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Überschallmolekularstrahl für Biomoleküle entwickelt

14.12.2012

Die Untersuchung von molekularen Fragmentierungsprozessen nach einem Beschuss mit Elektronen liefert Informationen über die an der Aufspaltung beteiligten Reaktionskanäle. Neben der Spurstruktur von primären Teilchen und Sekundärelektronen sind solche Informationen wichtig für das Verständnis von strahleninduzierten Schäden in der DNS.

Während sehr viele Experimente zur Bestimmung der Massenverteilung von Fragmenten durchgeführt worden sind, wurden nur wenige Datensätze für die absoluten Querschnitte für die beim Elektronen- bzw. Ionenstoß entstehende Fragmentierung von Biomolekülen veröffentlicht. Deshalb wurde eine Apparatur mit dem Ziel aufgebaut, diese Datensätze für die DNS-Bausteine möglichst genau zu bestimmen.

Die Apparatur besteht aus einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Überschallmolekularstrahls, einer Wechselwirkungskammer, in der der Molekularstrahl von Elektronen bzw. Ionen gekreuzt wird, und einem Flugzeitmassenspektrometer, mit welchem die bei einem Stoß produzierten einzelnen Bruchstücke detektiert werden. An dieser Apparatur lässt sich ein Molekularstrahl nicht nur aus gasförmigen Substanzen sondern auch aus flüssigen und festen Substanzen erzeugen. Diese Eigenschaft ist wichtig, da Biomoleküle bei Zimmertemperatur überwiegend in der flüssigen oder festen Phase vorliegen.

Die Vorrichtung zur Erzeugung des Überschallmolekularstrahls (Abb. 1) besteht aus einer beheizbaren Düsenaufnahme aus Kupfer, einer Düse mit einem Durchmesser von 30 µm sowie zwei Rohrzuleitungen für die Zufuhr der zu untersuchenden Substanz und eines Trägergases. Mit dieser Vorrichtung kann eine Maximaltemperatur von 250°C und ein Maximaldruck von 8 bar erreicht werden.

Abb. 1 : Schematischer Aufbau der Präparationseinrichtung.

Durch diese Technik ist es möglich, chemisch temperaturstabile Flüssigkeiten mit einer Siedetemperatur unter 200°C als Überschallgasstrahl zu präparieren Die ersten Testmessungen wurden mit Methanol durchgeführt, wobei die Ionisierung durch Elektronen erfolgte, deren Energie im Bereich zwischen 50 eV und 100 eV eingestellt wurde. Die Energiebreite des Elektronenstrahls lag dabei zwischen 1 eV und 3 eV.

Bei einem Druck von 3 bar steigt die Siedetemperatur von Methanol von 65°C bei Normaldruck auf ca. 120°C an. Bei Verwendung einer Düsentemperatur von 140°C war somit eine stabile Präparation von Methanol möglich. Abbildung 2 zeigt ein erstes Massenspektrum der Fragmente von Methanol nach einem Beschuss mit 100 eV-Elektronen.

Abb. 2 : Gemessenes Fragmentationsspektrum von Methanol nach Bereinigung von Mehrfachionisationen und von Fragmenten von Rest- und Trägergasmolekülen. Das Zählratensignal ist auf den Gesamtflächeninhalt des Spektrums normiert.