Waiting
Login processing...

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

Engineering

הפרדה מרחבית של קונפורמרים מולקולריים ואשכולות

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

אנו מציגים טכניקה המאפשרת הפרדה מרחבית של קונפורמרים או אשכולות שונים הנמצאים בקרן מולקולרית. דפלקטור אלקטרוסטטי משמש להפרדת מינים על ידי יחס רגע מסה לדיפול שלהם, המוביל לייצור הרכבים שלב גז של קונפורמר יחיד או stoichiometry אשכול.

Abstract

פיזיקה מולקולרית שלב גז וניסויים בכימיה פיזיקלית משתמשים בדרך כלל בהרחבות על-קוליות באמצעות שסתומים פעמו לייצור קורות מולקולריות קרות. עם זאת, קורות אלה מכילות לעתים קרובות קונפורמרים ואשכולות מרובים, אפילו בטמפרטורות סיבוב נמוכות. אנו מציגים מתודולוגיה ניסיונית המאפשרת הפרדה מרחבית של חלקים מרכיבים אלה של התפשטות קרן מולקולרית. באמצעות דפלקטור חשמלי הקרן מופרדת על ידי יחס רגע מסה לדיפול שלה, מקביל בנדר או ספקטרומטר מסה מגזר חשמלי פיזור מולקולות טעונות על בסיס יחס מסה לטעינה שלהם. דפלקטור זה מנצל את אפקט סטארק בשדה חשמלי לא הומוגני ומאפשר הפרדת מינים בודדים של מולקולות ואשכולות ניטרליים בקטבים. יתר על כן, הוא מאפשר את הבחירה של החלק הקר ביותר של קרן מולקולרית, כמו אנרגיה נמוכה סיבובית מצבים קוונטיים בדרך כלל לחוות את הסטייה הגדולה ביותר. איזומרים מבניים שונים (קונפורמים) של מין יכולים להיות מופרדים בשל הסדר השונה של קבוצות תפקודיות, מה שמוביל לרגעים דיפולים ברורים. אלה מנוצלים על ידי הדפלקטור האלקטרוסטטי לייצור מדגם טהור קונפורמי מקרן מולקולרית. באופן דומה, ניתן לבחור סטויצ'יומטריות אשכול ספציפיות, שכן רגע המסה והדיפול של אשכול נתון תלוי במידת התפתורות סביב מולקולת האב. זה מאפשר ניסויים על גדלי אשכול ומבנים ספציפיים, המאפשרים מחקר שיטתי של פתירה של מולקולות נייטרליות.

Introduction

פיזיקה מולקולרית שלב גז מודרנית וניסויים בכימיה פיזיקלית משתמשים לעתים קרובות בהרחבות על-קוליות של מולקולות מטרה כדי לייצר דגימות מולקולריות קרות באופן סיבובי בתוך קרן מולקולרית. עם זאת, אפילו בטמפרטורות סיבוביות נמוכות של 1 K, אשר ניתן להשיג באופן שגרתי באמצעות הרחבות על קוליות, מולקולות גדולות עדיין יכול להישאר קונפורמציות מרובות בתוך הקרן1. באופן דומה, ייצור אשכולות מולקולריים במקור קרן אינו גורם למין אחד, אלא להיווצרות "מרק אשכולות", המכיל סטוכיומטריות אשכול רבות ושונות, כמו גם מולקולות אב טהורות שנותרו. זה עושה את המחקר של מערכות אלה עם טכניקות חדשניות כגון הדמיה של מסלולים מולקולריים2, הפצות זוויתיות פוטואלקטרון מסגרת מולקולרית3-5 או אלקטרון6-10 ו עקיפת רנטגן11-13 קשה, כמו אלה דורשים טהור, עקבי, ודגימות הומוגניות בשלב הגז.

בעוד מספר מתודולוגיות זמינות כעת כדי להפריד קונפורמרים שונים של מינים טעונים בשלב הגז(למשל ניידות יון צינורות להיסחף14,15)וצבירים טעונים מופרדים בקלות על ידי יחס מסה לטעינה שלהם, טכניקות אלה אינן ישימות למינים ניטרליים. לאחרונה הוכחנו כי בעיות אלה ניתן להתגבר עם השימוש במכשיר הסטה אלקטרוסטטית16,17, המאפשר הפרדה של קונפורמרים מולקולריים, כמו גם אשכולות וייצור של קורות מולקולריות קרות סיבובית.

השימוש בהטיה אלקטרוסטטית היא טכניקת קרן מולקולרית קלאסית, שמקורה ללכת דרך ארוכה אחורה18,19. רעיונות ראשונים של שימוש בהטיה אלקטרוסטטית להפרדת מצבים קוונטיים הוצגו על ידי שטרן בשנת 192620. בעוד ניסויים מוקדמים נערכו על מולקולות קטנות בטמפרטורות גבוהות, אנו מדגימים את היישום של טכניקה זו למולקולות קוטב גדולות ואשכולות בטמפרטורות נמוכות16,21.

מולקולות קוטביות חוות כוח בתוך שדה חשמלי לא הומוגני (E) בשל ההבדלים המרחביים באנרגיה פוטנציאלית. כוח זה תלוי ברגע הדיפול היעיל, μeff, של המולקולה וניתן להעריך אותו כ

(1)

כמו קונפורמים מולקולריים שונים בדרך כלל posses רגעים dipole שונים ומספרים שונים של מולקולות ממס בתוך אשכול להוביל מסות אשכול שונות רגעים dipole, מינים אלה יחוו האצה שונה בנוכחות שדה חשמלי inhomogeneous חזק. כתוצאה מכך כוח אפקט סטארק משדה חשמלי inhomogeneous ולכן יכול לשמש להפרדת קונפורמרים ומדינות קוונטיות22. הדבר מצוין באיור 1, המציג את עקומות סטארק המחושבות עבור J = 0,1,2 מצבי סיבוב של cis ו- trans conformers של 3-פלואורופנול, בהתאמה. זה מוביל להבדלים גדולים μeff, כפי שמוצג באיורים 1c ו 1d, ומכאן האצה שונה מנוסה על ידי שני קונפורמרים בשדות חשמליים inhomogeneous. לכן, מכשיר הסטה אלקטרוסטטי יכול לשמש מפריד רגע מסה לדיפול (m /μeff), באנלוגיה ספקטרומטר מסה מתנהג כיחס מסה לטעינה (m / z)מסנן 23.

יתר על כן, טכניקות אלה מאפשרות הפרדת מצבים קוונטיים סיבוביים24,25. כמו מצבי סיבוב הקרקע (עקומות כחולות באיורים 1a ו 1b) להפגין את השינוי הגדול ביותר סטארק, אלה יוסטו ביותר ניתן להפריד מרחבית ממולקולות במדינות J גבוהות17. לכן ניתן לבחור את החלק הקר ביותר של קרן מולקולרית, המסייע באופן משמעותי ביישומים רבים, כגון יישור וכיוון של מולקולות יעד17, 26-28.

בתרומה זו אנו מראים כיצד ניתן להשתמש במכשיר הסטה אלקטרוסטטי כדי להפריד בין מינים שונים של מולקולות קוטב גדולות ואשכולות. נתונים לדוגמה מוצגים לייצור קרן טהורה של קונפורמר בודד ושל אשכול ממס מסיס של גודל ויחס מוגדרים היטב. באופן ספציפי אנו מציגים נתונים על 3-פלואורופנול, שבו קרן טהורה המכילה רק קונפורמר טרנס מיוצר, ועל אשכולות אינדול-מים, שבו אינדול (H2O)1 אשכול ניתן להפריד מרחבית מים, אינדול, אינדול (H2O)2, וכו '.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. תיאור ההתקנה הניסיונית

סכמטי של הגדרת קרן מולקולרית שלב הגז ודפלקטור מוצג באיור 221. הוא מורכב מ

  1. שסתום אבן לביא פעמו29 המכיל את הדגימה המולקולרית. שסתומי קרן מולקולרית אחרים פעמו ניתן להשתמש באותה מידה כמו גם כל עוד קרן מולקולרית קרה (O(1 K)) נוצר. הפרמטרים הבאים הם ספציפיים עבור שסתום אבן לביא מועסק. בניסויים המוצגים כאן השסתום מופעל בקצב חזרה של 20 הרץ עם לחצי גיבוי גבוהים (הליום ב ~ 50 בר) והורחב לתא ואקום שפונה <10-6 mbar.
  2. רחפן קרן מולקולרית (בקוטר 2 מ"מ) ממוקם 22 ס"מ במורד הזרם מהשסתום, אוסף את הקרן המולקולרית ומוביל לתנאי שאיבה דיפרנציאליים בין השסתום פעמו ושאר מערכת ואקום.
  3. מיד לאחר הרחפן המולקולות נכנסות למכשיר ההטיה האלקטרוסטטי. זה מורכב מוט (רדיוס 3.0 מ"מ) ו שוקת (רדיוס של עקמומיות 3.2 מ"מ), כל 24 ס"מ אורך. הפער האנכי בין האלקטרודות במרכז המכשיר הוא 2.3 מ"מ. הבדל פוטנציאלי בין 0-26 kV מוחל בין המוט לאבוס, ומייצר שדה חשמלי לא הומוגני חזק עם שיפוע שדה כמעט קבוע30, כפי שצוין בתחילת איור 2.
  4. מיד לאחר מולקולות הדפלקטור נכנסות לאזור האינטראקציה דרך רחפן שני, ומספקות שלב שאיבה דיפרנציאלי נוסף.
  5. אזור האינטראקציה (שפונה ללחצים<10 -9 mbar) מכיל התקנה סטנדרטית של זמן טיסה של ויילי-מקלארן (TOF). מולקולות מיוננת על ידי פולסים לייזר ממוקדים במרכז אזור החילוץ, בין הדוחה לבין אלקטרודות מחלץ. יונים המיוצרים מואצים לכיוון גלאי לוח רב-ערוצי (MCP), שבו נרשם ספקטרום מסה.
  6. פולסים לייזר נגזרים לייזר צבע שאוב Nd:YAG, מתן אורכי גל פלט טיפוסי סביב 283 ננומטר (ניסויים indole) או 272 ננומטר (ניסויים 3 פלואורופנול) ואנרגיות דופק של כמה mJ. משכי פולס הם בסדר של 10 nsec ופולסים ממוקדים עם f = 750 מ"מ עדשה לגודל ספוט של ~ 100 מיקרומטר באזור האינטראקציה.
  7. רצף התזמון נשלט על-ידי מחולל עיכובים דיגיטלי המספק את השעון הראשי. זה מפעיל את לייזר Nd:YAG (מנורות פלאש מתג Q), שסתום פעמו, ואת כרטיס דיגיטייזר המשמש לתיעוד ספקטרום מסה.
  8. ספקטרום מסה נרשמים על כרטיס דיגיטייזר, מופעל באותו זמן כמו מתג Q לייזר. צפיפות קרן מולקולרית מופקת משערי מסה מתאימים בספקטרום זמן הטיסה המתועד.

2. הפקה ואפיון של קרן מולקולרית נבחרת קונפורמר

  1. קרן מולקולרית קרה של מולקולות היעד נוצרת באמצעות התפשטות על-קולית ומאופיינת בפרופיל מרחבי (x, y) ופרופיל זמני (z direction).
  2. טען את מאגר הדגימה של השסתום פעמו עם הדגימה הכימית. ממיסים דגימות מוצקות בממס מתאים ומניחים כמה טיפות על פיסת נייר סינון קטנה המוחדרת למחסנית המדגם. מניחים דגימות נוזליות ישירות על נייר הסינון.
  3. לייצר את ההתפשטות העל-קולית, באמצעות גז גיבוי בלחץ גבוה בטוהר גבוה. להתאים את הטמפרטורה של מאגר המדגם בתוך השסתום כך הלחץ החלקי של המדגם הוא כ 10 mbar.
    הערה: עבור דגימות נוזליות בדרך כלל אין צורך בחימום. זמן פתיחת השסתום תלוי בדגם המדויק של שסתום פעמו בשימוש, עבור הניסויים המוצגים כאן שסתום אבן לביא מופעל עם משך פולס חשמלי של 10 μsec.
  4. לאפיין את הקרן המולקולרית המיוצרת עם הדפלקטור האלקטרוסטטי כבוי. הגדר את לייזר היוניזציה לאורך גל ידוע ליינון מולטי-פוטון משופר תהודה (REMPI) של קונפורמר מסוים של המדגם. רשום פרופיל זמני של פעימת הקרן המולקולרית על-ידי ניטור תפוקת יון האב הכוללת בגלאי ה- MCP כפונקציה של השהיית שסתום-לייזר.
  5. לתקן את השהיית שסתום לייזר במיקום של עוצמה מקסימלית עבור כל המדידות הבאות.
  6. רשום פרופיל מרחבי רוחבי של הקרן המולקולרית על-ידי ניטור התשואה הכוללת של יון האב כפונקציה של מיקום y של מוקד הלייזר. עשה זאת על ידי הזזת עדשת המיקוד בניצב לכיוון התפשטות הלייזר, כך שהמוקד נע בכיוון y ביחס לקרן המולקולרית.
  7. חזור על הפרופיל הזמני והמרחבי עבור כל הקונפורמים המעניינים בקרן.
    הערה: אלה בדרך כלל יש תהודה REMPI ברור, כך שכל קונפורמר ניתן לבדוק בנפרד. עם זאת, בהיעדר שדה הסטה, הפרופילים הזמניים והמרחביים זהים לכל הקונפורמים.
  8. אפיון הקרן שהוסטה. הפעל את אספקת המתח הגבוהה הדפלקטור ותקליט פרופילים מרחביים עבור כל isomers. אלה צריכים להיות עכשיו להסיט על פי יחס רגע מסה לדיפול.
    הערה: עבור מינים שעברו סטיות גדולות ייתכן שיהיה צורך להזיז את הרחפן מיד לאחר הדפלקטור כדי להבטיח העברה טובה של הקרן שהוסטה לאזור הגילוי.
  9. ערכו ניסויים על החלק הקונפורמר או על החלק שנבחר בגודל של הקרן המולקולרית על ידי הבטחת האינטראקציה(למשל קרן לייזר חוצה) מתרחשת בתוך החלק של הקרן המולקולרית המכיל רק את המינים המעניינים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

טכניקת הסטה אלקטרוסטטית הוחלה בהצלחה על ההפרדה של isomers מבניים16 ואשכולות ניטרליים21, כמו גם את הייצור של מצב קוונטי סיבובי נבחר דגימות מולקולריות31. אנו מדגימים זאת עם תוצאות מייצגות להפרדת cis ו trans conformers של 3-פלואורופנול, וגודל נבחר indole (H2O)n אשכולות.

3-קונפורמרים פלואורופנול הופרדו בקרן מולקולרית מן ההתפשטות העל-קולית של 50 ברים של הליום. המינים הבודדים נבדקו באמצעות תהודה REMPI הייחודית שלהם סביב 272 ננומטר32. בשל רגע הדיפול הגדול משמעותית שלו (ראו איור 1),הקונפורמר הטרנס חווה סטייה גדולה יותר בעקבות המעבר דרך הדפלקטור ומופרד באופן מרחבי מהקונפורמר cis וגז המוביל של הקרן.

כדי לאפיין את הקרן המולקולרית שנוצרה במהלך התפשטות על-קולית, נאסף פרופיל זמני כאשר הדפלקטור האלקטרוסטטי כבוי, כפי שמוצג באיור 3. לשם השוואה, פרופיל זמני של קרן זרעי ניאון מוצג גם. עבור גז נושאת הליום אנו רואים רוחב זמני של כ 12 μsec ברוחב מלא בחצי מקסימום (FWHM), אופייני להרחבה משסתום אבן לביא בתנאי הפעלה אלה.

ההתפלגות המרחבית של הקרן המולקולרית מנוטרת על ידי תרגום לייזר REMPI ביחס לכיוון הקרן המולקולרית, ופרופילים מרחביים מוצגים באיור 4. פעולה זו מציגה את ההיקף המרחבי של הקונפורמרים cis (עקבות אדומים) וטרנס (מעקב כחול) בשני שדות הסטה שונים, שנוצרו על-ידי החלת הפרש פוטנציאלי של 14 kV או 28 kV על-פני הדפלקטור. עבור פרופילים נטולי שדות השוואה מוצגים בשתי ההתוויות על ידי עקומות המגנטה (cis) וציאן (טרנס). אלה מניבים רוחב מרחבי של הקרן המולקולרית של כ 2 מ"מ ולהראות כי, ללא הדפלקטור, שני המינים מעורבבים בתוך הקרן. בנוכחות שדה הסטה הקונפורמר הטרנס עובר הסטה גדולה משמעותית מהקונפורמר cis וניתן להפרידו ביעילות משאר המינים הקיימים בקרן, כך שבמיקום של y = 3 מ"מ נוצרת דגימת טרנס טהורה וניתן להשתמש בה לניסויים נוספים.

הפרדת אשכולות מודגמת על ידי הרחבה על-קולית של אינדול בקרן נושאת "רטובה" של הליום המכילה כמויות זעירות של מים, מה שמוביל להיווצרות אשכולות מולקולריים מסוג אינדולm(H2O)n. על פי הספרות וחישובי ab initio, הצביר indole(H2O)1 יש רגע דיפול גדול משמעותית (4.4 D) מאשר אינדול טהור (1.96 D), מים (1.86 D) או אינדול (H2O)2 אשכול, ולכן צריך להסיט ביותר21,33. כל המינים המכילים אינדול ניתן לבדוק באופן סלקטיבי באמצעות REMPI סביב 283 ננומטר24,35, ניצול האנרגיה הנמוכה ביותר מותר מעבר עירור אלקטרוני של אינדול. כמו צעד זה עירור מהדהד כרוך תדרים שונים בהתאם פתגם של אינדול, הגילוי הוא מינים סלקטיביים לחלוטין. פרופילים מרחביים של הקרן המולקולרית מוצגים באיור 5, אלה נרשמו עם הבדל פוטנציאלי של 26 kV בין המוט לאלקטרודה שוקת והם מינים סלקטיביים לחלוטין עבור אינדול (כחול), אינדול (H2O)1 (אדום) ו אינדול (H2O)2 (ירוק). השורות מציינות ערכים מדומים; פרטים על שיטות סימולציות מספריות ניתן למצוא בספרות17,21. להשוואה, פרופיל מרחבי נטול שדות (דפלקטור מקורקע) מוצג על-ידי העקומה השחורה. כצפוי אשכול 1:1 של אינדול ומים חווה את ההטיה הגדולה ביותר ובתנוחה של y = 2-3 מ"מ נוצרת קרן טהורה של אינדול (H2O)1. כדי להדגיש את השפעת הדפלקטור על פרופיל הקרן המולקולרית המרחבית, הכניסה באיור 5 מראה את צפיפות הקרן המולקולרית של אינדול (H2O)1 כפונקציה של הבדל פוטנציאלי המוחל על-פני הדפלקטור. הוא מציין כי ככל שכוח השדה גדל, החלק הקר ביותר של הקרן המולקולרית חווה הסטה הולכת וגוברת, בעוד המרכיבים החמים יותר חווים הפרדה מרחבית קטנה משמעותית וצפיפות מסוימת נשארת במיקום המקורי. יתר על כן, זה מדגיש את הבחירה של החלק הקר ביותר של הקרן המולקולרית.

Figure 1
איור 1. סטארק מחושב אנרגיות E (למעלה) ורגעי דיפול יעילים μeff (למטה) עבור cis ו trans conformers של 3-פלואורופנול. הקו הכחול תואם למצב הקרקע הסיבובי J = 0, הקווים האדומים ל- J = 1 וירוק ל- J = 2 מצבים. ההטיה שחוותה היא פרופורציונלית μeff/m (משוואה 1). לפיכך, מצבים קוונטיים סיבוביים נמוכים יותר, אשר מציגים μeffגדול יותר , חווים הסטה גדולה יותר, ולכן ניתן להפריד. באותה מידה, μeff גדול משמעותית עבור קונפורמר טרנס מוביל הסטה מרחבית גדולה יותר בעקבות מעבר דרך הדפלקטור האלקטרוסטטי.

Figure 2
איור 2. ההתקנה הניסיונית, המורכבת משסתום פעמו היוצר התרחבות על-קולית של מולקולות מטרה, דפלקטור אלקטרוסטטי ואזור גילוי עם ספקטרומטר מסה בזמן הטיסה. הכניסה מראה את השדה החשמלי inhomogeneous שנוצר בתוך הדפלקטור עבור מתחים של ±13 kV להחיל על המוט ואת השוקת, בהתאמה. לחץ כאן כדי להציג תמונה גדולה יותר.

Figure 3
איור 3. פרופיל זמני של הקרן המולקולרית להליום (ב 380 מיקרוסק) וניאון (ב 826 μsec) גז נושא. רוחב הזמן של הקרן הוא כ 3% ו 4% מזמן הטיסה הכולל עבור הליום וניאון, בהתאמה.

Figure 4
איור 4. פרופילים מרחביים של הקרן המולקולרית המכילה 3-פלואורופנול, נבדקו באופן סלקטיבי עבור CIS (אדום) וטרנס (כחול) קונפורמרים, עם הדפלקטור בהבדלים פוטנציאליים של (א) 14 kV ו (ב) 28 kV. לשם השוואה, הפרופיל החופשי של השדה (דפלקטור ב- 0 kV) מוצג בשתי ההתוויות על-ידי עקבות מגנטה וציאן (cis ו- trans בהתאמה).

Figure 5
איור 5. פרופילים מרחביים של אינדול (כחול), אינדול (H2O)1 (אדום) ו אינדול (H2O)2 (ירוק) עבור פוטנציאל דפלקטור של 28 kV. מוצג להשוואה פרופיל נטול השדות של אינדול (שחור). קווים מלאים בלוח הראשי מציינים סימולציות. הכניסה המוצגת היא הפרופילים המרחביים הנמדדים עבור indole(H2O)1 בהבדלים פוטנציאליים שונים המוחלים על-פני הדפלקטור.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

לאורך כתב יד זה, היכרות עם רכיבי ואקום גבוהים במיוחד, שסתומי קרן מולקולרית פעמו ומקורות לייזר הוא הניח ואת נהלי הבטיחות הקשורים תמיד צריך להיות דבק. טיפול מיוחד צריך להילקח בעת טיפול אלקטרודות מתח גבוה עבור הדפלקטור. המשטחים שלהם צריכים להיות מלוטשים ברמה גבוהה וחייבים להיות נקיים לחלוטין כדי למנוע קשתות בתוך תא ואקום. לפני השימוש הראשון האלקטרודות צריך להיות מותנה תחת ואקום. המתח המופעל גדל לאט והזרם דרך האלקטרודות נמדד. האלקטרודות לא צריכות לצייר זרם (בסדר גודל של כמה nA לפחות), ללא תלות במתח המופעל. לוח זמנים טיפוסי להתניה בהגדלת המתח המוחל הוא כדלקמן: 0-6 kV ב-3 שלבי kV, 6-10 kV בשלבי 1 kV, 10-15 kV בשלבי 0.5 kV. בכל שלב יש להשאיר את המתח קבוע לפחות 15 דקות והזרם מנוטר.

חשיבות מכרעת בעת הקמת ניסוי הסטה היא היישור של רכיבי הקרן המולקולרית. יישור ראשוני של ההתקנה צריך להתבצע עם לייזר יישור, הבטחת קו הראייה מן השסתום פעמו, דרך רחפנים ואת הדפלקטור למרכז אזור הגילוי. בנוסף, מומלץ למקם את רחפני הקרן המולקולרית על פסי-תרגום (כיוונים רדיאליים כהגדרתם באיור 2),כדי למטב את האות הנצפה. יתר על כן, זה עוקף בעיה נתקל עבור מינים של רגעי דיפול גדולים, או בעת שימוש בשדות הסטה חזקים מאוד. אם ההפרדה המרחבית גדולה מדי, מולקולות לא יעברו דרך הרחפן האחרון יותר. רחפן ניתן להזזה מאפשר לייעל את העברת המינים המעניינים תוך אפליה נגד אחרים.

יש לציין כי המולקולות במצבים קוונטיים סיבוביים בעלי אנרגיה נמוכה הן בעלות האינטראקציה הגדולה ביותר של סטארק (כפי שצוין באיור 1) ולכן חוות את ההטיה הגדולה ביותר. מכיוון שטכניקת ההטיה אינה משנה את התפלגות האוכלוסייה, אלא רק מפזרת את הקרן הקיימת, חיוני שמדינות J הנמוכות יאוכלסו בתחילה. זה דורש התפשטות על-קולית טובה מן הזרבובית, לייצר קרן מולקולרית קרה עם טמפרטורות אופייניות של סביב 1 K או פחות 27.

הישימות הכללית של טכניקת ההטיה האלקטרוסטטית להפרדת קונפורמרים או אשכולות תלויה בהבדלים ביחס רגע מסה לדיפול של המין שיש להפריד. במקרה של קונפורמרים שונים אחד בדרך כלל נתקל רגעים dipole שונים בשל אוריינטציות שונות של קבוצות פונקציונליות בתוך מין, בעוד עבור אשכולות הבחירה ההמונית רצוי מאוד כדי לאפשר את ההפרדה של stoichiometries אשכול ספציפי, כמו גם איזומרים אשכול בגודל נתון. ישנן מספר אפשרויות להגדלת ההפרדה המרחבית. גישה אחת היא להגדיל את זמן האינטראקציה של המולקולות עם השדה האלקטרוסטטי. זה יכול להיות מושגת באמצעות קרן מולקולרית איטית יותר, למשל באמצעות גז גיבוי כבד יותר(למשל,ניאון, ארגון או קריפטון). לחלופין, ייצור של דפלקטור ארוך יותר יגדיל באופן דומה את זמן האינטראקציה. גישה שונה להגדלת ההפרדה המרחבית שהושגה היא השימוש בשדות הסטה גבוהים יותר, בין אם על ידי הגדלת המתח המיושם או על ידי הקטנת הפער בין שתי האלקטרודות. הקושי בשתי שיטות אלה הוא הסכנה של קשת בין שתי האלקטרודות, אשר עלול לגרום נזק לאלקטרודות ללא תקנה. ההבדל הפוטנציאלי המרבי שניתן ליישם בבטחה (בתנאי ואקום גבוהים במיוחד) תלוי באופן מכריע בחומרים המשמשים ובאיכות גימור פני השטח.

בעוד קונפורמים שונים של מולקולות ניתן היה ללמוד בעבר באמצעות שיטות ספקטרוסקופיות ברזולוציה גבוהה, תוך שימושבמיקרוגל 36, IR, או ספקטרום UV-Vis1,37, שיטת הסטה אלקטרוסטטית המוצגת כאן מאפשרת ייצור של קרן טהורה של מין מולקולרי יחיד. גיאומטריות אלקטרודה אחרות יכולות לשמש לבחירת מולקולות ניטרליות או אשכולות, למשל, מסנן quadrupole חשמלי או האטה הדרגתית לסירוגין22,38-40. התקנים אלה, לעומת זאת, גדולים משמעותית (>1 מ ') והרבה יותר מורכבים לייצור והתקנה. יתר על כן הם רגישים מאוד אי-התאמה מכונאית24. דפלקטור השדה הסטטי שני חוטים המוצג מורכב גיאומטריה פשוטה שניתן לשלב לתוך הגדרות קרן מולקולרית קיימות30,41-44.

אנו רואים את היישומים העתידיים של טכניקה זו בשלושה תחומים עיקריים. ראשית, המחקר של תגובתיות ספציפית קונפורמר. באמצעות הדפלקטור האלקטרוסטטי ניתן ליצור קרן מדגם טהורה קונפורמית, אשר לאחר מכן ניתן להשתמש בהם כדי ללמוד תכונות כימיות והפעלות מחדש של איזומר מבני יחיד וגודל אשכול.

שנית, מחקרים שיטתיים של פתגם של מולקולות נייטרליות. שימוש בבורר m/μ מאפשר יצירת אשכולות מולקולריים עם stoichiometry מוגדר היטב. לימוד שיטתי של אשכולות מולקולריים בגודל הולך וגדל מאפשר לחקור השפעות פתגמים ומנסה לגשר על הפער בין השלב המרוכזה, שבו מתרחשת רוב הכימיה, לבין שלב הגז, המאפשר מחקרים ברזולוציה גבוהה. טכניקה זו מבוססת היטב עבור יונים מולקולריים45-48, אבל חוסר סלקטיביות גודל עבור ניטרליים הגביל עד כה את המחקר של תפתור מולקולה ניטרלית, למשל, באמצעות ניסויים הדמיה אולטרה מהיר.

שלישית, הדפלקטור האלקטרוסטטי מאפשר בחירה של החלק הקר ביותר של הקרן המולקולרית, בשל אפקט סטארק הגדול יותר עבור מצבים קוונטיים סיבוביים בעלי אנרגיה נמוכה. זה מסייע באופן משמעותי 1D ו 3D יישור וניסויים אוריינטציה17,26,27,49. זהו תנאי מוקדם חיוני לדור הבא של ניסויים בפיזיקה מולקולרית המחלצים מידע מסגרת מולקולרית ממולקולות מורכבות, כגון הדמיה מסלולית מולקולרית2 או עקיפה50 ניסויים.

שיטת ההטיה האלקטרוסטטית המוצגת היא חדשנית, אך מבוססת על רעיונות פשוטים ומבוססים מבחינה רעיונית, ומובילה להפרדת מינים בתוך קרן מולקולרית על ידי יחס רגע המסה לדיפול שלהם, תוך ניצול אפקט סטארק. היא מאפשרת יצירת קורות מולקולריות קרות, קונפורמיות ומסה שנבחרו, ומאפשרת יישומים רבים בפיזיקה מולקולרית ובכימיה פיזיקלית.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי אשכול המצוינות "מרכז המבורג להדמיה אולטרה-פאזית – מבנה, דינמיקה ושליטה בחומר בקנה מידה אטומי" של דויטשה פורשונגסגמינשאפט ועל ידי המכון הוירטואלי הלמהולץ "מסלולים דינמיים בנופים רב-ממדיים".

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

פיזיקה גיליון 83 פיזיקה כימית כימיה פיזיקלית פיזיקה מולקולרית קורות מולקולריות ספקטרוסקופיית לייזר אשכולות
הפרדה מרחבית של קונפורמרים מולקולריים ואשכולות
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