In this thesis experiments on flavins in the gas phase are presented, especially on their photophysics when interacting with femtosecond laser light (400 nm and whitelight). The used experimental apparatus is a tandem mass spectrometer (for mass selection and analysis) combined with a radio- frequency hexadecapole ion trap where the interactions of the trapped ions with the laser light are occurring. The used laser system is a femtosecond Ti:Sapphire system (Femtolasers Femtosource oscillator, Quantronix Odin amplifier) providing 35 fs long 800 nm pulses with up to 1.2 mJ en- ergy at an 1 kHz repetition rate. These laser pulses are used for frequency doubling and as seed pulses for whitelight filamentation. The three major species of flavins are Riboflavin (RBF), Flavin Mononucleotide (FMN), and Flavine Adenine Dinucleotide (FAD), of which FMN and FAD are synthesized from RBF in organisms and act as functional groups in hundreds of different flavo- proteins. The successful generation of gas phase ions for all three flavins with an electro- spray ionization (ESI) source as either cations or anions (RBF+ and FAD2− ), or even both (for FMN) is demonstrated. The collision induced dissociation (CID) of the flavins exhibits slightly different behavior for each species: RBF+ fragments predominantly into Lumichrome (LC)+ , with a small additional channel involving water loss; FMN+ ’s main CID product is the loss of water, as well as LC+ and the loss of the phosphate group; FMN− is stable against CID, it fragments in small amounts to neutral LC and Lumiflavin (LF), with the charged side chains remaining intact; FAD2− fragments into two singly charged parts, the most dominant process being the one that produces LF− as one of the products. The investigation of the photophysics of the flavins with 400 nm fs pulses reveals that FMN+ and RBF+ show very similar laser induced dissociation (LID) behavior: One photon fragmentation into LC+ , LF+ , and Formylmethylflavin (FMF)+ dominates, with LF+ having the strongest intensity and FMF+ the weakest. At high pulse energies these fragments frag- ment further via two photon excitation into numerous smaller fragments; FMN− fragments almost exclusively into neutral FMF and its corresponding charged side chain. The charge reversal spec- trum of FMN− is shown to be very similar to the LID spectrum of FMN+ , indicating an additional photo fragmentation is occurring during the photo ionization of the neutral FMF. FAD2− exhibits only limited LID, mostly into LF− and LC− and their respective singly charged counterparts. The temperature dependence of the LID shows a different behavior for the anionic and the cationic species: While for anions the LID yields decrease, for cations they increase. The experiments with ultrashort ( 5 fs) whitelight (WL) fs-pulses for FMN+ and RBF+ show LID patterns similar to the 400 nm experiments, just with twice the number of required photons. The application of a genetic algorithm optimization via a feedback loop is demonstrated for the LID of FMN+ , the resulting optimized pulse is a short pulse (5 fs). The systematic variation of the linear chirp of the pulse yields the same result for pulses up to 50 μJ energy, the shortest laser pulses produce the highest LID yields. The chirp dependent experiments with high pulse energies (ca. 500 μJ, with- out shaper) reveal that for these high pulse energies the highest LID yields are actually achieved with negatively chirped pulses. This pattern is also observed for the other flavin species. The high intensities of the WL pulses are shown to be particularly advantageous to achieve charge reversal spectra for FMN− and FAD2− , with far higher ion yields than possible with 400 nm pulses. The observed mass spectra for the charge reversal of FMN− are almost identical to the LID of FMN+ . The charge reversal experiments of FAD2− are similar to those of the other flavin species, with the additional appearance of adenine. Finally, experiments on [FMN+Trp]+ complexes provide evidence for occurrence of photo induced electron transfer between the flavin and the amino acid.
In dieser Arbeit werden eine Reihe von Experimenten an verschiedenen Arten von Flavinen in der Gasphase mit Femtosekundenlaserpulsen vorgestellt. Der verwendete experimentelle Aufbau ist ein Tandem Massenspektrometer (zur Selektion und Analyse der ionisierten Moleküle) kombiniert mit einer RF Hexadekapol Falle, in der die Flavine mit den Femtosekundenlaserpulsen interagieren können. Die Erzeugung der gewünschten Molekülspezies geschieht mit Hilfe einer Elektrospray Quelle. Das Femtosekundenlasersystem besteht aus einem Ti:Saphir Oszillator von Femtolasers kombiniert mit einem Odin Pulsverstärker von Quantronix, das Laserpulse mit 800 nm Wellen- länge, 35 fs Dauer und bis zu 1,2 mJ Pulsenergie bei einer Repetitionsrate von 1 kHz liefert. Diese Pulse werden dann entweder durch Frequenzverdoppelung zu 400 nm Pulsen konvertiert, oder für die Erzeugung von Weißlicht durch Filamentierung benutzt. Die drei wichtigsten Flavine sind Riboflavin (RBF), Flavin Mononucleotide (FMN) und Flavine Adenine Dinucleotide (FAD). FMN und FAD werden im menschlichen Körper aus RBF (Vitamin B2 ) synthetisiert, sie bilden die funktionalen Elemente in Hunderten so genannter Flavoproteine. Die erfolgreiche Erzeugung von entweder kationischen oder anionischen Flavinen (RBF+ und FAD2− ) oder sogar beides (FMN+ und FMN− ) mittels einer Elektrosprayquelle wird demonstriert. Die kollisionsinduzierte Dissozi- ation ist dabei leicht unterschiedich für die verschiedenen Flavinarten: RBF+ fragmentiert primär in Lumichrome (LC)+ und spaltet in kleinerem Ausmaß Wasser ab; FMN+ spaltet hauptsächlich Wasser ab, zusätzlich verliert es die Phosphatgruppe oder zerfällt in LC+ ; FMN− ist dagegen sehr stabil, die geringe beobachtbare Fragmentation besteht aus gleichen Teilen aus neutralem LC und Lumiflavin (LF) sowie den zugehörigen geladenen Seitenketten; FAD2− zerfällt in zwei einfach geladene Fragmente, eines von diesen ist LF− . Die Untersuchung der Photophysik der Flavine mit 400 nm fs Laserpulsen zeigt ein sehr ähnliches Verhalten für RBF+ und FMN+ : Es dominiert der einphotonische Zerfall in LC+ , LF+ und Formylmethylflavin (FMF)+ , dabei zeigt LF+ die größte relative Häufigkeit, FMF+ die geringste. Bei hohen Pulsenergien fragmentieren diese Pho- toprodukte nach zweiphotonischer Anregung zusätzlich in eine ganze Reihe kleinerer Fragmente; FMN− fragmentiert fast auschliesslich in neutrales FMF sowie die zugehörige geladene Seiten- kette. Das Ladungsumkehrspektrum ist dagegen fast identisch mit dem von FMN+ ; FAD2− frag- mentiert nur schwach unter Laserlichteinwirkung, primär in LC− und LF− sowie den zugehörigen Seitenketten und Adeningruppen. Die Temperaturabhängigkeit der laserinduzierten Dissoziation zeigt ein entgegengesetztes Verhalten für die Anionen und Kationen: Kationen dissoziieren leichter bei tiefen Temperaturen, Anionen dagegen besser bei hohen. Die Experimente mit ultrakurzen (5 fs) Weißlichtlaserpulsen zeigen für FMN+ und RBF+ ein sehr ähnliches Verhalten im Vergleich zu den 400 nm Experimenten, mit dem Unterschied, dass die Anzahl der jeweils benötigten Pho- tonen sich verdoppelt. Die erfolgreiche Anwendung eines genetischen Algorithmus auf die Op- timierung der Dissoziation von FMN+ wird ebenfalls demonstriert. Die sich ergebende optimale Pulsform ist ein kurzer Weißlichtpuls. Die Untersuchung der Chirpabhängigkeit der Dissoziation liefert ein ähnliches Ergebnis für Pulsenergien bis zu 50 μJ, die kürzesten Pulse fragmentieren am effizientesten. Bei Pulsenergieen von 500 μJ zeigt sich allerdings, das negative Chirps eine stärkere Fragmentation als kurze Pulse verursachen. Diese Ergebnissse gelten auch für die an- deren Flavine. Die hohen Feldstärken der Weißlichtpulse erweisen sich besonders vorteilhaft für die Ladungsumkehrspektroskopie von FMN− und FAD2− . Photofragmentationsexperimente an [FMN+Trp]+ Komplexen geben deutliche Hinweis darauf, das ein photoinduzierter Ladungstrans- fer zwischen dem Flavin und der Aminosäure Tryptophan stattfindet.
