Summary
Bir sinkrotron de ayarlanabilir vakum ultraviole fotoiyonizasyon kütle spektrometresi birleştiğinde bir moleküler demet izole gaz fazında moleküller ve kümelerin elektronik yapısını keşfetmek için uygun bir araç sağlar. DNA baz dimerleri Proton transferi mekanizmaları bu teknik ile aydınlatılmıştır.
Abstract
Kütle spektroskopisi birleştiğinde Ayarlanabilir yumuşak iyonlaşma izole moleküller, kompleksleri ve kümeleri ve onların spektroskopi ve dinamiği 1-4 araştırmak için güçlü bir yöntemdir. Biyomoleküllerin fotoiyonizasyon süreçlerinin temel çalışmaları bu sistemlerin elektronik yapısı hakkında bilgi sağlamak. Ayrıca iyonlaşma enerjileri ve gaz fazında biyomoleküllerin diğer özelliklerinin belirlenmesinin önemsiz değildir ve bu deneyler bu verileri oluşturmak için bir platform sağlar. Biz gaz fazına bu türlerin taşımak için yumuşak bir yol sağlar süpersonik moleküler kirişler ile birleştiğinde termal buharlaşma tekniği geliştirdik. Gaz kaynağı ve sıcaklık makul kombinasyon dimerler ve DNA bazlarının en yüksek kümelerinin oluşumunu sağlar. Bu özel çalışmanın odak iyonlaşma enerjileri, kovalent olmayan etkileşimler, yani hidrojen bağı, istifleme ve elektrostatik etkileşimlerin etkileri vebireysel biyomoleküllerin, kendi kompleksleri ve su 1, 5-9 tarafından üzerine mikro-hidrasyon proton transferi.
Biz burada görselleştirildiği Gelişmiş Işık Kaynağı bulunan Kimyasal Dynamics beamline 10 ve deney ayrıntıları Sinkrotron ışınımı ile birleştiğinde molekül demetleri kullanarak fotoiyonizasyon gaz-fazı urasil dinamikleri ve 1,3-dimethyluracil dimerleri deneysel ve teorik karakterizasyonu gerçekleştirdik. Bu bizi pi geometri istifleme ile ve hidrojen bağları 1, 1,3-dimethyluracil dimerleri, bir sistem proton transferi gözlemlemek için izin verildi. Moleküler kirişler karşılığında elektronik yapı hesaplamaları 11, 12 ile doğru bir karşılaştırma sağlar çevresel tedirginlikler ilginin örnek izole etmek için çok uygun ve verimli bir şekilde sağlar. Katyonik hakkında bizi bilgilendirir sinkrotron, eğri çizilebilir bir fotoiyonizasyon verimlilik (PIE) gelen foton enerjisi ayar tarafındanelektronik devletler. Bu değerler daha sonra teorik modeller ve hesaplamalar ile karşılaştırıldığında ve sırayla, ayrıntılı İncelenen türler 1, 3 elektronik yapısı ve dinamikleri açıklamak mümkündür.
Protocol
1. Örnek Yükleme
- Arka flanş çıkarın ve cihazdan 3/8 "paslanmaz nozul tüp sökmeye (Şekil 1 ve Şekil 2) ve temiz ve 100 mm orifis (Bu üzerine bir ışık kaynağı bakarak yapılabilir açık olduğundan emin olun o). temizleme işlemi için, ~ 1 ml etanol ile tüp doldurmak ve pamuk uçları kullanarak içinde ovma. Alternatif olarak, yaklaşık 20 dakika için sabun ve su ya da etanol ile dolu bir ultrasonik banyo içinde meme yerleştirin. basınçlı hava ile daha sonra kuru.
- Yakın orifis için, meme ön kısmında örnek 250 mg hakkında küçük, temiz bir spatül, yerde kullanma ama engelleme yok. Engellenmiş dan delik önlemek için iyi bir yöntem deliğin önünde küçük bir alüminyum folyo ya da top cam yünü yerleştirmek ve sonra örnek toz eklemektir. O tüpün ön 25 mm olmasını sağlamak için tüp içine itmek için örnek bir pamuk ucu kullanın. Bu ön kısmı ısıtmalı oluşacaktırbölge.
- Içindeki örnek toz hareketli önlemek için dikkatli bir aparata meme takın. Sonra birdcage adaptörü (Bakınız Şekil 2), ısıtıcı blok ve termokupl (Bakınız Şekil 3) takın.
- Vakum odası kapatmadan önce, flanş yüzeyi 22.5 inç olacak şekilde memenin ucu olan mesafeyi ölçmek, bu meme ve kepçe olarak yaklaşık 0.5 inç izin verir.
- Vakum odası kapalı olduğunda, onlar da geçişli bağlantı bağlı olduğundan emin olmak için ısıtıcı kartuş ve termokupl bağlantılarını sınayın.
- Taşıyıcı gaz giriş vanası kapalı olduğundan emin olun.
- Havalandırma vanası (eğer kullanıldıysa) kapatın.
- Yavaşça kaba pompaları (4 valf) kullanarak odasına pompalama başlar ve odasındaki basınç <1 torr olduğunda, (5 pompalar) turbomoleküler pompalar başlatın.
- Odasındaki basınç <10 -6 Torr olduğu zaman, iyon optik için gerilim uygulamakuçuş kütle spektrometresi ve mikro-kanal plaka dedektörü (ikincisi üzerinde gerilim yavaş yavaş açık olmalıdır) (çeşitli gerilimler için Bakınız Şekil 1) ve zaman.
- Odasında foton ışın izin VUV deklanşör açın.
- Taşıyıcı gaz giriş vanasını açın ve (bu nedenle 460 ayarlandığında zaman 300 torr için hattındaki basınç düzenleyecek, 0 -760 torr olumsuz bir ölçekte ölçme, bir vakum regülatörü) 460 desteğini basınç regülatörü ayarlayın .
- Bu koşullar altında, kaynak ve kütle spektrometresi odası içindeki basınç, yaklaşık 1 x 10 olmalıdır sırasıyla -6 torr ve yaklaşık 1 x 10 -6 torr.
2. Bir Kütle Spektrumu alımı
- Bilgisayarda FAST kartı (model numarası P7889, 100 ps / bin) yazılımını başlatın ve arka planda çalışmasına izin ver.
- "Genel Interface.vi" * (Şekil 4): Labview veri toplama programı açın
(* Bu yazılım ve diğer Labview kodları beamline geliştirilen ve ilgili yazarın hiçbir maliyeti paylaşmak için kullanılabilir edildi)
- Labview yazılım ALS Denetimi sekmesini kullanarak, istenen dalga boyuna foton enerjisi ayarlayın.
- Kazıyıcı sekmesinin (tipik olarak 32) birlikte binned için zaman birimi sayısı, aralık (depo sayısı) ve temizleyicileri (kütle spektrumu sayısı nihai kütle spektrumu oluşturacak şekilde birbiri üzerine eklendiği), sonra ayarlamak Bu değerler depolanan ve kullanılan olacak, böylece kabul tıklatın.
- Sonra, veri toplama başlamak için veri elde tıklatın. Edinimi bittiğinde, kütle spektrumu ekranda belirecektir.
- Kaydet düğmesini tıklayarak kütle spektrumu kaydedin. (Elde edilen spektrum bir X-ekseni 100 ps birimleri iyon uçuş süresi tekabül eder)
- ALS Scan sekmesini kullanarak (Şekil 5) Labview yazılımı, veri elde etmek mümkündür ayar beamline Motorlardan biri ise. Bu durumda, farklı foton enerjileri (sinkrotron içindeki salındırıcıya İstediğiniz dalgaboyu uyacak şekilde otomatik olarak hareket edecektir) üzerinde ayarlamak için motor "Mono T3 enerji" seçeneğini seçin. Istenen değeri (eV) için foton enerjisi ayarlayın.
- Başlat ve Durdur enerjileri (eV) yanı sıra Adım boyutunu girin.
- Silme sayısını girmeyin - Bu adımda 2.4 girilen değere göre otomatik olarak güncellenir.
- Fotodiyot tarafından ölçülen fotoakım okumak K486 akımı oku tıklatın.
- Ardından, tarama işlemini başlatmak için Başlat düğmesini tıklatın. Verilerin çalışma sonunda saklandığı bir dosya seçmeniz istenecektir.
- Veri dosyası con ilk sütunbin sayısı (Bin #) tain ve 13 toplu birimlere dönüştürülmesi gerekir. Tipik değerler şunlardır: Kütle = 0.6 + 1XE-3 (Bin #) + 5xE-7 (Bin #) ^ 2 (daha kesin bir kütle kalibrasyon bilinen bir gaz karışımı ya da hatta çoğunlukla örneğin oda havasında O 2, N kullanılarak yapılabilir 2 ve H 2 O karışımı ve bir ikinci dereceden polinom gelişlerini zaman uydurma)
- Kitle dönüştürülmüş ilk sütun veri dosyasını kaydedin.
- Bir PIE eğriyi çizmek için, bir kolay yolu tarama verilerini analiz etmek ve PIE'lerin üretmek için tasarlanmıştır "ALS enerji scan.vi" denilen ikinci bir Labview programı kullanmaktır.
4. Bir fotoiyonizasyon Verim Eğrisi (PIE) Plotting
- Yukarıda da belirtildiği gibi, analiz "ALS enerji scan.vi" programı (bkz. Şekil 6) kullanılarak yapılabilir, ancak biz de burada olmadan verileri analiz etmek için gerekli adımları anlatacağız.
- Programı çalıştırırken dosyayı containin seçmeniz istenecektirg veri. Bu, adım 3.7 'de kaydedilir ve bir sonraki sütunlar farklı foton enerjileri ilk sütun ve iyon sayılarında kitleleri içeren dosyadır. Dosyasının ilk ve ikinci sıra bu sütundaki veri foton enerjisi ve fotoakım, sırasıyla göstermektedir dikkat ediniz.
- Üst panelinde bir veri 2B komplo vardır; kırmızı yatay işaretleyici hareket alt panelinde görüntülenecek belirli bir foton enerjisi bir kütle spektrumları seçer.
- Bir sonraki adım, bir arka plan sinyali çıkarılması sırasında her bir foton enerjisi tesisindeki bir özel kütle iyonu sayısı birleştirmektir. Alt panelinde iki adet dikey kırmızı işaretleri entegre edilecek kitle tepe etrafında ayarlanmış olmalıdır temel değeri olarak hizmet verebilir hiçbir veri ile yakındaki bir bölgenin çevresinde iki mavi işaretleri ise. Yazılım sağdaki panelde arka eksi entegre veri sunacak.
- Gerçek bir PIE eğrisi sunmak biri değişen foton akısı bir iyon sayar düzeltmek gerekirt her adımda. Bu yazılım tarafından otomatik olarak yapılır. Bu düzeltme geçmek isterseniz, üst panelin sağ geçerli düzeltme düğmesini kapatmak için tıklayınız. Eğer bu adımı elle yapmak isterseniz, foton enerji başına fotodiyot kuantum verimliliği (fotodiyot üreticinin elde edilen ve ilgili yazarın uçabileceğiniz) yanı sıra dikkate alınması gereken, denklem 1'e bakınız. Aksi takdirde, bu tüm yazılım tarafından otomatik olarak yapılır.
- Düzeltilmiş PIE eğrisi kaydetmek için sağ alt köşedeki spektrum kaydetmek tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Şekil 7, 1,3-dimethyluracil buharın süpersonik genişleme (A), tipik bir kütle spektrumu ve üç ana özellikleri (m / z, 140, monomer, m / z 141 de protonlanır monomer, ve 1 PIE eğrileri görülmektedir m / z 280) de l ,3-dimethyluracil dimer olarak 8 eV ve 10 eV (B) arasında bir VUV tarama ekstre edilmiştir. Gri gölge arka arkaya üç taramaları standart sapmadır.
Şekil 1. Gösterilen voltaj deney cihazı şematik. (1) Mikrokanal plaka dedektörü, (2) yansıtıcı ayna, (3) Moleküler Ağırlığı bölge, ekstraksiyon için (4) İyon optik.
Şekil 2.
Meme Şekil 3. Isıtıcı blok, kartuş ve termokupl ısıtma.
Şekil 4. Veri toplama programının grafiksel kullanıcı arabirimi. büyük bir rakam görmek için buraya tıklayın .
Şekil 5. Veri ac grafiksel kullanıcı arabirimifotoiyonizasyon verimliliği taramalar için quisition programı. büyük bir rakam görmek için buraya tıklayın .
Şekil 6. Veri analizi programının grafiksel kullanıcı arabirimi. büyük bir rakam görmek için buraya tıklayın .
Şekil 7. A kütle spektrumu ve 1,3-dimethyluracil moleküler ışın için fotoiyonizasyon verim eğrisi.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Monomerler ve dimerleri bir moleküler ışın doğurur süpersonik jet genişleme üretilir. DNA baz küçük bir örneği, bir termal buharlaşma kaynağı yerleştirilir ve yeterli buhar basıncı oluşturmak için ısıtılır. Argon gazı, bir 100 mikron delik aracılığıyla buhar taşıyan ve bir soğuk moleküler ışın 14 üretmek için 2 mm'lik bir kepçe geçer. Örnek kütle spektrometre kovucu plaka (iyon optik) bağlı bir ısıtılmış fırında yerleştirilir Alternatif olarak, bir taşkın ışın kaynağı da kullanılabilir.
Biz usulca tek foton iyonlaşma tarafından molekülleri iyonize (7,4-25 eV) vakum ultraviyole ışık kullanan bu yöntem parçalanma ve ikincil süreçleri en aza indirir ve elektron etkisi şemaları kullanan geleneksel iyonizasyon teknikleri ile eşsizdir. Iyonları onlar sonunda am tarafından algılanan bir Wiley-McLaren 13 reflectron Zaman-of-Flight Kütle Spektrometre etkileşimi bölgede üretilmektedirICRO kanallı plaka. Dedektör çıkış verileri detaylı analiz için kaydedilen bir kişisel bilgisayar bir pre-amplifikatör ve multiscaler kart içine beslenir. Yarı-sürekli radyasyon senkrotron (Advanced ışık kaynağı) yer alan bir salındırıcıya dan gelir, ve daha sonra, ışığın yüksek harmonikler çıkarıldı ve 5 MeV azami çözünürlüğünü sağlamak için 3 m monokromatör üzerinden dağılmış bir gaz filtreden geçirilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Deneyler, Gelişmiş Işık Kaynağı, Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı Kimyasal Dynamics beamline yürütülen ve Sözleşme No DE-AC02-05CH11231 altında ABD Enerji Bakanlığı Bilim Dairesi, Temel Enerji Bilimler Dairesi tarafından desteklenen Kimyasal Bilimler Bölümü aracılığıyla.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Uracil | Sigma | U0750 | |
| 1,3-Dimethyluracil | Aldrich | 349801 |
References
- Golan, A. Ionization of dimethyluracil dimers leads to facile proton transfer in the absence of hydrogen bonds. Nat. Chem. 4, 323-329 (2012).
- 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).
- 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).
- Nicolas, C. Vacuum Ultraviolet Photoionization of C3. Journal of the American Chemical Society. 128, 220-226 (2005).
- Kamarchik, E. Spectroscopic signatures of proton transfer dynamics in the water dimer cation. Journal of Chemical Physics. 132, (2010).
- Khistyaev, K. The effect of microhydration on ionization energies of thymine. Faraday Discussions. 150, 313-330 (2011).
- 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).
- Kostko, O. Ionization of cytosine monomer and dimer studied by VUV photoionization and electronic structure calculations. Physical Chemistry Chemical Physics. 12, 2860-2872 (2010).
- 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).
- 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).
- Scoles, G., Bassi, D., Buck, U. Atomic and Molecular Beam Methods. 1, (1988).
- Pauly, H. Atom, Molecule and Cluster Beams I. , Springer-Verlag. Berlin. (2000).
- Wiley, W. C., McLaren, I. H. Time-of-Flight Mass Spectrometer with Improved Resolution. Review of Scientific Instruments. 26, 1150-1157 (1955).
- Levy, D. H. The Spectroscopy of Very Cold Gases. Science. 214, 263-269 (1981).
