ןב תטיסרבינוא - בגנב ןוירוג

‫אוניברסיטת בן‪-‬גוריון בנגב‬
‫הצעת תוכנית מחקר ללימודי דוקטורט‬
‫הקשר בין חתימות ספקטרליות וצורותיהן של מולקולות גמישות‬
‫‪The link between spectral signatures and the shape of flexible‬‬
‫‪molecules‬‬
‫מיורקס ניצן‬
‫‪17/11/2009‬‬
‫מנחה‪:‬‬
‫פרופ' אילנה בר‬
‫חתימת המנחה‪_____________________________________:‬‬
‫חתימת יו"ר ועדת מוסמכים מחלקתית‪____________________:‬‬
‫רקע‬
‫מבניהן וצורותיהן של מולקולות גמישות ופעילות ביולוגית משחקים תפקיד חשוב בקביעת‬
‫בררותן ופעילותן‪.‬‬
‫‪1‬‬
‫בייחוד‪ ,‬מבני המולקולות והכוחות הפועלים בינהן ובין שכנותיהן‪ ,‬משפיעים על‬
‫תהליך קישורן למולקולות אחרות ומאפשרים בקרת תהליכי זיהוי מולקולריים במערכות ביולוגיות‪ .‬לכן‪,‬‬
‫חקירת קונפורמרים )‪) (conformers‬מולקולות זהות מבחינת הנוסחה המבנית‪ ,‬אך בעלות צורות שונות‬
‫עקב סבוב אטומים סביב קשר מסוים( של מולקולות פעילות ביולוגית וצביריהן בפאזה גזית הנה בעלת‬
‫חשיבות גדולה ומאפשרת קביעת מבניהם ואפיון האינטראקציות התוך והבין מולקולריות‪ .‬בקרת מבניהם‬
‫של קונפורמרים‪ ,‬נעשית תוך איזון בין אינטראקציות המתרחשות דרך "הקשרים" במולקולה ובין אלו‬
‫שמתרחשות "במרחב"‪ .‬לגורמים אלו תפקיד חשוב בפעילות הביולוגית‪ ,‬החל מהובלה דרך ממברנות‪,‬‬
‫נוירוטרנסמיטרים‪ ,‬אינטראקציות בין תרופה‪-‬לרצפטור וקטליזה של אנזימים‪ .‬לכן‪ ,‬ספקטרוסקופיה של‬
‫ביומולקולות קטנות בפאזה הגזית הפכה להיות בשנים האחרונות כלי חשוב בחקר המבנה והקישור הבין‬
‫אטומי‪ ,‬ולחקר שינויי המבנה בקונפורמרי ביומולקולות‪.‬‬
‫‪3,2‬‬
‫כדוגמא לביומולקולות ניתן להסתכל על החומצות האמיניות‪ ,‬אבני הבניה של מערכות ביולוגיות‬
‫ובייחוד של חלבונים‪ ,‬שכוללות‪ ,‬בחלקן‪ ,‬שלד קשיח ושרשרת צידית‪ ,‬שיכולה להיות חומצית או בסיסית‪,‬‬
‫נמשכת למים )הידרופילית( או נרתעת ממים )הידרופובית(‪ .‬לכן‪ ,‬בדרך זו יכולה המולקולה ליצור קשרים‬
‫שונים ולהמצא במבנים שונים בסוגי תווך שונים‪ .‬עושר מבני זה של החומצות האמיניות‪ ,‬הוא בעל‬
‫חשיבות רבה בקביעת המבנה התלת ממדי של החלבונים וגורם לשליטה בפעילותם ובדינמיקה שלהם‪.‬‬
‫האתגר במחקר בתחום זה הוא להבין את הקשר בין המבנה המולקולרי לאינטראקציות‬
‫המולקולריות של ביומולקולה בודדת והקומפלקסים שלה‪ ,‬במיוחד עם מים‪ ,‬דרכי התמוססותה במים‪,‬‬
‫ולבסוף‪ ,‬המבנה והפעילות במבנים ביומולקולריים מסובכים יותר בתווך ביולוגי‪ .‬התקדמות הטכנולוגיה‬
‫בעשורים האחרונים תרמה לכך שפיתוח מכשירים שונים‪ ,‬כגון‪ ,‬לייזרים צרי סרט‪ ,‬בעלי הספקים גבוהים‬
‫ויכולת סריקת תדרים‪ ,‬כמו גם כלי חישוב מהירים וזמינים וספקטרוסקופיות שונות מאפשרים לשפוך אור‬
‫מסוים על מערכות אלו‪.‬‬
‫‪2‬‬
‫ישנן גישות רבות לחקר המבנה של ביומולקולות והכוחות השולטים ביניהן‪ 4,‬אחת מהן היא זו‬
‫של שילוב השימוש בסילון מולקולרי של גז מקורר עם ספקטרוסקופיות אופטיות‪ .‬דבר זה מאפשר לשלב‬
‫בין ספקטרוסקופיות בעלות כושר אבחנה ורגישות גבוהה כגון ספקטרוסקופיית לייזר ויברציונית ו‪/‬או‬
‫אלקטרונית בשילוב עם ספקטרומטריית מסות ופלואורסנציה‪.‬‬
‫‪5‬‬
‫ההצדקה לחקר ביומולקולות בפאזה‬
‫הגזית בטמפרטורות ובלחצים לא שגרתיים‪ ,‬נובעת מהאפשרות להימנע‪ ,‬בדרך זו‪ ,‬מהפרעות אשר נגרמות‬
‫מן הסביבה ולקבל מידע נרחב על האינטראקציות הפנימיות‪ .‬תנאים מיוחדים אלו גורמים להפחתת‬
‫הפרעות כמו הרחבת קו אי הומוגנית ומאפשרים זיהוי קונפורמרים חדשים ומצבים אלקטרוניים חדשים‪.‬‬
‫לכן‪ ,‬על ידי שימוש בסביבה מבוקרת‪ ,‬ניתן לזהות תכונות אשר משפיעות על מבני הקונפורמרים‪ ,‬כמו גם‬
‫ללמוד על האינטראקציות‪ ,‬הדינמיקה ופעילותם ולשמש להשוואה עבור מודלים תיאורטיים‪ .‬לכן‪,‬‬
‫לאחרונה התאפשר לתקוף שאלות ביופיסיקליות יסודיות ולפתח מחקר ענף ועניין רב בביומולקולות‬
‫קטנות‪ 9,8,7,6,1,‬או צביריהן עם מים‪ 18,17,16,15,14,13,12,11,10,3,2‬בפאזה הגזית‪.‬‬
‫השיטות שנמצאות בשימוש כיום לחקר המבנה והדינמיקה של מולקולות‪ ,‬קונפורמרים‪ ,‬איזומרים‬
‫ו‪/‬או צביריהן הן ספקטרוסקופיות המבוססות על פלואורסנציה מושרית לייזר‬
‫‪Laser Induced‬‬
‫‪ ,(LIF) Fluorescence‬או ינון דו‪-‬פוטוני רזוננטי מוגבר תהודה ‪Resonantly Enhanced two‬‬
‫‪ 19,(R2PI) Photon Ionization‬הקשורות לבליעה של קרינה אולטרה סגולה )‪ (UV‬על ידי המולקולה‬
‫הנבדקת‪ .‬שיטות אלו קשורות בספקטרום המוזז של המעבר האלקטרוני‪ , S1 − S 0 ,‬אשר נובע‬
‫מאינטראקציות חלשות בין מרכיבי המולקולות‪ ,‬כמו למשל‪ ,‬טבעות ארומטיות והשרשרות הצידיות‪ ,‬אשר‬
‫מאפשרות במקרים מסוימים הבחנה בין מעברים הנובעים מקונפורמרים שונים‪.‬‬
‫כדי לשפר את כושר האבחנה והבררנות‪ ,‬נוהגים להשתמש בספקטרוסקופיית ‪ R2PI‬משולבת עם‬
‫ספקטרומטר מסות מסוג זמן מעוף ‪ ,(TOFMS) Time Of Flight Mass Spectrometer‬המאפשרים‬
‫אבחון היון המולקולרי של המולקולה המקוררת כתלות באורך הגל המעורר‪ .‬אך לעיתים‪ ,‬כל אלו לא‬
‫מספיקים‪ ,‬בגלל קיומם של קונפורמרים אשר הינם בעלי אותה מסה ולכן נוהגים להשתמש‬
‫בספקטרוסקופיית "שריפת חור" ‪,(HB) Hole Burning Spectroscopy‬‬
‫‪20,1‬‬
‫אשר הינה בעלת כושר‬
‫אבחון גבוה יותר‪ .‬בשיטת ה‪ HB-‬משתמשים בשתי קרני ‪) UV‬איור ‪ ,(1a‬כאשר הקרן הראשונה היא‬
‫הקרן ה"שורפת" )‪ ,(UV Burn‬הסורקת את הספקטרום כדי לקבל מאפיין ספקטרלי של אחד‬
‫‪3‬‬
‫הקונפורמרים בעוד הקרן השנייה‪ ,‬הקרן הדוגמת )‪ ,(UV Probe‬הנקבעת על אורך גל מסוים ומאפשרת‪,‬‬
‫בעצם‪ ,‬דגימה של האוכלוסייה של הקונפורמר השני בלבד‪ .‬זאת מאחר והמאפיינים המשויכים לעירור של‬
‫הקונפורמר הראשון מוצאים מהרמה הנדגמת ונחשפים על ידי הקטנת אות ה‪ R2PI-‬שלו‪.‬‬
‫ב‪ HB-‬ניתן לשלב בין קרני ‪ (IR) InfraRed‬ו‪,UV-‬‬
‫‪22,21,19‬‬
‫כאשר הראשונה נקבעת על אורך‬
‫גל רזוננטי לעירור אופן תנודה מסוים בקונפורמר בעוד קרן ה‪ UV-‬הדוגמת‪ ,‬מייננת את המולקולה‪,‬‬
‫וסורקת את הספקטרום )איור ‪ ,(1b‬כך שמתקבל ספקטרום ‪ UV‬שהמאפיינים המשויכים לקונפורמר‬
‫הנחקר מוסרים לחלוטין‪ ,‬או מונחתים במידה רבה‪ .‬בנוסף‪ ,‬ניתן לשנות את תפקידיהם של לייזרי ה‪UV-‬‬
‫וה‪ IR-‬כך שקרן ה‪ UV-‬הדוגמת נקבעת על אורך גל המתאים למאפיין ספקטרלי של אחד הקונפורמרים‪,‬‬
‫בעוד קרן ה‪ IR-‬נסרקת‪ ,‬כך שברזוננס מתקבלת הסרה או הנחתה של מאפייניו הספקטרליים ובעצם‬
‫מתקבל ספקטרום ויברציוני של קונפורמר ספציפי‪.‬‬
‫)‪(c‬‬
‫‪ion‬‬
‫)‪(b‬‬
‫‪ion‬‬
‫‪UV‬‬
‫‪probe‬‬
‫‪fixed‬‬
‫‪S1‬‬
‫‪ion‬‬
‫‪UV‬‬
‫‪probe‬‬
‫‪fixed‬‬
‫‪UV‬‬
‫‪probe‬‬
‫‪scanned‬‬
‫‪S1‬‬
‫‪IR burn‬‬
‫‪scanned‬‬
‫‪S0‬‬
‫)‪(a‬‬
‫‪S1‬‬
‫‪IR‬‬
‫‪burn‬‬
‫‪fixed‬‬
‫‪S0‬‬
‫‪UV‬‬
‫‪burn‬‬
‫‪scanned‬‬
‫‪S0‬‬
‫איור ‪ :1‬תיאור סכימטי של שיטות ה‪ HB-‬וה‪ (c) ,IR-UV (b) ,UV-UV (a) :IDS-‬שיטת החסרת היונים ‪.IR-IDS‬‬
‫החץ העבה והדק מראים את הפוטון הנסרק באורך גל והנשמר על אורך גל קבוע‪ ,‬בהתאמה‪.‬‬
‫שיטה זו היא בעצם שיטת ה‪) (IR-IDS) InfraRed Ion-Dip Spectroscopy-‬איור ‪ (1c‬המשמשת‬
‫כיום לקבלת אינפורמציה על קונפורמרים שונים‪ .‬הספקטרום הויברציוני הנמדד בעזרת שיטת ה‪IR-IDS-‬‬
‫הוא‪ ,‬בדרך כלל‪ ,‬באזור אופני התנודה של מתיחות ההידרידים )‪ N-H ,C-H‬ו‪ .(O-H-‬זאת מאחר וניתן‬
‫להשיג‪ ,‬בעיקר‪ ,‬מקורות קרינה ב‪ IR-‬עבור אורכי גל נמוכים מ‪ 3.5 µm-‬בעזרת תהליכים לא ליניאריים‬
‫בגבישים‪ .‬בדיקה של אופני תנודה אלו מספקת "הצצה" למבנה הקונפורמרים‪ ,‬היות והמאפיינים‬
‫הספקטרליים מראים הזזה בתדר הבליעה ובעוצמה‪ ,‬עקב היותם תלויים בקשרים הפנימיים והבין‬
‫מולקולריים‪ .‬למרות זאת‪ ,‬רוב המאפיינים של אופני התנודה נמצאים באזורים רחוקים יותר ב‪ IR-‬ולכן‬
‫‪4‬‬
‫לא ניתן לגלותם‪ ,‬מפני שאין מקורות ‪ IR‬נוחים המאפשרים סריקה של כל התחום הספקטרלי‪ .‬בייחוד‪ ,‬לא‬
‫ניתן לקבל את "טביעת האצבעות" הספקטרלית של הקונפורמרים השונים‪ ,‬ולכן המידע המתקבל מוגבל‬
‫ביותר‪.‬‬
‫למשל‪ ,‬מידע על המבנה של טריפטופן )חומצה אמינית( נתקבל על ידי סימונס ועובדיו‪ 4‬על ידי‬
‫שימוש בשיטות ה‪ HB -‬וה‪ IR-IDS-‬בשילוב עם חישובים קוונטיים‪ .‬הם קבלו ספקטרום בליעה ב‪IR-‬‬
‫עבור אזור ההידרידים )‪ (3,200-3,650 cm-1‬של קונפורמרים שונים והשוו את תדרי המתיחה של ‪O-H‬‬
‫ו‪ N-H-‬לתוצאות החישובים הקוונטיים‪ ,‬כך שנמצא קשר בין המידע הנצפה למבנה הקונפורמר‪ .‬כדי לקבל‬
‫מידע לגבי תחום ספקטרלי נרחב יותר‪ ,‬ניתן להזכיר כדוגמא את מדידת ספקטרומי ה‪ IR-IDS-‬של‬
‫שלושה קונפורמרי טריפטופן‪ ,‬בתחום ‪,330 -1,500 cm-1‬‬
‫בעזרת לייזר אלקטרונים חופשיים‬
‫‪ (FEL) Free Electron Laser‬כמקור ערור‪ .‬הספקטרא ב‪ IR-‬של שלושת הקונפורמרים הראו את‬
‫ההבדל הבולט ביותר באזור התדירויות הנמוך מ‪ .700 cm-1-‬אופני התנודה המעורבים בתחום זה כוללים‬
‫תנודות בעלות משרעות גדולות ולכן אזור התדרים הנמוכים רגיש במיוחד לקונפורמרים‪ 23.‬למרות שיש‬
‫התאמה די טובה בין התוצאות הניסוייות לחישוביות‪ ,‬יש לציין כי ההתאמה רחוקה מלהיות מושלמת‬
‫ויתרה מזאת הספקטרא סובלים גם מהפרדה ספקטרלית מוגבלת ולכן ברור שיש צורך לשפר גם את‬
‫השיטות הניסיוניות וגם החישוביות כדי לקבל תוצאות טובות יותר‪.‬‬
‫דוגמה לביומולקולות נוספות הן הנוירוטרנסמיטרים אשר משמשים להגברה ולמודולציה של‬
‫אותות בין הנוירונים ותאים אחרים‪ .‬אחת המולקולות השייכת למשפחה זו היא מולקולת‬
‫ה‪-2-‬פנילאתילאמין )‪ ,(PEA‬אשר מכילה קבוצה אמינית בודדת הקשורה דרך שרשרת )‪(-CH2-CH2-‬‬
‫לטבעת ארומטית‪ .‬במחקרים קודמים‪ ,‬נחקרה ה‪ PEA-‬בשיטת ה‪LIF-‬‬
‫‪25,24‬‬
‫במעבר ‪ S 0 → S1‬ונתגלו‬
‫ארבעה קונפורמרים‪ ,‬אשר שויכו למבנים "מוארכים" )‪ (anti‬ו"מקופלים" )‪) (gauche‬איור ‪.(2‬‬
‫ברנשטיין ועובדיו‪ 27,26,‬חקרו ביומולקולה זו על ידי שילוב של ‪ R2PI ,LIF‬משולב בגלוי מסות‬
‫סלקטיבי ו‪ HB-‬ומצאו חמישה קווים‪ ,‬אשר שויכו לחמישה קונפורמרים של ‪ .PEA‬עוד נמצא כי מיקומי‬
‫הקווים הספקטרליים‪ ,‬המתאימים למעברי ה‪ S 0 → S1 -‬של כל קונפורמר מוזזים במיקומיהם‪.‬‬
‫‪5‬‬
‫‪Conformer E‬‬
‫‪Conformer D‬‬
‫‪Conformer A‬‬
‫‪Conformer B‬‬
‫‪Conformer C‬‬
‫‪∆E=641.7 cm-1‬‬
‫‪∆E=466.6 cm-1‬‬
‫‪∆E=328.1 cm-1‬‬
‫‪∆E=38.8 cm-1‬‬
‫‪∆E=0 cm-1‬‬
‫איור ‪ :2‬מבניהם של חמשת הקונפורמרים המחושבים של ‪ 28.PEA‬כל קונפורמר משויך לפי הסימון של לוי‪ 25‬מסודרים‬
‫לפי ההבדל האנרגטי בין האחד לשני‪ 27.‬קונפורמר ‪ E‬לא נצפה בניסויים אלא רק בחישובים קוונטיים‪.‬‬
‫קבוצתנו פיתחה והפעילה‪ ,‬לראשונה‪,‬‬
‫‪30,29‬‬
‫את שיטת חיסור היונים בעירור ראמאן מאולץ‬
‫‪ 8,(ILSRS) Ionization Loss Stimulated Raman Spectroscopy‬איור ‪ ,3‬שיתרונה הוא בכך‬
‫שהיא משתמשת לעירור הויברציוני בפוטונים בתחום הנראה‪ ,‬שהינם זמינים יחסית‪ ,‬לקבלת טביעת‬
‫אצבעות ספקטרלית ייחודית למולקולה מסויימת‪ .‬שיטה זו מבוססת על עירור רמאן מאולץ‬
‫‪ (SRE) Stimulated Raman Excitation‬ומשלימה את שיטת ה‪ .IR-IDS-‬בשיטה זו‪ ,‬כאשר הפרש‬
‫התדירויות ‪) ω P − ω S‬קרן הסטוקס והקרן השואבת‪ ,‬בהתאמה( מתאים לאופן תנודה יסודי במולקולה‪,‬‬
‫האוכלוסייה שמצויה ברמת היסוד תוקטן‪ .‬לכן כאשר לייזר ה‪ R2PI-‬ידגום את האכלוס עבור קונפורמר‬
‫מסוים‪ ,‬הרי שהאוכלוסייה שתמצא תהיה קטנה יותר ולכן יתקבל ספקטרום ‪.ILSRS‬‬
‫שיטת זו נוסתה על ידינו על מנת לקבל ספקטרום ויברציוני בתחום ספקטרלי נרחב במולקולות‬
‫המודל מתילאמין ‪ 29,CH3NH2‬ו‪-2-‬פנילאתילאמין‪.‬‬
‫‪30‬‬
‫במולקולת המתילאמין אפשרה השיטה לבחון את‬
‫השפעת הערור הויברציוני המקדים על העירור הויברוני העוקב‪ .‬במולקולת ה‪ ,PEA-‬מדדנו את ספקטרום‬
‫ה‪ ILSRS-‬של ארבעה קונפורמרים שהתאימו היטב לספקטרומי רמאן מחושבים‪ ,‬אשר חושבו בשיטות‬
‫קוונטיות‪ ,‬ואפשרו על סמך נוכחות של פסי ויברציה בספקטרום לזהות את הקונפרמרים השונים‪.‬‬
‫‪6‬‬
‫‪Ion‬‬
‫‪UV probe‬‬
‫‪fixed‬‬
‫‪S1‬‬
‫‪SRE scanned‬‬
‫‪ωS‬‬
‫‪S0‬‬
‫{‬
‫‪ν‬‬
‫‪ωP‬‬
‫איור ‪ :3‬תיאור סכימטי של שיטת ה‪ ,ILSRS-‬כאשר ה‪ ωS -‬נסרק‪ ,‬הפרש התדרים ‪− ω S‬‬
‫‪ ω P‬הוא תדר הויברציה ‪.ν‬‬
‫מאחר והחישובים הקוונטיים מהווים נדבך חשוב בקבלת התוצאות לזהוי הקונפורמרים השונים‪.‬‬
‫עבור מולקולה מסויימת‪ ,‬נביא כאן סקירה קצרה על החישובים‪ .‬ניתן לסווג את השיטות החישוביות‬
‫לשלוש טכניקות‪:‬‬
‫‪31‬‬
‫חישובים מעקרונות ראשוניים )‪ ,(ab-initio‬שיטות סמי‪-‬אמפיריות )‪semi-‬‬
‫‪ (empirical‬ומכניקה מולקולרית )‪ .(molecular mechanics‬חישובי אורביטלים אלקטרוניים בעזרת‬
‫שיטות ה‪ ab-initio-‬מדויקים ועקביים יותר‪ ,‬כי הם מספקים את הקירוב המתמטי הטוב ביותר למערכת‬
‫האמיתית‪.‬‬
‫השיטות לחישוב המבנה האלקטרוני מבוססות על ההנחה שניתן לתאר את המולקולה במושגים‬
‫של אינטראקציות של מטענים‪ .‬לכן‪ ,‬ניתן לתאר קשרים כימיים כמיקום מחודש של מטענים אלקטרוניים‬
‫שמיצבים את המולקולה ביחס לאטומים שמרכיבים אותה‪ .‬יציבות יחסית יכולה להיות מתוארת כאנרגיה‬
‫הכללית של המערכת אשר מוגדרת על ידי המשוואה הבאה‪:‬‬
‫‪Zα e`2‬‬
‫‪e`2‬‬
‫∑∑ ‪+‬‬
‫‪,‬‬
‫‪riα‬‬
‫‪j i > j rij‬‬
‫∑∑ ‪−‬‬
‫‪ι‬‬
‫‪α‬‬
‫‪Zα Z β e`2‬‬
‫‪rαβ‬‬
‫∑ ‪∑∇ +‬‬
‫∑‬
‫‪α β α‬‬
‫‪2‬‬
‫>‬
‫‪i‬‬
‫‪i‬‬
‫‪h2‬‬
‫‪−‬‬
‫‪∇α 2me‬‬
‫‪2‬‬
‫‪1‬‬
‫∑‬
‫‪α mα‬‬
‫‪2‬‬
‫‪h‬‬
‫‪Hˆ = Tˆ + V = −‬‬
‫‪2‬‬
‫)‪(1‬‬
‫כאשר‪ Ĥ ,‬הוא אופרטור ההמילטוניאן המתאר סכום של האנרגיות הקינטיות ) ˆ‪ ( T‬שנובעות מכל‬
‫החלקיקים במולקולה והאנרגיה הפוטנציאלית ) ˆ‪ ( V‬שהיא תוצאה מאינטראקציה קולומבית בין כל זוג‬
‫חלקיקים טעונים )משיכת אלקטרון‪-‬גרעין‪ ,‬דחיית גרעין‪-‬גרעין ודחיית אלקטרון‪-‬אלקטרון(‪ .‬עבור מערכות‬
‫בעלות יותר מאינטראקציות של שני חלקיקים לא ניתן לפתור את משוואות שרדינגר באופן מדויק‪ ,‬לכן‬
‫‪7‬‬
‫חישובי ‪ ab-initio‬של מערכות רבות גופים )למשל מולקולה( דורשות קירובים וגם פרמטריזציה‬
‫אמפירית ברמה מסוימת‪ .‬למרות זאת‪ ,‬יש לקיים מספר חוקים נוקשים‪:‬‬
‫‪ .1‬הפתרונות של המשוואות חייבים להיות מוגדרים היטב עבור המבנה והמצב האלקטרוני של‬
‫המולקולה‪.‬‬
‫‪ .2‬האנרגיה הפוטנציאלית חייבת להיות רציפה וחלקה ביחס למיקומי גרעיני האטומים‪.‬‬
‫‪ .3‬המודל חייב שלא להעדיף קשר אחד על פני אחר‪.‬‬
‫‪ .4‬המודל חייב להיות עקבי מבחינת גודל )‪ ,(size-consistent‬זאת אומרת שהפתרונות‬
‫ושגיאותיהם חייבים להיות יחסיים לגודל המולקולה‪.‬‬
‫‪ .5‬המודל חייב להיות "וריאציוני" ‪ -‬פתרונות מקורבים חייבים לתת חסם עליון לאנרגיה‬
‫ה"אמיתית" של המערכת‪ .‬יוצא מכך‪ ,‬שהפתרון המקורב בעל האנרגיה הנמוכה ביותר מייצג את‬
‫ההתאמה הטובה ביותר לפונקצית הגל‪ ,‬במסגרת אילוצי השיטה‪.‬‬
‫אחת השיטות לחישוב משוואת שרדינגר היא שיטת הרטרי‪-‬פוק ‪ (HF) Hartree-Fock‬המשתמשת‬
‫בקומבינציה ליניארית של אורביטלים אטומיים ‪Linear Combination of Atomic Orbitals‬‬
‫)‪ .(LCAO‬הרעיון ב‪ ab-initio-‬הוא שניתן לקרב את פונקצית הגל הכללית מבסיס )‪ (basis set‬של‬
‫פונקציות מתמטיות אשר יכולות לתת מידע פיסיקלי על המערכת‪ ,‬כמו למשל פונקציות גאוסיאניות‪.‬‬
‫לדוגמא‪ ,‬הבסיס )‪ 6-31+g(d,p‬מורכב מ‪ 6-‬גאוסיאנים פרימיטיביים אשר מרכיבים את פונקצית הגל‬
‫הגאוסיאנית של אורביטל הקליפה הפנימית‪ .‬ה‪ 31-‬מצביע על כך שהאורביטלים הערכיים מורכבים משתי‬
‫פונקציות בסיס‪ ,‬כאשר הראשונה מורכבת מ‪ 3-‬גאוסיאנים פרימיטיביים והאחרת מורכבת מגאוסיאן‬
‫פרימיטיבי אחד‪ .‬ניתן לתאר גם פונקציות אשר תורמות פולריזציה‪ ,‬כגון )‪ g(d,p‬ודיפוזיה לתיאור‬
‫האינטראקציה של המערכת עם אלקטרונים בקשרים רחוקים מאוד‪ ,‬המסומנת ב‪.(+)-‬‬
‫הקורלציה בין האלקטרונים חשובה מאוד ולכן כדי לבחון את רמות האנרגיה של מולקולות יש צורך‬
‫לחשב את משטחי הפוטנציאל של המולקולה ולמטרה זו משתמשים בשיטת קירוב אשר בה מחשבים את‬
‫ההמילטוניאן של אלקטרון אחד ומתייחסים לאחרים כאל גורם הפרעה שיטה הידועה כ‪Møller-Plesset -‬‬
‫‪31‬‬
‫‪ .(MP) perturbation‬בנוסף‪ ,‬חישובים קוונטיים מסוג ‪(DFT) Density Functional Theory‬‬
‫‪8‬‬
‫מתארים קורלציית אלקטרונים כפונקציונל של הצפיפות האלקטרונית‪ .‬הנחת הפונקציונל שבו משתמשים‬
‫כיום היא על פי קוהן‪-‬שאם )‪ 32(Kohn-Sham‬שניתן לפרק את האנרגיה האלקטרונית‪,‬‬
‫‪E = E T + E V + E J + E XC ,‬‬
‫)‪(2‬‬
‫לסכום של אנרגיות קינטיות ) ‪ ( E T‬הנובעות מתנועת אלקטרונים‪ E V ,‬הנובעת מהאנרגיה הפוטנציאלית‬
‫של אינטראקצית אלקטרון‪-‬גרעין או גרעין‪-‬גרעין‪ E J ,‬אנרגית אינטראקצית דחיית אלקטרון‪-‬אלקטרון ו‪-‬‬
‫‪ E XC‬אנרגיית קורלציות אלקטרונים‪ .‬חישוב ‪ DFT‬טהור של ‪ E XC‬לוקח בחשבון זיווג פונקציונל‬
‫החלפה עם פונקציונל קורלציה כך שניתן לבצע קומבינציות‪ .‬למשל‪ ,‬המונח ‪ BLYP‬הוא פונקציונל‬
‫החלפה תיקון‪-‬גרדיאנט של בק )‪ 33(Beck‬עם פונקציונל קורלציה תיקון‪-‬גרדיאנט של לי‪-‬יאנג‪-‬פר ‪Lee-‬‬
‫‪ 34.(LYP) Yang-Parr‬שיטה זו מאפשרת חישוב מבני שווי המשקל והאנרגיה המולקולרית‪.‬‬
‫‪31‬‬
‫תדירויות הויברציות מחושבות בדרך כלל על ידי קירוב הרמוני‪.‬‬
‫האנרגיה הויברציונית של‬
‫מולקולה בעלת ‪ N‬אטומים היא סכום של ‪ 3N-6‬אנרגיות ויברציוניות של אופני התנודה הנורמליים )‪3N-‬‬
‫‪ 5‬עבור מולקולות ליניאריות(‪:‬‬
‫‪1‬‬
‫‪+  hν k ,‬‬
‫‪2‬‬
‫‪3 N −6‬‬
‫‪‬‬
‫‪k‬‬
‫‪∑ ν‬‬
‫≈ ‪Evib‬‬
‫‪k =1‬‬
‫)‪(3‬‬
‫כאשר ‪ ν k‬הוא תדר הויברציה ההרמונית עבור אופן התנודה ה‪ k -‬י וכל מספר קוונטי ויברציוני יכול‬
‫להיות בעל הערך …‪ .0,1,2‬עבור רמת היסוד הויברציונית‪ ,‬כל אחד מהמספרים הקוונטיים של ה‪3N-6-‬‬
‫אופני התנודה הם אפס ולכן האנרגיה הנקודתית האפסית‪ (ZPE) Zero-Point Energy ,‬שווה בקירוב‬
‫‪1 3 N −6‬‬
‫האוסצילטור הההרמוני ל‪∑ hν k -‬‬
‫‪2 k =1‬‬
‫≈ ‪ . E ZPE‬לעיתים‪ ,‬התוצאות אינן מתאימות לניסוי ויש‬
‫להתחשב בסדרים גבוהים יותר בקירוב ההרמוני כך שמתווספים איברים אנהרמוניים‪ ,‬ואיתם ניתן להגיע‬
‫לחישובים מדויקים יותר והתאמה טובה יותר לתוצאות הניסוי‪ ,‬אולם החישיבים הללו גוזלים זמן חישוב‬
‫רב‪.‬‬
‫‪9‬‬
‫מטרת העבודה והחידושים הצפויים במחקר‬
‫מטרת מחקר זה היא לגלות ולאפיין את ספקטרום אופני התנודה היסודיים ומבניהם של‬
‫קונפורמרים של מולקולות גמישות וצביריהן עם מים בפאזה הגזית‪ ,‬תוך שימוש בשיטת ה‪.ILSRS-‬‬
‫הספקטרא המדודים יושוו לספקטרא מחושבים בעזרת חישובים קוונטיים‪.‬‬
‫‪35‬‬
‫למחקר זה נבחרו מולקולות‬
‫המודל הבאות‪-2 :‬פניל אתיל אלכוהול‪ ,‬טריפטופן ופוקופירנוסיד וצביריהן עם מים‪ ,‬כאשר כל אחת מן‬
‫המולקולות מייצגת קבוצת ביומולקולות שונה‪ ,‬הווה אומר נוירוטרנסמיטורים‪ ,‬חומצות אמיניות וסוכרים‪.‬‬
‫השוואת הספקטרא המדודים לספקטרא המחושבים תאפשר להתאים ספקטרום מדוד כלשהו למבנה‬
‫מולקולרי מסויים ועקב כך את חשיפת המבנה הגיאומטרי והאינטראקציות התוך והבין מולקולריות‬
‫העיקריות‪.‬‬
‫כפי שהוזכר לעיל‪ ,‬המגבלות הקיימות בשיטת ה‪ IR-IDS-‬הן אשר מעודדות את השימוש בשיטת‬
‫ה‪ ILSRS-‬המשתמשת בלייזרים בתחום הנראה‪ ,‬שהם זמינים יחסית‪ .‬החידושים הצפויים‪ ,‬הם‬
‫שלראשונה‪ ,‬ניתן יהיה לאפיין את ספקטרום הרמאן הויברציוני של המולקולות הנחקרות בתחום ספקטרלי‬
‫נרחב‪ .‬הספקטרא שיתקבלו יאפשרו את אפיונם של קונפורמרי המולקולות הגמישות בפאזה הגזית‪.‬‬
‫מאפיינים אלו יכולים להיאסף למאגר נתונים ובכך ליצור מערכת זיהוי מידית של מולקולות גמישות‬
‫והקונפורמרים שלהן וביחוד לשפוך אור על האינטראקציות המולקולריות האחראיות למבנים השונים‬
‫וכתוצאה מכך על פעילותם‪.‬‬
‫השיטות לביצוע המחקר‬
‫מערך הניסוי לעריכת ניסויי ה‪ ILSRS-‬מתואר באיור ‪ .4‬המערכת הניסויית כוללת שני לייזרים‪,‬‬
‫ספקטרומטר מסות מסוג זמן מעוף ‪ TOFMS‬מדגם ‪Wiley-McLaren‬‬
‫‪36‬‬
‫ומערכת תזמון ואיסוף נתונים‪.‬‬
‫‪10‬‬
‫‪D‬‬
‫‪M‬‬
‫‪M‬‬
‫‪D‬‬
‫‪BS‬‬
‫‪M‬‬
‫‪D‬‬
‫איור ‪ : 4‬איור סכמטי של מבנה המערכת הניסויית האופטית ומהלך הקרניים‪Time of Flight Mass -TOFMS .‬‬
‫‪-BS ,Spectrometer‬מפצל קרן‪-DM ,‬מראה דיכרואית‪ SHG ,‬גביש מכפיל של הרמוניה שנייה‪-MSP ,‬‬
‫‪.Personal Computer-PC ,Microsphere Plate‬‬
‫הלייזר הראשון‪ ,‬שמשמש ליינון המולקולה‪ ,‬הוא לייזר ‪Continuum, Powerlite ) Nd:YAG‬‬
‫‪ ,(7010‬כאשר ההרמוניה השלישית שלו‪ ,355 nm ,‬שואבת לייזר צבע ) ‪Lambda Physics,‬‬
‫‪ .(FL3002‬לייזר זה מאפשר קבלת קרן בתחום הנראה וקרן זו מוכפלת על ידי גביש ‪Beta Barium‬‬
‫‪ ,(BBO) β-BaB2O4 , Borate‬אשר נותן במוצא קרן בתחום ה‪ UV-‬בעלת אורך גל המתאים ליינון‬
‫מולקולרי‪ .‬במוצא‪ ,‬קרן לייזר ה‪ UV-‬מוגדלת על ידי טלסקופ ‪ 2X‬ולאחר מכן‪ ,‬מופרדת מהקרן היסודית‬
‫על ידי שתי מראות דיכרואיות‪ .‬לאחר מכן‪ ,‬קרן ה‪ UV-‬ממוקדת על ידי עדשה שטוחה‪-‬קמורה )‪Plano-‬‬
‫‪ (Convex‬ברוחק מוקד של ‪ 40‬ס"מ‪ .‬האנרגיה של קרן ה‪ UV-‬נשמרת על ערכים נמוכים כדי למנוע ככל‬
‫האפשר הופעתם של תהליכי יינון אחרים‪ ,‬לא רצויים‪ ,‬ולכן אותות רקע ורווית האות‪ .‬כדי להביא את קרן‬
‫ה‪ UV-‬למרכז הסילון המולקולרי )ראה למטה(‪ ,‬היא מכוונת כך שיתקבל אות מקסימלי של היון‬
‫המולקולרי‪ .‬הרוחב הספקטרלי של קרן זו הוא ‪. ~ 0.5 cm-1‬‬
‫הלייזר השני מספק את קרני ה‪ ω P -‬וה‪) ω S -‬הקרן השואבת וקרן הסטוקס‪ ,‬בהתאמה( לתהליך‬
‫ה‪ .SRE-‬זהו לייזר ‪ (Continuum, Powerlite 8010) Nd:YAG‬שההרמוניה השנייה שלו‪,532 nm ,‬‬
‫‪11‬‬
‫מפוצלת על ידי מפצל קרן ‪ , (BS) BeamSplitter‬כך ש‪ 20 %-‬מעצמת הקרן משמשת כ‪ ω P -‬ו‪80 %-‬‬
‫לשאיבת לייזר צבע )‪ (Continuum, ND6000‬המספק את קרן ה‪ ω S -‬הנסרקת‪ .‬הרוחב הספקטרלי של‬
‫הקרן הירוקה הוא ‪ ~ 0.15 cm-1‬ובלייזר הצבע ‪.~ 0.08 cm-1‬‬
‫שתי קרני לייזר ה‪ SRE-‬מגיעות מכוון מנוגד לקרן ה‪ ,UV-‬ממוקדות על ידי עדשה שטוחה‪-‬‬
‫קמורה בעלת רוחק מוקד של ‪ 75‬ס"מ‪ .‬קוטרי הקרניים‪ ,‬הירוקה והאדומה‪ ,‬במוקד הן ‪~ 102‬‬
‫ו‪ ,~ 124 µm-‬בהתאמה‪ .‬אנרגיות הקרניים נשמרות על ערכים שמונעים רוויה ורעשים‪ .‬יש לדאוג לכך‬
‫שקרני ה‪ SRE-‬יחפפו מרחבית וזמנית‪ ,‬כאשר החפיפה הזמנית מושגת על ידי הארכת המרחק האופטי‬
‫שהקרן השואבת עוברת‪ .‬קרן ה‪ UV-‬מתוזמנת כך שהיא מעוקבת בכ‪ ~ 15 ns-‬מקרני ה‪ SRE-‬על ידי‬
‫מחולל השהיות )‪ ,(Stanford Research Systems, DG535‬כדי שימנע יינון המולקולה או תהליכי‬
‫יינון רב פוטוניים אחרים לא רצויים‪ .‬כל תהליכי המדידה ואיסוף הנתונים נערכים בקצב של ‪ 5‬או ‪10‬‬
‫הרץ‪.‬‬
‫קרני לייזר ה‪ SRE-‬וה‪ UV-‬נעות במאונך ל‪ TOFMS-‬ובמאונך לכיוון התפשטות הגז‪ .‬תערובות‬
‫המולקולות הנבדקות מוזרקות עם ארגון )‪ (Ar, Maxima, >99%‬אל תוך החומר הנמצא בתנור )איור‬
‫‪) (5‬שתוכנן ונבנה במיוחד( והמצוי בתוך ה‪ .TOFMS-‬התנור מיועד להכיל את החומר הנבדק וגם‬
‫לאפשר את חימומו על מנת להעלות את לחץ האדים‪ .‬אדי החומר נסחפים על ידי ארגון בלחץ של ‪4.5‬‬
‫אטמוספרות‪ ,‬ומוזרמים דרך מחט טפלון או אל חלד‪ ,‬תוך שימוש בברז פולסי ) ‪Parker, General‬‬
‫‪ .(Valve, 9‬תזמון פתיחת הברז מבוצע על ידי מחולל השהיות ) ‪Stanford Delay Generator,‬‬
‫‪ (DG535‬כך שהברז נפתח כ‪ ~ 2 ms-‬לפני הלייזרים‪.‬‬
‫ה‪ TOFMS-‬נשאב על ידי שתי משאבות טורבו מולקולריות ) ‪Alcatel, ATP 400, ATP‬‬
‫‪ (600‬עד ללחץ רקע של ‪ ,~ 5x10-7 Torr‬ולחץ העבודה בזמן הכנסת התערובות באזור התגובה הוא כ‪~ -‬‬
‫‪ ,(Granville-Phillips) ,9 x 10-6 Torr‬ונקבע על ידי קבלת סיגנל אופטימלי וריכוז מולקולרי נאות‪.‬‬
‫יונים שנוצרים בתא התגובה‪ ,‬מואצים על ידי פלטות האצה אל אזור הסחיפה החופשי עד להגעתם לבסוף‬
‫לגלאי מסוג ‪ (El-Mul, Z033) (MSP) Microsphere Plate‬בקוטר של "‪ .1‬ה‪ MSP-‬הוא למעשה‬
‫מכפיל אלקטרונים‪ ,‬הכולל צינוריות זכוכית בקוטר ‪ 20– 100 µm‬הצמודות אחת לשניה‪ ,‬כדי ליצור פלטה‬
‫דקה‪ .‬שטח הפנים של צינורות הזכוכית מכוסה בחומר מוליך חלקית‪ ,‬אשר יכול לשחרר אלקטרונים‬
‫‪12‬‬
‫בקלות )פונקצית עבודה נמוכה מאוד(‪ .‬שני משטחי הפלטה מכוסים בחומר מוליך ומשמשים כאלקטרודות‪.‬‬
‫מתח גבוה של עד כ‪ ,2.5 kV-‬מופעל על אלקטרודות ה‪ .MSP-‬היות והעובי של ה‪ MSP-‬הוא רק ‪0.7‬‬
‫מ"מ‪ ,‬נוצר שדה חשמלי חזק מאוד‪ ,‬כאשר היונים הפוגעים בקתודה משחררים אלקטרונים‪ ,‬המואצים‬
‫בשדה חזק ופוגעים בצינוריות זכוכית נוספות ומשחררים אלקטרונים משניים היוצרים אלקטרונים‬
‫נוספים‪ .‬בדרך זו‪ ,‬נוצרת מפולת אלקטרונים אשר מגבירה את הזרם ב‪ 5-‬עד ‪ 6‬סדרי גודל‪ .‬האות מהגלאי‬
‫מוכנס לתוך מערכת איסוף נתונים ‪Stanford Research Systems, SR250, ) BoxCar Integrator‬‬
‫‪ ,(SR280‬ומשקף תנודות )‪ ,(LeCroy, 9374‬ולבסוף למחשב אישי על ידי ממיר אנלוגי‪/‬דיגיטלי‬
‫)‪ .(ECON, DT9816‬כל נקודה בספקטרום מייצגת ממוצע של שלושים פעימות‪ .‬איסוף המידע במחשב‬
‫האישי מבוצע על ידי תוכנה שנכתבה ב‪ Matlab-‬למערכת ההמרה‪.‬‬
‫איור ‪ :5‬תנור חימום לאידוי של חומרים נוזליים ו‪/‬או מוצקים‪ .‬במרכז ארבע פתחים בקוטר ‪ 12‬מ"מ להכנסת כוסיות‬
‫לחומרים‪ ,‬בהיקף החיצוני חורים בגודל ‪ 6‬מ"מ להכנסת אצבעות חימום‪ .‬קוטר התנור כולו כ‪ 50-‬מ"מ‪.‬‬
‫‪31‬‬
‫חישובים קוונטיים )‪(DFT‬‬
‫יבוצעו על המולקולות הנחקרות על ידי שימוש בתוכנת‬
‫‪ 35.Gaussian03‬החישובים מאפשרים לקבל את המבנה הגיאומטרי והאנרגיה של כל קונפורמר‪ ,‬כמו גם‬
‫את הספקטרום הויברציוני‪ .‬בתחילה נבצע אופטימיזציה גיאומטרית לכל קונפורמר כדי לקבל את אנרגית‬
‫המצב המינימלית על ידי שימוש בבסיס )‪ ,B3LYP/6-311++g(d,p‬שהוא בסיס גדול יחסית לצורך דיוק‬
‫בתוצאות‪ .‬לאחר מכן‪ ,‬הגיאומטריה האופטימילית שמתקבלת תוזן מחדש וונבצע עליה חישובים‬
‫אנהרמוניים בבסיס קטן יותר‪ ,B3LYP/6-31+g(d,p) ,‬כדי להקטין את זמן החישוב‪ .‬עבור ‪PEA‬‬
‫‪30‬‬
‫מצאנו שחישובים‪ ,‬תוך שימוש בבסיס זה מאפשרים קבלת תוצאות די מדויקות‪ ,‬המתאימות היטב‬
‫‪13‬‬
‫לתוצאות הנסיוניות‪ .‬כמו כן‪ ,‬בעזרת תוכנת ‪ 37JB95‬נבצע סימולציה של ספקטרא ה‪ R2PI-‬המתקבלים‬
‫בניסוי‪ .‬סימולציות אלו יאפשרו לקבל את הקבועים הרוטציוניים‪ ,‬סוגי הפסים‪ ,‬כמו גם מידע על רוחב‬
‫קווים וטמפרטורה רוטציונית‪ .‬סוגי הפסים מאפשרים לקבל מידע על הכוון של מומנט הדיפול בערור‬
‫האלקטרוני‪.‬‬
‫המחקר יתקדם במספר מישורים‪ ,‬תחילה נפעיל את שיטת ה‪ ILSRS-‬על ביומולקולות מסוג‬
‫נוירוטרנסמיטורים כמו למשל פנילאתיל‪-‬אלכוהול‪.(PEAL) ,C6H5C2H4OH ,‬‬
‫‪40,39,38‬‬
‫זוהי מולקולה‬
‫פשוטה יחסית מבחינת המבנה‪ ,‬אך למיטב ידיעתנו‪ ,‬ספקטרום הויברציה שלה לא נלמד עדיין‪ .‬במקביל‬
‫יחושבו‪ ,‬על ידי חישובים קוונטיים‪ ,‬ספקטרא ויברציוניים של קונפורמרי המולקולה ושל המולקולה‬
‫‪44,43,42,41,22,21,18‬‬
‫המיוממת‪ .‬בהמשך‪ ,‬נבחר מהמולקולות המועמדות הבאות‪ :‬טריפטאמין )‪,(C10H12N2‬‬
‫וטריפטופן )‪(C11H12N2O2‬‬
‫‪44,23,4‬‬
‫מולקולה מקבוצת הסוכרים‪,‬‬
‫‪51,50,49,48,47,46,45‬‬
‫שאמורות לשפוך אור על מבניהן של חומצות אמיניות ולבסוף‪,‬‬
‫כגון מונוסכרידים מסוג פניל ‪ α‬ו‪-L-β-‬פוקופירנוסיד‬
‫)‪ (phenyl α- and β-L-fucopyranoside‬ונמדוד את ספקטרום ה‪ ILSRS -‬של קונפורמריה וביחוד‬
‫של הצביר שלה עם מים‪.‬‬
‫‪48‬‬
‫יש לציין כי כל המולקולות הללו מכילות כרומופורים המאפשרים את‬
‫הבליעה בתחום ה‪.UV-‬‬
‫תחילה נאתר את ספקטרום היינון של המולקולות על ידי שימוש בלייזר ‪ UV‬בלבד‪ ,‬כך שימצא‬
‫אורך הגל המתאים ליינון של כל קונפורמר‪ .‬לאחר מכן נקבע את אורך הגל של לייזר ה‪ UV-‬כך שהוא‬
‫יתאים לקונפורמר מסוים ונבצע תהליך מקדים של עירור ויברציוני על ידי שיטת ה‪ .SRE-‬קרן הסטוקס‬
‫תסרוק את תחום אופני התנודה היסודיים של הקונפורמר ובכל פעם שתעורר ויברציה במולקולה‪ ,‬תקטן‬
‫כמות האוכלוסייה של המולקולות הניתנות ליינון ולכן עוצמת אות היינון‪ ,‬אשר ירשם בספקטרום‬
‫שיתקבל יקטן‪ .‬השוואה של הספקטרא שיתקבלו עבור כל קונפורמר תאפשר לזהות הזזות קווים ושינויים‬
‫בעוצמות הקווים ובכך למעשה למצוא את טביעת האצבע הויברציונית האופיינית של כל קונפורמר‪.‬‬
‫החישובים הקוונטיים יעזרו לנו לנבא את מיקומי הקווים ועוצמתם בעבור כל קונפורמר ובנוסף‪ ,‬לגלות‬
‫את המבנה הגיאומטרי ואת אנרגיות המצב היציב של הקונפורמרים‪ .‬ההשוואה בין הספקטרא המדודים‬
‫והמחושבים תאפשר זהוי של הקונפורמרים השונים‪.‬‬
‫‪14‬‬
‫תוצאות ראשוניות‬
‫תחילה נבדקת האפשרות להפעלת שיטת ה‪ ILSRS-‬על מולקולת ה‪ ,PEAL-‬הקרובה במבנה ל‪-‬‬
‫‪ ,PEA‬אלא שבקצה השרשרת הקבוצה ‪ NH2‬מוחלפת ב‪ .OH-‬לכן‪ ,‬נבדקה סלקטיביות יינון הקונפורמרים‬
‫על ידי שימוש בטכניקת ה‪ R2PI-‬ב‪ .UV-‬בתהליך זה מייננים את קונפורמרי המולקולה בתהליך דו‪-‬‬
‫פוטוני ב‪ ,UV-‬כאשר אורך הגל מתאים בדיוק למעבר רזוננטי‪ .‬על ידי שינוי אורך הגל ב‪ ,UV-‬מייננים‬
‫קונפורמר שונה של המולקולה‪ ,‬בגלל השוני במעבר האלקטרוני‪ , S1 − S 0 ,‬אשר נובע מאינטראקציות‬
‫חלשות בין מרכיבי המולקולות‪ .‬כפי שניתן לראות באיור ‪ ,6‬ספקטרום היינון של מולקולת ה‪PEAL-‬‬
‫מכיל פסים‪ ,‬המסומנים באותיות ‪ 28,F-A‬ומייצגים יינון של קונפורמרים שונים כפונקציה של אורך הגל‪.‬‬
‫פסים אלו הינם בעלי צורות שונות‪ ,‬בגלל השוני בכוון מומנט המעבר בקונפורמרים השונים‪.‬‬
‫‪B‬‬
‫‪A‬‬
‫‪C‬‬
‫)‪Intensity (arb. units‬‬
‫‪D‬‬
‫‪E‬‬
‫‪X3‬‬
‫‪37710‬‬
‫‪37725‬‬
‫‪37680‬‬
‫‪37675‬‬
‫‪37700‬‬
‫‪37650‬‬
‫‪37625‬‬
‫‪37600‬‬
‫‪-1‬‬
‫) ‪Wavenumber (cm‬‬
‫איור ‪ :6‬ספקטרום ‪ R2PI‬של ‪ PEAL‬כפונקציה של מספר הגל של לייזר ה‪ .UV-‬לצד כל קו ספקטרלי נרשם הזיהוי של‬
‫הקונפורמר המתאים לפי הסימון של רוברטסון‪.‬‬
‫‪28‬‬
‫מאיור ‪ 6‬ניתן להסיק כי הקונפורמר הנפוץ ביותר והיציב ביותר מבחינה אנרגטית הוא קונפורמר‬
‫‪ .A‬לאחר קביעת אורך הגל של לייזר ה‪ UV-‬ליינון קונפורמר מסוים‪ ,‬הפעלנו תחילה‪ ,‬בעיקוב זמני‪ ,‬את‬
‫תהליך ה‪ SRE-‬כך שבכל פעם שתהליך ה‪ SRE-‬מעורר אופן תנודה יסודי בקונפורמר‪ ,‬מונחתת כמות‬
‫‪15‬‬
‫היונים המתקבלים בתהליך ה‪ R2PI-‬ונרשמת ירידה בכמות היונים ואז מתקבל הספקטרום שניתן לראות‬
‫באיור ‪ .7‬באיור זה‪ ,‬ספקטרום ה‪ ILSRS-‬של ‪ PEAL‬בתחום הספקטרלי שבין ‪ 800-1,150 cm-1‬נרשם‬
‫עבור הקונפורמרים ‪ A‬ו‪ .B-‬ניתן לראות כי לא נראים הבדלים במיקומים בין הקווים בספקטרא ולכן‬
‫נמדוד אזורים אחרים כמו אזור מתיחות ה‪ O-H-‬וה‪ C-H-‬ואיזור כיפופי ה‪ ,CH2-‬שם אנו צופים שינויים‬
‫במיקומי ועוצמות הקווים‪.‬‬
‫)‪Intensity (arb. units‬‬
‫)‪(A‬‬
‫)‪(B‬‬
‫‪1100‬‬
‫‪1000‬‬
‫‪1050‬‬
‫‪950‬‬
‫‪900‬‬
‫‪850‬‬
‫‪800‬‬
‫‪-1‬‬
‫) ‪Wavenumber (cm‬‬
‫איור ‪ :7‬ספקטרא ‪ ILSRS‬של שני קונפורמרים של ‪ A ,PEAL‬ו‪ B-‬בתחום ‪.800-1,150 cm-1‬‬
‫‪16‬‬
‫רשימת מקורות‬
1
E. G. Robertson and J. P. Simons, Phys. Chem. Chem. Phys. 3, 1 (2001).
2
S. H. Cho, H. Huh, H. M. Kim, C. I. Kim. N. J. Kim and S. K. Kim, J. Chem. Phys. 122, 34304
(2005).
3
K. T. Lee, J. Sung, K. J. Lee, S. K. Kim and Y. D. Park, J. Chem. Phys. 116, 19, 8251 (2002).
4
N. A. Macleod, C. Johannessen, L. Hecht, L. D. Barron and J. P. Simons, Int. J. Mass Spect. 253, 193
(2006).
5
I. Bar and S. Rosenwaks, Int. Rev. Phys. Chem. 20, 711 (2001).
6
R. J. Stanley and A.W. Castelman, Jr, J. Chem. Phys. 94, 7744 (1991).
7
M. W. Schaeffer, W. Kim, P. M. Maxton, J. Romascan and P. M. Felker, Chem. Phys. Lett, 242, 632
(1995).
8
V. A. Ventura and P. M. Felker, J. Phys. Chem. 97, 4882 (1993).
9
U. Buck, X. Gu, R. Krohne, C. Lauenstein, H. Linnartz and A. Rudolph, J. Chem. Phys. 94 (1991).
10
T. S. Zwier, J. Chem. Phys. A 110, 4133 (2006).
11
R. N. Pribble, A. W. Garrett, K. Haber, and T. S. Zwier, J. Chem. Phys. 103, 531 (1995).
12
C. J. Gruenloh, F. C. Hagemeister, J. R. Carney and T. S. Zwier, J. Phys. Chem. A 103, 503 (1999).
13
R. N. Pribble and T. S. Zwier, Farady Discuss. 97, 229 (1994).
14
F. C. Hagemeister, C. J. Gruenloh and T. S. Zwier, Chem. Phys, 239, 83 (1998).
15
S. Y. Fredericks, K. D. Jordan and T. S. Zwier, J. Phys. Chem. 100, 7810 (1996).
16
T. S. Zwier, J. Phys. Chem. A 105, 8827 (2001).
17
P. Crozet, A. J. Ross and M. Vervloet, Annu. Rep. Prog. Sect. C, 97, 33 (2002).
18
M. S. de Vries and P. Hobza, Annu. Rev. Phys. Chem. 58, 585 (2007).
19
T. M. Selby, A. Das, T. Bekele, H. D. Lee and T. S. Zwier, J. Phys. Chem. A 109, 8497 (2005).
20
J. C. Lindon, Encyclopedia of Spectroscopy and Spectrometry, Academic Press, Elsevier, 2000.
21
J. R. Carney and T. S. Zwier, Chem. Phys. Lett. 341, 77 (2001).
22
J. R. Carney and T. S. Zwier, J. Phys. Chem. A 104, 8677 (2000).
23
J. M. Bakker, L. M. Aleese, G. Meijer and G. von Helden, Phys. Rev. Lett. 91, 203003 (2003).
24
J. Sipior, C. K. The and M. Sulkes, J. Fluoresc. 1, 41 (1991).
25
S. J. Martinez, III, J. C. Alfano and D. H. Levy, J. Mol. Spectrosc. 158, 82 (1993).
26
J. Yao, H. S. Im, M. Foltin, and E. R. Bernstein, J. Phys. Chem. A 104, 6197 (2000).
27
S. Sun and E. R. Bernstein, J. Am. Chem. Soc. 118, 5086 (1996).
28
M. R. Hockridge and E. G. Robertson, J. Phys. Chem. A 103, 3618, (1999)
29
A. Golan, N. Mayorkas, S. Rosenwaks and I. Bar, J. Chem. Phys. 130, 054303, (2009).
30
A. Golan, N. Mayorkas, S. Rosenwaks and I. Bar, J. Chem. Phys. 131, 024305, (2009).
31
I. N. Levine, Quantum Chemistry, 5th ed, Pearson Education Inc, (2000).
32
W. Kohn and L. J. Sham, Phys. Rev. 140, A1133 (1965).
33
A. D. Becke, J. Chem. Phys. 98, 5648 (1993).
17
34
C. Lee, W. Yang, and R. G. Parr, Phys. Rev. B 37, 785 (1988).
35
M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel et al., GAUSSIAN03, Revision C.02., Gaussian, Inc.,
Wallingford CT, (2004).
36
W.C. Wiley and L.H. McLaren, Jr. Rev. Sci. Instr. 26, 1150 (1955)
37
D. F. Plusquellic, Jb95 Spectral Fitting Program,
http://physics.nist.gov/Divisions/Div844/facilities/uvs/overview.html
38
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, 2622, (1998).
39
M. R. Hockridge and E. G. Robertson, J. Phys. Chem. A 103, 3618, (1999).
40
R. Weinkauf, F. Lehrer, E. W. Schlag and A. Metsala, Faraday Discuss. 115, 363, (2000).
41
T. van Mourik and L. E. V. Emson, Phys. Chem. Chem. Phys. 4, 5863 (2002).
42
V. B. Delchev and H. Mikosch, J. Mol. Model, 12, 272 (2006).
43
H. Kang, C. Jouvet, C. Dedonder-Lardeux, S. Martrenchard, C. Charrière, G. Grégoire, C.
Desfrançois, J. P. Schermann, M. Barat and J. A. Fayeton, J. Chem. Phys. 122, 084307 (2005).
44
B. C. Dian, A. Longarte, S. Mercier, D. A. Evans, D. J. Wales and T. S. Zwier, J. Chem. Phys. 117,
23 (2002).
45
F. O. Talbot and J. P. Simons, Phys. Chem. Chem. Phys. 4, 3562 (2002).
46
R. A. Jockusch, F. O. Talbot and J. P. Simons, Phys. Chem. Chem. Phys. 5, 1502 (2003).
47
E. C. Stanca-Kaposta, D. P. Gamblin, J. Screen, B. Liu, L. C. Snoek, B. G. Davis and J. P. Simons,
Phys. Chem. Chem. Phys. 9, 4444 (2007).
48
P. Çarçabal, T. Patsias, I. Hünig, B. Liu, C. Kaposta, L. C. Snoek, D. P. Gamblin, B. G. Davis and J.
P. Simons, Phys. Chem. Chem. Phys., 8, 129 (2006).
49
R. A. Jockusch, R. T. Kroemer, F. O. Talbot, L. C. Snoek, P. Çarçabal, J. P. Simons, M. Havenith, J.
M. Bakker, I. Compagnon, G. Meijer and G. von Helden, J. Am. Chem. Soc. 126, 5709 (2004).
50
A. Abo-riziq, B. O. Crews, I. Compagnon, J. Oomens, G. Meijer, G. Von Helden, M. Kabeláĉ, P.
Hobza and M. S. de Vries, J. Phys. Chem. A 111, 7529 (2007).
51
P. Çarçabal, R. A. Jockusch, I. Hünig, L. C. Snoek, R. T. Kroemer, B. G. Davis, D. P. Gamblin, I.
Compagnon, J. Oomens and J. P. Simons, J. Am. Chem. Soc. 127, 11414 (2005).
18