Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

ספקטרומטריית מסת קרן מולקולרית עם קרינת אולטרה סגולה אבק מתכוונן (VUV) Synchrotron

doi: 10.3791/50164 Published: October 30, 2012

Summary

קרן מולקולרית מצמידה ספקטרומטר מתכונן ואקום אולטרה הסגול photoionization ההמוני בסינכרוטרון מספקת כלי נוח כדי לחקור את המבנה האלקטרוני של מולקולות בודדות גזיות ואשכולות. מנגנוני העברת פרוטון בהדימרים DNA בסיסם הובהרו בטכניקה זו.

Abstract

יינון רך מתכונן יחד לספקטרוסקופיית מסות הוא שיטה רבה עצמה כדי לחקור מולקולות בודדות, מתחמים וצבירים וספקטרוסקופיה והדינמיקה 1-4. לימודי יסוד של תהליכי photoionization של ביומולקולות לספק מידע על המבנה האלקטרוני של מערכות אלה. יתר על כן קביעות של אנרגיות יינון ומאפיינים אחרים של ביומולקולות בשלב הגזים הן לא טריוויאלי, וניסויים אלו מספקים פלטפורמה להפיק נתונים אלה. אנחנו פתחנו שיטת אידוי תרמית בשילוב עם קורות מולקולריים קוליים המספקים דרך עדינה להעביר מינים אלה לשלב הגז. שילוב מושכל של גז מקור וטמפרטורה מאפשר היווצרות של הדימרים ואשכולות גבוהים יותר של הבסיסים בדנ"א. ההתמקדות של עבודה זו היא על ההשפעות של אינטראקציות שאינן קוולנטיים, כלומר מליטת מימן, לערום, ואינטראקציות אלקטרוסטטיות, על אנרגיות היינון והעברת פרוטון של ביומולקולות הבודדה, המתחמים שלהם ועל ידי מייקרו שתיית מים 1, 5-9.

אנחנו בצענו אפיון ניסיוני ותיאורטי של דינמיקת photoionization של אורציל גז שלב והדימרים 1,3-dimethyluracil באמצעות אלומות מולקולריות בשילוב עם קרינת סינכרוטרון בכימית Beamline Dynamics 10 ממוקם במקור האור המתקדם ואת פרטי הניסוי הם דמיינו כאן. זה אפשר לנו לבחון את העברת הפרוטון בהדימרים 1,3-dimethyluracil, מערכת עם pi לערום גיאומטריה וללא קשרי מימן 1. אלומות מולקולריות מספקות דרך נוחה מאוד ויעילה לבודדים דגימה של ריבית מהפרעות סביבתיות אשר בתמורה מאפשרת השוואה מדויקת עם חישובים אלקטרוניים מבנה 11, 12. על ידי כוונון אנרגית הפוטון מסינכרוטרון, יעילות photoionization (פאי) ניתן להתוות עקומה אשר מודיעה לנו על קטיונימצבים אלקטרוניים. ערכים אלה לאחר מכן ניתן להשוות למודלים וחישובים תיאורטיים ובתורו, להסביר בפירוט את המבנה האלקטרוני ודינמיקה של המין נחקר 1, 3.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. טוען מדגם

  1. הסר את המקורבות האחוריות ולפרק את 3/8 "צינור נחיר החלד מהמכשיר (ראה איור 1 ואיור 2) ולוודא שהוא נקי ופתח 100 מ"מימ ברור (ניתן לעשות זאת על ידי ההתבוננות במקור אור דרך זה). לניקוי, למלא את הצינורית ב~ אתנול 1 מ"ל ולקרצף בתוך באמצעות טיפי כותנה. לחלופין, למקם את הפייה באמבטיה קולית מלאה במים וסבון או אתנול לכ 20 דקות. אז יבש עם אוויר דחוס.
  2. בעזרת מרית, מקום קטן, נקי כ 250 מ"ג של מדגם בחלק הקדמי של הזרבובית, בסמוך לנחיר אבל לא חוסם אותו. שיטה טובה כדי להימנע מהפתח מקבל נחסם היא להציב כדור קטן נייר אלומיניום או צמר זכוכית מול הפתח ולאחר מכן מוסיפה את אבקת המדגם. השתמש בקצה כותנה לדחוף מדגם לתוך הצינור כדי לוודא שהוא ב25 המ"מ הקדמי של הצינור. חלק קדמי זה יהווה מחומםאזור.
  3. חבר מחדש את הנחיר למנגנון זהירות כדי למנוע העברת אבקת המדגם בפנים. אז לצרף את מתאם כלוב ציפור (ראה איור 2), ודוד הבלוק תרמי (ראה איור 3).
  4. לפני שסגר את תא הוואקום, למדוד את המרחק מהמשטח המקורב לקצה הנחיר להיות 22.5 אינץ'; זה יאפשר 0.5 סנטימטר בין הפייה והרחף.
  5. כאשר תא הוואקום סגור, לבדוק את מחסנית הדוד וחיבורים תרמיים כדי לוודא שהם מחוברים היטב להזנה באמצעות המחברים.
  6. ודא שסתום כניסת הגז המוביל סגור.
  7. סגור את שסתום האוורור (אם נעשה בו שימוש).
  8. לאט לאט להתחיל שאיבת התא באמצעות משאבות roughing (4 שסתומים), וכאשר הלחץ בתא הוא <Torr 1, להתחיל את משאבות turbomolecular (5 משאבות).
  9. כאשר הלחץ בתא הוא <10 -6 Torr, להחיל את המתחים לאופטיקה היוןמהזמן של ספקטרומטר בריחה המוני, וגלאי ערוץ מייקרו הצלחת (מתח על החשבון השני צריך להיות מופעל בהדרגה) (ראה איור 1 למתחים שונים).
  10. לפתוח את תריס VUV לאפשר קרן הפוטונים בבית בליעה.
  11. פתח את שסתום כניסת הגז המוביל ולהגדיר את וסת לחץ הגיבוי ל460 (זה רגולטור ואקום, מדידה בקנה מידה שלילי בין 0 ל -760 Torr, ולכן כאשר להגדיר עד 460 זה יהיה לווסת את הלחץ בקו ל 300 Torr) .
  12. בתנאים אלה את הלחץ בתאי ספקטרומטר מסת המקור וצריך להיות ~ 1 x 10 -6 Torr ו~ 1 x 10 -6 Torr, בהתאמה.

2. רכישת ספקטרום המוני

  1. התחל את הכרטיס המהיר (מספר דגם P7889, 100 PS / bin) תוכנה במחשב ולתת לו לרוץ ברקע.
  2. פתח את תכנית Labview נתוני הרכישה: "הכללי Interface.vi" * (איור 4)

(* תוכנה זו ואת קודי LabVIEW האחרים שפותחו בbeamline והם זמינים לשיתוף ללא עלות מהמחבר המקביל)

  1. שימוש בכרטיסיית בקרת ALS בתוכנת Labview, להגדיר את אנרגית הפוטון באורך הגל הרצוי.
  2. בכרטיסיית Scaler, להגדיר את מספר יחידות זמן שזרק לפח ביחד (בדרך כלל 32), הטווח (מספר הפחים) ואז מעביר (מספר ספקטרום מסה נוספת בגב אחד את השני כדי ליצור ספקטרום המוני הסופי), לחץ לקבל, כך שהערכים אלה יישמרו ומשומשים.
  3. לאחר מכן, לחץ לקבל נתונים כדי להתחיל רכישת נתונים. כאשר הרכישה היא מעל, הספקטרום ההמוני יופיע על המסך.
  4. שמור את הספקטרום ההמוני על ידי לחיצה על כפתור השמירה. (ציר ה-X של הספקטרום הושג תואם את זמן הטיסה ביוני 100 יחידות PS)
TLE "> 3. רכישת Curve התייעלות photoionization (פאי)

  1. שימוש בכרטיסיית סריקת ALS (איור 5) בתוכנת Labview, ניתן להשיג נתונים תוך כוונון אחד מנועי beamline. במקרה זה, בחר את המנוע "אנרגית T3 מונה" כדי לכוון את אנרגיות פוטון שונות (undulator בתוך סינכרוטרון יעבור באופן אוטומטי כדי להתאים את אורך הגל הרצוי). הגדר את אנרגית הפוטון לערך הרצוי (בeV).
  2. הזן את התחל ואנרגיות עצורות (בeV), כמו גם את גודל הצעד.
  3. אל תזין את מספר המנקים - זה יתעדכן באופן אוטומטי על ידי הערך שנכנס בשלב 2.4.
  4. לחץ על קראתם נוכחי מK486 לקרוא פוטונים נמדדו על ידי photodiode.
  5. בשלב בא, לחץ על Start כדי להתחיל את הסריקה. תתבקש לבחור שם שבו יאוחסנו הנתונים בסוף הריצה.
  6. העמודה הראשונה בקון קובץ הנתוניםTain מספר הסל (סל #) ויש להמיר ליחידות המוניות 13. ערכים אופייניים הם: מסה = 0.6 + 1xE-3 (סל #) + 5xE-7 (סל #) ^ 2 (כיול מסה מדויקת יותר ניתן לעשות זאת באמצעות תערובת ידועה של גזים או אפילו חדר אוויר כלומר בעיקר O 2, N 2 ותערובת H 2 O והתאמה לזמן ההגעה שלהם לפולינום צו השני)
  7. שמור את קובץ הנתונים בעמודה הראשונה הומרה למסה.
  8. כדי להתוות עקומת עוגה, אחת דרכים קלה הוא להשתמש בתכנית Labview שנייה נקראת "מחא scan.vi האנרגיה" שנועד לנתח את נתוני סריקה ולייצר פשטידות.

4. זומם Curve התייעלות photoionization (פאי)

  1. כאמור, הניתוח יכול להיעשות באמצעות התכנית "מחא אנרגית scan.vi" (ראה איור 6), עם זאת אנו גם לתאר כאן את הצעדים הדרושים כדי לנתח את הנתונים בלי זה.
  2. כאשר מתחיל בתכנית תתבקש לבחור את קובץ containinגרם את הנתונים. זה הקובץ ששמרת בשלב 3.7 ומכיל המונים בספירת העמודות והיון הראשונה באנרגיות פוטון שונות בטורים הבאים. שים לב שהשורות הראשונות ושניות בקובץ מצביעות על אנרגית הפוטון ופוטונים של נתונים שבעמודה, בהתאמה.
  3. בפנל העליון יש עלילת 2D של הנתונים; העברת הסמן האופקי האדום בוחרת ספקטרום המוני באנרגית פוטון ספציפית שיוצגה בפנל התחתון.
  4. השלב הבא הוא לשלב את ספירת היון של מסה מסוימת בכל אנרגית פוטון תוך החסרת אות הרקע. בפנל התחתון שני הסמנים האדומים האנכיים צריכים להיות מוגדרים סביב שיא המסה להיות משולבים בעוד ששני הסמנים הכחולים סביב אזור סמוך עם אין נתונים שיכולים לשמש כערך רקע. התוכנה תציג את הנתונים המשולבים מינוס הרקע בפנל בצד ימין.
  5. כדי להציג את עקומת עוגה אחת אמיתית חייבת לתקן את ספירת היון לשטף הפוטון משתנהלא בכל צעד. זה נעשה באופן אוטומטי על ידי התוכנה. אם תבחר לדלג על תיקון זה, לחץ כדי לכבות את כפתור התיקון הנוכחי בצד הימין של הפנל העליון. אם אתה בוחר לעשות את הצעד הזה באופן ידני, את היעילות הקוונטית של photodiode לאנרגית פוטון יש לבחון גם (מתקבל מיצרן photodiode וזמין באמצעות המחבר המתאים), ראה משוואה 1. אחרת, זה הכל נעשה באופן אוטומטי על ידי התוכנה.

משוואה 1

  1. לחץ להציל ספקטרום בפינה הימנית התחתונה כדי להציל את עקומת העוגה המתוקנת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

איור 7 מציג ספקטרום אופייני המוני של ההתרחבות הקולית של אדים 1,3-dimethyluracil () ואת קימורי עוגת השלוש התכונות העיקריות (מונומר במ '/ z 140, מונומר protonated במ' / z 141, ו1 דימר-dimethyluracil ,3 במ '/ z 280) כפי שחולץ מן VUV סריקה בין 8 eV ו 10 EV (B). הצל האפור הוא סטיית התקן משלוש סריקות רצופות.

איור 1
איור 1. סכמטי של המנגנון הניסיוני עם מתחים שמוצגים. (1) גלאי microchannel צלחת, (2) מראה רפלקטור, (3) אזור קרן מולקולרי, (4) אופטיקה היון לחילוץ.

איור 2
איור 2.

איור 3
איור 3. מחמם בלוק עם הזרבובית, חימום מחסנית ותרמית.

איור 4
איור 4. ממשק משתמש גרפי של תכנית רכישת הנתונים. לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.

איור 5
איור 5. ממשק משתמש גרפי של הנתונים acתכנית quisition לסריקות יעילות photoionization. לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.

איור 6
איור 6. ממשק משתמש גרפי של התכנית לניתוח הנתונים. לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.

איור 7
איור 7. ספקטרום המוני ועקומת יעילות photoionization לקרן מולקולרית 1,3-dimethyluracil.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

את מונומרים והדימרים נוצרים בהתרחבות סילון קולית אשר מולידים את הקרן מולקולרית. מדגם קטן של בסיס דנ"א יוצב במקור אידוי תרמי ומחומם כדי לייצר לחץ אדים מספיק. ארגון גז נושא את האדים דרך פתח מיקרומטר 100 ועובר ברחף מ"מ 2 כדי לייצר קרן מולקולרית קרה 14. לחלופין, מקור קרן משתפך יכול לשמש, שם המדגם ממוקם בתנור מחומם המחוברים לצלחת repeller (אופטיקה יון) של ספקטרומטר המסה.

אנו משתמשים באור אולטרה סגול ואקום (7.4-25 eV) ברכות ליינן מולקולות על ידי יינון פוטון בודד, בשיטה זו מצמצמת את הפיצול ותהליכים משניים ואין כמותו בטכניקות מסורתיות יינון ניצול ערכות השפעת אלקטרון. היונים מיוצרים באזור האינטראקציה של Wiley-מקלארן ספקטרומטר 13 reflectron שעה של טיסת מיסה שבה מתגלים בסופו של הבוקרצלחת icro ערוץ. תפוקת הגלאי מוזנת לתוך מגבר מראש וכרטיס multiscaler במחשב אישי שבו הנתונים נשמרים לניתוח נוסף. הקרינה מעין הרציפה מגיעה מundulator ממוקם בסינכרוטרון (מקור אור מתקדם), ולאחר מכן עוברת דרך מסנן גז בי הרמוניות גבוהות יותר של אור מוסרים ומפוזרים באמצעות 3 מ 'monochromator לספק רזולוציה מקסימלית של 5 MeV.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

הניסויים בוצעו בכימית Beamline Dynamics במקור האור המתקדם, המעבדה הלאומית לורנס ברקלי ונתמכת על ידי משרד מדע, משרד אנרגיה של יסוד מדעי, של משרד אנרגיה של ארה"ב תחת חוזה המס DE-AC02-05CH11231, באמצעות החטיבה למדעי הכימיה.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Uracil Sigma U0750
1,3-Dimethyluracil Aldrich 349801

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Golan, A. Ionization of dimethyluracil dimers leads to facile proton transfer in the absence of hydrogen bonds. Nat. Chem. 4, 323-329 (2012).
  2. Belau, L. Vacuum-Ultraviolet Photoionization Studies of the Microhydration of DNA Bases (Guanine, Cytosine, Adenine, and Thymine). The Journal of Physical Chemistry A. 111, 7562-7568 (2007).
  3. Golan, A., Ahmed, M. Ionization of Water Clusters Mediated by Exciton Energy Transfer from Argon Clusters. The Journal of Physical Chemistry Letters. 3, 458-462 (2012).
  4. Nicolas, C. Vacuum Ultraviolet Photoionization of C3. Journal of the American Chemical Society. 128, 220-226 (2005).
  5. Kamarchik, E. Spectroscopic signatures of proton transfer dynamics in the water dimer cation. Journal of Chemical Physics. 132, (2010).
  6. Khistyaev, K. The effect of microhydration on ionization energies of thymine. Faraday Discussions. 150, 313-330 (2011).
  7. Bravaya, K. B. The effect of pi-stacking, H-bonding, and electrostatic interactions on the ionization energies of nucleic acid bases: adenine-adenine, thymine-thymine and adenine-thymine dimers. Physical Chemistry Chemical Physics. 12, 2292-2307 (2010).
  8. Kostko, O. Ionization of cytosine monomer and dimer studied by VUV photoionization and electronic structure calculations. Physical Chemistry Chemical Physics. 12, 2860-2872 (2010).
  9. Bravaya, K. B. Electronic Structure and Spectroscopy of Nucleic Acid Bases: Ionization Energies, Ionization-Induced Structural Changes, and Photoelectron Spectra. Journal of Physical Chemistry A. 114, 12305-12317 (2010).
  10. Leone, S. R., Ahmed, M., Wilson, K. R. Chemical dynamics, molecular energetics, and kinetics at the synchrotron. Physical Chemistry Chemical Physics. 12, 6564-6578 (2010).
  11. Scoles, G., Bassi, D., Buck, U. Atomic and Molecular Beam Methods. 1, (1988).
  12. Pauly, H. Atom, Molecule and Cluster Beams I. Springer-Verlag. Berlin. (2000).
  13. Wiley, W. C., McLaren, I. H. Time-of-Flight Mass Spectrometer with Improved Resolution. Review of Scientific Instruments. 26, 1150-1157 (1955).
  14. Levy, D. H. The Spectroscopy of Very Cold Gases. Science. 214, 263-269 (1981).
ספקטרומטריית מסת קרן מולקולרית עם קרינת אולטרה סגולה אבק מתכוונן (VUV) Synchrotron
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Golan, A., Ahmed, M. Molecular Beam Mass Spectrometry With Tunable Vacuum Ultraviolet (VUV) Synchrotron Radiation. J. Vis. Exp. (68), e50164, doi:10.3791/50164 (2012).More

Golan, A., Ahmed, M. Molecular Beam Mass Spectrometry With Tunable Vacuum Ultraviolet (VUV) Synchrotron Radiation. J. Vis. Exp. (68), e50164, doi:10.3791/50164 (2012).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter