Her presenterer vi en protokoll for photoelectron avbildning av anionic arter. Anioner generert i vacuo og atskilt med massespektrometri er undersøkt ved hjelp av hastighet tilordnet photoelectron imaging, gir detaljer om anion og nøytrale energi nivåer, anion og nøytrale struktur og natur anion elektronisk staten.
Anion photoelectron imaging er en svært effektiv metode for studier av energi bundet negative ioner, nøytral arter og samhandling av ubundet elektroner med nøytral molekyler/atomer. State-of-the-art i vacuo anion generasjon teknikker tillater programmet til et bredt spekter av atomic, molekylær og klynge anion systemer. Disse er atskilt og valgt med time of flight-massespektrometri. Elektroner er fjernet av lineært polarisert fotoner (Foto løsgjøring) med bord laser kilder som gir tilgang til eksitasjon energier fra infra-rødt til nær ultrafiolett. Oppdage photoelectrons med en hastighet tilordnet tenkelig linsen og posisjon følsom detektor betyr at, i prinsippet, når alle photoelectron detektoren effektiviteten deteksjon er uniform for alle kinetiske energien. Photoelectron spectra utvunnet fra bildene via matematiske rekonstruksjon bruker en invers Abel transformasjon avsløre detaljer om anion indre energi staten distribusjon og de resulterende nøytral energi. På lav elektron kinetisk energi er typisk oppløsning tilstrekkelig til å avdekke energinivået forskjeller på noen millielectron-volt, dvs, ulike vibrasjonsmedisin nivåer for molekylær arter eller spinn-bane deling i atomer. Photoelectron kantete distribusjoner Hentet fra inverse Abel transformasjon representerer signaturene i bundne elektron orbital, slik at mer detaljerte undersøkelser av elektroniske struktur. Spectra og kantete distribusjoner også kodes detaljer interaksjonene mellom utgående elektronet og gjenværende nøytral arter etter eksitasjon. Teknikken illustreres av programmet til en atomic anion (F−), men det kan også brukes til måling av molekylære anion spektroskopi, studiet av lavtliggende anion resonanser (som et alternativ til spredning eksperimenter) og femtosecond ( FS) tid løst studier av den dynamiske utviklingen av anioner.
Anion photoelectron tenkelig1 er en variant på photoelectron spektroskopi og representerer en kraftig sonde av Atom/elektronisk molekylstrukturen og samspillet mellom elektroner og nøytrale arter. Innhentet informasjon er viktig i utviklingen forståelsen av bundet og metastable (elektron-molekylet spredning resonanser) negative ion stater, døråpning stater for kjemiske reduksjon, dissosiativ vedlegg prosesser og ion-molekyl interaksjoner. Videre resultatene gir viktig tester av høyt nivå ab initio teoretisk metoder, spesielt de designet til å håndtere svært korrelert systemer og/eller ikke-stasjonære stater.
Teknikken kombinerer ion produksjon, massespektrometri og ladede partikler imaging2,3,4 følsomt sonde elektronisk (og for små molekyler, vibrasjonen) struktur. Arbeide med anionic arter kan godt masse selektivitet via tid flight-massespektrometri (TOF-MS). Synlig/nær ultrafiolett (UV) fotoner er tilstrekkelig energiske fjerne overflødig elektronet, tillater bruk av tabellen topp laser kilder. En ekstra fordel av anioner er muligheten til å photoexcite lavtliggende, ustabil anionic stater som representerer energi regimer som elektroner og nøytrale atomer/molekyler sterkt samhandle. Bruk av hastighet tilordnet tenkelig5 (VMI) gir ensartet oppdagelsen effektivitet, selv ved lave elektron kinetiske energien og overvåker alle utløst photoelectrons avslører samtidig størrelsen og retningen av deres hastigheter.
Eksperimentelle resultatene er photoelectron bilder som inneholder photoelectron spectra (detaljer om overordnet anion indre energi distribusjoner) og energiene av datter nøytrale interne stater og photoelectron kantete distribusjoner (relatert til den elektron orbital før brøkdel). En spesielt interessant anvendelse av teknikken er funnet i fs tid-løst studier. En innledende lynraske laser puls (pumpe) begeistrer til en dissosiativ anion elektronisk tilstand, og andre timelig forsinket lynraske puls (sonde) så løsner elektroner fra det glade anion. Kontroll av pumpe-sonden tidsforskjellen følger utviklingen av energi av systemet og den skiftende naturen orbitale av systemet på tidsskalaen av atomic bevegelse. Eksempler omfatter photodissociation av I2− og andre interhalogen arter6,7,8,9, den fragmentering og/eller electron innkvartering i jeg−·uracil 10,11,12,13, jeg−·thymine13,14, jeg−·adenine15, jeg−·nitromethane16, 17 og jeg−·acetonitrile17 klynge anioner og åpenbaring av hittil uventet lang tidsskalaen for produksjon av Cu− atomic anioner etter photoexcitation av CuO2− 18.
Figur 1 viser Washington University i St. Louis (WUSTL) anion photoelectron tenkelig spectrometer19. Instrumentet består av tre ulikt pumpet regioner. Ioner blir produsert i kilde kammeret som opererer ved et trykk på 10−5 Torr og inneholder en utslipp ion kilde20og elektrostatiske ion utvinning plate. Ioner skilles med masse Wiley McLaren TOF-MS21 (trykket i TOF-røret er 10−8 Torr). Ion gjenkjenning og utprøvende foregår i gjenkjenning regionen (trykk av 10−9 Torr) som inneholder en VMI linsen5 og en ladede partikler detektor. Hovedkomponentene i instrumentet illustrert skjematisk i figur 1b der det skyggelagte området representerer alle elementene som finnes i vakuum systemet. Gass er introdusert gjennom pulserende munnstykket i utslipp. For å oppveie høy innløp trykket, opprettholdes kilde kammeret under vakuum bruker en oljebasert diffusjon pumpe. Regionen utslipp er illustrert i mer detalj i figur 2a. En høy potensiell forskjell brukes mellom elektrodene, som er isolert fra ansiktet av munnstykket med en rekke Teflon avstandsstykker. Faktisk fungerer Teflon som kilden til fluor atomer for resultatene som vises senere.
Utslipp produserer en blanding av anioner, kasjoner og nøytrale arter. Ion utvinning plate, ion akselerasjon stabel, potensial bytte og microchannel plate (MCP) detektor (figur 1b) utgjør 2 m lang Wiley McLaren TOF-MS. ioner pakkes ved anvendelse av en (negativ) spenning puls til ion utvinning plate og deretter er alle ioner akselerert til samme kinetiske energi. Variant av utvinning puls omfanget fokuserer ankomsttid i VMI linsen mens einzel linsen reduserer det romlige tverrsnittet av ion strålen. Anioner er nytt refererte til jord med en potensiell bryteren22, tidspunktet som fungerer som en masse diskriminator. Anion utvalg oppnås ved synkronisering av en synlig/nær uv Foton-puls med ankomsttid anion i VMI linsen. Regionene ion separasjon og oppdagelsen bruke olje gratis turbopumps for å beskytte tenkelig detektoren.
Anioner og fotoner samhandle for å produsere photoelectrons i romlig volumet Steinmetz solid, representerer overlappingen mellom ion og laser bjelker. VMI objektivet (figur 2b) består av tre åpne elektroder, hensikten som er å sikre at alle photoelectrons nå detektoren og at momentum space fordelingen av photoelectrons opprettholdes. For å oppnå dette, brukes forskjellige spenninger på kjøkkenvifte og repeller slik at uansett romlige utgangspunktet, elektroner med samme innledende hastighet vektoren oppdages på samme tidspunkt på detektoren. Detektoren består av et sett med chevron-matchet MCPs som elektron-multiplikatorer. Hver kanal har en diameter på noen mikron, lokalisere gevinst og bevare den første effekt posisjonen. En fosfor skjermen bak MCPs indikerer plasseringen via forsterket elektron puls som et glimt av lys som er spilt inn med et charge koplede enhet (CCD) kamera.
Tidsberegningen og varighet for de ulike spenning pulser kreves styres med en digital forsinkelse generatorer (DDG, Figur 3). Hele eksperimentet gjentas på bilde for bilde basis med en repetisjon rate på 10 Hz. For hvert skudd, flere ioner og fotoner samhandle produsere noen hendelser per kameraet rammen. Flere tusen rammer er akkumuleres i et bilde. Bilde midten viser momentum space opprinnelsen og dermed avstanden fra sentrum (r) er proporsjonal med hastigheten til et elektron. Vinkelen θ, (i forhold til Foton polarisering) representerer retning av et elektron hastighet. Et bilde viser fordelingen av gjenkjenning hendelsen tettheter. Dermed kan det også bli sett som sannsynlighet tettheten for påvisning (på et gitt tidspunkt) av et elektron. Påkalle født tolkningen av bølge-funksjonen (ψ) et bilde representerer | ψ | 2 for photoelectron23.
3D elektron sannsynlighet tetthet er cylindrically symmetrisk om polarisering av elektrisk vektoren (εp) for stråling med påfølgende desperat informasjon. Rekonstruksjon av den opprinnelige fordelingen er oppnådd matematisk24,25,26,27. Radial distribusjon (av elektroner) i gjenoppbyggingen er momentum (hastighet) domene photoelectron spekteret som omdannes til energi domenet via søknad aktuelle Jacobian transformasjonen.
Anion photoelectron imaging spectrometer (figur 1) brukes i disse eksperimentene er en spesialbygd apparatet28. Innstillingene i tabell 1 og tabell 2 for protokollen er spesifikke for dette instrumentet for produksjon av F− og bildebehandling av photoelectron distribusjon. Flere lignende versjoner av design brukes i ulike forskning laboratorier6,29,30,31,32,33,34 , 35 , 36 , 37 , 38 , 39 , 40 , 41 , 42, men ingen to instrumenter er like. I tillegg er instrument-innstillingene sterkt avhengig av hverandre og svært følsomme for små endringer i forholdene og instrument dimensjoner.
To faktorer er spesielt viktig for suksessen til beskrevet protokollen. Best mulig hastighet kartlegging betingelsene må bestemmes og mer avgjørende, en tilstrekkelig og relativt tid konstant avkastning av den ønskede anion må produseres. Om VMI fokusere skritt, trinn 5.2 og 5.3 skal gjentas i tandem med bildeanalyser å bestemme tilstanden som gir de skarpeste (smaleste) funksjonene. Finjustering av elektroden spenninger (V5 og V6) er påvirket av størrelsen på og plasseringen av ion og laser strålen krysset, men…
The authors have nothing to disclose.
Dette materialet er basert på arbeid støttes av National Science Foundation under CHE – 1566157
Digital Delay Generators | Berkeley Nucleonics Corp. | 565-8c | DDG1 |
Digital Delay Generators | Berkeley Nucleonics Corp. | 577-8c | DDG2 |
HV Power Supplies | Stanford Research Systems | PS325 | V3 |
HV Power Supplies | Stanford Research Systems | PS325 | V2 |
HV Power Supplies | Stanford Research Systems | PS325 | V5 |
HV Power Supplies | Burle Inc. | PF1053 | V9 |
HV Power Supplies | Burle Inc. | PF1053 | V4 |
HV Power Supplies | Burle Inc. | PF1053 | V10 |
HV Power Supplies | Burle Inc. | PF1054 | V9,V11 |
HV Power Supplies | Bertan | 205B-05R | V6 |
HV Pulsers | Directed Energy Inc. | PVX-4150 | V2 |
HV Pulsers | Directed Energy Inc. | PVX-4140 | V1 |
HV Pulsers | Directed Energy Inc. | PVX-4140 | V11 |
HV Pulsers | Directed Energy Inc. | PVX-4140 | V3 |
Pulsed Nozzle Driver | Parker Hannifin (General Valve) | Iota-One | |
Pulsed Nozzle | Parker Hannifin (General Valve) | Series 9 | |
Camera | Imperx | VGA120 | |
Imaging Detector | Beam Imaging Systems | BOS40 | |
Oscilloscope | LeCroy | Wavejet 334 | |
Photodiode | ThorLabs | DET10A | |
Diffusion Pump | Leybold | DIP 8000 | |
2×Turbo Pump | Leybold | TMP361 | |
Rotary Pump | Leybold | D40B | |
2×Rotary Pump | Leybold | D16B | |
Oxygen Gas | Praxair | OX 5.0RS | |
Tunable Laser | Spectra Physics Sirah Dye Laser | Cobra-Stretch | |
Pump laser for Dye Laser | Sepctra Physics Nd:YAG | INDI-10 |