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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Ingeniería

Räumliche Trennung von molekularen Konformen und Clustern

Published: January 09, 2014

doi:

10.3791/51137

Daniel Horke¹, Sebastian Trippel¹, Yuan-Pin Chang¹, Stephan Stern^1,2, Terry Mullins¹, Thomas Kierspel^1,3, Jochen Küpper^1,2,3

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

Summary

Wir präsentieren eine Technik, die die räumliche Trennung verschiedener Konformer oder Cluster ermöglicht, die in einem molekularen Strahl vorhanden sind. Ein elektrostatischer Deflektor wird verwendet, um Arten durch ihr Massen-Dipol-Momentverhältnis zu trennen, was zur Produktion von Gasphasen-Ensembles eines einzelnen Konformators oder Clusterstoichiometrie führt.

Abstract

Gasphasen-Molekularphysik und physikalische Chemieexperimente verwenden häufig Überschallerweiterungen durch gepulste Ventile zur Herstellung kalter molekularer Strahlen. Diese Strahlen enthalten jedoch oft mehrere Konformer und Cluster, selbst bei niedrigen Rotationstemperaturen. Wir stellen eine experimentelle Methodik vor, die die räumliche Trennung dieser Bestandteile einer molekularen Strahlexpansion ermöglicht. Mit Hilfe eines elektrischen Deflektors wird der Strahl durch sein Massen-Dipol-Momentverhältnis getrennt, analog zu einem Biege- oder einem elektrischen Sektor-Massenspektrometer, das geladene Moleküle auf der Grundlage ihres Massen-Zu-Lade-Verhältnisses räumlich dispergiert. Dieser Deflektor nutzt den Stark-Effekt in einem inhomogenen elektrischen Feld aus und ermöglicht die Trennung einzelner Arten polarer neutraler Moleküle und Cluster. Darüber hinaus ermöglicht es die Auswahl des kältesten Teils eines molekularen Strahls, da niedrigenergetische Rotationsquantenzustände in der Regel die größte Durchbiegung erfahren. Verschiedene strukturelle Isomere (Konformer) einer Art können durch die unterschiedliche Anordnung funktioneller Gruppen getrennt werden, was zu unterschiedlichen Dipolmomenten führt. Diese werden vom elektrostatischen Deflektor zur Herstellung einer konformational reinen Probe aus einem Molekularstrahl genutzt. In ähnlicher Weise können spezifische Cluster-Stoichiometrien ausgewählt werden, da das Masse- und Dipolmoment eines bestimmten Clusters vom Grad der Lösung um das übergeordnete Molekül abhängt. Dies ermöglicht Experimente an bestimmten Clustergrößen und -strukturen und ermöglicht die systematische Untersuchung der Lösung neutraler Moleküle.

Introduction

Moderne Gasphasen-Molekularphysik und physikalische Chemieexperimente verwenden häufig Überschallerweiterungen von Zielmolekülen, um rotationskalte molekulare Proben innerhalb eines molekularen Strahls zu erzeugen. Doch selbst bei niedrigen Rotationstemperaturen von 1 K, die routinemäßig mit Überschallausdehnungen erreicht werden können, können große Moleküle noch in mehreren Konformationen innerhalb des Strahls¹verbleiben. Ebenso führt die Produktion molekularer Cluster in einer Strahlquelle nicht zu einer einzigen Spezies, sondern zur Bildung einer “Clustersuppe”, die viele verschiedene Clusterstoichiometrien enthält, sowie zu verbleibenden reinen Muttermolekülen. Dies erschwert die Untersuchung dieser Systeme mit neuartigen Techniken wie der Abbildung molekularer Orbitale², molekularer Photoelektronen-Winkelverteilungen^3-5 oder Elektronen^6-10 und Röntgenbeugung^11-13, da diese reine, konsistente und homogene Proben in der Gasphase erfordern.

Während nun mehrere Methoden zur Trennung verschiedener Konformer geladener Arten in der Gasphase(z. B. Ionenmobilitätsdriftröhren^14,15) zur Verfügung stehen und geladene Cluster leicht durch ihr Massen-Zu-Ladungsverhältnis getrennt werden können, sind diese Techniken nicht auf neutrale Arten anwendbar. Wir haben vor kurzem gezeigt, dass diese Probleme mit dem Einsatz einer elektrostatischen Umlenkvorrichtung^16,17überwunden werden können, die die Trennung von molekularen Konformatoren sowie Clustern und die Produktion von rotationskalten molekularen Strahlen ermöglicht.

Die Verwendung von elektrostatischer Durchbiegung ist eine klassische Molekularstrahltechnik, deren Ursprünge weit zurückreichen^18,19. Erste Ideen zur Elektrostatik zur Trennung von Quantenzuständen wurden 1926²⁰von Stern eingeführt. Während erste Experimente an kleinen Molekülen bei hohen Temperaturen durchgeführt wurden, zeigen wir die Anwendung dieser Technik auf große polare Moleküle und Cluster bei niedrigen Temperaturen^16,21.

Polarmoleküle erleben aufgrund der räumlichen Unterschiede in der potentiellen Energie eine Kraft innerhalb eines inhomogenen elektrischen Feldes (E). Diese Kraft ist abhängig vom effektiven Dipolmoment, μ_effdes Moleküls und kann als

(1)

Da verschiedene molekulare Konformatoren in der Regel unterschiedliche Dipolmomente besitzen und unterschiedliche Zahlen von Lösungsmittelmolekülen innerhalb eines Clusters zu unterschiedlichen Clustermassen und Dipolmomenten führen, werden diese Arten eine andere Beschleunigung in Gegenwart eines starken inhomogenen elektrischen Feldes erleben. Die resultierende Stark-Effektkraft aus einem inhomogenen elektrischen Feld kann daher zur Trennung von Konformatoren und Quantenzuständen²²verwendet werden. Dies ist in Abbildung 1angegeben, in der die berechneten Starkkurven für die J = 0,1,2 Rotationszustände der cis bzw. trans conformer von 3-Fluorphenol angezeigt werden. Dies führt zu großen Unterschieden in μ_eff, wie in den Abbildungen 1c und 1ddargestellt, und daher wird eine andere Beschleunigung von den beiden Konformern in inhomogenen elektrischen Feldern erlebt. Daher kann eine elektrostatische Umlenkvorrichtung als Massen-Dipol-Momentverhältnis (m/μ_eff)Separator verwendet werden, analog zu einem Massenspektrometer, das als Massen-Zu-Lade-Verhältnis (m/z) Filter²³fungiert.

Darüber hinaus ermöglichen diese Techniken die Trennung von rotationsmäßigen Quantenzuständen^24,25. Da die Bodenrotationszustände (blaue Kurven in den Abbildungen 1a und 1b) die größte Starkverschiebung aufweisen, werden diese am meisten abgelenkt und können räumlich von Molekülen in höheren J-Zuständen ¹⁷getrennt werden. Der kälteste Teil eines Molekularstrahls kann daher ausgewählt werden, was bei vielen Anwendungen, wie der Ausrichtung und Ausrichtung der Zielmoleküle^{17, 26-28,}wesentlich hilft.

In diesem Beitrag zeigen wir, wie eine elektrostatische Umlenkvorrichtung verwendet werden kann, um verschiedene Arten großer polarer Moleküle und Cluster räumlich zu trennen. Es werden Beispieldaten für die Herstellung eines reinen Strahls eines einzelnen Konformers und eines solute-lösemittelförmigen Clusters von genau definierter Größe und Verhältnis dargestellt. Insbesondere stellen wir Daten zu 3-Fluorphenol vor, bei dem ein reiner Strahl erzeugt wird, der nur den Transkonformer enthält, und über Indole-Wasser-Cluster, bei denen der Indole(H₂O)_1-Cluster räumlich vom Wasser, inder, indole,indole(H₂O)₂ usw.getrennt werden kann.

Protocol

1. Beschreibung des Versuchsaufbaus Abbildung 221zeigt einen Schaltplan des Gasphasen-Molekularstrahlaufbaus und -Abweisers. Es besteht aus Ein gepulstes Even-Lavie-Ventil29, das die molekulare Probe enthält. Andere gepulste Molekularstrahlventile können ebenso gut eingesetzt werden, solange ein kalter Molekularstrahl (O(1 K)) gebildet wird. Die folgenden Parameter sind spezifisch für das eingesetzte Even-Lavie-Ventil. In den hier vorgestellt…

Representative Results

Die elektrostatische Umlenktechnik wurde erfolgreich auf die Trennung von Strukturisomern16 und neutralen Clustern21angewendet, sowie auf die Produktion von rotationsquantenzustandsausgewählten molekularen Proben31. Wir zeigen dies mit repräsentativen Ergebnissen für die Trennung von cis und trans conformers von 3-Fluorphenol und Größe ausgewählt indole(H2O)n Cluster. 3-Fluorophenol-Konformer wurden in einem Molekul…

Discussion

In diesem Manuskript wird von der Vertrautheit mit Ultrahochvakuumkomponenten, gepulsten Molekularstrahlventilen und Laserquellen ausgegangen und die damit verbundenen Sicherheitsverfahren sollten immer eingehalten werden. Beim Umgang mit den Hochspannungselektroden für den Deflektor ist besondere Vorsicht geboten. Ihre Oberflächen müssen auf hohem Niveau poliert werden und müssen absolut sauber sein, um Lichtbögen innerhalb der Vakuumkammer zu vermeiden. Vor dem ersten Gebrauch sollten die Elektroden unter Vakuum konditioniert werden. …

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Unterstützt wurde diese Arbeit vom Exzellenzcluster “The Hamburg Center for Ultrafast Imaging – Structure, Dynamics and Control of Matter at the Atomic Scale” der Deutschen Forschungsgemeinschaft und vom Helmholtz Virtual Institute “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).