Пространственное разделение молекулярных конформеров и кластеров

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. .