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Engineering

Separazione spaziale di conformatori molecolari e cluster

Published: January 9, 2014 doi: 10.3791/51137
Automatic Translation
1, 1, 1, 1,2, 1, 1,3, 1,2,3
1Center for Free-Electron Laser Science, CFEL, DESY, 2Department of Physics, University of Hamburg, 3The Hamburg Center for Ultrafast Imaging, University of Hamburg

Summary

Presentiamo una tecnica che consente la separazione spaziale di diversi conformatori o ammassi presenti in un fascio molecolare. Un deflettore elettrostatico è usato per separare le specie dal loro rapporto massa-dipolo momento, portando alla produzione di insiemi in fase gassosa di un singolo conformere o stechiometria a grappolo.

Abstract

Gli esperimenti di fisica molecolare in fase gassosa e chimica fisica comunemente usano espansioni supersoniche attraverso valvole pulsate per la produzione di fasci molecolari freddi. Tuttavia, queste travi spesso contengono più conformi e grappoli, anche a basse temperature di rotazione. Presentiamo una metodologia sperimentale che consente la separazione spaziale di queste parti costitutive di un'espansione del fascio molecolare. Usando un deflettore elettrico il fascio è separato dal suo rapporto massa-dipolo momento, analogo a un bender o uno spettrometro di massa del settore elettrico che disperde spazialmente molecole cariche sulla base del loro rapporto massa-carica. Questo deflettore sfrutta l'effetto Stark in un campo elettrico disomogeneo e permette la separazione di singole specie di molecole e ammassi polari neutri. Inoltre permette la selezione della parte più fredda di un fascio molecolare, poiché gli stati quantici rotazionali a bassa energia generalmente sperimentano la più grande deflessione. Diversi isomeri strutturali (conformi) di una specie possono essere separati a causa della diversa disposizione dei gruppi funzionali, che porta a momenti di dipolo distinti. Questi sono sfruttati dal deflettore elettrostatico per la produzione di un campione conformativo puro da un fascio molecolare. Allo stesso modo, possono essere selezionate stechiometrie a grappolo specifico, poiché la massa e il momento di dipolo di un dato ammasso dipendono dal grado di solvazione intorno alla molecola madre. Ciò consente esperimenti su specifiche dimensioni e strutture degli ammassi, consentendo lo studio sistematico della solvazione di molecole neutre.

Introduction

I moderni esperimenti di fisica molecolare in fase gassosa e chimica fisica spesso usano espansioni supersoniche di molecole bersaglio per produrre campioni molecolari a freddo rotazionale all'interno di un fascio molecolare. Tuttavia, anche a basse temperature rotazionali di 1 K, che possono essere ottenute regolarmente utilizzando espansioni supersoniche, le grandi molecole possono ancora rimanere in conformazioni multiple all'interno delfascio 1. Allo stesso modo la produzione di ammassi molecolari in una sorgente di fascio non si traducono in una singola specie, ma piuttosto nella formazione di una "zuppa a grappolo", contenente molte stechiometrie a grappolo diverse, così come le molecole madri pure rimanenti. Ciò rende difficile lo studio di questi sistemi con nuove tecniche come l'imaging di orbitalimolecolari 2, distribuzioni angolari fotoelettroniche a fotogrammamolecolare 3-5 o elettronica6-10 e diffrazione a raggi X11-13, in quanto richiedono campioni puri, coerenti e omogenei nella fase gassosa.

Mentre sono ora disponibili diverse metodologie per separare diversi conformiri di specie cariche in fasegassosa (ad esempio tubi di deriva per la mobilitàioniche 14,15)e cluster carichi sono facilmente separati dal loro rapporto massa-carica, queste tecniche non sono applicabili alle specie neutre. Recentemente abbiamo dimostrato che questi problemi possono essere superati con l'uso di un dispositivo di deflessioneelettrostatica 16,17,consentendo la separazione di conformiri molecolari, nonché cluster e la produzione di fasci molecolari a freddo rotazionale.

L'uso della deflessione elettrostatica è una classica tecnica del fascio molecolare, le cui origini risalgono amolto tempo fa 18,19. Le prime idee di utilizzare la deflessione elettrostatica per la separazione degli stati quantici furono introdotte da Stern nel 192620. Mentre i primi esperimenti sono stati condotti su piccole molecole ad alte temperature, dimostriamo l'applicazione di questa tecnica a grandi molecole polari e ammassi abasse temperature 16,21.

Le molecole polari sperimentano una forza all'interno di un campo elettrico disomogeneo (E) a causa delle differenze spaziali nell'energia potenziale. Questa forza dipende dal momento di dipolo effettivo, μeff, della molecola e può essere valutata come

(1)

Poiché diversi conformatori molecolari tipicamente possess diversi momenti di dipolo e diversi numeri di molecole di solvente all'interno di un ammasso portano a diverse masse di cluster e momenti di dipolo, queste specie sperimenteranno una diversa accelerazione in presenza di un forte campo elettrico disomogeneo. La forza dell'effetto Stark risultante da un campo elettrico disomogeneo può quindi essere utilizzata per la separazione di conformi e statiquantici 22. Questo è indicato nella Figura 1, che mostra le curve stark calcolate per gli stati rotazionali J = 0,1,2 del cis e dei trans conformatori di 3-fluorofenolo, rispettivamente. Ciò porta a grandi differenze nel μeff, come mostrato nelle figure 1c e 1d, e quindi un'accelerazione diversa è sperimentata dai due conformi in campi elettrici disomogenei. Pertanto, un dispositivo di deflessione elettrostatica può essere utilizzato come separatore del rapporto massa-dipolo (m/μeff), in analogia con uno spettrometro di massa che funge da filtro di rapporto massa-carica(m/z)23.

Inoltre, queste tecniche consentono la separazione degli stati quantici rotazionali24,25. Poiché gli stati rotazionali del suolo (curve blu nelle figure 1a e 1b) mostrano il più grande spostamento stark, questi saranno deviati di più e possono essere separati spazialmente dalle molecole negli stati J superiori 17. La parte più fredda di un fascio molecolare può quindi essere selezionata, favorendo significativamente in molte applicazioni, come l'allineamento e l'orientamento delle molecole bersaglio17, 26-28.

In questo contributo mostriamo come un dispositivo di deflessione elettrostatica può essere utilizzato per separare spazialmente diverse specie di grandi molecole polari e ammassi. Vengono presentati dati di esempio per la produzione di un fascio puro di un singolo conformere e di un cluster soluto-solvente di dimensioni e rapporto ben definiti. Nello specifico presentiamo i dati sul 3-fluorofenolo, dove viene prodotto un fascio puro contenente solo il trans conformere, e sugli ammassi di indolo-acqua, dove l'ammasso di indolo(H2O)1 può essere separato spazialmente dall'acqua, dall'indolo, dall'indolo(H2O)2, ecc.

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Protocol

1. Descrizione dell'installazione sperimentale

Uno schema della configurazione e del deflettore del fascio molecolare in fase gassosa è mostrato nella figura 221. Si compone di

  1. Una valvola pulsata di Even-Lavie29 contenente il campione molecolare. Altre valvole a fascio molecolare pulsato possono essere utilizzate allo stesso modo finché si forma un fascio molecolare freddo (O(1 K)). I seguenti parametri sono specifici per la valvola Even-Lavie impiegata. Negli esperimenti qui presentati la valvola viene azionata a una velocità di ripetizione di 20 Hz con alte pressioni di supporto (elio a ~ 50 bar) e espansa in una camera a vuoto evacuata a <10-6 mbar.
  2. Uno skimmer a fascio molecolare (diametro 2 mm) viene posizionato a 22 cm a valle della valvola, collimando il fascio molecolare e portando a condizioni di pompaggio differenziali tra la valvola pulsata e il resto del sistema di vuoto.
  3. Subito dopo lo skimmer le molecole entrano nel dispositivo di deflessione elettrostatica. Si tratta di un'asta (raggio 3,0 mm) e di un trogolo (raggio di curvatura 3,2 mm), ciascuno lungo 24 cm. Lo spazio verticale tra gli elettrodi al centro del dispositivo è di 2,3 mm. Una differenza potenziale tra 0-26 kV viene applicata tra l'asta e il trogolo, producendo un forte campo elettrico disomogeneo con un gradiente di campoquasi costante 30, come indicato nell'interno della figura 2.
  4. Subito dopo le molecole del deflettore entrano nella regione di interazione attraverso un secondo skimmer, fornendo un'ulteriore fase di pompaggio differenziale.
  5. La regione di interazione (evacuata a pressioni <10-9 mbar) contiene una configurazione standard del tempo di volo Wiley-McLaren (TOF). Le molecole sono ionizzate da impulsi laser focalizzati al centro della regione di estrazione, tra il repeller e gli elettrodi estrattori. Gli ioni prodotti vengono accelerati verso un rivelatore di piastre multicanale (MCP), dove viene registrato uno spettro di massa.
  6. Gli impulsi laser sono derivati da un laser a colorante pompato Nd:YAG, fornendo lunghezze d'onda di uscita tipiche intorno a 283 nm (esperimenti indolo) o 272 nm (esperimenti di 3-fluorofenolo) ed energie di impulso di pochi mJ. Le durate dell'impulso sono dell'ordine di 10 nsec e gli impulsi sono focalizzati con un obiettivo f = 750 mm ad una dimensione spot di ~ 100 μm nella regione di interazione.
  7. La sequenza di temporizzazione è controllata da un generatore di ritardo digitale che fornisce l'orologio master. Questo attiva il laser Nd:YAG (lampade flash e interruttore Q), la valvola pulsata e la scheda digitalizzatore utilizzata per registrare gli spettri di massa.
  8. Gli spettri di massa vengono registrati su una scheda digitalizzatore, attivati contemporaneamente all'interruttore Q laser. Le densità dei fasci molecolari vengono estratte da apposte porte di massa negli spettri registrati del tempo di volo.

2. Produzione e caratterizzazione di un fascio molecolare selezionato conformer

  1. Un fascio molecolare freddo delle molecole bersaglio viene creato attraverso l'espansione supersonica e caratterizzato utilizzando la profilazione spaziale (x, direzioni y) e temporale (direzione z).
  2. Caricare il serbatoio del campione della valvola pulsata con il campione chimico. Sciogliere campioni solidi in un solvente appropriato e posizionare alcune gocce su un piccolo pezzo di carta da filtro che viene inserito nella cartuccia del campione. Posizionare i campioni liquidi direttamente sulla carta da filtro.
  3. Produrre l'espansione supersonica, utilizzando un gas di supporto ad alta purezza ad alta pressione. Regolare la temperatura del serbatoio del campione all'interno della valvola in modo che la pressione parziale del campione sia di circa 10 mbar.
    Nota: per i campioni liquidi in genere non è necessario alcun riscaldamento. Il tempo di apertura della valvola dipende dal modello esatto di valvola pulsata utilizzata, per gli esperimenti qui presentati la valvola Even-Lavie viene azionata con una durata dell'impulso elettrico di 10 μsec.
  4. Caratterizzare il fascio molecolare prodotto con il deflettore elettrostatico spento. Impostare il laser di ionizzazione su una lunghezza d'onda nota per la ionizzazione multifotonica potenziata dalla risonanza (REMPI) di un particolare conformere del campione. Registrare un profilo temporale dell'impulso del fascio molecolare monitorando la resa totale degli ioni genitori sul rivelatore MCP in funzione del ritardo valve-laser.
  5. Fissare il ritardo valve-laser nella posizione di massima intensità per tutte le misurazioni successive.
  6. Registrare un profilo spaziale trasversale del fascio molecolare monitorando la resa totale degli ioni genitori in funzione della posizione y della messa a fuoco laser. Fallo spostando la lente di messa a fuoco perpendicolare alla direzione di propagazione laser, in modo che la messa a fuoco si muova nella direzione y rispetto al fascio molecolare.
  7. Ripetete la profilatura temporale e spaziale per tutti i conformiri di interesse per la trave.
    Nota: Questi in genere hanno risonanze REMPI distinte, in modo che ogni conformer possa essere sondato separatamente. In assenza di un campo di deflessione, tuttavia, i profili temporali e spaziali sono identici per tutti i conformi.
  8. Caratterizzazione della trave deviata. Accendere l'alimentazione ad alta tensione al deflettore e registrare i profili spaziali per tutti gli isomeri. Questi dovrebbero ora essere deviati in base al rapporto massa-dipolo momento.
    Nota: Per le specie sottoposte a grandi deformazioni potrebbe essere necessario spostare lo skimmer immediatamente dopo il deflettore per garantire una buona trasmissione del fascio deviato nella regione di rilevamento.
  9. Condurre esperimenti sulla parte conformere o sulla parte del fascio molecolare selezionata dalle dimensioni assicurando che l'interazione ( ad esempio un raggio laser di attraversamento) avviene all'interno della parte del fasciomolecolare contenente solo le specie di interesse.

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Representative Results

La tecnica di deflessione elettrostatica è stata applicata con successo alla separazione degli isomeristrutturali 16 e degli ammassi neutri21,nonché alla produzione di campioni molecolari selezionati a stato quanticorotazionale 31. Lo dimostriamo con risultati rappresentativi per la separazione di cis e trans conformatori di 3-fluorofenolo e cluster di indolo(H2O)n selezionati per dimensioni.

I conformiri 3-fluorofenoli sono stati separati in un fascio molecolare dall'espansione supersonica di 50 barre di elio. Le singole specie sono state sondate attraverso le loro caratteristiche risonanze REMPI intorno a 272 nm32. A causa del suo momento di dipolo significativamente più grande (vedi figura 1), il trans conformere sperimenta una deflessione maggiore dopo il passaggio attraverso il deflettore ed è spazialmente separato dal cis conformer e dal gas vettore della trave.

Per caratterizzare il fascio molecolare formato durante l'espansione supersonica, viene raccolto un profilo temporale con il deflettore elettrostatico spento, come mostrato nella figura 3. Per confronto, viene mostrato anche un profilo temporale di un fascio di semi al neon. Per il gas trasportatore di elio osserviamo una larghezza temporale di circa 12 μsec a larghezza intera a metà massima (FWHM), tipica per un'espansione da una valvola Pari-Lavie in queste condizioni operative.

La distribuzione spaziale del fascio molecolare è monitorata dalla traduzione del laser REMPI rispetto alla direzione del fascio molecolare, e i profili spaziali sono mostrati nella figura 4. Questo mostra l'estensione spaziale dei conformiri cis (traccia rossa) e trans (traccia blu) in due diversi campi di deflessione, creati applicando una differenza potenziale di 14 kV o 28 kV attraverso il deflettore. Per il confronto i profili liberi da campo sono mostrati in entrambi i grafici dalle curve magenta (cis)e ciano( trans ). Questi producono una larghezza spaziale del fascio molecolare di circa 2 mm e mostrano che, senza il deflettore, entrambe le specie sono mescolate all'interno del fascio. In presenza di un campo di deflessione, il trans conformere subisce una deflessione significativamente maggiore rispetto al cis conformer e può essere efficacemente separato dalle altre specie presenti nel fascio, in modo che in una posizione di y = 3 mm venga creato un campione trans puro e possa essere utilizzato per ulteriori esperimenti.

La separazione a grappolo è dimostratadall'espansionesupersonica dell'indolo in un fascio portante "bagnato" di elio contenente tracce di acqua, portando alla formazione di ammassimolecolaridel tipo indolo m (H 2 O)n. Secondo la letteratura e secondo i calcoli ab initio, l'ammasso indolo(H2O)1 ha un momento di dipolo significativamente più grande (4,4 D) rispetto all'indolo puro (1,96 D), all'acqua (1,86 D) o all'ammasso indolo(H2O)2 e dovrebbe, quindi, essere deviatoil più 21,33. Tutte le specie contenenti indolo possono essere selettivamente sondate tramite REMPI circa 283 nm24,35, utilizzando la transizione di eccitazione elettronica più bassa consentita di indolo. Poiché questa fase di eccitazione risonante coinvolge frequenze diverse a seconda della solvatazione dell'indolo, il rilevamento è completamente selettivo per le specie. I profili spaziali del fascio molecolare sono riportati nella figura 5, questi sono stati registrati con una differenza potenziale di 26 kV tra l'asta e l'elettrodo del trogolo e sono completamente selettivi per indolo (blu), indolo(H2O)1 (rosso) e indolo(H2O)2 (verde). Le linee indicano valori simulati; i dettagli dei metodi di simulazione numerica sono disponibili nellaletteratura 17,21. Per confronto, la curva nera mostra un profilo spaziale privo di campi (deflettore a terra). Come previsto, l'ammasso 1:1 di indolo e acqua sperimenta la deflessione più grande e in una posizione di y = 2-3 mm viene creato un fascio puro di indolo(H2O)1. Per evidenziare l'effetto del deflettore sul profilo del fascio molecolare spaziale, l'inserto nella figura 5 mostra la densità del fascio molecolare di indolo(H2O)1 in funzione della differenza di potenziale applicata attraverso il deflettore. Indica che con l'aumentare della forza di campo, la parte più fredda del fascio molecolare sperimenta una deflessione crescente, mentre i costituenti più caldi sperimentano una separazione spaziale significativamente più piccola e una certa densità rimane nella posizione originale. Questo evidenzia inoltre la selezione della parte più fredda del fascio molecolare.

Figure 1
Figura 1. Energie Stark calcolate E (in alto) e momenti di dipolo efficaci μeff (in basso) per il cis e i trans conformatori di 3-fluorofenolo. La linea blu corrisponde allo stato di terra rotazionale J = 0, le linee rosse a J = 1 e il verde a J = 2 stati. La deflessione sperimentata è proporzionale μeff/m (Equazione 1). Quindi, gli stati quantici rotazionali inferiori, che mostrano μpiù grandi eff, sperimentano una deflessione più grande e, quindi, possono essere separati. Allo stesso modo, l'μeff significativamente più grande per il trans conformere porta ad una maggiore deflessione spaziale dopo il passaggio attraverso il deflettore elettrostatico.

Figure 2
Figura 2. La configurazione sperimentale, costituita da una valvola pulsata che crea un'espansione supersonica delle molecole bersaglio, un deflettore elettrostatico e una regione di rilevamento con spettrometro di massa a tempo di volo. L'inserto mostra il campo elettrico disomogeneo creato all'interno del deflettore per tensioni di ±13 kV applicate rispettivamente all'asta e al trogolo. Clicca qui per visualizzare l'immagine più grande.

Figure 3
Figura 3. Profilo temporale del fascio molecolare per elio (a 380 μsec) e gas vettore al neon (a 826 μsec). La larghezza temporale del fascio è di circa il 3% e il 4% del tempo di volo totale per elio e neon, rispettivamente.

Figure 4
Figura 4. Profili spaziali del fascio molecolare contenente 3-fluorofenolo, sondati selettivamente per conformiri cis (rosso) e trans (blu), con il deflettore a potenziali differenze di (a) 14 kV e (b) 28 kV. Per confronto il profilo libero dal campo (deflettore a 0 kV) è mostrato in entrambi i grafici da tracce di magenta e ciano(rispettivamente cis e trans).

Figure 5
Figura 5. Profili spaziali di indolo (blu), indolo(H2O)1 (rosso) e indolo(H2O)2 (verde) per un potenziale deflettore di 28 kV. Mostrato per il confronto è il profilo privo di campo di indolo (nero). Le linee solide nel pannello principale indicano simulazioni. Sono riportati i profili spaziali misurati per indolo(H2O)1 a varie differenze potenziali applicate attraverso il deflettore.

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Discussion

Durante questo manoscritto, si presume la familiarità con componenti a vuoto ultra-alto, valvole a fascio molecolare pulsato e sorgenti laser e le relative procedure di sicurezza dovrebbero sempre essere rispettate. È necessario prestare particolare attenzione quando si maneggiano gli elettrodi ad alta tensione per il deflettore. Le loro superfici devono essere lucidate secondo standard elevati e devono essere assolutamente pulite per evitare l'arco all'interno della camera a vuoto. Prima del primo utilizzo gli elettrodi devono essere condizionati sotto vuoto. La tensione applicata viene lentamente aumentata e la corrente attraverso gli elettrodi misurata. Gli elettrodi non devono disegnare corrente (dell'ordine di pochi nA al massimo), indipendentemente dalla tensione applicata. Un tipico programma di condizionamento per aumentare gradualmente la tensione applicata è il seguente: 0-6 kV in passaggi da 3 kV, 6-10 kV in 1 kV passi, 10-15 kV in passaggi da 0,5 kV. Ad ogni passo la tensione deve essere lasciata costante per almeno 15 minuti e la corrente monitorata.

Di importanza cruciale quando si imposta un esperimento di deflessione è l'allineamento dei componenti del fascio molecolare. L'allineamento iniziale della configurazione deve essere condotto con un laser di allineamento, garantendo la linea di vista dalla valvola pulsata, attraverso gli skimmer e il deflettore al centro della regione di rilevamento. Si consiglia inoltre di posizionare gli skimmer a fascio molecolare sui supporti di traslazione xy (direzioni radiali definite nella figura 2),per ottimizzare il segnale osservato. Questo inoltre aggira un problema riscontrato per specie di grandi momenti di dipolo, o quando si utilizzano campi di deflessione molto forti. Se la separazione spaziale è troppo grande, le molecole non percorreranno più l'ultimo skimmer. Uno skimmer trasponibile consente di ottimizzare la trasmissione delle specie di interesse discriminando le altre.

Va notato che sono le molecole in stati quantici rotazionali a bassa energia ad avere la più grande interazione Stark (come indicato nella Figura 1) e quindi sperimentano la più grande deflessione. Poiché la tecnica di deflessione non cambia la distribuzione della popolazione, ma semplicemente disperde il fascio esistente, è essenziale che gli stati J bassi siano inizialmente popolati. Ciò richiede una buona espansione supersonica dall'ugello, producendo un fascio molecolare freddo con temperature tipiche di circa 1 K o meno 27.

L'applicabilità generale della tecnica di deflessione elettrostatica per la separazione di conformatori o ammassi dipende dalle differenze nel rapporto massa-dipolo del momento della specie da separare. Nel caso di diversi conformiri si incontrano tipicamente diversi momenti di dipolo a causa dei diversi orientamenti dei gruppi funzionali all'interno di una specie, mentre per gli ammassi la selezione di massa è altamente desiderabile per consentire la separazione di specifici stechiometrie a grappolo, così come isomeri a grappolo di una data dimensione. Sono disponibili diverse opzioni per aumentare la separazione spaziale. Un approccio è quello di aumentare il tempo di interazione delle molecole con il campo elettrostatico. Questo può essere ottenuto utilizzando un fascio molecolare più lento,ad esempio attraverso l'uso digas di supporto più pesante (ad esempio, neon, argon o krypton). In alternativa, la fabbricazione di un deflettore più lungo aumenterebbe allo stesso modo il tempo di interazione. Un approccio diverso per aumentare la separazione spaziale raggiunta è l'uso di campi di deflessione più alti, aumentando la tensione applicata o diminuendo lo spazio tra i due elettrodi. La difficoltà di entrambi questi metodi è il pericolo di arco tra i due elettrodi, che potrebbe potenzialmente danneggiare gli elettrodi irreparabili. La massima differenza di potenziale che può essere applicata in modo sicuro (in condizioni di vuoto ultra-elevate) dipende in modo cruciale dai materiali utilizzati e dalla qualità della finitura superficiale.

Mentre diversi conformiri di molecole potevano essere precedentemente studiati utilizzando metodi spettroscopici ad alta risoluzione, utilizzando i loro distinti spettri amicroonde 36,IR o UV-Vis1,37, il metodo di deflessione elettrostatica qui presentato consente la produzione di un fascio puro di una singola specie molecolare. Altre geometrie di elettrodi possono essere utilizzate per selezionare molecole o cluster neutri, ad esempio il filtro quadrupolo elettrico o ildeceleratore a gradiente alternato22,38-40. Questi dispositivi, tuttavia, sono significativamente più grandi (>1 m) e molto più complessi da produrre e installare. Inoltre sono estremamente sensibili al missalignment meccanico24. Il deflettore statico a due fili presentato è costituito da una semplice geometria che può essere incorporata nelle configurazioni del fasciomolecolare esistenti 30,41-44.

Vediamo le future applicazioni di questa tecnica in tre aree principali. In primo luogo, lo studio della reattività specifica del conformer. Utilizzando il deflettore elettrostatico è possibile creare un fascio di campioni conformericalmente puro, che può essere successivamente utilizzato per studiare proprietà chimiche e riattivanze di un singolo isomero strutturale e dimensione del cluster.

In secondo luogo, studi sistematici sulla solvatazione di molecole neutre. L'uso del selettore m/μ consente la creazione di ammassi molecolari con una stechiometria ben definita. Lo studio sistematico di ammassi molecolari di dimensioni crescenti consente lo studio degli effetti di solvatazione e cerca di colmare il divario tra la fase condensata, in cui avviene la maggior parte della chimica, e la fase gassosa, che consente studi ad alta risoluzione. Questa tecnica è ben consolidata per gli ioni molecolari45-48, ma la mancanza di selettività delle dimensioni per i neutri ha finora limitato lo studio della solvazione di molecole neutre, ad esempio, utilizzandoesperimenti di imaging ultraveloci.

In terzo luogo, il deflettore elettrostatico consente la selezione della parte più fredda del fascio molecolare, a causa del più grande effetto Stark per gli stati quantici rotazionali a bassa energia. Ciò aiuta significativamente negli esperimenti di allineamento e orientamento 1D e 3D17,26,27,49. Questo è un prerequisito cruciale per la prossima generazione di esperimenti di fisica molecolare che estraggono informazioni sui fotogrammi molecolari da molecole complesse, come l'imaging orbitalemolecolare 2 o gli esperimenti di diffrazione50.

Il metodo di deflessione elettrostatica presentato è nuovo, ma basato su idee concettualmente semplici e consolidate, e porta alla separazione delle specie all'interno di un fascio molecolare con il loro rapporto massa-dipolo momento, utilizzando l'effetto Stark. Consente la creazione di fasci molecolari freddi, conformeri e selezionati in serie, consentendo numerose applicazioni in fisica molecolare e chimica fisica.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Questo lavoro è stato supportato dal cluster di eccellenza "The Hamburg Center for Ultrafast Imaging – Structure, Dynamics and Control of Matter at the Atomic Scale" della Deutsche Forschungsgemeinschaft e dall'Istituto Virtuale Helmholtz "Dynamic Pathways in Multidimensional Landscapes".

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Vacuum system various, e.g. Pfeiffer Vacuum, Varian, Edwards, Leybold
Dye laser system various, e.g. Coherent, Spectra Physics, Syrah, LIOP-TEC, Radiant Dyes…
Pulsed valve Even-Lavie
High voltage power supply eg. FUG HCP 14-20000
Deflector Custom made
Time-of-flight spectrometer Jordan TOF C-677
TOF power supply Jordan TOF D-603
Focusing lens Thorlabs LA4745
Translation stage e.g. Vision Lasertechnik 8MT167-25
Digitizer e.g. Agilent Acquiris DC440
Digital delay generator Stanford Systems SRS DG645
Molecular beam skimmer Beam Dynamics Inc. http://www.beamdynamicsinc.com/

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References

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Separazione spaziale di conformatori molecolari e cluster
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Horke, D., Trippel, S., Chang, Y. P., Stern, S., Mullins, T., Kierspel, T., Küpper, J. Spatial Separation of Molecular Conformers and Clusters. J. Vis. Exp. (83), e51137, doi:10.3791/51137 (2014).

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