TY - THES A1 - Melani, Giacomo T1 - From structural fluctuations to vibrational spectroscopy of adsorbates on surfaces T1 - Von Strukturfluktuationen bis zur Schwingungsspektroskopie von Adsorbaten auf Oberflächen BT - a theoretical study of H2O on α-Al2O3(0001) BT - eine theoretische Untersuchung von H2O auf α-Al2O3 (0001) N2 - Aluminum oxide is an Earth-abundant geological material, and its interaction with water is of crucial importance for geochemical and environmental processes. Some aluminum oxide surfaces are also known to be useful in heterogeneous catalysis, while the surface chemistry of aqueous oxide interfaces determines the corrosion, growth and dissolution of such materials. In this doctoral work, we looked mainly at the (0001) surface of α-Al 2 O 3 and its reactivity towards water. In particular, a great focus of this work is dedicated to simulate and address the vibrational spectra of water adsorbed on the α-alumina(0001) surface in various conditions and at different coverages. In fact, the main source of comparison and inspiration for this work comes from the collaboration with the “Interfacial Molecular Spectroscopy” group led by Dr. R. Kramer Campen at the Fritz-Haber Institute of the MPG in Berlin. The expertise of our project partners in surface-sensitive Vibrational Sum Frequency (VSF) generation spectroscopy was crucial to develop and adapt specific simulation schemes used in this work. Methodologically, the main approach employed in this thesis is Ab Initio Molecular Dynamics (AIMD) based on periodic Density Functional Theory (DFT) using the PBE functional with D2 dispersion correction. The analysis of vibrational frequencies from both a static and a dynamic, finite-temperature perspective offers the ability to investigate the water / aluminum oxide interface in close connection to experiment. The first project presented in this work considers the characterization of dissociatively adsorbed deuterated water on the Al-terminated (0001) surface. This particular structure is known from both experiment and theory to be the thermodynamically most stable surface termination of α-alumina in Ultra-High Vacuum (UHV) conditions. Based on experiments performed by our colleagues at FHI, different adsorption sites and products have been proposed and identified for D 2 O. While previous theoretical investigations only looked at vibrational frequencies of dissociated OD groups by staticNormal Modes Analysis (NMA), we rather employed a more sophisticated approach to directly assess vibrational spectra (like IR and VSF) at finite temperature from AIMD. In this work, we have employed a recent implementation which makes use of velocity-velocity autocorrelation functions to simulate such spectral responses of O-H(D) bonds. This approach allows for an efficient and qualitatively accurate estimation of Vibrational Densities of States (VDOS) as well as IR and VSF spectra, which are then tested against experimental spectra from our collaborators. In order to extend previous work on unimolecularly dissociated water on α-Al 2 O 3 , we then considered a different system, namely, a fully hydroxylated (0001) surface, which results from the reconstruction of the UHV-stable Al-terminated surface at high water contents. This model is then further extended by considering a hydroxylated surface with additional water molecules, forming a two-dimensional layer which serves as a potential template to simulate an aqueous interface in environmental conditions. Again, employing finite-temperature AIMD trajectories at the PBE+D2 level, we investigated the behaviour of both hydroxylated surface (HS) and the water-covered structure derived from it (known as HS+2ML). A full range of spectra, from VDOS to IR and VSF, is then calculated using the same methodology, as described above. This is the main focus of the second project, reported in Chapter 5. In this case, comparison between theoretical spectra and experimental data is definitely good. In particular, we underline the nature of high-frequency resonances observed above 3700 cm −1 in VSF experiments to be associated with surface OH-groups, known as “aluminols” which are a key fingerprint of the fully hydroxylated surface. In the third and last project, which is presented in Chapter 6, the extension of VSF spectroscopy experiments to the time-resolved regime offered us the opportunity to investigate vibrational energy relaxation at the α-alumina / water interface. Specifically, using again DFT-based AIMD simulations, we simulated vibrational lifetimes for surface aluminols as experimentally detected via pump-probe VSF. We considered the water-covered HS model as a potential candidate to address this problem. The vibrational (IR) excitation and subsequent relaxation is performed by means of a non-equilibrium molecular dynamics scheme. In such a scheme, we specifically looked at the O-H stretching mode of surface aluminols. Afterwards, the analysis of non-equilibrium trajectories allows for an estimation of relaxation times in the order of 2-4 ps which are in overall agreement with measured ones. The aim of this work has been to provide, within a consistent theoretical framework, a better understanding of vibrational spectroscopy and dynamics for water on the α-alumina(0001) surface,ranging from very low water coverage (similar to the UHV case) up to medium-high coverages, resembling the hydroxylated oxide in environmental moist conditions. N2 - Das Hauptziel dieser Doktorarbeit war die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Aluminiumoxid (α-Al2O3) und Wasser, wobei die (0001)-Oberfläche von α-Al2O3 im Fokus der Betrachtungen stand. Infolge der Entwicklung moderner oberflächensensitiver spektroskopischer Methoden, insbesondere in der Schwingungsspektroskopie, ist es inzwischen experimentell möglich, die Oberflächenchemie dieser Oxidmaterialien zu untersuchen und atomistische Informationen über ihre wässrigen Grenzflächen zu erhalten. Unsere Gruppe hat mit der Interfacial Molecular Spectroscopy Gruppe des Fritz-Haber-Instituts der MPG in Berlin zusammengearbeitet, deren Expertise in der oberflächensensitiven Vibrational Sum Frequency (VSF) Generation liegt. Diese Technik gestattet den spezifischen Nachweis von Adsorbatvibrationen, beispielsweise des Produkts der Wasserdissoziation und -adsorption. Zur theoretischen Untersuchung dieses Systems wurden verschiedene Berechnungsmethoden genutzt, wobei bevorzugt die Ab-initio-Molekulardynamik (AIMD) zum Einsatz kam. Darüber hinaus konzentrierten wir uns auf die Simulation von Schwingungsfrequenzen und -spektren für verschiedene Systeme unter Verwendung eines neuen, effizienten Algorithmus, der auf Grundlage klassischer Zeitkorrelationsfunktionen entwickelt wurde. Das erste Projekt untersuchte die einfachsten Adsorptionsprodukte von Wasserreaktionen auf der Al-terminierten α-Al2O3(0001)-Oberfläche, die unter Ultrahochvakuumbedingungen (UHV) als stabilste Struktur bekannt ist. Mit AIMD-basierten Methoden haben wir verschiedene Spezies simuliert, die aus unimolekular adsorbiertem Wasser stammen, und ihre Schwingungsfrequenzen im Vergleich zum Experiment bestimmt. In einem zweiten Projekt widmeten wir uns einer Situation, in der eine vollständig hydroxylierte α-Aluminiumoxid-Oberfläche mit einer ebenfalls vollständig hydroxylierten, aber um eine zusätzliche Wasserschicht erweiterten α-Aluminiumoxid-Oberfläche wechselwirkt. Diese beiden Strukturen dienen als Grundlage zur weitergehenden Untersuchung von Aluminiumoxid-Oberflächen mit größeren Wasser-Bedeckungsgraden unter Umgebungsbedingungen. Wiederum simulierten wir vollständige Schwingunsspektren (einschließlich IR und VSF). Hierzu wurden etablierte Methoden genutzt, die auf der Verwendung von Zeitkorrelationsfunktionen basieren, jedoch von uns im Rahmen dieser Doktorarbeit weiterentwickelt wurden. Schließlich haben wir in einem dritten Projekt in Zusammenarbeit mit Experimentatoren die Schwingungsrelaxation an der Wasser / α-Al2O3-Grenzfläche beschrieben. Motiviert durch Pump-Probe-VSF-Experimente zur Bestimmung der Schwingungslebensdauer adsorbierter OH-Spezies entwickelten und verwendeten wir einen AIMD-Ansatz zur Simulation der Anregungs- und Relaxationsprozesse. Auf Grundlage von Nichtgleichgewichtstrajektorien konnten wir auch eine Relaxationszeitskala für OH-Gruppen ermitteln, die zwischen 2 und 4 Pikosekunden beträgt und gut mit experimentellen Werten übereinstimmt. KW - theoretical chemistry KW - molecular dynamics KW - DFT KW - vibrational spectroscopy KW - theoretische Chemie KW - Molekulardynamik KW - DFT KW - Schwingungsspektroskopie Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-441826 ER - TY - THES A1 - Villatoro Leal, José Andrés T1 - A combined approach for the analysis of biomolecules using IR-MALDI ion mobility spectrometry and molecular dynamics simulations of peptide ions in the gas phase T1 - Kombinierter Einsatz von IR-MALDI Ionenmobilitätsspektrometrie und Simulationen der Molekulardynamik von Peptidionen in der Gasphase zur Analyse von Biomolekülen N2 - The aim of this doctoral thesis was to establish a technique for the analysis of biomolecules with infrared matrix-assisted laser dispersion (IR-MALDI) ion mobility (IM) spectrometry. The main components of the work were the characterization of the IR-MALDI process, the development and characterization of different ion mobility spectrometers, the use of IR-MALDI-IM spectrometry as a robust, standalone spectrometer and the development of a collision cross-section estimation approach for peptides based on molecular dynamics and thermodynamic reweighting. First, the IR-MALDI source was studied with atmospheric pressure ion mobility spectrometry and shadowgraphy. It consisted of a metal capillary, at the tip of which a self-renewing droplet of analyte solution was met by an IR laser beam. A relationship between peak shape, ion desolvation, diffusion and extraction pulse delay time (pulse delay) was established. First order desolvation kinetics were observed and related to peak broadening by diffusion, both influenced by the pulse delay. The transport mechanisms in IR-MALDI were then studied by relating different laser impact positions on the droplet surface to the corresponding ion mobility spectra. Two different transport mechanisms were determined: phase explosion due to the laser pulse and electrical transport due to delayed ion extraction. The velocity of the ions stemming from the phase explosion was then measured by ion mobility and shadowgraphy at different time scales and distances from the source capillary, showing an initially very high but rapidly decaying velocity. Finally, the anatomy of the dispersion plume was observed in detail with shadowgraphy and general conclusions over the process were drawn. Understanding the IR-MALDI process enabled the optimization of the different IM spectrometers at atmospheric and reduced pressure (AP and RP, respectively). At reduced pressure, both an AP and an RP IR-MALDI source were used. The influence of the pulsed ion extraction parameters (pulse delay, width and amplitude) on peak shape, resolution and area was systematically studied in both AP and RP IM spectrometers and discussed in the context of the IR-MALDI process. Under RP conditions, the influence of the closing field and of the pressure was also examined for both AP and RP sources. For the AP ionization RP IM spectrometer, the influence of the inlet field (IF) in the source region was also examined. All of these studies led to the determination of the optimal analytical parameters as well as to a better understanding of the initial ion cloud anatomy. The analytical performance of the spectrometer was then studied. Limits of detection (LOD) and linear ranges were determined under static and pulsed ion injection conditions and interpreted in the context of the IR-MALDI mechanism. Applications in the separation of simple mixtures were also illustrated, demonstrating good isomer separation capabilities and the advantages of singly charged peaks. The possibility to couple high performance liquid chromatography (HPLC) to IR-MALDI-IM spectrometry was also demonstrated. Finally, the reduced pressure spectrometer was used to study the effect of high reduced field strength on the mobility of polyatomic ions in polyatomic gases. The last focus point was on the study of peptide ions. A dataset obtained with electrospray IM spectrometry was characterized and used for the calibration of a collision cross-section (CCS) determination method based on molecular dynamics (MD) simulations at high temperature. Instead of producing candidate structures which are evaluated one by one, this semi-automated method uses the simulation as a whole to determine a single average collision cross-section value by reweighting the CCS of a few representative structures. The method was compared to the intrinsic size parameter (ISP) method and to experimental results. Additional MD data obtained from the simulations was also used to further analyze the peptides and understand the experimental results, an advantage with regard to the ISP method. Finally, the CCS of peptide ions analyzed by IR-MALDI were also evaluated with both ISP and MD methods and the results compared to experiment, resulting in a first validation of the MD method. Thus, this thesis brings together the soft ionization technique that is IR-MALDI, which produces mostly singly charged peaks, with ion mobility spectrometry, which can distinguish between isomers, and a collision cross-section determination method which also provides structural information on the analyte at hand. N2 - Das Ziel dieser Arbeit war die Zusammenführung der schonende Ionisationsquelle Infrared Matrix-Assisted Laser Dispersion Ionization (IR-MALDI), der Isomer-diskriminierende Ionenmobilitätsspektrometrie und einer neuartigen, auf Molecular Dynamics (MD) Simulationen basierte Berechnungsmethode für Stoßquerschnitte. Der erste Schritt war die Charakterisierung des Flüssigkeitsdispersionsphänomens in IR-MALDI: Zwei verschiedenen Ionentransportmechanismen wurden nachgewiesen und weiter studiert. Die Beziehung zwischen Peakform, Diffusion, Desolvatation und Ionen Extraktionspuls wurde beschrieben. Die Geschwindigkeit der Ionen, die aus dem Dispersionsphänomen stammen, wurde durch Ionenmobilitätsspektrometrie und Shadowgraphie untersucht. Shadowgraphie hat ebenfalls das Verhalten des Dispersionsphänomens erläutert. Eine hohe, schnell abklingende initielle Geschwindigkeit wurde beobachtet. Das Verständnis des IR-MALDI Verfahrens ermöglichte die Optimierung der verschiedenen Ionenmobilität (IM) Spektrometer zum analytischen Zweck. Eine Atmosphärendruck- und zwei Niederdruckvariante von IM Spektrometern wurden mit gepulster Ionenextraktion genutzt. Die Pulsparameter (Pulsverzögerung, ‑breite, -höhe) und verschiedene elektrische Felder an unterschiedlichen Stellen der Spektrometer wurden systematisch variiert. Deren Einfluss auf die Peakauflösung und -fläche wurde untersucht und im Rahmen des IR-MALDI Verfahrens erklärt. Das Verständnis der Anatomie der Anfangsionenwolke wurde ebenfalls durch diese Experimente vertieft. Die analytische Leistungsfähigkeit eines IM-Spektrometers wurde dann untersucht. Nachweisgrenzen und lineare Bereiche wurden bestimmt und in Zusammenhang mit dem IR-MALDI Verfahren interpretiert. Anhand der Trennung von Isomeren und einfachen Mischungen wurde die Anwendung dieser Technik demonstriert und ihre Vorteile, die Detektion einfachgeladener Ionen und die Möglichkeit der HPLC-Kopplung (High Performance Liquid Chromatography), aufgezeigt. Mit dem Niederdruckspektrometer wurde der Einfluss hoher reduzierter Feldstärken auf die Ionenmobilität von polyatomische Ionen in polyatomische Gasen untersucht. Der letzte Schwerpunkt war die Charakterisierung von Peptidionen. Die Peptiden wurden mit Elektrospray (ESI) IM-Spektrometrie vermessen. Der hieraus erhaltene Datensatz diente zur Etablierung einer Stoßquerschnitt Berechnungsmethode mittels MD. Anstatt verschiedener Kandidat-Strukturen und deren Stoßquerschnitte, ergibt diese neuartige semi-automatisierte Methode einen einzigen, gemittelten Stoßquerschnitt. Die MD Methode wurde dann mit einer anderen, einfacheren Methode und mit den experimentellen Ergebnissen von ESI und IR-MALDI-IM Spektrometrie verglichen. Zudem wurde der Zusammenhang zwischen Ladungszustands- und Stoßquerschnittsdifferenzen zwischen den Peptiden untersucht. Weitere Strukturelle Informationen konnten aus den Simulationen extrahiert, und zur Charakterisierung der Peptiden verwendet werden. KW - Ion mobility spectrometry KW - Molecular dynamics KW - IR-MALDI KW - Peptides KW - Shadowgraphy KW - Liquid dispersion KW - Ionenmobilitätsspektrometrie KW - Molekulardynamik KW - Collision cross-section KW - IR-MALDI KW - Peptiden KW - Shadowgraphie KW - Stoßquerschnitt KW - Flüssigkeitszerstäubung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-419723 ER -