Vi presenterar en teknik som möjliggör rumslig separation av olika konformatorer eller kluster som finns i en molekylär stråle. En elektrostatisk deflektor används för att separera arter genom deras massa-till-dipol momentförhållande, vilket leder till produktion av gasfasensembler av en enda konformator eller kluster stoichiometry.
Gasfasmolekylfysik och fysikaliska kemiexperiment använder ofta överljudsexpansioner genom pulserade ventiler för produktion av kalla molekylära strålar. Dessa balkar innehåller dock ofta flera konformatorer och kluster, även vid låga rotationstemperaturer. Vi presenterar en experimentell metodik som möjliggör rumslig separation av dessa beståndsdelar i en molekylärstråleexpansion. Med hjälp av en elektrisk deflektor separeras strålen av dess vikt-till-dipol momentförhållande, analogt med en bändare eller en elektrisk sektor massa spektrometer rumsligt sprida laddade molekyler på grundval av deras massa-till-laddning förhållande. Denna deflektor utnyttjar Stark-effekten i ett inhomogent elektriskt fält och möjliggör separation av enskilda arter av polära neutrala molekyler och kluster. Det tillåter dessutom valet av den kallaste delen av en molekylär stråle, eftersom lågenergirotations kvanttillstånd i allmänhet upplever den största avböjningen. Olika strukturella isomerer (konformatorer) av en art kan separeras på grund av olika arrangemang av funktionella grupper, vilket leder till distinkta dipolögonblick. Dessa utnyttjas av den elektrostatiska deflektorn för produktion av ett konformationsmässigt rent prov från en molekylär stråle. På samma sätt kan specifika kluster stoichiometries väljas, eftersom massan och dipolögonblicket för ett givet kluster beror på graden av löselse runt föräldramolekylen. Detta möjliggör experiment på specifika klusterstorlekar och strukturer, vilket möjliggör systematisk studie av löselse av neutrala molekyler.
Modern gasfasmolekylfysik och fysikaliska kemiexperiment använder ofta överljudsexpansioner av målmolekyler för att producera rotationskylmolekylprover inom en molekylärstråle. Men även vid låga rotationstemperaturer på 1 K, som rutinmässigt kan uppnås med överljudsexpansioner, kan stora molekyler fortfarande förbli i flera konformationer inomstrålen 1. På samma sätt resulterar produktionen av molekylära kluster i en strålkälla inte i en enda art, utan snarare i bildandet av en “klustersoppa”, som innehåller många olika kluster stoichiometrier, liksom återstående rena föräldramolekyler. Detta gör studien av dessa system med nya tekniker som avbildning avmolekyläraorbitals 2 , molekylär-ram fotoelektron vinkelfördelningar3-5 eller elektron6-10 och röntgendiffraktion11-13 svårt, eftersom dessa kräver rena, konsekventa och homogena prover i gasfasen.
Flera metoder finns nu tillgängliga för att separera olika konformörer av laddade arter i gasfasen (t.ex. jonrörrör14,15) och laddade kluster är lätt åtskilda av deras mass-till-laddning-förhållande, men dessa tekniker är inte tillämpliga på neutrala arter. Vi har nyligen visat att dessa problem kan övervinnas med hjälp av en elektrostatisk avböjningsanordning16,17, vilket möjliggör separation av molekylära konformatorer samt kluster och produktion av rotationskylda molekylära strålar.
Användningen av elektrostatisk avböjning är en klassisk molekylär strålteknik, vars ursprung går långt tillbaka18,19. De första idéerna om att använda elektrostatisk avböjning för separation av kvanttillstånd introducerades av Stern 192620. Medan tidiga experiment utfördes på små molekyler vid höga temperaturer, visar vi tillämpningen av denna teknik på stora polära molekyler och kluster vid låga temperaturer16,21.
Polarmolekyler upplever en kraft inom ett inhomogent elektriskt fält (E) på grund av de rumsliga skillnaderna i potentiell energi. Denna kraft är beroende av det effektiva dipolögonblicket, μeff, av molekylen och kan utvärderas som
(1)
Eftersom olika molekylära konformörer vanligtvis har olika dipolögonblick och olika antal lösningsmedelsmolekyler inom ett kluster leder till olika klustermassor och dipolmoment, kommer dessa arter att uppleva en annan acceleration i närvaro av ett starkt inhomogent elektriskt fält. Den resulterande Stark-effektkraften från ett inhomogent elektriskt fält kan därför användas för separation av konformatorer och kvanttillstånd22. Detta anges i figur 1, som visar de beräknade Stark-kurvorna för J = 0,1,2 rotations tillstånd för cis och trans conformers av 3-fluorofenol, respektive. Detta leder till stora skillnader μeff, som visas i figurerna 1c och 1d, och därför upplevs en annan acceleration av de två konforma i inhomogena elektriska fält. Därför kan en elektrostatisk avböjningsanordning användas som en massa-till-dipol momentförhållande(m/μeff)separator, i analogi med en masspektrometer som fungerar som ett mass-till-laddningsförhållande(m/z)filter23.
Dessutom tillåter dessa tekniker separation av rotations kvanttillstånd24,25. Eftersom markrotationsstaterna (blå kurvor i figurerna 1a och 1b) uppvisar den största Stark-skiftet, kommer dessa att avledas mest och kan separeras rumsligt från molekyler i högre J-tillstånd 17. Den kallaste delen av en molekylär stråle kan därför väljas, vilket avsevärt hjälper i många applikationer, såsom inriktning och orientering avmålmolekyler 17, 26-28.
I detta bidrag visar vi hur en elektrostatisk avböjningsanordning kan användas för att rumsligt separera olika arter av stora polära molekyler och kluster. Exempeldata presenteras för produktion av en ren stråle av en enskild konformör och av ett lösningsmedelskluster av väldefinierad storlek och förhållande. Specifikt presenterar vi data om 3-fluorofenol, där en ren stråle som endast innehåller transkonformören produceras, och på indol-vattenkluster, där indol (H2O)1-klustret kan separeras rumsligt från vatten, indol, indol(H2O)2 , etc.
Genom hela detta manuskript antas förtrogenhet med ultrahöga vakuumkomponenter, pulsade molekylärstråleventiler och laserkällor och tillhörande säkerhetsprocedurer bör alltid följas. Särskild försiktighet måste vidtas vid hantering av högspänningselektroder för deflektorn. Deras ytor måste poleras till hög standard och måste vara helt rena för att undvika bågning inuti vakuumkammaren. Före första användningen ska elektroderna konditioneras under vakuum. Spänningen som appliceras ökas långsamt och strömmen genom ele…
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete har fått stöd av excellensklustret “Hamburg Center for Ultrafast Imaging – Structure, Dynamics and Control of Matter at the Atomic Scale” från Deutsche Forschungsgemeinschaft och 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/ |