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Engineering

Spectrométrie de masse moléculaire Faisceau Avec Vacuum Ultraviolet Radiation accordable (VUV) Synchrotron

doi: 10.3791/50164 Published: October 30, 2012

Summary

Un faisceau moléculaire couplé à spectromètre ultraviolet du vide accordable photoionisation de masse à un synchrotron fournit un outil pratique pour explorer la structure électronique des molécules isolées en phase gazeuse et les clusters. Mécanismes de transfert de protons à des dimères de bases d'ADN ont été élucidées grâce à cette technique.

Abstract

Accordable ionisation douce couplée à la spectrométrie de masse est une méthode puissante pour enquêter sur des molécules isolées, des complexes, des regroupements et leur spectroscopie et la dynamique de 1-4. Des études fondamentales sur les processus de photoionisation de biomolécules fournir des informations sur la structure électronique de ces systèmes. En outre déterminations des énergies d'ionisation et d'autres propriétés des biomolécules en phase gazeuse ne sont pas négligeables, et ces expériences constituent une plate-forme pour produire ces données. Nous avons développé une technique de vaporisation thermique couplé avec des faisceaux moléculaires supersoniques qui fournit une manière douce pour le transport de ces espèces dans la phase gazeuse. Combinaison judicieuse de source de gaz et de la température permet la formation de dimères et plus clusters de bases de l'ADN. L'objectif de ce travail particulier est mis sur les effets de la non-covalentes, c'est à dire, liaison hydrogène, d'empilage, et les interactions électrostatiques, sur les énergies d'ionisation ettransfert de proton de biomolécules individuelles, leurs complexes et sur ​​des micro-hydratation par l'eau 1, 5-9.

Nous avons effectué la caractérisation expérimentale et théorique de la dynamique de photoionisation de phase gazeuse uracile et 1,3-diméthyluracile dimères utilisant des faisceaux moléculaires couplés avec le rayonnement synchrotron à l'Beamline Chemical Dynamics 10 situé à la source de lumière avancée et les détails expérimentaux sont visualisées ici. Cela nous a permis d'observer le transfert de proton dans du 1,3-diméthyluracile dimères, un système avec empilage pi géométrie et no 1 des liaisons hydrogène. Jets moléculaires constituent un moyen très pratique et efficace pour isoler l'échantillon d'intérêt de perturbations de l'environnement qui en retour permet une comparaison précise avec les calculs de structure électronique 11, 12. En ajustant l'énergie du photon du rayonnement synchrotron, un rendement de photoionisation (PIE) courbe peut être tracée qui nous informe sur l'cationiqueétats électroniques. Ces valeurs peuvent ensuite être comparées à des modèles théoriques et des calculs et à son tour, expliquer en détail la structure électronique et de la dynamique des espèces étudiées 1, 3.

Protocol

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1. Chargement échantillon

  1. Retirer la bride arrière et démonter le 3/8 "tube de buse inox de l'appareil (voir figure 1 et figure 2) et assurez-vous qu'il est propre et l'orifice de 100 mm est clair (Ceci peut être fait en regardant une source lumineuse à travers celui-ci). Pour le nettoyage, remplir le tube avec de l'éthanol ~ 1 ml et frottez l'intérieur en utilisant le bout de coton. Alternativement, placez la buse dans un bain à ultrasons rempli avec du savon et de l'eau ou de l'éthanol pendant environ 20 min. Ensuite, sécher à l'air comprimé.
  2. À l'aide d'une petite spatule propre, environ 250 mg de l'échantillon dans la partie avant de la buse, à proximité de l'orifice, mais pas la bloquer. Une bonne méthode pour éviter l'orifice de se boucher est de placer une boule en aluminium petite feuille ou de la laine de verre en face de l'orifice, puis ajouter la poudre de l'échantillon. Utilisez un coton-tige pour pousser l'échantillon dans le tube afin de s'assurer qu'elle est à l'avant de 25 mm du tube. Cette partie comprendra l'avant chaufféezone.
  3. Rattacher la buse de l'appareil de soin pour éviter le déplacement de la poudre à l'intérieur de l'échantillon. Ensuite, fixez l'adaptateur de cage (voir figure 2), bloc chauffant et le thermocouple (voir figure 3).
  4. Avant la fermeture de la chambre à vide, mesurer la distance entre la surface de bride à l'extrémité de la buse pour être 22,5 pouces, ce qui permettra à 0,5 pouces entre la buse et l'écumoire.
  5. Lorsque la chambre à vide est fermée, tester la cartouche chauffante et connexions du thermocouple afin de s'assurer qu'ils sont bien connectés aux connecteurs d'alimentation à travers.
  6. Assurez-vous que la soupape d'admission du gaz porteur est fermé.
  7. Fermez le robinet de purge (si elle a été utilisée).
  8. Lentement commencer le pompage de la chambre à l'aide des pompes primaires (4 valves), et lorsque la pression dans la chambre est <1 Torr, démarrer les pompes turbomoléculaires (5 pompes).
  9. Lorsque la pression dans la chambre est <10 -6 torr, d'appliquer les tensions de l'optique ioniquedu temps de vol du spectromètre de masse, et le détecteur de plaque à micro-canaux (la tension sur celle-ci doit être activée progressivement) (Voir la figure 1 pour des tensions différentes).
  10. Ouvrir l'obturateur afin de permettre la VUV faisceau de photons dans la chambre.
  11. Ouvrir la vanne d'entrée de gaz porteur et de fixer le régulateur de pression d'appui de 460 (il s'agit d'un régulateur de vide, dans une échelle de mesure négatif de 0 à -760 torrs, donc lorsque la valeur 460 il va réguler la pression dans la conduite de 300 torr) .
  12. Dans ces conditions, la pression dans les chambres de spectrométrie de masse et la source devrait être ~ 1 x 10 -6 torr et ~ 1 x 10 -6 torr, respectivement.

2. Acquisition d'un spectre de masse

  1. Démarrer la carte EXPRES (numéro de modèle P7889, 100 ps / bin) logiciel sur l'ordinateur et le laisser tourner en arrière-plan.
  2. Ouvrez le programme d'acquisition de données LabVIEW: "Général Interface.vi" * (figure 4)

(* Ce logiciel et les codes d'autres Labview ont été élaborées à la ligne de lumière et sont disponibles à partager sans coût de l'auteur correspondant)

  1. Utilisation de l'onglet Contrôle de la SLA dans le logiciel Labview, réglez l'énergie du photon à la longueur d'onde désirée.
  2. Sur l'onglet mesureur, définir le nombre d'unités de temps pour être mis en cellule en même temps (typiquement 32), la plage (nombre de casiers) et balayages (le nombre de spectres de masse ajoutée sur le dessus de l'autre pour former le spectre de masse finale), puis cliquez sur accepter, de sorte que ces valeurs seront stockées et utilisées.
  3. Ensuite, cliquez sur obtenir les données pour commencer l'acquisition des données. Lorsque l'acquisition est terminée, le spectre de masse apparaît sur l'écran.
  4. Enregistrer le spectre de masse en cliquant sur ​​le bouton Enregistrer. (L'axe des X du spectre obtenu correspond au temps de vol des ions dans les unités ps 100)
tle "> 3. Acquisition d'une courbe de rendement de photoionisation (PIE)

  1. Utilisation de l'onglet Numériser de la SLA (figure 5) dans le logiciel Labview, il est possible d'acquérir des données lors de l'accord l'un des moteurs sources de rayonnement. Dans ce cas, choisir le type "mono énergie T3" pour syntoniser sur différentes énergies de photons (L'onduleur à l'intérieur du synchrotron se déplacera automatiquement pour correspondre à la longueur d'onde désirée). Régler l'énergie des photons à la valeur de consigne (en eV).
  2. Entrez le début et d'arrêt énergies (en eV) ainsi que la taille Step.
  3. Ne pas entrer dans le nombre de balayages - ce sera mis à jour automatiquement par la valeur que vous avez entré à l'étape 2.4.
  4. Instructions de courant déposés K486 pour lire le photocourant mesuré par la photodiode.
  5. Ensuite, cliquez sur Démarrer pour lancer la numérisation. Vous serez invité à choisir un nom de fichier où les données seront stockées à la fin de la course.
  6. La première colonne du fichier de données conmaintenir le numéro du bac (bac #) et doivent être converties en unités de masse 13. Les valeurs typiques sont: Masse = 0,6 + 1xE-3 (Bin #) + 5xE-7 (Bin #) ^ 2 (Un étalonnage en masse plus précis peut être fait en utilisant un mélange connu de gaz ou même l'air ambiant soit principalement O 2, N 2 et H 2 O mélange et ajuster leur heure d'arrivée à un polynôme du second degré)
  7. Enregistrer le fichier de données avec la première colonne convertie en masse.
  8. Pour tracer une courbe PIE, d'une façon simple est d'utiliser un deuxième programme Labview appelée «SLA énergie scan.vi», qui est conçu pour analyser les données de numérisation et de produire des EIP.

4. Tracer une courbe de rendement de photoionisation (PIE)

  1. Comme indiqué plus haut, l'analyse peut être fait en utilisant le "ALS énergie scan.vi" (voir figure 6), mais nous allons également décrire ici les étapes nécessaires pour analyser les données sans elle.
  2. Lors du démarrage du programme, vous serez invité à sélectionner le fichier containing les données. C'est le fichier que vous avez enregistré à l'étape 3.7 et contiennent des masses dans les chiffres de la colonne et de l'ion d'abord à différentes énergies de photons dans les colonnes suivantes. Noter que les première et seconde rangées dans le fichier indiquent l'énergie du photon et de photocourant les données de cette colonne, respectivement.
  3. Dans le panneau supérieur il ya un tracé 2D des données; déplaçant le marqueur rouge horizontale sélectionne un spectre de masse à un photon d'énergie spécifique à afficher dans le panneau inférieur.
  4. L'étape suivante consiste à intégrer les chefs d'ions d'une masse spécifique à chaque photon d'énergie tout en soustrayant le signal de fond. Dans le panneau inférieur des deux marqueurs rouges verticales devrait être fixé autour du pic de masse à intégrer tandis que les deux marqueurs bleus autour d'une région à proximité sans données qui peuvent servir de valeur de fond. Le logiciel va présenter les données intégrées, moins le fond dans le panneau sur la droite.
  5. Pour présenter une courbe PIE vrai, il faut corriger les chefs d'ions pour le flux de photons variant d'unt chaque étape. Ceci est fait automatiquement par le logiciel. Si vous choisissez d'ignorer cette correction, cliquez sur pour désactiver le bouton de correction en cours sur la droite du panneau supérieur. Si vous choisissez d'effectuer cette étape manuellement, le rendement quantique de la photodiode par l'énergie des photons doit être pris en compte (obtenue auprès du fabricant photodiode et disponible via l'auteur correspondant), voir l'équation 1. Sinon, tout cela est fait automatiquement par le logiciel.

L'équation 1

  1. Cliquez sur Enregistrer spectre dans le coin inférieur droit pour enregistrer la courbe PIE corrigé.

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Representative Results

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La figure 7 montre un spectre de masse typique de l'expansion supersonique du 1,3-diméthyluracile vapeurs (A) et les courbes de pie les trois principales caractéristiques (le monomère à m / z 140, monomère protoné à m / z 141, et la 1 ,3-diméthyluracile dimère à m / z 280) comme extrait à partir d'un balayage VUV entre 8 eV et 10 eV (B). L'ombre grise est l'écart type de trois balayages consécutifs.

Figure 1
Figure 1. Schéma du dispositif expérimental avec des tensions indiquées. (1) détecteur de galette de microcanaux, (2) de miroir réflecteur (3), région faisceau moléculaire, (4) pour l'extraction d'optique ionique.

Figure 2
Figure 2.

Figure 3
La figure 3. Chauffe-bloc avec la buse de chauffage de cartouche et le thermocouple.

Figure 4
Figure 4. Interface utilisateur graphique du programme d'acquisition de données. Cliquez ici pour agrandir la figure .

Figure 5
Figure 5. Interface utilisateur graphique de l'ac donnéesquisition programme pour les examens de rendement de photoionisation. Cliquez ici pour agrandir la figure .

Figure 6
Figure 6. Interface utilisateur graphique du programme d'analyse des données. Cliquez ici pour agrandir la figure .

Figure 7
Figure 7. Un spectre de masse et la courbe de rendement de photoionisation pour un faisceau de 1,3-diméthyluracile moléculaire.

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Discussion

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Les monomères et les dimères sont générés par une expansion du jet supersonique qui donne naissance à un faisceau moléculaire. Un petit échantillon de la base d'ADN est placé dans une source d'évaporation thermique et chauffée pour générer suffisamment de pression de vapeur. L'argon gazeux portant les vapeurs à travers un orifice 100 um et passe une écumoire 2 mm pour produire un faisceau moléculaire froid 14. Alternativement, une source de faisceau effusive peuvent être utilisées, lorsque l'échantillon est placé dans un four chauffé attaché à la plaque repousseur (optique ionique) du spectromètre de masse.

Nous utilisons la lumière ultraviolet du vide (de 7,4 à 25 eV) pour doucement ioniser les molécules par ionisation à un photon, cette méthode permet de réduire la fragmentation et les processus secondaires et est inégalée par les techniques traditionnelles utilisant des systèmes d'ionisation par impact électronique. Les ions sont produits dans la région d'interaction d'une Wiley-McLaren 13 spectromètre de masse réflectron Temps de vol où ils sont finalement détectée par amicro canal plaque. La sortie du détecteur est introduit dans un amplificateur de pré-et une carte multiscaler dans un ordinateur personnel dans lequel les données sont enregistrées pour une analyse ultérieure. Le rayonnement quasi-continu arrive à partir d'un onduleur situé au synchrotron (Advanced Light Source), puis passe à travers un filtre à gaz où la hausse des harmoniques de la lumière sont enlevées et dispersées par l'intermédiaire d'un monochromateur 3 m de fournir une résolution maximale de 5 meV.

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Acknowledgments

Les expériences ont été réalisées à l'Beamline Dynamics chimique de l'Advanced Light Source, Lawrence Berkeley National Laboratory et soutenu par le Bureau de la science, Bureau des sciences de base de l'énergie, de l'US Department of Energy en vertu du contrat n ° DE-AC02-05CH11231, par la Division des sciences chimiques.

Materials

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

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References

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  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).
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Spectrométrie de masse moléculaire Faisceau Avec Vacuum Ultraviolet Radiation accordable (VUV) Synchrotron
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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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