Spatial Separation of Molecular Conformers and Clusters

Daniel Horke; Sebastian Trippel; Yuan-Pin Chang; Stephan Stern; Terry Mullins; Thomas Kierspel; Jochen K&#252;pper

doi:10.3791/51137

JoVE Journal > Engineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Engenharia

Пространственное разделение молекулярных конформеров и кластеров

Published: January 09, 2014

doi:

10.3791/51137

Daniel Horke, Sebastian Trippel, Yuan-Pin Chang, Stephan Stern², Terry Mullins, Thomas Kierspel³, Jochen Küpper^2,3

¹Center for Free-Electron Laser Science,CFEL, DESY, ²Department of Physics,University of Hamburg, ³The Hamburg Center for Ultrafast Imaging,University of Hamburg

Summary

Мы представляем технику, которая позволяет пространственное разделение различных конформеров или кластеров, присутствующих в молекулярном луче. Электростатический дефлектор используется для разъединности видов по соотношению массы к диполю, что приводит к выработке газо-фазных ансамблей одного конформера или кластерной стоихиометрии.

Abstract

В экспериментах по молекулярной физике и физической химии на газовой фазе обычно используются сверхзвуковые расширения через импульсные клапаны для производства холодных молекулярных лучей. Однако эти лучи часто содержат несколько конформеров и скоплений, даже при низких температурах вращения. Мы представляем экспериментальную методологию, которая позволяет пространственное разделение этих составных частей расширения молекулярного луча. С помощью электрического дефлектора луч отделяется соотношением массы к диполю, аналогично бендеру или масс-спектрометру электрического сектора, пространственно рассеив заряженные молекулы на основе их соотношения массы к заряду. Этот дефлектор использует эффект Старка в неоднородном электрическом поле и позволяет размекать отдельные виды полярных нейтральных молекул и скоплений. Кроме того, он позволяет получить наиболее холодную часть молекулярного луча, так как низкоэнергоимунные квантовые состояния обычно испытывают наибольшее отклонение. Различные структурные изомеры (конформеры) вида могут быть разделены из-за разного расположения функциональных групп, что приводит к различным дипольным моментам. Они эксплуатируются электростатическим дефлектором для производства конформациально чистого образца из молекулярного луча. Аналогичным образом, могут быть выбраны специфические кластерные стоихиометрии, так как масса и дипольный момент данного скопления зависят от степени солвации вокруг родительской молекулы. Это позволяет проводить эксперименты на конкретных размерах и структурах скоплений, что позволяет систематически изучать разрешимые нейтральные молекулы.

Introduction

Современные молекулярно-химические эксперименты на газовой фазе часто используют сверхзвуковые расширения молекул-мишеней для производства вращательно холодных молекулярных образцов в молекулярном луче. Однако даже при низких вращательной температуре 1 К, которая обычно может быть достигнута с помощью сверхзвуковых расширений, большие молекулы все еще могут оставаться в нескольких конформациях в^{луче 1.} Аналогичным образом, производство молекулярных скоплений в источнике луча приводит не к одному виду, а к формированию «кластерного супа», содержащего множество различных кластерных стоихиометрий, а также оставшихся чистых родительских молекул. Это затрудняет изучение этих систем с помощью новых^{методов, таких как визуализация молекулярных орбитальных систем 2,}молекулярно-каркасные фотоэлектронные угловые^{распределения 3-5} или электрон^6-10 и рентгеновская дифракция^11-13, так как они требуют чистых, последовательных и однородных образцов в газовой фазе.

В то время как в настоящее время имеется несколько методологий для размекретить различные конформеры заряженных видов в газовой фазе (например, ионные^{ионные ионные дрифтерные трубки 14,15)}и заряженные кластеры легко отделяются их соотношением массы к заряду, эти методы не применимы к нейтральным видам. Недавно мы продемонстрировали, что эти проблемы можно преодолеть с помощью^{электростатического отклонения устройства 16,17,}что позволяет разделение молекулярных конформеров, а также кластеров и производство вращательно холодных молекулярных лучей.

Использование электростатического отклонения является классическим методом молекулярного луча, истоки которого уходят далеко^{назад 18,19}. Первые идеи использования электростатического отклонения для разделения квантовых состояний были введены Стерн в 1926^{году 20}. В то время как ранние эксперименты проводились на малых молекулах при высоких температурах, мы демонстрируем применение этой техники к большим полярным молекулам и^{скоплениям при низких температурах 16,21}.

Полярные молекулы испытывают силу внутри неоднородного электрического поля(E) из-за пространственных различий в потенциальной энергии. Эта сила зависит от эффективного дипольного момента, μ_эфф, молекулы и может быть оценена как

(1)

Поскольку различные молекулярные конформисты обычно обладают различными дипольными моментами и различное количество молекул растворителя в скоплении приводят к различным кластерным массам и дипольным моментам, эти виды будут испытывать различное ускорение в присутствии сильного неоднородного электрического поля. В результате эффект Старка силы от неоднородного электрического поля, следовательно, может быть использован для разделения конформеров и квантовых состояний²². Это указано на рисунке 1, показывая рассчитанные кривые Старка для J 0,1,2 вращательного состояния cis и трансконформистов 3-фторфенола, соответственно. Это приводит к большим различиям в μ eff , как показано на рисунках 1c и 1d, и, следовательно,_{различное}ускорение испытывают два конформеров в неоднородных электрических полей. Таким образом, электростатическое устройство отклонения может быть использовано в качестве соотношения масс-дипольных моментов(м/μ_{эфф) сепаратор, по}аналогии с масс-спектрометром, выступающим в качестве соотношения массы к заряду(м/з)^{фильтра 23}.

Кроме того, эти методы позволяют разделение вращательного квантового^{состояния 24,25}. По мере того как положения вращения земли (голубые кривые в рисунках 1a и 1b) exhibit самый большой сдвиг Stark, эти будут отклонять большое часть и можно spatially отделить от молекул в более высоких положениях J ^17. Поэтому можно выбрать самая холодная часть молекулярного луча, что значительно помогает во многих приложениях, таких как выравнивание и ориентация^{молекул-мишеней 17, 26-28.}

В этом вкладе мы показываем, как электростатическое устройство отклонения может быть использовано для пространственного разделения различных видов крупных полярных молекул и скоплений. Приведены примеры для производства чистого пучка отдельного конформера и растворительного кластера четко определенных размеров и соотношения. В частности, мы представляем данные о 3-фторфенол, где чистый луч, содержащий только трансконформера производится, и на индоль-вода кластеров, где индоль (H₂O)_{1 кластер может} быть пространственно отделены от воды, идола, идола (H₂O) 2 и_т.д. .

Protocol

1. Описание экспериментальной установки Схема установки и дефлектора молекулярного луча газовой фазы показана на рисунке 221. Она состоит из Импульсный клапан Эвеном-Лави29, содержащий молекулярный образец. Другие импульсные молекулярные клапан…

Representative Results

Техника электростатического отклонения успешно применяется при разделении структурныхизомеров 16 и нейтральныхкластеров 21,а также при производстве вращения квантового состояния отобранных молекулярных образцов31. Мы демонстрируем это с репрезентативными результа?…

Discussion

На протяжении всей этой рукописи предполагается знакомство с сверхвысокими вакуумными компонентами, импульсными молекулярными лучовыми клапанами и лазерными источниками, и всегда следует соблюдать связанные с этим процедуры безопасности. Особое внимание необходимо принимать при обработке вы?…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа была поддержана передового опыта кластера “Гамбургский центр ультрабыстрой визуализации – структура, динамика и контроль материи в атомной шкале” Из Deutsche Forschungsgemeinschaft и Гельмгольц Виртуальный институт “Динамические пути в многомерных ландшафтов”.

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/

Referências

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).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Citar este artigo

Horke, D., Trippel, S., Chang, Y., Stern, S., Mullins, T., Kierspel, T., Küpper, J. Spatial Separation of Molecular Conformers and Clusters. J. Vis. Exp. (83), e51137, doi:10.3791/51137 (2014).