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Titel:Chiroptische Untersuchungen des Photodetachments elektrogesprayter Anionen
Autor:Krüger, Peter
Weitere Beteiligte: Weitzel, Karl-Michael (Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2021
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2021/0502
DOI: https://doi.org/10.17192/z2021.0502
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2021-05021
DDC: Chemie
Publikationsdatum:2022-05-30
Lizenz:https://rightsstatements.org/vocab/InC-NC/1.0/

Dokument

Schlagwörter:
Photodetachment, Electrospray ionization, Flugzeitmassenspektrometrie, Anions, Amino acids, Peptides, Photodetachment, Time-of-flight mass spectrometry, Elektrosprayionisation, Circular dichroism, Peptide, Anionen, Aminosäuren, Circulardichroismus

Zusammenfassung:
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neues Chiralitätsspektrometer für chiroptische Untersuchungen an mittels Elektrosprayionisation (ESI) erzeugten Anionen konzipiert. Eine ESI-Quelle wurde über eine Reihe von Ionentransferoptiken mit einem linearen Flugzeitmassenspektrometer (TOF-MS) und einer Elektronenabbildungseinheit gekoppelt. Im Zentrum des Chiralitätsspektrometers wechselwirken Ionenpakete mit elliptisch polarisierten ns-Laserpulsen einer Wellenlänge von 355 nm. Dabei gebildete sowie vernichtete Ladungsträger können im Falle von Ionen massenaufgelöst oder bei der Betrachtung von Photoelektronen richtungsaufgelöst über dafür vorgesehene Detektoreinheiten nachgewiesen werden. Dies erlaubt die Bestimmung des Circulardichroismus in totalen Ausbeuten (PICD) sowie des Circulardichroismus in der Photoelektronen-Winkelverteilung (PECD). Die Eignung des beschriebenen Aufbaus für die Chiralitätsanalyse elektrogesprayter Anionen wurde in proof-of-principle-Experimenten an zwei unterschiedlichen Aminosäuren untersucht. Als Analyten wurden 3,4-Dihydroxyphenylalanin (DOPA) und Glutaminsäure (GLU) ausgewählt. Im Falle von DOPA wurde das Einphotonendetachment von Monoanionen untersucht. Am Beispiel von GLU wurde das Einphotonendetachment einer Verteilung unterschiedlich solvatisierter Dianionen betrachtet. Dem Photodetachment können dabei Decarboxylierungs- und Autodetachmentvorgänge folgen. Der PICD wurde in der Verarmung der genannten Präkursoranionen, in totalen Photoelektronenausbeuten und – falls vorhanden – anhand der Bildung neuer Radikalanionen bestimmt. Trotz Standardfehler im unteren Promille-Bereich konnte keine Unterscheidung der L- und D-Aminosäuren vorgenommen werden, da im Rahmen der Fehlerbalken ununterscheidbare PICD-Werte erhalten wurden. Bedingt durch apparative Anisotropien sind geringe Abweichungen des PICD vom Nullwert festgestellt worden. Um Instabilitäten der Präkursorionenausbeute sowie der mittleren Laserleistung im Messverlauf zu berücksichtigen, wurden verschiedene Normierungsansätze verglichen. Die Ausbeutedifferenzen der betrachteten Ladungsträger durch Lasereinwirkung wurden auf parallel gemessene Hintergrundionenausbeuten und/oder die mittlere Laserleistung bezogen. Es konnte zwar in Einzelfällen eine Reduzierung der Standardfehler belegt werden, allerdings war keine zuverlässige Kompensation systematischer Fehler nachzuweisen. Durch eine Auswertung der in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung emittierten Photoelektronen konnte der PECD für die mittels ESI erzeugten Präkursorverteilungen der beiden Aminosäuren DOPA und GLU bestimmt werden. Für L- und D-DOPA wurden PECD-Werte von −4.64 % ± 0.24 % bzw. 4.36 % ± 0.25 % erhalten. L- und D-GLU zeigten mit PECD-Werten von 3.62 % ± 0.15 % bzw. −3.79 % ± 0.14 % weniger ausgeprägte Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrien mit umgekehrtem Vorzeichen bei gleicher absoluter Konfiguration. Am Beispiel der untersuchten Aminosäuren konnte somit zum ersten Mal der PECD im Photodetachment nachgewiesen werden. Die dabei erhaltenen Werte im einstelligen Prozentbereich belegen das Potential der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten ESI-PECD-Methodik für Chiralitätsanalysen. Um die Erweiterung des zugänglichen Analytspektrums zu demonstrieren, wurden chiroptische Studien an dem Peptid Gramicidin (GRA) durchgeführt. Das Einphotonendetachment zweifach-deprotonierten Gramicidins wurde mit links und rechts zirkular polarisierten Laserpulsen ausgelöst. PECD und PICD wurden anhand von Photoelektronenausbeuten in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung bzw. deren Summe bestimmt. Ziel der Untersuchungen des strukturell flexiblen Gramicidins war eine Bestätigung der Konformations-Empfindlichkeit des PECD-Effektes für Photodetachmentvorgänge. Zu diesem Zweck wurde die Abhängigkeit des PECD von der ESI-Solventhistorie untersucht. Lösungen von GRA in reinem Methanol sowie Wasser/Methanol-Mischungen wurden analysiert. Obwohl gemäß konventioneller CD-Spektren unterschiedliche Konformationsverteilungen in der Flüssigphase vorliegen, wurden in der Gasphase vergleichbare PECD- und PICD-Werte bestimmt. Dieses Resultat weist auf ähnliche Gasphasen-Konformationen hin, welche aus einer strukturellen Equilibrierung in der Ionenfalle und dem Verlust nicht-kovalenter Bindungen bei der Überführung in die Gasphase resultieren können. Weiterhin wurde der Einfluss der Substitution von Protonen durch Caesiumionen in GRA-Dianionen auf die chiroptischen Observablen untersucht. Für die nach der Zugabe eines CsOH-Überschusses erhaltene Präkursorverteilung wurde ein positiver PECD von 0.45 % ± 0.14 % gemessen. Dieser Wert weicht vom Resultat einer reinen GRA-Lösung mit −0.46 % ± 0.21 % ab. Die Veränderung des PECD-Wertes kann durch elektronische Struktureinflüsse oder Konformationsanpassungen bei besagter Substitution zustande kommen. Der PICD-Wert blieb im Rahmen der Messunsicherheiten unverändert. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte ESI-PECD-Methodik, d. h. die Untersuchung des PECD im Photodetachment elektrogesprayter Anionen, hat verschiedene Vorteile gegenüber der bis zum jetzigen Zeitpunkt etablierten Messung des PECD in der Photoionisation von Neutralteilchen. Neben der Erweiterung des Analytspektrums bietet die Nutzung einer ESI-Quelle Zugang zu anionischen Präkursorspezies. Letztere können im Allgemeinen durch einzelne UV-Photonen photodetacht werden. Die Vermeidung einer Abhängigkeit von resonanten Zwischenzuständen verspricht eine allgemeine Anwendbarkeit der Methodik. Ein weiterer positiver Nebeneffekt der Nutzung von Präkursoranionen ist eine Reduzierung der technischen Anforderungen an die Lichtquellen. Verglichen mit Multiphotonen-Laborexperimenten an Neutralteilchen wird weniger intensive Strahlung benötigt und im Vergleich mit Synchrotron-Studien ist deutlich weniger Photonenenergie erforderlich. Zudem bieten geladene Präkursoren die Möglichkeit einer vorgelagerten Massenselektion und erlauben somit eine massenaufgelöste Bestimmung des PECD ohne die Anwendung von Koinzidenz-Techniken, welche im Allgemeinen lange Messzeiten durch eine Limitierung der verwendbaren Zählraten zur Folge haben.

Summary:
In the scope of this work a new chirality spectrometer was built for chiroptical studies of electrosprayed anions. To this end, an electrospray ionization (ESI) source was coupled with a linear time-of-flight mass spectrometer (TOF-MS) and an electron projection unit. In the center of the chirality spectrometer ion packages can interact with elliptical polarized nanosecond laser pulses with a wavelength of 355 nm. Created and depleted charge carriers can be detected mass-resolved in case of ions or direction-resolved in case of photoelectrons by two individual detector units. This allows the determination of the circular dichroism in total ion yields (PICD) and the circular dichroism in the photoelectron angular distribution (PECD). The viability of the presented setup for chirality analysis of electrosprayed anions was demonstrated in proof of principle experiments on amino acids. 3,4-Dihydroxyphenylalanine (DOPA) and glutamic acid (GLU) were chosen as analytes. In case of DOPA the single photon detachment of monoanions was investigated. For GLU the single photon detachment of a distribution of solvated dianions was studied. The latter can be followed by decarboxylation and autodetachment processes. The PICD was determined in different ways using the depletion of the precursor ions, the total photoelectron yields and – if applicable – the yields of created radical anions. Despite standard errors in the permille range, no distinction between enantiomers was possible due to undistinguishable PICD values of the L- and D-amino acids. Yet, in a number of cases non-zero PICD values were caused by an instrument-based anisotropy. Different normalization approaches were compared to take instabilities of the precursor ion density and the mean laser power into account. Yield differences of the charge carriers of interest caused by photodetachment were normalized to the simultaneously measured background ion yield and/or the mean laser power. In some cases, a decrease of standard errors was apparent, but no reliable compensation of systematic errors could be observed. The PECD of anionic precursor distributions created by electrospray ionization of the amino acids DOPA and GLU was determined by evaluation of the photoelectrons emitted in forward and backward direction. PECD values of −4.64 % ± 0.24 % and 4.36 % ± 0.25 % were obtained for L- and D-DOPA, respectively. L- and D-GLU exhibit inverted signs and less pronounced asymmetries in the photoelectron angular distribution, as can be seen in their PECD values of 3.62 % ± 0.15 % and −3.79 % ± 0.14 %, respectively. Using two different amino acids as examples, the PECD was detected in the photodetachment for the first time. Asymmetries in the photoelectron angular distribution of several percent reveal the capability of the new ESI-PECD method for chirality analysis. Chiroptical studies of the peptide gramicidin (GRA) were conducted to demonstrate the extension of the scope of the PECD technique by the utilization of an ESI source. Single photon detachment of doubly deprotonated gramicidin was enforced by left and right circular polarized laser pulses. PECD and PICD were determined using the photoelectron yields in forward as well as backward direction and their sum, respectively. Objective of the experiments on structurally flexible gramicidin was the affirmation of the conformational sensitivity of the PECD for photodetachment processes. To this end, the influence of the solvent history of the precursor ions on the PECD value was investigated. GRA solutions made from pure methanol and water/methanol mixtures were analyzed. Despite having different conformational distributions in the liquid phase according to conventional CD measurements, comparable PECD and PICD values were obtained in the gas phase. This result indicates similar gas phase conformations and can be interpreted in the light of structural equilibration within the ion trap and a possible loss of non-covalent bonds. Furthermore, the influence of substitution of caesium ions for protons on the PECD of gramicidin dianions has been investigated. For the precursor ion distribution obtained by adding an excess of CsOH to a GRA solution, a PECD of 0.45 % ± 0.14 % was measured. This value deviates from the result of −0.46 % ± 0.21 % for a pure GRA solution. The alteration of the PECD value can be either attributed to changes of the electronic structure or conformation by substitution. Within the standard errors the PICD is not affected. The ESI-PECD method reported in this work, i.e., measuring the PECD in the photodetachment of electrosprayed anions, offers numerous advantages over the classic PECD approach which is based on the photoionization of neutrals. Apart from the already mentioned extension of the investigable analyte range, the utilization of an ESI source offers access to anionic precursors. In general, these can be photodetached by single UV photons, hence no sharp resonance conditions apply. This suggests a universal applicability of the method even for mixtures. A positive side effect of using anionic precursors is the reduction of technical requirements regarding the light sources used. Compared to multiphoton experiments on neutrals, less intense radiation is needed, and compared to synchrotron studies, lower photon energies are sufficient. Furthermore, the use of charged analytes enables the implementation of precursor mass selection. In this way, mass-resolved measurements of the PECD can be achieved, overcoming the need for mass-tagging electrons by coincidence techniques which limit count rates and thus cause long measurement times.


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