Séparation spatiale des conformateurs moléculaires et des amas
Summary
Nous présentons une technique qui permet la séparation spatiale de différents conformères ou amas présents dans un faisceau moléculaire. Un déflecteur électrostatique est utilisé pour séparer les espèces par leur rapport masse/moment dipolaire, conduisant à la production d’ensembles en phase gazeuse d’un seul conformateur ou d’une stœchiométrie en grappes.
Abstract
Les expériences de physique moléculaire et de chimie physique en phase gazeuse utilisent couramment des expansions supersoniques à travers des vannes pulsées pour la production de faisceaux moléculaires froids. Cependant, ces poutres contiennent souvent plusieurs conformères et grappes, même à de basses températures de rotation. Nous présentons une méthodologie expérimentale qui permet la séparation spatiale de ces parties constitutives d’une expansion de faisceau moléculaire. À l’aide d’un déflecteur électrique, le faisceau est séparé par son rapport de moment masse/dipôle, analogue à un spectromètre de masse à bender ou à secteur électrique dispersant spatialement des molécules chargées sur la base de leur rapport masse/charge. Ce déflecteur exploite l’effet Stark dans un champ électrique inhomogène et permet la séparation d’espèces individuelles de molécules et d’amas neutres polaires. Il permet en outre la sélection de la partie la plus froide d’un faisceau moléculaire, car les états quantiques de rotation de basse énergie connaissent généralement la plus grande déviation. Différents isomères structurels (conformères) d’une espèce peuvent être séparés en raison de la disposition différente des groupes fonctionnels, ce qui conduit à des moments dipolaires distincts. Ceux-ci sont exploités par le déflecteur électrostatique pour la production d’un échantillon conformationnellement pur à partir d’un faisceau moléculaire. De même, des stœchiomères de cluster spécifiques peuvent être sélectionnées, car la masse et le moment dipolaire d’un cluster donné dépendent du degré de solvaation autour de la molécule parente. Cela permet des expériences sur des tailles et des structures de grappes spécifiques, permettant l’étude systématique de la solvaation de molécules neutres.
Introduction
Les expériences modernes de physique moléculaire et de chimie physique en phase gazeuse utilisent souvent des expansions supersoniques de molécules cibles pour produire des échantillons moléculaires froids en rotation dans un faisceau moléculaire. Cependant, même à de basses températures de rotation de 1 K, ce qui peut être systématiquement réalisé en utilisant des expansions supersoniques, les grandes molécules peuvent encore rester dans de multiples conformations au sein du faisceau1. De même, la production de grappes moléculaires dans une source de faisceau n’entraîne pas une seule espèce, mais plutôt la formation d’une « soupe de grappes », contenant de nombreuses stœchiomères de grappes différentes, ainsi que des molécules parentales pures restantes. Cela rend difficile l’étude de ces systèmes avec de nouvelles techniques telles que l’imagerie des orbitales moléculaires2,des distributions angulaires photoélectroniques à cadre moléculaire3-5 ou de l’électron6-10 et de la diffraction des rayons X11-13, car celles-ci nécessitent des échantillons purs, cohérents et homogènes en phase gazeuse.
Bien que plusieurs méthodologies soient maintenant disponibles pour séparer les différents conformateurs des espèces chargées en phase gazeuse(par exemple, les tubes dérivants de mobilité ionique14,15)et que les grappes chargées soient facilement séparées par leur rapport masse/charge, ces techniques ne sont pas applicables aux espèces neutres. Nous avons récemment démontré que ces problèmes peuvent être surmontés avec l’utilisation d’un dispositif de déviation électrostatique16,17,permettant la séparation des conformères moléculaires ainsi que des grappes et la production de faisceaux moléculaires froids en rotation.
L’utilisation de la déviation électrostatique est une technique classique de faisceau moléculaire, dont les origines remontent loin18,19. Les premières idées d’utilisation de la déviation électrostatique pour la séparation des états quantiques ont été introduites par Stern en 192620. Alors que les premières expériences ont été menées sur de petites molécules à haute température, nous démontrons l’application de cette technique à de grandes molécules polaires et à des amas à basse température16,21.
Les molécules polaires subissent une force à l’intérieur d’un champ électrique inhomogène(E)en raison des différences spatiales d’énergie potentielle. Cette force 
dépend du moment dipolaire effectif, μeff, de la molécule et peut être évaluée comme
(1)
Comme différents conformateurs moléculaires possèdent généralement différents moments dipolaires et que des nombres différents de molécules de solvant au sein d’un cluster conduisent à des masses d’amas et des moments dipolaires différents, ces espèces connaîtront une accélération différente en présence d’un fort champ électrique inhomogène. La force de l’effet Stark résultant d’un champ électrique non homogène peut donc être utilisée pour la séparation des conformateurs et des états quantiques22. Ceci est indiqué à la figure 1,montrant les courbes de Stark calculées pour les états de rotation J = 0,1,2 des cis et des trans-conformères du 3-fluorophénol, respectivement. Cela conduit à de grandes différences dans μeff, comme le montrent les figures 1c et 1d, et donc une accélération différente est subie par les deux conformères dans les champs électriques non homogènes. Par conséquent, un dispositif de déviation électrostatique peut être utilisé comme séparateur de rapport de moment masse/dipôle(m/μeff),par analogie à un spectromètre de masse agissant comme filtre de rapport masse/charge(m/z)23.
De plus, ces techniques permettent la séparation des états quantiques rotationnels24,25. Comme les états de rotation du sol (courbes bleues dans les figures 1a et 1b)présentent le plus grand décalage de Stark, ceux-ci seront les plus déviés et peuvent être séparés spatialement des molécules dans les états J supérieurs17. La partie la plus froide d’un faisceau moléculaire peut donc être sélectionnée, aidant de manière significative dans de nombreuses applications, telles que l’alignement et l’orientation des molécules cibles17, 26-28.
Dans cette contribution, nous montrons comment un dispositif de déviation électrostatique peut être utilisé pour séparer spatialement différentes espèces de grandes molécules polaires et d’amas. Des exemples de données sont présentés pour la production d’un faisceau pur d’un conformateur individuel et d’un amas soluté-solvant de taille et de rapport bien définis. Plus précisément, nous présentons des données sur le 3-fluorophénol, où un faisceau pur contenant uniquement le trans conformateur est produit, et sur les amas d’indole-eau, où l’amas d’indole(H2O)1 peut être spatialement séparé de l’eau, indole, indole(H2O)2, etc.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tout au long de ce manuscrit, on suppose qu’il est familier avec les composants à ultra-vide, les vannes à faisceau moléculaire pulsé et les sources laser et que les procédures de sécurité associées doivent toujours être respectées. Un soin particulier doit être pris lors de la manipulation des électrodes haute tension pour le déflecteur. Leurs surfaces doivent être polies à un niveau élevé et doivent être absolument propres pour éviter les arcs à l’intérieur de la chambre à vide. Avant la première utilisation, les…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par le pôle d’excellence « The Hamburg Center for Ultrafast Imaging – Structure, Dynamics and Control of Matter at the Atomic Scale » de la Deutsche Forschungsgemeinschaft et par l’Institut virtuel Helmholtz « Dynamic Pathways in Multidimensional Landscapes ».
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/ |
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