...

Project proposal: Study of the vibrational spectra of floppy molecules... stimulated Raman spectroscopy

by user

on
Category: Documents
11

views

Report

Comments

Transcript

Project proposal: Study of the vibrational spectra of floppy molecules... stimulated Raman spectroscopy
Project proposal: Study of the vibrational spectra of floppy molecules using ionization-loss
stimulated Raman spectroscopy
Student: Amir Bernat
Advisor: Prof. Ilana Bar
Abstract:
The structure of flexible biomolecules plays an important role in determining their selectivity
and functionality. Therefore, revealing their shapes is of much importance. As was very recently
shown, this can be achieved by the ionization-loss stimulated Raman spectroscopy (ILSRS)
method. This method allows measurement of vibrational spectra in the gaseous phase and
consequently the structures of these molecules in their differing shapes. The goal of this project
is to learn the method and to try measuring the vibrational or electronic spectra of a model
molecule
‫אוניברסיטת בן‪-‬גוריון בנגב‬
‫הפקולטה למדעי הטבע‬
‫המחלקה לפיסיקה‬
‫מדידת חתימות ספקטרליות של מולקולות גמישות בשיטת‬
‫‪Ionization-loss stimulated Raman spectroscopy‬‬
‫חיבור מסכם בפרויקט תואר ראשון במחלקה לפיסיקה‬
‫מאת‪ :‬אמיר ברנט‬
‫מנחה‪ :‬פרופ' אילנה בר‬
‫חשוון התשע"א‬
‫אוקטובר ‪2010‬‬
‫תודות‬
‫ברצוני להודות לאיתמר מלכא שהנחה אותי בעבודה המעשית במהלך החודשים בהם לקחתי חלק בעבודת המעבדה‪.‬‬
‫לניצן מיורקס על שהעלה בפני את האפשרות להצטרף לקבוצת המחקר‪ .‬על הנחייתו‪ ,‬מקרוב ומרחוק‪ ,‬ועל האתגרים‬
‫שהציב בפני‪ .‬תודתי לפרופסור אילנה בר שאפשרה לי לקחת חלק בעבודת הקבוצה ועל שפתחה בפני תחומי ידע‬
‫חדשים אליהם נחשפתי במהלך כתיבת העבודה‪.‬‬
‫תוכן עניינים‬
‫תודות ‪3.................................................................................................................................................‬‬
‫תוכן עניינים ‪4.........................................................................................................................................‬‬
‫רשימת איורים ‪5......................................................................................................................................‬‬
‫‪ .1‬מבוא‪6...............................................................................................................................................‬‬
‫‪ 1.1‬סקירה ‪6 ......................................................................................................................................‬‬
‫‪8 ................................................... Ionization-loss stimulated Raman spectroscopy (ILSRS) 1.2‬‬
‫ינון דו פוטוני מוגבר תהודה חד‪-‬צבע )‪8 ..................................................................................... (R2PI‬‬
‫עירור רמאן מאולץ ‪9 .......................................................................................................................‬‬
‫מציאת תדרי ויברציה מולקולריים ‪11 ..................................................................................................‬‬
‫‪ 1.3‬מולקולת ‪-2‬פנילאתנול ‪12 .................................................................................... 2-Phenylethanol‬‬
‫‪ .2‬מערכת ומהלך הניסוי ‪14.......................................................................................................................‬‬
‫‪ 2.1‬מבנה המערכת הניסויית ‪14 .............................................................................................................‬‬
‫‪ .1‬המערכת האלקטרואופטית‪14 ....................................................................................................... :‬‬
‫‪ .2‬מערכת ‪16 ................................................................................................................... TOFMS‬‬
‫‪ .3‬מערכת מדידת הנתונים‪17 ........................................................................................................... .‬‬
‫‪ .4‬תוכנת ‪17 ............................................................................................................... Gaussian03‬‬
‫‪ 2.2‬מהלך הניסוי ‪18 ............................................................................................................................‬‬
‫‪ 2.3‬תוצאות ועיבודן ‪19 ........................................................................................................................‬‬
‫‪ .3‬דיון בתוצאות ומסקנות ‪23....................................................................................................................‬‬
‫‪ 3.1‬יצירת הקישור בין המאפיינים הספקטרליים ‪ A‬ו‪ C-‬לקונפורמרים ‪ 2‬ו‪23 ............................................. .5-‬‬
‫‪ 3.2‬הצעות לשיפור וניסויים נוספים ‪25 ...................................................................................................‬‬
‫‪ .4‬ביבליוגרפיה ‪26...................................................................................................................................‬‬
‫רשימת איורים‬
‫איור ‪ 1‬הצגה סכמטית של שיטת ה‪ :ILSRS-‬עירור רמאן מאולץ בו הפרש האנרגיה בין שתי קרני הלייזר תואם‬
‫להפרש האנרגיה בין רמות ויברציה במולקולה‪ .‬ערור זה מוריד מהאוכלוסיה של רמת היסוד הויברציונית שיכולה‬
‫לעבור יינון ‪ .R2PI‬מימין מוצגת הירידה בעוצמת המדידה כאשר הפרש האנרגיות תואם למעבר ויברציוני‪12 ........... .‬‬
‫איור ‪ 2‬המערכת האופטית כוללת שלוש קרני לייזר‪ ,‬לייזר ה‪ UV-‬המתכוונן המאפשר את יינון המולקולות‪ ,‬הקרן‬
‫השואבת באורך גל קבוע של ‪ 532nm‬וקרן הסטוקס סורקת תחום תדרים‪ .‬נתוני המדידה מועברים דרך שני מגברים‬
‫לאוסילוסקופ ‪ ,LeCroy 9374‬לממצע אנלוגי ואחר כך מומר על ידי מתאם ‪ Analog to Digital‬ומועבר לשמירה‬
‫במחשב ‪ .PC‬קרן ה‪ UV-‬וקרן השאיבה מורחבות על ידי טלסקופ קפלרי וטלסקופ גליליי )בהתאמה(‪ .‬הכוונת הקרניים‬
‫נעשית על ידי פריזמות ומראות דיכרואיות‪15 .............................................................................................. .‬‬
‫איור ‪ 3‬סכמה של מערכת ‪ TOFMS‬מסוג ‪ Wiley-McLaren‬בה נעשה שימוש בניסוי‪ .‬סילון הגז עובר יינון ע"י קרן‬
‫ה‪ UV-‬והיונים מואצים על ידי הפרשי מתח בכיוון גלאי ה‪ .MSP-‬המערכת כולה נשאבת‪ ,‬כך שסילון הגז יהיה‬
‫בטמפרטורה רוטציונית נמוכה‪16 ............................................................................................................. 4.‬‬
‫איור ‪ 4‬הצגה זו מתבססת על תוצאת האופטימיזציה הגיאומטרית‪ .‬באפור כהה מוצגים אטומי הפחמן‪ ,‬באפור בהיר‬
‫אטומי המימן ובאדום אטום החמצן‪ .‬המולקולה מורכבת מטבעת בנזן וזנב פונקציונלי בו קבוצת ה‪ OH‬מופיעה בכיוונים‬
‫שונים במרחב‪ .‬ישנה חלוקה בין קבוצת ‪) Gauche‬בחלק העליון של האיור( לקבוצת ה‪ Anti‬בחלק התחתון‪ .‬המיספור‬
‫לפי הסימון של ניוסר‪ 10‬וסימון אותיות לפי סימונס‪ 11.‬מוצגות תוצאות חישובי האנרגיה שביצענו בשיטת ‪19 .... .MP2‬‬
‫איור ‪ 5‬ספקטרום ‪ R2PI‬של ‪ PEAL‬לאחר מיצוע של חמש מדידות והחלקה על ‪ 20‬נקודות מדידה‪ .‬המאפיינים‬
‫הספקטרליים ‪ A-E‬מסומנים בסמוך לעליה בכמות היונים‪ .‬מאפיינים אלו נוצרים כאשר פוטון ה‪ UV‬הראשון בעל אורך‬
‫גל התואם למעבר אל רמה ויברונית מעוררת‪20 ........................................................................................... .‬‬
‫איור ‪ 6‬השוואת קטע של ספקטרום ה‪ ILSRS-‬לספקטרום רמאן מחושב מחישובים קוונטיים עבור המאפיין‬
‫הספקטרלי ‪) A‬קונפורמר ‪ .(2‬בחלק העליון של הגרף מוצגות התוצאות הניסיוניות ובחלק התחתון דיאגרמת מקלות של‬
‫הסימולציה בתוכנת ‪ .Gaussian03‬מוצגות ויברציות יסוד )אדום( ואוברטונים )ירוק(‪21 ..................................... .‬‬
‫איור ‪ 7‬השוואת קטע של ספקטרום ה‪ ILSRS-‬לספקטרום רמאן מחושב מחישובים קוונטיים עבור המאפיין‬
‫הספקטרלי ‪) C‬קונפורמר ‪ . (5‬בחלק העליון של הגרף מוצגות התוצאות הניסיוניות ובחלק התחתון דיאגרמת מקלות‬
‫של הסימולציה בתוכנת ‪ .Gaussian03‬מוצגות ויברציות יסוד )אדום( ואוברטונים )ירוק(‪21 ................................ .‬‬
‫איור ‪ 8‬ספקטרא ‪ILSRS‬של ‪ PEAL‬המתאימים למאפיינים הספקטרליים ‪ E-A‬בספקטרום ה‪ .R2PI-‬מבט על תחום‬
‫רחב של ויברציות מולקולריות מאפשר לנו לראות את הבדלי המיקום והעוצמה שבין המאפיינים הספקטרליים השונים‪.‬‬
‫השוואה זו תומכת בכך שהמאפיינים ‪ A‬ו‪ B-‬וכן המאפיינים ‪ C‬ו‪ D-‬נוצרים מאותם קונפורמרים‪22 ......................... .‬‬
‫‪ .1‬מבוא‬
‫‪ 1.1‬סקירה‬
‫ספקטרוסקופיה ויברציונית הינו תחום מחקר המאפשר מדידת חתימה ספקטרלית של מולקולות על ידי ערור‬
‫ויברציות שונות שלהן‪ .‬על ידי שימוש בספקטרוסקופיה ויברציונית ניתן ללמוד רבות על מאפייני מבנה המולקולה ועל‬
‫הכוחות והאינטראקציות התוך‪ -‬והבין‪-‬מולקולריות‪ .‬למידע הנלמד בצורה זו חשיבות ויישומים בתחומים שונים‪ ,‬החל‬
‫בחקר פיזיקלי בסיסי וכלה ביישומים עתידיים בתעשיית התרופות‪ .‬מולקולת ‪-2‬פנילאתנול ‪2-Phenylethanol‬‬
‫)‪ C6H5–CH2–CH2–OH ,(PEAL‬בה עסקנו‪ ,‬מעוררת עניין בגלל דמיונה לנוירוטרנסמיטר ‪2-Phenylethylamine‬‬
‫)קבוצת ‪ OH‬ב‪ PEAL-‬במקום ‪ NH2‬במולקולה האחרונה(‪ .‬מולקולות אלו יכולות להופיע כקונפורמרים שונים‪ ,‬עקב‬
‫אפשרותן להמצא בכמה מבנים‪ ,‬תוך סבוב של קבוצה מסויימת סביב קשר בודד‪ .‬לכן‪ ,‬חשוב לקבל מידע על מבני‬
‫מולקולות אלו בפאזה הגזית‪ ,‬כשהן בסביבה מבודדת‪ ,‬או כשהן באינטראקציה עם מולקולות מים משום שהמבנים‬
‫משפיעים על הפונקציונליות שלהם בסביבה הביולוגית‪.‬‬
‫‪1‬‬
‫ישנן דרכים רבות ליצירת ספקטרום ויברציוני של אופני תנודה יסודיים‪ ,‬המשותף לכולן הינו שהתחום‬
‫האנרגטי הנבחן הינו ב‪ ,mid-IR -‬מכוון שזהו סדר הגודל של האנרגיה הנדרשת לעירור רוויברציות במולקולות‪.‬‬
‫‪2‬‬
‫לספקטרוסקופיית ‪ IR‬המבוססת על מקורות לייזר יש חסרון עיקרי הנובע ממחסור במקורות לייזר שניתנים לסריקה‬
‫בתחום תדרים רחב‪ .‬אחד הפתרונות לחסרון זה הינו השימוש בתהליך רמאן מאולץ‪ 3.‬בספקטרוסקופייה זו הערור‬
‫הויברציוני נעשה על ידי שתי קרני לייזר בעלות הפרש תדרים המתאים לתדר הויברציה‪ .‬קרני לייזר אלו יכולות‬
‫להיות בתחום הנראה ולכן יחסית קל לקבלן ע"י לייזרים קונבנציונליים‪ .‬בעוד שלתהליך רמאן ספונטני יעילות נמוכה‬
‫מאד ניתן להגביר יעילות זו על ידי העברת קרן סטוקס המאלצת את התרחשות התהליך‪ ,‬זהו תהליך רמאן מאולץ‪.‬‬
‫בעבודה זו השתמשנו בשיטת )‪ ,ionization-loss stimulated Raman spectroscopy (ILSRS‬ייתרונה‬
‫של השיטה ביכולת לאפשר סריקה של תחום רחב של אורכי גל‪ ,‬השיטה פותחה בקבוצתנו ונעשה בה שימוש בעבר‬
‫בחקר מולקולות אורגניות אחרות‪.‬‬
‫‪6,4‬‬
‫מטרת השיטה הינה להשיג אפשרות סריקה של תחום תדרים רחב ורגישות‬
‫גבוהה‪ .‬בעזרת שילוב של לייזרים וסלקטיביות מסות ע"י שימוש בספקטרומטר מסות מסוג זמן מעוף‬
‫)‪ Time of flight mass spectrometer (TOFMS‬מדדנו את ספקטרום ה‪ ILSRS-‬של קונפרמרי ה‪PEAL-‬‬
‫המשקפים את המבנים השונים‪ ,‬ותוצאות אלו הושוו לתוצאות חישוביות‪.‬‬
‫השוואת הספקטרא המדודים‪ ,‬בתחום תדרים רחב של אופני תנודה יסודיים‪ ,‬לתוצאות חישובים קוונטים‬
‫מאפשרת לנו לזהות ביתר ודאות את קונפורמרי ה‪ .PEAL -‬תוצאות אלו מצביעות על חשיבות ספקטרוסופיית‬
‫ה‪ ILSRS-‬ככלי ייחודי וחשוב לחקר המבנה של מולקולות גמישות בפאזה הגזית‪.‬‬
‫‪Ionization-loss stimulated Raman spectroscopy (ILSRS) 1.2‬‬
‫בשיטת ה‪ ILSRS-‬נעשה שימוש בשלוש קרני לייזר‪ ,‬קרן אחת ב‪ UV-‬המשמשת ליינון דו פוטוני מוגבר‬
‫תהודה של המולקולה ונוסף אליה שתי קרניים נוספות המשמשות לעירור רמאן מאולץ‪ .‬ייחודה של שיטה זו הינו‬
‫ביכולת לסרוק תחומים רחבים של אורכי גל‪ ,‬מ‪ 400 cm-1-‬ועד ‪ 4000 cm-1‬ברמת רזולוציה גבוהה‪ ,‬המאפשרת בחינת‬
‫קווי ויברציה בודדים‪.‬‬
‫‪6,5,4‬‬
‫שיטת ה‪ ILSRS-‬מבוססת על שילוב שתי שיטות ספקטרוסקופיות‪:‬‬
‫יינון דו פוטוני מוגבר תהודה חד צבע –)‪resonantly-enhanced two-photon ionization (R2PI‬‬
‫פיזור רמאן מאולץ ‪stimulated Raman scattering (SRS) -‬‬
‫ינון דו פוטוני מוגבר תהודה חד‪-‬צבע )‪(R2PI‬‬
‫תהליך יינון רב פוטוני מוגבר תהודה )‪ Resonantly enhanced multiphoton ionization (REMPI‬הינו‬
‫ערור בעזרת בליעה של מספר פוטונים בו זמנית‪ ,‬המתרחש תוך עירור רזוננטי לרמה ויברונית ולאחר מכן יינון‬
‫המולקולה‪ .‬מקרה פרטי של ‪ REMPI‬הינו תהליך ה‪ .R2PI-‬יינון דו פוטוני מוגבר תהודה מתקיים כאשר האנרגיה של‬
‫פוטון בודד מתאימה לעירור ויברוני ופוטון שני מיינן את המולקולה‪ ..‬מציאת הסתברות המעבר מרמת היסוד )‪ (i‬לרמה‬
‫המעוררת )‪ (k‬ניתן על ידי לורנציאן ויגנר‪ ,‬המעבר למצב מיונן )‪ (f‬מתואר אף הוא בצורה זו‪ ,‬אך עם מומנט דיפול‬
‫שונה‪:.‬‬
‫‪7‬‬
‫‪k 1 i‬‬
‫‪E ki  h‬‬
‫‪S ei  f  2 k‬‬
‫‪1‬‬
‫כאשר מדובר על מעבר מרמה ‪ i‬לרמה ‪ k‬שהפרש האנרגיה בניהן שווה ל ‪ , Eki‬על ידי פוטון בעלי תדירות ‪,‬‬
‫‪ 1 ,  2‬הנם מומנטי הדיפול למעבר‪ .‬כאשר אורך הגל של הפוטון המעורר מתלכד עם רמה ויברונית מידת ההסתברות‬
‫של המעבר גדלה מאד‪ .‬בזכות הסלקטיביות שבמעבר לרמה המעוררת ניתן לעורר כל מאפיין ספקטרלי בנפרד‬
‫מהאחרים‪.‬‬
‫עירור רמאן מאולץ‬
‫עירור רמאן מאולץ הינו חיבור של תהליך רמאן עם פליטה מאולצת‪ ,‬בתהליך רמאן מתבצע מעבר לרמה‬
‫ויברונית על ידי מעבר ביניים ברמה וירטואלית‪ .‬המעבר בין הרמות מתבצע על ידי מעבר לרמה וירטואלית לו גורם‬
‫הפוטון האנרגטי יותר )שאיבה( והירידה מאולצת על ידי פוטון נוסף בעל אנרגיה נמוכה יותר )סטוקס(‪ .‬התנאי לקיומו‬
‫של התהליך הינו שהפרש אורך הגל בין הקרן השואבת לקרן הסטוקס יתאים להפרש האנרגיה בין רמות בדגימת‬
‫החומר‪.‬‬
‫ניתן לקבל ביטוי הקושר את כמות המולקולות שעוברות תהליך רמאן לפרמטרי המערכת על ידי פיתוח של‬
‫חוק בר‪-‬למברט והסוספטביליות הלא ליניארית מסדר שלישי באורך הגל של קרן הסטוקס‪ .‬חוק בר‪-‬למברט מתאר את‬
‫היחלשות קרן הסטוקס ‪ I S 0  -‬בעוברה דרך החומר מרחק ‪ Z‬עם מקדם ההגברה ‪:g‬‬
‫‪I s ( Z )  I S 0 e g s Z‬‬
‫‪2‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫ההפרש בין עוצמת הקרן הנכנסת ליוצאת ניתן לביטוי ‪ . I S  I S ( Z )  I S 0   I S 0  e g s Z  1‬כאשר‬
‫הקרניים אינן ברוויה ניתן להניח ‪ g S Z  1‬וכך ניתן לבצע את הקירוב ‪ . I S  I S 0 g S Z‬מספר הפוטונים‬
‫שהתווספו‬
‫בתהליך ‪ n -‬שווה לעל יה ביחס שבין עוצמת קרן הסטוקס והאנרגיה של פוטונים אלו ולכן‬
‫‪I S AS T‬‬
‫‪ S‬‬
‫‪ , n ‬כאשר ‪ AS‬הינו שטח החתך של הקרניים‪ ,‬ו‪ T-‬משך הזמן שהקרניים באינטרקציה‪ .‬מכוון שכל‬
‫פוטון שנותר בתהליך מעיד על עירור שהתבצע מתקיים השוויון ‪ , n  N e‬כאשר ‪ N e‬הינו כמות המולקולות‬
‫שעברו את התהליך מקדם ההגברה של סטוקס ניתן על ידי המשוואה‪:‬‬
‫*‪16k s‬‬
‫‪ '' I p‬‬
‫‪cns2 n p‬‬
‫‪3‬‬
‫‪gs  ‬‬
‫‪ s ns‬‬
‫כאשר ‪ ns , n p‬מקדמי השבירה של קרני השאיבה והסטוקס בהתאמה‪ ,‬גודל וקטור הגל של קרן הסטוקס‪:‬‬
‫‪c‬‬
‫עוצמת קרן השאיבה ‪ , I p‬מספר קבועים פיזיקלי ים והחלק המדומה של הסוספטביליות הלא ליניארית מסדר שלישי‬
‫‪, k s* ‬‬
‫באורך הגל של קרן הסטוקס‪ ,‬אותו ניתן לבטא‪:‬‬
‫‪d‬‬
‫‪‬‬
‫‪Nc 4 ‬‬
‫‪  6  NR‬‬
‫‪d‬‬
‫‪4 s4   res   p   s   i ‬‬
‫‪2‬‬
‫‪‬‬
‫‪ ' ' ( s ) ‬‬
‫‪4‬‬
‫כאשר‬
‫‪d‬‬
‫‪ d‬הינו חתך הפעולה הדיפרנציאלי לפיזור רמאן‪-  ,‬רוחב מלא בחצי הגובה )‪ (FWHM‬של קו‬
‫רמאן ספונטני‪  ,‬הינו הפרש האכלוס בין הרמה העליונה והתחתונה‪ N ,‬הינו מספר הצפיפות המולקולרי‪ ,‬הפרש‬
‫האנרגיות שבין הקרניים ומרחקן מתדר הרזוננס הינו‪  NR ,  res   P   S :‬הינו מקדם הסוספטביליות שלא‬
‫ברזוננס‪ .‬על ידי הצבה של משוואה ‪ 5‬במשוואה ‪ 4‬ואת תוצאתן בפיתוח של חוק בר‪-‬למברט ניתן לקבל את משוואה ‪5‬‬
‫שמראה את הקשרים בין הגדלים הפיזיקליים‪ ,‬קבועי המערכת וכמות במולקולות שעוברות תהליך רמאן מאולץ‪.‬‬
‫ביטוי הקושר את כמות המולקולות שעוברות תהליך רמאן לפרמטרי המערכת הינו‪:‬‬
‫‪9,8‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪8 2 Nc 2  d ‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪N e  2‬‬
‫‪I‬‬
‫‪I‬‬
‫‪ZA‬‬
‫‪t‬‬
‫‪0‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪P‬‬
‫‪S‬‬
‫‪S‬‬
‫‪ h n n  4  d          2   2 4 ‬‬
‫‪S ‬‬
‫‪P‬‬
‫‪S‬‬
‫‪res‬‬
‫‪Change‬‬
‫‪V‬‬
‫‪ I‬‬
‫‪PS‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪L‬‬
‫‪Scatter‬‬
‫‪cons tan ts‬‬
‫‪5‬‬
‫משוואה זו מושגת על ידי פיתוח של חוק בר‪-‬למברט עם מקדם ההגברה של סטוקס‪ ,‬היא מוצגת כאן בחלקיה‬
‫העיקריים‪-L :‬הרחבת קו הומוגנית‪-V ,‬הנפח בו הפעולה מתבצעת‪-I ,‬עוצמות הקרינה במערכת‪-Scatter ,‬חתך הפעולה‬
‫הדיפרנציאלי לפיזור ו‪-Constants‬שהנם קבועים פיזיקליים או קבועים הקשורים במערכת כל אלו מובילים לגודל‬
‫השינוי בכמות המולקולות שיעברו את התהליך ומסומן כ‪. N e -‬‬
‫פעילות רמאן הינה המידה בה כל אחת מהויברציות במולקולה תבוא לידי ביטוי‪ ,‬הגודל אותו אנו נמדוד הינו‬
‫עוצמת רמאן התלויה בעיקר בטמפרטורה בה נמצאת המולקולה אך גם באורך הגל השואב ‪  P‬וכן בתדר הויברציה‬
‫שהינו ההפרש בין אורך הגל של הקרן השואבת לקרן הסטוקס ‪ .  S‬יחסים אלו משמשים כמקדמים הקושרים בין‬
‫‪6‬‬
‫עוצמת רמאן המחושבת לפעילות רמאן הנמדדת‪ ,‬ונתונים על ידי הנוסחה‪:‬‬
‫‪  ‬‬
‫‪4‬‬
‫‪p‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪ 1  exp  hc‬‬
‫‪‬‬
‫‪k‬‬
‫‪T‬‬
‫‪B ‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪I i  fS i‬‬
‫)‪( 6‬‬
‫כאשר ‪ I i‬הינה עוצמת רמאן שנמצאה לויברציה ה‪ S i ,i‬פעילות רמאן שחושבה לויברציה ‪  ,i‬הינו‬
‫ההפרש באורכי הגל בין הקרן השואבת לקרן הסטוקס‪ f .‬הינו גורם נרמול בו נעשה שימוש בהצגה‪.‬‬
‫מציאת תדרי ויברציה מולקולריים‬
‫שיטת ה‪ ILSRS-‬מאפשרת מדידת ספקטרומי רמאן )עצמת קווים כנגד תדרי ויברציה( של מולקולות בפאזה‬
‫הגזית‪ .‬השיטה מנצלת יינון דו פוטוני מוגבר תהודה ב‪ UV-‬באורך גל המתאים למעבר מרמת היסוד האלקטרונית לרמה‬
‫מעוררת ויינון של קונפורמר נבחר של המולקולה‪ ,‬סכמה של שיטת ה‪ ILSRS-‬מוצגת באיור ‪ .1‬סריקה רציפה של‬
‫ההפרש באורכי הגל בין שתי קרני לייזר ב‪ :VIS-‬קרן שואבת באורך גל קבוע‪ ,‬מסומנת ב‪ ,  P -‬וקרן הסטוקס סורקת‬
‫באורך גל גבוה יותר‪ ,‬מסומנת ב‪ .  S -‬הפרש אורכי הגל מתאים לעיתים לאנרגיה של מעבר בין רמות ויברציה‬
‫)באותה רמת אנרגיה אלקטרונית( דבר שיוריד את האוכלוסיה ברמה הויברציונית היסודית ולכן אורך הגל של קרן‬
‫ה‪ UV‬לא יתאים לביצוע ‪ ,R2PI‬דבר זה יוריד את כמות האוכלוסייה שניתן ליינן ולכן יוביל להחסרת יונים‪.‬‬
‫איור ‪ 1‬הצגה סכמטית של שיטת ה‪ :ILSRS-‬עירור רמאן מאולץ בו הפרש האנרגיה בין שתי קרני ה לייזר תואם להפרש האנרגיה בין‬
‫רמות ויברציה במולקולה‪ .‬ערור זה מוריד מהאוכלוסיה של רמת היסוד הויברציונית שיכולה לעבור יינון ‪ .R2PI‬מימין מוצגת הירידה‬
‫בעוצמת המדידה כאשר הפרש האנרגיות תואם למעבר ויברציוני‪.‬‬
‫‪ 1.3‬מולקולת ‪-2‬פנילאתנול ‪2-Phenylethanol‬‬
‫מולקולת ‪ PEAL‬הינה מולקולת דוגמה ביולוגית שמשמשת לבחינת שיטות ספקטרוסקופיות וחישוביות שונות‬
‫כאבן דרך ליישומן על מולקולות גדולות ומורכבות יותר‪ .1‬המולקולה כוללת טבעת בנזן עם "זנב" שבקצהו קבוצת‬
‫‪ OH‬שיכולה להימצא במגוון כיוונים במרחב‪ .‬למולקולה ‪ 51‬ויברציות יסודיות‪ ,‬מכוון שהקונפורמרים שונים מעט זה‬
‫מזה תדרי הויברציה וקווי הבליעה המייצגים אותן תנועות של המולקולה עוברים הסחה במידה שונה בגלל הבדלים‬
‫בפוטנציאל בסביבתן‪ ,‬דבר שמאפשר לנו להבחין בין הקונפורמרים השונים‪.‬‬
‫על ידי חישובים קוונטיים ניתן למצוא את הכיוונים המרחביים והאנרגיה של מבנים אלו‪ ,‬כאשר ברור‬
‫שהמבנים היציבים יותר הם המסתברים ביותר להמצא בקרן המולקולרית‪ .‬החישובים הקוונטיים מאפשרים גם לחשב‬
‫את התדירויות האנהרמוניות של הויברציות המולקולריות במבנים השונים ואת פעילויות הרמאן שלהם‪ .‬חישובים‬
‫תיאורטיים נעשו ברמות שונות של תיאוריה‪ ,‬בבסיסית ופונקציונלים שונים‪ ,‬בעוד שהמבנים שנבחנו דומים ויזואלית זה‬
‫לזה האנרגיות שחושבו לכל קונפורמר שונות‪ .‬עבודה משמעותי נעשתה על ידי ניוסר )‪(Neusser‬‬
‫‪10‬‬
‫אשר חישב בבסיס‬
‫‪ , cc - pVDZ‬ניוסר מציין כי בחישובים בסט בסיסים רחב ביותר מצא שקונפורמר ‪ 5‬נמוך מקונפורמר ‪ 4‬ב– ‪0.6‬‬
‫‪ kJ/mol‬בניגוד לתוצאות המפורטות אותן הציג במאמרו ומוצגות בטבלה ‪ .1‬סימונס )‪(Simons‬‬
‫‪11‬‬
‫השתמש בחישוב‬
‫ברמת )‪ ,B3LYP/6-311G(d,p‬מאמר מאת בראון )‪ 12(Brown‬מדווח על חישוב בבסיס )‪B3LYP/6311++G(d,p‬‬
‫בבסיס רחב זה גם בראון מצא כי קונפורמר ‪ 5‬בעל אנרגיה נמוכה משל קונפורמר ‪.4‬‬
‫מיקאמי )‪ 13(Mikami‬ובעקבותיו סימונס‪ 14‬טענו כי לא נצפים כל חמשת המבנים אלא רק שניים מהם‪ ,‬לצורך‬
‫כך השתמשו בשיטת‬
‫)‪ laser-induced fluorescence (LIF‬ובשיטת ‪UV Holeburning spectroscopy‬‬
‫)בהתאמה(‪ .‬מבנים אלו הנם בעלי האנרגיה הנמוכה ביותר שחושבה בכל קבוצת מבנים‪ .‬הסיבה לכך שלא ניתן להבחין‬
‫בין הקונפורמרים השונים בכל קבוצה היא שמחסום רמות האנרגיה בין הקונפורמרים בכל אחת מהקבוצות קטן‬
‫מהאנרגיה התרמית במערכת ולכן סטטיסטיקת בולצמן תאפשר מעבר בין הקונפורמרים בקבוצה ותגרום לכך שמרבית‬
‫המולקולות תהינה במצב האנרגטי הנמוך ביותר בקבוצתה‪.‬‬
‫‪ .2‬מערכת ומהלך הניסוי‬
‫‪ 2.1‬מבנה המערכת הניסויית‬
‫‪ .1‬המערכת האלקטרואופטית‪:‬‬
‫המערכת האלקטרואופטית מתוארת באיור ‪ ,2‬מטרתה להביא את שלושת קרני הלייזר כך שתתמקדנה בסילון‬
‫הגז‪ .‬הקרניים בהן נעשה שימוש בתהליך ה‪ SRS-‬התקבלו מלייזר ‪ Nd:YAG‬מוכפל ששאב לייזר צבע ‪ ND6000‬של‬
‫חברת ‪ .Continuum‬ההרמוניה השנייה של לייזר ה‪ Nd:YAG‬פוצלה על ידי מפצל קרניים ‪ ,Beam Splitter‬כך ש‬
‫‪ 20 %‬של עצמת הקרן שימשו כקרן השואבת בעלת אורך הגל הקבוע‪ ,‬שאר ‪ 80 %‬שאבו לייזר צבע‪ ,‬אשר סיפק את‬
‫קרן הסטוקס‪ ,‬נעשה שימוש בתמהיל של רודמין )‪ (Rhodamine 6G‬בריכוז התחלתי של ‪ 120‬מ"ג לליטר מתנול‪.‬‬
‫הקרן ששימשה ל‪ R2PI-‬נוצרה על ידי לייזר צבע ‪ FL3002‬של ‪ Lambda-Physik‬שנשאב ע"י לייזר ‪Nd:YAG‬‬
‫נוסף‪ .‬במקרה זה ההרמוניה השלישית של לייזר ה‪ Nd:YAG-‬שואבת תמהיל של קומרין )‪(Coumarine 540A‬‬
‫בריכוז של ‪ 1000‬מ"ג לליטר מתנול‪ .‬ע"י הכפלת תדר של קרן לייזר הצבע מתאפשרת קבלת קרן לייזר באורך גל‬
‫נסרק ב‪ UV-‬באזור של ‪ .265 nm‬נתוני המדידה הועברו דרך שני מגברים אל אוסצילוסקופ דיגיטלי‪LeCroy 9374 ,‬‬
‫‪ .‬האות הועבר לממצע אנלוגי לדגימה ואח"כ למתאם ‪ Analog to Digital‬לדגימת המידע והעברתו למחשב ‪.PC‬‬
‫קרן ה‪ UV-‬וקרן השאיבה מועברות בנפרד דרך טלסקופ קפלרי וטלסקופ גליליי )בהתאמה( שמשמש‬
‫להרחבתן כך שלא יגרמו לרוויה במדידה‪ .‬עדשות מרכזות מוצבות בכניסה לספקטרומטר מסות זמן תעופה ‪Time Of‬‬
‫)‪ Flight Mass Spectrometer (TOFMS‬וממקדות את קרני הלייזר בסילון הגז‪ .‬הכוונת קרני הלייזר נעשית על ידי‬
‫פריזמות )מסומנות באיור כמשולשים( ומראות דיכרואיות )מסומנות באיור כ‪ ,(DM-‬החלשת עוצמת קרן הסטוקס וקרן‬
‫ה‪ UV-‬בוצעה באמצעות מקטבים )מסומנים כ‪.(PZ-‬‬
‫איור ‪ 2‬המערכת האופטית כוללת שלוש קרני לייזר‪ ,‬לייזר ה‪ UV-‬המתכוונן המאפשר את יינון המולקולות‪ ,‬הקרן השואבת באורך גל‬
‫קבוע של ‪ 532nm‬וקרן הסטוקס סורקת תחום תדרים‪ .‬נתוני המדידה מועברים דרך שני מגברים לאוסילוסקופ ‪ ,LeCroy 9374‬לממצע‬
‫אנלוגי ואחר כך מומר על ידי מתאם ‪ Analog to Digital‬ומועבר לשמירה במחשב ‪ .PC‬קרן ה‪ UV-‬וקרן השאיבה מורחבות על ידי‬
‫טלסקופ קפלרי וטלסקופ גליליי )בהתאמה(‪ .‬הכוונת הקרניים נעשית על ידי פריזמות ומראות דיכרואיות‪.‬‬
‫כדי לבצע את המדידות על שלוש הקרניים להגיע לאותו מיקום בסילון הגז‪ ,‬כאשר הקרן השואבת וקרן‬
‫הסטוקס מגיעות בו זמנית וקרן ה‪ UV-‬מגיעה זמן קצר מאד לאחר מכן‪ .‬תזמון המכשירים )לייזרים‪TOFMS ,‬‬
‫ואוסצילוסקופ( בוצע על ידי פולסים שהתקבלו ממחוללי השהיות‪ .‬כיוון המערכת האופטית כולל כיוון של קרן ה‪UV-‬‬
‫ושל קרני ה‪ SRS-‬ביחס לספסל האופטי ול‪ .TOFMS-‬לאחר כיוון זה נקבע לחץ העבודה במערכת כך שספקטרום‬
‫‪ R2PI‬לא יהיה ברוויה ויתקבל יחס אות לרעש גבוה‪ .‬עוצמת הקרן הסטוקס וקרן ה‪ UV-‬הונחתו באמצעות מקטבים‬
‫כדי שלא ליצור רוויה‪ ,‬אשר לא תאפשר להבחין בין עוצמות יחסיות שבין קווי רמאן השונים‪.‬‬
‫‪ .2‬מערכת ‪TOFMS‬‬
‫בניסוי השתמשנו בספקטרומטר מסוג זמן מעוף ‪ TOFMS‬מדגם ‪ Wiley-McLaren‬שנבנה בקבוצתנו ומוצג‬
‫באיור ‪ .3‬על ידי כיוון המתחים על האופטיקה האלקטרוסטטית שכוללת‪ Deflectors ,Einzel lens :‬וכן‬
‫‪ Acceleration plates‬גרמנו לכך שפרופיל ההגעה של היונים המולקולריים אל גלאי יונים ‪Microsphere Plate‬‬
‫)‪ (MSP‬ייצור ערך מדידה מקסימלי באוסילוסקופ‪ .‬במהלך המדידות הלחץ האפקטיבי באזור המדידה נקבע סביב ל ‪6 x‬‬
‫‪ 10-6 Torr-‬לחץ העבודה נבחר כך שמאפייני הספקטרום יראו בצורה החדה ביותר‪.‬‬
‫איור ‪ 3‬סכמה של מערכת ‪ TOFMS‬מסוג ‪ Wiley-McLaren‬בה נעשה שימוש בניסוי‪ .‬סילון הגז עובר יינון ע"י קרן ה‪ UV-‬והיונים‬
‫‪4‬‬
‫מואצים על ידי הפרשי מתח בכיוון גלאי ה‪ .MSP-‬המערכת כולה נשאבת‪ ,‬כך שסילון הגז יהיה בטמפרטורה רוטציונית נמוכה‪.‬‬
‫עקרון פעולת ה‪ TOFMS‬הוא כך שהסילון המולקולרי מוזרק לתא היינון במהירות‪ ,‬קרני הלייזר דוגמות אותו‬
‫וכאשר לא מתרחש עירור ויברציוני לייזר ה‪ UV-‬מבצע תהליך ‪ R2PI‬שגורם ליינון המולקולה‪ .‬המתח על פלטת‬
‫ההאצה גורם ליונים אלו לנוע בכיוון גלאי ה‪ ,MSP-‬הקרן היונית "מפוקסת" על ידי ה‪ Deflectors-‬וה‪.Einzel lens-‬‬
‫מכיו ון שההאצה נוצרת בגלל השדה החשמלי שבספקטרומטר‪ ,‬האנרגיה הקינטית של היונים המולקולריים תלויה רק‬
‫במטענם ובשדות החשמליים של האקסטרטור )‪ (ex‬ופלטת ההאצה)‪ . U  qd ex Eex  qd ac Eac :(ac‬מקינמטיקה‬
‫‪2U‬‬
‫‪1‬‬
‫פשוטה ניתן לראות שזמן המעוף למרחק קבוע‬
‫~ ‪ t‬והפרופורציה בין המהירות לאנרגיה הינו‬
‫‪m‬‬
‫‪V‬‬
‫זו נקבל שתלות זמן המעוף במסה הינו‬
‫‪ V ‬מהצבה‬
‫‪m‬‬
‫‪q‬‬
‫‪m‬‬
‫~‬
‫‪2U‬‬
‫~‪t‬‬
‫‪6‬‬
‫מולקולת ‪ PEAL‬נמצאת במצב צבירה נוזלי בטמפרטורת החדר‪ ,‬על ידי חימום לטמפרטורה של ‪35 oC‬‬
‫העלינו את לחץ האדים של הדגימה‪ .‬גז ארגון בלחץ של כ‪ 4.5) 3400 Torr-‬אטמוספרות( הוזרם מצינור חיצוני כך‬
‫שסחף את האדים לתוך ה‪ ,TOFMS-‬הפרש הלחצים הגדול בין החוץ לפנים מערכת ה‪ TOFMS-‬והשימוש בברז‬
‫פולסי עם חריר מאוד קטן )‪ (0.08 cm‬גרם להתפשטות ולקירור אדיאבטי של הגז הנדגם‪.‬‬
‫‪ .3‬מערכת מדידת הנתונים‪.‬‬
‫נתוני המדידה הועברו מה‪ TOFMS-‬אל אוסילוסקופ דיגיטלי‪ .‬האוסילוסקופ מבצע מיצוע של ‪ 30‬המדידות‬
‫האחרונות ואינטגרציה על עוצמת האות הנמדדת בנקודת הזמן שתואמת להגעת היון המולקולרי לגלאי ה ‪ .MSP-‬מידע‬
‫זה נאסף ונשמר‪ .‬לאחר מכן מתבצע מיצוע של מספר סריקות‪ ,‬והחלקה של ‪ 50‬נקודות מדידה במדידות הספקטרא‬
‫הויברציוניות והחלקה של ‪ 20‬נקודות בספקטרום ה‪ .R2PI-‬ערכים מספריים אלו מייצגים סכימה של המתח בסקופ‬
‫בפרק זמן מסוים הנקבע על פי רוחב ה‪gate-‬‬
‫בממצע האנלוגי ‪ .boxcar-‬המתח פרופורציוני לכמות היונים‬
‫המולקולריים שפוגעים ב‪.MSP-‬‬
‫‪ .4‬תוכנת ‪Gaussian03‬‬
‫תוכנת ‪ Gaussian0315‬משמשת לחישוב האנרגיה של הקונפורמרים היציבים ביותר כמו גם של התדירויות‬
‫האנהרמוניות ושל פעילות הרמאן של אופני התנודה‪ .‬יצרנו בתוכנת ‪ Avogadro‬ייצוג למבנה המולקולה כפי שזה מוצג‬
‫במאמר של סימונס‪,‬‬
‫‪14‬‬
‫שם בוצעה אופטימיזציה של שדה הכח המולקולרי‪ .‬תוצאת חישוב זה הועברה לתוכנת‬
‫‪ Gaussian03‬ועליו בוצעו חישובי ‪ DFT‬עם הפונקציונל ‪ B3LYP‬ובסיס )‪ 6-311+G(d,p‬שלבי העיבוד שבוצעו הם‬
‫כדלהלן‪:‬‬
‫‪ .1‬אופטימיזציה גיאומטרית בה התוכנה מבצעת אופטימיזציה גיאומטרית ומינימיזציה של האנרגיה עבור מבנים שונים‬
‫של המולקולה‪.‬‬
‫‪ .2‬חישוב של תדרי ויברציה בקירוב הרמוני‪ ,‬פעילות ברמאן וב‪ ,IR-‬חישוב תיקון אנרגית נקודת אפס ‪Zero Point -‬‬
‫)‪.correction (ZPC‬‬
‫‪ .3‬חישוב אנהרמוני ממנו הוצאו תיקונים נדרשים לקירוב התנודות כאוסצילטור הרמוני שנעשה בחישובי הויברציות‬
‫מידת הדיוק בתדירות הויברציה בשיטת ‪ B3LYP‬בבסיס בו השתמשנו עם קירוב אנהרמוני הינו כ– ‪ 7 cm-1‬מבחינת‬
‫מיקום הקווים‪.‬‬
‫‪16‬‬
‫נוסף על כך בוצע חישוב ‪ Second order Møller–Plesset (MP2)-‬למציאת אנרגית רמת היסוד הויברונית ותיקון‬
‫‪ .ZPE‬בעוד שבמאמרים שנסקרו בעבודה היו התייחסויות לבסיסים ולפונקצונלים איתם עבדו החוקרים‪ ,‬לא הייתה‬
‫התייחסות לגודל מטריצת החישוב‪ ,‬ה‪ ,grid-‬עימו עבדו‪ .‬אנו הגדרנו את המאפיינים ‪ int=ultrafine‬וכן ‪,opt=tight‬‬
‫הפקודה ‪ ultrafine‬מגדירה הגדלה של כ‪ 30 %-‬בכמות נקודות ה‪ grid-‬בחישוב‪ ,‬הפקודה ‪ tight‬מגדירה כי הערכים‬
‫המקסימליים של פרמטרי ההתכנסות קטנים בסדר גודל מאלו של ברירת המחדל‪ .‬דרישות אלה משמעותיות במיוחד‬
‫בעת חישוב תדרי ויברציה נמוכים‪ ,‬כאשר לא נ עשה באפשרויות אלה שימוש חלק מהחישובים האנהרמוניים התכנסו‬
‫כאשר התדר המחושב הנמוך ביותר התקבל שלילי‪ .‬מכוון שדרישת ההתכנסות נמוכה יותר וכן המרווח בין צעדי‬
‫האינטגרציה נעשה עדין יותר נוכל להתקרב יותר לנקודה בה תתקבל אנרגית המינימום של כל קונפורמר בה אנו‬
‫מעוניינים‪.‬‬
‫‪ 2.2‬מהלך הניסוי‬
‫לאחר כיוון הקרניים דרך הרכיבים האופטיים בוצעה מדידת ספקטרום ‪ R2PI‬בשלב זה נעשה שימוש בלייזר‬
‫ה‪ UV-‬בלבד למציאת אורכי הגל בהם ניתן להגיע ליינון מוגבר בצבע יחיד‪ .‬כאשר אורך הגל תאם ליינון ‪ R2PI‬נוצרה‬
‫עליה בכמות היונים המולקולריים של קונפורמר מסוים שהגיעו אל ה ‪ ,MSP -‬עליות אלו סומנו כמאפיינים‬
‫הספקטרליים ‪ A-E‬ממספר הגל הנמוך לגבוה‪.‬‬
‫לאחר מציאת אורכי הגל שתואמים לעליה בכמות היונים‪ ,‬ננעל לייזר ה‪ UV-‬על אחד המאפיינים הספקטרליים‬
‫ובוצעה סריקה בלייזר ה‪ SRS-‬של קרן הסטוקס‪ ,‬כך שאורך הגל שלה נע בתחום ‪ 560 – 564 nm‬בעוד שהקרן‬
‫השואבת נותרה באורך גל קבוע של ‪ ,532 nm‬הפרש מספר הגל שבין קרן סטוקס לקרן השואבת נע בתחום של‬
‫‪ ,940-1060 cm-1‬בתחום זה צפינו במספר אורכי גל התואמים לעירור רמאן של אופני תנודה שונים‪.‬‬
‫‪ 2.3‬תוצאות ועיבודן‬
‫באיור ‪ 4‬מוצגים המבנים של קבוצות הקונפורמרים ‪ Gauche‬ו‪ Anti-‬לאחר שעברו אופטימיזציה גיאומטרית בתוכנת‬
‫‪ ,Gaussian03‬מבנים אלו מייצגים את חמשת הקונפורמרים שחושבו כבעלי אנרגיות הבסיס הנמוכות ביותר‪ ,‬מתחת‬
‫לכל מבנה מוצגים הסימון המספרי על פי ניוסר‪,‬‬
‫‪10‬‬
‫‪11‬‬
‫סימון באותיות על פי סימונס‬
‫האות הראשונה מציינת את זווית‬
‫‪) CCCO‬אטום הפחמן אליו מחובר ה"זנב"‪ ,‬שני אטומי הפחמן ב"זנב" ואטום החמצן( והאות השנייה את זווית‬
‫‪) CCOH‬שני אטומי הפחמן ב"זנב" וקבוצת החמצן והמימן(‪ ,‬וכן ההפרש באנרגיה ביחס לקונפורמר בעל האנרגיה‬
‫הנמוכה ביותר כפי שחושבה על ידינו‪.‬‬
‫איור ‪ 4‬הצגה זו מתבססת על תוצאת האופטימיזציה הגיאומטרית‪ .‬באפור כהה מוצגים אטומי הפחמן‪ ,‬באפור בהיר אטומי המימן‬
‫ובאדום אטום החמצן‪ .‬המולקולה מורכבת מטבעת בנזן וזנב פונקציונלי בו קבוצת ה‪ OH‬מופיעה בכיוונים שונים במרחב‪ .‬ישנה חלוקה‬
‫בין קבוצת ‪) Gauche‬בחלק העליון של האיור( לקבוצת ה‪ Anti‬בחלק התחתון‪ .‬המיספור לפי הסימון של ניוסר‬
‫סימונס‪ 11.‬מוצגות תוצאות חישובי האנרגיה שביצענו בשיטת ‪.MP2‬‬
‫‪10‬‬
‫וסימון אותיות לפי‬
‫איור ‪ 5‬מראה את ספקטרום ה‪ R2PI-‬של ‪ ,PEAL‬ומתאים לכמות היונים שנוצרה כפונקציה של אורך הגל‬
‫של לייזר ה‪ UV -‬הנסרק‪ .‬ניתן לראות את המאפיינים הספקטרליים השונים‪ ,‬קל לראות שהעלייה הגדולה ביותר בכמות‬
‫היונים שנמדדה הינה במאפיין הספקטרלי ‪ .A‬הריווח בין המאפיינים השונים מאפשר לנו סלקטיביות בבחירת המאפיין‬
‫אותו אנו רוצים לבחון‪.‬‬
‫איור ‪ 5‬ספקטרום ‪ R2PI‬של ‪ PEAL‬לאחר מיצוע של חמש מדידות והחלקה על ‪ 20‬נקודות מדידה‪ .‬המאפיינים הספקטרליים ‪A-E‬‬
‫מסומנים בסמוך לעליה בכמות היונים‪ .‬מאפיינים אלו נוצרים כאשר פוטון ה‪ UV‬הראשון בעל אורך גל התואם למעבר אל רמה‬
‫ויברונית מעוררת‪.‬‬
‫באיור ‪ 6‬ואיור ‪ 7‬מוצגות השוואות של קטעי ספקטרא ‪ ILSRS‬מדודים לספקטרא המחושבים בחישובים‬
‫הקוונטיים‪ ,‬עבור שני הקונפורמרים בעלי האנרגיה הנמוכה ביותר‪ 2 :‬ו‪ .5-‬מהחישוב ההרמוני בתוכנת ה‪Gaussian03-‬‬
‫קיבלנו את פעילות רמאן‪ ,‬באמצעות משוואה ‪ 6‬חישבנו את עוצמת רמאן של הויברציות שמתבטאות בתחום אותו‬
‫סרקנו‪ .‬מיקום קווים אלו שונה בהתאם לתוצאות החישוב האנהרמוני‪.‬‬
‫איור ‪ 6‬השוואת קטע של ספקטרום ה‪ ILSRS-‬לספקטרום רמאן מחושב מחישובים קוונטיים עבור המאפיין הספקטרלי ‪) A‬קונפורמר‬
‫‪ .(2‬בחלק העליון של הגרף מוצגות התוצאות הניסיוניות ובחלק התחתון דיאגרמת מקלות של הסימולציה בתוכנת ‪.Gaussian03‬‬
‫מוצגות ויברציות יסוד )אדום( ואוברטונים )ירוק(‪.‬‬
‫איור ‪ 7‬השוואת קטע של ספקטרום ה‪ ILSRS-‬לספקטרום רמאן מחושב מחישובים קוונטיים עבור המאפיין הספקטרלי ‪) C‬קונפורמר‬
‫‪ . (5‬בחלק העליון של הגרף מוצגות התוצאות הניסיוניות ובחלק התחתון דיאגרמת מקלות של הסימולציה בתוכנת ‪.Gaussian03‬‬
‫מוצגות ויברציות יסוד )אדום( ואוברטונים )ירוק(‪.‬‬
‫באיור ‪ 8‬מוצגים הספקטרא שנמדדו למאפיינים הספקטרליים ‪ .A-D‬מאפיינים ‪ B‬ו‪ C-‬נלקחו מתוצאות מדידה‬
‫קודמות שנעשו על ידי איתמר מלכא‪ ,‬מדידת המאפיין הספקטרלי ‪ B‬הורכבה ממיצוע של חמש מדידות לעומת שתיים‬
‫או שלוש מדידות למאפיינים האחרים דבר שגורם לתוצאות המדידה של מאפיין זה להיות חלקות יותר‪ .‬כפי שניתן‬
‫לראות בספקטרום ‪) R2PI‬איור ‪ (6‬המאפיינים הספקטרליים ‪ D‬ו‪ E-‬הנם בעלי אכלוס נמוך ביחס למאפיינים ‪ A,B‬ו‪C-‬‬
‫דבר שחייב שימוש בהגברה אלקטרונית חזקה יותר וגרם להוספת רעשי רקע למערכת המדידה‪ ,‬לא נמדדו קווי ראמן‬
‫למאפיין הספקטרלי ‪ E‬לכן אינו מוצג‪ .‬מיקומי הקווים המוצגים הוזזו בכמה מספרי גל כך שתהיה התאמה בהצגת קטעי‬
‫הספקטרא השונים‪ .‬מידת ההזזה שנעשה הייתה מסדר הגודל של הדיוק במיקום באורך הגל של הלייזר‪.‬‬
‫איור ‪ 8‬ספקטרא ‪ILSRS‬של ‪ PEAL‬המתאימים למאפיינים הספקטרליים ‪ E-A‬בספקטרום ה‪ .R2PI-‬מבט על תחום רחב של‬
‫ויברציות מולקולריות מאפשר לנו לראות את הבדלי המיקום והעוצמה שבין המאפיינים הספקטרליים השונים‪ .‬השוואה זו תומכת בכך‬
‫שהמאפיינים ‪ A‬ו‪ B-‬וכן המאפיינים ‪ C‬ו‪ D-‬נוצרים מאותם קונפורמרים‪.‬‬
‫‪ .3‬דיון בתוצאות ומסקנות‬
‫מתוך ספקטרום ה‪) R2PI-‬איור ‪ (4‬ניתן להבחין בברור בהבדל בין המאפיינים הספקטרליים ‪ ,A-D‬כיוון‬
‫שניתן להתמקד במאפיין בודד באמצעות לייזר ה‪ UV-‬ישנה סלקטיביות באמצעותה אנו יכולים לבחון כל קונפורמר‬
‫בנפרד‪.‬‬
‫באיור ‪ 6‬ובאיור ‪ 7‬ניתן להבחין בהתאמה מסוימת של החישובים הקוונטיים שבוצעו בתוכנת ‪Gaussian03‬‬
‫לספקטרום הנמדד‪ .‬באיור ‪ 8‬ניתן לראות התאמה טובה בין הספקטרא שנמדדו למאפיינים הספקטרליים ‪ A‬ו‪ B-‬ובנפרד‬
‫מהם‪ ,‬הספקטרא שנמדדו למאפיינים הספקטרליים ‪ C‬ו‪ .D-‬ההבדלים ברורים במיוחד בקווי רמאן שב‪ 945 cm-1-‬אשר‬
‫מופיע רק במאפיינים ‪ A‬ו‪ B-‬וקו רמאן שב‪ 1000 cm-1-‬אשר מופיע רק במאפיינים ‪ C‬ו‪.D-‬‬
‫‪ 3.1‬יצירת הקישור בין המאפיינים הספקטרליים ‪ A‬ו‪ C-‬לקונפורמרים ‪ 2‬ו‪.5-‬‬
‫מאיור ‪ 8‬ניתן להבחין בברור בקיומם של שני קונפורמרים שונים אשר מתבטאים בשני קטעי ספקטרא‬
‫‪ ILSRS‬נפרדים‪ .‬על פי החישובים הקוונטיים שביצענו בתוכנת ‪ Gaussian03‬מצאנו כי לקונפורמר ‪ 2‬האנרגיה‬
‫הנמוכה ביותר ולכן נצפה שזה יהיה בעל האכלוס הגדול ביותר – התואם למאפיין ‪ .A‬ניתן להבחין בדמיון רב בין‬
‫הספקטרא של המאפיינים ‪ A‬ו‪ ,B-‬דבר המוביל אותנו למסקנה כי שני המאפיינים נוצרים מאותו קונפורמר‪ .‬תוצאה זו‬
‫מתאימה לתוצאות שהתקבלו בספקטרוספיה ברזולוציה גבוהה שנעשתה ביינון בשני צבעים‪.‬‬
‫‪13,14‬‬
‫על סמך חלוקת‬
‫הקונפורמרים ל‪ Anti-‬ול‪ Gauche-‬וכן בהתאם למיפוי האנרגיות לזוויות סיבוב שונות שנעשה על ידי ניוסר‪ 13‬נצפה כי‬
‫במאפיין הספקטרלי ‪ A‬יתבטאו הקונפורמרים מקבוצת ‪ Gauche‬בו הקונפורמר שנצפה שיהיה המאוכלס ביותר הינו‬
‫קונפורמר ‪.2‬‬
‫ניתן להבחין גם שהספקטרא של המאפיינים הספקטרליים ‪ C‬ו‪ D-‬בעלי מאפיינים דומים‪ ,‬דבר המוביל אותנו‬
‫למסקנה כי שני מאפיינים אלה נוצרים על ידי אותו קונפורמר‪ .‬זיהוי מאפיינים אלו מסתמך על התאמות של קבועי‬
‫‪14,13‬‬
‫הרוטציה ומומנטי המעבר‪,‬‬
‫תחומים אלו נמצאו מתאימים לקונפורמרים מקבוצת ‪ Anti‬בו הקונפורמר שנצפה‬
‫שיהיה המאוכלס ביותרהינו קונפורמר ‪ .5‬בטבלה ‪ 1‬ניתן להבחין בהבדל משמעותי בין תוצאות רמת האנרגיה‬
‫המולקולרית שמצאנו ואלו שנמצאו על ידי סימונס ואחרים‪ .‬לדעתנו הבדלים אלו נוצרים בעיקר מכוון שכאשר ביצענו‬
‫את החישובים הוגדרו לתוכנת ‪ Gaussian03‬מילות המפתח ‪ tight‬וכן ‪ ultrafine‬אשר מאפשרות לתוכנה לבצע‬
‫שינויים עדינים יותר מהמוגדר בברירת המחדל של התוכנה בין איטרציה אחת לבאה וכן לדרוש התכנסות של שדה‬
‫הכוח לערך גבולי נמוך יותר‪ .‬ניתן להבחין שבהשוואה לאנרגיות המחושבות שנסקרו במחקרים נוספים אנו קיבלנו את‬
‫האנרגיות הנמוכות ביותר דבר התומך בכך שבגלל ההגדרות המיוחדות התקרבנו יותר למבנה האופטימלי‪ .‬בראון מציג‬
‫את אותו סידור אנרגטי בדומה לזה שחישבנו אנו וחישוביו הנם בבסיס הרחב ביותר שבוצעו‪ ,‬סימונס וניוסר מציגים‬
‫ערכים אנרגטיים גבוהים יותר והסדר היחסי באנרגיות שונה מאשר אצלנו‪ ,‬אבל ניוסר מציין כי בחישובים שביצע‬
‫בבסיס גדול מזה שמוצג במאמרו נתקבל סידור אנרגטי הדומה לשלנו )קונפורמר ‪ 5‬יציב יותר מ‪ (4‬השוואת האנרגיות‬
‫המחושבות מוצגות בטבלה ‪ .1‬האנרגיות אותן חישבנו מוצגות לאחר הוספת ה‪.ZPC-‬‬
‫טבלה ‪ 1‬השוואת האנרגיות היחסיות שחשבו במספר בסיסים ופונקציונלים במאמרים של סימונס‪ ,‬ניוסר ובראון‪ .‬החישובים שלנו‪ ,‬של‬
‫בראון ושל סימונס בוצעו בגירסאות שונות של חבילת ה‪ Gaussian‬נחישוביו של ניוסר בוצעו בתוכנה שונה‬
‫‪11‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2‬‬
‫‪3‬‬
‫‪4‬‬
‫‪5‬‬
‫סימונס‬
‫)‪MP2/6311(d,p‬‬
‫‪8.4‬‬
‫‪0‬‬
‫‪8.58‬‬
‫‪7.61‬‬
‫‪8.4‬‬
‫‪10‬‬
‫ניוסר‬
‫‪MP2/cc-pVDZ‬‬
‫‪7.808980363‬‬
‫‪0‬‬
‫‪8.416802742‬‬
‫‪7.772015767‬‬
‫‪9.199279848‬‬
‫‪12‬‬
‫בראון‬
‫)‪6-311++(d,p‬‬
‫‪7.24‬‬
‫‪0‬‬
‫‪9.91‬‬
‫‪6.91‬‬
‫‪6.46‬‬
‫תוצאת חישוב שלנו‬
‫)‪B3LYP/6311+G(d,p) MP2/6311+G(d,p‬‬
‫‪4.794160595‬‬
‫‪5.940715869‬‬
‫‪0‬‬
‫‪0‬‬
‫‪7.333017821‬‬
‫‪8.748161611‬‬
‫‪7.25425286‬‬
‫‪6.409892484‬‬
‫‪2.208044392‬‬
‫‪4.792060196‬‬
‫פעולה חישובית נוספת שביצענו לאחר חישוב האופטימיזציה ותדירויות הויברציה הינה חישוב התדירויות‬
‫האנהרמוניות‪ ,‬בחלק מהתצורות שאותן חישבנו חישובים אלו התכנסו לתדירויות שליליות‪ ,‬דבר המצביע על כך‬
‫שבשלבים מוקדמים דרישת ההתכנסות לא הייתה מספיק קטנה‪ .‬במידה שאותם חוקרים לא המשיכו לשלב זה בעיה זו‬
‫לא הייתה מתגלה‪ .‬במאמרים שנסקרו לא נמצאה התייחסות לביצוע חישובים אלה‪.‬‬
‫‪11‬‬
‫המסקנות אליהן הגענו עולות בקנה אחד עם מאמרו המאוחר של סימונס‪ ,14‬זאת בניגוד למאמר מוקדם שלו‬
‫שם זוהו קונטורות שונות לכל חמשת המאפיינים בספקטרום ה‪ ,R2PI-‬דבר שהוביל אותם למסקנה כי נצפו חמישה‬
‫קונפורמרים שונים‪ ,‬בכך ניתן לראות את היתרון הגדול שבשיטת ה‪ ILSRS-‬אשר מאפשרת מבט רוחב על "התמונה‬
‫הגדולה"‪ ,‬זאת בעוד ששיטות ספקטרוסקופיות שנסמכות רק על התאמת מקדמי רוטציה ומומנטי דיפול מעבר )בדומה‬
‫‪13‬‬
‫למאמר המוקדם של סימונס( מתמקדות בתחום תדרים צר מאד וניתן להתאימן באופן מטעה‪ .‬המאמר של מיקאמי‬
‫מציין כי בעת שימוש בשיטת ‪ LIF‬נצפתה כפילות בין התחומים ‪ A‬ו‪ B-‬בדומה לתוצאות אותן קיבלנו‪ ,‬עם זאת‪ ,‬מיקאמי‬
‫מתאר מאפיין ספקטרלי נוסף אותו הוא מסמן באות ‪ C‬שלא נצפה על ידנו או צוין באף אחד מהמאמרים הנוספים‬
‫שנסקרו בעבודה זו‪.‬‬
‫‪ 3.2‬הצעות לשיפור וניסויים נוספים‬
‫בגלל קוצר הזמן בו ביצעתי את מרבית הניסויים המתוארים כאן לא יכולתי לבצע מיצוע על מספר מדידות רב‬
‫ככל שהייתי רוצה‪ ,‬באיור ‪ 8‬ניתן לראות את ההבדל שיותר מיצוע של ‪ 5‬מדידות לעומת ‪ 2-3‬מדידות בלבד‪ .‬התקנת‬
‫כבלים בעלי רגישות נמוכה לרעשים אלקטרוניים תסייע למניעת רעשי רקע ממכשירים סמוכים במעבדה‪ .‬התקנה של‬
‫מגבר איכותי במהלך העבודה יצרה שינוי משמעותי באיכות המדידה‪.‬‬
‫בעבודה זו נסרק תחום קצר של ‪ 100 cm-1‬בלבד‪ ,‬בעת מדידה של תחומים ארוכים יותר נוצר מצב בו קצב ההתקדמות‬
‫של הלייזר ומערכת המדידה אינם תואמים‪ ,‬מעבר לשליטה ממוחשבת על הלייזרים ומערכת המדידה יספק פתרון לכך‪.‬‬
‫הסימולציה הממוחשבת בוצעה בהנחה שהמולקולה עצמה נמצאת לבדה בפאזה גזית‪ ,‬אולם היא ישנה חשיבות‬
‫גדולה לביצוע חישובים וניסויים אלו בצבירי מים עם המולקולה שכן בגופים ביולוגיים המולקולות ממוסות בעיקר‬
‫במים‪.‬‬
‫‪17,1,10‬‬
‫ ביבליוגרפיה‬.4
1
J. P. Simons, C. R. Chimie 6, 2003, 17-31.
2
W. Demtroder, Atoms, Molecules and Photons, Springer-Verlag, Germany, 2006.
3
E. Smith and G. Dent, Modern Raman Spectroscopy, John Wiley & Sons, England, 2005.
4
N. Mayorkas, M.Sc. Thesis, Ben Gurion University of the Negev, 2008.
5
G. V Hartland, B. F. Henson, V. A. Venturo, R. A. Hertz, and P. M. Felker, J. Opt. Soc. Am. B 7, 1990, 19501959
6
A. Golan, N. Mayorkas, S. Rosenwaks, I. Bar, J Chem. Phys. 131, 2009, 024305 1-6.
7
S. Rosenwaks, Vibrationally Mediated Photodissociation, RCS, England, 2009, 37-38.
8
J.J. Barrett, D.F. Heller, J. Opt. Soc. Am. 71, 1981, 1299-1308.
9
G.A. West, J.J. Barrett, D.R. Siebert and K.V. Reddy, Rev. Sci. Instrum. 54, 1983, 797-817.
10
R. Karaminkov, S. Chervenkov, and H. J. Neusser, J. Phys. Chem. A 112, 2008, 839-848.
11
J. A. Dickinson, M. R. Hockridge, R. T. Kroemer, E. G. Robertson ,J. P. Simons, J. McCombie, and M. Walker, J.
Am. Chem. Soc. 120, 1998, 2622-2632.
12
R. D. Brown and P.D Godfrey, J. Phys. Chem. A 104, 2000, 5742-5746.
13
N. Guchait, T. Ebata, N. Mikami, J. Am. Chem. Soc. 121, 1999, 5705-5711.
14
M. Mons, E. G. Robertson, L. C. Snoek, and J. P. Simons, Chem. Phys. Lett. 310, 1999. 423–432.
15
M. J. Frisch et-al Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2004.
16
P. Carbonniere, T. Lucca, C. Pouchan, N. Rega, and V. Barone, J. Comp. Chem. 26, 2005, 384–388.
17
S. Chervenkov, R. Karaminkov, J. E. Braun, H. J. Neusser, S. S. Panja, and T. Chakraborty, J. Chem. Phys. 124,
2006, 234302 1-11
Fly UP