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

Separazione spaziale di conformatori molecolari e cluster

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

Presentiamo una tecnica che consente la separazione spaziale di diversi conformatori o ammassi presenti in un fascio molecolare. Un deflettore elettrostatico è usato per separare le specie dal loro rapporto massa-dipolo momento, portando alla produzione di insiemi in fase gassosa di un singolo conformere o stechiometria a grappolo.

Abstract

Gli esperimenti di fisica molecolare in fase gassosa e chimica fisica comunemente usano espansioni supersoniche attraverso valvole pulsate per la produzione di fasci molecolari freddi. Tuttavia, queste travi spesso contengono più conformi e grappoli, anche a basse temperature di rotazione. Presentiamo una metodologia sperimentale che consente la separazione spaziale di queste parti costitutive di un’espansione del fascio molecolare. Usando un deflettore elettrico il fascio è separato dal suo rapporto massa-dipolo momento, analogo a un bender o uno spettrometro di massa del settore elettrico che disperde spazialmente molecole cariche sulla base del loro rapporto massa-carica. Questo deflettore sfrutta l’effetto Stark in un campo elettrico disomogeneo e permette la separazione di singole specie di molecole e ammassi polari neutri. Inoltre permette la selezione della parte più fredda di un fascio molecolare, poiché gli stati quantici rotazionali a bassa energia generalmente sperimentano la più grande deflessione. Diversi isomeri strutturali (conformi) di una specie possono essere separati a causa della diversa disposizione dei gruppi funzionali, che porta a momenti di dipolo distinti. Questi sono sfruttati dal deflettore elettrostatico per la produzione di un campione conformativo puro da un fascio molecolare. Allo stesso modo, possono essere selezionate stechiometrie a grappolo specifico, poiché la massa e il momento di dipolo di un dato ammasso dipendono dal grado di solvazione intorno alla molecola madre. Ciò consente esperimenti su specifiche dimensioni e strutture degli ammassi, consentendo lo studio sistematico della solvazione di molecole neutre.

Introduction

I moderni esperimenti di fisica molecolare in fase gassosa e chimica fisica spesso usano espansioni supersoniche di molecole bersaglio per produrre campioni molecolari a freddo rotazionale all’interno di un fascio molecolare. Tuttavia, anche a basse temperature rotazionali di 1 K, che possono essere ottenute regolarmente utilizzando espansioni supersoniche, le grandi molecole possono ancora rimanere in conformazioni multiple all’interno del^{fascio 1}. Allo stesso modo la produzione di ammassi molecolari in una sorgente di fascio non si traducono in una singola specie, ma piuttosto nella formazione di una “zuppa a grappolo”, contenente molte stechiometrie a grappolo diverse, così come le molecole madri pure rimanenti. Ciò rende difficile lo studio di questi sistemi con nuove tecniche come l’imaging di orbitali^{molecolari 2}, distribuzioni angolari fotoelettroniche a fotogramma^{molecolare 3-5} o elettronica^6-10 e diffrazione a raggi X^11-13, in quanto richiedono campioni puri, coerenti e omogenei nella fase gassosa.

Mentre sono ora disponibili diverse metodologie per separare diversi conformiri di specie cariche in fasegassosa (ad esempio tubi di deriva per la mobilità^{ioniche 14,15)}e cluster carichi sono facilmente separati dal loro rapporto massa-carica, queste tecniche non sono applicabili alle specie neutre. Recentemente abbiamo dimostrato che questi problemi possono essere superati con l’uso di un dispositivo di deflessione^{elettrostatica 16,17,}consentendo la separazione di conformiri molecolari, nonché cluster e la produzione di fasci molecolari a freddo rotazionale.

L’uso della deflessione elettrostatica è una classica tecnica del fascio molecolare, le cui origini risalgono a^{molto tempo fa 18,19}. Le prime idee di utilizzare la deflessione elettrostatica per la separazione degli stati quantici furono introdotte da Stern nel 1926²⁰. Mentre i primi esperimenti sono stati condotti su piccole molecole ad alte temperature, dimostriamo l’applicazione di questa tecnica a grandi molecole polari e ammassi a^{basse temperature 16,21}.

Le molecole polari sperimentano una forza all’interno di un campo elettrico disomogeneo (E) a causa delle differenze spaziali nell’energia potenziale. Questa forza dipende dal momento di dipolo effettivo, μ_eff, della molecola e può essere valutata come

(1)

Poiché diversi conformatori molecolari tipicamente possess diversi momenti di dipolo e diversi numeri di molecole di solvente all’interno di un ammasso portano a diverse masse di cluster e momenti di dipolo, queste specie sperimenteranno una diversa accelerazione in presenza di un forte campo elettrico disomogeneo. La forza dell’effetto Stark risultante da un campo elettrico disomogeneo può quindi essere utilizzata per la separazione di conformi e stati^{quantici 22}. Questo è indicato nella Figura 1, che mostra le curve stark calcolate per gli stati rotazionali J = 0,1,2 del cis e dei trans conformatori di 3-fluorofenolo, rispettivamente. Ciò porta a grandi differenze nel μ_eff, come mostrato nelle figure 1c e 1d, e quindi un’accelerazione diversa è sperimentata dai due conformi in campi elettrici disomogenei. Pertanto, un dispositivo di deflessione elettrostatica può essere utilizzato come separatore del rapporto massa-dipolo (m/μ_eff), in analogia con uno spettrometro di massa che funge da filtro di rapporto massa-carica(m/z)²³.

Inoltre, queste tecniche consentono la separazione degli stati quantici rotazionali^24,25. Poiché gli stati rotazionali del suolo (curve blu nelle figure 1a e 1b) mostrano il più grande spostamento stark, questi saranno deviati di più e possono essere separati spazialmente dalle molecole negli stati J superiori ¹⁷. La parte più fredda di un fascio molecolare può quindi essere selezionata, favorendo significativamente in molte applicazioni, come l’allineamento e l’orientamento delle molecole bersaglio^{17, 26-28}.

In questo contributo mostriamo come un dispositivo di deflessione elettrostatica può essere utilizzato per separare spazialmente diverse specie di grandi molecole polari e ammassi. Vengono presentati dati di esempio per la produzione di un fascio puro di un singolo conformere e di un cluster soluto-solvente di dimensioni e rapporto ben definiti. Nello specifico presentiamo i dati sul 3-fluorofenolo, dove viene prodotto un fascio puro contenente solo il trans conformere, e sugli ammassi di indolo-acqua, dove l’ammasso di indolo(H₂O)₁ può essere separato spazialmente dall’acqua, dall’indolo, dall’indolo(H₂O)_2, ecc.

Protocol

1. Descrizione dell’installazione sperimentale Uno schema della configurazione e del deflettore del fascio molecolare in fase gassosa è mostrato nella figura 221. Si compone di Una valvola pulsata di Even-Lavie29 contenente il campione molecolare. Altre valvole a fascio molecolare pulsato possono essere utilizzate allo stesso modo finché si forma un fascio molecolare freddo (O(1 K)). I seguenti parametri sono specifici per la valvola Even-Lavi…

Representative Results

La tecnica di deflessione elettrostatica è stata applicata con successo alla separazione degli isomeristrutturali 16 e degli ammassi neutri21,nonché alla produzione di campioni molecolari selezionati a stato quanticorotazionale 31. Lo dimostriamo con risultati rappresentativi per la separazione di cis e trans conformatori di 3-fluorofenolo e cluster di indolo(H2O)n selezionati per dimensioni. I conformiri 3-fluorofenoli…

Discussion

Durante questo manoscritto, si presume la familiarità con componenti a vuoto ultra-alto, valvole a fascio molecolare pulsato e sorgenti laser e le relative procedure di sicurezza dovrebbero sempre essere rispettate. È necessario prestare particolare attenzione quando si maneggiano gli elettrodi ad alta tensione per il deflettore. Le loro superfici devono essere lucidate secondo standard elevati e devono essere assolutamente pulite per evitare l’arco all’interno della camera a vuoto. Prima del primo utilizzo gli elettrodi devono essere cond…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato supportato dal cluster di eccellenza “The Hamburg Center for Ultrafast Imaging – Structure, Dynamics and Control of Matter at the Atomic Scale” della Deutsche Forschungsgemeinschaft e dall’Istituto Virtuale 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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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).