Molekylär Beam masspektrometri med sökbara Vacuum Ultraviolet (VUV) Synkrotronljusfysik

Summary

En molekylär balk kopplad till avstämbara vakuum ultraviolett photoionization masspektrometer vid en synkrotron erbjuder ett praktiskt verktyg för att utforska den elektroniska strukturen av isolerade molekyler gasfas och kluster. Proton överföringsmekanismer i DNA bas dimerer klargjordes med denna teknik.

Abstract

Avstämbara mjuk jonisering kopplad till masspektroskopi är en kraftfull metod för att undersöka isolerade molekyler, komplex och kluster samt deras spektroskopi och dynamik ^1-4. Grundläggande studier av photoionization processer biomolekyler ger information om den elektroniska strukturen av dessa system. Dessutom bestämningar av jonisering energier och andra egenskaper av biomolekyler i gasfas är inte trivial, och dessa experiment ger en plattform för att generera dessa data. Vi har utvecklat en termisk förångning teknik i kombination med supersonic molekylära strålar som ger ett skonsamt sätt att transportera dessa arter i gasfas. Lämplig kombination av källgas och temperatur medger bildande av dimerer och högre kluster av DNA-baser. Fokus i denna arbete är om effekterna av icke-kovalenta interaktioner, dvs vätebindning, stapling och elektrostatiska interaktioner, på joniseringsspetsarna energier ochproton överföring av enskilda biomolekyler, deras komplex och på mikro-hydrering av vatten ^{1, 5-9.}

Vi har utfört experimentell och teoretisk karakterisering av photoionization dynamik gasfas uracil och 1,3-dimetyluracil dimerer med molekylära strålar i kombination med synkrotronstrålning vid Chemical Dynamics Beamline ¹⁰ belägen vid Advanced Light Source och experimentella detaljer visualiseras här. Detta tillät oss att observera proton överföring i 1,3-dimetyluracil dimerer, ett system med pi stapling geometri och utan vätebindningar ^1. Molekylära strålar ger ett mycket bekvämt och effektivt sätt att isolera provet av intresse från miljö-störningar som i sin tur möjliggör noggrann jämförelse med elektroniska struktur beräkningar ^{11, 12.} Genom att ställa fotonen energi från synkrotron, en photoionization effektivitet (PIE) kurva kan ritas som informerar oss om katjoniskaelektroniska tillstånd. Dessa värden kan sedan jämföras med teoretiska modeller och beräkningar och i sin tur förklara i detalj den elektroniska strukturen och dynamiken av de undersökta arterna ^{1, 3.}

Protocol

1. Provladdning

1. Ta bort den bakre flänsen och demontera 3/8 "rostfria munstycksröret från apparaten (se Figur 1 och Figur 2) och kontrollera att den är ren och 100 mm öppning är klart (Detta kan göras genom att titta på en ljuskälla genom den). Vid rengöring fylla röret med ~ 1 ml etanol och skrubba insidan med bomull tips. Alternativt, placera munstycket i ett ultraljudsbad fylld med tvål och vatten eller etanol i ca 20 minuter. Sedan torka med tryckluft.
2. Med hjälp av en liten, ren spatel, plats omkring 250 mg prov i den främre delen av munstycket, nära öppningen men inte blockerar den. En bra metod för att undvika öppningen från att blockeras är att placera en liten boll aluminiumfolie eller glasull framför öppningen och sedan lägga provet pulvret. Använd en bomull spets för att trycka provet in i röret för att säkerställa att det är i den främre 25 mm av röret. Denna främre del kommer att innefatta den uppvärmdazon.
3. Sätt tillbaka munstycket till anordningen noga för att undvika förflyttning av provet pulvret inuti. Sedan fäster fågelbur adaptern (se figur 2), värmare block och termoelement (se figur 3).
4. Före stängning av vakuumkammaren, mäta avståndet från flänsytan till spetsen av munstycket att vara 22,5 inches, vilket kommer att tillåta 0,5 tum mellan munstycket och bräddavloppet.
5. När vakuumkammaren är stängd testa värmepatronen och termoelement anslutningarna för att se att de väl är anslutna till foder-skarvhylsor.
6. Se till bärargasen inloppsventilen är stängd.
7. Stäng avluftningsventilen (om den användes).
8. Sakta börja pumpa kammaren med hjälp av grovbearbetning pumparna (4 ventiler), och när trycket i kammaren är <1 torr, starta turbopumpar (5 pumpar).
9. När trycket i kammaren är <10 ^-6 torr, tillämpa de spänningar jonen optikav flygtiden masspektrometer, och mikrokanalplatta-detektor (spänningen på den senare ska aktiveras gradvis) (Se figur 1 för olika spänningar).
10. Öppna VUV slutaren att tillåta fotonstråle i kammaren.
11. Öppna transportören ventilens gasinloppet och ställa regulatorn stöd trycket till 460 (detta är en vakuumregulator, som mäter i en negativ skala från 0 till -760 torr, således när den är inställd på 460 det kommer att reglera trycket i ledningen till 300 torr) .
12. Under dessa betingelser trycket i källan och masspektrometern kammare bör vara ~ 1 x 10 ^-6 torr och ~ 1 x 10 ^-6 torr resp.

2. Förvärv av Masspektrum

1. Starta FAST-kortet (modellnummer P7889, 100 ps / bin) programvara på datorn och låta det gå i bakgrunden.
2. Öppna Labview datainsamling programmet: "General Interface.vi" * (Figur 4)

(* Denna programvara och de andra LabVIEW-koder utvecklades vid strålröret och är tillgängliga för att dela utan kostnad från motsvarande författare)

3. Använda ALS fliken Kontroll i Labview programvara ställer fotonen energi till den önskade våglängden.
4. På scaler fliken, anger antalet tidsenheter som arkiveras tillsammans (typiskt 32), intervallet (antalet fack) och svep (antalet masspektra lades ovanpå varandra för att bilda den slutliga masspektrumet), sedan Klicka på Acceptera, så att dessa värden kommer att lagras och användas.
5. Klicka därefter hämta data för att påbörja datainsamlingen. När förvärvet är över kommer masspektrum visas på skärmen.
6. Spara masspektrum genom att klicka på knappen Spara. (X-axeln av den erhållna spektrumet motsvarar den jon flygtid i 100 ps-enheter)

TLE "> 3. Förvärv av Photoionization effektivitetskurvan (PIE)

1. Använda ALS Scan fliken (Figur 5) i Labview programvara är det möjligt att få data medan tuning en av strålröret motorer. I detta fall väljer motorn "Mono T3 energi" för att ställa över olika fotonenergier (undulatorn inne i synkrotron flyttar automatiskt för att matcha den önskade våglängden). Ställ fotonenergi till önskat värde (i eV).
2. Ange start-och energi Stop (i eV) samt Step storlek.
3. Gå inte in antalet svep - detta kommer att uppdateras automatiskt med värdet du angav i steg 2,4.
4. Klicka på Läs ström från K486 läsa fotoström mätt med fotodioden.
5. Sedan klickar du på Start för att starta skanningen. Du uppmanas att välja ett filnamn där data lagras i slutet av körningen.
6. Den första kolumnen i datafilen konupprätthålla bin nummer (Bin #) och måste omvandlas till massenheter ^13. Typiska värden är: Mass = 0,6 + 1xE-3 (Bin #) + 5xE-7 (Bin #) ^ 2 (En mer exakt massa kalibrering kan göras med en känd blandning av gaser eller rumsluft dvs mestadels O _2, N ₂ och H ₂ O blandning och montera sin ankomsttid till en andra ordningens polynom)
7. Spara datafilen med den första kolumnen omvandlas till massa.
8. Att rita en cirkel kurva, är ett enkelt sätt att använda en andra Labview program som heter "ALS energi scan.vi" som är utformad för att analysera skannade data och pajer.

4. Plotta en kurva Photoionization Effektivitet (PIE)

1. Som nämnts ovan kan analysen göras med "ALS energi scan.vi" (se figur 6), men vi kommer också att beskriva här de åtgärder som behövs för att analysera data utan den.
2. När du startar programmet kommer du bli ombedd att välja filen containing. data. Detta är den fil du sparade i steg 3,7 och innehåller massor i den första kolumnen och jon räknas på olika fotonenergier under de närmaste kolumner. Observera att den första och andra raderna i filen anger fotonen energi och fotoström av data i den kolumnen, respektive.
3. I den övre panelen finns en 2D diagram av data, flytta den röda horisontella markören väljer en masspektra vid en specifik fotonenergi som ska visas i den undre panelen.
4. Nästa steg är att integrera jon räkningarna av en specifik massa på varje fotonenergi samtidigt subtrahera bakgrundssignalen. I den nedre panelen de två vertikala röda markörer bör sättas runt masstopp att integreras medan de två blå markörer runt en närliggande region med några uppgifter som kan tjäna som bakgrund värde. Programvaran kommer att presentera de integrerade uppgifterna minus bakgrunden i panelen till höger.
5. Att presentera en sann PIE kurva ett måste korrigera jon räknas till varierande fotonflödet ent varje steg. Detta görs automatiskt av programmet. Om du väljer att hoppa över denna korrigering, klicka för att stänga av strömmen korrigering knappen till höger om den övre panelen. Om du väljer att göra detta steg manuellt, har den kvantmekaniska effektivitet fotodioden per fotonenergi betraktas som väl (som erhålls från fotodioden tillverkaren och tillgängliga via motsvarande författare), se ekvation 1. Annars är detta allt görs automatiskt av programvaran.

6. Klicka på Spara spektrum i det nedre högra hörnet för att spara den korrigerade PIE kurvan.

Representative Results

Figur 7 visar en typisk masspektrum av det supersoniska expansionen av 1,3-dimetyluracil ångor (A) och kurvorna cirkel av tre huvuddrag (monomeren vid m / z 140, protonerade monomeren vid m / z 141, och 1 ,3-dimetyluracil dimer vid m / z 280) utvinns från en VUV scan mellan 8 eV och 10 EV (B). Den grå skuggan är standardavvikelsen från tre på varandra följande genomsökningar.

Figur 1. Schematisk av den experimentella apparaten med visas spänningar. (1) mikrokanalplatta detektor, (2) Reflektor spegel, (3) Molecular Beam regionen, (4) Ion optik för extraktion.

Figur 2.

Figur 3. Värmare blocket med munstycket, uppvärmning patron och termoelement.

Figur 4. Grafiskt användargränssnitt för datainsamling programmet. Klicka här för att se större bild .

Figur 5. Grafiskt användargränssnitt för uppgifter acFörvärvet program för skanningar photoionization effektivitet. Klicka här för att se större bild .

Figur 6. Grafiskt användargränssnitt för dataanalys programmet. Klicka här för att se större bild .

Figur 7. En massa spektrum och photoionization effektivitet kurvan för en 1,3-dimetyluracil molekylär balk.

Discussion

Monomererna och dimerer genereras i en överljuds stråle expansion som ger upphov till en molekylär stråle. Ett litet prov av DNA-basen placeras i en termisk förångning källa och upphettades för att alstra tillräckligt ångtryck. Argongas bär ångorna genom en 100 fim öppning och passerar en 2 mm skimmer att producera en kall molekylär stråle ^14. Alternativt, kan en översvallande strålkälla användas, där provet placeras i en uppvärmd ugn fäst repellern plattan (jon optik) i masspektrometern.

Vi använder lätta vakuum ultraviolett (7,4-25 eV) för att mjukt jonisera molekyler genom en enda foton jonisering, minimerar denna metod fragmenteringen och sekundära processer och är oöverträffad av traditionella jonisering tekniker använder elektronstöt system. Jonerna alstras i interaktionen regionen av en Wiley-McLaren ¹³ reflectron Time-of-Flight Mäss Spectrometer, där de så småningom detekteras av AMicro kanalplattan. Detektorns utsignal matas till en förförstärkare och en multiscaler kort i en persondator där data sparas för ytterligare analys. Den kvasi-kontinuerlig strålning kommer från en undulator ligger vid synkrotron (Advanced Light Source) och sedan passerar genom ett gasfilter där högre övertoner av ljuset avlägsnas och sprids via en 3 m monokromator för att ge en maximal upplösning på 5 MeV.

Materials

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