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

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

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.

Full Text

Restricted Access

About the authors

С. А. Дубровский

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

Author for correspondence.
Email: sd@chph.ras.ru
Russian Federation, 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
Russian Federation, 119991, Москва, ул. Косыгина, 4

References

  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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. The ratio of the internal temperature of the ion Tion to the effective translational temperature Teff,1 as a function of Teff,1 for PEO60-(H+)z (1-5) and for PEO100-(H+)z (6-9). The number of protons in the ion z = (1, 6) 1, (2, 7) 2, (3) 3, (4, 8) 4, (5) 5 and (9) 6. The gas pressure is 6.07 (1-5) and 4.05 atm (6-9). The gas temperature is 300 K. The solid line is a description of the data by an exponential decreasing function. Colour figures can be viewed in the electronic version.

Download (13KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Ratio of the reduced mobility K0 to the number of protons in ion z as a function of z(E/N) for PEO60-(H+)z at z = 1 (1), 2 (2, 6), 3 (3), 4 (4), 5 (5, 7) (a) and for PEO100-(H+)z at z = 1 (1), 2 (2), 4 (3), 6 (4) (b). The gas pressure is 6.07 (a) and 4.05 atm (b). The gas temperature is 300 K. 1-5 - results obtained using a simulation cell with a long side of 400 Å; 6, 7 - extrapolation of data for simulation cells of different sizes to an infinitely long cell.

Download (27KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Ratio of the reduced mobility K0 to the number of protons in the ion z and to the correction factor 1 + α as a function of Tion for PEO60-(H+)z at z = 2 (1, 3, 5) and 5 (2, 4, 6). Comparison of mobilities at different values of E / N and gas temperature of 300 K (1-4) and mobilities at low E / N and different gas temperatures (5, 6). 1, 2, 5, 6 - calculation using a modelling cell with a long side of 400 Å; 3, 4 - extrapolation of data for cells of different sizes to an infinitely long cell.

Download (16KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Conformations of PEO60-(H+)z ions drifting in helium at low field strengths. The charge states z = 1 (a), 2 (b), 3 (c), 4 (d) and 5 (e). The temperature of the gas is 300 K. The temperature of the ions is about 305 K. Carbon and hydrogen atoms are shown in grey, oxygen atoms in red.

Download (11KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. RMS radius of gyration as a function of the reduced charge state zn-1/2 for PEO60-(H+)z (1) and for PEO100-(H+)z (2). The ion temperature is 305 K. The dashed line marks the critical charge state calculated by Rayleigh criterion using the literature value of the surface tension of PEO [35].

Download (12KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Radius of gyration (a) and Re2 to Rg2 ratio (b) as a function of ionic temperature for PEO60-(H+)z. The charge states z = 1 (1), 2 (2), 3 (3), 4 (4) and 5 (5).

Download (25KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Collision cross section as a function of ion temperature for PEO60-(H+)z at z = 1 (1), 2 (2), 3 (3), 4 (4), 5 (5) (a) and for PEO100-(H+)z at z = 1 (1), 2 (2), 4 (3), 6 (4) (b).

Download (22KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Normalised collision cross section as a function of the normalised RMS radius of gyration for PEO100-(H+)z (1) and for PEO60-(H+)z (2). The ion temperature is 305 K. Solid lines - description of the data by a logarithmic function.

Download (12KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Orientation degree as a function of the ratio of the dipole orientation energy Ed to the rotational energy ER for PEO60-(H+)z (1-5) and for PEO100-(H+)z (6-9). The charge states of the ion are z = 1 (1, 6), 2 (2, 7), 3 (3), 4 (4, 8), 5 (5) and 6 (9). The gas pressure is 6.07 (1-5) and 4.05 atm (6-9). The gas temperature is 300 K.

Download (12KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Degree of orientation as a function of ion temperature for PEO60-(H+)z at z = 1 (1), 2 (2), 3 (3), 4 (4), 5 (5).

Download (15KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences