></tr></tbody></table>

separación espacial de conformadores moleculares y cúmulos

Spatial Separation of Molecular Conformers and Clusters

Los experimentos de física molecular en fase gaseosa y química física comúnmente utilizan expansiones supersónicas a través de válvulas pulsadas para la producción de haces moleculares fríos. Sin embargo, estos haces a menudo contienen múltiples conformadores y grupos, incluso a bajas temperaturas de rotación. Presentamos una metodología experimental que permite la separación espacial de estas partes constituyentes de una expansión de haz molecular. Usando un deflector eléctrico, el haz se separa por su relación de momento masa-dipolo, análoga a un doblador o a un espectrómetro de masas del sector eléctrico que dispersa espacialmente moléculas cargadas sobre la base de su relación masa-carga. Este deflector explota el efecto Stark en un campo eléctrico no homogéneo y permite la separación de especies individuales de moléculas y grupos polares neutros. Además, permite la selección de la parte más fría de un haz molecular, ya que los estados cuánticos rotacionales de baja energía generalmente experimentan la mayor desviación. Diferentes isómeros estructurales (conformadores) de una especie pueden ser separados debido a la diferente disposición de los grupos funcionales, lo que conduce a distintos momentos dipolares. Estos son explotados por el deflector electrostático para la producción de una muestra conformacionalmente pura a partir de un haz molecular. Del mismo modo, se pueden seleccionar estequiometrías específicas de cúmulos, ya que la masa y el momento dipolar de un cúmulo dado dependen del grado de solvatación alrededor de la molécula madre. Esto permite experimentos sobre tamaños y estructuras de conglomerados específicos, lo que permite el estudio sistemático de la solvatación de moléculas neutras.

La técnica de deflexión electrostática se ha aplicado con éxito a la separación de isómeros estructurales16 y cúmulos neutros21,así como a la producción de muestras moleculares seleccionadas en estado cuánticorotacional 31. Demostramos esto con resultados representativos para la separación de cis y trans conformrs de 3-fluorofenol, y el tamaño seleccionado indol (H2O)n grupos.
Los conformadores de 3-fluorofenol se separar...

Presentamos una técnica que permite la separación espacial de diferentes conformadores o clusters presentes en un haz molecular. Un deflector electrostático se utiliza para separar especies por su relación de momento masa-dipolo, lo que lleva a la producción de conjuntos en fase gaseosa de un solo conformer o estequiometría de racimo.

Separación espacial de conformadores moleculares y cúmulos

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

El objetivo general del siguiente experimento consiste en separar espacialmente distintas especies, como conformeros, agrupaciones o estados cuánticos, en fase gaseosa, facilitando así experimentos posteriores con estas muestras. Esto se logra primero produciendo un haz molecular supersónico rotacionalmente frío que contiene las especies de interés. En un segundo paso, es necesario separar espacialmente las diferentes especies presentes en el haz, lo cual se consigue mediante campos eléctricos fuertes e inhomogéneos, que separan las especies según sus momentos dipolares efectivos inducidos por el efecto Stark.A continuación, se analizan las distribuciones espaciales de las especies mediante ionización por multiphotones con resonancia mejorada para identificar áreas donde está presente una sola especie. Se obtienen resultados que muestran la separación espacial de CYS y de los isómeros trans de tres etanol fluorados, así como la separación de agregados indu con agua de los agregados puramente indu, basándose en el rendimiento totalmente selectivo por especie de ionización por multiphotones con resonancia mejorada registrado en función de la posición espacial en el haz molecular. La

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