Trapping biomolecular ions in superfluid helium droplets

Abstract

The He droplet technique is a versatile method for investigating molecules in a broad range of species at sub-Kelvin temperatures. In the framework of this thesis, an experiment has been setup which allows for studying intrinsic properties of large biomolecules such as peptides and proteins under well- defined conditions. The He droplet technique is combined with an electrospray ion source, a quadrupole mass filter, and a linear hexapod ion trap in which mass-to-charge selected gas-phase biomolecular ions are accumulated. The trap then serves as a pickup cell for He droplets that pass through the trap and pick up the species of interest, cool them down to their equilibrium temperature of approximately 0.37 K, transport them out of the trap, and such make them accessible for further investigation with the experimental method of choice, for example laser spectroscopy. Obtained spectra can reveal a high resolution comparable to those of isolated gas-phase molecules with little perturbances by the helium environment. Helium droplets are generated in a pulsed supersonic nozzle beam expansion. Two different He droplet sources have been installed and characterized. The sizes and size distributions of the droplets have been measured and it turns out that the most probable droplet sizes depend on the embedded particle, the respective source installed, and on the source conditions applied such as the expansion temperature and pressure which provides for manipulation of the droplet size as required.

Die Helium-Tröpfchentechnik ist eine experimentelle Methode zur Untersuchung von Molekülen, die vielseitig anwendbar ist auf viele unterschiedliche Arten von Molekülen, von atomaren Ionen bis hin zu großen Proteinen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde ein Experiment aufgebaut, welches über eine Kombination der He-Tröpfchentechnik mit einer Elektrospray-Ionenquelle, eines Quadrupol-Massenfilters sowie einer linearen Hexapol-Ionenfalle einen neuartigen Ansatz zur Erforschung großer Biomoleküle unter wohldefinierten Bedingungen bietet. Peptide oder Proteine werden in der Falle akkumuliert, die gleichzeitig als Pickup-Zelle dient: Dort gespeicherte Ionen können von hindurchfliegenden He-Tröpfchen eingefangen werden, intern auf die Tröpfchentemperatur von etwa 0.37 K abgekühlt und aus der Falle transportiert werden und werden somit zugänglich gemacht für weiterführende Untersuchungen mit der experimentellen Methode der Wahl, z.B. Laser-Spektropskopie. Dabei gewonnene Spektren weisen eine hohe Auflüsung auf, die vergleichbar ist mit der von Spektren isolierter Moleküle in der Gasphase, und zeigen lediglich geringe Einflüsse durch die Helium-Matrix. Es wurden zwei verschiedene He- Tröpfchenquellen eingesetzt und charakterisiert. Die Größen und Größenverteilungen der Tröpfchen wurden bestimmt, und es zeigt sich, dass die häufigste Größe in der Verteilung von sowohl dem eingelagerten Molekül, als auch von der verwendeten Quelle sowie von den angelegten Expansionsparametern abhängt. Dies bietet gewissermaßen die Möglichkeit zur Einstellung der gewünschten Tröpfchengröße z.B. über Druck und Temperatur in der Expansion.