Molekylær Beam massespektrometri Med Tunable Vacuum Ultraviolet (VUV) synkrotronstråling

Summary

En molekylær stråle koblet til afstemmelige vakuum ultraviolet photoionization massespektrometer ved en synkrotron giver et praktisk værktøj til at udforske den elektroniske struktur af isolerede gasfase molekyler og klynger. Protonoverførsel mekanismer i DNA-base-dimerer blev belyst med denne teknik.

Abstract

Afstemmelige blød ionisering koblet til massespektroskopi er en kraftfuld metode til at undersøge isolerede molekyler, komplekser og klynger og deres spektroskopi og dynamik ^1-4. Grundlæggende studier af photoionization processer biomolekyler giver oplysninger om den elektroniske struktur af disse systemer. Endvidere bestemmelser af ioniseringsenergier og andre egenskaber af biomolekyler i gasfasen er ikke triviel, og disse forsøg giver en platform til at generere disse data. Vi har udviklet en termisk fordampning teknik kombineret med supersoniske molekylære stråler, der giver en skånsom måde at transportere disse arter til gasfasen. Fornuftig kombination af kilden for gas og temperatur muliggør dannelsen af ​​dimerer og højere klynger af DNA-baser. Fokus for netop dette værk er om virkningerne af ikke-kovalente interaktioner, dvs, hydrogenbinding, stabling, og elektrostatiske interaktioner, på ioniseringsenergier ogprotonoverførsel af individuelle biomolekyler, deres komplekser og efter mikro-hydrering af vand ^{1, 5-9.}

Vi har udført eksperimentelle og teoretiske karakterisering af photoionization dynamik gasfase-uracil og 1,3-dimethyluracil dimerer ved hjælp af molekylære stråler kombineret med synkrotronstråling på Chemical Dynamics beamline ¹⁰ placeret på Advanced Light Source og de ​​eksperimentelle detaljer er visualiseret her. Dette tillod os at observere protonoverførsel i 1,3-dimethyluracil-dimerer, et system med pi stacking geometri og uden hydrogenbindinger ^1. Molekylære stråler giver en meget bekvem og effektiv måde at isolere prøven af interesse fra miljømæssige forstyrrelser, som til gengæld giver nøjagtig sammenligning med elektroniske struktur beregninger ^{11, 12.} Ved tuning foton energi fra synkrotron, en photoionization effektivitet (PIE) kurve kan plottes som informerer os om det kationiskeelektroniske tilstande. Disse værdier kan derefter sammenlignes med teoretiske modeller og beregninger og til gengæld i detaljer forklare den elektroniske struktur og dynamik af de undersøgte arter ^{1, 3.}

Protocol

1. Prøve Loading

1. Fjern bagflange og adskille 3/8 "rustfri dyse rør fra apparatet (se figur 1 og figur 2) og sørg for at det er ren og 100 mm åbning er klart (Dette kan gøres ved at se på en lyskilde gennem det). Til rengøring, fylde røret med ~ 1 ml ethanol og krat indefra med bomuld tips. Alternativt, skal du placere dysen i et ultralydsbad fyldt med sæbe og vand eller ethanol til omkring 20 min. Tør efter med trykluft.
2. Ved hjælp af en lille, ren spatel, sted omkring 250 mg af prøven i den forreste del af dysen, tæt ved åbningen, men ikke blokerer det. En god metode at undgå åbningen i at blive blokeret, er at anbringe en lille aluminiumsfolie vat eller glasuld foran mundingen og tilsæt derefter prøve pulver. Anvende en vatpind til at skubbe prøven ind i røret for at sikre den er i den forreste 25 mm af røret. Denne forreste del vil omfatte den opvarmedezone.
3. Sæt dyse til apparatet omhyggeligt for at undgå at bevæge prøven pulver inde. Herefter sættes birdcage adapter (se figur 2), varmeblok og termoelement (se figur 3).
4. Før lukning af vakuumkammeret, måle afstanden fra flangen overfladen til spidsen af ​​dysen til at være 22,5 inches, hvilket vil muliggøre 0,5 inch mellem dysen og skummeren.
5. Når vakuumkammeret er lukket, teste Varmepatron og termoelement forbindelser til at sikre, at de er godt forbundet til gennemføringen stik.
6. Kontroller, at bæregassen indløbsventilen er afsluttet.
7. Luk udluftningsventilen (hvis det blev brugt).
8. Langsomt begynde pumpning af kammeret ved hjælp af skrub pumper (4 ventiler), og når trykket i kammeret er <1 torr, starte Turbomolekularpumper (5 pumper).
9. Når trykket i kammeret er <10 ^-6 torr, anvender spænding til ion optikaf flyvetids massespektrometer, og mikro-kanal plade detektor (spændingen på sidstnævnte skal være tændt gradvist) (Se figur 1 for forskellige spændinger).
10. Åbn VUV lukkeren at tillade fotonstråler i kammeret.
11. Åbne bæregas indløbsventilen og indstille støtte trykregulatoren til 460 (dette er en vakuumregulator, måling i en negativ skala fra 0 til -760 torr, således når den er indstillet til 460 vil regulere trykket i ledningen til 300 torr) .
12. Under disse betingelser trykket i kilde-og massespektrometer kamre bør være ~ 1 x 10 ^-6 torr og ~ 1 x 10 ^-6 torr, hhv.

2. Erhvervelse af en Massespektrum

1. Start FAST kort (model nummer P7889, 100 ps / bin) software på computeren, og lad den køre i baggrunden.
2. Åbn Labview datafangst program: "General Interface.vi" * (Figur 4)

(* Denne software og de andre LabVIEW koder blev udviklet på det beamline og er til rådighed til at dele for uden omkostninger fra den tilsvarende forfatter)

3. Brug af ALS fanen Kontrol i Labview software, indstille foton energi til den ønskede bølgelængde.
4. På scaler fanen indstille antallet af tidsenheder, der skal binned sammen (typisk 32), intervallet (antal kasser) og sweeps (antallet af massespektre tilsat oven på hinanden for at danne den endelige masse spektrum), derefter Klik på Accepter, således at disse værdier vil blive gemt og bruges.
5. Derefter skal du klikke få data til at påbegynde dataindsamlingen. Når købet er overstået, vil massespektret vises på skærmen.
6. Gem massespektret ved at klikke på Gem-knappen. (X-aksen af ​​det opnåede spektrum svarer til den ion flyvetid i 100 ps enheder)

TLE "> 3. Erhvervelse af en Photoionization Efficiency Curve (PIE)

1. Brug af ALS fanen Scan (Figur 5) i Labview software, er det muligt at erhverve data, mens tuning en af beamline motorer. I dette tilfælde vælges motoren "Mono T3 energi" at tune over forskellige fotonenergier (undulatoren inde i synkrotron går automatisk at matche den ønskede bølgelængde). Indstil fotonenergi til den ønskede værdi (eV).
2. Indtast start-og stop energi (i eV) samt Step størrelse.
3. Må ikke angive antallet af fejer - dette vil blive opdateret automatisk med den værdi du indtastede i trin 2,4.
4. Klikke Læs strøm fra K486 at læse fotostrøm målt ved fotodioden.
5. Derefter skal du klikke på Start for at starte scanningen. Du vil blive bedt om at vælge et filnavn, hvor data vil blive lagret i slutningen af ​​kørslen.
6. Den første kolonne i datafilen confastholde bakken nummer (Bin #) og skal omdannes til masseenheder ^13. Typiske værdier er: Masse = 0,6 + 1XE-3 (Bin #) + 5xE-7 (Bin #) ^ 2 (En mere præcis masse kalibrering kan udføres ved anvendelse af en kendt blanding af gasser eller endog rumluft dvs meste O _2, N ₂ og H ₂ O blanding og montering deres ankomsttidspunkt til en anden orden polynomium)
7. Gem datafil med den første kolonne konverteret til masse.
8. At plotte en PIE kurve, en nem måde er at bruge en anden Labview program kaldet "ALS energi scan.vi", som er designet til at analysere de scannede data og producere interesse for offentligheden.

4. Plotte en Photoionization Efficiency Curve (PIE)

1. Som nævnt ovenfor, kan analysen gøres ved hjælp af "ALS energi scan.vi"-programmet (se figur 6), men vi vil også beskrive her de nødvendige skridt for at analysere data uden.
2. Når du starter programmet, vil du blive bedt om at vælge den fil containing dataene. Dette er den fil, du gemte i trin 3,7 og indeholder masser i den første kolonne og ion tæller på forskellige fotonenergier i de næste kolonner. Bemærk, at den første og anden rækker i filen angiver foton energi og fotostrøm af dataene i denne kolonne, hhv.
3. I toppanelet er en 2D plot af dataene flytte røde vandrette markør vælger en massespektre ved en specifik fotonenergi til at blive vist i det nederste panel.
4. Det næste trin er at integrere de ion tællinger af en specifik masse på hver fotonenergi samtidig trække baggrundssignalet. I det nederste panel de to lodrette røde markører bør fastsættes omkring massetop skal integreres mens de to blå markører ved en nærliggende region uden data, der kan tjene som baggrund værdi. Softwaren vil præsentere de integrerede data minus baggrunden i panelet til højre.
5. For at præsentere en sand PIE kurve man skal korrigere ion tæller til den varierende fotonflux ent hvert skridt. Dette gøres automatisk af softwaren. Hvis du vælger at springe denne korrektion, klik for at slukke den nuværende korrektion knappen til højre for den øverste panel. Hvis du vælger at gøre dette trin manuelt, kvante effektivitet fotodioden per foton energi skal betragtes som godt (opnået fra fotodioden producenten og tilgængelige via den tilsvarende forfatter), se ligning 1. Ellers er det hele foregår automatisk af softwaren.

6. Klik gemme spektret i nederste højre hjørne for at gemme den rettede PIE kurven.

Representative Results

7 viser et typisk massespektrum af den supersoniske ekspansion af 1,3-dimethyluracil dampe (A) og kagen kurverne for de tre hovedtræk (monomeren ved m / z 140, protoneret monomer ved m / z 141, og en ,3-dimethyluracil dimer ved m / z 280), som ekstraheres fra en VUV scanning mellem 8 eV og 10 eV (B). Den grå skygge er standardafvigelsen fra tre på hinanden følgende skanninger.

Figur 1. Skematisk af forsoegsopstillingen med viste spændinger. (1) mikrokanalplade detektor, (2) Reflektor spejl, (3) Molecular Beam regionen, (4) Ion optik til ekstraktion.

Figur 2.

Figur 3. Varmeblok med dysen, opvarmning patron og termoelement.

Figur 4. Grafisk brugergrænseflade datafangst program. Klik her for at se større figur .

Figur 5. Grafisk brugergrænseflade af data acKøbet program for photoionization effektivitet scanninger. Klik her for at se større figur .

Figur 6. Grafisk brugergrænseflade dataanalyse program. Klik her for at se større figur .

Figur 7. En masse spektrum og photoionization effektivitet kurve for en 1,3-dimethyluracil molekylstraalen.

Discussion

De monomerer og dimerer dannes i en supersonisk stråle ekspansion, som giver anledning til en molekylær stråle. En lille prøve af DNA basen er placeret i et termisk fordampning kilde og opvarmedes til at generere tilstrækkeligt damptryk. Argongas bærer dampe gennem en 100 um dyse og passerer en 2 mm skimmer at frembringe en kold molekylær stråle ^14. Alternativt kan et effusive strålen anvendes, hvor prøven anbringes i en opvarmet ovn fastgjort til repeller pladen (ion optik) i massespektrometret.

Vi bruger vacuum ultraviolet lys (7,4-25 eV) til blødt ionisere molekylerne ved en enkelt foton ionisering, denne metode minimerer opsplitning og sekundære processer og er uovertruffen ved traditionelle ionisering teknikker anvender elektronimpact ordninger. Ionerne produceres i vekselvirkningsområdet af en Wiley-McLaren ¹³ reflectron Time-of-Flight massespektrometer, hvor de til sidst påvises ved amicro kanalpladen. Detektorudgangen ledes til en forforstærker og et multiscaler kort i en personlig computer, hvor dataene er gemt til yderligere analyse. Den kvasikontinuerlige stråling ankommer fra en undulator placeret ved synkrotron (Advanced Light Source), og passerer derefter gennem et gasfilter, hvor højere harmoniske af lys fjernes og dispergeres via en 3 m monokromator at tilvejebringe en maksimal opløsning på 5 MeV.

Materials

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