Development and Characterization of a Laser-Induced Desorption Source for FEL Experiments

Abstract

The recording of structural dynamics of individual large biomolecules requires efficient delivery of these biomolecules, which are usually thermally labile or non-volatile, to the X-ray or electron beam interaction point. Laser-induced acoustic desorption (LIAD) is a promising technique for gentle and efficient preparation of large intact neutral molecules into the gas-phase.

In this thesis a newly set-up LIAD source was designed for prolonged measurement times and fixed interaction point, as required by free-electron laser (FEL) experiments, through a tape-drive automatic sample replenishment method. A novel sample preparation method utilized gas dynamic virtual nozzle to aerosolize sample was implemented to deposit uniform layers on the long 10 μm thick tantalum foil band, which was irradiated by the third harmonic of a nanosecond Nd:YAG laser on the back surface. The induced photoacoustic stress and thermal stress waves travel through the foil and desorb deposited samples into the gas-phase. Stable dense phenylalanine, adenine and glycine plumes with density higher than 10^9 cm^{−3} were created and characterized using strong-field ionization (SFI) by an intense femtosecond laser field. The produced ions induced by SFI were detected by a linear time-of-flight mass spectrometer (TOF-MS).

Number density, spatial extend, temporal distribution, translational velocity, and translational temperature of created plumes were fully characterized. Effects of desorption laser intensity, sample layer thickness on LIAD prepared thermally labile and thermally stable molecules were evaluated. These results show a thorough picture of the desorption process and molecule plume characteristics. While translational velocity is invariant for different desorption laser intensities, pointing to a non-thermal desorption mechanism, the translational temperature increases significantly and higher fragmentation is observed with increased desorption laser fluence for thermally labile molecules, which shows that more thermal energy was transferred to sample at higher desorption laser intensity. The broad temporal distribution, long delay (∼8 μs) between desorption molecule signals and desorption laser pulse rules out the shake-off model and point to a indirect coupled desorption mechanism. The kinetic energy of prepared plume is in the range of the surface stress energy between foil substrate and sample layer, which supports the previous proposed stress-induced desorption mechanism.

Die Messung struktureller Veränderungen von großen Biomolekülen, welche oft thermisch labile oder nichtflüchtig sind, erfordert einen effizienten Transport der Biomoleküle von der Quelle hin zum Wechselwirkungspunkt zwischen der Probe und dem, zum Beispiel, Röntgen-, oder Elektronenstrahl. Laser-induzierte akustische Desorption (Laser-induced acoustic desorption, LIAD) ist ein vielversprechender experimenteller Ansatz um große Moleküle sanft und elektrisch neutral in die Gasphase zu bekommen.

In dieser Dissertation wird die Entwicklung einer neuartigen LIAD-Quelle gezeigt bei welcher die LIAD-Quelle mit einem sogenanntem Tape-Drive (Laufband) kombiniert wird um Moleküle über einen längeren Zeitraum kontinuierlich in die Gasphase zu bringen. Das Tape-Drive wird für den automatischen Probennachschub genutzt und erlaub somit lange, kontinuierliche Messzeiten welche sehr wichtig sind für, zum Beispiel, Messungen an freien Elektronen Lasern (FELs). Das Laufband besteht aus einer 10 μm dünnen Tantal-Folie und dient gleichzeitig als Probenträger. Die zu messenden Moleküle werden mit einer sogenannten gas dynamic virtual nozzle (GDVN) auf die Vorderseite der Folie deponiert um eine dünne, einheitliche Schicht zu garantieren. Die Desorption von der Folie erfolgte durch einen frequenzverdreifachten Nd:YAG Lasers (Desorptionslaser) welcher auf die Rückseite der Folie fokussiert wird. Der in der Folge entstehende photoakustische Stress sowie die thermische Schockwelle in der Folie führen zur Desorption der Moleküle an der Vorderseite. Die entstandene Gas-, oder Molekülwolke wurden anschließend mittels eines fs-Laser ionisiert (Multiphoton-, und Tunnelionisation) und in einem Ionen-Flugzeitmassenspektrometer analysiert. Innerhalb der Dissertation wurden so verschiedene stabile und intakte Moleküle von Phenylalanin, Adenin und Glycin mit einer Dichte von 10^9 cm^{−3} nachgewiesen.

Ein großes Augenmerk wurde auf die Charakterisierung der erzeugten Molekülwolke gelegt. Hierbei wurden die Dichte, die räumliche und zeitliche Verteilung, Translationsgeschwindigkeit und Temperature der Molekülwolke in Abhängigkeit gesetzt zur Energie des Desorptionslasers und der Dicke der aufgetragenen Molekülschicht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Translationsgeschwindigkeit der Molekülwolken nahezu unabhängig von der Energie des Desorptionslasers ist was auf einen nicht-thermischen Desorptionsmechanismus hindeutet. Im Gegensatz dazu wurde eine höhere Fragmentation der Moleküle beobachtet was, bei den verwendeten thermisch-labilen Molekülen, auf eine höhere interne Temperature und somit auf einen höheren thermischen Energietransfer deutet. Die zeitliche Dauer des Molekülwolke und die lange zeitliche Verzögerung (∼8 μs) zwischen der Desorption der Moleküle und dem Desorptionslaser deuten auf einen indirekt gekoppelten Desorptionsmechansismus hin und schließen somit das sogenannte shake-off model aus. Die kinetische Energie von den Molekülen ist in der Größenordnung der Oberflächenspannungsenergie zwischen den Molekülen und der Folie was auf einen zuvor schon vorgeschlagenen stressinduzierten Desorptionsmechanismus hindeutet.