Abstract

Understanding the molecular radiation damage is crucial in radiobiology, molecular physics, and atmospheric science. In this thesis, the initial steps of radiation damage of anhydrous gas-phase molecules and hydrated nanoparticles were studied using synchrotron radiation based electron-ion coincidence spectroscopy and X-ray absorption spectroscopy under vacuum conditions. Electron-ion coincidence spectroscopy was used to study the photofragmentation and molecular dynamics of the isolated gas-phase molecules. In addition to the photofragmentation of the gas-phase molecules, the effect of the initial ionization site, initial molecular geometry, and the intramolecular chemical environment has been studied. In avobenzone, core ionization leads to massive fragmentation, with a slight site-selectivity concerning fragment production. In ortho-aminobenzoic acid, core ionization leads to the production of a hydronium ion, indicating that the importance of functional group’s position for double intramolecular hydrogen transfer. X-ray absorption spectroscopy was used to probe hydrated nanoparticles prepared at different relative humidities. In hydrated inorganic and mixed inorganic-organic nanoparticles, water is present in a liquid-like state. With different ranges of relative humidity, the primary hydration layers of the hydrated nanoparticles stays the same. In mixed nanoparticles, there is evidence for interaction between the included organic biomolecule with the inorganic and/or water molecules.

Abstrakti

Molekyylitasolla tapahtuvien säteilyvaurioiden ymmärrys on erittäin tärkeää säteilybiologiassa, molekyylifysiikassa ja ilmakehätieteissä. Tässä työssä on tutkittu tyhjiöolosuhteissa säteilyvaurioiden alkuaskeleita vedettömissä kaasumaisissa molekyyleissä ja vettä sisältävissä nanohiukkasissa käyttäen synkrotronisäteilypohjaista elektroni-ionikoinsidenssispektroskopiaa ja röntgenabsorptiospektroskopiaa. Elektroni-ionikoinsidenssispektroskopialla tutkittiin säteilyn aikaansaamaa hajoamista ja molekyylidynamiikkaa eristetyissä kaasumolekyyleissä. Tämän lisäksi tutkittiin, kuinka ensimmäisen ionisaatiotapahtuman paikka, molekyylin geometria ja molekyylin sisäinen kemiallinen ympäristö vaikuttaa näihin prosesseihin. Avobentsonimolekyylin sisäkuoren ionisaatio johtaa molekyylin hajoamiseen lukuisiksi eri hajoamistuotteiksi, ja hajoamistuotteiden saannin todettiin riippuvan vain vähän ionisoidusta sisäkuoresta. Orto-aminobentsoehapossa sisäkuoren ionisaation havaittiin tuottavan kahden vedyn siirtymisen vaativaa hydroniumionia, ja tuoton havaittiin riippuvan funktionaalisten ryhmien keskinäisestä paikasta. Röntgenabsorptiospektroskopiaa hyödynnettiin eri suhteellisissa ilmankosteuksissa valmistettujen nanohiukkasten tutkimuksessa. Näissä epäorgaanisissa ja saostetuissa orgaanisissa-epäorgaanisissa nanohiukkasissa veden havaittiin olevan nesteenkaltaisessa olomuodossa. Saostetuissa nanohiukkasissa nähtiin myös merkkejä orgaanisen biomolekyylin ja epäorgaanisen ja/tai veden välisestä vuorovaikutuksesta.

Sammanfattning

Förståelse av molekylära strålningsskador är avgörande inom radiobiologi, molekylär fysik och atmosfärsvetenskap. I denna avhandling studerades strålningsskadornas inledande steg hos gasfasmolekyler och hydratiserade nanopartiklar med hjälp av synkrotronstrålningsbaserad elektron-jon-koincidensspektroskopi och röntgenabsorptionsspektroskopi under vakuumförhållanden. Elektron-jon-koincidensspektroskopi användes för att studera fotofragmentering och molekylär dynamik hos de isolerade gasfasmolekylerna. Förutom fotofragmenteringen av gasfasmolekylerna har effekten av den initiala joniseringsplatsen i molekylen, den initiala molekylära geometrin och den intramolekyl ära kemiska miljön studerats. I avobenzon leder innerskalsjonisering till massiv fragmentering med liten platsselektivitet beträffande fragmentproduktion. I orto-aminobensoesyra leder innerskalsjonisering till produktion av en hydroniumjon, vilket pekar på vikten av funktionella gruppers position för sådan dubbel intramolekylär väteöverföring. Röntgenabsorptionsspektroskopi användes för att studera hydratiserade nanopartiklar framställda vid varierande relativa fuktighet. I hydratiserade inorganiska och blandade inorganiska-organiska nanopartiklar finns vatten i vätskeformigt tillstånd. De primära hydratiseringsskalen i de hydratiserade nanopartiklarna opåverkade av de olika relativa fuktighetsnivåerna. I blandade nanopartiklar finns det bevis för växelverkan mellan de inkluderade organiska biomolekylerna och de inorganiska jonerna och/eller vattenmolekylerna.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Abid, A. R., Pelimanni, E., Reinhardt, M., Boudjemia, N., Kivimäki, A., Huttula, M., Björneholm, O., & Patanen, M. (2020). Electron–ion coincidence spectroscopy of a large organic molecule: photofragmentation of avobenzone after valence and core ionisation. Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 53(24), 244001. https://doi.org/10.1088/1361-6455/abc228

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Abid, A. R., Veteläinen, O., Boudjemia, N., Pelimanni, E., Kivimäki, A., Alatalo, M., Huttula, M., Björneholm, O., & Patanen, M. (2021). Isomer-Dependent Formation of H₃O⁺ via Intramolecular Double Hydrogen Transfer in Aminobenzoic Acid. Manuscript in preparation.

3. Abid, A. R., Reinhardt, M., Boudjemia, N., Pelimanni, E., Milosavljević, A. R., Saak, C.-M., Huttula, M., Björneholm, O., & Patanen, M. (2021). The effect of relative humidity on CaCl₂ nanoparticles studied by soft X-ray absorption spectroscopy. RSC Advances, 11(4), 2103–2111. https://doi.org/10.1039/d0ra08943e

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version