Подвижность многократно протонированных полиэтиленоксидов в гелии при различных напряженностях электрического поля. Молекулярно-динамическое моделирование дрейфа ионов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Дрейф многократно протонированных цепей полиэтиленоксида в гелии в электростатических полях различной напряженности моделируется методом молекулярной динамики. Результаты моделирования сравниваются с предсказаниями кинетической теории подвижности ионов, которая связывает эффект увеличения напряженности поля с ростом температуры иона. Как и следовало ожидать, внутренняя температура иона Tion повышается с увеличением кинетической энергии случайного движения, получаемой ионом от поля. Однако она растет медленнее, чем ожидается в двухтемпературной теории. Подвижность ионов рассчитывается как функция напряженности поля E при постоянной температуре газа T (300 К) и как функция T при низких E. Результаты этих двух серий расчетов сравниваются при одинаковых внутренних температурах ионов. Результаты совпадают при Tion, близкой к температуре газа. При высоких температурах иона они несколько расходятся (примерно на 8% при Tion = 600 К), что не согласуется с теорией. Конформации и размеры дрейфующих ионов, а также их сечения столкновения, рассчитанные по подвижности, свидетельствуют о том, что увеличение числа присоединенных протонов приводит к разворачиванию полимерной цепи. Этот эффект удовлетворительно согласуется с критерием Рэлея устойчивости заряженной капли. Увеличение напряженности поля влияет на сечение столкновения по нескольким причинам. Они включают в себя повышение температуры иона, приводящее к увеличению размера иона, уменьшение влияния дальнодействующих притягивающих взаимодействий и дипольную ориентацию, которая более выражена при меньшем количестве присоединенных протонов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. А. Дубровский

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: sd@chph.ras.ru
Россия, 119991, Москва, ул. Косыгина, 4

Н. К. Балабаев

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук

Email: sd@chph.ras.ru
Россия, 119991, Москва, ул. Косыгина, 4

Список литературы

  1. Eiceman G.A., Karpas Z., Hill H.H. Ion Mobility Spectrometry. CRC Press, Boca Raton, Florida, 2014.
  2. Lapthorn C., Pullen F., Chowdhry B. Z. // Mass Spectrom. Rev. 2013. V. 32. P. 43.
  3. DuezQ., Hoyas S., Josse T., Cornil J., Gerbaux P., De Winter J. // Mass Spectrom. Rev. 2023. V. 42. P. 1129.
  4. Lanucara F., Holman S.W., Gray C.J., Eyers C.E. // Nature Chem. 2014. V. 6. P. 281.
  5. Karas M., Bachmann D., Bahr U., Hillenkamp F. // Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes. 1987. V. 78. P. 53.
  6. Hillenkamp F., Peter-Katalinic J. MALDI MS: A Practical Guide to Instrumentation, Methods and Applications. Wiley-VCH, Weinheim, 2007.
  7. Fenn B., Mann M., Meng C.K., Wong S.F., Whitehouse C.M. // Science. 1989. V. 246. P. 64.
  8. Mason E.A., Schamp H.W. // Ann. Phys. 1958. V. 4. P. 233.
  9. Siems W.F., Viehland L.A., Hill H.H. // Analyst. 2016. V. 141. P. 6396.
  10. Shvartsburg A.A. Differential Ion Mobility Spectrometry. CRC Press, Boca Raton, Florida, 2009.
  11. D’Atri V., Porrini M., Rosu F., Gabelica V. // J. Mass Spectrom. 2015. V. 50. P. 711.
  12. Prell J.S. // Compr. Anal. Chem. 2019. V. 83. P. 1.
  13. Lai R., Dodds E. D., Li H. // J. Chem. Phys. 2018. V. 148. P. 064109.
  14. Dubrovskii S.A., Balabaev N.K. // Polym. Sci., Ser. A. 2022. V. 64. P. 549.
  15. Kaltashovand I.A., Abzalimov R.R. // J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2008. V. 19. P. 1239.
  16. von Helden G., Wyttenbach T., Bowers M.T. // Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc. 1995. V. 46/147. P. 349.
  17. Saucy D.A., Ude S., Lenggoro I.W., de la Mora J.F. // Anal. Chem. 2004. V. 76. P. 1045.
  18. Ude S., de la Mora J.F., Thomson B.A. // J. Am. Chem. Soc. 2004. V. 126. P. 12184.
  19. Trimpin S., Plasencia M., Isailovic D., Clemmer D.E. // Anal. Chem. 2007. V. 79. P. 7965.
  20. Larriba C., de la Mora J.F. // J. Phys. Chem. B. 2012. V. 116. P. 593.
  21. Consta S., Chung J.K. // J. Phys. Chem. B. 2011. V. 115. P. 10447.
  22. Viehland L.A., Fahey D.W. // J. Chem. Phys. 1983. V. 78. P. 435.
  23. Mason E.A., McDaniel E.W. Transport Properties of Ions in Gases. Wiley, New York, 1988.
  24. Kanev I.V., Balabaev N.K., Glyakina A.V., Morozov V.N. // J. Phys. Chem. B. 2012. V. 116. P. 5872.
  25. Balabaev N.K., Mazo M.A., Kramarenko E.Yu. // Macromolecules. 2017. V. 50. P. 432.
  26. Dubrovskii S.A., Balabaev N.K. // Polym. Sci., Ser. A. 2021. V. 63. P. 891.
  27. Dubrovskii S.A., Balabaev N.K. // Polym. Sci., Ser. A. 2023. V. 65. P. 213.
  28. Lemak A.S., Balabaev N.K. // Mol. Simul. 1995. V. 15. P. 223.
  29. Lemak A.S., Balabaev N.K. // J. Comput. Chem. 1996. V. 17. P. 1685.
  30. Hill J.R., Sauer J. // J. Phys. Chem. 1995. V. 99. P. 9536.
  31. Dubrovskii S.A., Balabaev N.K. // Polym. Sci., Ser. A. 2018. V. 60. P. 404.
  32. Dobrynin A.V., Rubinstein M. // Prog. Polym. Sci. 2005. V. 30. P. 1049.
  33. Lord Rayleigh // Philos. Mag. 1882. V. 14. P. 184.
  34. RubinsteinM., Colby R.H. Polymer Physics. Oxford University Press, Oxford, 2003.
  35. Polymer Handbook. / Eds. Brandrup J., Immergut E.H., Grulles E.A. V. 6. Wiley, New York, 1999. P. 526
  36. Bleiholder C., Johnson N.R., Contreras S., Wyttenbach T., Bowers M.T. // Anal. Chem. 2015. V. 87. P. 7196.
  37. Gandhi V.D., Larriba-Andaluz C. // Anal. Chim. Acta. 2021. V. 1184. P. 339019.
  38. Kulesza A., Marklund E.G., MacAleese L., Chirot F., Dugourd P. // J. Phys. Chem. B. 2018. V. 122. P. 8317.
  39. Shvartsburg A.A., Noskov S.Y., Purves R.W., Smith R.D. // Proc. Natl. Acad. Sci. 2009. V. 106. P. 6495.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Отношение внутренней температуры иона Tion к эффективной поступательной температуре Teff,1 как функция Teff,1 для ПЭО60–(H+)z (1–5) и для ПЭО100–(H+)z (6–9). Число протонов в ионе z = (1, 6) 1, (2, 7) 2, (3) 3, (4, 8) 4, (5) 5 и (9) 6. Давление газа 6.07 (1–5) и 4.05 атм (6–9). Температура газа 300 К. Сплошная линия – описание данных экспоненциальной спадающей функцией. Цветные рисунки можно посмотреть в электронной версии.

Скачать (13KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Отношение приведенной подвижности K0 к числу протонов в ионе z как функция z(E/N) для ПЭО60–(H+)z при z = 1 (1), 2 (2, 6), 3 (3), 4 (4), 5 (5, 7) (а) и для ПЭО100–(H+)z при z = 1 (1), 2 (2), 4 (3), 6 (4) (б). Давление газа 6.07 (а) и 4.05 атм (б). Температура газа 300 К. 1–5 – результаты, полученные с использованием ячейки моделирования с длинной стороной 400 Å; 6, 7 – экстраполяция данных для ячеек моделирования разных размеров на бесконечно длинную ячейку.

Скачать (27KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Отношение приведенной подвижности K0 к числу протонов в ионе z и к поправочному коэффициенту 1 + α как функция Tion для ПЭО60–(H+)z при z = 2 (1, 3, 5) и 5 (2, 4, 6). Сравнение подвижностей при различных значениях E / N и температуре газа 300 К (1–4) и подвижностей при низких E / N и различных температурах газа (5, 6). 1, 2, 5, 6 – расчет с использованием ячейки моделирования с длинной стороной 400 Å; 3, 4 – экстраполяция данных для ячеек разных размеров на бесконечно длинную ячейку.

Скачать (16KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Конформации ионов ПЭО60–(H+)z, дрейфующих в гелии при низких напряженностях поля. Зарядовое состояние z = 1 (a), 2 (б), 3 (в), 4 (г) и 5 (д). Температура газа 300 К. Температура ионов около 305 К. Атомы углерода и водорода показаны серым цветом, атомы кислорода – красным.

Скачать (11KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Среднеквадратичный радиус инерции как функция приведенного зарядового состояния zn–1/2 для ПЭО60–(H+)z (1) и для ПЭО100–(H+)z (2). Температура ионов 305 К. Штриховая линия отмечает критическое зарядовое состояние, рассчитанное по критерию Рэлея с использованием литературного значения поверхностного натяжения ПЭО [35].

Скачать (12KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Радиус инерции (a) и отношение Re2 к Rg2 (б) как функция ионной температуры для ПЭО60–(H+)z. Зарядовое состояние z = 1 (1), 2 (2), 3 (3), 4 (4) и 5 (5).

Скачать (25KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Сечение столкновения как функция температуры иона для ПЭО60–(H+)z при z = 1 (1), 2 (2), 3 (3), 4 (4), 5 (5) (а) и для ПЭО100–(H+)z при z = 1 (1), 2 (2), 4 (3), 6 (4) (б).

Скачать (22KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Нормированное сечение столкновения как функция нормированного среднеквадратичного радиуса инерции для ПЭО100–(H+)z (1) и для ПЭО60–(H+)z (2). Температура ионов 305 К. Сплошные линии – описание данных логарифмической функцией.

Скачать (12KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Степень ориентации в зависимости от отношения энергии дипольной ориентации Ed к вращательной энергии ER для ПЭО60–(H+)z (1–5) и для ПЭО100–(H+)z (6–9). Зарядовое состояние иона z = 1 (1, 6), 2 (2, 7), 3 (3), 4 (4, 8), 5 (5) и 6 (9). Давление газа 6.07 (1–5) и 4.05 атм (6–9). Температура газа 300 К.

Скачать (12KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Степень ориентации в зависимости от температуры иона для ПЭО60–(H+)z при z = 1 (1), 2 (2), 3 (3), 4 (4), 5 (5).

Скачать (15KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024