Waiting
Login processing...

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

Engineering

الفصل المكاني للمتشكلات الجزيئية والتجمعات

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

نقدم تقنية تسمح بالفصل المكاني لمختلف المطابقين أو المجموعات الموجودة في شعاع جزيئي. ويستخدم منحرف كهربائي لفصل الأنواع بنسبة الكتلة إلى ثنائي القطب لحظة، مما يؤدي إلى إنتاج مجموعات مرحلة الغاز من مطابق واحد أو قياس الاستواء العنقودي.

Abstract

تستخدم تجارب الفيزياء الجزيئية والكيمياء الفيزيائية في مرحلة الغاز عادة التوسعات الأسرع من الصوت من خلال الصمامات النابضة لإنتاج الحزم الجزيئية الباردة. ومع ذلك، غالبا ما تحتوي هذه الحزم على العديد من المطابقات والتجمعات، حتى في درجات الحرارة الدورانية المنخفضة. نقدم منهجية تجريبية تسمح بالفصل المكاني لهذه الأجزاء المكونة لتوسع الحزم الجزيئية. باستخدام منحرف كهربائي يتم فصل الحزمة بنسبة الكتلة إلى ثنائي القطب لحظة، مماثلة إلى بندر أو مطياف كتلة القطاع الكهربائي تشتيت الجزيئات المشحونة مكانيا على أساس نسبة كتلة إلى تهمة. يستغل هذا المنحرف تأثير ستارك في حقل كهربائي غير متجانس ويسمح بفصل الأنواع الفردية من الجزيئات والتجمعات المحايدة القطبية. وعلاوة على ذلك فإنه يسمح باختيار أبرد جزء من شعاع الجزيئية، والدول الكم الدورانية منخفضة الطاقة تجربة عموما أكبر انحراف. يمكن فصل الأيزومرات الهيكلية المختلفة (المطابقات) لنوع ما بسبب الترتيب المختلف للمجموعات الوظيفية ، مما يؤدي إلى لحظات ثنائية القطب متميزة. يتم استغلال هذه من قبل منحرف كهربائي لإنتاج عينة نقية تشكيليا من شعاع الجزيئية. وبالمثل، يمكن اختيار ستويتشيومتريز عنقودية محددة، حيث تعتمد لحظة الكتلة والديبول في مجموعة معينة على درجة الحل حول الجزيء الأم. وهذا يسمح بإجراء تجارب على أحجام وهياكل مجموعات محددة، مما يتيح إجراء دراسة منهجية لحل الجزيئات المحايدة.

Introduction

غالبا ما تستخدم الفيزياء الجزيئية الحديثة في مرحلة الغاز وتجارب الكيمياء الفيزيائية توسعات أسرع من الصوت للجزيئات المستهدفة لإنتاج عينات جزيئية باردة بالتناوب داخل شعاع جزيئي. ومع ذلك ، حتى في درجات حرارة الدوران المنخفضة من 1 K ، والتي يمكن تحقيقها بشكل روتيني باستخدام التوسعات الأسرع من الصوت ، لا يزال بإمكان الجزيئات الكبيرة البقاء في تشكيلات متعددة داخل الحزمة1. وبالمثل، فإن إنتاج المجموعات الجزيئية في مصدر شعاع لا يؤدي إلى نوع واحد، بل إلى تشكيل "حساء عنقودي"، يحتوي على العديد من اللؤم العنقودي المختلفة، فضلا عن الجزيئات الأم النقية المتبقية. وهذا يجعل دراسة هذه النظم مع تقنيات جديدة مثل تصوير المدارات الجزيئية2، الجزيئية الإطار الضوئي التوزيعات الزاوي3-5 أو الإلكترون6-10 والأشعة السينية الحيود11-13 صعبة ، لأنها تتطلب عينات نقية ومتسقة ومتجانسة في مرحلة الغاز.

وفي حين أن هناك عدة منهجيات متاحة الآن لفصل مختلف مطابقي الأنواع المشحونة في مرحلة الغاز(مثل أنابيب الانجراف للحركة الأيونية14,15)ويتم فصل المجموعات المشحونة بسهولة بنسبة الكتلة إلى الشحنة، فإن هذه التقنيات لا تنطبق على الأنواع المحايدة. لقد أثبتنا مؤخرا أنه يمكن التغلب على هذه القضايا باستخدام جهاز انحراف كهربائي16،17، مما يسمح بفصل المطابقين الجزيئيين وكذلك المجموعات وإنتاج الحزم الجزيئية الباردة بالتناوب.

استخدام انحراف كهربائي هو تقنية شعاع الجزيئية الكلاسيكية، وأصول التي تقطع شوطا طويلا إلىالوراء 18،19. وقدم الأفكار الأولى لاستخدام انحراف كهربائي لفصل الدول الكم ستيرن في عام 192620. في حين أجريت التجارب المبكرة على جزيئات صغيرة في درجات حرارة عالية، ونحن نظهر تطبيق هذه التقنية على الجزيئات القطبية الكبيرة والتجمعات في درجات حرارة منخفضة16،21.

الجزيئات القطبية تجربة قوة داخل مجال كهربائي غير متجانس(ه)بسبب الاختلافات المكانية في الطاقة المحتملة. تعتمد هذه القوة على لحظة ثنائي القطب الفعالة ، μeff، للجزيء ويمكن تقييمها على أنها

(1)

كما المطابقين الجزيئية المختلفة تمتلك عادة لحظات ثنائي القطب مختلفة وأعداد مختلفة من جزيئات المذيبات داخل مجموعة تؤدي إلى كتل عنقودية مختلفة ولحظات ثنائي القطب، وهذه الأنواع سوف تشهد تسارع مختلف في وجود حقل كهربائي قوي غير متجانس. وبالتالي يمكن استخدام قوة تأثير ستارك الناتجة من حقل كهربائي غير متجانس لفصل المطابقين وحالات الكم22. يشار إلى ذلك في الشكل 1، مما يدل على منحنيات ستارك المحسوبة ل J = 0،1،2 حالات الدوران من رابطة الدول المستقلة والمتوافقين عبر 3-الفلوروفينول، على التوالي. وهذا يؤدي إلى اختلافات كبيرة في μeff، كما هو مبين في الشكلين 1c و 1d، وبالتالي يتم تجربة تسارع مختلف من قبل اثنين من التوافقيين في المجالات الكهربائية غير متجانسة. لذلك ، يمكن استخدام جهاز انحراف كهربائي كمعدل لحظة كتلة إلى ثنائي القطب (m /μeff) فاصل ، في القياس على مطياف الكتلة الذي يعمل كنسبة كتلة إلى شحن (m / z) فلتر23.

وعلاوة على ذلك، تسمح هذه التقنيات فصل الدول الكم التناوب24،25. كما الدول دوران الأرض (منحنيات زرقاء في الشكلين 1a و 1b) المعرض أكبر تحول ستارك، وسوف تكون هذه منحرفة أكثر ويمكن فصلها مكانيا من الجزيئات في الدول J أعلى17. لذلك يمكن اختيار أبرد جزء من الحزم الجزيئية ، مما يساعد بشكل كبير في العديد من التطبيقات ، مثل محاذاة وتوجيه الجزيئات المستهدفة17 و 26-28.

في هذه المساهمة نظهر كيف يمكن استخدام جهاز انحراف كهربائي لفصل أنواع مختلفة من الجزيئات القطبية الكبيرة والتجمعات مكانيا. وتقدم بيانات نموذجية لإنتاج شعاع نقي من الشخص المطابق ومجموعة من المذيبات المذابة ذات الحجم والنسبة المحددة جيدا. على وجه التحديد نقدم بيانات عن 3-fluorophenol، حيث يتم إنتاج شعاع نقي يحتوي فقط على مطابق عبر، وعلى مجموعات مياه الندول، حيث يمكن فصل مجموعة الندول (H2O)1 مكانيا من الماء، النعال، النعال (H2O)2، الخ.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. وصف الإعداد التجريبي

يظهر مخطط لإعداد الحزمة الجزيئية في مرحلة الغاز والمحرف في الشكل 221. وهو يتألف من

  1. صمام إيفن لافي النابض29 الذي يحتوي على العينة الجزيئية. يمكن استخدام صمامات الحزم الجزيئية النابضة الأخرى بشكل جيد بنفس القدر طالما تم تشكيل شعاع جزيئي بارد (O(1 K)). المعلمات التالية محددة لصمامات Even-Lavie المستخدمة. في التجارب المعروضة هنا يتم تشغيل الصمام بمعدل تكرار 20 هرتز مع ضغوط دعم عالية (الهيليوم في ~ 50 بار) وتوسيعه إلى غرفة فراغ تم إخلاؤها إلى <10-6 ميجا بار.
  2. يتم وضع مقشطة شعاع الجزيئية (قطر 2 ملم) 22 سم المصب من صمام, collimating شعاع الجزيئية ويؤدي إلى ظروف الضخ التفاضلية بين صمام نبضي وبقية نظام فراغ.
  3. مباشرة بعد القشط الجزيئات تدخل جهاز انحراف كهربائي. ويتكون هذا من قضيب (نصف قطر 3.0 ملم) وحوض صغير (نصف قطر انحناء 3.2 ملم)، كل 24 سم طويلة. الفجوة الرأسية بين الأقطاب الكهربائية في وسط الجهاز هي 2.3 ملم. يتم تطبيق الفرق المحتمل بين 0-26 كيلو فولت بين القضيب والحوض الصغير ، مما ينتج حقلا كهربائيا قويا غير متجانس مع تدرج حقل ثابت تقريبا30، كما هو مبين في مجموعة الشكل 2.
  4. مباشرة بعد دخول جزيئات منحرف منطقة التفاعل من خلال كاشطة ثانية، وتوفير مرحلة ضخ مزيد من التفاضلية.
  5. منطقة التفاعل (أخليت لضغوط <10-9 mbar) يحتوي على معيار وايلي ماكلارين وقت الرحلة (TOF) الإعداد. وتأين الجزيئات بواسطة نبضات الليزر مركزة في وسط منطقة الاستخراج، بين طارد وأقطاب مستخرج. يتم تسريع الأيونات المنتجة نحو كاشف لوحة متعددة القنوات (MCP) ، حيث يتم تسجيل طيف الكتلة.
  6. وتستمد نبضات الليزر من ليزر صبغة Nd:YAG ضخ، وتوفير أطوال موجية الناتج نموذجية حول 283 نانومتر (تجارب النعال) أو 272 نانومتر (3-تجارب الفلوروفينول) ونبضات الطاقات من بضعة MJ. النبضات هي على مدى 10 نانو ثانية وتركز البقول مع عدسة و = 750 ملم إلى حجم بقعة ~ 100 ميكرومتر في منطقة التفاعل.
  7. يتم التحكم في تسلسل التوقيت بواسطة مولد تأخير رقمي يوفر الساعة الرئيسية. وهذا يؤدي ليزر Nd:YAG (مصابيح فلاش و Q-التبديل)، صمام نبضي، وبطاقة الرقمنة المستخدمة لتسجيل أطياف الكتلة.
  8. يتم تسجيل أطياف الكتلة على بطاقة رقمية ، يتم تشغيلها في نفس الوقت الذي يتم فيه تشغيل مفتاح Q بالليزر. يتم استخراج كثافات الحزم الجزيئية من بوابات الكتلة المناسبة في أطياف وقت الطيران المسجلة.

2. إنتاج وتوصيف شعاع الجزيئية المحددة المطابق

  1. يتم إنشاء شعاع جزيئي بارد من الجزيئات المستهدفة عن طريق التوسع الأسرع من الصوت ويتميز باستخدام التنميط المكاني (x و y) والزمانية (اتجاه z).
  2. تحميل خزان عينة من صمام نبضي مع العينة الكيميائية. حل عينات الصلبة في المذيبات المناسبة ووضع بضع قطرات على قطعة صغيرة من ورقة التصفية التي يتم إدراجها في خرطوشة العينة. ضع عينات سائلة مباشرة على ورق الفلتر.
  3. إنتاج التوسع الأسرع من الصوت، وذلك باستخدام غاز عالي النقاء دعم الضغط العالي. ضبط درجة حرارة خزان العينة داخل الصمام بحيث يكون الضغط الجزئي للعينة حوالي 10 mbar.
    ملاحظة: بالنسبة للعينات السائلة عادة لا يلزم التدفئة. يعتمد وقت فتح الصمام على النموذج الدقيق للصمام النابض المستخدم ، للتجربة المعروضة هنا يتم تشغيل صمام Even-Lavie لمدة نبض كهربائية تبلغ 10 ميكروثانية.
  4. تميز الحزمة الجزيئية المنتجة مع إيقاف انحراف الكهروستاتيكي. تعيين ليزر التأين إلى طول موجي معروف لتأين متعدد الفوتون المعزز بالرنين (REMPI) لمتوافق معين للعينة. سجل لمحة زمنية عن نبض الحزم الجزيئية من خلال رصد إجمالي إنتاج الأيونات الأم على كاشف MCP كدالة لتأخير الصمام بالليزر.
  5. إصلاح تأخير صمام ليزر في موقف كثافة قصوى لجميع القياسات اللاحقة.
  6. سجل ملفا جانبيا مكانيا للشعاع الجزيئي من خلال مراقبة إجمالي إنتاج الأيونات الأم كدالة لموضع y لتركيز الليزر. القيام بذلك عن طريق تحريك عدسة التركيز عمودي على اتجاه نشر الليزر، بحيث يتحرك التركيز في اتجاه y بالنسبة للشعاع الجزيئي.
  7. كرر التنميط الزمني والمكاني لجميع التوافقيين من الفائدة في شعاع.
    ملاحظة: عادة ما يكون لها رنين REMPI متميز، بحيث يمكن بحث كل مطابق بشكل منفصل. في غياب حقل انحراف ومع ذلك ، فإن الملامح الزمنية والمكانية متطابقة لجميع التوافقات.
  8. توصيف شعاع منحرفة. بدوره على إمدادات الجهد العالي للمحرف وسجل ملامح المكانية لجميع ايزومرات. وينبغي الآن أن تنحرف هذه وفقا لنسبة الكتلة إلى ثنائي القطب لحظة.
    ملاحظة: بالنسبة للأنواع التي تمر بانحرافات كبيرة قد يكون من الضروري تحريك المقشود مباشرة بعد المنحرف لضمان انتقال جيد للشعاع المنحرف إلى منطقة الكشف.
  9. إجراء تجارب على الجزء المطابق أو المحدد بالحجم من الحزمة الجزيئية من خلال ضمان التفاعل(مثل شعاع ليزر العبور) داخل جزء من الحزمة الجزيئية التي تحتوي فقط على الأنواع ذات الاهتمام.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

وقد تم تطبيق تقنية انحراف كهربائي بنجاح لفصل ايزومرات الهيكلية16 والتجمعات محايدة21، فضلا عن إنتاج دولة الكم الدوران عينات الجزيئية المختارة31. ونحن نثبت ذلك مع نتائج تمثيلية لفصل رابطة الدول المستقلة والمتوافقين عبر 3-fluorophenol، وحجم مختارة indole (H2O)ن المجموعات.

تم فصل 3-فلوروفينول المطابقين في شعاع الجزيئية من التوسع الأسرع من الصوت من 50 أشرطة من الهيليوم. تم بحث الأنواع الفردية عبر الرنين REMPI مميزة حول 272 نانومتر32. نظرا للحظة ثنائي القطب الأكبر بكثير (انظر الشكل 1)، يواجه المطابق العابر انحرافا أكبر بعد مروره عبر المنحرف ويتم فصله مكانيا عن مطابق cis وغاز الناقل للشعاع.

لتوصيف الحزم الجزيئية التي تشكلت خلال التوسع الأسرع من الصوت ، يتم جمع ملف تعريف زمني مع إيقاف انحراف كهربائي ، كما هو موضح في الشكل 3. للمقارنة ، يتم عرض ملف تعريف زمني لشعاع بذر النيون أيضا. بالنسبة لغاز حامل الهيليوم، نلاحظ عرضا زمنيا يبلغ حوالي 12 ميكروثانية بعرض كامل بنصف الحد الأقصى (FWHM)، وهو أمر نموذجي للتوسع من صمام Even-Lavie في ظل ظروف التشغيل هذه.

يتم رصد التوزيع المكاني للشعاع الجزيئي من خلال ترجمة ليزر REMPI بالنسبة إلى اتجاه الحزم الجزيئية ، وتظهر الملامح المكانية في الشكل 4. وهذا يبين المدى المكاني لرابطة الدول المستقلة (تتبع أحمر) وعبر (الأزرق تتبع) المطابقات في حقلين انحراف مختلفة، التي تم إنشاؤها عن طريق تطبيق الفرق المحتمل من 14 كيلو فولت أو 28 كيلو فولت عبر منحرف. للمقارنة يتم عرض ملامح خالية من الميدان في كل من المؤامرات من قبل أرجواني (رابطة الدول المستقلة) وسيان (عبر) منحنيات. هذه تسفر عن عرض المكانية للشعاع الجزيئي من حوالي 2 ملم وتبين أنه، من دون منحرف، يتم خلط كلا النوعين داخل شعاع. في وجود حقل انحراف يخضع المطابق العابر لحرف أكبر بكثير من مطابق cis ويمكن فصله بشكل فعال عن الأنواع الأخرى الموجودة في الشعاع ، بحيث يتم إنشاء عينة نقية عبر 3 مم في موضع y = 3 مم ويمكن استخدامها لإجراء المزيد من التجارب.

ويتجلى الفصل العنقودي من خلال التوسع الأسرع من الصوت من الندول في شعاع الناقل "الرطب" من الهيليوم التي تحتوي على كميات ضئيلة من الماء، مما يؤدي إلى تشكيل مجموعات جزيئية من نوع الندولم(H2O)ن. وفقا لحسابات الأدب وab initio ، فإن مجموعة indole (H2O)1 لديها لحظة ثنائي القطب أكبر بكثير (4.4 D) من الندول النقي (1.96 D) أو الماء (1.86 D) أو مجموعة indole (H2O)2 ، وبالتالي ، يجب أن تنحرف عن معظم21،33. ويمكن بحث جميع الأنواع التي تحتوي على النعال انتقائيا عن طريق REMPI حول 283 نانومتر24,35, باستخدام أقل طاقة يسمح الانتقال الإلكترونية الإثارة من النعال. بما أن هذه الخطوة الإثارة الرنانة تنطوي على ترددات مختلفة اعتمادا على حل الندول ، فإن الكشف انتقائي تماما للأنواع. وترد ملامح المكانية للشعاع الجزيئي في الشكل 5، وقد سجلت هذه مع الفرق المحتملة من 26 كيلو فولت بين قضيب والقطب الحوض الصغير والأنواع بشكل كامل انتقائية للاندول (الأزرق) ، indole (H2O)1 (الأحمر) والنعال (H2O)2 (الأخضر). تشير البنود إلى قيم محاكاة؛ تفاصيل أساليب المحاكاة العددية يمكن العثور عليها في الأدب17،21. للمقارنة يتم عرض ملف تعريف مكاني خال من الحقول (منحرف على الأرض) بواسطة المنحنى الأسود. كما هو متوقع 1:1 مجموعة من النعال والمياه الخبرات انحراف أكبر وفي موقف y = 2-3 مم يتم إنشاء شعاع نقي من الندول (H2O)1. لتسليط الضوء على تأثير المنحرف على ملف الحزم الجزيئية المكانية، تظهر البداية في الشكل 5 كثافة الحزم الجزيئية للاندول (H2O)1 كدالة للفرق المحتمل المطبق عبر المنحرف. ويشير إلى أنه مع زيادة قوة الحقل، يشهد الجزء الأكثر برودة من الحزم الجزيئي انحرافا متزايدا، في حين تشهد المكونات الأكثر دفئا فصلا مكانيا أصغر بكثير وتظل بعض الكثافة في الوضع الأصلي. هذا يسلط الضوء على اختيار الجزء الأكثر برودة من الحزم الجزيئية.

Figure 1
الشكل 1 - الأرقام 1- الأرقام 1 تحسب ستارك الطاقات E (أعلى) وفعالة ثنائي القطب لحظات μإيف (أسفل) لرابطة الدول المستقلة وعبر التوافقات من 3-fluorophenol. يتوافق الخط الأزرق مع حالة الأرض الدورانية J = 0، والخطوط الحمراء إلى J = 1 والأخضر إلى J = 2 حالة. الانحراف من ذوي الخبرة يتناسب مع μeff/ م (المعادلة 1). وبالتالي ، فإن حالات الكم الدوراني المنخفضة ، والتي تظهر أكبر μeff، تواجه انحرافا أكبر ، وبالتالي ، يمكن فصلها. وبالمثل ، فإن أكبر بكثير μeff للمتوافق عبر يؤدي إلى انحراف مكاني أكبر بعد مرور من خلال منحرف كهربائي.

Figure 2
الشكل 2 - الأرقام 2- الأرقام التي تم الإعداد التجريبي ، الذي يتكون من صمام نابض يخلق توسعا أسرع من الصوت للجزيئات المستهدفة ، ومحرفا كهربائيا ومنطقة اكتشاف مع مطياف كتلة وقت الطيران. تظهر البداية الحقل الكهربائي غير المتجانس الذي تم إنشاؤه داخل المنحرف للفولتية ±13 كيلو فولت المطبق على القضيب والحوض الصغير على التوالي. انقر هنا لعرض صورة أكبر.

Figure 3
الشكل 3 - الأرقام 3- الأرقام التي يمكن أن الملامح الزمنية للشعاع الجزيئي للهيليوم (في 380 ميكروثانية) والنيون (في 826 ميكروثانية) الغاز الناقل. العرض الزمني للشعاع هو حوالي 3٪ و 4٪ من إجمالي وقت الطيران للهيليوم والنيون، على التوالي.

Figure 4
الشكل 4 - الأرقام 4- الأرقام التي تم ال الملامح المكانية للشعاع الجزيئي الذي يحتوي على 3-fluorophenol، بحثت بشكل انتقائي لرابطة الدول المستقلة (الأحمر) وعبر (الأزرق) المطابقين، مع منحرف في الاختلافات المحتملة من (أ) 14 كيلو فولت و (ب) 28 كيلو فولت. للمقارنة يظهر ملف تعريف الحقل الحر (منحرف عند 0 كيلو فولت) في كلا الرسمين بواسطة آثار أرجواني وسيان(cis و trans على التوالي).

Figure 5
الشكل 5 - الأرقام 5- الأرقام التي تم ملامح المكانية من النعال (الأزرق)، الندول (H2O)1 (الأحمر) والنعال (H2O)2 (الأخضر) لاحتمال انحراف من 28 كيلو فولت. يظهر للمقارنة هو ملف تعريف خالية من الحقل من النعال (أسود). خطوط صلبة في لوحة رئيسية تشير إلى المحاكاة. تظهر في مجموعة هي التشكيلات الجانبية المكانية قياس ل indole (H2O)1 في مختلف الاختلافات المحتملة المطبقة عبر منحرف.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

في جميع أنحاء هذه المخطوطة، يفترض الإلمام بمكونات الفراغ العالية جدا وصمامات الحزم الجزيئية النابضة ومصادر الليزر، وينبغي دائما الالتزام بإجراءات السلامة المرتبطة بها. يجب توخي الحذر الخاص عند التعامل مع أقطاب الجهد العالي للمحرف. أسطحها تحتاج إلى مصقول إلى مستوى عال ويجب أن تكون نظيفة تماما لتجنب تقوس داخل غرفة فراغ. قبل الاستخدام الأول يجب أن تكون مشروطة الأقطاب تحت فراغ. يتم زيادة الجهد المطبق ببطء ويتم قياس التيار من خلال الأقطاب الكهربائية. يجب أن ترسم الأقطاب الكهربائية أي تيار (بناء على ترتيب عدد قليل من nA على الأكثر) ، بغض النظر عن الجهد التطبيقي. جدول تكييف نموذجي لزيادة تدريجيا الجهد التطبيقي هو ما يلي: 0-6 كيلو فولت في 3 خطوات كيلو فولت، 6-10 كيلو فولت في خطوات 1 كيلو فولت، 10-15 كيلو فولت في خطوات 0.5 كيلو فولت. في كل خطوة يجب ترك الجهد ثابت لمدة 15 دقيقة على الأقل والحالية رصدها.

من الأهمية بمكان عند إعداد تجربة انحراف هو محاذاة مكونات الحزم الجزيئية. يجب إجراء المحاذاة الأولية للإعداد باستخدام ليزر المحاذاة ، مما يضمن خط البصر من الصمام النابض ، من خلال كاشطات وحرف في وسط منطقة الكشف. وعلاوة على ذلك فمن المستحسن لوضع كاشطات شعاع الجزيئية على xy-الترجمة (الاتجاهات شعاعي كما هو محدد في الشكل 2) يتصاعد، لتحسين الإشارة الملاحظة. هذا علاوة على ذلك يتحايل على مشكلة تواجه لأنواع من لحظات ثنائي القطب كبيرة، أو عند استخدام حقول انحراف قوية جدا. إذا كان الفصل المكاني كبيرا جدا ، فلن تنتقل الجزيئات عبر كاشطة القشط الأخيرة بعد الآن. كاشطة قابلة للنقل يسمح للمرء أن يحسن انتقال الأنواع ذات الاهتمام مع التمييز ضد الآخرين.

وتجدر الإشارة إلى أن الجزيئات في الدول الكم الدورانية منخفضة الطاقة هي التي لديها أكبر تفاعل ستارك (كما هو مبين في الشكل 1)وبالتالي تواجه أكبر انحراف. وبما أن تقنية الانحراف لا تغير التوزيع السكاني، بل تؤدي فقط إلى تفريق الشعاع الحالي، فمن الضروري أن تكون الولايات J المنخفضة مأهولة بالسكان في البداية. وهذا يتطلب توسعا أسرع من الصوت جيدة من فوهة، وإنتاج شعاع الجزيئية الباردة مع درجات حرارة نموذجية من حوالي 1 ك أو أقل 27.

تعتمد قابلية تطبيق تقنية الانحراف الكهروستاتيكي بشكل عام لفصل المطابقات أو المجموعات على الاختلافات في نسبة الكتلة إلى ثنائي القطب للنوع الذي سيتم فصله. في حالة المطابقين مختلفة واحدة تواجه عادة لحظات ثنائي القطب مختلفة بسبب التوجهات المختلفة للمجموعات وظيفية داخل الأنواع، في حين أن اختيار كتلة مجموعات من المرغوب فيه للغاية لتمكين فصل ستويتشوميتريز العنقودية محددة، فضلا عن ايزومرات العنقودية من حجم معين. تتوفر عدة خيارات لزيادة الفصل المكاني. نهج واحد هو زيادة وقت التفاعل من الجزيئات مع المجال الكهروستاتيكي. ويمكن تحقيق ذلك باستخدام شعاع جزيئي أبطأ، على سبيل المثال من خلال استخدام غاز دعم أثقل(مثلالنيون أو الأرجون أو الكريبتون). وبدلا من ذلك، فإن تلفيق منحرف أطول من شأنه بالمثل أن يزيد من وقت التفاعل. وهناك نهج مختلف لزيادة الفصل المكاني الذي تحقق هو استخدام حقول انحراف أعلى، إما عن طريق زيادة الجهد التطبيقي أو عن طريق تقليل الفجوة بين القطبين. صعوبة لكلا هذين الأسلوبين هو خطر القوس بين القطبين، والتي يمكن أن تلحق الضرر المحتمل الأقطاب الكهربائية لا يمكن إصلاحها. يعتمد الفرق المحتمل الأقصى الذي يمكن تطبيقه بأمان (في ظل ظروف فراغ عالية جدا) بشكل حاسم على المواد المستخدمة وجودة التشطيب السطحي.

في حين أن مختلف التوافقات من الجزيئات يمكن دراستها سابقا باستخدام أساليب الطيف عالية الدقة، وذلك باستخدام الميكروويف المتميز36،الأشعة تحت الحمراء، أو الأشعة فوق البنفسجية فيس1،37 الأطياف، وطريقة انحراف الكهروستاتيكية المعروضة هنا يسمح لإنتاج شعاع نقي من نوع جزيئي واحد. ويمكن استخدام هندسات القطب الكهربائي الأخرى لتحديد جزيئات محايدة أو مجموعات، على سبيل المثال،مرشح رباعي القطب الكهربائية أو المفك التدرج بالتناوب22،38-40. هذه الأجهزة، ومع ذلك، هي أكبر بكثير (>1 م) وأكثر تعقيدا لتصنيع وتركيب. وعلاوة على ذلك فهي حساسة للغاية لميميكايالمنحرفة 24. ويتكون منحرف حقل ثابت ثابت من سلكين من هندسة بسيطة يمكن دمجها في أجهزة الحزم الجزيئية الموجودة30,41-44.

ونحن نرى التطبيقات المستقبلية لهذه التقنية في ثلاثة مجالات رئيسية. أولا، دراسة التفاعل محددة المطابق. يمكن إنشاء شعاع عينة نقية متوافقة باستخدام منحرف كهربائي ، والتي يمكن استخدامها في وقت لاحق لدراسة الخصائص الكيميائية وتتفاعل من ايزومر الهيكلي واحد وحجم الكتلة.

ثانيا، دراسات منهجية لحل الجزيئات المحايدة. استخدام م / μ محدد يسمح لإنشاء مجموعات الجزيئية مع قياس الاستواء محددة جيدا. دراسة منهجية المجموعات الجزيئية من حجم متزايد يسمح لدراسة آثار حل ويحاول سد الفجوة بين المرحلة المكثفة، التي تحدث معظم الكيمياء، ومرحلة الغاز، التي تسمح لدراسات عالية الدقة. هذه التقنية راسخة للأيونات الجزيئية45-48، ولكن عدم وجود انتقائية الحجم للمحايدين حد حتى الآن من دراسة حل الجزيئات المحايدة ، على سبيل المثال، باستخدام تجارب التصوير فائق السرعة.

ثالثا، يسمح المنحرف الكهربائي باختيار أبرد جزء من الحزم الجزيئية، وذلك بسبب التأثير ستارك الأكبر للدول الكم الدورانية منخفضة الطاقة. هذا يساعد بشكل كبير في 1D و 3D المحاذاة والتجارب التوجيهية17,26,27,49. وهذا شرط أساسي حاسم للجيل القادم من تجارب الفيزياء الجزيئية التي تستخرج معلومات الإطار الجزيئي من الجزيئات المعقدة، مثل التصوير المداري الجزيئي2 أو تجارب الحيود50.

طريقة الانحراف الكهروستاتيكية المقدمة جديدة ، ولكنها تستند إلى أفكار بسيطة من الناحية المفاهيمية وراسخة ، وتؤدي إلى فصل الأنواع داخل شعاع جزيئي بنسبة الكتلة إلى ثنائي القطب ، باستخدام تأثير ستارك. وهو يمكن من إنشاء الحزم الجزيئية الباردة والمتوافقة والمختارة على نطاق واسع ، مما يسمح بالعديد من التطبيقات في الفيزياء الجزيئية والكيمياء الفيزيائية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.

Acknowledgments

وقد تم دعم هذا العمل من قبل مجموعة التميز "مركز هامبورغ للتصوير فائق السرعة - هيكل وديناميات ومراقبة المادة على النطاق الذري" من دويتشه فورتشونجسجيمينشافت ومعهد هيلمهولتز الافتراضي "المسارات الديناميكية في المناظر الطبيعية متعددة الأبعاد".

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/

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Rizzo, T. R., Park, Y. D., Peteanu, L., Levy, D. H. Electronic spectrum of the amino acid tryptophan cooled in a supersonic molecular beam. J. Chem. Phys. 83, 4819-4820 (1985).
  2. Itatani, J., et al. Tomographic imaging of molecular orbitals. Nature. 432, 867-871 (2004).
  3. Kumarappan, V., et al. Multiphoton electron angular distributions from laser-aligned CS2 molecules. Phys. Rev. Lett. 100 (9), 093006-0910 (2008).
  4. Bisgaard, C. Z., et al. Time-resolved molecular frame dynamics of fixed-in-space CS2 molecules. Science. 323 (5920), 1464-1468 (2009).
  5. Holmegaard, L., et al. Photoelectron angular distributions from strong-field ionization of oriented molecules. Nat. Phys. 6, 428-4210 (2010).
  6. Ihee, H., et al. Direct imaging of transient molecular structures with ultrafast diffraction. Science. 291 (5503), 458-462 (2001).
  7. Chergui, M., Zewail, A. H. Electron and x-ray methods of ultrafast structural dynamics: Advances and applications. Chem. Phys. Chem. 10 (1), 28-43 (2009).
  8. Siwick, B. J., Dwyer, J. R., Jordan, R. E., Miller, R. J. D. An atomic-level view of melting using femtosecond electron diffraction. Science. 302 (5649), 1382-1385 (2003).
  9. Sciaini, G., Miller, R. J. D. Femtosecond electron diffraction: heralding the era of atomically resolved dynamics. Rep. Prog. Phys. 74 (9), 096101-0910 (2011).
  10. Hedberg, K., et al. Bond lengths in free molecules of buckminsterfullerene, C60, from gas-phase electron diffraction. Science. 254 (5030), 410-412 (1991).
  11. Filsinger, F., Meijer, G., Stapelfeldt, H., Chapman, H., Küpper, J. S. tate- and conformerselected beams of aligned and oriented molecules for ultrafast diffraction studies. Phys. Chem. Chem. Phys. 13 (6), 2076-2087 (2011).
  12. Seibert, M. M., et al. Single mimivirus particles intercepted and imaged with an x-ray laser. Nature. 470 (7332), (2011).
  13. Chapman, H. N., et al. Femtosecond x-ray protein nanocrystallography. Nature. 470 (7332), (2011).
  14. von Helden, G., Wyttenbach, T., Bowers, M. T. Conformation of macromolecules in the gasphase – use of matrix-assisted laser-desorption methods in ion chromatography. Science. 267, 1483-1485 (1995).
  15. Jarrold, M. Helices and sheets in vacuo. Phys. Chem. Chem. Phys. 9, 1659-1671 (2007).
  16. Filsinger, F., et al. Pure samples of individual conformers: the separation of stereo-isomers of complex molecules using electric fields. Angew. Chem. Int. Ed. 48, (2009).
  17. Filsinger, F., et al. Quantum-state selection, alignment, and orientation of large molecules using static electric and laser fields. J. Chem. Phys. 131, 10-1063 (2009).
  18. Kallmann, H., Reiche, F. Über den Durchgang bewegter Moleküle durch inhomogene Kraftfelder. Z. Phys. 6, 352-375 (1921).
  19. Wrede, E. Über die Ablenkung von Molekularstrahlen elektrischer Dipolmoleküle im inhomogenen elektrischen Feld. Z. Phys. 44 (4-5), 4-5 (1927).
  20. Gerlach, W., Der Stern, O. experimentelle Nachweis der Richtungsquantelung im Magnetfeld. Z. Phys. 9, 349-352 (1922).
  21. Trippel, S., Chang, Y. -P., Stern, S., Mullins, T., Holmegaard, L., Küpper, J. Spatial separation of state- and size-selected neutral clusters. Phys. Rev. A. 86, 10-1103 (2012).
  22. Filsinger, F., Erlekam, U., von Helden, G., Küpper, J., Meijer, G. Selector for structural isomers of neutral molecules. Phys. Rev. Lett. 100, 10-1103 (2008).
  23. Filsinger, F., Putzke, S., Haak, H., Meijer, G., Küpper, J. Tuning the resolution of the m=_- selector. Phys. Rev. A. 82, 052513-0510 (2010).
  24. Putzke, S., Filsinger, F., Haak, H., Küpper, J., Meijer, G. Rotational-state-specific guiding of large molecules. Phys. Chem. Chem. Phys. 13, (2011).
  25. Nielsen, J. H., et al. Stark-selected beam of ground-state OCS molecules characterized by revivals of impulsive alignment. Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 18971-18975 (2011).
  26. Stapelfeldt, H., Seideman, T. Colloquium: Aligning molecules with strong laser pulses. Rev. Mod. Phys. 75 (2), 543-557 (2003).
  27. Holmegaard, L., et al. Laser-induced alignment and orientation of quantum-state-selected large molecules. Phys. Rev. Lett. 102, 10-1103 (2009).
  28. Ghafur, O., Rouzee, A., Gijsbertsen, A., Siu, W. K., Stolte, S., Vrakking, M. J. J. Impulsive orientation and alignment of quantum-state-selected NO molecules. Nat. Phys. 5, 289-293 (2009).
  29. Hillenkamp, M., Keinan, S., Even, U. Condensation limited cooling in supersonic expansions. J. Chem. Phys. 118 (19), 8699-8705 (2003).
  30. Ramsey, N. F. Molecular Beams. The International Series of Monographs on Physics. , Oxford University Press. London, GB. (1956).
  31. Nielsen, J. H., Stapelfeldt, H., Küpper, J., Friedrich, B., Omiste, J. J., González-Férez, R. Making the best of mixed-field orientation of polar molecules: A recipe for achieving adiabatic dynamics in an electrostatic field combined with laser pulses. Phys. Rev. Lett. 108 (19), 10-1103 (2012).
  32. Fujimaki, E., Fujii, A., Ebata, T., Mikami, N. Autoionization-detected infrared spectroscopy of intramolecular hydrogen bonds in aromatic cations. I. principle and application to fluorophenol and methoxyphenol. J. Chem. Phys. 110, 4238-4247 (1999).
  33. Kang, C., Korter, T. M., Pratt, D. W. Experimental measurement of the induced dipole moment of an isolated molecule in its ground and electronically excited states: Indole and indole–H2O. J. Chem. Phys. 122 (17), 174301-17 (2005).
  34. Korter, T. M., Pratt, D. W., Küpper, J. Indole-H2O in the gas phase. structures, barriers to internal motion, and S1 S0 transition moment orientation. solvent reorganization in the electronically excited state. J. Phys. Chem. A. 102 (37), 7211-7216 (1998).
  35. Küpper, J., Pratt, D. W., Meerts, L., Brand, C., Tatchen, J., Schmitt, M. Vibronic coupling in indole: II. experimental investigation of the 1La–1Lb interaction using rotationally resolved electronic spectroscopy. Phys. Chem. Chem. Phys. 12, 4980-4988 (2010).
  36. Suenram, R. D., Lovas, F. J. Millimeter wave spectrum of glycine - a new conformer. J. Am. Chem. Soc. 102, 7180-7184 (1980).
  37. Nir, E., Kleinermanns, K., de Vries, M. S. Pairing of isolated nucleic-acid bases in the absence of the DNA backbone. Nature. 408, 949-951 (2000).
  38. Bethlem, H. L., van Roij, A. J. A., Jongma, R. T., Meijer, G. Alternate gradient focusing and deceleration of a molecular beam. Phys. Rev. Lett. 88 (13), 10-1103 (2002).
  39. Wohlfart, K., Grätz, F., Filsinger, F., Haak, H., Meijer, G., Küpper, J. Alternating-gradient focusing and deceleration of large molecules. Phys. Rev. A. 77, 10-1103 (2008).
  40. Putzke, S., Filsinger, F., Küpper, J., Meijer, G. Alternating-gradient focusing of the benzonitrile-argon van der waals complex. J. Chem. Phys. 137 (10), 10-1063 (2012).
  41. Knight, W. D., Clemenger, K., de Heer, W. A., Saunders, W. A. Polarizability of alkali clusters. Phys. Rev. B. 31 (4), 2539-2540 (1985).
  42. Tarnovsky, V., Bunimovicz, M., Vuškovic, L., Stumpf, B., Bederson, B. Measurements of the DC electric-dipole polarizabilities of the alkali dimer molecules, homonuclear and heteronuclear. J. Chem. Phys. 98 (5), 3894-3904 (1993).
  43. Schäfer, R., Schlecht, S., Woenckhaus, J., Becker, J. Polarizabilities of Isolated Semiconductor Clusters. Phys. Rev. Lett. 76 (3), 471-474 (1996).
  44. Antoine, R., et al. Electric dipole moments and conformations of isolated peptides. Eur. Phys. J. D. 20, 583-587 (2002).
  45. Cosby, P. C., Smith, G. P., Moseley, J. T. Photodissociation and photodetachment of molecular negative ions. IV. Hydrates of O. J. Chem. Phys. 69, 2779-2781 (1978).
  46. Hunton, D. E., Hofmann, M., Lindeman, T. G., Albertoni, C. R., Castleman Jr,, W, A. Photodissociation spectroscopy and dynamics of negative ion clusters. II. CO. (H2O)1;2;3. J. Chem. Phys. 82, 2884-2895 (1985).
  47. Castleman, A. W., Bowen J, K. H., J, Clusters: Structure, energetics, and dynamics of intermediate states of matter. J. Phys. Chem. 100, 12911-12944 (1996).
  48. Verlet, J. R. R. Femtosecond spectroscopy of cluster anions: insights into condensed-phase phenomena from the gas-phase. Chem. Soc. Rev. 37, 505-517 (2008).
  49. Nevo, I., et al. Laser-induced 3D alignment and orientation of quantum state-selected molecules. Phys. Chem. Chem. Phys. 11, 9912-9918 (2009).
  50. Reckenthaeler, P., Centurion, M., Fuss, W., Trushin, S. A., Krausz, F., Fill, E. E. Time-resolved electron diffraction from selectively aligned molecules. Phys. Rev. Lett. 102 (21), 213001-2110 (2009).

Tags

الفيزياء، العدد 83، الفيزياء الكيميائية، الكيمياء الفيزيائية، الفيزياء الجزيئية، الحزم الجزيئية، التحليل الطيفي بالليزر، المجموعات
الفصل المكاني للمتشكلات الجزيئية والتجمعات
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Horke, D., Trippel, S., Chang, Y.… More

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).

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