Vi presenterer en teknikk som tillater romlig separasjon av forskjellige konforme eller klynger som er tilstede i en molekylær stråle. En elektrostatisk deflektor brukes til å skille arter ved deres masse-til-dipole-øyeblikksforhold, noe som fører til produksjon av gassfaseensembler av en enkelt konform eller klynge-stoichiometri.
Gassfase molekylær fysikk og fysikalsk kjemi eksperimenter bruker vanligvis supersoniske utvidelser gjennom pulserende ventiler for produksjon av kalde molekylære bjelker. Imidlertid inneholder disse bjelkene ofte flere konforme og klynger, selv ved lave rotasjonstemperaturer. Vi presenterer en eksperimentell metodikk som tillater romlig separasjon av disse bestanddelene av en molekylær stråleutvidelse. Ved hjelp av en elektrisk deflektor er strålen skilt av sitt masse-til-dipol-øyeblikksforhold, analogt med en bender eller et elektrisk sektormassespektrometer som romlig sprer ladede molekyler på grunnlag av deres masse-til-ladeforhold. Denne deflektoren utnytter Stark-effekten i et inhomogent elektrisk felt og tillater separasjon av individuelle arter av polarnøytrale molekyler og klynger. Det tillater videre valg av den kaldeste delen av en molekylær stråle, da lavenergirotasjonelle kvantetilstander generelt opplever den største avbøyningen. Ulike strukturelle isomerer (konforme) av en art kan skilles på grunn av det forskjellige arrangementet av funksjonelle grupper, noe som fører til distinkte dipole øyeblikk. Disse utnyttes av den elektrostatiske deflektoren for produksjon av en konformt ren prøve fra en molekylær stråle. På samme måte kan spesifikke klynge stoichiometries velges, da masse- og dipolmomentet til en gitt klynge avhenger av graden av solvering rundt foreldremolekylet. Dette tillater eksperimenter på spesifikke klyngestørrelser og strukturer, noe som muliggjør systematisk studie av solvering av nøytrale molekyler.
Moderne gassfase molekylær fysikk og fysikalske kjemieksperimenter bruker ofte supersoniske utvidelser av målmolekyler for å produsere rotasjons kalde molekylære prøver i en molekylær stråle. Men selv ved lave rotasjonstemperaturer på 1 K, som rutinemessig kan oppnås ved hjelp av supersoniske utvidelser, kan store molekyler fortsatt forbli i flere konformasjoner istrålen 1. På samme måte resulterer produksjonen av molekylære klynger i en strålekilde ikke i en enkelt art, men heller i dannelsen av en “klyngesuppe”, som inneholder mange forskjellige klynge stoichiometries, samt gjenværende rene foreldremolekyler. Dette gjør studiet av disse systemene med nye teknikker som avbildning av molekylære orbitaler2, molekylær-ramme fotoelektron vinkelfordelinger3-5 eller elektron6-10 og røntgendiffraksjon11-13 vanskelig, da disse krever rene, konsistente og homogene prøver i gassfasen.
Mens flere metoder nå er tilgjengelige for å skille forskjellige konforme arter i gassfasen (f.eks. ionmobilitetsdriftrør14,15) og ladede klynger er lett adskilt av deres masse-til-lading-forhold, gjelder disse teknikkene ikke for nøytrale arter. Vi har nylig demonstrert at disse problemene kan overvinnes ved bruk av en elektrostatisk avbøyningsenhet16,17, slik at separasjon av molekylære konforme så vel som klynger og produksjon av rotasjons kalde molekylære bjelker.
Bruken av elektrostatisk avbøyning er en klassisk molekylær stråleteknikk, hvis opprinnelse går langt tilbake18,19. Første ideer om å bruke elektrostatisk avbøyning for separasjon av kvantetilstander ble introdusert av Stern i 192620. Mens tidlige eksperimenter ble utført på små molekyler ved høye temperaturer, demonstrerer vi anvendelsen av denne teknikken til store polarmolekyler og klynger ved lave temperaturer16,21.
Polarmolekyler opplever en kraft inne i et inhomogent elektrisk felt (E) på grunn av de romlige forskjellene i potensiell energi. Denne kraften er avhengig av det effektive dipolmomentet, μeff, av molekylet og kan evalueres som
(1)
Ettersom forskjellige molekylære konforme vanligvis utgjør forskjellige dipole-øyeblikk og forskjellig antall løsningsmiddelmolekyler i en klynge fører til forskjellige klyngemasser og dipole-øyeblikk, vil disse artene oppleve en annen akselerasjon i nærvær av et sterkt inhomogent elektrisk felt. Den resulterende Stark effektkraften fra et inhomogent elektrisk felt kan derfor brukes til separasjon av konforme og kvantetilstander22. Dette er angitt i figur 1, som viser de beregnede Stark-kurvene for henholdsvis J = 0,1,2 rotasjonstilstander for cis- og transkonformeringer av 3-fluorofenol. Dette fører til store forskjeller i μeff, som vist i figur 1c og 1d, og dermed oppleves en annen akselerasjon av de to konforme i inhomogene elektriske felt. Derfor kan en elektrostatisk avbøyningsenhet brukes som et masse-til-dipol-øyeblikksforhold (m /μeff) separator, i analogt med et massespektrometer som fungerer som et masse-til-lading-forhold (m / z) filter23.
Videre tillater disse teknikkene separasjon av rotasjons kvantetilstander24,25. Ettersom de bakkerotasjonstilstandene (blå kurver i figur 1a og 1b) viser det største Stark-skiftet, vil disse bli avbøyd mest og kan romlig skilles fra molekyler i høyere J-tilstander 17. Den kaldeste delen av en molekylær stråle kan derfor velges, noe som betydelig hjelper i mange applikasjoner, for eksempel justering og orientering av målmolekyler17, 26-28.
I dette bidraget viser vi hvordan en elektrostatisk avbøyningsenhet kan brukes til å skille forskjellige arter av store polarmolekyler og klynger. Eksempeldata presenteres for produksjon av en ren stråle av en individuell konform og av en løsningsmiddelklynge av veldefinert størrelse og forhold. Spesielt presenterer vi data om 3-fluorofenol, hvor en ren stråle som bare inneholder transkonformeren produseres, og på indolevannklynger, hvor indol (H2O)1 klynge kan skilles romlig fra vann, indol, indole (H 2O)2 , etc.
Gjennom dette manuskriptet antas kjennskap til ultrahøye vakuumkomponenter, pulserende molekylære stråleventiler og laserkilder, og de tilhørende sikkerhetsprosedyrene bør alltid overholdes. Det må utvises spesiell forsiktighet ved håndtering av høyspenningselektrodene for deflektoren. Overflatene må poleres til en høy standard og må være helt rene for å unngå lysbue inne i vakuumkammeret. Før første gangs bruk skal elektrodene kondisjoneres under vakuum. Spenningen som påføres økes sakte og strømmen gjennom elektrodene s…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet har blitt støttet av excellence-klyngen “The Hamburg Center for Ultrafast Imaging – Structure, Dynamics and Control of Matter at the Atomic Scale” av Deutsche Forschungsgemeinschaft og av Helmholtz Virtual Institute “Dynamic Pathways in Multidimensional Landscapes”.
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 | e.g. Thorlabs | LA4745 | |
Translation stage | e.g. Vision Lasertechnik | 8MT167-25 | |
Digitizer | e.g. Agilent | Acquiris DC440 | |
Digital delay generator | e.g. Stanford Systems | SRS DG645 | |
Molecular beam skimmer | Beam Dynamics Inc. | http://www.beamdynamicsinc.com/ |