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

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Engineering

आणविक अनुरूप और समूहों का स्थानिक पृथक्करण

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

हम एक तकनीक पेश करते हैं जो आणविक बीम में मौजूद विभिन्न अनुरूप या समूहों के स्थानिक पृथक्करण की अनुमति देता है। एक इलेक्ट्रोस्टैटिक विक्षेपक का उपयोग प्रजातियों को उनके द्रव्यमान-से-डाइपोल पल अनुपात द्वारा अलग करने के लिए किया जाता है, जिससे एक ही अनुरूप या क्लस्टर स्टोइचिओमेट्री के गैस-चरण कलाकारों की टुकड़ी का उत्पादन होता है।

Abstract

गैस-चरण आणविक भौतिकी और भौतिक रसायन प्रयोग आमतौर पर ठंडे आणविक बीम के उत्पादन के लिए स्पंदित वाल्व के माध्यम से सुपरसोनिक विस्तार का उपयोग करते हैं। हालांकि, इन बीम में अक्सर कम घूर्णन तापमान पर भी कई अनुरूप और क्लस्टर होते हैं। हम एक प्रयोगात्मक पद्धति प्रस्तुत करते हैं जो आणविक बीम विस्तार के इन घटक भागों के स्थानिक पृथक्करण की अनुमति देता है। एक इलेक्ट्रिक विक्षेपक का उपयोग करते हुए बीम को अपने द्रव्यमान-से-डाइपोल पल अनुपात से अलग किया जाता है, जो एक शराबी या इलेक्ट्रिक क्षेत्र के द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर के अनुरूप होता है जो अपने बड़े पैमाने पर चार्ज अनुपात के आधार पर आवेशित अणुओं को फैलाता है। यह विक्षेपक एक असंगत विद्युत क्षेत्र में स्टार्क प्रभाव का शोषण करता है और ध्रुवीय तटस्थ अणुओं और समूहों की व्यक्तिगत प्रजातियों के पृथक्करण की अनुमति देता है। इसके अलावा यह एक आणविक बीम के सबसे ठंडे हिस्से के चयन की अनुमति देता है, क्योंकि कम ऊर्जा वाले घूर्णन क्वांटम राज्य आम तौर पर सबसे बड़े विक्षेप का अनुभव करते हैं। कार्यात्मक समूहों की विभिन्न व्यवस्था के कारण एक प्रजाति के विभिन्न संरचनात्मक आइसोमर्स (अनुरूप) को अलग किया जा सकता है, जो अलग-अलग डाइपोल क्षणों की ओर जाता है। इनका दोहन इलेक्ट्रोस्टैटिक विक्षेपक द्वारा आणविक बीम से एक अनुरूप शुद्ध नमूने के उत्पादन के लिए किया जाता है। इसी तरह, विशिष्ट क्लस्टर स्टीचियोमेट्री का चयन किया जा सकता है, क्योंकि किसी दिए गए क्लस्टर का द्रव्यमान और डाइपोल पल माता-पिता अणु के आसपास समाधान की डिग्री पर निर्भर करता है। यह विशिष्ट क्लस्टर आकार और संरचनाओं पर प्रयोगों की अनुमति देता है, जिससे तटस्थ अणुओं के समाधान के व्यवस्थित अध्ययन को सक्षम किया जा सकता है।

Introduction

आधुनिक गैस-चरण आणविक भौतिकी और भौतिक रसायन विज्ञान प्रयोग अक्सर आणविक बीम के भीतर घूर्णन रूप से ठंडे आणविक नमूनों का उत्पादन करने के लिए लक्ष्य अणुओं के सुपरसोनिक विस्तार का उपयोग करते हैं। हालांकि, यहां तक कि 1 K के कम घूर्णन तापमान पर, जिसे नियमित रूप से सुपरसोनिक विस्तार का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है, बड़े अणु अभी भी बीम¹के भीतर कई संरचनाओं में रह सकते हैं। इसी तरह एक बीम स्रोत में आणविक समूहों के उत्पादन के परिणामस्वरूप एक ही प्रजाति नहीं होती है, बल्कि “क्लस्टर सूप” के गठन में, जिसमें कई अलग-अलग क्लस्टर स्टॉइचिओमेट्री, साथ ही शेष शुद्ध माता-पिता अणु शामिल होते हैं। यह आणविक कक्षों की इमेजिंग^2,आणविक-फ्रेम फोटोइलेक्ट्रॉन कोणीय वितरण^3-5 या इलेक्ट्रॉन 6-10 और एक्स-रे विवर्तन^11-13 मुश्किल के रूप में उपन्यास तकनीकों के साथ इन प्रणालियों का अध्ययन करता है, क्योंकि इन्हें गैस-चरण में शुद्ध, सुसंगत और समरूप नमूनों की आवश्यकता होती है।

जबकि गैस-चरण में आवेशित प्रजातियों के विभिन्न अनुरूपों को अलग करने के लिए कई पद्धतियां अब उपलब्ध हैं(उदाहरण के लिए आयन गतिशीलता बहाव ट्यूब^14,15)और आवेशित क्लस्टर आसानी से अपने बड़े पैमाने पर चार्ज अनुपात से अलग हो जाते हैं, ये तकनीकें तटस्थ प्रजातियों पर लागू नहीं होती हैं। हमने हाल ही में प्रदर्शन किया है कि इन मुद्दों को इलेक्ट्रोस्टैटिक विक्षेप उपकरण^16,17के उपयोग से दूर किया जा सकता है, जिससे आणविक अनुरूपों के साथ-साथ समूहों के पृथक्करण और घूर्णन रूप से ठंडे आणविक बीम का उत्पादन हो सकता है।

इलेक्ट्रोस्टैटिक विक्षेप का उपयोग एक क्लासिक आणविक बीम तकनीक है, जिसकी उत्पत्ति^18,19से काफी पीछे है। क्वांटम राज्यों के पृथक्करण के लिए इलेक्ट्रोस्टैटिक विक्षेप का उपयोग करने के पहले विचार 1926²⁰में स्टर्न द्वारा शुरू किए गए थे । जबकि उच्च तापमान पर छोटे अणुओं पर शुरुआती प्रयोग किए गए थे, हम इस तकनीक के अनुप्रयोग को कम तापमान^16,21पर बड़े ध्रुवीय अणुओं और समूहों के लिए प्रदर्शित करते हैं।

ध्रुवीय अणु संभावित ऊर्जा में स्थानिक अंतर के कारण एक असंगत विद्युत क्षेत्र(ई)के अंदर एक बल का अनुभव करते हैं। यह बल प्रभावी डाइपोल पल पर निर्भर है, μ_eff,अणु के और के रूप में मूल्यांकन किया जा सकता है

(1)

चूंकि विभिन्न आणविक अनुरूप आम तौर पर विभिन्न डिपोल क्षणों और एक क्लस्टर के भीतर सॉल्वेंट अणुओं की अलग संख्या अलग क्लस्टर जनता और डाइपोल क्षणों के लिए नेतृत्व करते हैं, इन प्रजातियों को एक मजबूत अयोजित बिजली के क्षेत्र की उपस्थिति में एक अलग त्वरण का अनुभव होगा। इसलिए एक अहोमेनेसियस इलेक्ट्रिक फील्ड से परिणामी स्टार्क प्रभाव बल का उपयोग अनुरूपों और क्वांटम^{राज्यों}के पृथक्करण के लिए किया जा सकता है । यह चित्रा 1में इंगित किया गया है, जो क्रमशः सीआईएस के जे = 0,1,2 घूर्णन राज्यों और 3-फ्लोरोफेनॉल के ट्रांस अनुरूप के लिए गणना किए गए स्टार्क वक्र्स को दिखाता है। इससे μ_{एफईएम}में बड़े अंतर आते हैं, जैसा कि आंकड़े 1c और 1dमें दिखाया गया है, और इसलिए अहोमोजेनियस इलेक्ट्रिक क्षेत्रों में दो अनुरूपों द्वारा एक अलग त्वरण का अनुभव किया जाता है। इसलिए, एक इलेक्ट्रोस्टैटिक विक्षेपक उपकरण का उपयोग मास-टू-डाइपोल पल अनुपात(एम/μ_{एफईएम)}विभाजक के रूप में किया जा सकता है, जो बड़े पैमाने पर स्पेक्ट्रोमीटर के अनुरूप है जो मास-टू-चार्ज अनुपात(एम/जेड)फिल्टर²³के रूप में कार्य करता है ।

इसके अलावा, ये तकनीकें घूर्णन क्वांटम राज्यों को^24,25से अलग करने की अनुमति देती हैं। चूंकि जमीनी घूर्णन राज्य (आंकड़े 1ए और 1 बीमें नीले घटता) सबसे बड़ा स्टार्क बदलाव प्रदर्शित करते हैं, इसलिए इन्हें सबसे अधिक विक्षेपित किया जाएगा और उच्च जम्मू राज्यों में अणुओं से अलग किया जा सकता है^17। इसलिए आणविक बीम के सबसे ठंडे हिस्से का चयन किया जा सकता है, जो कई अनुप्रयोगों में महत्वपूर्ण रूप से सहायता करता है, जैसे कि लक्ष्य अणुओं के संरेखण और अभिविन्यास^{17, 26-28।}

इस योगदान में हम दिखाते हैं कि बड़े ध्रुवीय अणुओं और समूहों की विभिन्न प्रजातियों को अलग करने के लिए एक इलेक्ट्रोस्टैटिक विक्षेप उपकरण का उपयोग कैसे किया जा सकता है। उदाहरण डेटा एक व्यक्ति के अनुरूप के शुद्ध बीम के उत्पादन और अच्छी तरह से परिभाषित आकार और अनुपात के एक सोल्यूट-सॉल्वेंट क्लस्टर के उत्पादन के लिए प्रस्तुत किया जाता है। विशेष रूप से हम 3-फ्लोरोफेनॉल पर डेटा प्रस्तुत करते हैं, जहां केवल ट्रांस अनुरूप युक्त एक शुद्ध बीम का उत्पादन होता है, और इंडोल-वॉटर क्लस्टर पर, जहां इंडोल (एच₂ओ)₁ क्लस्टर को पानी, इंडोल, इंडोल (एच₂ओ)_2, आदिसे अलग किया जा सकता है।

Protocol

1. प्रायोगिक सेटअप का विवरण गैस-चरण आणविक बीम सेटअप और विक्षेपक की एक योजनाबद्ध चित्रा 2 21में दिखाया गया है। यह होते हैं एक स्पंदित भी-Lavie वाल्व29 आणविक नमूना युक्त । अन्य स्पंद?…

Representative Results

इलेक्ट्रोस्टैटिक विक्षेप तकनीक को संरचनात्मक आइसोमर्स16 और तटस्थ समूहों21के पृथक्करण के साथ – साथ घूर्णन क्वांटम राज्य चयनित आणविकनमूनोंके उत्पादन के लिए सफलतापूर्वक लागू किया गया है । ह?…

Discussion

इस पांडुलिपि के दौरान, अल्ट्रा-हाई वैक्यूम घटकों, स्पंदित आणविक बीम वाल्व और लेजर स्रोतों के साथ परिचित माना जाता है और संबंधित सुरक्षा प्रक्रियाओं का हमेशा पालन किया जाना चाहिए। विक्षेपक के लिए हाई वोल्टेज ?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

इस काम को उत्कृष्टता क्लस्टर “द हैम्बर्ग सेंटर फॉर अल्ट्राफास्ट इमेजिंग – संरचना, गतिशीलता और परमाणु पैमाने पर पदार्थ का नियंत्रण” द्वारा ड्यूश फोर्चुंग्स्जेमेन्चेफ्ट और हेल्महोल्ट्ज़ वर्चुअल इंस्टीट्यूट “डायनेमिक पाथवे इन बहुआयामी परिदृश्य” द्वारा समर्थित किया गया है।

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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