Пространственное разделение молекулярных конформеров и кластеров

Общая цель следующего эксперимента заключается в пространственном разделении различных видов частиц, таких как конформеры, кластеры или квантовые состояния в газовой фазе, что облегчает дальнейшее проведение экспериций с этими образцами. Это достигается путем первоначального создания ротационно-холодного сверхзвукового молекулярного пучка, содержащего интересующие виды частиц. На втором этапе необходимо пространственно разделить различные виды частиц, присутствующие в пучке, что осуществляется с помощью сильных неоднородных электрических полей, разделяющих частицы по их эффективным дипольным моментам, индуцированным эффектом Штарка.

Затем с помощью резонансно-усиленной многофотонной ионизации исследуется пространственное распределение видов для определения областей, в которых присутствует только один вид. Полученные результаты демонстрируют пространственное разделение цис- и транс-изомеров 3-фторэтанола, а также отделение водных кластеров инду от чистого инду на основании полностью видоселективного выхода резонансно-усиленной многофотонной ионизации, зарегистрированного в зависимости от пространственного положения в молекулярном пучке. Основное преимущество этого метода перед существующими такими как hpo, фокусировщик или трубка дрейфа ионной подвижности заключается в том, что электрический дефлектор гораздо проще реализовать, и он имеет более широкую область применения.

Значение данной методики распространяется на применение в области визуализации молекулярного каркаса, а также в экспериментах по электронной и рентгеновской дифракции, поскольку для этих целей требуются чистые и гомогенные образцы в газовой фазе. Здесь представлена схема установки молекулярного пучка в газовой фазе и дефлектора, которая состоит из следующих компонентов. Первым компонентом является импульсный клапан Эвана-Леви, содержащий молекулярный образец. В представленных здесь экспериментах клапан работает с частотой повторения 20 hertz при давлении буферного гелия около 50 bar и расширяется в вакуумную камеру, разреженную до уровня менее 10⁻⁶ mbar.

Скиммер молекулярного пучка диаметром 2 мм расположен на расстоянии 22 см ниже по потоку от клапана, ограничивая молекулярный пучок и создавая условия дифференциальной откачки между импульсным клапаном и остальной частью вакуумной системы. Сразу после скиммера молекулы попадают в устройство электростатического отклонения. Оно состоит из стержня радиусом 3 мм и желоба с радиусом кривизны 3,2 мм, длиной каждый 24 см.

Вертикальный зазор между электродами в центре устройства составляет 2,3 millimeters. Между стержнем и лотком прикладывается разность потенциалов от 0 до 26 kilovolts, что создает сильное неоднородное электрическое поле с почти постоянным градиентом поля, как показано на врезке, сразу после того, как молекулы-дефлекторы попадают в область взаимодействия через второй скиммер, обеспечивающий дополнительную стадию дифференциальной откачки. Область взаимодействия, откачанная до давления менее 10⁻⁹ millibar, содержит стандартную установку времяпролетного масс-спектрометра Уайли-Макларена; молекулы ионизируются сфокусированными лазерными импульсами в центре области экстракции между электродами репеллера и экстрактора.

Образовавшиеся ионы ускоряются в сторону многоканальной пластины или детектора MCP, где регистрируется масс-спектр. Лазерные импульсы генерируются импульсным лазером на красителях с удвоением частоты, возбуждаемым неодимовым YAG-лазером; типичные длины волн излучения составляют около 283 нанометров для экспериментов с O и 272 нанометров для экспериментов с тремя фторфенолами, при энергии импульсов несколько миллиджоулей. Длительность импульсов составляет порядка 10 наносекунд; импульсы фокусируются линзой с фокусным расстоянием 750 миллиметров в пятно размером около 100 микрон в области взаимодействия.

Последовательность синхронизации управляется цифровым генератором задержки, который служит главным тактовым генератором. Он инициирует работу лазера neo DMAC, импульсного клапана и платы-дигитайзера, используемой для записи масс-спектров. Плата-дигитайзер запускается одновременно с переключателем сигнала лазера.

Плотности молекулярного пучка извлекают из соответствующих масс-гейтов в зарегистрированных спектрах времени пролета. Сначала нанесите несколько капель 3-фторфенола на небольшой кусочек фильтровальной бумаги, затем заполните резервуар с образцом импульсного клапана химическим образцом, создайте сверхзвуковое расширение, используя газообразный носитель высокой чистоты и высокого давления, и отрегулируйте температуру резервуара с образцом внутри клапана так, чтобы парциальное давление образца составляло примерно 10 millibar. Для характеристики полученного молекулярного пучка настройте ионизационный лазер на известную длину волны для резонансно-усиленной многофотонной ионизации конкретного конформера образца; зарегистрируйте временной профиль импульса молекулярного пучка, отслеживая общий выход родительских ионов на MCP-детекторе в зависимости от задержки лазера клапана.

Здесь представлен типичный временной профиль при выключенном электростатическом отклонителе для двух различных газов-носителей с использованием гелия. Наблюдается временная ширина приблизительно 12 микросекунд на полувысоте максимума, что типично для расширения из клапана Эвана-Леви при данных условиях эксплуатации. Для сравнения также показан временной профиль сеанса пучка неона.

Затем 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 так, чтобы фокус смещался в направлении Y относительно молекулярного пучка. Затем повторите временное и пространственное профилирование для всех интересующих конформеров в пучке.

Наконец, включите источник высокого напряжения для дефлектора и запишите пространственные профили для всех изомеров, которые теперь должны отклоняться. В соответствии с соотношением массы к дипольному моменту, три конформера фторэтанола были разделены в молекулярном пучке, полученном путем сверхзвукового расширения гелия под давлением 50 bars. На врезках показаны молекулярные структуры двух конформеров.

Отдельные виды определяли с помощью других характерных резонансов многофотонной ионизации с резонансным усилением в области 272 нанометров. Транс-изомер демонстрирует значительно более выраженный эффект Штарка, чем цис-конформер. Это приводит к большему эффективному дипольному моменту, который определяется отрицательным наклоном энергий Штарка.

В результате конформер transcon отклоняется сильнее после прохождения через дефлектор и отделяется в пространстве от конформера cyst и газа-носителя пучка. Пространственное распределение молекулярного пучка отслеживается путем перемещения лазера многофотонной ионизации с резонансным усилением относительно направления молекулярного пучка; здесь представлены пространственные профили. Профили в отсутствие поля показаны пурпурным цветом для cys и голубым для trans.

Это обеспечивает пространственную ширину молекулярного пучка около двух миллиметров и показывает, что без отклоняющего устройства оба вида конформеров перемешаны внутри пучка. Приложение отклоняющего напряжения 14 киловольт приводит к пространственному разделению конформеров. Разделение увеличивается при подаче более высокого напряжения, например 28 киловольт, как показано справа в присутствии отклоняющего поля. Транс-конформер отклоняется значительно сильнее, чем цис-конформер, и может быть эффективно отделен от других видов частиц, присутствующих в пучке, так что в позиции y равной трем миллиметрам создается чистый транс-образец, который можно использовать для дальнейших экспериментов.

Для подготовки пучков молекулярных кластеров, таких как кластеры indu и воды, проводят совместное расширение indu и воды из клапана молекулярного пучка. Это создает смесь компонентов, включающую соответствующие мономеры, а также кластеры различного состава. Здесь мы демонстрируем получение чистого образца только indu.

Один димер воды. Здесь представлены пространственные профили молекулярного пучка индуя, расширенного в присутствии воды.

Детектирование этих профилей с помощью многофотонной ионизации с резонансным усилением полностью селективно по видам для Indo Indu water one и indu water. Два профиля, представленные здесь, были записаны при разности потенциалов 26 kV между стержневым и желобковым электродами. Линии обозначают расчетные значения.

Подробную информацию о методах численного моделирования можно найти в литературе. Для сравнения черной кривой показан ожидаемый пространственный профиль при отсутствии поля или заземленном дефлекторе; наибольшее отклонение наблюдается у кластера одного инде и воды; на позиции y, равной 2–3 мм, создается чистый пучок одного инде и воды. Это сделано для того, чтобы выделить влияние дефлектора на пространственный профиль молекулярного пучка; на врезке показана плотность молекулярного пучка одного инде и воды в зависимости от разности потенциалов, приложенной к дефлектору.

Это указывает на то, что при увеличении напряженности поля самая холодная часть молекулярного пучка подвергается все большему отклонению, в то время как более теплые компоненты демонстрируют значительно меньшее пространственное разделение, и некоторая часть плотности сохраняется в исходном положении. Это дополнительно подчеркивает селекцию самой холодной части молекулярного пучка. Следуя этой процедуре.

Другие методы, такие как визуализация и выравнивание в молекулярной системе координат, могут быть значительно усовершенствованы, что позволит извлекать данные в молекулярной системе координат из образцов с селекцией по состоянию. И не забывайте, что работа с лазерами чрезвычайно опасна, поэтому всегда следует соблюдать меры предосторожности, такие как ношение защитных очков.