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Abstract:
Gas phase infrared (IR) spectroscopy has emerged as a powerful method to study (bio)molecules in the absence of influences from external factors in the liquid or solid phase. However, the low number density of analytes in the gas phase requires a change in measurement principle. Instead of monitoring the attenuation of IR radiation upon interaction with the analyte, the effect of the irradiation on the analyte has to be monitored. Different concepts to realise this so called action spectroscopy have been realised to date.
In this thesis, a novel instrument to perform gas phase IR spectroscopy is introduced. Based on an ion mobility mass spectrometer conceived earlier, the instrument aims to combine the complementary techniques of ion mobility spectrometry and mass spectrometry for a sophisticated selection of ions for IR spectroscopy. After ion mobility and mass selections, ions are rapidly cooled to the temperature of a cryogenic ion trap by collisions with a buffer gas. The loss of energy upon colliding with the buffer gas does not only enable trapping of ions in the cryogenic ion trap, the low temperatures in the cryogenic ion trap also allows for the attachment of molecular tags. These molecular tags serve as messengers for the subsequent messenger tagging IR spectroscopy. A pulsed beam of cooled and tagged ions will be created upon ejection from the cryogenic ion trap and is subsequently overlaid with the IR radiation provided by the Fritz Haber Institute Free Electron Laser (FHI FEL). By scanning the wavelength of the FEL, the different vibrational modes of the ions can be probed. Excitation of vibrational bands in the analyte can be detected as the depletion of a messenger tag: absorption of a resonant photon is dissipated throughout the molecule by intramolecular vibrational energy redistribution and subsequently to the surrounding by the loss of an attached messenger. The ratio of messenger tagged and messenger tag depleted ions can be determined from using time-of-flight mass spectrometry.
In this work, individual parts of iMob 2.0 are explained in detail. The systematic characterisation of the cryogenic ion trap as a central part of the machines initial commissioning will be highlighted. Furthermore, the performance and potential of messenger tagging IR spectroscopy will be evaluated using the pentapeptide leucine-enkephalin (LEK). In comparison to IR spectra obtained by two different types of action spectroscopy, namely IR multiphoton dissociation (IRMPD) spectroscopy and infrared (IR) spectroscopy using helium nanodroplets, the IR spectrum obtained from the messenger tagging approach can be benchmarked. In addition to LEK, two isomeric trisaccharides of the Lewis antigen class will be subject to IR spectroscopic experiments. The migration of inherent fucose moieties in these biologically relevant molecules remains puzzling and the ability to distinguish ions of the same mass by ion mobility spectrometry holds the promise to selectively shed light onto the observed rearrangement.
Abstract:
Infrarot (IR) Spektroskopie in der Gasphase etabliert sich zunehmend auch in der Analyse von großen (Bio)Molekülen. Dabei liegt der Vorteil gegenüber IR Spektroskopie in Lösung oder am Feststoff darin, dass externe Störeinflüsse besser vermieden werden können. Ein inhärentes Problem von Gasphasen IR Spektroskopie ist jedoch die geringe Teilchendichte. Zur Überwindung dieser Problematik hat sich das Prinzip der Wirkungsspektroskopie durchgesetzt. Dabei wird nicht der Einfluss der Probe auf das eingestrahlte Licht verfolgt, sondern es wird beobachtet welchen Einfluss das Licht auf die Strahlung hat.
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Gerät beschrieben, das eine Umsetzungsmöglichkeit zur Wirkungsspektroskopie realisiert. Dabei wurde ein schon bestehendes Messgerät für Ionenmobilitäts- und Massenspektrometrie dahingehend erweitertet, dass es für Reporter Spektroskopie geeignet ist. Die Selektion von Ionen mittels Ionenmobilitäts- und Massenspektrometrie ist dabei komplementär und erlaubt Spektroskopie an sehr selektierten Ionen. Dafür werden diese in einer kalten Ionenfalle durch die Kollision mit einem Puffergas abgebremst und auf die Temperatur der Falle gekühlt. Dabei ermöglichen die niedrigen Temperaturen in der Ionenfalle das nichtkovalente Anlagern von inerten Reportermolekülen, welche für das Messprinzip essentiell sind. Durch gepulste Ejektion aus der Ionenfalle entsteht ein Ionenstrahl, welcher mit der IR Strahlung des Freien Elektronen Lasers (FEL) des Fritz Haber Instituts (FHI) überlagert werden kann. Dabei führt das resonante Anregen von Schwingungsbanden in den Molekülionen dazu, dass, durch Umverteilung der Schwingungsenergie, das Reportermolekül abgelöst wird. Dieser Verlust des Reportermoleküls lasst sich in einem Flugzeitmassenspektrometer detektieren und erlaubt aus dem Verhältnis zwischen Ionen mit und ohne Reportermolekül bei einer definierten Wellenzahl ein IR Spektrum zu ermitteln.
In dieser Arbeit werden die einzelnen Bauteile des iMob 2.0 beschrieben und in das Experiment eingeordnet. Es folgt eine systematische Evaluation einiger Parameter der kalten Ionenfalle, die sozusagen das Herzstück der Apparatur darstellt. Um das Potential der IR Spektroskopie am iMob 2.0 abschätzen zu können, wird das Pentapeptide Leucin-Enkephalin benutzt, welches bereits mit zwei anderen Varianten der Wirkungsspektroskopie, IR Vielphotonen-Dissoziation Spektroskopie und IR Spektroskopie in Helium Nanotröpfchen, untersucht wurde. Außerdem werden Trisaccharide aus der Gruppe der Lewis Antigen hinsichtlich der beobachteten Umlagerung von Fucose-Einheiten untersucht. Da noch nicht verstanden ist, wie diese Migration im Detail funktioniert, ist das iMob 2.0 durch IR Spektroskopie nach Selektion isomerer Verbindungen aufgrund unterschiedlicher Ionenmobilitäten dazu prädestiniert das Verständnis dieses Phänomens zu erweitern.
