$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Nowoczesne eksperymenty z zakresu fizyki molekularnej i chemii fizycznej często wykorzystują naddźwiękowe ekspansje docelowych cząsteczek do produkcji rotacyjnie zimnych próbek molekularnych w wiązce molekularnej. Jednak nawet przy niskich temperaturach rotacji wynoszących 1 K, które można rutynowo osiągnąć za pomocą naddźwiękowych rozprężań, duże cząsteczki mogą nadal pozostawać w wielokrotnych konformacjach w wiązce1. Podobnie, wytwarzanie klastrów molekularnych w źródle wiązki nie prowadzi do powstania jednego gatunku, ale raczej do powstania "zupy klastrowej", zawierającej wiele różnych stechiometrii klastrów, a także pozostałe czyste cząsteczki macierzyste. To sprawia, że badanie tych układów za pomocą nowatorskich technik, takich jak obrazowanie orbitali molekularnych2, rozkładów kątowych fotoelektronów w ramkach molekularnych3-5 lub elektronów6-10 lub elektronów 6-10 i dyfrakcji rentgenowskiej11-13 jest trudne, ponieważ wymagają one czystych, spójnych i jednorodnych próbek w fazie gazowej.
Chociaż obecnie dostępnych jest kilka metodologii do rozdzielania różnych konformerów naładowanych gatunków w fazie gazowej (np. rurki dryfujące z ruchliwością jonów14,15), a naładowane klastry można łatwo rozdzielić według ich stosunku masy do ładunku, techniki te nie mają zastosowania do gatunków neutralnych. Niedawno wykazaliśmy, że problemy te można przezwyciężyć za pomocą urządzenia do odchylania elektrostatycznego16,17, co pozwala na oddzielenie konformerów molekularnych, jak również klastrów i wytwarzanie rotacyjnie zimnych wiązek molekularnych.
Użycie odchylenia elektrostatycznego to klasyczna technika wiązki molekularnej, której początki sięgają daleko wstecz18,19. Pierwsze pomysły wykorzystania ugięcia elektrostatycznego do separacji stanów kwantowych zostały przedstawione przez Sterna w 1926roku20. Podczas gdy wczesne eksperymenty przeprowadzano na małych cząsteczkach w wysokich temperaturach, my demonstrujemy zastosowanie tej techniki do dużych cząsteczek polarnych i klastrów w niskich temperaturach16,21.
Cząsteczki polarne doświadczają siły wewnątrz niejednorodnego pola elektrycznego (E) z powodu przestrzennych różnic w energii potencjalnej. Ta siła
zależy od efektywnego momentu dipolowego, μeff, cząsteczki i może być oceniona jako
(1)
Ponieważ różne konformery molekularne zazwyczaj posiadają różne momenty dipolowe, a różna liczba cząsteczek rozpuszczalnika w klastrze prowadzi do różnych mas klastrów i momentów dipolowych, gatunki te będą doświadczać różnych przyspieszeń w obecności silnego, niejednorodnego pola elektrycznego. Wynikająca z tego siła efektu Starka z niejednorodnego pola elektrycznego może być zatem wykorzystana do oddzielenia konformerów i stanów kwantowych22. Jest to pokazane na rysunku 1, przedstawiającym obliczone krzywe Starka dla stanów rotacyjnych J = 0,1,2 odpowiednio cis i transkonformerów 3-fluorofenolu. Prowadzi to do dużych różnic wμ eff, jak pokazano na rysunkach 1c i 1d, a zatem dwa konformery doświadczają różnych przyspieszeń w niejednorodnych polach elektrycznych. W związku z tym elektrostatyczne urządzenie odchylające może być używane jako separator stosunku momentu masowego do dipolowego (m/μeff), analogicznie do spektrometru mas działającego jako filtr stosunku masy do ładunku (m/z)23.
Ponadto, techniki te pozwalają na separację rotacyjnych stanów kwantowych24,25. Ponieważ podstawowe stany rotacji (niebieskie krzywe na rysunkach 1a i 1b) wykazują największe przesunięcie Starka, będą one najbardziej odchylone i mogą być przestrzennie oddzielone od cząsteczek w wyższych stanach J 17. W ten sposób można wybrać najzimniejszą część wiązki molekularnej, co znacznie pomaga w wielu zastosowaniach, takich jak wyrównanie i orientacja cząsteczek docelowych17, 26-28.
W tym artykule pokazujemy, jak można użyć urządzenia do odchylania elektrostatycznego do przestrzennego oddzielania różnych gatunków dużych polarnych cząsteczek i klastrów. Przedstawiono przykładowe dane dotyczące produkcji czystej wiązki pojedynczego składnika formującego oraz klastra substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika o dobrze zdefiniowanej wielkości i stosunku. W szczególności przedstawiamy dane dotyczące 3-fluorofenolu, w którym wytwarzana jest czysta wiązka zawierająca tylko konformer trans, oraz klastrów indolowo-wodnych, w których klaster indolu (H2O) 1 można przestrzennie oddzielić od wody, indolu, indolu (H2O) 2 itp.