Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

Molekylær Beam massespektrometri med Tunable Vacuum Ultrafiolett (VUV) Synchrotron Radiation

doi: 10.3791/50164 Published: October 30, 2012

Summary

En molekylær stråle koblet til tunbare vakuum ultrafiolett photoionization massespektrometer på en synkrotron et praktisk verktøy for å utforske elektroniske struktur isolerte gassfase molekyler og klynger. Proton overføring mekanismer i DNA base dimer ble belyst med denne teknikken.

Abstract

Fleksibel myk ionisering koblet til masse spektroskopi er en kraftig metode for å undersøke isolerte molekyler, komplekser og klynger og deres spektroskopi og dynamikk 1-4. Grunnleggende studier av photoionization prosesser biomolekyler gir informasjon om elektroniske struktur av disse systemene. Videre bestemmelser av ionisering energier og andre egenskaper av biomolekyler i gassfase er ikke trivielt, og disse eksperimentene gir en plattform for å generere disse data. Vi har utviklet en termisk fordamping teknikk kombinert med supersoniske molekylære bjelker som gir en skånsom måte å transportere disse artene i gassfasen. Skjønnsom kombinasjon av kilde gass og temperatur tillater dannelse av dimerer og høyere klynger av DNA baser. Fokus for dette arbeidet er på effektene av ikke-kovalente interaksjoner, dvs. hydrogen binding, stabling og elektrostatiske interaksjoner, på ionisering energier ogproton overføring av enkelte biomolekyler, deres komplekser og på mikro-hydrering av en vann, 5-9.

Vi har utført eksperimentell og teoretisk karakterisering av de photoionization dynamikken i gass-fase uracil og 1,3-dimethyluracil dimer ved hjelp av molekylære bjelker kombinert med synkrotronstråling på Kjemisk Dynamics Beamline 10 ligger på Advanced Light Source og de ​​eksperimentelle detaljer er visualisert her. Dette tillot oss å observere proton overføring i 1,3-dimethyluracil dimer, et system med pi stabling geometri og uten hydrogenbindinger en. Molekylære bjelker gir en veldig praktisk og effektiv måte å isolere prøve av interesse fra miljømessige forstyrrelser som til gjengjeld gjør nøyaktig sammenligning med elektronisk struktur beregninger 11, 12. Ved å justere foton energi fra synkrotron, en photoionization effektivitet (PIE) kurve kan plottes som informerer oss om kationiskeelektroniske stater. Disse verdiene kan deretter sammenlignes med teoretiske modeller og beregninger og i sin tur, forklare i detalj den elektroniske strukturen og dynamikken i de undersøkte artene 1, 3.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. Eksempel Loading

  1. Ta av flensen og demontere 3/8 "rustfritt dyserør fra apparatet (Se figur 1 og figur 2) og sørg for at den er ren og 100 mm åpning er klart (Dette kan gjøres ved å se på en lyskilde gjennom det). For rengjøring, fyll røret med ~ 1 ml etanol og skrubb innsiden med bomull tips. Alternativt kan man legge munnstykket i et ultralydbad fylt med såpe og vann eller etanol i ca 20 min. Tørk deretter med trykkluft.
  2. Ved hjelp av en liten, ren slikkepott, sted omtrent 250 mg av prøven i den fremre delen av dysen, nær åpningen, men ikke blokkerer den. En god metode å unngå åpningens fra å bli blokkert, er å plassere en liten aluminiumsfolie ball eller glassull foran åpningen og deretter legge prøven pulver. Bruk en bomull spissen å presse prøven inn i røret for å sikre at det er i den fremre 25 mm av røret. Denne fremre delen vil utgjøre oppvarmetsonen.
  3. Reattach dysen til apparatet nøye for å unngå å bevege prøven pulver inni. Fest deretter fuglebur adapter (se figur 2), varmeapparat blokk og termoelement (se figur 3).
  4. Før lukking av vakuumkammeret, måle avstanden fra flensen overflaten til tuppen av dysen skal være 22,5 inches, og dette vil tillate 0,5 tommer mellom munnstykket og skimmer.
  5. Når vakuumkammeret er lukket, teste varmeapparatet kassetten og termoelement tilkoblinger å sørge for at de er godt koblet til feed-gjennom kontakter.
  6. Kontroller bærergassen innløpsventilen er lukket.
  7. Lukk lufteventilen (hvis det ble brukt).
  8. Sakte begynne pumping kammeret ved bruk roughing pumper (4 ventiler), og når trykket i kammeret er <1 torr, starte turbomolecular pumper (5 pumper).
  9. Når trykket i kammeret er <10 -6 torr, gjelder spenningene til ion optikkav flukttiden massespektrometer, og mikro-kanalplate detektor (spenningen på sistnevnte bør være slått på gradvis) (Se figur 1 for ulike spenninger).
  10. Åpne VUV lukkeren tillate fotonstråle i kammeret.
  11. Åpne bærergassen innløpsventilen og angi backing trykkregulatoren til 460 (dette er et vakuum regulator, måling i en negativ skala 0 til -760 torr, derav når satt til 460 vil regulere trykket i ledningen til 300 torr) .
  12. Under slike forhold er trykket i kilden og massespektrometer kamre bør ~ 1 x 10 -6 torr og ~ 1 x 10 -6 torr, henholdsvis.

2. Erverv av Massespektrum

  1. Start FAST kortet (modellnummer P7889, 100 ps / bin) programvare på datamaskinen og la den kjøre i bakgrunnen.
  2. Åpne LabVIEW datainnsamlingsprogram: "General Interface.vi" * (figur 4)

(* Denne programvaren og de andre LabVIEW koder ble utviklet ved beamline og er tilgjengelig for å dele for ingen kostnader fra tilsvarende forfatteren)

  1. Bruke ALS-kategorien i LabVIEW programvaren, angir Fotonenergien til ønsket bølgelengde.
  2. skalering kategorien sette antall tidsenheter som skal binned sammen (typisk 32), området (antallet stolper) og sveiper (antall massespektra lagt oppå hverandre for å danne den endelige massespektrum), deretter Klikk akseptere, slik at disse verdiene vil bli lagret og brukt.
  3. Deretter klikker du få data for å starte datainnsamlingen. Når kjøpet er over, vil massespektrum vises på skjermen.
  4. Lagre massespekteret ved å klikke på Lagre-knappen. (X-aksen av den oppnådde spektrum svarer til ion flygetid i 100 ps enheter)
tle "> 3. Erverv av photoionization Effektivitet Curve (PIE)

  1. Bruke ALS kategorien Scan (Figur 5) i LabVIEW programvare, er det mulig å skaffe data mens tuning ett av beamline motorer. I dette tilfellet velger motoren "Mono T3 energi" for å stille over ulike foton energier (The undulator inni synkrotron vil bevege seg automatisk for å matche den ønskede bølgelengde). Still fotonenergien til ønsket verdi (i eV).
  2. Skriv inn start og stopp energier (i eV) samt Step størrelse.
  3. Ikke angi antall feier - dette vil bli oppdatert automatisk av verdien du angav i trinn 2.4.
  4. Klikk Les gjeldende fra K486 til å lese photocurrent målt ved fotodiode.
  5. Deretter klikker du Start for å starte skanningen. Du vil bli bedt om å velge et filnavn der dataene skal lagres på slutten av løpet.
  6. Den første kolonnen i datafilen conopprettholde bin nummer (Bin #) og trenger å bli konvertert til masseenheter 13. Typiske verdier er: Mass = 0,6 + 1XE-3 (Bin #) + 5XE-7 (Bin #) ^ 2 (En mer presis masse kalibrering kan gjøres ved hjelp av en kjent blanding av gasser eller romluft ie meste O 2, N 2 og H 2 O blandingen og montering sin ankomsttid til en andre ordens polynom)
  7. Lagre data filen med den første kolonnen konvertert til messe.
  8. Å plotte en PIE kurve, er en enkel måte å bruke en annen LabVIEW program kalt "ALS energi scan.vi" som er designet for å analysere de skannede data og produsere paier.

4. Plotte en photoionization Effektivitet Curve (PIE)

  1. Som nevnt ovenfor, kan analysen gjøres ved hjelp av "ALS energi scan.vi" program (se figur 6), men vi vil også beskrive her fremgangsmåten for å analysere dataene uten.
  2. Når du starter programmet vil du bli bedt om å velge filen containing dataene. Dette er filen du lagret i trinn 3,7 og inneholder masser i den første kolonnen og ion teller på ulike foton energier i de neste kolonnene. Merk at den første og andre rader i filen indikerer fotonenergi og photocurrent av dataene i denne kolonnen, henholdsvis.
  3. I topplaten er det en 2D plott av dataene, å justere den røde horisontale markør velger en massespektra på et bestemt Fotonenergi skal vises i den nedre panel.
  4. Det neste trinnet er å integrere ion tellinger av en spesifikk masse på hvert foton energi samtidig trekke bakgrunnssignal. I den nedre panel de to vertikale røde markører bør settes rundt massen peak å bli integrert mens de to blå markører rundt et nærliggende region med ingen data som kan tjene som bakgrunnsverdi. Programvaren vil presentere integrerte data minus bakgrunnen i panelet til høyre.
  5. Å presentere en sann PIE kurve må man korrigere ion teller til varierende foton flux ent hvert trinn. Dette gjøres automatisk av programvaren. Hvis du velger å hoppe over denne korreksjonen, klikk for å slå av strømmen korreksjon knappen til høyre for den øverste panelet. Hvis du velger å utføre dette trinnet manuelt, har Quantum effektiviteten av fotodioden pr fotonenergien betraktes så vel (oppnådd fra fotodioden produsent og tilgjengelig via tilsvarende forfatteren), se ligning 1. Ellers er dette alt gjort automatisk av programvaren.

Ligning 1

  1. Klikk lagre spektrum i nedre høyre hjørne for å lagre det korrigerte PIE kurven.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Fig. 7 viser en typisk massespektrum av den supersoniske utvidelse av 1,3-dimethyluracil damper (A) og kaken kurver av tre hovedtrekk (monomeren ved m / z 140, protonert monomer ved m / z 141, og 1 ,3-dimethyluracil dimer ved m / z 280) som ut fra en VUV scan mellom 8 og 10 eV EV (B). Den grå skygge er standardavviket fra tre påfølgende skanninger.

Figur 1
Figur 1. Skjematisk av eksperimentelle apparater med spenninger vist. (1) microchannel plate detektor, (2) Reflektor speil, (3) Molecular Beam region, (4) Ion optikk for utvinning.

Figur 2
Figur 2.

Figur 3
Figur 3. Varmeblokk med dysen, oppvarming kassett og termoelement.

Figur 4
Figur 4. Grafisk brukergrensesnitt for datainnsamlingsprogram. Klikk her for å se større figur .

Figur 5
Figur 5. Grafisk brukergrensesnitt for data acKjøpet program for photoionization effektivitet skanninger. Klikk her for å se større figur .

Figur 6
Figur 6. Grafisk brukergrensesnitt for dataanalyse programmet. Klikk her for å se større figur .

Figur 7
Figur 7. En massespektrum og photoionization effektivitet kurve for en 1,3-dimethyluracil molekylær stråle.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Monomerene og dimer er generert i et supersonisk jet ekspansjon som gir opphav til en molekylær stråle. En liten prøve av DNA base er plassert i en termisk fordamping kilde og oppvarmet for å generere tilstrekkelig damptrykk. Argongass bærer dampene gjennom en 100 um åpning og passerer en 2 mm skimmer for å produsere en kald molekylær stråle 14. Alternativt, kan en effusive strålen brukes, hvor prøven er plassert i en oppvarmet ovn festet til repeller platen (ion optikk) av massespektrometer.

Vi bruker vakuum ultrafiolett lys (7,4 til 25 eV) til mykt ionisere molekyler ved enkelt foton ionisering, minimerer denne metoden fragmentering og sekundære prosesser og er uovertruffen av tradisjonelle ionisering teknikker utnytte elektron innvirkning ordninger. Ionene er produsert i samvirkningsområdet av en Wiley-McLaren 13 reflectron Time-of-Flight Mass Spectrometer hvor de er til slutt detektert av amicro kanalplaten. Detektorutgangen er matet inn i en pre-forsterker og en multiscaler kort i en personlig datamaskin hvor dataene er lagret for videre analyse. Kvasi-kontinuerlig stråling ankommer fra en undulator plassert på synkrotron (Advanced Light Source), og deretter passerer gjennom et gassfilter hvor høyere harmoniske av lyset fjernes og dispergert gjennom et 3 m monokromator for å gi en maksimal oppløsning av 5 MeV.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Forsøkene ble utført ved Kjemisk Dynamics Beamline på Advanced Light Source, Lawrence Berkeley National Laboratory og støttet av Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, av US Department of Energy under kontrakt nummer DE-AC02-05CH11231, gjennom Chemical Sciences Division.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Golan, A. Ionization of dimethyluracil dimers leads to facile proton transfer in the absence of hydrogen bonds. Nat. Chem. 4, 323-329 (2012).
  2. 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).
  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).
  4. Nicolas, C. Vacuum Ultraviolet Photoionization of C3. Journal of the American Chemical Society. 128, 220-226 (2005).
  5. Kamarchik, E. Spectroscopic signatures of proton transfer dynamics in the water dimer cation. Journal of Chemical Physics. 132, (2010).
  6. Khistyaev, K. The effect of microhydration on ionization energies of thymine. Faraday Discussions. 150, 313-330 (2011).
  7. 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).
  8. Kostko, O. Ionization of cytosine monomer and dimer studied by VUV photoionization and electronic structure calculations. Physical Chemistry Chemical Physics. 12, 2860-2872 (2010).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Scoles, G., Bassi, D., Buck, U. Atomic and Molecular Beam Methods. 1, (1988).
  12. Pauly, H. Atom, Molecule and Cluster Beams I. Springer-Verlag. Berlin. (2000).
  13. Wiley, W. C., McLaren, I. H. Time-of-Flight Mass Spectrometer with Improved Resolution. Review of Scientific Instruments. 26, 1150-1157 (1955).
  14. Levy, D. H. The Spectroscopy of Very Cold Gases. Science. 214, 263-269 (1981).
Molekylær Beam massespektrometri med Tunable Vacuum Ultrafiolett (VUV) Synchrotron Radiation
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter