Comments
Description
Transcript
תולוקלומויב לש תוילרטקפס תומיתח
אוניברסיטת בן-גוריון בנגב הפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיסיקה חתימות ספקטרליות של ביומולקולות חיבור לשם קבלת התואר "מגיסטר" בפקולטה למדעי הטבע מאת :ניצן מיורקס מנחה :פרופ' אילנה בר אייר תשס"ח מאי 2008 1 חתימות ספקטרליות של ביומולקולות חיבור לשם קבלת תואר "מגיסטר" בפקולטה למדעי הטבע המחלקה לפיסיקה מאת :ניצן מיורקס מנחה :פרופסור אילנה בר המחלקה לפיסיקה הפקולטה למדעי הטבע אוניברסיטת בן גוריון בנגב חתימת המחבר _____________________ תאריך______________ אישור המנחה ______________________ תאריך______________ אישור יו"ר ועדה מחלקתית _____________ תאריך______________ 2 תודות ברצוני להודות ,מקרב לב ,לפרופ' אילנה בר ,על שקבלה אותי לקבוצתה ,להנחייתה והדרכתה במחקר זה, על ההשקעה ,המקצועיות והסיוע במהלך תקופת המחקר ,חזק ואמץ. לדר' אלכסנדר פורטנוב ,על השיחות הארוכות ועל הסיוע בהבנת התהליכים התיאורטיים והמעשיים מאחורי הטכניקות השונות .לשותפי למחקר ,אמיר גולן ,על הדבקות במטרה והליווי הצמוד לאורך כל תקופת המחקר .לחברי לקבוצה ,רן ,חן ,קרן ודני ,על האווירה החמימה ,על העזרה ושיתוף הפעולה בעת הצורך .לאריה כץ ,על העזרה והסיוע בפיתוח ויצור רכיבים שהזדקקנו להם במהלך המחקר .למהנדס המחלקה ,מר עדי בלומנפלד ,על תכנון המכשור והייעוץ המקצועי של המכשירים החשמליים והאלקטרוניים במעבדה .לחברי ,אמיר צביאלי ,על התמיכה המוראלית. תודתי לקרן הלאומית למדע ) (ISFולתוכנית בנושא אינטראקציות לייזר-חומר של הקרן הדו-לאומית ישראל גרמניה ע"ש ג'יימס פרנק על מימון פרויקט המחקר. תודה מיוחדת למשפחתי על הסבלנות עד לעת זו ,ובעיקר להורי על התמיכה והרוח הגבית הערה שנתנו לי במהלך השנים האחרונות. על כל אלה ועוד ,תבואו על הברכה! 3 תקציר המבנה של ביומולקולות משחק תפקיד חשוב בקביעת בררותן ופעילותן הביולוגית .מבני המולקולות בפאזה הגזית נלמדים ,בדרך כלל ,בעזרת שילוב של עירור אופני תנודה יסודיים בתחום האינפרא אדום ) (IRויינון דו פוטוני מוגבר תהודה ) (R2PIבתחום האולטרה סגול ) .(UVעל ידי קביעת אורך הגל של קרן ה UV-על מעבר רזוננטי השייך לאחד הקונפורמרים וסריקת קרן ה,IR- מתקבלת הסרה או הנחתה של המאפיין הספקטרלי המתאים לקונפורמר הנבדק ובעצם מתקבל ספקטרום של אופני התנודה בשיטת ה .Infrared Ion-Dip Spectroscopy (IR-IDS)-שיטה זו מאפשרת מדידות מאפיינים בתחום ספקטרלי מוגבל ,עקב חוסר במקורות לייזר נסרקים בתחום ה IR-בכללותו. בעבודה זו פתחנו והשתמשנו ,לראשונה ,בשיטה הכוללת שילוב של עירור רמאן מאולץ עם הנחתת יונים ) ionization-loss stimulated Raman spectroscopy (ILSRSלחקר ומיפוי קונפורמציות של ביומולקולות קטנות בפאזה הגזית. השיטה מתבססת על עירור רמאן מאולץ )) stimulated Raman excitation (SREהדורש קרן שואבת וקרן סטוקס בתחום הנראה( להכנת מצב ויברציוני מעורר במולקולה ויינונה בעזרת .R2PIבנוסף ,שיטה זו מנצלת את קירור המולקולות ,כמו גם את הבררנות וההפרדה של לייזרים בתחום הנראה ,עבור ה ,SRE-ובתחום ה ,UV-עבור ה,R2PI- כך שעל ידי ערור ויינון המולקולות בעזרת מספר קרני לייזר וגילוין בעזרת ספקטרומטר מסות ניתן לקבל ספקטרא של אופני התנודה של קונפורמרים שונים וכתוצאה מכך זיהוי של מבניהם. שיטה זו נוסתה בתחילה על מולקולת המודל מתילאמין ,CH3NH2 ,המכילה קבוצה אמינית וקבוצה מתילית .על ידי ערור המולקולה ב ILSRS-התקבל ספקטרום "טביעת האצבעות" ברמאן בתחומים 1,000 - 1,600ו .2,700 - 3,500 cm-1-ספקטרום זה הוכיח את ישימות השיטה ,כמו גם אפשר את כיול ושינוי המערכת הניסויית על מנת להתאימה לניסויים מסוג זה .לאחר מכן ,הופעלה שיטה זו על ביומולקולת ,ה-2-פנילאתילאמין ,C6H5C2H4NH2 ,המשמשת כנוירוטרנסמיטר .מולקולה זו כוללת שלד טבעתי קשיח ושרשרת צידית )המכילה שני פחמנים וקבוצה אמינית( ,אשר יכולה להסתדר במבנים שונים ועל כן הינה בעלת ארבעה קונפורמרים .בהפעלת שיטת ה ILSRS-על -2פנילאתילאמין 4 התקבלו ספקטרומי רמאן בתחומים 1,000 - 1,200וcm-1- 2,800 – 3,500עבור ארבעת הקונפורמרים .הספקטרא משתנים כפונקציה של הקונפורמר הנבדק ,כאשר השוני משתקף בהזזות או בשינוי עצמת המאפיינים הספקטרליים .תוצאות ראשוניות אלו מראות את הפוטנציאל הגבוה הטמון בשיטת ה ILSRS-ללימוד ביומולקולות בתחום ספקטרלי נרחב ,הכולל את כל אופני התנודה היסודיים, תוך שימוש במקורות לייזר זמינים יחסית. 5 תוכן עניינים תוכן עניינים6 ....................................................................................................................... רשימת איורים7 .................................................................................................................... רשימת טבלאות 9 .................................................................................................................. .1מבוא 10 .......................................................................................................................... .2שיטות העבודה 17 ............................................................................................................. 2.1ספקטרוסקופיית 17 ............................................................................................ ILSR 2.1.1עירור ויברציוני על ידי רמאן מאולץ 17 .................................................................... 2.1.2ינון רב פוטוני מוגבר תהודה 19 ............................................................................... 2.2פוטודיסוציאציה דרך עירור ויברציוני מקדים )20 ................................................... (VMP 2.2.1עירור ויברציוני ב21 ....................................................................................SRE- 2.2.2פוטודיסוציאציה 21 ............................................................................................... 2.2.3זיהוי פוטופרגמנטים ב22 ............................................................. (2 + 1) REMPI- 2.3ספקטרוסקופיית רמאן פוטואקוסטית 22 ........................................................................... 2.4מבנה המערכת 25 ........................................................................................................ 2.4.1ספקטרומטר מסות מסוג זמן מעוף 25 ........................................................................ 2.4.2קירור סילון מולקולרי של גז 28 .............................................................................. 2.4.3המערכת האופטית 32 ............................................................................................ .3מתילאמין 35 .................................................................................................................... 3.1מבוא 35 .................................................................................................................... 3.2תוצאות ודיון בתוצאות 38 ............................................................................................. 3.2.1ספקטרומי R2PIומסות 38 .................................................................................... 3.2.2ספקטרומי ,PARSפעולה ו41 ................................................................... ILSRS- 3.3דיון בתוצאות 46 ......................................................................................................... -2 .4פנילאתילאמין 48 ........................................................................................................... 4.1מבוא 48 .................................................................................................................... 4.2תוצאות 50 ................................................................................................................. 4.2.1ספקטרוסקופיית R2PIומסות 50 ............................................................................ 4.2.2ספקטרומי 52 ........................................................................................... ILSRS 4.3דיון בתוצאות 54 ......................................................................................................... .5סיכום 57 ......................................................................................................................... .6נספחים 59 ....................................................................................................................... נספח :Iפיזור רמאן ופיזור רמאן מאולץ 59 ............................................................................ נספח :IIאופני תנודה של מולקולת מתילאמין וקבוצת הסימטריה שלה 64 .................................... נספח IIIקירובים לעירור ויברציוני 66 .................................................................................. נספח :IVתוכניות 70 ............................................................................................ Matlab נספח :Vשרטוטים טכניים 72 .............................................................................................. מקורות 74 ........................................................................................................................... 6 רשימת איורים איור :1תיאור סכימטי של שיטות ה HB-וה (c) ,IR-UV (b) ,UV-UV (a) :IDS-שיטת החסרת היונים .IR-IDSהחץ העבה והדק מראים את הפוטון הנסרק באורך גל והנשמר על אורך גל קבוע, בהתאמה13 .......................................................................................................................... איור :2מבניהם של חמשת הקונפורמרים המחושבים של 59.PEAכל קונפורמר משויך לפי הסימון של לוי 25ומסודרים לפי ההבדל האנרגטי בין האחד לשני .קונפורמר Eלא נצפה בניסויים אלא רק בחישובים קוונטיים14 .......................................................................................................................... איור :3תיאור סכימטי של שיטת ה14 ............................................................................ .VMP- איור :4תיאור סכימטי של שיטת ה16 .......................................................................... .ILSRS- איור :5תיאור סכמטי של עירור ויברציוני ב ν0 .SRE-ו ν1-הם רמה ויברציונית ברמת היסוד ורמה מעוררת בהתאמה ,הקו המקווקו הוא רמה וירטואלית ωP ,ו ωS-הם תדר קרן השאיבה ותדר קרן הסטוקס בהתאמה ו ων -תדר אופן התנודה שהוא הפרש תדר השאיבה ותדר הסטוקס17 ................................. . איור :6איור סכמטי של עירור רב פוטוני של מימן בתהליך .(2+1) REMPIשני פוטונים מגיעים לרמה רזוננטית ופוטון נוסף באותו אורך גל מיינן מהרמה הרזוננטית19 ................................................... . איור :7תיאור סכמטי של תהליך ה .VMP -בשלב Iמתואר העירור הויברציוני ב ,SRE-בשלב II תהליך הפוטודיסוציאציה עם פוטון ב UV-ובשלב IIIתהליך ה (2 + 1) REMPI-של יינון הפוטופרגמנט מימן21 ........................................................................................................... . איור :8תיאור סכמטי של התא הפוטואקוסטי ששימש למדידת ספקטרומי 24 ......................... .PARS איור :9תיאור סכמטי של מערכת ה25 ..................................................................... .TOFMS - איור :10תיאור סכמטי של חלקיו הפנימיים של 26 ....................................................... .TOFMS איור :11דיאגרמת מחט הטפלון שתוכננה לצורך הזרקת התערובת לתוך ה31 ................... .TOFMS- איור :12דיאגרמת מבנה התנור שתוכנן עבור אידוי חומר מוצק או נוזלי .גליל מפלדת על חלד בעל חריר בקוטר 0.8מ"מ שדרכו זורם הארגון בלחץ גבוה ,מקושר לאמבט של החומר בלחץ אדים נמוך ,על ידי חריר בקוטר קטן יותר מ 0.8-מ"מ כך שנוצר הפרש לחצים שלילי כמו במשאבת ונטורי .מסביב לאמבט ארבע מוטות חימום לאידוי יעיל של החומר31 ........................................................................... . איור :13איור סכמטי של מבנה המערכת הניסויית האופטית ומהלך הקרנייםTime of -TOFMS . -BS ,Flight Mass Spectrometerמפצל קרן-DM ,מראה דיכרואית SHG ,גביש מכפיל של הרמוניה שנייה32 ............................................. .Personal Computer-PC ,Microsphere Plate-MSP , איור :14המבנה של מולקולת המתילאמין .כחול-חנקן ) ,(Nתכלת-פחמן ) (Cולבן-מימן )35 .......... .(H איור :15ספקטרום R2PIשל מתילאמין ב .UV-הפיקים בגרף מיצגים יינון מוגבר כתוצאה ממעבר דרך רמה רזוננטית במולקולה .הפיקים משויכים למעברים הויברציוניים ν9 ,ν7ו 0 00 -שבמצב האלקטרוני ~ המעורר 46. Aהפיקים הנראים בנוסף לנאמר ושסומנו ב a-ו b-משויכים לקווי רוטציה של מתילאמין הנמדד בטמפרטורה גבוהה יותר38 .......................................................................................... . איור :16ספקטרומי מסות של מתילאמין כפונקציה של אנרגיית לייזר ה UV-שהתקבלו בתהליך ה- ,R2PIתוך ערור ב .236.2 nm-לצד כל קו ספקטרלי נרשם השבר היוני המתאים למסה המסוימת. מוצגים ספקטרומי מסות שנמדדו באנרגיה של ) 200 µJ (c) ,100 µJ (b) ,50 µJ (aו.300 µJ (d)- באנרגיות הגבוהות (c) ,ו ,(d)-ניתן לשים לב בהגדלות בתוספת של קווים המתאימים ליוני H+ו.NH2+- 39 ..................................................................................................................................... איור :17ספקטרום מסות של מתילאמין המתקבל בעירור באורך גל של 243.135 ) ~ 41,135 cm-1 ,(nmכפונקציה של עוצמת לייזר ה .UV-באורך גל זה חל פירוק של המתילאמין ויינון פרגמנט המימן 7 דרך .(2 + 1) REMPIבאנרגיות הגבוהות מופיעים ,בנוסף ליון המימן ,גם היון המולקולרי ושבריו שנצפו באיור ) 16ראה הגדלות( ,כתוצאה מתהליכים רב פוטוניים אחרים .ב (c) ,(b) ,(a)-ו(d)- המדידות נערכו באנרגיות של 200 ,100 ,50ו ,300 µJ-בהתאמה41 .............................................. איור :18ספקטרום PARSשל מתילאמין בטמפרטורת החדר באזור 1,000 – 1,100וcm-1 – 2,700- .3,500מימין מוצגת סכימה של תהליך העירור ,כאשר הקו המקווקו מתאר את המשטח עבור מולקולת המתילאמין בסימטריה C Sוהחלק 53. C1 ,בחלק העליון של האיור מובאת הרחבה של האזור בין 2,770 – 42 ................................................................................................................ .3,000 cm-1 איור :19ספקטרא של מתילאמין (a) .ספקטרום PARSבטמפרטורת החדר ו (b)-ספקטרום פעולה מקורר .מימין ,תאור סכימטי של העירורים בתהליכים השונים44 ................................................ 53. איור :20ספקטרא ויברציוניים של מתילאמין המתקבלים בשיטות ערור שונות ) (aספקטרום ,PARS ) (bספקטרום פעולה ו .ILSRS (c)-מימין ,תאור סכימטי של התהליכים המשמשים לקבלת ספקטרא השונים46 .......................................................................................................................... . איור :21תיאור סכמטי של מבנה מולקולת הפנילאתילאמין .ניתן לראות את הטבעת הארומטית שאליה מחוברת שרשרת –CH2-CH2-וזנב אמיני .NH2תכלת-פחמן ) ,(Cכחול-חנקן ) (Nולבן מימן )48 . .(H איור :22מבנה של ארבעת הקונפורמרים של 59.PEAכל קונפורמר משויך לפי הסימון של לוי,B ,A 25 ,Cו D-והסימון של אלונסו ,AI ,GII ,GI 60ו AII-ומסודרים לפי ההבדל האנרגטי בין קונפורמר C )הנמוך ביותר באנרגיה( והאחרים49 ......................................................................................... איור :23ספקטרום R2PIשל PEAכפונקציה של מספר הגל של לייזר ה .UV-לצד כל קו ספקטרלי נרשם הזיהוי של הקונפורמר המתאים לפי הסימון של לוי 25ובסוגריים לפי הסימון של אלונסו51 ...... 60. איור :24ספקטרום מסות של -2פנילאתילאמין שהתקבל בתהליך ,R2PIתוך ערור קונפורמר Cב- (265.6 nm) 37,650 cm-1באנרגיה של .~ 2 µJלצד כל קו ספקטרלי נרשם השבר היוני המתאים למסה מסוימת52 ................................................................................................................... איור :25ספקטרום ILSRSשל ארבעת הקונפורמרים ) (A, B, C, Dשל -2פנילאתילאמין בין 3,400 ל 2,800 -ובין 1,000ל .1,200 cm-1-ניתן להבחין בהזזות של קווים באזור ה N-H-ושוני בעוצמות באזור ה C-H-כמו גם קווים המופיעים או שאינם מופיעים בקונפורמרים השונים באזור שמתחת ל- .3,000 cm-1הקווים האנכיים המקווקווים מראים את מיקומי הקווים בקונפורמר Cומאפשרים לראות את ההזזות של קווים מסוימים בשאר הקונפורמרים53 .................................................................. איור :26הקונפורמרים ) C(GIו ,B (GII)-לעומת קונפורמרי האנטי הישרים ) A (AIו.D (AII)- בשני הקונפורמרים הראשונים אטום המימן של הקבוצה האלקילאמינית יוצר קשר מימני חלש עם הטבעת הארומטית ) N-H…πקו מקווקו( ואלו בקונפורמרי האנטי קשור זה אינו קיים55 ............................60. איור :27תיאור סכמטי של פיזור רמאן .תאור הרמה האנרגטית התחלתית ,Ei ,והרמה המעוררת,Ef , כאשר הפוטון השואב מעורר את המולקולה לרמה וירטואלית והפוטון המפוזר מתקבל באנרגיה נמוכה יותר59 .............................................................................................................................. . איור :28תלות ∂µ ∂qשל המומנט הדיפולי ו ∂α ∂q -של הפולריזביליות על אופני תנודה יסודיים של פחמן דו חמצני61 ................................................................................................................ . איור :29תיאור סכמטי של עקרון פרנק-קונדון .עבור ' ' re ' > reהמעבר הויברציוני A → Bהוא המסתבר ביותר68 ................................................................................................................ . איור :30שרטוט טכני של המחט מטפלון אשר דרכה מובלת תערובת אדי החומר והגז המוליך מהתנור אל תוך ה .TOFMS-בשרטוט מוצגות מידות המחט72 ..................................................................... . איור :31שרטוט טכני של תנור הנידוף של החומר המוצק או הנוזלי בתוך ה .TOFMS-בשרטוט מוצגות המידות והחומרים מהן התנור עשוי73 ...................................................................................... . 8 רשימת טבלאות טבלה :1ריכוז תדירויות נצפות בניסוי ושיוכם על ידי התוכנה שנכתבה ב) Matlab-נספח 45 .........(IV טבלה :2תדירויות יסודיות של מתילאמין64 ............................................................................. . טבלה :3מאפייני הסימטריה של המולקולה מתילאמין65 .......................................................... 29 . 9 .1מבוא מבניהן וצורותיהן של מולקולות פעילות ביולוגיות משחקים תפקיד חשוב בקביעת בררותן ופעילותן. 1 בייחוד ,מבניהן והכוחות הפועלים בינן לבין שכנותיהן ,משפיעים על תהליך קישורן למולקולות אחרות ומאפשרים בקרת תהליכי זיהוי מולקולריים במערכות ביולוגיות .לכן ,חקירת קונפורמרים )) (conformersמולקולות זהות מבחינת הנוסחה המבנית ,מופיעות כקונפורמרים שונים, עקב סבוב של אטומים סביב קשר מסוים( של מולקולות פעילות ביולוגית וצביריהן בפאזה גזית הנו בעל חשיבות גדולה ומאפשר 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 הפכה להיות בשנים האחרונות כלי חשוב בחקר המבנה והקישור הבין אטומי ,ולחקר שינויי המבנה בקונפורמרים של מולקולות ביולוגיות. 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 ולשהות בסוגי תווך שונים במבנים שונים .עושר מבני זה של החומצות האמיניות ,הוא בעל חשיבות רבה בקביעת המבנה התלת ממדי של החלבונים וגורם לשליטה בפעילותם ובדינמיקה שלהם. האתגר העומד בפני העוסקים 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 ששיטות ,מכשירים שונים וכלי חישוב מהירים וזמינים ,כמו גם ספקטרוסקופיות שונות התפתחו עד מאוד ,עם הופעתם של לייזרים צרי סרט ,בעלי הספקים גבוהים ויכולת סריקת תדרים .פיתוחים אלו מאפשרים לשפוך אור מסוים על מערכות אלו. 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 10 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 להורדת 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 על האינטראקציות ,הדינמיקה ופעילותם ולשמש כנקודות כיול עבור מודלים תיאורטיים .לכן ,לאחרונה התאפשר לתקוף שאלות ביופיסיקליות יסודיות ולפתח מחקר ענף ועניין רב בביומולקולות קטנות, וצביריהן 9,8,7,6,1 16,15,14,13,12,11,10,3,2 או צביריהן עם מים בפאזה הגזית .הוכחה לכך ניתן לקבל מהפרסומים הרבים בנושא 18,17וממאמרים אחרים העוסקים בהורמונים ,חומצות אמיניות והקונפורמרים 1 שלהם ,אמידים ופפטידים קטנים ,חומצות גרעין ,סוכרים ,קבוצות מולקולות ממוימות ותרופות. השיטות שנמצאות בשימוש כיום לחקר המבנה והדינמיקה של מולקולות ,קונפורמרים ,איזומרים ו/או צביריהם הן ספקטרוסקופיות המבוססות על פלואורסנציה מושרית לייזר Laser Induced ,(LIF) Fluorescenceאו ינון דו-פוטוני רזוננטי מוגבר תהודה Resonantly Enhanced two 20,(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 Spectrometerאשר מאפשרים אבחון המסה 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 19,1 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 11 הקונפורמרים בעוד הקרן השנייה ,הקרן הדוגמת ) ,(UV Probeהנקבעת על אורך גל מסוים ,מאפשרת, 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 IRו,UV- 22,21,20 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 ה UV-וה IR-כך שקרן ה UV-הדוגמת נקבעת על אורך גל המתאים למאפיין ספקטרלי של אחד הקונפורמרים ,בעוד קרן הIR- נסרקת ,כך שברזוננס מתקבלת הסרה או הנחתה של מאפייניו הספקטרליים ובעצם מתקבל ספקטרום ויברציוני .שיטה זו היא בעצם שיטת ה) (IR-IDS) InfraRed Ion-Dip Spectroscopy-איור (1c המשמשת כיום לקבלת אינפורמציה על קונפורמרים שונים .הספקטרום הויברציוני הנמדד בעזרת שיטת ה IR-IDS-הוא באזור אופני התנודה של מתיחות ההידרידים ) N-H ,C-Hו .(O-H-זאת מאחר וניתן, בעיקר להשיג מקורות קרינה ב IR-מתחת ל 3.5 µm-בעזרת תהליכים לא ליניאריים בגבישי Lithium (LiNBO3) Niobateאו .(KTP) Potassium Titanium Oxide Phosphateבדיקה 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 לא ניתן לגלותם ,מפני שאין מקורות IR נוחים המאפשרים סריקה של כל התחום הספקטרלי .בייחוד ,לא ניתן לקבל את "טביעת האצבעות" הספקטרלית של הקונפורמר ,ולכן המידע המתקבל מוגבל ביותר. 12 )(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-IDSהחץ העבה והדק מראים את הפוטון הנסרק באורך גל והנשמר על אורך גל קבוע ,בהתאמה. למשל ,מידע על המבנה של טריפטופן נתקבל על ידי סימונס ועובדיו 4על ידי שימוש בשיטות ה- HBוה IR-IDS-בשילוב עם חישובים קוונטיים .ab-initio ,הם קבלו ספקטרום בליעה ב IR-עבור אזור ההידרידים ) (3,200-3,650 cm-1של קונפורמרים שונים והשוו את תדרי המתיחה של O-HוN-H- לתוצאות תיאורטיות ,כך שנמצא קשר בין המידע הנצפה למבנה הקונפורמר .כדי לקבל מידע לגבי תחום ספקטרלי נרחב יותר ,נמדדו ספקטרומי ה IR-של שלושה קונפורמרים של טריפטופן ,בתחום 330 - ,1,500 cm-1בשיטת ה ,IR-IDS-תוך שימוש בלייזר אלקטרונים חופשיים Free Electron Laser ) (FELכמקור ערור .הספקטרא ב IR-של שלושה קונפורמרים נמצאו שונים ובאזור מתחת ל700 cm-1- הראו את ההבדל הבולט ביותר .אופני התנודה המעורבים בתחום זה כוללים תנודות בעלות משרעות גדולות וגמישות ולכן אזור התדרים הנמוכים רגיש במיוחד לקונפורמרים 23.למרות שיש התאמה די טובה בין התוצאות הניסוייות לחישוביות ,יש לציין כי ההתאמה רחוקה מלהיות מושלמת וברור כי יש צורך לשפר גם את השיטות הניסיוניות וגם החישוביות כדי לקבל תוצאות טובות יותר. דוגמה לביומולקולות נוספות הן הנוירוטרנסמיטרים אשר משמשים להגברת ולמודולציה של אותות בין הנוירונים ותאים אחרים .אחת המולקולות השייכת למשפחה זו היא מולקולת -2 הפנילאתילאמין ) ,(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 לזוגות של "מוארכים" ) (antiו"מקופלים" )) (gaucheאיור .(2 13 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 25 איור :2מבניהם של חמשת הקונפורמרים המחושבים של 60.PEAכל קונפורמר משויך לפי הסימון של לוי ומסודרים לפי ההבדל האנרגטי בין האחד לשני .קונפורמר Eלא נצפה בניסויים אלא רק בחישובים קוונטיים. 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 לכל קונפורמר יש מיקומי קווים ספקטרליים ,המתאימים למעברי ה S 0 → S1 -מוזזים או שונים במיקומם מאשר קונפורמרים אחרים. שיטה רגישה נוספת ומאוד מבטיחה ,היכולה להשתמש באותן שיטות ערור לערור אופני תנודה במולקולות היא שיטת ה.(VMP) Vibrationally Mediated Photodissociation - מאפשרת את חקר הדינמיקה המולקולרית ,תוך כדי זיהוי שיטה זו H+ הפוטופרגמנטים )שברים( המתקבלים כתוצאה מעירור ויברציוני מקדים ,עירור אלקטרוני ופירוק המולקולה, כפי שמוצג באיור 28,5.3שיטה זו שימשה אותנו בשלבים הראשונים של הניסוי ,על-מנת לבדוק את כוון הקרניים ואת התנאים לקבלת אות אופטימלי .באופן כללי, H פוטודיסוציאציה או פירוק כולל עירור של מולקולת האם מרמת היסוד הויברציונית במשטח הפוטנציאל האנרגטי (PES) Potential Energy Surfaceהיסודי למשטח ברמה אלקטרונית מעוררת .פוטודיסוציאציה יכולה R –H איור :3תיאור סכימטי של שיטת ה.VMP- 14 להתרחש דרך שני סוגי פירוק בהתאם לאופיו של משטח הפוטנציאל המעורר :א( עבור משטח דוחה ) ,(Repulsiveהמאופיין על ידי ספקטרום בליעה של מולקולת האם ללא מבנה מיוחד ,מתאפשר פירוק ישיר ,בזמנים מסדר גודל של תדירות תנודה ) ,(~ 10-13 sו-ב( עבור משטח מסוג בור קושר ,המתאפיין בספקטרום בליעה עם מבנה אופייני ,מתאפשרת פרהדיסוציאציה ) ,(Predissociationשבה המולקולה דועכת לרמה נמוכה יותר והתהליך הוא יותר איטי .הרמה הנמוכה יותר יכולה להיות רמה אלקטרונית מעוררת נוספת ולהוביל לפרהדיסוציאציה אלקטרונית ) (Electronic Predissociationאו רמת היסוד ולהוביל לפרהדיסוציאציה .(Predissociation 29 ויברציונית או רוטציונית ) Rotational or Vibrational היתרון בשימוש בשיטת ה VMP-הכוללת את עירור המולקולה לרמה אלקטרונית מעוררת דרך עירור לרמת ביניים ויברציונית ,הוא שהיא מאפשרת לחקור את תהליך הפוטודיסוציאציה ,ובמיוחד את השפעת הכנת המולקולה במצב קוונטי תחילי על תוצרי הפירוק .כמו כן, היא מאפשרת לחשוף את החתימה הספקטרלית של מצב תחילי זה .פוטוליזה שמבוצעת דרך עירור לרמת הביניים הויברציונית היא דרך נוחה להצגת היחס בין המשטח הפוטנציאלי במצב היסוד למשטח המצב המעורר. שיטת ה) VMP-איור (3מאפשרת קבלת ספקטרום פעולה ) ,(actionאשר מתאר את יצור הפוטופרגמנטים כפונקציה של אורך הגל של הלייזר המעורר ויברציונית .ספקטרא ויברציוניים שמתקבלים בשיטה זו תלויים בהסתברות המעבר במהלך העירור הויברציוני ,כמו גם במקדמי פרנק- קונדון 39 )נספח (IIIהנקבעים על ידי החפיפה בין רמת הביניים הויברציונית לרמה הויברונית )רמה ויברציונית ברמה האלקטרונית( המעוררת .כאשר ספקטרומי הפעולה נמדדים בטמפרטורה וצפיפות נמוכה של המולקולות בסילון המקורר ,מקבלים איכלוס של המולקולות ברוטציות הנמוכות בלבד .דבר זה מאפשר קבלת קווים ספקטרליים ברורים יותר ,כתוצאה מצמצום ההרחבה האי הומוגנית ,דבר המאפשר ,תוך שימוש במודלים ,לזהות צימודים וזמני חיים ששולטים במנגנוני החלוקה של האנרגיה הפנימית .(IVR) Intramolecular Vibrational Energy Redistribution 30 בעבודה זו נפתח ונפעיל ,לראשונה ,שיטה אשר תתגבר על המחסור במקורות IRזמינים לצורך קבלת טביעת אצבעות ספקטרלית ייחודית למולקולה מסויימת .שיטה משלימה ל IR-לחקר ויברציות של מולקולות היא עירור רמאן מאולץ ,(SRE) Stimulated Raman Excitationאיור .4 31 בשיטה זו, 15 כאשר ההפרש בתדירויות ) 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 ionization-loss ).stimulated Raman spectroscopy (ILSRS 32 שיטת ה SRE-נוסתה כבר על ידי קבוצות 10של ספקטרוסקופיה מולקולרית ודינמית ואפילו על ידינו, 34,33 בעיקר עבור עירור יעיל של מתיחות אופני תנודה יסודיים במולקולות .למרות זאת ,למיטב ידיעתנו ,שיטת ה ILSRS-לא נוסתה על מנת לקבל ספקטרום ויברציוני בתחום ספקטרלי נרחב ,לכן ,מטרתנו במחקר זה היא לפתח ion UV probe fixed את השיטה לקבלת טביעת אצבעות ספקטרלית של מולקולות המודל מתילאמין , CH3NH2ו-2-פנילאתילאמין. מולקולת המתילאמין מכילה קבוצה מתילית ,CH3 ,וקבוצה S1 SRE scanned אמינית ,NH2 ,ועל כן ניתן לראות בה דמיון מסוים לחומצות אמיניות .מולקולת ה ,PEA-כפי שנאמר לעיל ,מכילה ארבעה S0 קונפורמרים ולכן יכולה להוות אבן בוחן לשיטה שפותחה .במהלך איור :4תיאור סכימטי של שיטת מחקר זה אנו מעוניינים לאפיין ,לפתח ולשפר את המערכת הניסויית ה.ILSRS- כדי לאתר את התנאים האופטימליים לקבלת ספקטרומי ה .ILSRS -עבודה זו כוללת תאור שיטות העבודה בפרק ,2תוצאות מתילאמין ו-2-פנילאתילאמין בפרקים 3ו ,4-בהתאמה ,ולבסוף סכום בפרק .5 16 .2שיטות העבודה 2.1ספקטרוסקופיית ILSR תיאור סכמטי של עירור בעזרת שיטת ה ILSRS-ניתן לראות באיור .4כפי שנאמר במבוא, שיטה זו כוללת שני תהליכים :עירור ויברציוני מקדים ,SRE ,ויינון דו-פוטוני רזוננטי .R2PI ,כאשר הפרשי התדירויות של הפוטונים המשתתפים בתהליך ה SRE-רזוננטיים עם תדירות ויברציה מסוימת במולקולה ברמת היסוד האלקטרונית ,הם גורמים להקטנת אוכלוסיית המולקולות הנמצאות ברמת היסוד הויברציונית ולכן מספר היונים המולקולריים הנדגמים בתהליך ה R2PI-קטן יותר ,דבר המוביל להיווצרות שקע בספקטרום )דיפ(. 2.1.1עירור ויברציוני על ידי רמאן מאולץ תיאור סכימטי של תהליך רמאן מאולץ לעירור ויברציוני ניתן באיור .5בעזרת תהליך זה ניתן, באופן עקרוני ,לעורר את אופני התנודה היסודיים של מולקולה המצויים בתחום .3,700 - 20 cm-1 35 ברור על כן ,כי ערור ויברציוני של מולקולה יכול לספק מידע ספקטרלי עשיר ,אשר ניתן להשוותו למידע ידוע ממדידות בשיטות אחרות ,או לזה המתקבל מחישובים קוונטיים )נספח .(I ω P ωS ν1 ν0 ω P − ω S = ωv איור :5תיאור סכמטי של עירור ויברציוני ב ν0 .SRE-ו ν1-הם רמה ויברציונית ברמת היסוד ורמה מעוררת בהתאמה ,הקו המקווקו הוא רמה וירטואלית ωP ,ו ωS-הם תדר קרן השאיבה ותדר קרן הסטוקס בהתאמה ו- ωνתדר אופן התנודה שהוא הפרש תדר השאיבה ותדר הסטוקס. 17 בעירור ויברציוני על ידי עירור רמאן מאולץ ,שתי קרני לייזר ,לייזר שואב בתדירות, ω P , ולייזר סטוקס בתדירות , ω S ,יוצרות אינטראקציה עם המעבר ,ν 1 ← ν 0שמתאים למעבר ממצב היסוד הויברציוני למצב מעורר .עבור הפרש התדרים , ω v = ω P − ω Sכאשר ω vהיא למעשה תדירות של מעבר רמאן פעיל ,מתרחשת אינטראקציה לא-ליניארית בין ω Pו , ω S -דרך הסוספטביליות הלא- ליניארית מסדר שלישי , χ (3 ) ,של החומר הנבדק .תופעה זו נקראת עירור רמאן מאולץ. 36 אינטראקציה פרמטרית זו מובילה להחלפת אנרגיה בין קרן השאיבה לבין קרן הסטוקס .בעבור כל פוטון סטוקס שנוצר ,מולקולה מועברת מרמת האנרגיה הנמוכה ,ν 0 ,לרמת האנרגיה הגבוהה יותר, .ν 1מספר המולקולות אשר עברו עירור לרמה אנרגטית גבוהה יותר בתהליך SREזהה לכמות הפוטונים אשר נוספו לקרן הסטוקס .כאשר קרני הלייזר אינן בעלות עוצמות חזקות דיין כדי לרוות את מעבר ה- SREניתן לקבל את המספר הזה לפי היחס במשוואה ):(1 37 dσ Γ )( , (ω − ω + ω )2 + Γ 2 4 dΩ I P I S 0 ZAS ∆t P S o 8π 2 N∆c 2 h 2 n P n S ω S4 = ∆N e )(1 כאשר Nהוא מספר הצפיפות המולקולרית ∆ ,הוא שבר ההבדל באכלוס בין הרמה העליונה לרמה הנמוכה של מעבר רמאן n P ,ו n S -מקדמי השבירה של הדגימה ב ω P -ו , ω S -בהתאמה Γ ,הוא הרוחב המלא במחצית הגובה (FWHM) Full Width at Half Maximumשל רוחב הקו ברמאן ספונטני, dσ dΩחתך הפעולה הדיפרנציאלי של פיזור רמאן I P ,ו I S (0 ) -הם עוצמות הלייזר ההתחלתיות של הקרן השואבת וקרן הסטוקס ,בהתאמה Z ,הוא המרחק שהקרניים עוברות בתוך הדגימה AS ,שטח החתך של קרן הסטוקס )בהנחה שיש חפיפה מלאה עם קרן השאיבה( ו ∆t -הוא משך זמן האינטראקציה של שתי קרני הלייזר. כפי שנאמר במבוא ,בגלל המחסור במקורות IRהניתנים לסריקה ,יש צורך בפיתוח שיטה אחרת אשר תעקוף מכשול זה .לכן ,השימוש ב SRE-מאפשר בעצם שימוש במקורות לייזר בנראה ,שהינם 18 זמינים יחסית ועל כן מאפשרים את קבלת הספקטרום הויברציוני .בנוסף ,ספקטרוסקופיית רמאן לעיתים עדיפה כאשר רוצים לצפות במעברים המתרחשים במולקולות שהמעבר הדיפולי בהן אסור. 2.1.2ינון רב פוטוני מוגבר תהודה ינון רב פוטוני,Resonantly enhanced multiphoton ionization (REMPI) , 38 מוצג באיור 6ומאופיין על ידי בליעה של mפוטונים ,הנושאים אנרגיה , mhνשהינה גבוהה מאנרגיית היינון של האטום או המולקולה הנדגמת .בתהליך ,REMPIאין צורך לעבור דרך רמה אטומית או מולקולרית אמיתית. איור :6איור סכמטי של עירור רב פוטוני של מימן בתהליך .(2+1) REMPIשני פוטונים מגיעים לרמה רזוננטית ופוטון נוסף באותו אורך גל מיינן מהרמה הרזוננטית. את התהליך ניתן לראות כסדרה של מעברים דרך רמות וירטואליות ,ובדרך כלל בעלות חתך פעולה לבליעה נמוך ,אך ברגע שאחד המעברים מתרחש דרך רמה אמיתית ,המעבר הרזוננטי מגביר מאוד את עוצמת היינון .אם רמה רזוננטית כזו מצויה ,אז התהליך מסומן כ , (n + l ) REMPI -כאשר nמיצג את מספר הפוטונים שצריך כדי להגיע לרמה הרזוננטית ,ו l -לינון מאותה רמה ,וביחד . n + l = m ההסתברות למעבר מרמה התחלתית iלרמה סופית eנתון על ידי ):(2 , iµk k µe E k − E i − hν 38 ∑ = S ie k )(2 19 כאשר µהוא המומנט הדיפולי של המעבר ו k -סוכם את כל מצבי האנרגיה בין הרמה iלרמה .eתהליכים בספקטרוסקופיה רב-פוטונית ,מעוררים אטום או מולקולה מרמה אלקטרונית ו/או ויברציונית Aלרמה אלקטרונית ו/או ויברציונית Bעל ידי בליעה של שני פוטונים או יותר בניגוד לשיטות ספקטרוסקופיות קונבנציונליות ,אשר בהן רק פוטון אחד מעורב. 39 A + 2 hν → B )(3 ניתן לזהות שתי אפשריות לתהליך רב פוטוני ,הראשון תהליך עירור )לא קוהרנטי( של מעברים מותרים של פוטון בודד עוקב כאשר שני פוטונים יכולים להיות בעלי אותה תדירות או תדירות שונה ,או תהליך בליעה סימולטני של שני פוטונים )קוהרנטי( ללא מצב ביניים רזוננטי .תהליך זה היה ידוע עוד בתחילת מכניקת הקוונטים ,אך ניתן היה לבססו רק עם התפתחות לייזרים המסוגלים לספק אנרגיה גבוהה דיה כדי לפצות על חתך הפעולה הנמוך של מעברים רב-פוטוניים .בשימוש במקורות אור רגילים, ההסתברות לקבלת מעבר דו-פוטוני נמוך ב 1020-מההסתברות לקבלת תהליך בליעה חד-פוטוני ,אך התלות של העוצמה Inבשילוב עם עליה של יותר מ 1012-בצפיפות האנרגיה של לייזרים פולסיים גורמים לכך שמעברים דו-פוטוניים ניתנים מייד לקבלה ולהבחנה. 2.2פוטודיסוציאציה דרך עירור ויברציוני מקדים )(VMP תהליך ה VMP-מתואר באיור ,7והוא כולל שלושה שלבים :שלב העירור הויברציוני )במקרה זה על ידי ,(SREשלב ערור המולקולה לרמה אלקטרונית מעוררת ופירוקה ולבסוף שלב זיהוי הפוטופרגמנטים בשיטת .(2 + 1) REMPI 20 H+ (2 + 1) REMPI 2s 2 S ~ )CH 3 NH 2 ( A שלב :II פוטודיסוציאציה 1s 2 S H שלב :III זיהוי פוטופרגמנט ν =1 ν =0 ~ ) CH 3 NH 2 ( X שלב :I עירור ויברציוני איור :7תיאור סכמטי של תהליך ה .VMP -בשלב Iמתואר העירור הויברציוני ב ,SRE-בשלב IIתהליך הפוטודיסוציאציה עם פוטון ב UV-ובשלב IIIתהליך ה (2 + 1) REMPI-של יינון הפוטופרגמנט מימן. 2.2.1עירור ויברציוני בSRE- עירור ויברציוני בוצע על ידי עירור רמאן מאולץ ,כפי שתואר בסעיף ,2.1.1על אופני תנודה המתאימים למתיחות של קשרי ה C-H-ה N-H-וה C-N-במולקולת המתילאמין .כפי שנאמר לעיל, תהליך עירור רמאן מאולץ ,המופיע באיור ) 7שלב ,(Iיוצר אינטראקציה עם מולקולות בתוך סילון הגז בתא היינון ב .TOFMS-בעבור כל פוטון של סטוקס שנוצר ,עוברת מולקולה מרמת היסוד הויברציונית לגבוהה יותר ,כך שבצורה זו מולקולות מעוררות לרמה ויברציונית מעוררת. 2.2.2פוטודיסוציאציה פוטודיסוציאציה מתוארת באיור ) 7שלב .(IIפירוק המולקולה מתבצע על ידי פוטון אחד בUV- באורך גל .~ 243.135 nmאורך הגל של פוטון ה UV-הגורם לפוטודיסוציאציה נבחר בקצה הבליעה של המולקולה .לכן ,אנרגית הפוטון אינה מספיקה כדי לעורר ביעילות דיסוציאציה של מולקולה במצב יסוד לא-ויברציוני .עירור מקדים של אופן תנודה יסודי או אוברטון גורם לבליעה מוגברת של פוטון ה- 21 5 ,UVבעיקר כאשר מקדמי FCמתאימים )נספח ,(IIIולכן תורם ליעילות גבוהה יותר של הדיסוציאציה. סיבה נוספת לבחירת אורך גל זה ) (~ 243.135 nmהיא שהוא מתאים לינון המימן שמשתחרר בתהליך הדיסוציאציה ,תוך עירור רזוננטי ב.(2 + 1) REMPI- 2.2.3זיהוי פוטופרגמנטים ב(2 + 1) REMPI- זיהוי הפוטופרגמנטים מופיע באיור ) 7שלב .(IIIהפוטו-פרגמנטים הנוצרים בתהליך הדיסוציאציה מזוהים על ידי .(2 + 1) REMPI 38 תהליך ה (2 + 1) REMPI -כולל עירור דו-פוטוני לרמת ביניים רזוננטית ופוטון נוסף מאותו הצבע עבור ינון הפוטופרגמנט .היתרון של ,REMPIמשולב עם ספקטרוסקופיית מסות ,הוא בכך שניתן לא רק לזהות פרגמנטים ,אלא גם לקבל ספקטרא של מסות נבחרות ,כך שניתן להבחין באיזוטופומרים .סריקת תדר הלייזר באזור המעבר הרצוי ומדידת זרם היונים המגיעים לגלאי משקפים את צפיפות האטומים/מולקולות והתפלגות המצב שלהם .כאשר מצב רזוננטי מגביר רק מעבר מסוים ,נקבל סלקטיביות ביינון אטומים/מולקולות שעברו עירור מקדים .השילוב של REMPIעם TOFMSמאפשר קבלת ספקטרא ברגישות וסלקטיביות .במחקר זה ,השתמשנו בשיטת (2 + 1) REMPIלדגימת מימן שהשתחרר מפירוק מולקולת המתילאמין ,תוך ערור דו-פוטוני המתאים למעבר , 1s 2 S → 2 s 2 Sבאורך גל .~ 243.135 nm 2.3ספקטרוסקופיית רמאן פוטואקוסטית בשלבים הראשונים של העבודה השתמשנו בספקטרוסקופיית רמאן פוטואקוסטית ) (PARSעל מנת לבדוק את מידת העירור של מצבי הויברציה השונים במולקולת המתילאמין .האפקט הפוטואקוסטי 40,36 הוא תהליך של יצירת גלים אקוסטיים בתווך ,שנוצרים כתוצאה מבליעת פוטונים. הרעיון העומד מאחורי התהליך הפוטואקוסטי הוא די פשוט .אור שנבלע על ידי התווך מעורר חלק מהאוכלוסייה המולקולרית ברמת היסוד לרמות אנרגטיות גבוהות יותר .רמות אלו לבסוף ידעכו דרך תהליכים קרינתיים ,או לא קרינתיים .הרכיב הלא קרינתי יצור לבסוף חום באזור העירור ,על ידי מקור האור, ויצור גלי לחץ אשר יתרחקו מהמקור .גלי הלחץ מזוהים על ידי מיקרופון .הייחודיות בשיטה זו היא באפשרות לעקוב באופן ישיר אחרי הדעיכה הלא-קרינתית ולכן זו שיטה משלימה לשיטות 22 ספקטרוסקופיות של בליעה ופלואורסנציה .שיטה זו גם רגישה מאוד ומאפשרת לגלות מעברים אופטיים אסורים ושאריות חומרים בתוך תערובת. עירור רמאן מאולץ נוצר על ידי התאמה של התדירויות של שתי קרני לייזר חופפות מרחבית וזמנית כדי שתתאמנה למעבר ויברציוני במולקולה פעילה ברמאן .הקרניים לרוב נמצאות בתחום הנראה והאות האקוסטי נוצר רק כאשר הפרש התדירויות מתאים למעבר רמאן .אז ,ניתן לומר ,כי ספקטרום PARSנוצר על ידי רישום עוצמת האות החשמלי שנוצר על ידי המיקרופון כפונקציה של הפרש התדירויות הנסרק ,לרוב ,סריקת הקרן בעלת התדר הנמוך יותר )קרן הסטוקס(. סיגנל ה PARS-נובע משינוי בלחץ אשר נוצר מרלקסציה לא קרינתית של מולקולות מעוררות. לפי משוואת המצב של גזים אידיאליים נקבל, pV = (γ − 1)U , )(4 כאשר pהוא הלחץ γ ,יחס קיבולי החום ו U -האנרגיה הטרנסלטורית הפנימית .בהנחה שכל 37 המולקולות מבצעות רלקסציה דרך תהליכים לא קרינתיים ,ההפרש בלחצים ניתן על ידי ):(5 ∆p = (γ − 1)∆U V = [(γ − 1)∆N e hω 0 ] V , )(5 כאשר ∆N eנתון במשוואה ) .(1עוצמת אות ה PARS-מושפעת גם מהגיאומטריה של התא המכיל את 37 הגז הנמדד ,לפי משוואה ):(6 S ∝ ∆x V = L LA = 1 A , )(6 כאשר ∆xהוא המרחק שהקרניים מעוררות ,משמע אורך התא V , Lהוא נפח התא ו A -הוא שטח החתך של התא .ניתן לראות ,עם כן ,כי כדי לקבל עוצמת סיגנל גבוהה ככל האפשר ,יש להקטין את שטח החתך של התא. 23 ציור סכימטי של התא ששימש למדידת ספקטרומי PARSניתן לראות באיור .8שתי קרני לייזר ה SRE-מוקדו על ידי עדשה שטוחה-קמורה בעלת רוחק מוקד של 10ס"מ אל מרכז התא הפוטואקוסטי. קרני לייזר ה SRE-נעו במקביל לאורכו של התא הפוטואקוסטי ובמאונך למיקרופון .גז מתילאמין ) (Sigma Aldrich, >99%בלחץ של כ ~ 50 Torr -הוכנס לתוך התא הפוטואקוסטי אשר נשאב תחילה על ידי משאבה רוטציונית ) (Alcatel, 2004Aעד ללחץ רקע קטן מ ,~ 30 mTorr -ולחץ העבודה בזמן הכנסת המתילאמין לתא היה ,~ 50 Torrכפי שנמדד על ידי מנומטר קיבולי )CDL31 ,(Tylan General,ונקבע על ידי קבלת סיגנל אופטימלי ומניעת התפרקויות בחומר .טמפרטורת החדר נשמרה על ידי מיזוג סביב .292 K SRE Gas inlet Gas outlet Microphone איור :8תיאור סכמטי של התא הפוטואקוסטי ששימש למדידת ספקטרומי .PARS גלי קול שנוצרו בתא הפוטו-אקוסטי ,בתהליך ה ,SRE-נקלטו על ידי המיקרופון הרגיש ) ,(Knowles BT-1759והאותות שנוצרו הוגברו על ידי מגבר מקדים ) Stanford Preamplifier, .(SR560קוטר הקרן הירוקה והאדומה )ראה בהמשך( במוקד הייתה ~ 17ו ,~ 15 µm -בהתאמה אנרגיות העבודה היו כ 47 mJ -בקרן הירוקה וכ 42 mJ -בקרן האדומה .כל האנרגיות התקבלו כך שנמנעו ככל האפשר הופעתם של אותות רקע ורווית האות. 24 2.4מבנה המערכת 2.4.1ספקטרומטר מסות מסוג זמן מעוף ספקטרומטר מסות מסוג זמן מעוף TOFMS -הוא לב המערכת ומשמש לגילוי יונים ולמדידת מסה באופן בררני. 41 מערכת ה ,TOFMS-מבוססת על דגם וילי-מקלרן Wiley-McLaren42וכוללת האצת יונים בעזרת שדה חשמלי ,בצד אחד של המערכת ,וגילויים בצד השני .חשיבותו של ה,TOFMS- בשילוב עירורים מסוגים שונים וספקטרוסקופיות שונות משמעותית ביותר עבור אנליזות של מולקולות וביומולקולות .המאפיינים של TOFMSהם רגישות גבוהה )ניתן לזהות את מרבית היונים( ,כמעט כל תחום המסות ניתן למדידה ומהירות המדידה )מודדים ספקטרום מסות בפחות משנייה(. המבנה הבסיסי של ה TOFMS-ניתן בצורה פשטנית באיור .9המבנה של הTOFMS- הליניארי כולל ,בדרך כלל ,מקור יונים וגלאי הנמצאים בקצות מנוגדים של גליל חלול )פלדת אל-חלד( הנשאב לואקום גבוה. Ion detector Gas io n s To Pump SRE UV Ionization Chamber To Pump איור :9תיאור סכמטי של מערכת ה.TOFMS - היונים מיוצרים באזור היינון של המקור )איור ,(Ionization Chamber ,9ואחר כך הם מואצים אל עבר הגלאי על ידי שתי פלטות האצה )איור .(10אם היונים מואצים על ידי שדה קבוע ,אזי כל היונים מקבלים תנע זהה ,לכן מהירויות היונים בתוך אזור המעוף החופשי ) (Drift Free Regionיהיו 25 תלויים בשבר . m qבמידה והיונים מיוננים ביחידת מטען אחת ,אז היונים הקלים יותר מגיעים לגלאי ראשונים ואחריהם יונים כבדים יותר בהתאם למסותיהם .לכן ,לאחר כל פולס של המקור מתקבל ספקטרום מסות שניתן להציגו בקלות על ידי דגימת האות המתקבל מהגלאי על ידי משקף תנודות. כפי שניתן לראות באיור ,10הפרמטרים אשר מגדירים את פעולת ה TOFMS-הן כלהלןE ex , ו E ac -הן השדות של פלטות אזורי ההוצאה ) (Extractionוההאצה ) ,(Accelerationבהתאמהd ex , הוא מרחק ההוצאה מנקודת היוצרות היונים עד להגעתם לפלטת ההוצאה ,ולבסוף d acו D -הם מרחקי אזור ההאצה והמעוף החופשי ,בהתאמה .שימוש בשני שדות נפרדים מסייע לשיפור הרזולוציה של ה- .TOFMSזמן המעוף כפונקציה של המסה ניתן לחישוב על ידי האנרגיה הקינטית שצוברים היונים באזורי השדות. איור :10תיאור סכמטי של חלקיו הפנימיים של .TOFMS בהנחה שמהירויותיהם של היונים הנוצרים אפסית ,ושהם נוצרים באותה נקודה , d exאזי האנרגיה הקינטית הכוללת , U ,שנרכשת על ידי היונים היא: U = qd ex Eex + qd ac Eac , )(7 אשר אינה תלויה במסת היונים , mאבל תלויה במטען של היון . qזמן המעוף tניתן על ידי ):(8 42 26 2 k d ac + D , 2 k d ex + k +1 m 2U t = tex + t ac + t drift = 1.02 )(8 כאשר kהוא היחס בין הפוטנציאל הכולל והפוטנציאל של אזור ההאצה ,כפי שניתן על ידי ),(9 k = (d ex Eex + d ac Eac ) / d ex Eex , )(9 והיחידות הן מיקרו שניות ) (µsעבור הזמן ,יחידות מסה אטומיות ) (amuעבור המסה ,סנטימטרים עבור המרחק ,וולט לסנטימטר ) (V/cmעבור השדות ואלקטרון וולט ) (eVעבור האנרגיה .מהמשוואות ניתן לראות כי . t ∝ m q מדד נוסף ליעילות של ספקטרומטר המסות היא הרזולוציה של המסה הגבוהה ביותר שניתנת להפרדה ביחס למסות הקרובות אליה .שני גורמים מגבילים את הרזולוציה של ה ,TOFMS-ההתפלגות המרחבית ההתחלתית והאנרגיה הקינטית ההתחלתית של היונים שנוצרו .רזולוציה מרחבית ניתנת להשגה על ידי פוקוס מרחבי ,אשר קשור לעובדה ,שיונים אשר קרובים מאוד לגלאי ) Dקטן( צוברים אנרגיה קינטית קטנה יותר ולכן נעקפים על ידי יונים בעלי Dגדול יותר .תנאי הפוקוס ניתן על ידי ):(10 42 1 d ac , D = 2d ex k 1 − k + k d ex )(10 והוא זהה עבור כל היונים ובלתי תלוי באנרגיה הכוללת של המערכת .אנו משתמשים בשדות Eex= 900 V/cmו Eac= 2.5 kV/cm-כדי לספק את תנאי הפיקוס המרחבי. המריחה הזמנית המקסימלית שמתקבלת ממהירויות התחלתיות הוא ההפרש בזמני המעוף של זוג יונים זהים הנוצרים באותו מקום עם אותה המהירות ,אך בכיוונים מנוגדים .מערכת ההאצה הכפולה מביאה את היונים לאנרגיה המקסימלית שלהם ב 5 %-מזמן המעוף שלהם .לכן ,גורם ההפרעה של 27 האנרגיה הקינטית ההתחלתית של היונים קטן יחסית לאנרגיה הקובעת את המהירות של היון בכל נקודה במעוף. ה ,TOFMS-שבו נערכו הניסויים ,הוא ספקטרומטר מסות מבנייה עצמית ,שנבנה בקבוצה על ידי מלכיאור 43והוא כולל ,בנוסף לשני שדות מאיצים ,שני זוגות פלטות הסטה ועדשת Einzelלפני איזור המעוף החופשי ,אשר עוזרות להגביר את האות על ידי מניעת היונים מלעוף אל מחוץ למסלול .מתח העבודה על עדשת ה Einzel-הוא .1 kVהגלאי ) (El-Mul, Z033שבשימוש הוא מסוג Microsphere (MSP) Plateבקוטר של " .1ה MSP-הוא למעשה מכפיל אלקטרונים ,הכולל צינורות זכוכית בקוטר 20 µm – 100הצמודים אחד לשני ,כדי ליצור פלטה דקה .שטח הפנים של צינורות הזכוכית מכוסה בחומר מוליך חלקית ,אשר יכול לשחרר אלקטרונים 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 0.7מ"מ ,נוצר שדה חשמלי חזק מאוד .כאשר היונים פוגעים במשטח הקתודה הם משחררים אלקטרונים ,המואצים בשדה החזק ופוגעים בצינורות זכוכית נוספים המשחררים אלקטרונים משניים היוצרים אלקטרונים נוספים .בדרך זו ,נוצרת מפולת אלקטרונים אשר מגבירה את הזרם ב 5-עד 6סדרי גודל .בגלל שהגלאי נמצא במתח גבוה מאוד ,תנאי העבודה שלו מחייבים לחץ עבודה קטן מ.1 x 10-5 Torr - חשוב לציין ,כי בגלל המעבר למעבדה החדשה ,בעצם היה צורך לבנות את ה TOFMS-מחדש, מאחר וכתוצאה מהמעבר היו שינויים במרחקים בין הרכיבים הפנימיים ,דבר שגרם לקצרים וכתוצאה מכך לאי יכולת לערוך מדידות כלשהן ,לכן מיקומם החדש של פלטות ההאצה היווה מרכיב הכרחי בקבלת רזולוציה ועוצמת סיגנל מקסימלית. 2.4.2קירור סילון מולקולרי של גז בניסויים עם חומר שהינו בפאזה הגזית ,כגון מתילאמין ,עבדנו כך שתערובת הגז הנבדק מצויה בגולת זכוכית מחוץ ל ,TOFMS-כאשר לחץ הסטגנציה של הגז הוא כ) Torr 760 -אטמוספרה אחת(. התערובת היא כ 10 %-מולקולות של החומר הנבדק והיתרה תווך המסייע להולכה ולקירור החומר במעברו דרך הברז הפולסי ,לרוב ,ארגון ) ,(Arאך לעיתים גם גזים אצילים אחרים .התערובת מוכנסת 28 לתוך התא דרך ברז פולסי ומחט חלולה בקוטר פנימי של 0.8מ"מ .המעבר של החומר מלחץ אטמוספרי ללחץ נמוך מאוד במערכת הוואקום ,שב ,TOFMS-יוצר סילון על קולי קר. ניתן להבין את תהליך הקירור ,תוך שימוש בחוק שימור האנרגיה .מאחר ומהירות הזרם גדולה מאוד ,החלפת האנרגיה בין הגז לדפנות זניחה ואפשר להתייחס להתפשטות הגז כתהליך אדיאבטי .ולכן 36 הביטוי לשימור האנרגיה הוא: U 0 + p0V0 + 12 mu02 = U + pV + 12 mu 2 , )(11 כאשר U 0היא האנרגיה הפנימית של מול חומר בגולה מחוץ לתא p0V0 ,האנרגיה הפוטנציאלית שלו ו- mu02 2האנרגיה הקינטית שלו .היות וזרם הגז במחט בתוך התא יכול להיחשב כזניח ,ביחס לזה שבגולה ,ניתן להניח שיווי משקל תרמי ולכן . u0 = 0היות והגז מתפשט בתוך התא ,הלחץ בהתפשטות קטן מאוד ביחס ללחץ במאגר ) ,( p << p0ולכן כאשר , p = 0בקירוב ,אזי U 0 + p0V0 = U + 12 mu 2 . )(12 משוואה זו מראה כי מתקבלת "קרן מולקולרית קרה" עם אנרגיה פנימית Uנמוכה כאשר רוב האנרגיה ההתחלתית מומרת לאנרגית זרימה קינטית . mu 2 2מהירות הזרימה במקרה זה יכולה להיות גבוהה יותר ממהירות הקול .אי לכך ,המהירות המקסימלית ניתנת על ידי 2kτ γ , m γ −1 =u )(13 כאשר - τטמפרטורת הסילון ו - γ -יחס קיבולי החום של התווך המוליך . γ = C P CVלמשל ,עבור ארגון , γ = 5 3 ,המוביל למהירות מקסימלית של .558 m/sלכן ,בגלל שבטמפרטורת החדר ,האנרגיה 29 הפנימית והאנרגיה הפוטנציאלית של החומר בגולה גדולה וכפי שראינו גם האנרגיה הקינטית של הגז בואקום גדולה ,הרי שהאנרגיה הפנימית חייבת להיות נמוכה; כלומר שהטמפרטורה האלקטרונית, הויברציונית והרוטציונית של הגז המוזרם לתוך תא הואקום נמוכה .הביטוי הכמותי לטמפרטורה נקבע לכן לפי הביטוי הבא: 44,38 γ −1 γ . τ P = τ 0 P0 )(14 למולקולות רב אטומיות יחס קיבול החום קטן יותר וכתוצאה מכך קירור הסילון העל-קולי פחות יעיל .לכן ,מדללים את הגז הנבדק בארגון .ארגון מתקרר לטמפרטורות נמוכות ואחר כך על ידי התנגשויות מקרר את הגז הנבדק .בגלל שארגון הוא גז חד אטומי ,אין לו דרגת חופש ויברציונית ולכן, בהתנגשויות אלו יורדת קודם הטמפרטורה הרוטציונית של הגז הנבדק .לפי מדידות שבוצעו במערכת שלנו ,מדידות ספקטרליות וסימולציות של ספקטרום הפעולה של הויברציה היסודית של המתיחה הסימטרית של קשר N–Hבמתילאמין ,נמצא כי הטמפרטורה הרוטציונית היא .~ 12 K מאחר ואנו מעוניינים לדגום רק את המולקולות המקוררות ,הרי שיש לוודא שרק הן יהיו באזור האינטראקציה .לכן ,הזרמת הגז מתבצעת דרך מחט מטפלון הנמצאת מעל מרכז פלטות ההאצה .במוצא המחט ,המולקולות הקרות ממשיכות עוד כ 1.5-ס"מ ומגיעות למוקד משותף של קרני ה SRE-וקרן ה- .UVעל ידי שליטה אלקטרונית במשך הפתיחה של הברז ובהשהיה של פתיחתו ביחס לפולסי הלייזר, ניתן לסנכרן את הגעת הסילון הקר לאזור הפוקוס של הלייזרים ,ללחץ ולטמפרטורות העבודה הדרושים. לצורך קבלת סיגנל אופטימלי והורדת הרעש של סילון חם ככל האפשר ,היה צורך לבדוק דגמים שונים של מחטים אשר דרכם יוזרם החומר הנבדק והתווך המוליך שלו .החל מסקימר קוני בעל חריר בקוטר פנימי של 0.8מ"מ במוצא הברז הפולסי ,מחט מפלדת אל חלד בקוטר פנימי של 0.8מ"מ ,אשר הכניסה סיבוך נוסף למערכת בכך שהיא נטתה לצבור מטענים בחוד ולכן היה צורך להפעיל עליה מתח כדי לדחות את היונים שמצטברים עליה .לכן ,כדי לעמוד בדרישות המערכת לואקום גבוה ועמידות 30 לטמפרטורה גבוהה וחומר שאינו מוליך ,נמצא כי מחט מטפלון )איור ,(11בעלת קוטר פנימי של 0.8מ"מ היא המועמד הטוב ביותר )ראה שרטוט טכני בנספח .(V איור :11דיאגרמת מחט הטפלון שתוכננה לצורך הזרקת התערובת לתוך ה.TOFMS- בניסויים שנערכו עם חומר שמצוי בפאזה המוצקה או הנוזלית היה צורך להכניס את החומר לתוך ה TOFMS-בצורה שונה .כאן ,היה צורך לתכנן תנור ,אשר יכיל את החומר הנבדק ,כך שעל ידי חימומו יהיה ניתן לאדות את החומר ולהעלות את לחץ האדים .הזרמת הארגון דרך הברז הפולסי ואחר כך דרך התנור אפשרה סחיפה של החומר הנבדק אל תוך ה ,TOFMS-כאשר המעבר לאזור האינטראקציה נעשה גם כאן דרך מחט מטפלון .באיור 12ניתן לראות מבנה סכמטי של התנור )ראה שרטוט טכני בנספח .(V איור :12דיאגרמת מבנה התנור שתוכנן עבור אידוי חומר מוצק או נוזלי .גליל מפלדת על חלד בעל חריר בקוטר 0.8מ"מ שדרכו זורם הארגון בלחץ גבוה ,מקושר לאמבט של החומר בלחץ אדים נמוך ,על ידי חריר בקוטר קטן יותר מ 0.8-מ"מ כך שנוצר הפרש לחצים שלילי כמו במשאבת ונטורי .מסביב לאמבט ארבע מוטות חימום לאידוי יעיל של החומר. 31 2.4.3המערכת האופטית מערך הניסוי הכולל מתואר באיור .13המערכת הניסויית לניסויי ה ILSRS-וה VMP-כמעט זהות וכוללת שני לייזרים ,ספקטרומטר מסות מסוג זמן מעוף TOFMSמדגם Wiley-McLaren ומערכת תזמון ואיסוף נתונים. Photoacoustic Cell Confocal Telescope Nd:YAG Laser/Dye laser/SHG D M M D Microphone UV PreAmp DelayGenerator TOFMS MSP HV PowerSupply HV PowerSupply HV PowerSupply Turbo Molecular Pump HV PowerSupply Turbo Molecular Pump Pulsed valve BoxCar Averager Dye laser M D PC BS Red Nd:YAG Laser/SHG 532 Oscilloscope איור :13איור סכמטי של מבנה המערכת הניסויית האופטית ומהלך הקרנייםTime of Flight -TOFMS . -BS ,Mass Spectrometerמפצל קרן-DM ,מראה דיכרואית SHG ,גביש מכפיל של הרמוניה שנייה, .Personal Computer-PC ,Microsphere Plate-MSP הלייזר הראשון ,שמשמש לפירוק המולקולה ויינון הפוטופרגמנטים או ליינון המולקולה ,הוא לייזר ,(Continuum, Powerlite 7010) Nd:YAGכאשר ההרמוניה השלישית שלו,355 nm , שואבת לייזר צבע ) .(Lambda Physics, Scanmate FL3002הצבע הנשאב הוא תמהיל של 460מ"ג Coumarine 102או 1גר' Coumarine 153בליטר מתנול ,המאפשר קבלת קרן בתחום הנראה באורכי גל של ~ 470 - 490ו ,~ 530 - 560 nm -בהתאמה .קרן זו מוכפלת על ידי גביש Beta 32 ,(BBO) β -BaB2O4 , Barium Borateאשר נותן במוצא קרן בתחום ה UV-באורכי גל של ~ 235- 245ו ,~ 265-280 nm-בהתאמה ,כך שעל ידי שינוי זווית השריג בלייזר ניתן לבחור את אורך הגל, בהתאם למולקולה או לשבר שאותו רוצים ליינן .במוצא ,קרן לייזר ה UV-מוגדלת על ידי טלסקופ 2X ולאחר מכן ,מופרדת קרן ה UV-מהקרן היסודית על ידי שתי מראות דיכרואיות .בנוסף ,צמצם שעומד בדרכה של הקרן נותן אפשרות לבחור את גודל הקרן .לאחר מכן ,קרן ה UV-ממוקדת על ידי עדשה שטוחה-קמורה ) (Plano-Convexברוחק מוקד של 40ס"מ .הקוטר של קרן ה UV-במוקד והאנרגית שלה היו כ ~ 124 µm -ו ,~ 50 µJ-בהתאמה .האנרגיה נשמרה על ערכים נמוכים אלו כדי למנוע ככל האפשר הופעתם של תהליכי יינון אחרים לא רצויים ולכן אותות רקע ורווית האות .כדי להביא את קרן ה UV-למרכז הסילון ,היא כוונה כך שהתקבל אות מקסימלי של היון המולקולרי .הרוחב הספקטרלי של הקרן בלייזר הצבע 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 , מפוצלת על ידי מפצל קרן , 20/80 (BS) BeamSplitterכך ש 20 %-מעצמת הקרן משמשת כω P - ו 80 %-לשאיבת לייזר צבע ) (Continuum, ND6000המספק את קרן ה ω S -הנסרקת .הצבע הנשאב הוא תמהיל של 100מ"ג DCMאו 120מ"ג רודמין ) (Rhodamine 6Gבליטר מתנול ,לקבלת קרן אדומה בתחום הנראה באורכי גל של 620 - 650ו ,560 - 600 nm-בהתאמה .הרוחב הספקטרלי של הקרן הירוקה הוא ~ 0.15 cm-1ובלייזר הצבע .~ 0.08 cm-1 שתי קרני הלייזר של ה SRE-שהגיעו מכוון מנוגד לקרן ה ,UV-מוקדו על ידי עדשה שטוחה- קמורה ) (Plano-Convexבעלת רוחק מוקד של 75ס"מ .קוטרי הקרניים ,הירוקה והאדומה ,במוקד הן ~ 102ו ,~ 124 µm-בהתאמה .אנרגיות העבודה היו ~ 47ו ~ 42 mJ-עבור הקרן הירוקה והאדומה, בהתאמה .אנרגיות אלו נשמרו על הערכים הללו ,לאחר בדיקה בה מצאנו כי אנרגיות גבוהות יותר גורמות ליינון של המולקולה הנבדקת ועל כן להופעתם של אותות לא רצויים .כדי להביא את כל הקרניים למוקד משותף ,תחילה כוון המיקוד של קרני ה SRE-ואחר כך של קרן ה ,UV-עד לקבלת אות מקסימלי עבור היון המולקולרי .כן היה צורך לדאוג לכך שקרני תהליך ה SRE-יחפפו מרחבית וזמנית ,כאשר החפיפה הזמנית הושגה על ידי הארכת המרחק האופטי שהקרן השואבת עוברת .קרן ה UV-תוזמנה כך 33 שעוקבה כ ~ 15 ns-מקרני ה SRE-על ידי מחולל השהיות ) Stanford Research Systems, (DG535כדי שימנע תהליך יינון REMPIמלא ושימנעו תהליכי יינון רב פוטוניים אחרים לא רצויים. כל תהליכי המדידה ואיסוף הנתונים התרחשו בקצב של 10הרץ. קרני לייזר ה SRE-וה UV-נעו במאונך ל TOFMS-ובמאונך לכיוון התפשטות הגז .תערובת של 10 %מתילאמין (Sigma Aldrich, > 99 %) CH3NH2ב 90%-ארגון )(Maxima, >99% הוכנסה לתוך ה ,TOFMS-ובניסוי אחר על ביומולקולה-2 ,פנילאתילאמין )(Sigma Aldrich, > 98 % שנמצא בתנור שנבנה במיוחד וארגון מוזרם ישירות בלחץ של 4.5אטמוספרות ,דרך מחט מטפלון על ידי ברז פולסי ) .(Parker, General Valve, 9תזמון פתיחת הברז בוצע 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 ~ 1x10-8 ,Torrולחץ העבודה בזמן הכנסת תערובת המתילאמין ובזמן העבודה עם PEAבאזור התגובה היה ~ 5 x 10-6ו ,~ 8 x 10-6 Torr-בהתאמה ) ,(Granville-Phillipsונקבע על ידי קבלת סיגנל אופטימלי וריכוז מולקולרי נאות. יונים שנוצרו בתא התגובה ,הואצו על ידי פלטות האצה אל אזור הסחיפה החופשי עד להגעתם לבסוף לגלאי ה .MSP-האות מהגלאי הוכנס לתוך מערכת איסוף נתונים BoxCar Integrator ) ,(Stanford Research Systems, SR250, SR280ומשקף תנודות ) ,(LeCroy, 9374ולבסוף למחשב אישי על ידי ממיר אנלוגי/דיגיטלי ) .(ECON, DT9816כל נקודה בספקטרום נלקחה כממוצע של שלושים פעימות .איסוף המידע במחשב האישי בוצע על ידי תוכנה שנכתבה ב Matlab-למערכת ההמרה. 34 .3מתילאמין 3.1מבוא מתילאמין ) CH3NH2איור (14היא מולקולה חשובה מאוד בסינתזה אורגנית ובתהליכים ביולוגיים .המולקולה היא מולקולת סביבון אסימטרי ושייכת לקבוצת הסימטריה ) C Sראה נספח 45,29 .(II אופני התנודה היסודיים הם מסוג סימטרי ' Aומסוג אסימטרי ' ' Aוניתנים לעירור ב– IRוגם ברמאן ,כאשר עירור אופני תנודה מסימטריה ' Aמועדף על ידי רמאן. מולקולת היא המתילאמין מועמדת H מעניינת בגלל שיש לה שתי אמפליטודות תנועה גדולות ומצומדות :הפיתול של הקבוצה המתילית, וההיפוך של הקבוצה האמינית. 46 מזה H N C מולקולה זו גם עוררה עניין והובילה לחקירת דרכי פירוקה בתחום ה.UV- H H H 48,47 עשרות איור :14המבנה של מולקולת המתילאמין .כחול-חנקן ) ,(Nתכלת-פחמן ) (Cולבן-מימן ).(H שמולקולת שנים, המתילאמין נחקרת אך התמונה רחוקה מלהיות שלמה .מיכאל ונויס 49חקרו את פירוק המולקולה בעזרת מנורה בעלת תחום ספקטרלי רחב ) 194 - 244 (nmומצאו ארבעה ערוצי דיסוציאציה עיקריים :הערוץ הדומיננטי דרך קשר ה N-H-האחראי לכ75 %- מהפירוק ,קשר ה ,~ 7.5 % C-H-שחרור מימן מולקולרי מהקבוצה האמינית קטן מ 10 %-וערוץ קטן מאוד של שבירת קשר ה C-N-היוצר פרגמנטי מתיל ואמין. לאחרונה ,בטלר ועובדיה 50 חקרו את המולקולה תחת תנאים ללא התנגשויות על ידי קרן מולקולרית ולייזר באורך גל של 222 nmומצאו שהערוץ העיקרי הוא פירוק קשר ה ,N-H-בעוד הערוצים האחרים של שבירת קשרי ה C-N ,C-H-ושחרור H2גם כן משמעותיים .מצד שני ,אשפולד ועובדיו 51 בחרו שלושה אורכי גל שונים לפוטודיסוציאציה 225.4 ,233.3 :ו 219.0 nm-של שלושת האיזוטופומרים של מתילאמין ) (CH3ND2, CD3NH2, CD3ND2והשתמשו בספקטרוסקופיה טרנסלטורית ברזולוציה גבוהה כשיטת גלוי של אטומי רידברג (D)Hכדי להוכיח שרוב המימנים 35 המתקבלים ,פוטופרגמנטי (D)Hאיטיים או מהירים ,נובעים מפירוק קשרי .(N-D)N-Hשתי התרומות מתקבלות מאטומי מימן אשר עוברים מנהור דרך )או מעל( מחסום מוקדם בדיסוציאציה של קשר N-H ~ והתפתחות לתוך אזור של חתך קוני (CI) Conical Intersectionבין משטחי המצב Aוהמצב המעורר ~ . Xהאטומים Hהמהירים שויכו למולקולות אשר עוברות ישירות דרך ה CI-אל אסימפטוטת ה- ) ( ~ , H + CH 3 NH Xבעוד האטומים האיטיים ,אלו "שמפספסים" את ה CI-בתנועה הראשונית ,עוברים ~ ~ את המעבר A → Xבשלב מאוחר יותר .לאחרונה, 52 קבוצתנו הראתה שבפירוק ב ~ 243.1 nm -של מולקולות CD3NH2מעוררת ויברציונית לאוברטון הראשון של ויברציית ה N-H-כ 90 % -מהתוצרים הנצפים )רק איזוטופי מימן נמדדו( הם פרגמנטי Hשהשתחררו מהקבוצה האמינית. תוצאות ניסויים אלה נתמכו על ידי חישובים תיאורטיים .למשל ,חישובים קוונטיים ab-initio שבוצעו על ידי קאסאב ועובדיו 53הראו מחסומים קטנים במצב המעורר לאורך קואורדינטות הפירוק של קשרי ה C-N-וה .N-H-הם הציעו שלמרות שקשר ה C-N-חלש יותר מקשר ה ,N-H-במצב המעורר, ~ המחסום לפירוק קשר זה ממשטח Aגדול יותר מאשר לפירוק ,N-Hאשר מוביל ליעילות גבוהה יותר של פירוק קשר ה N-H-בעירור לרמה מעוררת ראשונה .דן ומורוקומה 54הציעו שעירור של האלקטרון הבודד בחנקן ,לאורביטל רידברג ,3sיוצר מצב מעורר אשר מתערבב עם רמות אלקטרוניות אחרות ומתפרק דרך פירוק קשר C-N ,N-Hאו .C-Hהם הציגו חתכים ,על ידי חישובים קוונטיים ,ab-initio ~ ~ של משטחי האנרגיה הפוטנציאלית של הרמות האלקטרוניות Aו , X -המראים שהפוטנציאל של רמה ~ Aעבור פירוק קשרי C-Nו N-H-מאופיין על ידי מחסום קטן ואחר כך על ידי הצטלבות קונית עם ~ הרמה Xבגיאומטריות אשר ה NH2-ואחד מקשרי ה C-H-הם על אותו מישור ).(Coplanar 34,33 יתרה מזו ,ניסויים ראשוניים שנערכו בקבוצתנו הראו כי פוטודיסוציאציה או ינון פוטוני באורך גל של ~ 243.1 nmשל מתילאמין העובר עירור מוקדם למתיחת תנודה יסודית של C-Hאו קומבינציה ואוברטונים של כפוף או פיתול ה CH3-אפשרית ,ותלויה באופיו של המצב התחילי ,כאשר הכנת מצבים הכוללים ערור של כפוף או פיתול יעילים יותר .ממצאים אלו רמזו על התנהגות יוצאת דופן, כאשר תהליך ה IVR-אינו מושלם בסקלה זמנית של ננו שניות במולקולה יחסית גדולה בעלת שבעה 36 אטומים עם דרגת חופש של פיתול .בנוסף נבדקה ההשפעה של עירור ויברציוני מקדים של מתיחות יסודיות של קשרי ה N-H-על ערוץ הדיסוציאציה של מימן במולקולה. בנוסף ,יש לציין עבודה שהתבצעה לאחרונה על ידי באיק וחבריו, 55,47 אשר מצאה תשובה לויכוח ארוך שניטש בין מחקרים שונים על מיקומם של קווי המוצא של קווים ספקטרליים המתאימים למעבר לרמה האלקטרונית המעוררת .על ידי שימוש בשיטת (1 + 1) REMPIהם הצליחו לקבל ~ ~ ספקטרום של מתילאמין והאיזוטופולוגים שלו עבור המעבר . A → Xהם קיבלו ספקטרא ברזולוציה טובה מאוד ובטמפרטורה של .~ 3 Kבספקטרום המתילאמין שהם הציגו ,הם סרקו את האזור - 41,500 44,500 cm-1והציגו סדרה של קווים רחבים יחסית .עבור האיזוטופולוג CH3ND2 ,נמצאו קווים הרבה יותר צרים ,דבר שהעיד על זמן חיים מסדר גודל של ,8.8לעומת ~ 0.4 psעבור מתילאמין .זמני חיים אלו משקפים את האפשרות להמצאות מחסום פוטנציאל בקשר ,N - Xכאשר עבור X = H ההסתברות למנהור גבוהה יותר ,והתהליך מתרחש במהירות רבה יותר. כמו כן ,באיק וחבריו 56 48 מדדו על ידי (1 + 1) REMPIמשולב בספקטרוסקופיית מסות את פוטנציאל היינון של מולקולת מתילאמין ומצאו כי היא .9.0422 ± 0.0012 eVעוד מצאו כי בדומה למתילאמין במצב 3sמעורר ,גם ביון הקבוצה האמינית מסתובבת כמעט באופן חופשי ביחס לקבוצה המתילית )סביב הקשר (C-Nוכי תדירויות תנודת הפיתול של הקבוצה האמינית ורעידות הקבוצה המתילית במצב מיונן הם 738ו ,1,013 cm-1-בהתאמה. על פי נתונים אלו, 56 ניתן לראות כי יש צורך באורך גל של ) ~ 137 nmתחום (VUVכדי ליינן את המולקולה בפוטון אחד ואילו על ידי שיטת (1 + 1) REMPIניתן להשתמש במקורות זמינים המייצרים אורכי גל נוחים יחסית כדי ליינן את המולקולה .בעירור דו פוטוני ) (10.5 eVשל מתילאמין, ~ מרמת היסוד , Xבאורך גל של ~ 236.2 nmהמתאים ל ~ 42,338 cm-1 -המולקולה מעוררת לרמה ~ הויברונית ν9ב , A -ולבסוף מיוננת. 37 3.2תוצאות ודיון בתוצאות 3.2.1ספקטרומי R2PIומסות באיור 15ניתן לראות ספקטרום יינון של מתילאמין בסריקת R2PIב UV-בתחום – 42,845 47 .(233.4 - 242.7 nm) 41,203 cm-1ספקטרום זה מתאים לזה שנמדד על ידי קים ועובדיו. ניתן לראות שלושה קווים ספקטרליים דומיננטיים ב ,~ 42,337 ,~ 42,698 -וב~ ) ~ 41,684 cm-1 - ~ 236.2 ,234.2וב .(~ 239.9 nm -קווים אלו משויכים לערור של מצבי ויברציה שונים המצויים ~ במצב האלקטרוני Aהכוללים מעברים לרמות ν9 ,ν7ו , 0 00 -לפי זיהוים של קים ועובדיו. 47 ν9 0 )Intensity (arb. units 00 ν7 a b 42800 42600 42400 42200 42000 41800 41600 41400 41200 -1 ) Wavenumbers (cm איור :15ספקטרום R2PIשל מתילאמין ב .UV-הפיקים בגרף מיצגים יינון מוגבר כתוצאה ממעבר דרך רמה רזוננטית במולקולה .הפיקים משויכים למעברים הויברציוניים ν9 ,ν7ו 0 00 -שבמצב האלקטרוני 38 ~ המעורר 47. Aהפיקים הנראים בנוסף לנאמר ושסומנו ב a-ו b-משויכים לקווי רוטציה של מתילאמין הנמדד בטמפרטורה גבוהה יותר. דרך מעברים אלו מתרחש יינון של מולקולת המתילאמין ביעילות גבוהה יחסית ולכן נבחר אורך הגל של (236.2 nm) ~ 42,337 cm-1דרך ν9ליינון המולקולה בניסויי ה.ILSRS- איור 16מראה חלק מספקטרום המסות של מתילאמין ,מעורר ב R2PI-ב~ 42,337 cm-1 - ) ,(~ 236.2 nmכפונקציה של אנרגיית לייזר ה .UV-ניתן לראות כי הספקטרא מאופיינים בארבעה פיקים הכוללים את היון המולקולרי ,CH3NH2+ ,ושלושה שברים הכוללים את יוני ה,CH3NH+- CH3N+ו ,CH2N+-הנובעים כל אחד מאיבוד אטום מימן נוסף. )(b )(a + CH3N + CH2N + CH3NH + CH3N + CH2N + CH3NH )Intensity (arb. units + CH3NH2 + CH3NH2 )(c )(d + + CH3N CHN x25 x20 + NH2 + CH3NH2 + H + 0 3 6 9 12 15 18 CH2N CH NH+ 3 + NH2 + H 0 3 6 9 12 15 18 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 )Mass (m/z איור :16ספקטרומי מסות של מתילאמין כפונקציה של אנרגיית לייזר ה UV-שהתקבלו בתהליך ה,R2PI- תוך ערור ב .236.2 nm-לצד כל קו ספקטרלי נרשם השבר היוני המתאים למסה המסוימת .מוצגים ספקטרומי מסות שנמדדו באנרגיה של ) 200 µJ (c) ,100 µJ (b) ,50 µJ (aו .300 µJ (d)-באנרגיות הגבוהות (c) ,ו ,(d)-ניתן לשים לב בהגדלות בתוספת של קווים המתאימים ליוני H+ו.NH2+- 39 מהשוואת הספקטרא באנרגיות השונות מייד ניתן לראות כי היון המולקולרי ) (CH3NH2+בולט ביותר באנרגיה של 50 µJואילו היונים האחרים הולכים וגדלים עם העלאת האנרגיה .דבר זה מעיד על כך שהיון המולקולרי מתפרק באנרגיות הגבוהות יותר ובעצם על אובדן של יונים מולקולריים .לכן, ברור מכאן כי עדיף לעבוד באנרגית לייזר מיינן נמוכה ,כך שהיינון של היון המולקולרי בתהליך הIDS - יהיה אופטימלי .בנוסף ,באנרגיות הגבוהות ניתן לשים לב להופעתם של שברים נוספים NH2+וH+- בגרפים של האזורים המוגדלים. מאחר וערכנו ניסויים גם באורך גל של ,(243.135 nm) 41,135 cm-1בחנו את תהליך היינון גם באורך גל זה .באורך גל זה יכולה מולקולת המתילאמין להתפרק ופרגמנט המימן יכול להתיינן ביעילות ,דרך תהליך .(2 + 1) REMPIאיור 17מראה את ספקטרום המסות של מתילאמין ,מעורר ב- ,(243.135 nm) ~ 41,135 cm-1כפונקציה של אנרגיית לייזר ה .UV-מייד ניתן לראות כי הספקטרא מאופיינים בפיק אחד דומיננטי שהוא משויך ליון המימן ובאנרגיות גבוהות יותר ,ניתן לראות הופעה של פיקים נוספים המתאימים ליון המולקולרי ,CH3NH2+ ,ולשלושה שברים הכוללים את יוני ה,CH3NH+- CH3N+ו .CH2N+-מהשוואת הספקטרא באנרגיות השונות מייד ניתן לראות כי היון המולקולרי ) (CH3NH2+בולט פחות באנרגיה של 100 µJואילו היונים האחרים הולכים וגדלים עם העלאת האנרגיה ,דבר המעיד על כך שהיון המולקולרי מתפרק באנרגיות הגבוהות יותר ובעצם על אובדן של יונים מולקולריים .לכן ,ברור מכאן כי עדיף לעבוד באנרגיה נמוכה בין 100ל ,200 µJ -כך שהיינון של היון המולקולרי יהיה קטן בתהליך ה VMP-וינון המימן יהיה אופטימלי. 40 )(b )(a + H x13 31 32 29 30 32 28 31 29 30 )(d )(c + H x13 32 35 31 30 25 30 20 29 15 + 28 10 x13 H 5 32 35 0 31 30 25 30 20 29 15 10 28 5 0 )Mass (m/z איור :17ספקטרום מסות של מתילאמין המתקבל בעירור באורך גל של ,(243.135 nm) ~ 41,135 cm-1 כפונקציה של עוצמת לייזר ה .UV-באורך גל זה חל פירוק של המתילאמין ויינון פרגמנט המימן דרך (2 + .1) REMPIבאנרגיות הגבוהות מופיעים ,בנוסף ליון המימן ,גם היון המולקולרי ושבריו שנצפו באיור 16 )ראה הגדלות( ,כתוצאה מתהליכים רב פוטוניים אחרים .ב (c) ,(b) ,(a)-ו (d)-המדידות נערכו באנרגיות של 200 ,100 ,50ו ,300 µJ-בהתאמה. 3.2.2ספקטרומי ,PARSפעולה וILSRS- באיור 18מוצג ספקטרום ה PARS-של מתילאמין ,בטמפרטורת החדר ,בתחום - 3,500 2,700ו .1,000 – 1,100 cm-1 -יש לציין כי על אף שנסרק התחום 1,000 – 1,600 cm-1מצאנו את קו רק באזור 1,044 cm-1ולכן רק האזור שצוין מוצג באיור .18בספקטרום המוצג ניתן לראות באזור 3,200 - 3,500 cm-1את ענפי ה Q-של המעברים המתאימים למתיחת ה N-H-הסימטרית ν1בקבוצה האמינית שמתאימה ל) 3,360 cm-1 -ראה נספח .(IIבנוסף ,ניתן לראות את המעברים הדומיננטיים 41 )Intensity (arb. units x13 28 המתאימים למתיחות קשר ה) C-H-המתיחה המנוונת ,ν2 ,והסימטרית ,ν3 ,ב 2,961-ו,2,820 cm-1- בהתאמה( .כמו כן ,ניתן להבחין במספר קוים נוספים ,שאינם מתאימים לתדירויות היסודיות של אופני התנודה של המולקולה )נספח .(IIכפי שניתן לראות קווים אלו חלשים יותר ומתאימים לאוברטונים או לקומבינציות של ויברציות יסודיות אחרות והם שויכו על ידי חישוב המעברים האפשריים באזור אנרגטי זה ,תוך שימוש בתוכנה )נספח (IVשנכתבה על ידינו .שיוך קווים אלו מצוין בחלק העליון המורחב של איור 18ובהמשך בטבלה .1בנוסף ,ניתן לראות את אזור ה 1,000 cm-1-מופיע קו נוסף שמתאים למתיחת קשר ה ,ν8 ,C-N-ב .1,044 cm-1-חשוב לציין כי ספקטרום ה PARS-מתקבל כתוצאה מעירור ה ,SRE-המתואר בצד ימין של איור 18והוא למעשה משקף יעילות ערור זה. 2ν12 ν5+ν6 2ν6 )Intensity (arb. units ν1 virtual level 3000 2950 2900 2850 ν2 2800 ν3 ν8 v’=1 v’’= 0 3400 3000 3200 2800 1000 -1 ) Wavenumber (cm איור :18ספקטרום PARSשל מתילאמין בטמפרטורת החדר באזור 1,000 – 1,100וcm-1 – 2,700- .3,500מימין מוצגת סכימה של תהליך העירור ,כאשר הקו המקווקו מתאר את המשטח עבור מולקולת המתילאמין בסימטריה C Sוהחלק. C1 , 54 בחלק העליון של האיור מובאת הרחבה של האזור בין – 2,770 .3,000 cm-1 42 באיור 19ניתן לראות את ספקטרום ה PARS-של מתילאמין ) (aוספקטרום הפעולה ) ,(bאשר התקבל תוך שימוש בשיטת ה .VMP-ספקטרום הפעולה משקף ,למעשה ,את פליטת הפוטופרגמנטים )מימנים( כפונקציה של העירור הויברציוני ב .SRE-מיד בולט שבכל פעם שאופן תנודה כלשהו מעורר, כמות המימנים שמשתחררת כתוצאה מתהליך הפרוק עולה .יחד עם זאת ניתן לראות שבספקטרום הפעולה מופיעים מספר קוים נוספים ושגודלם של הקווים בספקטרום הפעולה אינו בהכרח זהה לזה שבספקטרום ה .PARS-בולטים במיוחד הם הקווים המתאימים ל ν5 + ν6 -ול) 2ν6-אופני תנודה המתאימים לדפורמציה של (CH3באיור ) ,19(bבהם האות המתקבל מאטומי המימן מוגבר יותר והם מגיעים לעוצמה מסדר גודל של הקווים הדומיננטיים .מאחר וספקטרום הפעולה תלוי לא רק ביעילות העירור הויברציוני ,אלא גם בעירור לרמה הויברונית ,הרי שמקדמי פרנק-קונדון )נספח (IIIבמעברים אלו מועדפים .הווה אומר שיש שחרור מימנים מוגבר עקב ערור מועדף ב ,UV-בגלל החפיפה הטובה יותר של פונקציות הגל של הרמה הויברציונית והויברונית המעוררת .הסיבה לכך יכולה להיות שהרמה הויברציונית התחילית עדיין שומרת במידה מסוימת על אופייה וגורמת לערור מועדף לרמה הויברונית המעוררת .התנהגות זו היא יוצאת דופן בכך שאופי העירור הויברציוני נשמר במידת מה למשך זמן ארוך יחסית )> (10 nsבמולקולה יחסית גדולה )שבעה אטומים(. 34 ,33 יש לציין כי ספקטרום הפעולה המתקבל הוא "ספקטרום קר" ,שכן המדידה מתרחשת בטמפרטורה רוטציונית מאוד נמוכה ,שעל פי התאמה של הספקטרום המחושב לספקטרום המדוד בתוכנת 57JB95זוהתה כ .12 K-דבר זה מעיד על הורדת האכלוס במצבים הרוטציוניים הגבוהים ולכן על הורדת ההרחבה ההומוגנית והצרת הקווים הספקטרליים ,ביחס לאלו שמתקבלים בספקטרום ה .PARS-כפי שניתן לראות בחלקו הימני של איור ) 19(bתהליך ה SRE-מעורר ויברציונית את המולקולה ברמת היסוד ופוטון UVבאורך גל של (243.135 nm) ~ 41,135 cm-1מביא את המולקולה לדיסוציאציה דרך רמה 34,ν7 + 2ν9כך שמימן משתחרר ומיונן על ידי 3פוטונים של UVבעלי אותו אורך גל על ידי .(2 + 1) REMPI 43 ν1 )(a ν2 ν3 v irtu al lev el v ’= 1 v ’’= 0 ν5+ν6 H+ 2 s 2S 1s 2S 2ν12 'ν7'+2ν9 )(b 2ν6 ν8+ν12+ν15 H ν10 ν5+ν9+2ν15 2ν4 3400 3000 3200 2800 1000 -1 ) Wavenumber (cm איור :19ספקטרא של מתילאמין (a) .ספקטרום PARSבטמפרטורת החדר ו (b)-ספקטרום פעולה מקורר. 54 מימין ,תאור סכימטי של העירורים בתהליכים השונים. בנוסף ,ניתן לראות כי הקו אשר קיים באזור ה ,1,000 cm-1 -אשר משויך למתיחה של קשר ה- ν8 ,C-Nהנמצא ב 1,044 cm-1 -בספקטרום ה ,PARS-לא מופיע בספקטרום הפעולה .הדבר אינו מפתיע בהתחשב בכך שכדי להביא את המולקולה לדיסוציאציה יש צורך בהשקעת אנרגיה כוללת גבוהה 34 מ.44,000 cm-1 - מאחר ופוטון ה UV -הוא באנרגיה של כ 41,135 cm-1-הרי שהעירור לרמה ויברציונית ב 1,044 cm-1 -אינו מספיק כדי לאפשר את התהליך .לעומת זאת ,בספקטרא הפוטואקוסטי ניתן לראות את מתיחת ה C-N-כי הוא תלוי רק ביעילות העירור ב.SRE- מיקומי הקווים השונים שזוהו בסוגי הספקטרא השונים וששיוכם נקבע על סמך התוכנה שחישבה את מיקומיהם מרוכזים בטבלה ,1לפי סדר הופעתם האנרגטי בספקטרום. 44 )Intensity (arb. units ν8 טבלה :1ריכוז תדירויות נצפות בניסוי ושיוכם על ידי התוכנה שנכתבה ב) Matlab-נספח .(IV ) ν (cm −1 שיוך 3441 ν10 ''A 3367 ν1 'A 3244 2ν4 'A 2970 2ν12 ''A 2963 ν2 'A 2902 ν5+ν6 'A 2880 2ν6 'A 2819 ν3 'A 2793 ν8+ν12+ν15 'A 2770 ν5+ν9+ν15 "A 1046 ν8 'A a סימטריה aהתאמה על פי תוכנה ב) Matlab-נספח (IV הספקטרא שנמדדו עד כה אפשרו לנו לחקור ולמצוא את התנאים לערור SREיעיל במולקולת המתילאמין ובכך לאפשר קבלת ספקטרום .ILSRSכפי שמתואר סכימטית בצדו הימני של איור )20(c בשיטה זו מעוררים את המולקולה עירור ויברציוני על ידי תהליך SREובהשהיה מסוימת בתהליך .R2PIדבר זה גורם לכך שכל פעם שהעירור הויברציוני מתבצע ,האכלוס ברמת היסוד יהיה קטן יותר ותהליך ה R2PI-יהיה פחות יעיל ,דבר שיגרום להנחתה של המאפיין הספקטרלי המתאים למעבר הויברציוני .באיור ,20מרוכזים ספקטרומי ,(a) PARSפעולה ) (bו .(c) ILSRS-ניתן לראות כי הקווים שמופיעים בספקטרום ה ILSRS-מופיעים באותם מיקומים ובאותם יחסי עוצמות כמו הקווים בספקטרום ה .PARS-יחד עם זאת ,מאחר וספקטרום ה ILSRS-נמדד באותם תנאים כמו ספקטרום הפעולה ,זאת אומרת טמפרטורה רוטציונית נמוכה ,הרי שהקווים צרים ,עקב הורדת המבנה האי הומוגני, בדומה לקווים בספקטרום הפעולה .הדמיון הרב בין ה PARS-ל ILSRS-אינו מפתיע שכן בשתי השיטות אנו מודדים ספקטרא שמשקפים את מידת העירור הויברציוני. 45 )(a virtu al leve l v’= 1 v ’’= 0 2 s 2S 'ν7'+2ν9 1s 2S H C H 3N H 2 + )~(A ) ~(X C H 3N H 2 )(c C H 3N H 2 3400 3000 3200 2800 1000 -1 ) Wavenumber (cm איור :20ספקטרא ויברציוניים של מתילאמין המתקבלים בשיטות ערור שונות ) (aספקטרום (b) ,PARS ספקטרום פעולה ו .ILSRS (c)-מימין ,תאור סכימטי של התהליכים המשמשים לקבלת ספקטרא השונים. 3.3דיון בתוצאות התוצאות שהתקבלו בשיטות השונות הראו למעשה את יעילות כל אחת מהשיטות והצורך בהן כדי לקבוע מדדים לקביעת איכות ויעילות הניסוי המבוצע .מדדים אלו חיוניים באיתור התנאים האופטימליים אשר בהם ניתן לבצע את הניסוי בשיטת ה ,ILSRS-שאותה פיתחנו. השימוש בספקטרום הויברציוני שהתקבל בשיטת ה PARS-סייע באיתור ראשוני של מיקומים ועוצמות של אופני התנודה היסודיים של מולקולת המתילאמין בטמפרטורת החדר ואיפשר את כיוון המערכת לקבלת ספקטרום הפעולה וספקטרום ה ILSRS -ב .TOFMS-השימוש בשיטת הVMP- לקבלת ספקטרום הפעולה של פרגמנטי המימן בקירור אדיאבטי ,סייעה בכיול המערכת וכיוון מהלך הקרניים ב TOFMS-עד לקבלת ספקטרום אופטימלי של פליטת פרגמנט המימן .הגברה של פליטת המימנים כפונקציה של העירור הויברציוני סייעה לקביעת מדד היעילות של חפיפת הקרניים ולאחר מכן 46 )Intensity (arb. units H+ )(b מעבר לשיטת ה .ILSRS-לבסוף ,הפעלת שיטת ה ILSRS-באותם תנאי המדידה של שיטת ה,VMP- תרמה לקבלת השיטה לעירור ויברציוני ב SRE-על ידי הורדת כמות האוכלוסיה הנותרת לתהליך היינון הדו-פוטוני וכך למעשה לזהות את הספקטרום הויברציוני האופייני של מולקולת המתילאמין. מהתוצאות שהתקבלו ב ILSRS-ניתן לראות כי אכן ניתן לקבל ספקטרום של אופני תנודה יסודיים במולקולות .ניסויים ראשוניים אלו אפשרו לבחון את שיטות הכיול והכיוון של המערכת הניסויית ,בתקווה שהם גם יאפשרו לחקור את ספקטרום אופני התנודה של ביומולקולות בכלל והקונפורמרים שלהם )ראה פרק .(4 47 -2 .4פנילאתילאמין 4.1מבוא ביומולקולת הפנילאתילאמין ) (2-Phenylethylamine, C6H5C2H4NH2, PEAהמוצגת באיור ,21היא הנוירוטרנסמיטר הפשוט ביותר מתוך מספר נוירוטרנסמיטרים חשובים ,כמו למשל אמפטמין ) ,(Amphetamine, C6H5CH2CH(CH3)NH2 ,AMPדופאמין ) ,(Dopamineנוראדרנלין ) ,(Noradrenalineאדרנלין ) (Adrenalineואחרים .לכן ,היות וביומולקולה זו היא הפשוטה ביותר מבחינת מבנה ,קישור עם מים וכימיה ,היא מועמדת טובה ביותר לבחינה מדוקדקת של הקונפורמרים שלה. 26 H H H N C H H H C C H C C H C C H H C H איור :21תיאור סכמטי של מבנה מולקולת הפנילאתילאמין .ניתן לראות את הטבעת הארומטית שאליה מחוברת שרשרת –CH2-CH2-וזנב אמיני .NH2תכלת-פחמן ) ,(Cכחול-חנקן ) (Nולבן מימן ).(H בעשור האחרון ,בוצעו מספר מחקרים ספקטרוסקופיים על מבני הקונפורמרים והמבנה 60,59,58,27,25,24 האלקטרוני של .PEA רוב העבודות התמקדו במציאת קונפורמרים של ,PEAבהתפשטות 25 גז על קולית ,כאשר המולקולה מקוררת לטמפרטורה רוטציונית נמוכה .סולקס ועובדיו 24ולוי ועובדיו, למשל ,זיהו ארבעה מעברי S 0 → S1עיקריים עבור קונפורמרי ה PEA-באזור .37,600 cm-1מעברים אלו שויכו על ידי לוי ועובדיו 25 לשני קונפורמרים ישרים ) (anti, Aושניים מקופלים )(gauche, G )איור .(22המבנה הקונפורמרי של PEAנחקר גם על ידי גודפרי וחבריו 58 על ידי שימוש בספקטרוסקופיית מיקרוגלים וחישובים קוונטיים .ab-initioשני הקונפורמרים המקופלים ושני הישרים 48 הותאמו לקונפורמרים אשר זוהו במקור .25לאחרונה ,מחקר שבוצע על ידי דיקינסון וחבריו 59בLIF- משולב בסלקטיביות מסות וחישובי ab-initioהראה תוצאות זהות למחקרים הקודמים .על ידי שימוש בטכניקות של צבע אחד ושני צבעים בעירור R2PIו LIF-הצליחו לנתח את המעטפת של הקווים הרוטציוניים של ארבעת הקונפורמרים היציבים של PEAומצאו כי הקו הספקטרלי של הקונפורמר הנצפה החמישי הוא למעשה צביר של PEAעם מים ולא הקונפורמר החמישי ,GIII ,אשר חושב בחישובים קוונטיים .לאחרונה ,מחקרים אישרו טענה זו. 60,59,26 Conformer D Conformer A Conformer B Conformer C AII AI GII GI ∆E=466.6 cm-1 ∆E=328.1 cm-1 ∆E=38.8 cm-1 ∆E=0 cm-1 איור :22מבנה של ארבעת הקונפורמרים של 60.PEAכל קונפורמר משויך לפי הסימון של לוי,C ,B ,A 25 ו D-והסימון של אלונסו ,AI ,GII ,GI 61ו AII-ומסודרים לפי ההבדל האנרגטי בין קונפורמר ) Cהנמוך ביותר באנרגיה( והאחרים. המבנה הרוטציוני של PEAנחקר על ידי גודפרי וחבריו 58על ידי שימוש באפנון-שטרק בגלים מילימטריים בסילון חופשי .בהתבססם על חישובי ab-initioהם חזו את הימצאותם של חמישה קונפורמרים של PEAוראו את הספקטרום הרוטציוני שלהם .מחקר נוסף שהתבצע על ידי אלונסו ועובדיו 61 בשימוש בטכניקת מיקרוגלים וטרנספורם פורייה העלו את אותם תוצאות ואישרו את תוצאותיהם של גודפרי וחבריו .אולם ,לא נצפה קונפורמר GIIIבניסויים. 49 4.2תוצאות 4.2.1ספקטרוסקופיית R2PIומסות 26 על פי מחקרם של ברנשטיין ועובדיו, תחום אורכי הגל הנבחרים המספיקים ליינון הקונפורמרים של המולקולה PEAבתהליך R2PIהם שני פוטונים במספרי גל בתחום - 37,540 ,(265.60 nm - 266.38) 37,650 cm-1כך שניתן להגיע בדרך זו לאנרגיית יינון של בין 9.32ל- 9.36 eVשהיא יותר מאנרגיית הסף ליינון ) 63.(~ 8.99 eVבאיור 23מוצג ספקטרום R2PIשל מעברי ה S1 ← S 0 -עבור קונפורמרי ה ,PEA-שנמדד על ידינו .כל המעברים נופלים באזור 37,650 - 37,540 ,cm-1כמו שאמור להיות עבור כרומופור בנזיל מותמר .בגרף ניתן לראות ארבעה קווים ספקטרליים עבור המעבר 0 00של ,PEAבסילון המולקולרי .קווים אלו שויכו לארבעת הקונפורמרי ה ,PEA-זאת 60,59,58,25 אומרת C ,B ,Aו ,D-לפי עבודות קודמות. ניתן לראות כי הקו המתאים למעבר של קונפורמר Cהוא חזק ביותר והאחרים מראים עוצמות שונות ונמוכות יותר. על פי איור ,23ניתן לראות כי יחס העוצמות שהתקבלו בין הקונפורמרים כאשר כולם מנורמלים לקונפורמר הדומיננטי ,Cהם I.NGI:NGII:NAI:NAII = 1:0.49:0.22:0.27יחסים אלו נקבעו על סמך 59 יחסי שטחי הפיקים והוכפלו ביחס מומנטי המעבר הכולל של הקונפורמרים לפי 1:1.02:0.86:0.92 כדי לקבל את יחס העוצמות המנורמל ל.1:0.50:0.20:0.26 - Iסדר יחסי העוצמות של הקונפורמרים הוא תמיד לפי היחס הבא ,C:B:A:D :כאשר הנרמול הוא על פי .C 50 )C (GI )Intensity (arb. units )B (GII )D (AII )A (AI 37660 37640 37620 37600 37580 37540 37560 37520 -1 ) Wavenumbers (cm איור :23ספקטרום R2PIשל PEAכפונקציה של מספר הגל של לייזר ה .UV-לצד כל קו ספקטרלי נרשם הזיהוי של הקונפורמר המתאים לפי הסימון של לוי 25ובסוגריים לפי הסימון של אלונסו. 61 גם כאן ,עוצמת הסיגנל ויעילות שיטת ה ILSRS-מושפעת מאוד מכמות היונים המשתתפים בתהליך העירור והיינון ולכן וידינו כי התהליך העיקרי שמתרחש בתחום אורכי הגל שצוין ,הוא ה- .R2PIכדי לוודא זאת בדקנו שיינון הקונפורמרים יעיל ואילו פירוקם לפרגמנטים קטן מאוד .על פי הספקטרום שהתקבל באיור 23נבחר מספר גל לערור כ (~ 265.6 nm) 37,650 cm-1 -שמיינן את קונפורמר Cהדומיננטי .באיור 24ניתן לראות כי בשימוש באנרגיה נמוכה מאוד של לייזר ה2 µJ) UV- ~( כמות הפוטופרגמנטים קטנה ,דבר המעיד על כך שהתהליך המרכזי הוא יינון המולקולה וקבלת היון המולקולרי C6H5C2H4NH2+הנמצא ב .121 m/zאפילו באנרגיה נמוכה זו מופיע שבר די גדול של היון CH3NH+ושברים קטנים נוספים של C6H5CH3+ ,C6H5C2H4NH+ו .C6H5CH2+-ניתן לראות כי עוצמת היינון של שבר ה CH3NH+ -גדולה ביחס לאחרים ,למרות האנרגיה הנמוכה של ה,UV - 51 וזאת כנראה בגלל חתך ליינון גבוה של שבר זה באורך גל ספציפי זה. יש לציין כי העלאת אנרגיית לייזר ה UV-גרמה לעליה בעצמתם של כל שברי המסות וכדי להימנע ממצב זה בחרנו לעבוד באנרגיה הנמוכה. )Intensity (arb. units + C6H5CH3 + C6H5CH2 + C6H5CH2CH2NH + C6H5CH2CH2NH2 + 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 CH3NH 30 20 10 )Mass (m/z איור :24ספקטרום מסות של -2פנילאתילאמין שהתקבל בתהליך ,R2PIתוך ערור קונפורמר Cב37,650 - (265.6 nm) cm-1באנרגיה של .~ 2 µJלצד כל קו ספקטרלי נרשם השבר היוני המתאים למסה מסוימת. 4.2.2ספקטרומי ILSRS באיור 25מרוכזות התוצאות הראשוניות של הניסויים ב-2-פנילאתילאמין לקבלת ספקטרא ויברציוניים של הקונפורמרים של PEAבתחום 1,000 - 1,200ו 2,800 – 3,400 cm-1-בשיטת ה- .ILSRSהסתכלות בספקטרא מראה כי יחס האות לרעש בספקטרומי ה ILSRS-שהתקבלו במתילאמין וב PEA-שונים מאוד ויחס האות לרעש ב PEA-טוב יותר .~ 6במדידות קבלנו עירור אוכלוסיה של עד 60%בקונפורמר Cשל ) PEAלעומת כ 5 %במתילאמין( ,מה שמלמד שיעילות התהליך גבוהה בהרבה מאשר במתילאמין ,בגלל בליעה חזקה יותר של PEAב .UV-בנוסף ,מאוד מספק הוא למצוא שניתן 52 למדוד את הקווים הויברציוניים שמתאימים לכל אחד מהקונפורמרים ,כאשר הספקטרא מאופיינים במיקומים של קווי ויברציה ועצמות שונות עבור הקונפורמרים השונים. A )Intensity (arb. units B C D 3400 3300 3200 3100 3000 2900 2800 1200 1100 1000 -1 ) Wavenumber (cm איור :25ספקטרום ILSRSשל ארבעת הקונפורמרים ) (A, B, C, Dשל -2פנילאתילאמין בין 3,400ל- 2,800ובין 1,000ל .1,200 cm-1-ניתן להבחין בהזזות של קווים באזור ה N-H-ושוני בעוצמות באזור ה- C-Hכמו גם קווים המופיעים או שאינם מופיעים בקונפורמרים השונים באזור שמתחת ל.3,000 cm-1 - הקווים האנכיים המקווקווים מראים את מיקומי הקווים בקונפורמר Cומאפשרים לראות את ההזזות של קווים מסוימים בשאר הקונפורמרים. בייחוד ,כאשר בוחנים את אזור מתיחת האמינים בקשר ה N-H-בין 3,300ל,3,400 cm-1- 62 ניתן לראות כי הקווים מוזזים עבור הקונפורמרים השונים ובעצם מייחדים כל אחד מהם ..גם העוצמות של קו זה בקונפורמרים השונים משתנות במידת מה .באזור 3,000ל 3,100 cm-1 -אזור קשרי הטבעת הארומטית 62C-Hניתן להבחין בשני קווים ספקטרליים חזקים אשר מופרדים ב ~ 13 cm-1 -האחד מן השני. 53 בנוסף ,ניתן להבחין בשלושה קווים באזור המתאים למתיחת ה C-H-בקשרי ה3,000) 62CH2- ,(2,900 cm-1 -אשר מופיעים בקונפורמר .Cהקו החזק האמצעי בקונפורמר Cב~ 2,933 cm-1 - מופיע גם בקונפורמרים Bו ,A-אך מוזז במעט ביחס לקו ב.C- ב ~ 1,208 cm-1-ניתן לראות קו שמתאים למתיחת קשר ה C-C-אשר מופיע בקונפורמרים ,B Cו ,D-אך אינו מופיע בקונפורמר .Aהקו בקונפורמר Bמוזז ביחס לקו זה בקונפורמרים Cו D-ב- .~ 3 cm-1באזור ,1,000 cm-1 - 1,100אזור מתיחות הטבעת הארומטית ומתיחת ה C-N-ניתן לשים לב לקו מאוד דומיננטי ב ~ 1,005 cm-1 -אשר מופיע בקונפורמרים Bו C-בעוצמה חזקה ובקונפורמרים Aו D-בעוצמה חלשה יותר .קו נוסף ניתן לראות ב ~ 1,034 cm-1 -המופיע בכל הקונפורמרים .הקו חזק בעוצמתו יותר בקונפורמרים Bו D-מאשר בקונפורמרים Aו C-ובקונפורמר Bרחב יותר מהאחרים. 4.3דיון בתוצאות ספקטרום ה) R2PI-איור (23של -2פנילאתילאמין מראה בברור כי קיימים רק ארבעה 60,59,26 קונפורמרים מתוך החמישה המחושבים ,בהתאם למה שהתקבל בעצם גם במחקרים אחרים. לכן, הקונפורמר החמישי ,שהוא עם אנרגיה של 61,624 cm-1כנראה עובר דעיכה במהלך ההתפשטות ובעצם אינו מאוכלס כלל .כמו כן ,מאחר ואנרגיות האקטיבציה למעבר מקונפורמר אחד לשני 61הם מסדר גודל של מאות או אפילו אלפי cm-1הרי שאין אפשרות של שינוי קונפורמציה בתנאים הקיימים בניסוי ואנו יכולים לראות רק את הקונפורמרים היציבים .קיומו של הקונפורמר החמישי בספקטרא שנצפו בחלק מהמחקרים מופרך מעיקרו ,שכן לפי עבודתם של סימונס ועובדיו 59הקו משויך לקונפורמר של צביר של -2פנילאתילאמין. עוד נמצא ,על סמך האיכלוס היחסי ,שהקונפורמרים היציבים יותר הם המקופלים ,הווה אומר ) C (GIו ,B (GII)-לעומת קונפורמרי האנטי הישרים ) A (AIו .D (AII)-גודפרי וחבריו 58טענו כי קונפורמרי ה G-המקופלים ,בעצם ,מציגים מבנה שבו השרשרת האלקיל אמינית ,בכל אחד מהם, מקופלת ועל ידי כך מתאפשרת אינטראקציה פנים מולקולרית חלשה בין הקבוצה האמינית והצפיפות של 61,58 אלקטרוני ה π-של הטבעת הארומטית דרך קשר מימני ) N-H…πראה איור .(26 יש לציין כי הקונפורמר החזוי על פי חישובי ה ,GIII ,ab-initio-בעל האנרגיה הגבוהה יותר ,אינו כולל אינטראקציה 54 מעין זו מכיוון שהפרוטונים של הקבוצה האמינית פונים אל מחוץ לטבעת הארומטית .שני הקונפורמרים האחרים ,מתאימים למבנה אנטי שבו השרשרת האלקיל אמינית מתוחה וישרה ולכן אינטראקציה זו אינה מתאפשרת ,דבר הגורם להיותם פחות יציבים. AII AI GII GI איור :26הקונפורמרים ) C(GIו ,B (GII)-לעומת קונפורמרי האנטי הישרים ) A (AIו .D (AII)-בשני הקונפורמרים הראשונים אטום המימן של הקבוצה האלקילאמינית יוצר קשר מימני חלש עם הטבעת 61 הארומטית ) N-H…πקו מקווקו( ואלו בקונפורמרי האנטי קשור זה אינו קיים. ניתן להניח כי יחסי העוצמות שהתקבלו בספקטרום ה,R2PI- = NGI:NGII:NAI:NAII ,1:0.50:0.20:0.26משקפים את האכלוס של הקונפורמרים השונים בשיווי משקל לפני ההתפשטות בסילון המולקולרי .לכן ,בהתחשב באנרגיות המחושבות של הקונפורמרים השונים ) 0, 128, 624, 382, 61(406 cm-1ובכך שהקונפורמר החמישי מודעך ובעצם הופך להיות הקונפורמר הנמוך ביותר באנרגיה היינו מצפים שיחסי איכלוס בולצמן יהיו 1:0.51:0.15:0.13ולכן בהתחשב במומנט הדיפול למעבר העוצמות של הקווים המייצגים את הקונפורמרים השונים יהיו = NGI:NGII:NAI:NAII .1:0.52:0.12:0.12תוצאות אלו שונות במקצת מאלו שהתקבלו בניסוי ,אך בהתחשב בכך שערכי האנרגיה משתנים במידת מה בהתאם לשיטת החישוב והבסיס שבו משתמשים )השווה ערכי אנרגיה אלו לאנרגיות של הקונפורמרים שהוצגו באיור (22הרי שתוצאות אלו די קרובות .יש לציין כי איכלוס הקונפורמרים השונים של -2פנילאתילאמין נבדק גם על ידי קבוצות אחרות ,61,59ונמצאו או הושערו יחסי העוצמות 1:0.48:0.22:0.21 :ו ,1:0.48:0.37:0.33-בהתאמה ,אלא שבכל אחד מהניסויים תנאי המדידה היו שונים .למשל ,המדידות של דיקנסון וחבריו בעוד שאצלנו הרבה פחות .אלונסו ועובדיו, 61 59 היו בטמפרטורה ויברציונית של כ,70 oC - השתמשו בספקטרוסקופיית מיקרוגלים ובעצם בכלל לא הצליחו לאפיין קווים רוטציוניים המתאימים לקונפורמר הרביעי ,אך בכל זאת מיחסי העוצמות שמדדו עבור שלושת הקונפורמרים בשילוב עם תוצאות חישובי ה ab-initio-הם הציגו את היחסים הרשומים 55 לעיל ,מה שמוביל אותנו לחשוב שקשה לדעת אם התוצאה שלהם מדויקת ובייחוד קשה להעריך את דיוק התוצאות שהם קבלו. ספקטרומי ה ,ILSRS-אשר נמדדו כאן לראשונה ,גם כן נותנים אפשרות לקבל אינפורמציה לגבי מבני קונפורמרי ה-2-פנילאתילאמין .בייחוד ,לאחר שימדדו כל הסממנים הספקטרליים של ארבעת הקונפורמרים של -2פנילאתילאמין ניתן יהיה להשוותם לספקטרא המחושבים .בינתיים ,מהשוואת הספקטרא ניתן לראות כי ישנם הבדלים במיקומים של הקווים השונים כמו גם בעוצמות של הקווים השונים בארבעת הקונפורמרים של .PEAמהתוצאות ניתן לראות כי השינויים הדומיננטיים ביותר בהזזות במיקום הקווים התקבלו עבור מתיחת קשר ה .N-H-מאחר והקבוצה האמינית ממוקמת על שרשרת אתילית גמישה ,היא נוטה להגיב לשינוי בעירור בצורה הדומיננטית ביותר ,ולכן הקווים המתאימים למתיחת ה N-H-בקונפורמרים השונים מוזזים האחד מן השני .כפי שנאמר לעיל, הקונפורמרים ) GI (Cו GII (B)-של -2פנילאתילאמין מיוצבים על ידי קשרי מימן .N-H…π בקונפורמרי האנטי ,A ,השוני במיקום של השרשרת האתילית מונע אינטראקציה פנים מולקולרית של קשרי מימן ולכן המיקום של הקווים בספקטרא שונים במידת מה. 56 .5סיכום עבודה זו הדגימה ,לראשונה ,את האפשרות לקבל ספקטרום ויברציוני של מולקולות בעזרת שיטת ה .ILSRS-התוצאות שהתקבלו במתילאמין ,בתחילה ,וב-2-פנילאתילאמין ,בהמשך ,מראות כי שיטת ה ILSRS-אכן ניתנת ליישום לקבלת החתימה הספקטרלית של ביומולקולות קטנות במצב גזי וגם מאפשרת את קבלת טביעת האצבעות הויברציונית הייחודית של כל קונפורמר .התוצאות הראשוניות שהתקבלו ב PEA-מוכיחות כי אכן שיטת ה ILSRS-מאפשרת לקבל ספקטרומי רמאן ויברציוניים של מולקולה מסוימת שיש לה כרומופור הבולע היטב ב .UV-בייחוד ,השוואת ספקטרומי ה ILSRS-מראה כי ניתן להבחין בשינויים מסוימים ,הכוללים את מיקום הקווים ועצמתם ,בספקטרא הויברציוניים שהתקבלו עבור ארבעת קונפורמרי ה .PEA-עובדה זו ,מלמדת על כך ששיטת ה ILSRS-אכן רגישה דיה לאיתור השוני בספקטרום הויברציוני של הקונפורמרים ולכן יכולה לשמש למציאת טביעת האצבעות של מולקולות בתחום אופני התנודה היסודיים. השימוש בשיטות ערור שונות לקבלת ספקטרא רמאן ויברציוניים שימשו כאבן דרך לפיתוח השיטה ולקבלת ספקטרומי .ILSRSבייחוד נזכיר כאן את שיטת ה ,PARS-אשר אפשרה את קבלת ספקטרום הרמאן ואת מציאת אופני התנודה היסודיים של מולקולת המתילאמין ועזרה לנו בכיול המערכת .אמנם הספקטרום שמתקבל בשיטה זו הוא ספקטרום שנמדד בטמפרטורת החדר ,אך הוא מספיק רגיש כדי לתת לנו מידע על מיקומי הקווים לצורך כיול המערכת בשלב ראשוני .כמו כן ,שיטת הVMP- עזרה לנו לכוון את הקרניים ) UVונראה( ולכייל את המערכת לפני המעבר לניסויי ה .ILSRS-העובדה שהתקבלו תוצאות טובות מאוד בשיטת ה ,VMP-תרמה לנו לקבלת מדד ליעילות כיוון המערכת וחפיפת הקרניים והשיטה הפכה להיות כלי חשוב בכיול המערכת. ספקטרומי הרמאן שהתקבלו בעזרת שיטת ה ILSRS-הוכיחו ,מעל לכל ספק ,את יעילות השיטה במדידת אופני תנודה יסודיים במולקולות ובביומולקולות .ההשוואה בין ספקטרומי הרמאן של מתילאמין שהתקבלו בשיטות ה VMP ,PARS-ו ILSRS-גם אפשרה להראות כי קווים מסוימים בספקטרום הפעולה מוגברים יותר כתוצאה מתהליך ה .VMP-התנהגות זו הוסברה בכך שלערור ממצבים תחיליים אלו ,המתאימים לאוברטוני כיפוף של קשרי ,C-Hיש מקדמי פרנק קונדון מועדפים עם המצבים 57 הויברוניים המעוררים .התנהגות זו היא די מפתיעה מאחר והיא מצביעה על כך שיש ספציפיות מסוימת בהתנהגות המולקולה ,כשהיא מעוררת ממצבי ויברציה שונים ,זאת אומרת שפיזור האנרגיה לא הסתיים לגמרי בסקלה זמנית של .nsזו התנהגות די מפתיעה בהתחשב בכך שמולקולת המתילאמין היא מולקולה שבעה אטומית עם דרגת חופש של רוטציה. כמו כן ,הדגמנו את השימוש בשיטת ה ILSRS-למדידת הספקטרא הויברציוניים של קונפורמרי ה-2-פנילאתילאמין .ארבעת הקונפורמרים של -2פנילאתילאמין ,שניים מקופלים GIו GII-ושניים מוארכים AIו AII-נצפו גם בשיטת ה .R2PI-השילוב בין שתי השיטות איפשר למדוד את הספקטרא האופייניים ולהבחין בין הקונפורמרים של -2פנילאתילאמין ,שמבנם תלוי בעיקר באוריינטציה של הקבוצה האמינית ובקשרי המימן המתאפשרים בינה ובין אלקטרוני ה π-של הטבעת. שימוש בשיטת ה ILSRS-על חומרים שונים כמו נוקלאוטידים ,נוירוטרנסמיטורים ,תרופות וסוכרים ,הן חלק מהאפשרויות למחקר בשיטה זו ,עוד ניתן להפעיל שיטה זו על צבירים של ביומולקולות וצבירים ממוימים של ביומולקולות כדי לתאר בקירוב את התנהגות המולקולות בתווך ביולוגי ,היכן שמים הם הממס הנפוץ ביותר .שיטה זו מאפשרת להבחין בין קונפורמרים שונים בשל היכולת לקבל ספקטרום ILSRSאופייני עבור הקונפורמר הנבדק .ספקטרוסקופיה זו המתקבלת בצורה בררנית עקב השימוש בשיטת ה R2PI -וספקטרומטר מסות מאפשרת רגישות גבוהה ביותר תוך כדי עבודה בטמפרטורה נמוכה .בייחוד יש לה יתרון על עירור ויברציוני ב IR-מאחר וכאן הערור נעשה בעזרת מקורות זמינים יחסית בנראה ,המאפשרים סריקה בתחום רחב. תוצאות ראשוניות אלו מאשרות ,מעל לכל ספק ,כי שיטת ה ILSRS-אכן יכולה להיות כלי חשוב לחקירת מבניהן של ביומולקולות מסוגים שונים ,תוך עירור ויברציוני מאולץ ברמאן .יתרה מזו, עבודה זו מראה את הפוטנציאל הגבוה הטמון בשיטת ה ILSRS-ללימוד ביומולקולות בתחום ספקטרלי נרחב ,הכולל את כל אופני התנודה היסודיים ,תוך שימוש במקורות לייזר זמינים יחסית .שיטת ה- ILSRSעוקפת את המכשולים שהיו עד כה במקורות לייזר ומפיצה אור חדש על האפשרות לזיהוי מבנים של מולקולות בכלל וביומולקולות והקונפורמרים שלהן בפרט. 58 .6נספחים נספח :Iפיזור רמאן ופיזור רמאן מאולץ פיזור רמאן 36מתואר כהתנגשות אי-אלסטית בין פוטון פוגע hω Pעם מולקולה ברמה אנרגטית התחלתית , Ei ,וכתוצאה מההתנגשות ,מפוזר פוטון עם אנרגיה נמוכה יותר , hω Sכך שהמולקולה נמצאת ברמה אנרגטית גבוהה יותר) , E f ,ראה התיאור הסכמטי באיור (27הרמה האמצעית של המערכת במהלך תהליך הפיזור ידועה באופן פורמלי כרמה וירטואלית ,כך שאין זה הכרח ,שרמה זו היא רמה עצמית יציבה "אמיתית" של המולקולה. hω P hω S Virtual state Ef Ei { Eν איור :27תיאור סכמטי של פיזור רמאן .תאור הרמה האנרגטית התחלתית ,Ei ,והרמה המעוררת ,Ef ,כאשר הפוטון השואב מעורר את המולקולה לרמה וירטואלית והפוטון המפוזר מתקבל באנרגיה נמוכה יותר. 36 תיאור קלאסי של אפקט רמאן ויברציוני פותח על ידי פלאזק ).(Placek היחס בין תגובת הדיפול החשמלי לשדה חשמלי חיצוני הפוגע מתואר על ידי המשוואה ):(15 p = µ 0 + αE , )(15 בהנחה כי השדה החיצוני הפוגע הוא שדה שהמשרעת שלו משתנה מחזורית , E = E0 cos ωtופוגע במומנט הדיפולי pשל המולקולה .האיבר הראשון במשוואה ) µ0 ,(15מתאר את האפשרות למומנט 59 דיפול קבוע בעוד האיבר αEמתאר את המומנט הדיפולי המושרה .האיבר αמתאר את הפולריזביליות והוא מתואר בדרך כלל כטנסור α ijבדרגה ,2ותלוי בסימטרית המולקולה .המומנט הדיפולי והפולריזביליות שניהם תלויים בקואורדינטות המיקום של הגרעינים ושל האלקטרונים .כל עוד התדר של השדה החיצוני אינו ברזוננס עם מעבר אלקטרוני או ויברציוני אזי תזוזות הגרעינים המושרות על ידי הקיטוב של ענן האלקטרונים קטנות מאוד .היות והתפלגות המטען של האלקטרונים נקבעת על ידי המיקום של הגרעינים והם מתעדכנים באופן "מיידי" לשינויים במיקומים אלו ,ניתן להניח קירוב לתנודות קטנות ואז לפתח את הדיפול החשמלי ואת הפולריזביליות בטור טיילור בקואורדינטות נורמליות qnשל מיקומי הגרעין כך שמתקבלת משוואה ):(16 ∂µ qn 0 cos(ω n t ) + α ij (0 ) cos(ωt ) + p = µ 0 + ∑ n =1 ∂q n 0 , Q ∂α ij 1 ] qn 0 [cos(ω + ω n )t + cos(ω − ω n )t + E0 ∑ 2 n=1 ∂qn 0 Q )(16 כאשר הסכימה היא על אופני התנודה היסודיים של המולקולה) Q = 3 N − 6 ,או Q = 3 N − 5עבור מולקולות ליניאריות(, Nהוא מספר האטומים µ (0 ) = µ 0 ,ו aij (0 ) -הם המומנט הדיפולי והפולריזביליות במצב שיווי המשקל כאשר , qn = 0בהתאמה .עבור משרעת תנודה ויברציונית קטנה מאוד של המיקומים הנורמליים של הגרעינים ) qn (tניתן לקרב אותם על ידי תנודות קטנות כאשר qn 0 הוא המשרעת ו ωn -התדירות הויברציונית של תדירות היסוד ה- n -ית .האיבר השני מתאר את הספקטרום האינפרא אדום ,האיבר השלישי מתאר את פיזור ריילי והאיבר האחרון מתאר את פיזור רמאן. התלות של האיברים ∂µ ∂qnו ∂α ij ∂q n -מוצגים באיור 28עבור שלוש ויברציות יסוד של מולקולת פחמן דו-חמצני .CO2איור זה מראה כי עבור אופן תנודת כיפוף ,ν 2 ,ואופן תנודת מתיחה אסימטרי, . ∂µ ∂qn ≠ 0 ,ν 3שתי ויברציות יסוד אלו נקראות "פעילות באינפרא-אדום" .עבור אופן תנודת מתיחה סימטרי ,ν 1 ,השינוי בפולריזביליות הוא ∂α ∂qn ≠ 0ולכן ויברציה זו נקראת "פעילה ברמאן". 60 V3 V2 µ q µ q ∂µ ≠0 ∂q q ∂µ =0 ∂q α q ∂α =0 ∂q µ ∂µ ≠0 ∂q α q V1 µ = 0, α q ∂α =0 ∂q ∂α ≠0 ∂q איור :28תלות ∂µ ∂qשל המומנט הדיפולי ו ∂α ∂q -של הפולריזביליות על אופני תנודה יסודיים של פחמן דו חמצני. על פי משוואה ) (16ישנם תדירויות אי אלסטיות ω − ω nשנקראות סטוקס ,ותדירויות סופר אלסטיות ω + ω nשנקראות אנטי סטוקס .התרומות המיקרוסקופיות הופכות למקרוסקופיות עם עוצמות התלויות באכלוס ) N (Eiשל מולקולות במצב היסוד , Eiבעוצמת הקרינה הפוגעת ובביטוי , (∂α ij ∂qn )qnאשר מתאר את התלות של רכיבי הפולריזביליות בהזזות של הגרעין. למרות שהטיפול הקלאסי נותן ביטוי לסטוקס ואנטי סטוקס ,ישנה אי התאמה עם העוצמות ולכן יש צורך בפיתוח קוונטי .אי לכך ψ b ,מתאר את הפונקציה העצמית ברמה סופית .bניתן לראות, שהעוצמות מחושבות בידיעת פונקציות הגל של המולקולה ברמה ההתחלתית והסופית .לכן ,במקרה של פיזור רמאן ויברציוני-רוטציוני הם יהיו פונקציות הגל של הפונקציות העצמיות של המצב הויברציוני- רוטציוני של המצב האלקטרוני ברמת היסוד .עבור תנודות קטנות של מיקומי הגרעין ,ניתן לפתח לפי פוטנציאל הרמוני ולכן נקבל כי העוצמה תלויה בצפיפות האכלוס ) N i (Eiברמה ההתחלתית ) , Ei (ν , J בעוצמת הלייזר השואב I Lובחתך הפעולה לרמאן ) σ R (i → fעבור מעברים מEi → E f - 61 I S = N i (Ei )σ R (i → f )I L . )(17 חתך הפעולה לפיזור רמאן תלוי באלמנטי המטריצה של טנסור הפולריזביליות אשר כולל גם את התלות בתדר ω 4שנמצא בטיפול הקלאסי ולכן ניתן לקבל את ):(18 2 , α ji eˆL α jf eˆS ω jf − ω L − iγ j + α ij eˆL α jf eˆS − ω L − iγ j ij ∑ω j 8πωs = ) σ R (i → f 9hc 4 4 )(18 כאשר êLו êS -הם הקיטוב של הלייזר השואב ופיזור רמאן ,בהתאמה .הסכום הוא על כל מצבי ה j-עם רוחב הומוגני , γ jאשר ניתנים לקבלה על ידי פוטון אחד מהרמה iהתחילית .עוד ניתן לראות כי הרמה התחילית והסופית קשורות במעבר דו-פוטוני הרומז ששתי הרמות תהינה בעלות אותה זוגיות ,למשל, מעברים ויברציוניים שאינם מותרים במעבר חד-פוטוני באינפרא אדום ,מותרים ברמאן בתהליך דו- פוטוני. אלמנט המטריצה α ijתלוי בסימטריה של מצבי המולקולה .חישוב גודלו של α ijתלוי בידע של פונקציות הגל המתאימות אך כדי לדעת אם הוא אינו מתאפס די לבדוק את תכונות הסימטריה של פונקציות הגל במצב iו f -במולקולה ולהיעזר בתורת הקבוצות ללא צורך בחישוב ממשי של אלמנטי המטריצה. על פי משוואה ) (18חתך הפעולה של רמאן גדל מאוד כאשר תדר לייזר השאיבה מתאים לתדר מעבר ωijבמולקולה .עם לייזרי צבע סורקים והכפלת תדרים ,ניתן להגיע למעברים אלו והרגישות הגבוהה של תהליך זה ניתנת לשימוש עבור מדידות של חומרים בריכוז נמוך מאוד היכן שהבליעה של לייזר השאיבה נמוכה מאוד ,למרות שקיים מעבר במולקולה. 62 36 פיזור רמאן מאולץ אם עצמת לייזר השאיבה , I L ,גדלה מאוד ,כמות נכבדת של מולקולות ברמת התחילית, Ei , מעוררות לרמת סופית , E f ,ועוצמת פיזור הרמאן גדלה בהתאמה .בתנאים אלו ,יש להתחשב באינטראקציה בו-זמנית של המולקולה עם שני שדות אלקטרומגנטיים :קרן השאיבה בתדר , ω L ,וקרן הסטוקס בתדר . ω S = ω L − ωV ,שתי הקרניים מצומדות למולקולה שמתנודדת בתדר . ωVאינטראקציה פרמטרית זו מובילה להחלפת אנרגיה בין קרן השאיבה לקרן הסטוקס ותהליך זה נקרא פיזור רמאן מאולץ .ניתן להסביר תופעה זו בדרך קלאסית .התווך של רמאן נלקח כאוסף של Nאוסצילטורים הרמוניים ליחידת נפח אשר אינם תלויים אחד בשני .בגלל הפעילות המשותפת של קרן השאיבה וקרן הסטוקס ,האוסצילטורים חשים בכוח מניע Fאשר תלוי באמפליטודה הכוללת של השדה , Eכך שמקבלים את ) (19הפולריזציה האי-ליניארית e − ( k L − kS ) z N ∂α 2 EL ES , PS = 2 2 ωV − (ω L − ω S ) + iγ (ω L − ω S ) 4m ∂q 0 2 )(19 משוואה ) (19מראה כי גל הפולריזציה נע דרך התווך עם אמפליטודה יחסית למכפלה . E L2 E Sיש לה את אותו וקטור הגל k Sכמו לקרן הסטוקס ולכן יכולה להגביר קרן זו. 63 נספח :IIאופני תנודה של מולקולת מתילאמין וקבוצת הסימטריה שלה למולקולת מתילאמין יש 7אטומים ולכן היא בעלת 15תדירויות יסודיות כפי שמופיעות בטבלה .2 טבלה :2תדירויות יסודיות של מתילאמין. אנרגיהcm-1 / אופן תנודה b 63 סימטריה a -1 אנרגיהcm / אופן תנודה b סימטריה 3427 ν10 NH2 a-str. ''A 3361 ν1 NH2 s-str. 'A 2985 ν11 CH3 d-str. ''A 2961 ν2 CH3 d-str. 'A 1485 ν12 CH3 d-def. ''A 2820 ν3 CH3 s-str. 'A 1419 ν13 NH2 twist. ''A 1623 ν4 NH2 sci. 'A 1195 ν14 CH3 d-rock. ''A 1473 ν5 CH3 d-def. 'A 268 ν15 Torsion ''A 1430 ν6 CH3 s-def. 'A 1130 ν7 CH3 d-rock. 'A 1044 ν8 CN str. 'A 780 ν9 NH2 wag. 'A aסימטריות של תדירויות ב.CS- b a =a-אנטי סימטרי=s- ,סימטרי=d- ,מנוון=str ,מתיחה=sci ,גזירה=def ,עיוות, =wagתלתול=twist ,פיתול=rock ,רעידה. הרחבת קווים וטמפרטורה רוטציונית הרחבת קווים נובעת מטמפרטורות רוטציוניות גבוהות .לכן הצרת קווים ניתנת להשגה על ידי הורדת הטמפרטורה של הניסוי ככל האפשר ,כך שהטמפרטורה הרוטציונית תהיה קטנה מאוד עד סדר גודל של קלווינים בודדים .לכן ,בגלל הפחתת האכלוס של רמות רוטציוניות גבוהות יותר בטמפרטורות 29 נמוכות ,עוצמות המעברים הרוטציוניים האלו יורדות לפי התלות בנוסחה ):(20 I ∝ g ( J , K )e − E ( J , K ) kBT , )(20 כאשר ) E ( J , Kהיא האנרגיה של המצב הרו-ויברציוני התחתון בעל מספרים קוונטים רוטציוניים Jו- Kו g ( J , K ) -הוא הניוון של רמה זו .לכן ככל שהטמפרטורה יורדת ,יורד גם האכלוס של רמות הרוטציה בעלות ה- K , J -ים הגבוהים ,ומכאן גם עוצמת הקווים המרוחקים ממרכז הפס .לכן רוב 64 העוצמה תהיה מרוכזת סביב מרכז הפס ,מה שגורם לו להיות צר ובולט יותר .היתרונות ברורים ,מבנים שאינם ניתנים לאפיון בספקטרום פוטואקוסטי מתגלים בספקטרום ה VMP-או בדיפ ולכן קל יותר למקם את הקווים הראשיים. קבוצת הסימטריה C S אחד הכלים העיקריים והחשובים בהבנת הספקטרוסקופיה של מולקולות הוא סווג המולקולות על פי קבוצות הסימטריה. 64 הגדרתה של פעולת הסימטריה היא למעשה העתקה גיאומטרית של אטומי המולקולה מבלי לשנות את צורתה .קיימות מספר פעולות סימטריה שניתן להפעיל על המולקולה ,למשל, - Cnציר סיבוב )סיבוב של מולקולה בזוית 2π nסביב ציר מסוים( - σ ,מישור סימטריה )שיקוף של אטומי המולקולה דרך מישור מסוים( - i ,מרכז סימטריה )היפוך של אטומי המולקולה דרך מרכז(- Sn , סיבוב/שיקוף )סיבוב בזוית 2π nושיקוף דרך מישור הניצב לציר הסיבוב( ו - I -פעולת היחידה )משאירה את אטומי המולקולה במקומם(. חבורת הסימטריה , CSשמתילאמין נמנית אליה ,מכילה את פעולת היחידה ,I ,ומישור סימטריה ) . σטבלה .(3להלן טבלת המאפיינים של החבורה : CS 29 טבלה :3מאפייני הסימטריה של המולקולה מתילאמין. 29 פולריזביליות פעילות אופטית σ I CS α xx , α yy , α zz , α xy Tx , T y , R z 1 1 'A α yz , α xz Tz , R x , R y -1 1 ' 'A 65 נספח IIIקירובים לעירור ויברציוני עירור ויברציוני אינו פשוט כלל לחישוב פיסיקלי טהור ,קיימים מקרים בהם אין התאמה מלאה בין תוצאות נצפות לחישובים .להבנת התהליך ,יש לדון במספר קירובים והנחות יסוד .אחד הקירובים החשובים ביותר של הפיסיקה המולקולרית הוא קירוב בורן-אופנהיימר ) Born-Oppenheimer 36 .(approximation בדומה לאטום ,ההמילטוניאן עבור מולקולה כלשהיא הוא סכום של Tו V-שהם האנרגיה הקינטית והפוטנציאלית ,בהתאמה .במולקולה ,האנרגיה הקינטית מורכבת מתרומות של תנועות האלקטרונים והגרעינים Te ,ו , Tn -בהתאמה .האנרגיה הפוטנציאלית משלבת שני ביטויים Vee ,ו, Vnn - עקב דחייה קולומבית בין האלקטרונים והגרעינים ,בהתאמה ,וביטויי נוסף , Venעקב כוחות משיכה בין האלקטרונים והגרעין ולכן ההמילטוניאן הוא לפי ):(21 H = Te + Tn + Ven + Vee + Vnn . )(21 השימוש בקרוב זה מאפשר להפריד בין ספקטרוסקופיה אלקטרונית ,ויברציונית ,ורוטציונית ,ולפתור את בעיית האלקטרונים בפוטנציאל של גרעינים נייחים )בקירוב( ,כפוטנציאל קבוע בזמן .כך ניתן לקבל כי אין צימוד בין רמות אלקטרוניות שונות ולכן תנועת הגרעינים מתפתחת לחוד בכל רמה אלקטרונית ולא מושפעת מרמות אלקטרוניות אחרות .תנועה זו היא תנועה אדיאבטית ) .(adiabatic motionאולם ,אם קיימות במולקולה שתי רמות אלקטרוניות קרובות או חופפות באזור מסוים של מרחב הקואורדינטה הגרעינית , rתלות פונקצית הגל האלקטרונית בשינוים של rאינה זניחה עוד ולכן קירוב בורן- אופנהיימר לא תקף .התנועה איננה אדיאבטית עוד ויתכן מעבר בין רמות אלקטרוניות אלו. קירוב בורן-אופנהיימר נניח שלרמה אלקטרונית מעוררת יש רמה רו-ויברציונית כלשהי )' (ν k ' , J kשנבחרה לאכלוס באופן סלקטיבי על ידי שאיבה אופטית .על פי הנחת קירוב בורן-אופנהיימר ,הגרעין נע לאט מאוד ביחס לאלקטרון כך שתנועות האלקטרון והגרעין יכולות להיות מטופלות לחוד .קירוב בורן-אופנהיימר תקף 66 משום שהאלקטרונים מותאמים מידית לכל תנועת גרעין .מסיבה זאת אפשר לפרק את פונקציית הגל למכפלה אשר ניתנת להפרדת משתנים ):(22 ψ = ψ elψ vibψ rot , )(22 של פונקציות גל אלקטרונית ,ויברציונית ורוטציונית .אם מומנט המעבר האלקטרוני אינו תלוי בהפרדה תוך מולקולרית Rאז הסתברות המעבר הכוללת היא יחסית למכפלה של שלושה מקדמים 2 2 2 Akm ∝ M el M vib M rot , )(23 כאשר המקדם הראשון M el = ∫ψ el* rψ el ' ' dτ el , )(24 מתאר את אלמנטי מטריצת האלקטרונים התלויה בצימוד של שתי רמות אלקטרוניות .האינטגרל השני dτ vib = R 2 dR , M vib = ∫ψ vib 'ψ vib ' ' dτ vib , )(25 הוא מקדם פרנק-קונדון )ראה סעיף הבא( ,אשר תלוי בחפיפה של פונקציות הגל הויברציוניות ) ψ vib (R ברמה העליונה והתחתונה .האינטגרל השלישי dτ rot = dϑdϕ , M rot = ∫ψ rot 'ψ rot ' ' g i dτ rot , )(26 נקרא מקדם הונל-לונדון. 36 67 מקדם פרנק-קונדון יעילות בליעת פוטון במולקולה וההסתברות למעבר ויברוני )מעבר הכולל שינוי במצב ויברציוני ואלקטרוני( תלויים גם בגורם פרנק-קונדון ) 64.(Franck-Condon factorלפי קירוב בורן-אופנהיימר, בסקאלות הזמנים של המעברים האלקטרוניים ,הגרעינים נשארים במקומם והמרחק הבין-אטומי נשמר למרות שבמצב החדש יתכן ומרחק שיווי המשקל הויברציוני , re ,משתנה .בנוסף גם מהירות הגרעינים צריכה להישאר זהה במעבר אלקטרוני .באיור 29מוצגת דיאגראמת האנרגיות עבור ' ' . re ' > reלמעבר מנקודה ) Aשבה הגרעינים במצב סטציונרי( לנקודה Cהסתברות מאוד נמוכה כי המרחקים הבין- אטומיים שונים .גם המעבר מנקודה Aל D-שבאיור 29הינו בעל הסתברות נמוכה ,כי למרות שהמרחק נשמר ,הגרעינים נמצאים בתנועה. D B C 're A V ''re איור :29תיאור סכמטי של עקרון פרנק-קונדון .עבור ' ' re ' > reהמעבר הויברציוני A → Bהוא המסתבר ביותר. 68 ההסתברות הגבוהה ביותר היא למעבר מ A-ל B-כי במעבר כזה גם המיקום וגם המהירות נותרים זהים ,מאחר ונקודה Bהינה נקודת המפנה הקלאסי שבה הגרעינים סטציונריים .מעברים אלו נקראים מעברים אנכיים כי הם מתוארים על ידי קווים אנכיים על דיאגרמות האנרגיה. על סמך קירוב בורן-אופנהיימר הרי שעקרון פרנק-קונדון נותן ביטוי כמותי להסתברות המעבר )חתך הפעולה( הויברוני והוא פרופורציוני לערכו המוחלט בריבוע של מומנט המעבר: r Re = ∫ψ e '*µψ e ' 'dτ e , )(27 Rev = Re ∫ψ ν '*ψ ν ' ' dr , )(28 r כאשר Revו Re -הוא המומנט למעבר ויברוני ואלקטרוני בהתאמה µ ,הוא אופרטור מומנט הדיפול של המולקולה ψ ν ' ,ו ψ ν ' ' -הן פונקציות הגל הויברציוניות של הרמה התחתונה והעליונה ,בהתאמה ,וψ e ' - ו ψ e ' ' -פונקציות הגל האלקטרוניות של רמות אלו .האינטגרל המופיע בביטוי ) (28נקרא אינטגרל החפיפה כי הוא מהווה מדד לרמת החפיפה בין שתי רמות ויברציה .הריבוע של אינטגרל זה נקרא מקדם פרנק-קונדון ).(Franck-Condon factor, FC 69 Matlab תוכניות:IV נספח התוכנית הבאה מחשבת מיקומי אוברטונים וקומבינציות של קווים ברמאן על פי המיקומים של אופני שאופני התנודה בקומבינציות השונות, כי התוכנית מוודא, יש לשים לב.התנודה היסודיים של המולקולה . ניתן לשנות את כמות הקוונטות שמעורבות בתהליך,שומרים על סימטריות ובנוסף % This program calculates overtones and combinations of known fundamental % vibrations of specific molecule. The program calculates only through the region of % the highest fundamental frequency. It also omits mixed symmetric modes. clear;clc;disp(' ');L=1; % Declarations of the fundamental vibrations of Methylamine FV=[3360;2960;2820;1623;1473;1430;1130;1044;780;3427;2985;1485;1419;1195;26 8]; % The iterations for finding and omitting combinations. for i1=0:2 for i2=0:2 for i3=0:2 for i4=0:3 for i5=0:4 for i6=0:4 for i7=0:5 for i8=0:6 for i9=0:8 for i10=0:2 for i11=0:2 for i12=0:4 for i13=0:4 for i14=0:5 for i15=0:22 % The calculation of the frequency that has been chosen. F=i1*FV(1)+i2*FV(2)+i3*FV(3)+i4*FV(4)+i5*FV(5)+i6*FV(6)+i7* *FV(7)+i8*FV(8)+i9*FV(9)+i10*FV(10)+i11*FV(11)+i12*FV(12)+ +i13*FV(13)+i14*FV(14)+i15*FV(15); if ((F>=3000) & (F<=3500)) % The test for the region in question. % The test for the amount of quanta. if (i1+i2+i3+i4+i5+i6+i7+i8+i9+i10+i11+i12+i13+i14+i15<=4) % The test for symmetry. if ((-1)^(i10))*((-1)^(i11))*((-1)^(i12))*((-1)^(i13))*((-1)^(i14))* *((-1)^(i15))==1 %Display results fprintf(' %g',i1,i2,i3,i4,i5,i6,i7,i8,i9,i10,i11,i12,i13,i14,i15,F,L); L=L+1;disp(' '); end end end end end end 70 end end end end end end end end end end end end 71 נספח :Vשרטוטים טכניים איור :30שרטוט טכני של המחט מטפלון אשר דרכה מובלת תערובת אדי החומר והגז המוליך מהתנור אל תוך ה .TOFMS-בשרטוט מוצגות מידות המחט. 72 איור :31שרטוט טכני של תנור הנידוף של החומר המוצק או הנוזלי בתוך ה .TOFMS-בשרטוט מוצגים החומרים והמידות מהן התנור עשוי. 73 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 J.C. Lindon, Encyclopedia of Spectroscopy and Spectrometry, Academic Press, Elsevier, 2000. 20 T.M. Selby, A. Das, T. Bekele, H.D. Lee and T.S. Zwier, J. Phys. Chem. A 109, 8497 (2005). 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). 74 28 F.F. Crim, J. Phys. Chem. 100, 12725 (1996). 29 G. Herzberg, Molecular Spectra and Molecular Structure III. Electronic Spectra and Electronic Structure of Polyatomic Molecules, Van Nostrand, New York, 1967. 30 C.G. Elles and F.F. Crim, Annu. Rev. Phys. Chem. 57, 273 (2006). 31 K. Ravichandran, Y. Bai and T.R. Fletcher, Chem. Phys. Lett. 261, 261 (1996). 32 P. M. Felker, P.M. Maxton, and M.W. Scaeffer, Chem. Rev. 94, 1787 (1994). 33 A. Golan, S. Rosenwaks and I. Bar, Isr. J. Chem. 47 (2007). 34 A. Golan, S, Rosenwaks and I. Bar, J. Chem. Phys. 125, 151103 (2006). 35 R.M. Silverstein, Spectrometric Identification of Organic Compounds, 7th edition, John Wiley & Sons, New York, 2005. 36 W. Demtröder, Laser Spectroscopy, 3rd edition, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2003. 37 G.A. West, J.J. Barrett, D.R. Siebert and K.V. Reddy, Rev. Sci. Instrum. 54, 797 (1983). 38 J. Pfab, Spectroscopy in Environmental Science, edited by R.J.H. Clark and R.E. Hester, John Wiley & Sons, New York, 1995. 39 M.N.R. Ashfold, S.G. Clement, J.D. Howe and C.M. Western, J. Chem. Soc. Faraday Trans, 89(8), 1153 (1993). 40 J.J. Valentini, Laser Spectroscopy and its applications, Opt. Eng. Vol. 11, L.J. Radziemsky, R.W. Solarz, J.A. Paisner, Eds., Marcel Dekker, New York, 1987. 41 B.A. Mamyrin, Int. Jour. Mass Spec, 206, 251 (2001). 42 W.C. Wiley and L.H. McLaren, Jr. Rev. Sci. Instr. 26, 1150 (1955). 43 A. Melchior, Ph.D. thesis, Ben Gurion University of the Negev, 2000. 44 G. Scoles. Atomic and Molecular Beam Methods, Vol 1, Oxford University Press, New York, 1988. 45 U. Merker, H.K. Srivastava, A. Callegari, K.K. Lehmann and G. Scoles, Phys. Chem. Chem. Phys., 1, 2427 (1999). 46 A. Golan, S. Rosenwaks and I. Bar, Isr. J. Chem. 47 (2007). 47 S.J. Baek, K.W. Choi, Y.S. Choi and S.K. Kim, J. Chem. Phys. 117, 10057 (2002). 48 S.J. Baek, K.W. Choi, Y.S. Choi and S.K. Kim, J. Chem. Phys. 118, 11026 (2003). 49 J.V. Michael, W.A. Noyes, J. Am. Chem. Soc. 85, 1228 (1963). 50 G.C.G. Waschewsky, D.C. Kitchen, P.W. Browning and L.J. Butler, Phys. Chem. 99,2635 (1995) 75 51 52 C.L. Reed, M. Kono and M.N.R. Ashfold, J. Chem. SOC., Faraday Trans. 92, 4897 (1996). R. Marom, U. Zecharia, S. Rosenwaks, and I. Bar, Molec. Phys. 106, 213 (2008). 53 E. Kassab, J.T. Gleghorn and E.M. Evleth, J. Am. Chem. Soc. 105, 1746 (1983). 54 K.M. Dunn and K. Morokuma, J. Phys. Chem. 100, 123 (1996). 55 M.H. Park, K.W. Choi, S. Choi and S.K. Kim, J. Chem. Phys. 125, 84311 (2006). 56 S.J. Baek, K.W. Choi, Y.S. Choi and S.K. Kim, J. Chem. Phys. 118, 11040 (2003). 57 D. F. Plusquellic, Jb95 Spectral Fitting Program, http://physics.nist.gov/Divisions/Div844/facilities/uvs/overview.html 58 P.D. Godfrey, L.D. Hatherly, R.D. Brown, J. Am. Chem. Soc. 117, 8204 (1995). 59 J.A. Dickinson, M.R. Hockridge, R.T. Kroemer, E.G. Robertson, J.P. Simmons, J. McCombie, M.J. Walker, J. Am. Chem. Soc. 120, 2622 (1998). 60 M.R. Hockridge and E.G. Robertson, J. Phys. Chem. A, 103, 3618 (1999). 61 J.C. López, V. Cortijo, S. Blanco and J.L. Alonso, Phys. Chem. Chem. Phys. 9, 4521 (2007). 62 E. Smith and G. Dent, Modern Raman Spectroscopy, John Wiley & Sons, England, 2005. 63 T. Shimanouchi, Molecular Vibrational Frequencies, in NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69, edited by P.J. Linstrom and W.G. Mallard, June 2005, NIST, Gaithersburg, MD 20899 (http://webbook.nist.gov). 64 J.M. Hollas, Modern Spectroscopy, 4th edition, John Wiley & Sons, England, 2004. 76