Separazione spaziale di conformatori molecolari e cluster
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 delfascio 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 orbitalimolecolari 2, distribuzioni angolari fotoelettroniche a fotogrammamolecolare 3-5 o elettronica6-10 e diffrazione a raggi X11-13, 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 mobilitàioniche 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 deflessioneelettrostatica 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 amolto 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 abasse 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, μeff, 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 statiquantici 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 μeff, 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/μeff), 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 rotazionali24,25. 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 bersaglio17, 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
Representative Results
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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