قياس كوهيرينسيس الذبذبات فائق السرعة في Polyatomic الكاتيونات جذرية مع قوي-حقل ثابت التأين
Summary
نقدم بروتوكول لسبر كوهيرينسيس الذبذبات فائق السرعة في polyatomic الكاتيونات جذرية تؤدي إلى تفكك الجزيئية.
Abstract
نقدم أسلوب تحقيق مضخة لإعداد كوهيرينسيس الذبذبات في polyatomic الكاتيونات الراديكالي وسبر ديناميتها فائق السرعة. عن طريق تحويل الطول الموجي لنبض مضخة المؤينة ميدانية قوية من 800 استخداماً نانومتر إلى القرب من الأشعة تحت الحمراء (1200-1600 nm)، مساهمة كظومه الإلكترونات النفقي لعملية التأين الزيادات بالنسبة لامتصاص مولتيفوتون. تاين كظومه النتائج في الغالب سكان الدولة الأرض الإلكترونية لايون عند إزالة الإلكترون، الذي يعد فعالية متماسكة الذبذبات دولة (“الحزمة الموجه”) قابلة للإثارة اللاحقة. في تجاربنا، يتم سبر ديناميات الذبذبات متسقة مع نبض شمال البحر الأبيض المتوسط 800 حقل ضعيفة والغلال تعتمد على الوقت لمنتجات تفكك يقاس مطياف كتلة الوقت الطيران. نقدم القياسات على جزيء ثنائي ميثيل ميثيلفوسفوناتي (دمب) لتوضيح كيفية استخدام نبضات 1500 نانومتر للإثارة يعزز السعة لذبذبات متماسكة في غلة أيون بمقدار 10 بالمقارنة مع 800 نانومتر البقول. ويمكن تنفيذ هذا البروتوكول في القائمة الأجهزة مضخة-التحقيق عن طريق إدماج البصري حدودي مكبر للصوت (أوبا) لتحويل الطول الموجي.
Introduction
منذ اختراع الليزر في عام 1960، كان هدف كسر روابط كيميائية بشكل انتقائي في جزيئات حلما طال أمدها من الكيميائيين والفيزيائيين. القدرة على ضبط كل الليزر تواتر وكثافة ويعتقد أن تمكين الانقسام المباشر للسندات المستهدفة عن طريق امتصاص الطاقة انتقائية في تردد الذبذبات المرتبطة1،2،3،4 . ومع ذلك، وجدت التجارب المبكرة أن توزيع الذبذبات إينتراموليكولار من طاقة استيعابها في جميع أنحاء الجزيء وكثيراً ما أدت إلى انشقاق غير انتقائية من أضعف السندات4،5. لم يكن حتى تطوير femtosecond نابض أشعة الليزر و تقنيات التحقيق مضخة6 في أواخر ثمانينيات القرن العشرين أن المباشرة التلاعب بالدول الذبذبات متماسكة، أو “موجه الحزم”، تمكين السيطرة الناجحة على الانقسام والسندات وغيرها أهداف6،،من78. قياسات مسبار المضخة، حيث تستعد نبض “ضخ” الدولة متحمس أو أيون هو متحمس في وقت لاحق بنبض تأخر الوقت “تحقيق”، تظل واحدة من التقنيات الأكثر استخداماً لدراسة العمليات فائق السرعة في الجزيئات9، 10،11،،من1213،14،15،16،،من1718، ،من 1920.
حد كبير إلى دراسة تفكك فائق السرعة ديناميات polyatomic الكاتيونات الراديكالية باستخدام مسبار مضخة الإثارة بالإضافة إلى الكشف عن كتلة والمطيافيه ينشأ من تجزئة نونسيليكتيفي للجزيء المستهدف بالمضخة المؤينة نبض في الطول الموجي Ti:Sapphire 800 نانومتر21،،من2223. هذا التجزؤ الزائدة ناتجة عن تاين مولتيفوتون نونادياباتيك ويمكن تخفيفه بتحويل الطول الموجي الإثارة إلى القرب من الأشعة تحت الحمراء (على سبيل المثال-، 1200-1500 نانومتر)22،،من2324، 25. في هذه الأطوال الموجية الأطول، مساهمة الزيادات نفق الإلكترون كظومه بالنسبة إلى الإثارة مولتيفوتون في،من2223عملية التأين. نفق كظومه يضفي القليل من الطاقة الزائدة جزيء وأشكال “الباردة” الغالب أرض الدولة الأيونات الجزيئية19،22،23. أعمالنا السابقة قد أثبتت أن يحسن استخدام الإثارة القريبة من الأشعة تحت الحمراء بشكل ملحوظ إعداد الجسيمات الذبذبات متماسكة، أو “حزم الموجه”، في بولياتوميك الكاتيونات جذري بالمقارنة مع 800 نانومتر الإثارة19، 20. هذا العمل سوف توضح الفرق بين التأين ميداني قوي تهيمن عليها الاشتراكات مولتيفوتون ونفق مع قياسات مسبار مضخة المتخذة بشأن الحرب الكيميائية عامل اسم ثنائي ميثيل ميثيلفوسفوناتي (دمب) استخدام 1500 nm و 800 نانومتر مضخة موجية.
في تجاربنا مضخة-التحقيق، زوج من نبضات الليزر متناهية تأخر الوقت ومعاد، ومركزة في مطياف كتلة وقت الطيران، كما هو مبين في الإعداد لدينا في الشكل 1. تتطلب هذه التجارب إنتاج مكبر للصوت التجدد Ti:Sapphire > 2 مللي جول، 800 نانومتر، 30 خ البقول. يتم تقسيم إخراج مكبر للصوت على مقسم شعاع 90:10 (% r: تي %)، حيث يتم استخدام معظم الطاقة مضخة ضوئية حدودي مكبر للصوت (أوبا) لتوليد 1200-1600 nm، µJ 100-300، والبقول خ 20-30. يتم توسيع قطر شعاع مضخة الأشعة تحت الحمراء إلى 22 مم وقطرها 800 شعاع مسبار نانومتر أسفل وتحديدالمنطقه 5.5 ملم واستخدام المسحوقية قزحية. هذه كوليميشنز يؤدي إلى تركيز شعاع مضخة لأصغر بكثير شعاع الخصر (9 ميكرومتر) من شعاع مسبار (30 ميكرومتر)، وبالتالي ضمان أن جميع أيونات تشكلت خلال نبض مضخة المؤينة متحمسون بنبض مسبار تأخر الوقت. يتم استخدام هذا التكوين لأن هدف تجاربنا هو التحقيق في ديناميات أيون الأصل الجزيئية، التي قد تكون شكلت حتى في كثافة أقل بالقرب من حواف شعاع مركزة. ونلاحظ أنه إذا كانت القوى المحركة لأكثر الأنواع الأيونية متحمس جداً للاهتمام، ثم قطر شعاع التحقيق ينبغي أن أصغر من أن المضخة.
نشر كولينيرلي نبضات المضخة والتحقيق وتتركز في منطقة الاستخراج إيلي-ماكلارين مطياف كتلة الوقت الطيران (TOF-MS)26 (الشكل 2). تعلق على المدخل العينات الجزيئية التي توضع في قنينة وفتحها للفراغ. يتطلب هذا الإعداد أن الجزيء قيد التحقيق لها ضغط بخار غير صفرية؛ للجزيئات ذات ضغط بخار منخفض، قد تكون ساخنة القنينة. ويسيطر تدفق عينة غازية إلى قاعة الصمامات المتغير تسرب اثنين. يدخل العينة الدائرة عن طريق 1/16 “فولاذ المقاوم للصدأ أنبوب حوالي 1 سم بعيداً عن تركيز الليزر (الشكل 2) بغية إيصال تركيزات عالية محلياً للجزيء المستهدف في منطقة استخراج27. لوحة استخراج قد فتحه 0.5 مم الموجهة نحو متعامد إلى مسارات نشر وأيون ليزر. نظراً لأن نطاق رايليغ شعاع ضخ حوالي 2 مم، هذا الشق يعمل كعامل تصفية، يسمح فقط الأيونات المتولدة من حجم التنسيق المركزي حيث الكثافة أعلى لتمرير من خلال لوحة استخراج28. أدخل الأيونات أنبوب انجراف خالية من الحقل 1 متر للوصول إلى Z-الفجوة القناة الصغيرة لوحة (MCP) للكشف عن29، حيث يتم الكشف عنها وتسجيلها مع الذبذبات 1 غيغاهرتز رقمية بمعدل التكرار 1 كيلو هرتز الليزر Ti:Sapphire تجارية نموذجية.
Protocol
Representative Results
Discussion
هذا البروتوكول يتيح لنا حل ديناميات الذبذبات فائق السرعة في polyatomic الكاتيونات جذري من خلال إعداد انتقائية من الأيونات في أرض الدولة الإلكترونية. بينما الإجراء القياسي ميداني قوي التأين باستخدام 800 نانومتر يمكن تحضير كوهيرينسيس الذبذبات في الدولة الأرض الإلكترونية الكاتيونات جذرية للصف ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد “مكتب أبحاث الجيش في الولايات المتحدة” عن طريق العقد W911NF-18-1-0051 هذا العمل.
Materials
| Mass spectrometer components | |||
| TOF lens stack and flight tube assembly | Jordan TOF Products, Inc. | C-677 | |
| 18 mm Z-gap detector assembly | Jordan TOF Products, Inc. | C-701Z | |
| TOF high voltage power supply | Jordan TOF Products, Inc. | D-603 | |
| Vacuum system components | |||
| Rotary vane backing pump | Edwards Vacuum LLC | RV12 | |
| Turbomolecular pumps (2) | Edwards Vacuum LLC | EXT255H | |
| Turbomolecular pump controllers (2) | Edwards Vacuum LLC | EXC300 | |
| Pressure gauge | Edwards Vacuum LLC | AIGX-S-DN40CF | |
| Chiller for water cooling | Neslab | CFT-25 | |
| Femtosecond laser system | |||
| Ti:Sapphire regenerative amplifier | Coherent, Inc. | Astrella | oscillator and amplifier in a single integrated system |
| Optical Parametric Amplifer (OPA) | Light Conversion | TOPAS Prime | |
| Motion control | |||
| Motorized linear translation stage 1" travel | Thorlabs | Z825B | |
| controller for linear translation stage | Thorlabs | KDC 101 | |
| USB controller hub and power supply | Thorlabs | KCH 601 | |
| Manual linear translation stage 1" travel | Thorlabs | PT1 | |
| Detectors | |||
| Pyroelectric laser energy meter | Coherent, Inc. | 1168337 | |
| Thermal laser power meter | Coherent, Inc. | 5356E16R | |
| Si-biased detector 200-1100 nm | Thorlabs | DET10A | |
| Compact USB CMOS Camera | Thorlabs | DCC1545M | |
| USB spectrometer | Ocean Optics | HR4000 | |
| 1 GHz digital oscilloscope | LeCroy | WaveRunner 610Zi | |
| Optics | |||
| Type 1 BBO crystal | Crylight Photonics | BBO007 | aperture and thickness may be customized |
| Achromatic half wave plate, 1100-2000 nm | Thorlabs | AHWP05M-1600 | |
| Wollaston prism polarizer | Thorlabs | WPM10 | |
| Hollow retro-reflector | PLX, Inc. | OW-20-1C | |
| Variable neutral density filter | Thorlabs | NDC-100C-2 | |
| Longpass dichroic mirror 2" diameter | Thorlabs | DMLP950L | |
| Software | |||
| Digital Camera image software | Thorlabs | ThorCam | |
| Instrument communication interface | National Instruments | NI-MAX | |
| Graphical development environment for measurement programs | National Instruments | LabVIEW | |
| Data processing software | Mathworks | MATLAB |
Riferimenti
- Letokhov, V. S. Photophysics and Photochemistry. Physics Today. 30 (5), 23-32 (1977).
- Bloembergen, N., Yablonovitch, E. Infrared laser induced unimolecular reactions. Physics Today. 31 (5), 23-30 (1978).
- Zewail, A. H. Laser selective chemistry-is it possible?. Physics Today. 33 (11), 25-33 (1980).
- Brif, C., Chakrabarti, R. L., Rabitz, H. Control of quantum phenomena: past, present and future. New Journal of Physics. 12, 075008 (2010).
- Bloembergen, N., Zewail, A. H. Energy redistribution and the question of mode selective laser chemistry revisited. The Journal of Physical Chemistry. 88 (23), 5459-5465 (1984).
- Rosker, M. J., Dantus, M., Zewail, A. H. Femtosecond real-time probing of reactions. I. The technique. The Journal of Chemical Physics. 89 (10), 6113-6127 (1988).
- Zewail, A. H. Femtochemistry: Recent progress in studies of dynamics and control of reaction and their transition states. The Journal of Physical Chemistry. 100 (31), 12701-12724 (1996).
- Warren, W. S., Rabitz, H., Dahleh, M. Coherent Control of Quantum Dynamics: The Dream Is Alive. Science. 259 (5101), 1581-1589 (2003).
- Kosma, K., Trushin, S. A., Fuß, W., Schmid, E. E. Cyclohexadiene ring opening observed with 13 fs resolution: coherent oscillations confirm the reaction path. Physical Chemistry Chemical Physics. 11 (1), 172-181 (2009).
- De, S., Magrakvelidze, M., Bocharova, I. A., Ray, D., Cao, W., Znakovskaya, I., Li, H., Wang, Z., Laurent, G., Thumm, U., Kling, M. F., Litvinyuk, I. V., Ben-Itzhak, I., Cocke, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Following+dynamic+nuclear+wave+packets+in+N2,+O2+and+CO+with+few-cycle+infrared+pulses.”>Following dynamic nuclear wave packets in N2, O2 and CO with few-cycle infrared pulses. Physical Review A. 84 (4), 043410 (2011).
- Bryan, W. A., McKenna, J., English, E. M. L., Wood, J., Calvert, C. R., Torres, R., Murphy, D. S., Turcu, I. C. E., Collier, J. L., McCann, J. F., Williams, I. D., Newell, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Isolated+vibrational+wavepackets+in+D2+:+Defining+superposition+condition+and+wavepacket+distinguishability.”>Isolated vibrational wavepackets in D2+: Defining superposition condition and wavepacket distinguishability. Physical Review A. 76 (5), 053402 (2007).
- Calvert, C., Bryan, W., Newell, W., Williams, I. Time resolved studies of ultrafast wavepacket dynamics in hydrogen molecules. Physics Reports. 491 (1), 1-28 (2010).
- Kelkensberg, F., Lefebvre, C., Siu, W., Ghafur, O., Nguyen-Dang, T. T., Atabek, O., Keller, A., Serov, V., Johnsson, P., Swoboda, M., Remetter, T., L'Huillier, A., Zherebtsov, S., Sansone, G., Benedetti, E., Ferrari, F., Nisoli, M., Lépine, F., Kling, M. F., Vrakking, M. J. J. Molecular dissociative ionization and wave-packet dynamics studied using two-color XUV and IR pump-probe spectroscopy. Physical Review Letters. 103 (12), 123005 (2009).
- Erattupuzha, S., Larimian, S., Baltuska, A., Xie, X., Kitzler, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two-pulse+control+over+double+ionization+pathways+in+CO2.”>Two-pulse control over double ionization pathways in CO2. The Journal of Chemical Physics. 144 (2), 024306 (2016).
- Rudenko, A., Makhija, V., Vajdi, A., Ergler, T., Schurholz, M., Kushawaha, R. K., Ullrich, J., Moshammer, R., Kumarappan, V. Strong field-induced wave packet dynamics in carbon dioxide molecule. Faraday Discussions. 194, 463-478 (2016).
- Pearson, J. B., Nichols, S. R., Weinacht, T. Molecular fragmentation driven by ultrafast dynamic ionic resonances. The Journal of Chemical Physics. 127 (13), 131101 (2007).
- Bohinski, T., Tibbetts, K. M., Tarazkar, M., Romanov, D. A., Matsika, S., Levis, R. J. Strong field adiabatic ionization prepares a launch state for coherent control. The Journal of Physical Chemistry Letters. 5 (24), 4305-4309 (2014).
- Tibbetts, K. M., Tarazkar, M., Bohinski, T., Romanov, D. A., Matsika, S., Levis, R. J. Controlling the dissociation dynamics of acetophenone radical cation through excitation of ground and excited state wavepacket. The Journal of Physics B: Atomic, Molecular, and Optical Physics. 48 (16), 164002 (2015).
- Ampadu Boateng, D., Gutsev, G. L., Jena, P., Tibbetts, K. M. Ultrafast coherent vibrational dynamics dynamics in dimethyl methylphosphonate radical cation. Physical Chemistry Chemical Physics. 20 (7), 4636-4640 (2018).
- Ampadu Boateng, D., Gutsev, G. L., Jena, P., Tibbetts, K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dissociation+dynamics+of+3-+and+4-nitrotoluene+radical+cations:+Coherently+driven+C-NO2+bond+homolysis.”>Dissociation dynamics of 3- and 4-nitrotoluene radical cations: Coherently driven C-NO2 bond homolysis. The Journal of Chemical Physics. 148 (13), 134305 (2018).
- Markevitch, A. N., Romanov, D. A., Smith, S. M., Schlegel, H. B., Ivanov, M. Y., Levis, R. J. Sequential non adiabatic excitation of large molecules and ions driven by strong laser fields. Physical Review A. 69 (1), 013401 (2004).
- Lezius, M., Blanchet, M., Rayner, D. M., Villeneuve, D. M., Stolow, A., Ivanov, M. Y. Nonadiabatic multielectron dynamics in strong field molecular ionization. Physical Review Letters. 86 (1), 51 (2001).
- Lezius, M., Blanchet, V., Ivanov, M. Y., Stolow, A. Polyatomic molecules in strong laser fields: Nonadiabatic multielectron dynamics. The Journal of Chemical Physics. 117 (4), 1575 (2002).
- Bohinski, T., Tibbetts, K. M., Tarazkar, M., Romanov, D., Matsika, S., Levis, R. J. Measurement of an electronic resonance in a ground-state, gas-phase acetophenone cation via strong-field mass spectrometry. The Journal of Physical Chemistry Letters. 4 (10), 1587-1591 (2013).
- Bohinski, T., Tibbetts, K. M., Tarazkar, M., Romanov, D., Matsika, S., Levis, R. J. Measurement of ionic resonances in alkyl phenyl ketone cations via infrared strong field mass spectrometry. The Journal of Physical Chemistry A. 117 (47), 12374-12381 (2013).
- Wiley, W. C., McLaren, I. H. Time-of-Flight Mass Spectrometer with Improved Resolution. Review of Scientific Instruments. 26, 1150-1156 (1955).
- Gutsev, G. L., Ampadu Boateng, D., Jena, P., Tibbetts, K. M. A Theoretical and Mass Spectrometry Study of Dimethyl Methylphosphonate: New Isomers and Cation Decay Channels in a Femtosecond Laser Field. The Journal of Physical Chemistry A . 121 (44), 8414-8424 (2017).
- Hankin, S. M., Villeneuve, D. M., Corkum, P. B., Rayner, D. M. Intense-field laser ionization rates in atoms and molecules. Physical Review A. 64 (1), 013405 (2001).
- Amitay, Z., Zajfman, D. A new type of multiparticle three-dimensional imaging detector with subnanosecond time resolution. Review of Scientific Instruments. 68 (3), 1387-1392 (1997).
- Trebino, R., Kane, D. J. Using phase retrieval to measure the intensity and phase of ultrashort pulses: frequency-resolved optical gating. Journal of the Optical Society of America A. 10 (5), 1101 (1993).
- DeLong, K. W., Trebino, R., Hunter, J., White, W. E. Frequency-resolved optical gating with the use of second harmonic generation. Journal of the Optical Society of America B. 11 (11), 2206 (1994).
- Trebino, R. . Frequency Resolved Optical Gating. , (2000).
- Ruff, J. A., Siegman, A. E. Single-pulse laser beam quality measurements using a CCD camera system. Optics Letters. 31 (24), 4907-4909 (1992).
- Trushin, S. A., Kosma, K., Fuß, W., Schmid, W. E. Sub-10-fs supercontinuum radiation generated by filamentation of few-cycle 800 nm pulses in argon. Optics Letters. 32 (16), 2432-2434 (2007).
- Fuß, W., Schmid, W. E., Pushpa, K. K., Trushin, S. A., Yatsuhashi, T. Ultrafast relaxation and coherent oscillations in aminobenzonitriles in the gas phase probed by intense-field ionization. Physical Chemistry Chemical Physics . 9 (10), 1151-1169 (2007).
