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Engineering

Espectrometria de Massa Molecular Beam Com Tunable radiação ultravioleta de vácuo Síncrotron (VUV)

doi: 10.3791/50164 Published: October 30, 2012

Summary

Um feixe molecular acoplado a espectrômetro de massa de vácuo ajustável ultravioleta fotoionização em um síncrotron disponibiliza uma ferramenta útil para explorar a estrutura eletrônica de moléculas de gás isoladas de fase e clusters. Mecanismos de transferência de protões em dímeros de bases do DNA foram elucidadas com esta técnica.

Abstract

Ionização suave Tunable acoplada a espectrometria de massa é um poderoso método para investigar moléculas isoladas, complexos e clusters e sua espectroscopia dinâmica e 1-4. Estudos fundamentais dos processos de fotoionização de biomoléculas fornecer informações sobre a estrutura eletrônica desses sistemas. Além disso determinações de energias de ionização e outras propriedades de biomoléculas em fase gasosa não é trivial, e estas experiências proporcionam uma plataforma para gerar esses dados. Nós desenvolvemos uma técnica de vaporização térmica combinada com supersónicas feixes moleculares que proporciona uma forma suave para o transporte destas espécies para a fase gasosa. Combinação judiciosa de fonte de gás e da temperatura permite a formação de dímeros e agregados mais elevados de bases de DNA. O foco principal deste trabalho é determinado sobre os efeitos das interacções não covalentes, isto é, ligação de hidrogénio, empilhamento, e as interacções electrostáticas, sobre as energias de ionização etransferência de prótons de biomoléculas individuais, seus complexos e ao micro-hidratação por água 1, 5-9.

Efetuamos caracterização experimental e teórico da dinâmica de fotoionização de fase gasosa uracil e 1,3 dimetil-dímeros usando feixes moleculares, juntamente com radiação síncrotron no Dynamics Química Beamline 10 localizado na fonte avançada Luz e os detalhes experimentais são visualizados aqui. Isso nos permitiu observar a transferência de prótons em 1,3 dimetil-dímeros, um sistema com empilhamento pi geometria e sem ligações de hidrogênio 1. Feixes moleculares fornecem uma maneira muito conveniente e eficiente para isolar a amostra de interesse a partir de perturbações ambientais, que em troca permite uma comparação exacta com cálculos de estrutura electrónica 11, 12. Ao ajustar a energia dos fótons da luz síncrotron, uma eficiência de fotoionização (PIE) da curva pode ser traçada, que nos informa sobre a catiônicaestados eletrônicos. Estes valores podem então ser comparadas com os modelos teóricos e cálculos e, por sua vez, explicar em pormenor a estrutura electrónica e da dinâmica das espécies investigadas 1, 3.

Protocol

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1. Carregando Amostra

  1. Remover a flange traseira e desmontar a 3/8 "tubo de bocal inoxidável a partir do aparelho (ver Figura 1 e Figura 2) e se certificar que está limpo e o orifício de 100 mm, é claro (Isto pode ser feito examinando uma fonte de luz através lo). Para limpeza, encher o tubo com um ~ ml de etanol e esfregar o interior com pontas de algodão. Alternativamente, coloque o bocal em banho de ultra-sons cheio com água e sabão ou etanol durante cerca de 20 min. Então seca com ar comprimido.
  2. Utilizando uma pequena espátula limpo lugar, a cerca de 250 mg de amostra, na parte frontal do bocal, perto do orifício, mas não bloqueando. Um bom método para evitar o orifício de ficar bloqueado é colocar uma bola pequena folha de alumínio ou de lã de vidro, em frente do orifício e em seguida, adicionar o pó de amostra. Utilizar uma ponta de algodão para empurrar a amostra para dentro do tubo para assegurar que está na frente de 25 mm do tubo. Esta parte da frente vão compor o aquecidazona.
  3. Volte a ligar o bocal do aparelho com cuidado para evitar o movimento da amostra em pó no interior. Em seguida, conecte o adaptador de gaiola (ver Figura 2), bloco de aquecimento e termopar (ver Figura 3).
  4. Antes de fechar a câmara de vácuo, medir a distância entre a superfície da flange da ponta do bocal para ser 22,5 polegadas, o que irá permitir a 0,5 polegadas entre o bocal e o skimmer.
  5. Quando a câmara de vácuo é fechada, testar o cartucho aquecedor e conexões de termopares para se certificar que estão bem ligados aos conectores de alimentação através de.
  6. Verifique se o portador da válvula de entrada de gás está fechado.
  7. Fechar a válvula de ventilação (se tiver sido utilizado).
  8. Lentamente começar a bombear a câmara utilizando as bombas de desbaste (4 válvulas), e quando a pressão na câmara é <1 torr, iniciar as bombas turbomoleculares (5 bombas).
  9. Quando a pressão na câmara é de <10 -6 torr, aplicar as voltagens para a óptica de iõesdo tempo de voo de espectrometria de massa, e um detector de placa de micro-canais (a tensão sobre esta última deve ser ligado gradualmente) (Ver Figura 1 para várias tensões).
  10. Abrir o obturador VUV para permitir que o feixe de fotões na câmara.
  11. Abrir a válvula de entrada de gás portador e definir o regulador de pressão de suporte de 460 (este é um regulador de vácuo, medindo em uma escala de 0 a negativa -760 torr, portanto, quando fixado a 460 irá regular a pressão na linha e 300 torr) .
  12. Sob estas condições, a pressão nas câmaras do espectrómetro de massa de origem e deve ser ~ 1 x 10 -6 torr e ~ 1 x 10 -6 torr, respectivamente.

2. Aquisição de um Espectro de Massa

  1. Comece o cartão FAST (número do modelo P7889, 100 ps / bin) software no computador e deixá-lo correr em segundo plano.
  2. Abra o Labview programa de aquisição de dados: "General Interface.vi" * (figura 4)

(* Este software e outros códigos Labview foram desenvolvidos na linha de luz e estão disponíveis para compartilhar, sem nenhum custo a partir do autor correspondente)

  1. Usando a guia de controle ALS no software Labview, definir a energia do fóton para o comprimento de onda desejado.
  2. Na guia scaler, definir o número de unidades de tempo a ser binned juntos (tipicamente 32), o intervalo (número de caixas) e varrimentos (o número de espectros de massa adicionado em cima uns dos outros para formar o espectro de massa final), depois clique aceitar, de modo que estes valores serão armazenados e utilizados.
  3. Em seguida, clique em obter dados para iniciar a aquisição de dados. Quando a aquisição é longo, o espectro de massa aparecerá no ecrã.
  4. Salve o espectro de massa, clicando no botão salvar. (O eixo X do espectro obtido corresponde ao tempo de voo de iões em unidades de 100 ps)
tle "> 3 Aquisição. de uma curva de eficiência de fotoionização (PIE)

  1. Usando o ALS separador Scan (Figura 5) no software Labview, é possível adquirir dados durante a afinação um dos motores beamline. Neste caso, selecione o motor "energia Mono T3" para sintonizar mais diferentes energias de fótons (O ondulador dentro do síncrotron se move automaticamente para coincidir com o comprimento de onda desejado). Estabelecer a energia de fotões para o valor desejado (em eV).
  2. Digite o Start e energias de parada (em eV), bem como o tamanho do passo.
  3. Não digite o número de varreduras - este será atualizado automaticamente pelo valor inserido na etapa 2.4.
  4. Clique Ler corrente de K486 para ler a fotocorrente medido pelo fotodiodo.
  5. Em seguida, clique em Iniciar para iniciar a digitalização. Você será solicitado a escolher um nome de arquivo onde os dados serão armazenados no final da corrida.
  6. A primeira coluna no arquivo de dados conTain o número bin (Bin #) e precisam ser convertidos em unidades de massa 13. Os valores típicos são os seguintes: Massa = 0,6 + 1xE-3 (Bin #) + 5xE-7 (Bin #) ^ 2 (A calibração de massa mais preciso pode ser feito usando uma mistura conhecida de gases ou de ar ambiente, mesmo na maior parte ie O 2, N 2 e H 2 O e montagem mistura a sua hora de chegada para um polinômio de segunda ordem)
  7. Salve o arquivo de dados com a primeira coluna convertida em massa.
  8. Para traçar uma curva de TORTA, uma maneira fácil é usar um programa Labview segunda chamada "energia ALS scan.vi", que é projetado para analisar os dados de digitalização e produzir EIP.

4. Traçando uma curva de eficiência de fotoionização (PIE)

  1. Como mencionado acima, a análise pode ser feita utilizando o "ALS energia scan.vi" do programa (ver a Figura 6), no entanto, vamos descrever aqui também os passos necessários para a análise dos dados sem ele.
  2. Ao iniciar o programa, você será solicitado a selecionar o arquivo containing dos dados. Este é o arquivo que você salvou no passo 3,7 e conter massas nas primeiras contagens de coluna e de íons em diferentes energias de fótons nas próximas colunas. Note-se que as primeira e segunda linhas no arquivo de indicar a energia de fotões e fotocorrente dos dados dessa coluna, respectivamente.
  3. No painel superior, há um gráfico de 2D dos dados; mover o marcador vermelho horizontal selecciona um espectro de massa de um fotão específico de energia a ser exibido no painel inferior.
  4. O passo seguinte consiste em integrar as contagens de iões com uma massa específica de cada fotão de energia enquanto subtraindo o sinal de fundo. No painel inferior das duas verticais marcadores vermelhos deve ser ajustado em torno do pico de massa a ser integrado, enquanto os dois marcadores azul em torno de uma região próxima sem dados que podem servir como valor de fundo. O software irá apresentar os dados integrados menos a fundo no painel à direita.
  5. Para apresentar uma curva TORTA verdade é preciso corrigir as contagens de íons para o fluxo de fótons variando umt cada passo. Isso é feito automaticamente pelo software. Se você optar por ignorar esta correção, clique para desligar o botão de correção atual, à direita do painel superior. Se você optar por fazer este passo manualmente, a eficiência quântica do fotodiodo por energia do fóton tem que ser considerado, bem como (obtidos com o fabricante fotodiodo e disponível através do autor correspondente), ver equação 1. Caso contrário, tudo isto é feito automaticamente pelo software.

Equação 1

  1. Clique em salvar espectro no canto inferior direito para salvar a curva PIE corrigida.

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Representative Results

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A Figura 7 mostra um espectro de massa típico de expansão supersónica de 1,3-dimetil vapores (A) e as curvas de pizza das três características principais do monómero (a m / z 140, monómero protonado a m / z 141, e a uma dimetiluracilo ,3-dímero a m / z 280), como uma verificação extraída VUV entre 8 e 10 eV eV (B). A sombra cinza é o desvio padrão de três exames consecutivos.

Figura 1
Figura 1. Esquemático do aparelho experimental com tensões mostradas. (1) detector de placa de microcanais, (2) espelho refletor, (3) região Boca Molecular, ótica (4) para a extração de íons.

Figura 2
Figura 2.

Figura 3
Figura 3. Aquecedor de bloco com o bocal, o aquecimento do cartucho e do termopar.

Figura 4
Figura 4. Interface gráfica do usuário do programa de aquisição de dados. Clique aqui para ver maior figura .

Figura 5
Figura 5. Interface de usuário gráfica da ac dadosquisition programa para exames de eficiência de fotoionização. Clique aqui para ver maior figura .

Figura 6
Figura 6. Interface gráfica do usuário do programa de análise de dados. Clique aqui para ver maior figura .

Figura 7
Figura 7. Um espectro de massa e de curva de fotoionização eficiência para um feixe de 1,3 dimetil-molecular.

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Discussion

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Os monómeros e dímeros são gerados de uma expansão de jacto supersónico que dá origem a um feixe molecular. Uma pequena amostra da base de ADN é colocado numa fonte de vaporização térmica e aqueceu-se a gerar uma pressão de vapor suficiente. Argon transporta os vapores de gás através de um orifício de 100 ^ M e passa um skimmer mm 2 para produzir um feixe frio molecular 14. Em alternativa, uma fonte de feixe efusivo pode ser utilizado, em que a amostra é colocada num forno aquecido ligado à placa de defletor (óptica de iões) do espectrómetro de massa.

Nós usamos a luz ultravioleta de vácuo (7,4-25 eV) para ionizar as moléculas suavemente por ionização único fóton, este método minimiza a fragmentação e processos secundários e é inigualável por técnicas de ionização tradicionais que utilizam esquemas de impacto de elétrons. Os iões são produzidos na região de interação de uma Wiley-McLaren Espectrómetro de Massa 13 reflectrão Time-of-Flight onde eles eventualmente são detectados por amICRO placa canal. A saída do detector é alimentado para dentro de um pré-amplificador e um cartão multiscaler num computador pessoal, onde os dados são guardados para análise posterior. A radiação quasi-contínua chega de um ondulador localizado no sincrotrão (Advanced Light Source), e, em seguida, passa através de um filtro de gás, onde harmónicas superiores da luz são removidos e dispersos através de um monocromador de 3 m para proporcionar uma resolução máxima de 5 meV.

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Acknowledgments

Os experimentos foram realizados no Dynamics Química Beamline na Fonte de Luz Avançado, Lawrence Berkeley National Laboratory e apoiado pelo Escritório de Ciência, Instituto de ciências básicas da energia, do Departamento de Energia dos EUA sob Contrato n º DE-AC02-05CH11231, através da Divisão de Ciências Químicas.

Materials

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

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References

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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).

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