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Production and detection of neutral molecular beams

from single amino acids to biomolecular complexes

Markus Marksteiner

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Betreuer*in

Markus Arndt

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DOI

10.25365/thesis.10877

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-30063.61498.534164-9

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Die vorliegende Arbeit beschreibt eine Laserdesorptionsquelle für organische Moleküle und Cluster, sowie einen supraleitenden Detektor, der erstmals zur Detektion von neutralen Teilchen eingesetzt wurde. Während die Quelle Strahlen von Biomolekülen für Anwendungen in der Gasphase erzeugt, kann der Detektor das Massenlimit für die Nachionisation von neutralen Biomolekülen signifikant erweitern. Die Motivation für diese Arbeit war die Erzeugung und Detektion von neutralen Strahlen im Massenbereich von kleinen Aminosäuren über Polypeptiden zu großen organischen Komplexen für die zukünftige Verwendung in quantenoptischen Experimenten, wie beispielsweise einem Nahfeld Materiewelleninterferometer und die interferometrische Molekülmetrologie. Thermische Quellen führen oft für große organische Verbindungen zur Fragmentation der verdampften Moleküle. Dies wird im Falle der Laserdesorptionsquelle durch die Einlagerung der Moleküle in einen überschallgekühlten Gasstrahl verhindert. Die Implantation der laserverdampften Moleküle in den Gasstrahl wurde im freien Flug, sowie in einem geschlossenem Mischvolumen gestestet. Die Detektion der desorbierten Teilchen wurde mittels UV (266 nm)und VUV (157 nm) Photoionisation und anschließender Flugzeit-Massenspektroskopie durchgeführt. Die Ionisationsraten beider Wellenlängen wurden für die beiden Moleküle Tryptophan und Gramicidin verglichen und die Ionisationswirkungsquerschnitte im UV bestimmt. Während Tryptophan keinen signifikanten Unterschied zeigt, ist im Falle von Gramicidin die Ein-Photonen-Ionisation mit VUV Licht fünfzehn mal effizienter als die Zwei-Photonen-Ionisation im UV bei gleicher Laserintensität. Die Desorption von größeren Molekülen als Gramicidin führte zu keinem nachweislichen Ionisationssignal und bestätigte damit die in der Literatur bekannte ineffiziente Nachionisation von großen organischen Teilchen [1-3]. Die vorgestellte Desorptionsquelle erlaubte auch die Erzeugung von großen Biomolekül-Komplexen. Der massivste nachgewiesene neutrale Komplex war ein Gramicidin-Tetramer mit einer Masse von 7,536 amu. Die gleichzeitige Desorption von Tryptophan und Kalzium-Carbonat führte zur Bildung von zwei unterschiedlichen Arten von Tryptophan-Clustern. Eine Sorte hatten jeweils ein einzelnes Kalzium Atom eingelagert und erreichte eine Masse von 6,800amu, während auch reine Tryptophancluster mit einer maximalen Masse von 7,100amu gebildet wurden. Die Einlagerung eines Metalatoms in den Tryptophancluster konnte auch für die Metalle Strontium, Barium, Natrium und Kupfer demonstriert werden. Neben Tryptophan wurden auch noch andere Moleküle wie etwa Phenylalanin, das Tripeptid Tyr-Trp-Gly und das Nukleotid Guanin auf ihre Clusterverhalten untersucht. Im Falle von Gramicidin und Tryptophan konnte auch die Clusterbildung zwischen zwei verschiedenen Molekülen gezeigt werden, wobei sich mehrere Tryptophan Moleküle an ein einzelnens Gramicidin anlagerten. Neben der Photoionisation wurde mit einem supraleitenden Einzelphotonen Detektor (SSPD) eine andere alternative Detektionsmöglichkeit für neutrale isolierte Moleküle getestet. Der Detektionsnachweis des SSPD scheint nicht nur auf kleine Moleküle beschränkt zu sein. Der supraleitende Detektor konnte für die neutralen Moleküle Insulin (~5,700amu), Myoglobin(~17kDa) und Hämoglobin (~66kDa) Geschwindigkeitsverteilungen aufnehmen. Ob diese Moleküle die Laserdesorptionsquelle völlig intakt verlassen, kann allerdings auf Grund fehlender alternativer Detektionsmöglichkeiten nicht überprüft werden. Das Funktionsprinzip des SSPD beruht auf der Zerstörung der Supraleitung in einem Nanodraht durch ein auftreffendes Teilchen. Die Weiterentwicklung des SSPD ist möglicherweise ein wichtiger Schlüssel für die Detektion von schweren neutralen Molekülen. Die Desorptionsquelle wurde optimiert um eine Kombination mit der Talbot-Lau Interferometrie zu ermöglichen. Interferenz von Biomolekülen eröffnet neben der Überprüfung des Welle-Teilchen Dualismus auch eine interessante Methode um molekulare Eigenschaften wie Polarisierbarkeiten, Dipolmomente oder Absorptions- und Stoßquerschnitte zu messen. Sowohl die Quelle als auch der Detektor sind somit wichtige Bausteine für zukünftige Experimente im Bereich der molekularen Quantenoptik. [1] E. W. Schlag, J. Grotemeyer, and R. D. Levine, Chem. Phys. Lett. 190, 521 (1992). [2] E. W. Schlag and R. D. Levine, Phys. Chem. 96, 10608 (1992). [3] C. H. Becker and K. J. Wu, Am. Soc. Mass Spectrom. 6, 883 (1995).

Abstract

(Englisch)

This thesis presents a laser desorption source for neutral organic molecules and clusters as well as the first exploration of a superconducting single photon detector for the detection of massive neutral particles. Whereas the source can produce beams of biomolecules for various gas-phase applications, the detector can be used to overcome the current post- ionization detection mass limit of neutral molecules. The aim of our work is to produce and detect neutral molecular gas-phase beams, ranging from small amino acids overlarge polypeptides to massive complexes. The purpose of creating these beams is to use them for quantum optics experiments, like near field matter wave interference and its applications in metrology. Standard effusive sources usually lack the ability to cool the evaporated organic molecules fast enough to prevent fragmentation. In contrast to that, the presented laser desorption source cools the initially evaporated molecules by embedding them into a supersonic seed gas beam. The mixing of the seed gas and the desorbed molecules is implemented both in free expansion as well as inside a closed mixing channel. The desorbed neutral molecules are detected by photo-ionization using UV (266 nm) and VUV (157 nm) light followed by time-of-flight mass spectrometry. For the amino acid tryptophan (204amu) and for the antibiotic polypetide gramicidin (1884amu) the ion yields for both photo-ionization wavelengths are examined and the ionization cross sections for the UV wavelength are measured. In case of tryptophan the ionization yield is comparable for both wavelengths, whereas gramicidin is detected fifteen times more efficiently under VUV ionization than for UV ionization at equal intensity. Desorption of heavier molecules than gramicidin never resulted in a detectable ion yield, which confirms the known inefficiency for the post-ionization of isolated large organic molecules [1-3]. The desorption source is also used for the formation of large neutral biomolecular complexes. The largest observed complex is a gramicidin tetramer with a mass of 7,536amu. Furthermore, desorption of tryptophan together with alkaline earth salts, such as calcium-carbonate results in the formation of two different kinds of massive tryptophan clusters: Tryptophan clusters containing a single calcium atom with a mass of up to 6,800amu and also pure clusters with a mass of up to 7,100amu are observed. The inclusion of a metal atom into tryptophan clusters is observed also for strontium, barium ,sodium and copper. The cluster formation is studied additionally for other amino acids such as phenylalanine, the tripeptide tyrosine-tryptophan-glycine and the nucleotide guanine. The cluster formation between two different molecular species was observed after the simultaneous desorption of gramicidin and tryptophan and resulted in the attachment of tryptophan molecules to a single gramicidin. An alternative detection method to photo-ionization is examined by testing a superconducting single photon detector (SSPD) for its ability to detect individual neutral molecules. The sensitivity of the nanostructured SSPD seems not to be limited to small molecules. The superconducting detector isable to record velocity distributions of neutral insulin (~5,700amu), myoglobin(~17 kDa) and hemoglobin (~66 kDa) beams. A check if the intact molecules leave the source is missing due to the lack of alternative detection methods for these molecules. The working principle of the SSPD relies on the fact, that an impinging particle leads to a breakdown of superconductivity. Further developments of the SSPD appear possible and promising in order to increase the mass range of detected neutral organic molecules, which cannotbe detected in photo-ionization. The source is developed in order to fulfil the criteria needed for a combination with a Talbot-Lau interferometer. Interference of biomolecules is, beside the prove of the wave-particle duality, interesting for the examination of their properties like polarizabilities, dipole moments or absorption and collisional cross sections. This work describes the resources for that goal by providing a source for biomolecular beams ready for near future interference experiments and a novel detection method. The source and detector are therefore expected to become important corner stones for future quantum optics experiments. [1] E. W. Schlag, J. Grotemeyer, and R. D. Levine, Chem. Phys.Lett. 190, 521 (1992). [2] E. W. Schlag and R. D. Levine, Phys. Chem. 96, 10608 (1992). [3] C. H. Becker and K. J. Wu, Am. Soc. Mass Spectrom. 6, 883 (1995).

Autor*innen

Markus Marksteiner

Haupttitel (Englisch)

Production and detection of neutral molecular beams

Hauptuntertitel (Englisch)

from single amino acids to biomolecular complexes

Publikationsjahr

2010

Umfangsangabe

130 S. : Ill., graph. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Helmut Rauch ,

Markus Aspelmeyer

Klassifikationen

33 Physik > 33.05 Experimentalphysik ,

33 Physik > 33.23 Quantenphysik ,

33 Physik > 33.30 Atomphysik, Molekülphysik

AC Nummer

AC08260899

Utheses ID

9802

Studienkennzahl

UA | 091 | 411 | |

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