dc.contributor.author
Gause, Oliver
dc.date.accessioned
2018-06-07T23:18:03Z
dc.date.available
2012-05-04T11:13:52.105Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/10310
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-14508
dc.description.abstract
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.
de
dc.description.abstract
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.
de
dc.format.extent
VII, 154 S.
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
mass spectrometry
dc.subject
coherent control
dc.subject
femtosecond laser
dc.subject
whitelight pulse shaping
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik
dc.title
Femtosecond spectroscopy and coherent control on flavins in the gas phase
dc.contributor.contact
gause.fu-physik@gmx.de
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Ludger Wöste
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Karsten Heyne
dc.date.accepted
2012-02-14
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000037342-6
dc.title.translated
Femtosekunden-Spektroskopie und kohärente Kontrolle an Flavinen in der
Gasphase
de
refubium.affiliation
Physik
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000037342
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000010989
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access