Molecular Beam Massenspektrometrie mit Tunable Vacuum Ultraviolet (VUV) Synchrotronstrahlung

Summary

Ein Molekularstrahl gekoppelt abstimmbaren Vakuum-Ultraviolett-Photoionisation Massenspektrometer an einem Synchrotron bietet ein geeignetes Werkzeug für die elektronische Struktur von isolierten Gasphase Molekülen und Clustern zu erkunden. Proton Transfer-Mechanismen in DNA-Base Dimere wurden mit dieser Technik aufgeklärt.

Abstract

Tunable weicher Ionisation gekoppelt Massenspektroskopie ist eine leistungsfähige Methode, um isolierten Molekülen und Clustern und deren Spektroskopie und Dynamik ^1-4 untersuchen. Grundlegende Untersuchungen der Photoionisation Prozesse von Biomolekülen liefern Informationen über die elektronische Struktur dieser Systeme. Weiterhin Bestimmungen Ionisierungsenergien und andere Eigenschaften der Biomoleküle in der Gasphase sind nicht trivial, und diese Experimente eine Plattform, um diese Daten zu erzeugen. Wir haben eine thermische Verdampfung Technik mit Überschallgeschwindigkeit Molekularstrahlen, die eine sanfte Weg, um diese Spezies in der Gasphase zu transportieren bietet gekoppelt entwickelt. Vernünftige Kombination von Quellgas und Temperatur ermöglicht Bildung von Dimeren und höheren Cluster der DNA-Basen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist insbesondere über die Auswirkungen der nicht-kovalente Wechselwirkungen, dh, Wasserstoffbindung, Stapeln und elektrostatische Wechselwirkungen an den Ionisierungsenergien undProtonentransfer von einzelnen Biomolekülen, deren Komplexe und auf Mikro-Hydratation durch Wasser ^{1, 5-9.}

Wir haben experimentelle und theoretische Charakterisierung der Photoionisation Dynamik der Gasphase Uracil und 1,3-dimethyluracil Dimere mit Molekularstrahlen mit Synchrotronstrahlung an der Chemical Dynamics Beamline ¹⁰ an der Advanced Light Source befindet und die experimentelle Details gekoppelt durchgeführt werden visualisiert hier. Dies erlaubte uns, den Protonentransfer in 1,3-dimethyluracil Dimere beobachten, ein System mit pi Stapeln Geometrie und ohne Wasserstoffbrücken ^1. Molekularstrahlen bieten eine sehr bequeme und effiziente Möglichkeit, um die Probe von Interesse von Umwelt-Störungen, die im Gegenzug ermöglicht eine genaue Vergleich mit Berechnungen der elektronischen Struktur ^{11, 12} zu isolieren. Durch die Abstimmung der Photonenenergie aus dem Synchrotron, ein Photoionisation Wirkungsgrad (PIE)-Kurve dargestellt werden können, die uns Aufschluss über die kationischeelektronischen Zuständen. Diese Werte können dann mit theoretischen Modellen und Berechnungen verglichen werden und im Gegenzug im Detail erklären, die elektronische Struktur und Dynamik der untersuchten Arten ^{1, 3.}

Protocol

Ein. Probe Loading

1. Entfernen Sie die hintere Flansch und zerlegen die 3/8 "Edelstahl Düsenrohr aus dem Gerät (siehe Abbildung 1 und Abbildung 2) und stellen Sie sicher, es ist sauber und die 100 mm-Öffnung ist klar (Dies kann durch das Betrachten einer Lichtquelle durch getan werden it). Für die Reinigung, füllen Sie das Rohr mit ~ 1 ml Ethanol und reiben Sie die Innenseite mit Wattestäbchen. Alternativ legen Sie die Düse in einem Ultraschallbad mit Wasser und Seife oder Ethanol für etwa 20 min gefüllt. Dann mit Druckluft trocknen.
2. Verwendung einer kleinen, sauberen Spatel, Ort etwa 250 mg Probe in dem vorderen Teil der Düse, in der Nähe der Öffnung, aber nicht blockiert wird. Eine gute Methode, um die Öffnung aus immer blockiert zu vermeiden, ist eine kleine Aluminiumfolie Ball oder Glaswolle vor der Öffnung platzieren und fügen Sie dann die Probe Pulver. Verwenden Sie ein Wattestäbchen, um die Probe in das Rohr drücken, um sicherzustellen, dass es in den vorderen 25 mm des Rohres. Dieser vordere Teil wird umfassen die beheizteZone.
3. Bringen Sie die Düse auf dem Gerät vorsichtig um, damit Bewegung der Probe Pulver im Inneren. Dann befestigen Sie den Vogelkäfig Adapter (siehe Abbildung 2), Heizblock und Thermoelement (siehe Abbildung 3).
4. Vor dem Schließen der Vakuumkammer, den Abstand von der Flanschfläche zu der Spitze der Düse auf 22,5 cm betragen, dies wird 0,5 Zoll zwischen der Düse und dem Skimmer ermöglichen.
5. Wenn die Vakuumkammer geschlossen ist, testen Sie die Heizpatrone und Thermoelement-Anschlüssen sicherstellen, dass sie gut zu den Feed-through-Steckverbinder.
6. Sicherstellen, dass das Trägergas Einlaßventil geschlossen ist.
7. Schließen Sie das Entlüftungsventil (wenn es verwendet wurde).
8. Langsam beginnen Pumpen der Kammer mit den Vorvakuumpumpen (4 Ventile), und wenn der Druck in der Kammer <1 Torr ist, beginnen die Turbomolekularpumpen (5 Pumpen).
9. Wenn der Druck in der Kammer <10 ^-6 Torr ist, wenden die Spannungen an die Ionenoptikdes Flugzeit-Massenspektrometer, und der Mikrokanalplatte Detektor (die Spannung an der letzteren sollte allmählich ausgeschaltet werden) (siehe Abbildung 1 für verschiedene Spannungen).
10. Öffnen Sie die VUV Auslöser, um das Photonenstrahl in der Kammer zu ermöglichen.
11. Öffnen des Trägergases Einlaßventil und den Rückhalt Druckregler bis 460 (das ist ein Vakuumregler, Messung in einer negativen Skala von 0 bis -760 Torr, damit, wenn auf 460 eingestellt wird der Druck in der Leitung zu regeln 300 Torr) .
12. Unter diesen Bedingungen wird der Druck in der Quelle und Massenspektrometer Kammern sollte ~ 1 sein x 10 ^-6 Torr und ~ 1 × 10 ^-6 Torr sind.

2. Erwerb einer Massenspektrum

1. Starten Sie den FAST-Karte (Modell-Nummer P7889, 100 ps / bin) Software auf dem Computer und lassen Sie es im Hintergrund laufen.
2. Öffnen Sie die Labview Datenerfassung Programm: "General Interface.vi" * (Abbildung 4)

(* Diese Software und die anderen Labview-Codes wurden an der Beamline entwickelt und zur Verfügung Aktien ohne Kosten aus dem entsprechenden Autor)

3. Mit dem ALS Registerkarte Steuerung in der Labview-Software, stellen Sie die Photonenenergie der gewünschten Wellenlänge.
4. Auf der Scaler Registerkarte legen Sie die Anzahl der Zeiteinheiten zusammen klassierte werden (in der Regel 32), der Bereich (Anzahl der Bins) und Sweeps (die Anzahl der Massenspektren aufgenommen auf der jeweils anderen, um die endgültige Massenspektrum bilden), dann Klicken Sie auf Übernehmen, so dass diese Werte gespeichert und verwendet werden.
5. Anschließend klicken Sie auf Abrufen von Daten, um die Datenerfassung zu beginnen. Wenn die Übernahme abgeschlossen ist, wird das Massenspektrum auf dem Bildschirm erscheinen.
6. Speichern Sie das Massenspektrum durch Klicken auf die Schaltfläche Speichern. (Der X-Achse des erhaltenen Spektrum entspricht der Ionen im Flugzeit-Einheiten 100 ps)

tle "> 3. Erwerb einer Photoionisation Wirkungsgradkurve (PIE)

1. Mit der ALS-Scan (Abbildung 5) in der Labview-Software, ist es möglich, Daten zu erfassen, während Tuning eines der Beamline Motoren. In diesem Fall wählen Sie den Motor "Mono T3 Energie" über verschiedene Photonenenergien (Der Undulator im Synchrotron wird automatisch auf die gewünschte Wellenlänge übereinstimmen) abzustimmen. Stellen Sie die Photonenenergie auf den gewünschten Wert (in eV).
2. Geben Sie die Start-und Stop Energien (in eV) sowie die Schrittweite.
3. Geben Sie nicht die Anzahl der Sweeps - dies wird automatisch durch den Wert, den Sie in Schritt 2,4 eingegebenen aktualisiert werden.
4. Klicken Sie auf Lesen Strom aus K486, um den Photostrom von der Photodiode gemessen lesen.
5. Weiter, klicken Sie auf Start, um den Scanvorgang zu starten. Sie werden aufgefordert, einen Dateinamen, wo die Daten am Ende des Laufs gespeichert werden wählen.
6. Die erste Spalte in der Datendatei conTain die Bin-Nummer (Bin #) und müssen auf Masse umgerechnet ¹³ werden. Typische Werte sind: Masse = 0,6 + 1xE-3 (Bin #) + 5XE-7 (Bin #) ^ 2 (Eine genaue Masse Kalibrierung kann mit Hilfe einer bekannten Mischung von Gasen oder sogar Raumluft dh meist O _2, N werden ₂ und H ₂ O-Gemisch und Montage ihrer Ankunft Zeit zu einem Polynom zweiter Ordnung)
7. Speichern Sie die Datei mit der ersten Spalte umgewandelt Masse.
8. Um einen PIE-Kurve zeichnen, ist eine einfache Möglichkeit, um eine zweite Labview Programm namens "ALS Energie scan.vi", die entworfen, um die Scan-Daten zu analysieren und PIEs ist zu verwenden.

4. Plotten einer Photoionisation Wirkungsgradkurve (PIE)

1. Wie oben erwähnt, die Analyse erfolgen kann mithilfe des "ALS Energie scan.vi" (siehe Abbildung 6), aber wir werden auch hier beschreiben die erforderlichen Schritte, um die Daten, ohne dass es zu analysieren.
2. Beim Start des Programms werden Sie aufgefordert, die Datei containin auszuwähleng. die Daten. Dies ist die Datei, die Sie in Schritt 3,7 gespeichert und enthalten Massen in der ersten Spalte und Ionenzählungen bei verschiedenen Photonenenergien in den nächsten Spalten. Beachte, dass die ersten und zweiten Reihen in der Datei die Photonenenergie und Photostrom der Daten in dieser Spalte bzw. anzuzeigen.
3. In der Oberseite befindet sich ein 2D-Plot der Daten; Bewegen der rote horizontale Marker wählt eine Massenspektren bei einer bestimmten Photonenenergie im unteren Display angezeigt.
4. Der nächste Schritt besteht darin, die Ionenzählungen einer spezifischen Masse bei jedem Photonenenergie integrieren und Subtrahieren des Hintergrundsignals. Im unteren Teil die beiden senkrechten roten Marker sollten rund um die Massenpeak eingestellt werden, um integriert werden, während die beiden blauen Markierungen um einen nahe gelegenen Region ohne Daten, die als Hintergrund-Wert dienen kann. Die Software präsentiert die integrierten Daten abzüglich Hintergrund in der Platte auf der rechten Seite.
5. Um eine echte PIE-Kurve darstellen muss man die Ionen zählt zu den unterschiedlichen Photonenfluss Korrektur einert bei jedem Schritt. Dies geschieht automatisch durch die Software durchgeführt. Wenn Sie diese Korrektur überspringen möchten, klicken Sie zum Ausschalten des aktuellen Korrektur-Taste auf der rechten Seite der oberen Platte. Wenn Sie diesen Schritt manuell zu wählen, die Quanteneffizienz der Photodiode pro Photon Energie ebenfalls berücksichtigt werden (erhalten von der Photodiode Hersteller und zur Verfügung über den entsprechenden Autor) hat, siehe Gleichung 1. Andernfalls wird das alles automatisch von der Software durchgeführt.

6. Klicken Sie auf Speichern Spektrum in der unteren rechten Ecke, um das korrigierte PIE-Kurve zu speichern.

Representative Results

Abbildung 7 zeigt eine typische Massenspektrum des Überschallexpansion von 1,3-dimethyluracil Dämpfen (A) und die PIE-Kurven der drei Hauptmerkmale (das Monomer bei m / z 140, protoniert Monomer bei m / z 141, und der 1 ,3-dimethyluracil Dimer bei m / z 280) wie von einem VUV-Scan zwischen 8 eV und 10 eV (B) extrahiert. Der graue Schatten ist die Standardabweichung von drei aufeinander folgenden Scans.

Abbildung 1. Schematische Darstellung des experimentellen Vorrichtung mit Spannungen dargestellt. (1) Mikrokanalplatte Detektor (2) Reflektor-Spiegel (3), Molecular Beam Region (4) zur Extraktion Ionenoptik.

Abbildung 2.

Abbildung 3. Heizblock mit der Düse, Heizpatrone und Thermoelement.

Abbildung 4. Grafische Benutzeroberfläche der Datenerfassung Programm. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .

Abbildung 5. Grafische Benutzeroberfläche der Daten acAkquisition für Photoionisation Effizienz Scans. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .

Abbildung 6. Grafische Benutzeroberfläche der Daten-Analyse-Programm. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .

Abbildung 7. Ein Massenspektrum und Photoionisation Wirkungsgradkurve für eine 1,3-dimethyluracil Molekularstrahl.

Discussion

Die Monomere und Dimere in einem Überschall-Jet Expansion, die zur Entstehung eines Molekularstrahl erzeugt. Eine kleine Probe der DNA-Base wird in einem thermischen Verdampfungsquelle vorgelegt und auf ausreichenden Dampfdruck erzeugen. Argon Gas trägt die Dämpfe durch ein 100 um Öffnung und übergibt einen 2 mm Skimmer einen kalten Molekularstrahl ^{14 zu} erzeugen. Alternativ kann ein effusive Strahlquelle verwendet werden, wobei die Probe in einem Ofen an der Repellerelektrode Platte (Ionenoptik) des Massenspektrometers angeordnet ist.

Wir verwenden Vakuum-Ultraviolett-Licht (7,4-25 eV), leise zu ionisieren die Moleküle durch Single-Photon-Ionisation, minimiert diese Methode die Fragmentierung und sekundäre Prozesse und ist von keinem traditionellen Ionisationstechniken Nutzung Elektronenstoß Systeme. Die Ionen werden in der Interaktion Bereich einer Wiley-McLaren ¹³ Reflektron Time-of-Flight-Massenspektrometer, wo sie schließlich von am erkannt werden produziertICRO Kanalplatte. Der Detektor-Ausgabe wird in einem Vorverstärker und einem multiscaler Karte in einem Personal Computer, wo die Daten zur weiteren Auswertung gespeichert zugeführt wird. Die quasi-kontinuierliche Strahlung kommt von einem Undulator am Synchrotron (Advanced Light Source) befindet, und dann durch einen Gasfilter, wo höhere Harmonische des Lichts entfernt und dispergiert über einen 3 m Monochromators zu einer maximalen Auflösung von 5 meV bereitzustellen.

Materials

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