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