الفصل المكاني للمتشكلات الجزيئية والتجمعات
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.
Protocol
Representative Results
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…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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/ |
References
- 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).
- Itatani, J., et al. Tomographic imaging of molecular orbitals. Nature. 432, 867-871 (2004).
- Kumarappan, V., et al. Multiphoton electron angular distributions from laser-aligned CS2 molecules. Phys. Rev. Lett. 100 (9), 093006-0910 (2008).
- Bisgaard, C. Z., et al. Time-resolved molecular frame dynamics of fixed-in-space CS2 molecules. Science. 323 (5920), 1464-1468 (2009).
- Holmegaard, L., et al. Photoelectron angular distributions from strong-field ionization of oriented molecules. Nat. Phys. 6, 428-4210 (2010).
- Ihee, H., et al. Direct imaging of transient molecular structures with ultrafast diffraction. Science. 291 (5503), 458-462 (2001).
- 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).
- 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).
- Sciaini, G., Miller, R. J. D. Femtosecond electron diffraction: heralding the era of atomically resolved dynamics. Rep. Prog. Phys. 74 (9), 096101-0910 (2011).
- Hedberg, K., et al. Bond lengths in free molecules of buckminsterfullerene, C60, from gas-phase electron diffraction. Science. 254 (5030), 410-412 (1991).
- Filsinger, F., Meijer, G., Stapelfeldt, H., Chapman, H., Küpper, J. S. t. a. t. e. -. and conformerselected beams of aligned and oriented molecules for ultrafast diffraction studies. Phys. Chem. Chem. Phys. 13 (6), 2076-2087 (2011).
- Seibert, M. M., et al. Single mimivirus particles intercepted and imaged with an x-ray laser. Nature. 470 (7332), (2011).
- Chapman, H. N., et al. Femtosecond x-ray protein nanocrystallography. Nature. 470 (7332), (2011).
- 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).
- Jarrold, M. Helices and sheets in vacuo. Phys. Chem. Chem. Phys. 9, 1659-1671 (2007).
- 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).
- 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).
- Kallmann, H., Reiche, F. Über den Durchgang bewegter Moleküle durch inhomogene Kraftfelder. Z. Phys. 6, 352-375 (1921).
- Wrede, E. Über die Ablenkung von Molekularstrahlen elektrischer Dipolmoleküle im inhomogenen elektrischen Feld. Z. Phys. 44 (4-5), 4-5 (1927).
- Gerlach, W., Der Stern, O. experimentelle Nachweis der Richtungsquantelung im Magnetfeld. Z. Phys. 9, 349-352 (1922).
- 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).
- 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).
- Filsinger, F., Putzke, S., Haak, H., Meijer, G., Küpper, J. Tuning the resolution of the m=_- selector. Phys. Rev. A. 82, 052513-0510 (2010).
- Putzke, S., Filsinger, F., Haak, H., Küpper, J., Meijer, G. Rotational-state-specific guiding of large molecules. Phys. Chem. Chem. Phys. 13, (2011).
- 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).
- Stapelfeldt, H., Seideman, T. Colloquium: Aligning molecules with strong laser pulses. Rev. Mod. Phys. 75 (2), 543-557 (2003).
- Holmegaard, L., et al. Laser-induced alignment and orientation of quantum-state-selected large molecules. Phys. Rev. Lett. 102, 10-1103 (2009).
- 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).
- Hillenkamp, M., Keinan, S., Even, U. Condensation limited cooling in supersonic expansions. J. Chem. Phys. 118 (19), 8699-8705 (2003).
- Ramsey, N. F. . Molecular Beams. The International Series of Monographs on Physics. , (1956).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Suenram, R. D., Lovas, F. J. Millimeter wave spectrum of glycine – a new conformer. J. Am. Chem. Soc. 102, 7180-7184 (1980).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Knight, W. D., Clemenger, K., de Heer, W. A., Saunders, W. A. Polarizability of alkali clusters. Phys. Rev. B. 31 (4), 2539-2540 (1985).
- 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).
- Schäfer, R., Schlecht, S., Woenckhaus, J., Becker, J. . Polarizabilities of Isolated Semiconductor Clusters. Phys. Rev. Lett. 76 (3), 471-474 (1996).
- Antoine, R., et al. Electric dipole moments and conformations of isolated peptides. Eur. Phys. J. D. 20, 583-587 (2002).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Nevo, I., et al. Laser-induced 3D alignment and orientation of quantum state-selected molecules. Phys. Chem. Chem. Phys. 11, 9912-9918 (2009).
- 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).
