Summary
Een moleculaire bundel gekoppeld aan afstembare vacuüm ultraviolet foto-ionisatie massaspectrometer in een synchrotron is een handige tool om de elektronische structuur van geïsoleerde gasfase moleculen en clusters te verkennen. Proton overdracht mechanismen in DNA-base dimeren werden toegelicht aan deze techniek.
Abstract
Afstembare zachte ionisatie gekoppeld aan massa spectroscopie is een krachtige methode om geïsoleerde moleculen, complexen en clusters en hun spectroscopie en dynamiek 1-4 onderzoeken. Fundamentele studies van foto-ionisatie processen van biomoleculen geven informatie over de elektronische structuur van deze systemen. Bovendien bepalingen van ionisatie energieën en andere eigenschappen van biomoleculen in de gasfase zijn niet triviaal, en deze experimenten bieden een platform om deze gegevens te genereren. We hebben een thermische verdamping techniek in combinatie met supersonische moleculaire balken die een zachte manier om deze soorten te vervoeren in de gasfase biedt. Oordeelkundige combinatie van brongas en temperatuur kunnen voor de vorming van dimeren en hogere clusters van DNA basen. De nadruk van dit werk op de effecten van niet-covalente interacties, dwz waterstofbinding, stapelen en elektrostatische interacties, op de ionisatie energie enproton overdracht van individuele biomoleculen, hun complexen en op micro-hydratatie door water 1, 5-9.
Wij hebben experimenteel en theoretisch karakterisering van de ionisatie dynamiek van gasfase-uracil en 1,3-dimethyluracil dimeren met moleculaire bundels gekoppeld synchrotronstraling de Chemical Dynamics Beamline 10 zich aan de Advanced Light Source en de experimentele details worden gevisualiseerd hier. Dit liet ons toe om de proton overdracht waarnemen in 1,3-dimethyluracil dimeren, een systeem met pi stapelen geometrie en zonder waterstofbruggen 1. Moleculaire balken zorgen voor een zeer handige en efficiënte manier om het monster van belang te isoleren van het milieu verstoringen die in ruil maakt nauwkeurige vergelijking met elektronische structuur berekeningen 11, 12. Door het afstemmen van de foton energie van de synchrotron, een foto-ionisatie efficiëntie (PIE)-curve kan worden uitgezet die ons informeert over de kationischeelektronische toestanden. Deze waarden kunnen dan worden vergeleken met theoretische modellen en berekeningen en op hun beurt, in detail de elektronische structuur en de dynamiek van de onderzochte soorten 1, 3.
Protocol
1. Sample Loading
- Verwijder de achterste flens en demonteer de 3/8 "RVS nozzle tube uit het apparaat komt (zie Figuur 1 en Figuur 2) en zorg ervoor dat het schoon is en de 100 mm opening is duidelijk (Dit kan gedaan worden door te kijken naar een lichtbron door het). Voor het reinigen, vullen de buis met ~ 1 ml ethanol en wrijf de binnenkant met behulp van wattenstaafjes. Ook het mondstuk plaatsen in een ultrasoon bad gevuld met water en zeep of ethanol voor ongeveer 20 minuten. Daarna droog met perslucht.
- Met een kleine, schone spatel, plaats ongeveer 250 mg monster in het voorste gedeelte van de spuitmond, nabij de opening maar niet blokkeren. Een goede methode om de opening vermijden steeds geblokkeerd is een kleine bal aluminiumfolie of glaswol voor de opening en het monsterpoeder toegevoegd. Gebruik een wattenstaafje om het monster te duwen in de buis te zorgen dat het in de voorkant 25 mm van de buis. Dit voorste deel zal bestaan uit de verwarmdezone.
- Breng het pijpje weer aan het apparaat voorzichtig om te voorkomen dat het verplaatsen van de steekproef poeder binnen. Bevestig vervolgens de vogelkooi adapter (zie figuur 2), verwarming blok en thermokoppel (zie figuur 3).
- Voordat de vacuümkamer, meet de afstand van het flensoppervlak aan het uiteinde van het mondstuk om 22,5 inch, zal 0,5 inch tussen het mondstuk en de skimmer maken.
- Wanneer de vacuümkamer wordt gesloten, test de verwarming cartridge en thermokoppel aansluitingen om er zeker dat ze goed aangesloten op de doorvoer connectoren.
- Zorg ervoor dat het dragergas inlaatklep gesloten.
- Sluit de ontluchtingsklep (indien het gebruikt werd).
- Langzaam beginnen pompen de kamer met de voorbewerking pompen (4 kleppen), en wanneer de druk in de kamer <1 torr, start de turbomoleculaire pompen (5 pompen).
- Wanneer de druk in de kamer is <10 -6 torr, passen de spanningen aan de ionenoptiekde time of flight massaspectrometer, en de micro-kanaalplaat detector (de spanning op de laatste moet worden ingeschakeld geleidelijk) (Zie Figuur 1 voor verschillende spanningen).
- Open de VUV sluiter om de fotonenstralen in de kamer toe te staan.
- Open het draaggas inlaatklep en stel de backing drukregelaar 460 (dit is een vacuumregelaar, gemeten in een negatieve schaal 0 tot -760 torr, dus wanneer op 460 zal de druk in de leiding te regelen tot 300 torr) .
- Onder deze omstandigheden de druk in de bron en massaspectrometer kamers moet ~ 1 x 10 -6 torr en ~ 1 x 10 -6 torr respectievelijk.
2. Verwerving van een massaspectrum
- Start de FAST-kaart (modelnummer P7889, 100 ps / bin) software op de computer en laat hem draaien op de achtergrond.
- Open de Labview data-acquisitie programma: "Algemene Interface.vi" * (figuur 4)
(* Deze software en de andere Labview codes werden ontwikkeld aan de bundellijn en zijn beschikbaar om te delen zonder kosten van de overeenkomstige auteur)
- Met behulp van de ALS tabblad Bediening in de Labview software, stelt u de foton energie om de gewenste golflengte.
- Op scaler tab, het aantal tijdseenheden aan elkaar worden weggegooid (typisch 32), het traject (aantal bins) en sweeps (het aantal massaspectra toegevoegd op elkaar om de uiteindelijke massaspectrum vormen) en op te nemen, zodat deze waarden worden opgeslagen en gebruikt.
- Klik vervolgens op gegevens ophalen om de data-acquisitie te beginnen. Wanneer de overname is, zal het massaspectrum op het scherm.
- Sla het massaspectrum door te klikken op de knop Opslaan. (De X-as van de verkregen spectrum komt overeen met de ion vlucht in 100 ps eenheden)
- Met het ALS Scan tab (figuur 5) in de Labview software is het mogelijk data te verkrijgen tijdens het afstemmen op een van de bundellijn motoren. In dit geval selecteert u de motor "Mono T3 energie" om af te stemmen over verschillende foton energie (De undulator in het synchrotron automatisch verplaatsen naar de gewenste golflengte overeenkomt). Stel de foton energie op de gewenste waarde (in eV).
- De begin en Stop energie (in eV) en de stapgrootte.
- Ga niet in het aantal zwaaien - dit wordt automatisch bijgewerkt door de waarde die u hebt ingevoerd in stap 2.4.
- Klik op Lees stroom van K486 naar de fotostroom gemeten door de fotodiode te lezen.
- Klik vervolgens op Start om met scannen te beginnen. U wordt gevraagd om een bestandsnaam waar de gegevens worden opgeslagen op het einde van de run te kiezen.
- De eerste kolom in het gegevensbestand conTain de bak nummer (Bin #) en moeten worden omgezet in massa-eenheden 13. Typische waarden zijn: Massa = 0,6 + 1XE-3 (Bin #) + 5XE-7 (Bin #) ^ 2 (Een meer precieze massa kalibratie kan worden gedaan met behulp van een bekende mengsel van gassen of zelfs lucht in de ruimte dat wil zeggen meestal O 2, N 2 en H 2 O mengsel en past de aankomsttijd van een tweede orde polynoom)
- Sla het bestand met de eerste kolom omgezet in massa.
- Te plotten van een PIE-curve, een gemakkelijke manier is het gebruik van een tweede Labview programma genaamd "ALS energie scan.vi" die is ontworpen om de scan gegevens te analyseren en OOB's te produceren.
4. Het plotten van een Foto-ionisatie-efficiëntie Curve (PIE)
- Zoals hierboven vermeld, kan de analyse uitgevoerd worden met de "ALS energie scan.vi" programma (zie Figuur 6), maar we ook hier beschrijven de stappen om de gegevens te analyseren zonder.
- Bij het opstarten van het programma dat u wordt gevraagd om het bestand te selecteren containing de data. Dit is het bestand dat u hebt opgeslagen in stap 3.7 en bevatten massa's in de eerste kolom en ion telt op verschillende foton energieën in de volgende kolommen. Dat de eerste en tweede rij in het dossier van de foton energie en fotostroom van de gegevens in die kolom respectievelijk aangeven.
- In het bovenpaneel is een 2D plot van de gegevens; verplaatsen rode horizontale marker selecteert een massa spectra op een bepaalde foton energie wordt weergegeven in het onderste deel.
- De volgende stap is het ion graven van een dichtheid integreren op elk foton energie terwijl aftrekken van het achtergrondsignaal. In het onderste paneel de twee verticale rode markers worden rondom de massa piek worden opgenomen terwijl de twee blauwe markeringen in een nabijgelegen gebied zonder gegevens die kunnen dienen als achtergrondwaarde. De software zal de geïntegreerde data-minus de achtergrond in het paneel aan de rechterkant.
- Om een echte PIE curve te presenteren moet men corrigeren van de ion telt de wisselende foton flux eent elke stap. Dit gebeurt automatisch door de software. Als u ervoor kiest om deze correctie te slaan, klikt u op het uitschakelen van de huidige correctie-knop aan de rechterkant van het bovenste paneel. Als u kiest voor deze stap handmatig te doen, de quantum efficiëntie van de fotodiode per foton energie moet ook rekening worden gehouden (verkregen uit de fotodiode fabrikant en beschikbaar via de overeenkomstige auteur), zie vergelijking 1. Anders wordt dit alles automatisch uitgevoerd door de software.
- Klik op Opslaan spectrum in de rechter benedenhoek om de gecorrigeerde PIE curve op te slaan.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figuur 7 een typische massa spectrum van de supersone van 1,3-dimethyluracil dampen (A) en PIE curves van de drie hoofdkenmerken (de monomeer bij m / z 140, geprotoneerd monomeer bij m / z 141, en een ,3-dimethyluracil dimeer bij m / z 280) als uit een VUV scan tussen 8 en 10 eV eV (B). De grijze schaduw is de standaarddeviatie bij drie opeenvolgende scans.
Figuur 1. Schema van de experimentele inrichting met getoond voltages. (1) microkanaalplaat detector, (2) Reflector spiegel (3) Molecular Beam regio (4) Ion optiek voor extractie.
Figuur 2.
Figuur 3. Verwarmingsblok met de spuitmond verwarmingselement en thermokoppel.
Figuur 4. Grafische gebruikersinterface van de data-acquisitie programma. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .
Figuur 5. Grafische gebruikersinterface van de gegevens acinquisitie programma voor foto-ionisatie efficiëntie scans. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .
Figuur 6. Grafische gebruikersinterface van de data-analyse programma. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .
Figuur 7. Een massaspectrum en foto-ionisatie efficiëntie curve voor een 1,3-dimethyluracil moleculaire bundel.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De monomeren en dimeren worden in een supersonische expansie die aanleiding geeft tot een moleculaire bundel. Een klein monster van het DNA base wordt in een thermische verdamping bron en verwarmd voldoende dampdruk genereren. Argon gas draagt de dampen door een 100 micrometer opening en geeft een 2 mm skimmer het produceren van een koude moleculaire bundel 14. Als alternatief kan een effusive bundelbron worden gebruikt, waarbij het monster wordt in een verwarmde oven aan de repeller plaat (ionenoptiek) van de massa spectrometer.
We maken gebruik van vacuüm ultraviolet licht (7,4 tot 25 eV) om zachtjes de moleculen ioniseren door enkel foton ionisatie, deze methode minimaliseert de versnippering en secundaire processen en is ongeëvenaard door traditionele ionisatie technieken met behulp electron impact regelingen. De ionen worden in het interactiegebied van een Wiley-McLaren 13 reflectron Time-of-Flight Mass Spectrometer waar ze uiteindelijk worden gedetecteerd door amICRO kanaal plaat. Detektoruitgang wordt toegevoerd aan een voorversterker en een multiscaler kaart in een personal computer, waar de gegevens worden opgeslagen voor verdere analyse. De quasi-continue straling komt van een undulator zich aan de synchrotron (Advanced Light Source), en dan door een gasfilter waar hogere harmonischen van het licht worden verwijderd en gedispergeerd met een 3 meter monochromator met een maximale resolutie van 5 meV verschaffen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
De experimenten werden uitgevoerd bij de Chemical Dynamics Beamline op de Advanced Light Source, Lawrence Berkeley National Laboratory en ondersteund door het Office of Science, Bureau van Basic Energy Sciences, van het Amerikaanse ministerie van Energie onder Contract No DE-AC02-05CH11231, door het gebied Chemische Wetenschappen.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Uracil | Sigma | U0750 | |
| 1,3-Dimethyluracil | Aldrich | 349801 |
References
- Golan, A. Ionization of dimethyluracil dimers leads to facile proton transfer in the absence of hydrogen bonds. Nat. Chem. 4, 323-329 (2012).
- 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).
- 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).
- Nicolas, C. Vacuum Ultraviolet Photoionization of C3. Journal of the American Chemical Society. 128, 220-226 (2005).
- Kamarchik, E. Spectroscopic signatures of proton transfer dynamics in the water dimer cation. Journal of Chemical Physics. 132, (2010).
- Khistyaev, K. The effect of microhydration on ionization energies of thymine. Faraday Discussions. 150, 313-330 (2011).
- 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).
- Kostko, O. Ionization of cytosine monomer and dimer studied by VUV photoionization and electronic structure calculations. Physical Chemistry Chemical Physics. 12, 2860-2872 (2010).
- 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).
- 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).
- Scoles, G., Bassi, D., Buck, U. Atomic and Molecular Beam Methods. 1, (1988).
- Pauly, H. Atom, Molecule and Cluster Beams I. , Springer-Verlag. Berlin. (2000).
- Wiley, W. C., McLaren, I. H. Time-of-Flight Mass Spectrometer with Improved Resolution. Review of Scientific Instruments. 26, 1150-1157 (1955).
- Levy, D. H. The Spectroscopy of Very Cold Gases. Science. 214, 263-269 (1981).
