Name: spatial separation of molecular conformers and clusters
Uploaded: 2014-01-09T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Spatial Separation of Molecular Conformers and Clusters at JoVE.com

Detta arbete har fått stöd av excellensklustret "Hamburg Center for Ultrafast Imaging – Structure, Dynamics and Control of Matter at the Atomic Scale" från Deutsche Forschungsgemeinschaft och av Helmholtz Virtual Institute "Dynamic Pathways in Multidimensional Landscapes".

1. Beskrivning av experimentinställningen
Ett schema över gasfasens molekylstråleinställning och deflektor visas i figur 221. Den består av
<ol><li>En pulserad Even-Lavie ventil29 som innehåller molekylärprovet. Andra pulserade molekylära strålventiler kan användas lika bra så länge en kall molekylär stråle (O(1 K)) bildas. Följande parametrar är specifika för den använda Even-Lavie-ventilen. I de experiment som presenteras här drivs ...

Genom hela detta manuskript antas förtrogenhet med ultrahöga vakuumkomponenter, pulsade molekylärstråleventiler och laserkällor och tillhörande säkerhetsprocedurer bör alltid följas. Särskild försiktighet måste vidtas vid hantering av högspänningselektroder för deflektorn. Deras ytor måste poleras till hög standard och måste vara helt rena för att undvika bågning inuti vakuumkammaren. Före första användningen ska elektroderna konditioneras under vakuum. Spänningen som appliceras ökas långsamt och strömmen genom ele...

Modern gasfasmolekylfysik och fysikaliska kemiexperiment använder ofta överljudsexpansioner av målmolekyler för att producera rotationskylmolekylprover inom en molekylärstråle. Men även vid låga rotationstemperaturer på 1 K, som rutinmässigt kan uppnås med överljudsexpansioner, kan stora molekyler fortfarande förbli i flera konformationer inomstrålen 1. På samma sätt resulterar produktionen av molekylära kluster i en strålkälla inte i en enda art, utan snarare i bildandet av en "klustersoppa", som innehåller många olika kluster stoichiometrier, liksom återstående rena föräldramolekyler. Detta gör studien av dessa system med nya tekniker som avbildning avmolekyläraorbitals 2 , molekylär-ram fotoelektron vinkelfördelningar3-5 eller elektron6-10 och röntgendiffraktion11-13 svårt, eftersom dessa kräver rena, konsekventa och homogena prover i gasfasen.
Flera metoder finns nu tillgängliga för att separera olika konformörer av laddade arter i gasfasen (t.ex. jonrörrör14,15) och laddade kluster är lätt åtskilda av deras mass-till-laddning-förhållande, men dessa tekniker är inte tillämpliga på neutrala arter. Vi har nyligen visat att dessa problem kan övervinnas med hjälp av en elektrostatisk avböjningsanordning16,17, vilket möjliggör separation av molekylära konformatorer samt kluster och produktion av rotationskylda molekylära strålar.
Användningen av elektrostatisk avböjning är en klassisk molekylär strålteknik, vars ursprung går långt tillbaka18,19. De första idéerna om att använda elektrostatisk avböjning för separation av kvanttillstånd introducerades av Stern 192620. Medan tidiga experiment utfördes på små molekyler vid höga temperaturer, visar vi tillämpningen av denna teknik på stora polära molekyler och kluster vid låga temperaturer16,21.
Polarmolekyler upplever en kraft inom ett inhomogent elektriskt fält (E) på grund av de rumsliga skillnaderna i potentiell energi. Denna kraft <img fo:content-width="0.25in" src="/files/ftp_upload/51137/force.jpg" width="30px"> är beroende av det effektiva dipolögonblicket, μeff, av molekylen och kan utvärderas som
<img src="/files/ftp_upload/51137/51137eq1.jpg"> (1) 
Eftersom olika molekylära konformörer vanligtvis har olika dipolögonblick och olika antal lösningsmedelsmolekyler inom ett kluster leder till olika klustermassor och dipolmoment, kommer dessa arter att uppleva en annan acceleration i närvaro av ett starkt inhomogent elektriskt fält. Den resulterande Stark-effektkraften från ett inhomogent elektriskt fält kan därför användas för separation av konformatorer och kvanttillstånd22. Detta anges i figur 1, som visar de beräknade Stark-kurvorna för J = 0,1,2 rotations tillstånd för cis och trans conformers av 3-fluorofenol, respektive. Detta leder till stora skillnader μeff, som visas i figurerna 1c och 1d, och därför upplevs en annan acceleration av de två konforma i inhomogena elektriska fält. Därför kan en elektrostatisk avböjningsanordning användas som en massa-till-dipol momentförhållande(m/μeff)separator, i analogi med en masspektrometer som fungerar som ett mass-till-laddningsförhållande(m/z)filter23.
Dessutom tillåter dessa tekniker separation av rotations kvanttillstånd24,25. Eftersom markrotationsstaterna (blå kurvor i figurerna 1a och 1b) uppvisar den största Stark-skiftet, kommer dessa att avledas mest och kan separeras rumsligt från molekyler i högre J-tillstånd 17. Den kallaste delen av en molekylär stråle kan därför väljas, vilket avsevärt hjälper i många applikationer, såsom inriktning och orientering avmålmolekyler 17, 26-28.
I detta bidrag visar vi hur en elektrostatisk avböjningsanordning kan användas för att rumsligt separera olika arter av stora polära molekyler och kluster. Exempeldata presenteras för produktion av en ren stråle av en enskild konformör och av ett lösningsmedelskluster av väldefinierad storlek och förhållande. Specifikt presenterar vi data om 3-fluorofenol, där en ren stråle som endast innehåller transkonformören produceras, och på indol-vattenkluster, där indol (H2O)1-klustret kan separeras rumsligt från vatten, indol, indol(H2O)2 , etc.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="687">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Vacuum system</td>
			<td style="width:175px;">various, e.g. Pfeiffer Vacuum, Varian, Edwards, Leybold</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:177px;"></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Dye laser system</td>
			<td style="width:175px;">various, e.g. Coherent, Spectra Physics, Syrah, LIOP-TEC, Radiant Dyes&#8230;</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Pulsed valve</td>
			<td style="width:175px;">Even-Lavie</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">High voltage power supply</td>
			<td style="width:175px;">eg. FUG</td>
			<td style="width:119px;">HCP 14-20000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Deflector</td>
			<td style="width:175px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Custom made</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Time-of-flight spectrometer</td>
			<td style="width:175px;">Jordan TOF</td>
			<td style="width:119px;">C-677</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">TOF power supply</td>
			<td style="width:175px;">Jordan TOF</td>
			<td style="width:119px;">D-603</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Focusing lens</td>
			<td style="width:175px;">e.g. Thorlabs</td>
			<td>LA4745</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Translation stage</td>
			<td style="width:175px;">e.g. Vision Lasertechnik</td>
			<td style="width:119px;">8MT167-25</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Digitizer</td>
			<td style="width:175px;">e.g. Agilent</td>
			<td style="width:119px;">Acquiris DC440</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Digital delay generator</td>
			<td style="width:175px;">e.g. Stanford Systems</td>
			<td style="width:119px;">SRS DG645</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Molecular beam skimmer</td>
			<td style="width:175px;">Beam Dynamics Inc.</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>http://www.beamdynamicsinc.com/</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

spatial separation of molecular conformers and clusters

Gasfasmolekylfysik och fysikaliska kemiexperiment använder ofta överljudsexpansioner genom pulserade ventiler för produktion av kalla molekylära strålar. Dessa balkar innehåller dock ofta flera konformatorer och kluster, även vid låga rotationstemperaturer. Vi presenterar en experimentell metodik som möjliggör rumslig separation av dessa beståndsdelar i en molekylärstråleexpansion. Med hjälp av en elektrisk deflektor separeras strålen av dess vikt-till-dipol momentförhållande, analogt med en bändare eller en elektrisk sektor massa spektrometer rumsligt sprida laddade molekyler på grundval av deras massa-till-laddning förhållande. Denna deflektor utnyttjar Stark-effekten i ett inhomogent elektriskt fält och möjliggör separation av enskilda arter av polära neutrala molekyler och kluster. Det tillåter dessutom valet av den kallaste delen av en molekylär stråle, eftersom lågenergirotations kvanttillstånd i allmänhet upplever den största avböjningen. Olika strukturella isomerer (konformatorer) av en art kan separeras på grund av olika arrangemang av funktionella grupper, vilket leder till distinkta dipolögonblick. Dessa utnyttjas av den elektrostatiska deflektorn för produktion av ett konformationsmässigt rent prov från en molekylär stråle. På samma sätt kan specifika kluster stoichiometries väljas, eftersom massan och dipolögonblicket för ett givet kluster beror på graden av löselse runt föräldramolekylen. Detta möjliggör experiment på specifika klusterstorlekar och strukturer, vilket möjliggör systematisk studie av löselse av neutrala molekyler.

Den elektrostatiska avböjningstekniken har framgångsrikt tillämpats på separationen av strukturella isomerer16 och neutralakluster 21, liksom produktionen av rotations kvanttillstånd utvalda molekylära prover31. Vi visar detta med representativa resultat för separation av cis och trans conformers av 3-fluorophenol, och storlek valt indole (H2O)n kluster.
3-Fluorophenol konformörer separerades i en molekylär strå...

Watch this Scientific Journal Video about Spatial Separation of Molecular Conformers and Clusters at JoVE.com

Spatial Separation of Molecular Conformers and Clusters

Vi presenterar en teknik som möjliggör rumslig separation av olika konformatorer eller kluster som finns i en molekylär stråle. En elektrostatisk deflektor används för att separera arter genom deras massa-till-dipol momentförhållande, vilket leder till produktion av gasfasensembler av en enda konformator eller kluster stoichiometry.

Rumslig separation av molekylära konformatorer och kluster

Gas-phase molecular physics and physical chemistry experiments commonly use supersonic expansions through pulsed valves for the production of cold ...

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Engineering

Organic Chemistry

Physics

Unit 1

Electric Potential

Alcohols and Phenols

SCIENTISTS IN ACTION

Molecular Beam Mass Spectrometry With Tunable Vacuum Ultraviolet (VUV) Synchrotron Radiation

Molecular Beam Mass Spectrometry With Tunable Vacuum Ultraviolet VUV Synchrotron Radiation

Molekylär Beam masspektrometri med sökbara Vacuum Ultraviolet (VUV) Synkrotronljusfysik

Tunable soft ionization coupled to mass spectroscopy is a powerful method to investigate isolated molecules, complexes and clusters and their spectroscopy ...

Concurrent Quantitative Conductivity and Mechanical Properties Measurements of Organic Photovoltaic Materials using AFM

Samtidig Kvantitativ Konduktivitet och mekaniska egenskaper Mätningar av organiska solceller material med AFM

Organic photovoltaic  (OPV) materials are inherently inhomogeneous at the nanometer scale. Nanoscale  inhomogeneity of OPV materials affects performance ...

Ultrahigh Density Array of Vertically Aligned Small-molecular Organic Nanowires on Arbitrary Substrates

Ultrahigh Density Array av vertikalt inriktade Small-molekylära organiska Nanowires på godtyckliga substrat

In  recent years &pi;-conjugated  organic semiconductors have emerged as the active material in a number of  diverse applications including large-area, ...

Measurement and Analysis of Atomic Hydrogen and Diatomic Molecular AlO, C2, CN, and TiO Spectra Following Laser-induced Optical Breakdown

Measurement and Analysis of Atomic Hydrogen and Diatomic Molecular AlO, C2, CN, and TiO Spectra Following Laser-induced Optical Breakdown

Mätning och analys av atomärt väte och diatomära Molekylär AlO, C<sub&gt; 2</sub&gt;, CN, och TiO Spectra Följa laserinducerad Optisk uppdelning

In this work, we present time-resolved measurements of atomic and diatomic spectra following laser-induced optical breakdown. A typical LIBS arrangement ...

Probing C84-embedded Si Substrate Using Scanning Probe Microscopy and Molecular Dynamics

Probing C84-embedded Si Substrate Using Scanning Probe Microscopy and Molecular Dynamics

Probing C<sub&gt; 84</sub&gt; -embedded Si substrat med användning av svepspetsmikroskopi och Molecular Dynamics

This paper reports an array-designed C84-embedded Si substrate fabricated using a controlled self-assembly method in an ultra-high vacuum chamber. The ...

Nanostructured Ag-zeolite Composites as Luminescence-based Humidity Sensors

Nanostrukturerade Ag-zeolit ​​Composites som Luminescence-baserade Fuktsensorer

Small silver clusters confined inside zeolite matrices have recently emerged as a novel type of highly luminescent materials. Their emission has high ...

Plasma-assisted Molecular Beam Epitaxy of N-polar InAlN-barrier High-electron-mobility Transistors

Plasma-assisterad Molecular Beam epitaxi av N-polära InAlN barriär hög elektron rörlighet transistorer

Plasma-assisted molecular beam epitaxy is well suited for the epitaxial growth of III-nitride thin films and heterostructures with smooth, abrupt ...

An Analog Macroscopic Technique for Studying Molecular Hydrodynamic Processes in Dense Gases and Liquids

En Analog makroskopiska teknik för att studera molekylära hydrodynamiska processer i täta gaser och vätskor

An analog, macroscopic method for studying molecular-scale hydrodynamic processes in dense gases and liquids is described. The technique applies a ...

Fabrication of Schottky Diodes on Zn-polar BeMgZnO/ZnO Heterostructure Grown by Plasma-assisted Molecular Beam Epitaxy

Tillverkning av Schottky dioder på Zn-polar BeMgZnO/ZnO heterostrukturfotoniska odlas av Plasma-assisted molekylärt stråla epitaxyen

Heterostructure field effect transistors (HFETs) utilizing a two dimensional electron gas (2DEG) channel have a great potential for high speed device ...

Assembling Molecular Shuttles Powered by Reversibly Attached Kinesins

Montering av molekylär skyttlar drivs av reversibelt bifogas Kinesins

This protocol describes how to create kinesin-powered molecular shuttles with a weak and reversible attachment of the kinesins to the surface. In contrast ...