Nieuwe techniek maakt specifieke oriëntatie van moleculen mogelijk
De ontwikkeling van nieuwe röntgen vrije-elektronenlasers maakt de weg vrij voor het via röntgendiffractie volgen van wijzigingen in moleculaire structuren tijdens een (bio)chemische reactie. Een vereiste hierbij is echter dat alle moleculen aan het begin van het experiment dezelfde kant opstaan. Met een nieuwe techniek waarbij moleculen met een combinatie van laser en continue elektrische velden georiënteerd worden, is dit nu mogelijk. Het artikel met de bevindingen van onderzoekers van de XUV Physics groep van het FOM-instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) werd gisteren, 22 maart, online gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Nature Physics. Binnen enkele weken zal het in print verschijnen.
De meest nauwkeurige informatie, over moleculaire structuren en de wijze waarop chemische processen verlopen, kan verkregen worden door te kijken naar de interactie met licht. Met behulp van femtoseconde (1 fs = 10-15 s) en attoseconde (1 as = 10-18 s) lasertechnieken kunnen tegenwoordig filmpjes gemaakt worden waar de bewegingen van atomen respectievelijk elektronen zichtbaar gemaakt worden. Deze methodes maken gebruik van het gegeven dat het absorptiespectrum van een molecuul afhangt van de instantane positie van alle atomen. Voor de interpretatie van een experiment is het dus nodig om te kunnen berekenen hoe het absorptiespectrum afhangt van de structuur. Voor kleine moleculen is dit goed mogelijk, maar voor grotere moleculen wordt dit steeds moeilijker.
Diffractie is een veel directere manier om structuurbepaling te doen. Het is gebaseerd op de manier waarop een golf (een lichtgolf, of een elektronisch golfpakket waarvan in de kwantummechanica sprake is) verstrooit aan een structuur. Het gemeten diffractiepatroon vertelt ons op een zeer directe manier over de structuur. In het klassieke twee-spleten experiment van Thomas Young, waar hij in 1801 over publiceerde, valt licht op twee spleten en kan uit het gemeten diffractiepatroon de afstand tussen de twee spleten bepaald worden. Overal ter wereld gebruiken kristallografen hetzelfde principe nog dagelijks: de structuur van grote biomoleculen wordt met behulp van röntgendiffractie bepaald, door zeer nauwkeurig te meten hoe röntgenlicht verstrooit aan de moleculaire structuur.
Op dit moment kijkt de wetenschappelijke wereld vol verwachting uit naar het gereedkomen van een drietal nieuwe grootschalige faciliteiten waar zeer intense laserpulsen beschikbaar zullen komen met een golflengte in het röntgengebied en een pulsduur van enkele tientallen femtoseconden. De LCLS-faciliteit komt naar verwachting later dit jaar in bedrijf op Stanford, terwijl de European XFEL in Hamburg naar verwachting in 2014 gereedkomt. Met de beschikbaarheid van intense, femtoseconde röntgen-laserpulsen ontstaat de mogelijkheid om filmpjes van de bewegingen van de atomen in een molecuul te maken door te kijken naar de manier waarop het röntgen-diffractiepatroon zich op femtoseconde tijdschaal ontwikkelt. Het is dan wel van groot belang dat alle moleculen zich op dezelfde manier presenteren aan de röntgenlaser.
Op AMOLF hebben onderzoekers nu een techniek ontwikkeld waarmee zij alle moleculen op een identieke manier in het lab kunnen prepareren. De techniek bestaat eruit dat moleculen achtereenvolgens blootgesteld worden aan een serie elektrische en laservelden. De moleculen worden via een klein gaatje een vacuümsysteem binnengelaten en bewegen dan eerst door een elektrostatische hexapool. Dit is een structuur die bestaat uit zes staven waar (om en om) een hoog positief of negatief voltage op gezet wordt. Hierdoor gaat de hexapool zich gedragen als een lens, die voor verschillende bestaande toestanden van het molecuul (toestanden die zich onderscheiden in de snelheid waarmee het molecuul als een tol om zijn as draait) een verschillende brandpuntsafstand heeft. Door de voltages op de hexapoolstaven goed te kiezen is het dus mogelijk precies één type moleculen 'af te beelden' op de positie waar vervolgens een intense femtoseconde laser gefocusseerd wordt.
De femtoseconde-laser stelt het molecuul bloot aan een zeer krachtig oscillerend elektrisch veld. Dit veld polariseert de moleculen waardoor het aantrekkelijk voor ze wordt om parallel aan de laserpolarisatie te gaan staan. Een sterk continu elektrisch veld zorgt er hierbij voor dat er bovendien een voorkeursrichting ontstaat. Hierdoor hebben de moleculen de neiging allemaal dezelfde kant op te gaan staan. Door speciale femtoseconde laserpulsvormen wordt de oriëntatie vervolgens nog geoptimaliseerd. Het experiment maakt de oriëntatie van de moleculen zichtbaar via ionisatie van de moleculen met een laserpuls in het UV (ultraviolet) golflengtegebied. Deze tweede laser ioniseert en dissocieert de moleculen, waarbij de richting waarin de fragmenten uitvliegen verraadt wat de oriëntatie van het molecuul was. De uitvliegrichting van de fragmenten wordt met een zogenaamde 'imaging detector' gemeten.
De behaalde resultaten suggereren dat het met enige verdere optimalisatie mogelijk is om meer dan 99% van de moleculen met dezelfde oriëntatie binnen een hoek van tien graden ten opzichte van de laserpolarisatie-as te krijgen, wat deze moleculen zeer geschikt maakt voor een röntgendiffractie-experiment. De eerste poging daartoe zullen de onderzoekers al snel ondernemen. Op dit moment is de AMOLF-groep in Hamburg bezig met experimenten met de FLASH vrije elektronen laser (de voorloper van XFEL) en eind dit jaar, als op Stanford de LCLS-röntgenlaser in bedrijf komt, zal een van de eerste experimenten bestaan uit het meten van het röntgendiffractiepatroon van laser-gealinieerde moleculen. Een groot internationaal team, waarvan de AMOLF-onderzoekers deel uitmaken, zal deze experimenten uitvoeren.
Reference:
Impulsive orientation and alignment of quantum-state-selected NO molecules
Omair Ghafur, Arnaud Rouzée, Arjan Gijsbertsen,Wing Kiu Siu, Steven Stolte and Marc J.J. Vrakking.
http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/pdf/nphys1225.pdf
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met prof.dr. Marc Vrakking, FOM-Instituut AMOLF, (020) 608 12 34.