Пространственное разделение молекулярных конформеров и кластеров

Общая цель следующего эксперимента состоит в том, чтобы пространственно разделить различные вещества, такие как конформные кластеры или квантовые состояния в газовой фазе, что облегчит дальнейшие эксперименты на этих образцах. Это достигается путем создания сначала вращательно холодного сверхзвукового молекулярного пучка, содержащего интересующие вещества. В качестве второго шага различные вещества, присутствующие в пучке, должны быть пространственно разделены, что достигается с помощью сильных однородных электрических полей, разделяющих вещества по их эффективным дипольным моментам, индуцированным эффектом Штарка.

Затем пространственное распределение видов исследуется с помощью многофотонной ионизации с усилением резонанса, чтобы определить области, где присутствует только один вид. Получены результаты, показывающие пространственное разделение CYS и транс-изомеров трех фторэтанолов, а также отделение кластеров воды индуа от чистого индуа на основе полностью видовоселективного выхода усиленной многофотонной ионизации, зарегистрированного в зависимости от пространственного положения в молекулярном пучке. Основное преимущество данной методики перед существующими методиками вроде ГПО, фокусера или железной подвижной дрифтовой трубки, заключается в том, что электрический дефакторинг намного проще в реализации и более широко применим.

Применение этого метода распространяется на приложения в молекулярной кадровой визуализации, а также в экспериментах по дифракции электронов и рентгеновского излучения, поскольку для них требуются чистые и однородные образцы В газовой фазе здесь показана схема установки молекулярного пучка и дефлектора газовой фазы, состоящая из следующих компонентов. Первым компонентом является импульсный клапан Эвана Леви, содержащий молекулярный образец. В представленных здесь экспериментах клапан работает с частотой повторения 20 Гц с давлением гелия около 50 бар и расширяется в вакуумную камеру, вакуумируемую до менее чем 10 до отрицательных шести мбар.

Молекулярно-лучевой скиммер диаметром два миллиметра размещается в 22 сантиметрах ниже по потоку от клапана, покрывая молекулярный пучок, что приводит к дифференциальным условиям откачки между импульсным клапаном и остальной частью вакуумной системы. Сразу после скиммера молекулы попадают в устройство электростатического отклонения. Он состоит из стержня радиусом три миллиметра и желоба с радиусом 3,2 миллиметра кривизной длиной 24 сантиметра каждый.

Вертикальный зазор между электродами в центре устройства составляет 2,3 миллиметра. Между стержнем и желобом создается разность потенциалов между нулем и 26 киловольтами, создавая сильное однородное электрическое поле с почти постоянным градиентом поля, как показано на врезке сразу после того, как молекулы дефлектора вошли в область взаимодействия через второй скиммер, обеспечивающий дальнейшую ступень дифференциальной откачки. Область взаимодействия, вакуумированная до давлений менее 10 до отрицательных девяти миллибар, содержит стандартное время пролета установки Wiley McLaren, молекулы ионизируются сфокусированными лазерными импульсами в центре области экстракции между отпугивателем и экстракторными электродами.

Полученные ионы ускоряются к многоканальному пластинчатому или MCP-детектору, где регистрируется масс-спектр. Лазерные импульсы получаются от неодимового лазера на основе импульсного красителя с удвоенной частотой накачки YAG, обеспечивающего типичную длину выходной волны около 283 нанометров для экспериментов с окончанием O или 272 нанометра для трех экспериментов с флюорфенолом и энергией импульса в несколько миллиджоулей. Длительность импульсов составляет порядка 10 наносекунд, и импульсы фокусируются с помощью линзы с фокусным расстоянием 750 мм до размера пятна около 100 микрон в области взаимодействия.

Последовательность синхронизации контролируется цифровым генератором задержки, обеспечивающим задающий тактовый сигнал. Это приводит в действие лазер neo DMAC, импульсный клапан и карту дигитайзера, используемую для записи массовых спектров. Карта дигитайзера срабатывает одновременно с лазерным переключателем.

Молекулярные пучки извлекаются из соответствующих массовых вентилей в зарегистрированных временных спектрах полета. Сначала нанесите несколько капель трех фторфенолов на небольшой лист фильтровальной бумаги, затем загрузите резервуар для образца импульсного клапана химическим образцом, произведите сверхзвуковое расширение с помощью подпорного газа высокой чистоты и высокого давления, отрегулируйте температуру резервуара для образца внутри клапана таким образом, чтобы парциальное давление образца составляло примерно 10 миллибар. Чтобы охарактеризовать полученный молекулярный пучок, установите ионизационный лазер на известную длину волны для резонансной усиленной многофотонной ионизации конкретного конформера образца, запишите временной профиль импульса молекулярного пучка, контролируя общий выход родительских ионов на детекторе MCP в зависимости от клапанной лазерной задержки.

Здесь показан типичный временной профиль с выключенным электростатическим дефлектором для двух различных газов-носителей, использующих гелий. При данных условиях эксплуатации наблюдается временная ширина, равная примерно 12 микросекундам полной ширины при половине максимума, что типично для расширения клапана Леви Эвана. Для сравнения также показан временной профиль неонового луча.

Далее зафиксируйте задержку лазера клапана в положении максимальной интенсивности для всех последующих измерений. Запишите поперечный пространственный профиль молекулярного пучка, перемещая фокусирующую линзу перпендикулярно направлению распространения лазера таким образом, чтобы фокус перемещался в направлении Y относительно молекулярного пучка. Затем повторите временное и пространственное профилирование для всех конформеров, представляющих интерес в балке.

Наконец, включите высоковольтную подачу на дефлектор и запишите пространственные профили для всех изомеров, которые теперь должны быть отклонены. В соответствии с отношением мачты к дипольному моменту, три конформера фторэтанола были отделены в молекулярном пучке от сверхзвукового расширения 50 бар гелия. Вставки показали молекулярные структуры двух конформеров.

Отдельные виды были исследованы с помощью других характерных многофотонных ионизационных резонансов, усиленных около 272 нанометров. Транс-вид демонстрирует значительно больший резкий эффект, чем цис-конформер. Это приводит к большему, эффективному дипольному моменту, который обеспечивается отрицательным наклоном энергий Старка.

В результате трансконформер испытывает большее отклонение после прохождения через дефлектор и пространственно отделен от цистообразующего конформера и несущего газа луча. Пространственное распределение молекулярного пучка контролируется путем трансляции многофотонного ионизационного лазера с резонансным усилением относительно направления молекулярного пучка, и здесь показаны пространственные профили. Профили без полей отображаются пурпурным цветом для кривых cys и голубым для транскривых.

Они дают пространственную ширину молекулярного пучка около двух миллиметров и показывают, что без дефлектора оба вида смешиваются в луче. Применение напряжения отклонения в 14 киловольт приводит к пространственному разделению конформеров Разделение увеличивается при подаче более высоких напряжений, таких как 28 киловольт, как показано справа, при наличии поля отклонения. Трансконформер претерпевает значительно большее отклонение, чем цис-конформер, и может быть эффективно отделен от других веществ, присутствующих в луче, так что при положении y, равном трем миллиметрам, создается чистый транс-образец, который может быть использован для дальнейших экспериментов.

Для получения пучков молекулярных кластеров, таких как вода инду, одна коэксплуатация расширяет инду и воду из клапана молекулярного пучка. В результате образуется смесь веществ, включая соответствующие мономеры, а также кластеры различного состава. Здесь мы демонстрируем генерацию чистого образца одного инду.

Один димер воды. Пространственные профили для молекулярного пучка индуа. Со, расширенный в присутствии воды, показан здесь.

Детектирование этих профилей с помощью многофотонной ионизации с усилением резонанса является полностью видовоселективным для воды Индо-Инду и воды Инду. Два показанных здесь профиля были зарегистрированы с разностью потенциалов в 26 киловольт между стержнем и желобчатым электродом. Линиями обозначены смоделированные значения.

Подробно о методах численного моделирования можно прочитать в литературе. Для сравнения, пространственный профиль без поля или заземление с дефлектором показан черной кривой, как и ожидалось, кластер индуа и воды один к одному испытывает наибольшее отклонение, и в положении y равен двум-трем миллиметрам чистого луча воды Инду. Один из них создан для того, чтобы подчеркнуть влияние дефлектора на пространственный профиль молекулярного луча, врезка показывает плотность молекулярного луча воды Индуа, а другой — как функцию разности потенциалов, приложенных к дефлектору.

Это указывает на то, что по мере увеличения напряженности поля самая холодная часть молекулярного пучка испытывает все большее отклонение, в то время как более теплые составляющие испытывают значительно меньшее пространственное разделение, и некоторая плотность остается в исходном положении. Кроме того, это подчеркивает выбор самой холодной части молекулярного пучка. Следуя этой процедуре.

Другие методы, такие как визуализация молекулярного каркаса и выравнивание, могут быть в значительной степени одобрены при условии извлечения данных молекулярного каркаса из выбранных образцов состояния. И не забывайте, что работа с лазерами крайне опасна, поэтому всегда следует брать с собой такие меры, как ношение профилактических очков.