Login processing...

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

Engineering

Haces Moleculares Espectrometría de Masas con luz ultravioleta sintonizable vacío Radiación (VUV) Sincrotrón

doi: 10.3791/50164 Published: October 30, 2012

Summary

Un haz molecular acoplada a espectrómetro ultravioleta de vacío ajustable masa fotoionización en un sincrotrón es una cómoda herramienta para explorar la estructura electrónica de las moléculas aisladas de fase gaseosa y clusters. Mecanismos de transferencia de protones en dímeros de bases de ADN fueron determinadas con esta técnica.

Abstract

Ajustable de ionización suave acoplado a espectrometría de masas es un poderoso método para investigar moléculas aisladas, los complejos y los grupos y su dinámica y espectroscopia 1-4. Los estudios fundamentales de procesos de fotoionización de biomoléculas proporcionar información acerca de la estructura electrónica de estos sistemas. Además determinaciones de energías de ionización y otras propiedades de las biomoléculas en la fase gaseosa no son triviales, y estos experimentos proporcionan una plataforma para generar estos datos. Hemos desarrollado una técnica de vaporización térmica junto con haces moleculares supersónicos que proporciona una manera suave para el transporte de estas especies en la fase gaseosa. Combinación juiciosa de gas de la fuente y de la temperatura permite la formación de dímeros y mayores clusters de las bases de ADN. El enfoque de este trabajo en particular es sobre los efectos de las interacciones no covalentes, es decir, enlaces de hidrógeno, apilamiento y las interacciones electrostáticas, en las energías de ionización yde transferencia de protones de biomoléculas individuales, sus complejos y en micro-hidratación por agua 1, 5-9.

Se ha realizado la caracterización experimental y teórico de la dinámica de fotoionización de uracilo en fase gaseosa y dímeros 1,3-dimetiluracilo utilizando haces moleculares, junto con radiación sincrotrón en la línea de luz Dinámica Química 10 ubicada en la fuente de luz avanzada y los detalles experimentales se visualizan aquí. Esto nos permitió observar la transferencia de protones en el dímero 1,3-dimetiluracilo, un sistema con pi apilamiento geometría y sin un enlaces de hidrógeno. Haces moleculares proporcionan una manera muy conveniente y eficiente para aislar la muestra de interés de las perturbaciones ambientales que a su vez permite la comparación exacta con los cálculos de estructura electrónica 11, 12. Al ajustar la energía de los fotones del sincrotrón, una eficiencia de fotoionización (PIE) se puede trazar la curva que nos informa sobre el catiónicaelectrónicos de los estados. Estos valores se pueden comparar con los modelos teóricos y los cálculos y, a su vez, explicar en detalle la estructura electrónica y la dinámica de las especies investigadas 1, 3.

Protocol

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

1. Muestra Cargando

  1. Retire la brida hacia atrás y desmontar de 3/8 "tubo inoxidable boquilla del aparato (Ver Figura 1 y Figura 2) y asegúrese de que está limpio y el orificio de 100 mm es claro (Esto se puede hacer mirando a través de una fuente de luz ella). Para la limpieza, llenar el tubo con etanol ~ 1 ml y fregar el interior con puntas de algodón. Alternativamente, coloque la boquilla en un baño ultrasónico llenado con agua y jabón o etanol durante aproximadamente 20 minutos. Luego seque con aire comprimido.
  2. El uso de un pequeño, espátula limpia lugar, aproximadamente 250 mg de muestra en la parte frontal de la boquilla, cerca del orificio, pero no lo bloquean. Un buen método para evitar el orificio que se bloquee es colocar una bola pequeña de papel de aluminio o lana de vidrio en frente del orificio y luego añadir el polvo de la muestra. Utilice una punta de algodón para empujar la muestra en el tubo para asegurar que esté en la parte delantera 25 mm del tubo. Esta parte frontal comprenderá el calentadazona.
  3. Vuelva a colocar la boquilla en el aparato cuidadosamente para evitar mover la muestra de polvo en el interior. A continuación, conecte el adaptador de jaula (Ver Figura 2), el bloque calefactor y un termopar (Ver Figura 3).
  4. Antes de cerrar la cámara de vacío, medir la distancia desde la superficie de la brida a la punta de la tobera es 22,5 pulgadas, lo que permitirá 0,5 pulgadas entre la boquilla y el skimmer.
  5. Cuando la cámara de vacío está cerrado, probar el cartucho calentador y las conexiones de termopares para asegurarse de que están bien conectados a los conectores través de los piensos.
  6. Asegúrese de que la válvula de entrada de gas portador está cerrado.
  7. Cierre la válvula de ventilación (si se utiliza).
  8. Lentamente comenzar a bombear la cámara utilizando las bombas de desbaste (4 válvulas), y cuando la presión en la cámara es <1 torr, en marcha las bombas turbomoleculares (5 bombas).
  9. Cuando la presión en la cámara es <10 -6 torr, se aplican los voltajes a la óptica de ionesdel tiempo de vuelo espectrómetro de masas, y el detector de placa de micro-canales (el voltaje en el último debe ser activado gradualmente) (Ver Figura 1 para diferentes tensiones).
  10. Abrir el obturador VUV para permitir que el haz de fotones en la cámara.
  11. Abrir la válvula de entrada de gas portador y ajustar el regulador de presión de respaldo a 460 (esto es un regulador de vacío, que mide en una escala negativa desde 0 hasta -760 torr, por lo tanto, cuando se establece en 460 se regula la presión en la línea a 300 torr) .
  12. Bajo estas condiciones, la presión en las cámaras del espectrómetro de origen y de masa debe ser ~ 1 x 10 -6 torr y 1 ~ x 10 -6 torr, respectivamente.

2. Adquisición de un espectro de masas

  1. Inicie la tarjeta FAST (número de modelo P7889, 100 ps / bin) de software en el equipo y dejarlo funcionando en segundo plano.
  2. Abra el programa Labview de adquisición de datos: "General Interface.vi" * (Figura 4)

(* Este software y el resto de los códigos Labview se desarrollaron en la línea de luz y están disponibles para compartir sin costo por parte del autor correspondiente)

  1. Uso de la ficha de control de la ELA en el software Labview, establezca la energía de los fotones de la longitud de onda deseada.
  2. En la ficha de raspador, establecer el número de unidades de tiempo para ser desechado junto (típicamente 32), la gama (número de contenedores) y barridos (el número de espectros de masa añadido el uno encima del otro para formar el espectro de masa final), entonces Haga clic en Aceptar, por lo que estos valores serán almacenados y utilizados.
  3. A continuación, haga clic en obtener datos para iniciar la adquisición de datos. Cuando la adquisición es más, el espectro de masas aparecerá en la pantalla.
  4. Guarde el espectro de masas haciendo clic en el botón Guardar. (El eje X del espectro obtenido se corresponde con el tiempo de vuelo de iones en 100 unidades PS)
tle "3>. Adquisición de una curva de eficiencia de fotoionización (PIE)

  1. Uso de la ficha ALS Scan (Figura 5) en el software Labview, es posible adquirir datos durante la afinación uno de los motores en línea de haz. En este caso, seleccione el motor "energía Mono T3" para sintonizar a través de diferentes energías de fotones (El ondulador dentro del sincrotrón se moverá automáticamente para que coincida con la longitud de onda deseada). Establecer la energía del fotón en el valor deseado (en eV).
  2. Entre el inicio y parada de energías (en eV), así como el tamaño de paso.
  3. No ingrese el número de barridos - esto será actualizado automáticamente por el valor que introdujo en el paso 2.4.
  4. Haga clic en lectura actual de K486 a leer la fotocorriente medida por el fotodiodo.
  5. A continuación, haga clic en Iniciar para iniciar la exploración. Se le pedirá que elija un nombre de archivo donde los datos se almacenan en el final de la carrera.
  6. La primera columna en el archivo de datos conmantener el número de bin (Bin #) y deben ser convertidos a unidades de masa 13. Los valores típicos son: Masa = 0,6 + 1xE-3 (Bin #) + 5xE-7 (Bin #) ^ 2 (A calibración de masa más precisa se ​​puede hacer usando una mezcla conocida de los gases o incluso la habitación aire es decir, principalmente O 2, N 2 y H 2 O mezcla y ajustando su hora de llegada a un polinomio de segundo orden)
  7. Guardar el fichero de datos con la columna primero se convierte en masa.
  8. Para trazar una curva PIE, una forma fácil es usar un segundo programa Labview llamado "ALS energía scan.vi", que está diseñado para analizar los datos de la exploración y producción de las EIP.

4. Trazar una curva de eficiencia de fotoionización (PIE)

  1. Como se ha señalado anteriormente, el análisis se puede hacer a través del "ELA energía scan.vi" del programa (ver Figura 6), sin embargo también describiremos aquí los pasos necesarios para analizar los datos sin ella.
  2. Al iniciar el programa se le pedirá que seleccione el archivo containing de los datos. Este es el archivo que guardó en el paso 3.7 y contienen masas en los primeros recuentos de columna y de iones a diferentes energías de fotones en las columnas siguientes. Tenga en cuenta que las filas primera y segunda en el archivo de indicar la energía del fotón y de la fotocorriente de los datos de la columna, respectivamente.
  3. En el panel superior hay un complot en 2D de los datos, mover el marcador horizontal roja selecciona un espectro de masas a una energía específica de fotones que se mostrará en el panel inferior.
  4. El siguiente paso es integrar los recuentos de iones de una masa específica a cada energía fotónica mientras que restar la señal de fondo. En el panel inferior los dos marcadores verticales de color rojo se debe establecer alrededor del pico de masa a ser integrada, mientras que los dos marcadores azules alrededor de una región cercana sin datos que pueden servir como valor de fondo. El software se presentarán los datos integrados, menos el fondo en el panel de la derecha.
  5. Presentar una curva PIE cierto hay que corregir los conteos de iones para el flujo de fotones variar unt cada paso. Esto se hace automáticamente por el software. Si decide omitir esta corrección, haga clic para desactivar el botón de corrección actual a la derecha del panel superior. Si usted decide hacer este paso manualmente, la eficiencia cuántica del fotodiodo por la energía fotónica tiene que ser considerado también (obtenido del fabricante del fotodiodo y disponible a través del autor correspondiente), véase la ecuación 1. De lo contrario, todo esto es hecho automáticamente por el software.

Ecuación 1

  1. Haga clic en Guardar espectro en la esquina inferior derecha para guardar la curva PIE corregido.

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

La Figura 7 muestra un espectro de masa típica de la expansión supersónica de los vapores 1,3-dimetiluracilo (A) y las curvas de sectores de las tres características principales del monómero (a m / z 140, monómero protonado a m / z 141, y el 1 ,3-dimetiluracilo dímero a m / z 280) como se extrae de una exploración VUV entre 8 eV y 10 eV (B). La sombra gris es la desviación estándar de tres exploraciones consecutivas.

Figura 1
Figura 1. Esquema del aparato experimental con voltajes mostrados. (1) detector de placa microcanal, (2) espejo reflector, (3) región Haces Moleculares, (4) la óptica de iones para la extracción.

Figura 2
Figura 2.

Figura 3
Figura 3. Calentador de bloque con la boquilla, el cartucho calentador y termopar.

Figura 4
Figura 4. Interfaz gráfica de usuario del programa de adquisición de datos. Haga clic aquí para ampliar la cifra .

Figura 5
Figura 5. Interfaz gráfica de usuario de la ac datosquisición programa de eficiencia para las exploraciones de fotoionización. Haga clic aquí para ampliar la cifra .

La figura 6
Figura 6. Interfaz gráfica de usuario del programa de análisis de datos. Haga clic aquí para ampliar la cifra .

Figura 7
Figura 7. Un espectro de masas y la curva de eficiencia de fotoionización para un haz de 1,3-dimetiluracilo molecular.

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

Los monómeros y dímeros se generan en una expansión de chorro supersónico que da lugar a un haz molecular. Una pequeña muestra de la base de ADN se coloca en una fuente de vaporización térmica y se calienta para generar presión de vapor suficiente. El gas argón lleva los vapores a través de un orificio de 100 micras y se pasa un skimmer mm 2 para producir un haz molecular frío 14. Alternativamente, una fuente de haz efusiva se puede utilizar, donde la muestra se coloca en un horno calentado unido a la placa del reflector (óptica de iones) del espectrómetro de masas.

Utilizamos la luz ultravioleta de vacío (7,4 a 25 eV) para ionizar las moléculas suavemente por ionización solo fotón, este método minimiza la fragmentación y procesos secundarios y no tiene comparación con las técnicas tradicionales que utilizan sistemas de ionización de impacto electrónico. Los iones son producidos en la región de interacción de un Wiley-McLaren 13 Espectrómetro de masas reflectron de Tiempo de Vuelo donde son eventualmente detectado por amicro canal plato. La salida del detector se alimenta en un pre-amplificador y una tarjeta de multiscaler en un ordenador personal en el que se guardan los datos para su posterior análisis. La radiación cuasi-continua llega de un ondulador situado en el sincrotrón (Advanced Light Source), y luego pasa a través de un filtro de gas donde los armónicos más altos de la luz se retiran y se dispersa a través de un monocromador de 3 m para proporcionar una resolución máxima de 5 meV.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Los experimentos se llevaron a cabo en la línea de luz Dinámica Química de la fuente de luz avanzada, Lawrence Berkeley National Laboratory y el apoyo de la Oficina de Ciencia, Oficina de Ciencias Básicas de la Energía, del Departamento de Energía de EE.UU. bajo el Contrato No. DE-AC02-05CH11231, a través de la División de Ciencias Químicas.

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).
Haces Moleculares Espectrometría de Masas con luz ultravioleta sintonizable vacío Radiación (VUV) Sincrotrón
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