Login processing...

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

Engineering

Молекулярная масс-спектрометрии ширина с перестраиваемой вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) синхротронного излучения

doi: 10.3791/50164 Published: October 30, 2012

Summary

Молекулярного пучка связана с перестраиваемой вакуумного ультрафиолета фотоионизации масс-спектрометра на синхротроне предоставляет удобный инструмент для исследования электронной структуры изолированного газовой фазы молекул и кластеров. Протон механизмы передачи в димеры оснований ДНК были выяснены с этой техникой.

Abstract

Перестраиваемые мягкой ионизации связана с масс-спектроскопия является мощным методом для исследования изолированных молекул, комплексов и кластеров и их спектроскопии и динамики 1-4. Фундаментальные исследования процессов фотоионизации биомолекул предоставить информацию об электронной структуре этих систем. Кроме определения энергии ионизации и другие свойства биомолекул в газовой фазе не являются тривиальными, и эти опыты обеспечивают платформу для создания этих данных. Мы разработали метод теплового испарения в сочетании с сверхзвуковых молекулярных пучков, что обеспечивает мягкий способ транспортировки этих видов в газовой фазе. Разумное сочетание источника газа и температуры позволяет образование димеров и более кластеров оснований ДНК. В центре внимания данной работы о влиянии нековалентных взаимодействий, т. е. водородные связи, укладки, и электростатическими взаимодействиями, с энергией ионизации иперенос протона отдельных биомолекул, их комплексов и на микро-гидратации воды на 1, 5-9.

Мы провели экспериментальное и теоретическое характеристика динамики фотоионизации в газовой фазе урацила и 1,3-dimethyluracil димеры с использованием молекулярных пучков в сочетании с синхротронного излучения на Beamline химической динамики расположены в 10 Advanced Light Source и экспериментальные детали визуализируются здесь. Это позволило нам наблюдать за перенос протона в 1,3-dimethyluracil димеры, системы с пи укладки геометрия и без водородных связей 1. Молекулярные пучки обеспечивают очень удобный и эффективный способ изолировать образца интерес с экологической возмущения которые в свою очередь позволяет точно сравнению с расчеты электронной структуры 11, 12. По настройке энергия фотона из синхротрона, эффективности фотоионизации (PIE) кривая может быть построена который информирует нас о катионныйэлектронных состояний. Эти значения могут быть по сравнению с теоретическими моделями и расчетами и, в свою очередь, подробно объяснить, электронной структуры и динамики исследованных видов 1, 3.

Protocol

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

1. Примеры Загрузка

  1. Снимите заднюю фланцев и разобрать 3/8 "трубки из нержавеющей сопла из аппарата (см. Рисунок 1 и Рисунок 2) и убедитесь, что она чистая и 100 мм отверстие ясно (это можно сделать, глядя на источник света через его). Для чистки, заполнения трубы с ~ 1 мл этанола и кустарников внутри с помощью ватного советы. Также можно разместить сопла в ультразвуковую ванну, наполненную водой с мылом или этаноле в течение 20 мин. Затем сухим сжатым воздухом.
  2. С помощью небольшой, чистый шпатель, место около 250 мг образца в передней части сопла, рядом с отверстием, но не блокирует его. Хороший способ избежать отверстия от того, чтобы их является размещение небольшой шар из алюминиевой фольги или стеклянной ваты в передней части отверстие, а затем добавить образца порошка. Используйте ватный наконечник, чтобы нажать на образец в пробирку, чтобы убедиться, что он находится в передней 25 мм трубки. Это передняя часть будет состоять из нагретогозоны.
  3. Снова насадки на аппарат осторожно, чтобы избежать перемещения образца порошком внутри. Затем приложите птичья клетка адаптера (см. Рисунок 2), блок нагревателя и термопары (см. Рисунок 3).
  4. Перед закрытием вакуумной камере, измерить расстояние от поверхности фланца до кончика сопла, чтобы быть 22,5 дюйма, это позволит 0,5 дюйма между соплом и скиммер.
  5. Когда вакуумная камера закрыта, проверьте картридж нагревателя и термопары соединения, чтобы убедиться, что они хорошо связан с проходными разъемами.
  6. Убедитесь, что вход газа-носителя клапан закрыт.
  7. Закройте клапан вентиляции (если она используется).
  8. Медленно начинаем насосной камеры с использованием чернового насосы (4 клапанами), и, когда давление в камере <1 Торр, начать турбомолекулярные насосов (5 насосов).
  9. Когда давление в камере <10 -6 Торр, применять напряжение в ионной оптикиНа момент полета масс-спектрометр, а микроканальной пластины детектора (напряжение на последнем должен быть включен постепенно) (см. рисунок 1 для различных напряжений).
  10. Откройте затвор VUV чтобы фотонного пучка в камере.
  11. Откройте входной клапан газа-носителя и установите регулятор давления на поддержку 460 (это вакуумный регулятор, измерения в отрицательной шкале от 0 до -760 мм.рт.ст., следовательно, при установке до 460 она будет регулировать давление в линии до 300 мм рт.ст.) .
  12. В этих условиях давление в камерах источник и масс-спектрометра должны быть ~ 1 х 10 -6 Торр и ~ 1 х 10 -6 Торр, соответственно.

2. Приобретение Масс-спектр

  1. Начало быстрая карта (номер модели P7889, 100 пс / БИН) программное обеспечение на компьютер и запустить в фоновом режиме.
  2. Откройте приобретение Labview данные программы: "Общая Interface.vi" * (рис. 4)

(* Это программное обеспечение и другие коды Labview были разработаны в beamline и доступны делиться ни по стоимости от соответствующих автора)

  1. На закладке ALS управления в программном обеспечении Labview, установить энергия фотона в нужную длину волны.
  2. На вкладке масштабирования, установить количество единиц времени, чтобы быть вместе сегментирования (обычно 32), диапазон (число контейнеров) и зачисток (число масс-спектров добавил друг на друга, чтобы сформировать окончательный масс-спектра), то Нажмите Принять, так что эти значения будут сохранены и использованы.
  3. Затем нажмите кнопку получить данные, чтобы начать сбор данных. При приобретении закончился, масс-спектре появится на экране.
  4. Сохранить масс-спектр, нажав на кнопку Сохранить. (Оси Х полученного спектра соответствует ионной время полета в 100 единиц пс)
TLE "> 3. Приобретение кривая эффективности фотоионизации (PIE)

  1. На закладке ALS Scan (рис. 5) в программном обеспечении Labview, можно получить данные при настройке одной из beamline двигателей. В этом случае, выберите двигателя "Mono T3 энергии" настроиться на различных энергий фотона (ОИ внутри синхротрона будет двигаться автоматически в соответствии с желаемой длины волны). Установить энергии фотонов в нужное значение (в эВ).
  2. Введите начальную и конечную энергию (в эВ), а также размер шага.
  3. Не входите в число зачисток - это будут обновляться автоматически по значению, введенному в пункте 2.4.
  4. Нажмите Читать ток от K486 читать фототок измеряется фотодиодом.
  5. Далее, нажмите кнопку Пуск, чтобы начать сканирование. Вам будет предложено выбрать имя файла, где будут храниться данные в конце пробега.
  6. В первой колонке в кон файла данныхTain номер ячейки (Bin #) и должны быть преобразованы в единицы массы 13. Типичные значения: Вес = 0,6 + 1xE-3 (Bin #) + 5xe-7 (Bin #) ^ 2 (более точную массу калибровки можно сделать с помощью известных смеси газов или даже воздуха в помещении, т.е. главным образом O 2, N 2 и H 2 O смеси и установки времени своего прибытия в полином второго порядка)
  7. Сохраните файл данных с первого столбца преобразуется в массу.
  8. Для построения кривой PIE, самый простой способ состоит в использовании вторую программу Labview называется «ALS энергии scan.vi", которая предназначена для анализа данных сканирования и производить пироги.

4. Построение кривых эффективности фотоионизации (PIE)

  1. Как отмечалось выше, анализ может быть сделано с помощью "ALS энергии scan.vi" (см. Рисунок 6), однако мы также будем здесь описывать шаги, необходимые для анализа данных и без него.
  2. При запуске программы вам будет предложено выбрать файл containinг данные. Это файл, сохраненный на шаге 3.7 и содержат массу в первом столбце и рассчитывает ионов при различных энергиях фотонов в следующей колонны. Отметим, что первый и второй строки в файле указывают на энергию фотона и фототока данных в этом столбце, соответственно.
  3. В верхней панели есть 2D графика данных, перемещения красной горизонтальных маркера выбирает масс-спектров в определенной энергией фотона, который будет отображаться в нижней панели.
  4. Следующий шаг заключается в интеграции ионов пунктам удельная масса каждого фотона в энергию, вычитания фонового сигнала. В нижней панели двумя вертикальными красными маркерами должны быть установлены вокруг масса пика должны быть интегрированы в то время как два синих маркеров вокруг соседнего региона нет данных, которые могут служить в качестве справочного значения. Программа будет представлена ​​комплексная данных минус фона в панели справа.
  5. Чтобы представить истинную кривую PIE надо исправить ионов рассчитывает в тот или иной поток фотоновт каждый шаг. Это делается автоматически с помощью программного обеспечения. Если вы решите пропустить эту коррекцию, нажмите кнопку, чтобы выключить кнопку текущего поправки к правой верхней панели. Если вы решили сделать этот шаг вручную, квантовой эффективности фотодиодов на энергию фотона должна быть рассмотрена, а также (получено с фотодиода производителя и доступны через соответствующий автора), см. формулу 1. В противном случае, все это делается автоматически с помощью программного обеспечения.

Уравнение 1

  1. Нажмите кнопку сохранить спектра в нижнем правом углу, чтобы сохранить исправленный PIE кривой.

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

На рисунке 7 показан типичный масс-спектр сверхзвукового расширения 1,3-dimethyluracil пары (А) и PIE кривых трех основных характеристик (мономера при м / з 140, протонирована мономера в т / г 141, и 1 ,3-dimethyluracil димера в м / з 280), как извлечь из VUV сканирования от 8 эВ и 10 эВ (B). Серая тень стандартное отклонение от трех последовательных сканирований.

Рисунок 1
Рисунок 1. Схема экспериментальной установки с напряжением показано на рисунке. (1) Microchannel детектор пластиной, (2) зеркала рефлектора, (3) Молекулярная области Beam, (4) ионная оптика для экстракции.

Рисунок 2
Рисунок 2.

Рисунок 3
Рисунок 3. Нагреватель блока с соплом, отопление картридж и термопары.

Рисунок 4
Рисунок 4. Графический интерфейс пользователя программы сбора данных. Нажмите, чтобы увеличить показатель .

Рисунок 5
Рисунок 5. Графический интерфейс пользователя данных переменного токаquisition программа для сканирования эффективности фотоионизации. Нажмите, чтобы увеличить показатель .

Рисунок 6
Рисунок 6. Графический интерфейс пользователя программы анализа данных. Нажмите, чтобы увеличить показатель .

Рисунок 7
Рисунок 7. Спектр масс и эффективности фотоионизации кривой для 1,3-dimethyluracil молекулярного пучка.

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

Мономеры и димеры образуются в сверхзвуковой струе расширение которых приводит к молекулярного пучка. Небольшой образец ДНК база находится в тепловых источников испарения и нагревают до генерировать достаточное давление пара. Аргон несет паров через 100 мкм отверстие и проходит 2 мм Скиммер для производства холодного молекулярного пучка 14. Кроме того, эффузивных источника пучка может быть использован, в котором образец помещают в нагретую духовку прикреплены к отпугиватель пластины (ионная оптика) масс-спектрометра.

Мы используем свет вакуумного ультрафиолета (7.4-25 эВ), мягко ионизируют молекулы одного фотона ионизация, этот метод сводит к минимуму фрагментацию и вторичных процессов и не имеет себе равных по традиционным методикам ионизации использованием электронных схем воздействия. Ионы образуются в области взаимодействия Wiley-McLaren 13 рефлектрон время-пролетной масс-спектрометр, где они в конечном итоге обнаружены утраМОИК канал пластины. На выходе детектора подается на предварительный усилитель и карты multiscaler в персональный компьютер, где данные сохраняются для последующего анализа. Квази-непрерывного излучения поступает из ондулятора расположен на синхротроне (дополнительный источник света), а затем проходит через газовый фильтр, где высшие гармоники света будут удалены и рассеяны через 3 м монохроматор, чтобы обеспечить максимальным разрешением 5 мэВ.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Эксперименты проводились на Beamline химической динамики на дополнительный источник света, Lawrence Berkeley National Laboratory и при поддержке Управления науки, Управлением основной энергии наук, из Министерства энергетики США по контракту № DE-AC02-05CH11231, через Отдел химических наук.

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).
Молекулярная масс-спектрометрии ширина с перестраиваемой вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) синхротронного излучения
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