We describe a liquid jet injector system developed to deliver fully solvated microscopic target species into a probe beam under either vacuum or ambient conditions. The injector was designed specifically for x-ray scattering studies of biological nanospecies using x-ray free electron lasers and third generation synchrotrons, but is of interest to any application in which microscopic samples must be delivered in a fully solvated state and with microscopic precision. By utilizing a gas dynamic virtual nozzle (GDVN) to generate a sample-containing liquid jet of diameter ranging from 300 nm to 20 μm, the injector avoids the clogging problems associated in this size range with conventional Rayleigh jets. A differential pumping system incorporated into the injector shields the experimental chamber from the gas load of the GDVN, making the injector compatible with high vacuum systems. The injector houses a fiber-optically coupled pump laser to illuminate the jet for pump-probe experiments and a hermetically sealed microscope to observe the liquid jet for diagnostics and alignment during operation. This injector system has now been used during several experimental runs at the Linac Coherent Light Source. Recent refinements in GDVN design are also presented.

1.
P.
Emma
,
R.
Akre
,
J.
Arthur
,
R.
Bionta
,
C.
Bostedt
,
J.
Bozek
,
A.
Brachmann
,
P.
Bucksbaum
,
R.
Coffee
,
F.-J.
Decker
,
Y.
Ding
,
D.
Dowell
,
S.
Edstrom
,
A.
Fisher
,
J.
Frisch
,
S.
Gilevich
,
J.
Hastings
,
G.
Hays
,
P.
Hering
,
Z.
Huang
,
R.
Iverson
,
H.
Loos
,
M.
Messerschmidt
,
A.
Miahnahri
,
S.
Moeller
,
H.-D.
Nuhn
,
G.
Pile
,
D.
Ratner
,
J.
Rzepiela
,
D.
Schultz
,
T.
Smith
,
P.
Stefan
,
H.
Tompkins
,
J.
Turner
,
J.
Welch
,
W.
White
,
J.
Wu
,
G.
Yocky
, and
J.
Galayda
,
Nature Photon.
4
(
9
),
641
(
2010
).
2.
R.
Neutze
,
R.
Wouts
,
D.
van der Spoel
, and
E.
Weckert
,
Nature (London)
406
(
6797
),
752
(
2000
).
3.
H. N.
Chapman
,
A.
Barty
,
M. J.
Bogan
,
S.
Boutet
,
M.
Frank
,
S. P.
Hau-Riege
,
S.
Marchesini
,
B. W.
Woods
,
S.
Bajt
,
H.
Benner
,
R. A.
London
,
E.
Ploenjes
,
M.
Kuhlmann
,
R.
Treusch
,
S.
Duesterer
,
T.
Tschentscher
,
J. R.
Schneider
,
E.
Spiller
,
T.
Moeller
,
C.
Bostedt
,
M.
Hoener
,
D. A.
Shapiro
,
K. O.
Hodgson
,
D.
Van der Spoel
,
F.
Burmeister
,
M.
Bergh
,
C.
Caleman
,
G.
Huldt
,
M. M.
Seibert
,
F. R. N. C.
Maia
,
R. W.
Lee
,
A.
Szoeke
,
N.
Timneanu
, and
J.
Hajdu
,
Nat Phys.
2
,
839
(
2006
).
4.
M. M.
Seibert
,
T.
Ekeberg
,
F. R. N. C.
Maia
,
M.
Svenda
,
J.
Andreasson
,
O.
Joensson
,
D.
Odic
,
B.
Iwan
,
A.
Rocker
,
D.
Westphal
,
M.
Hantke
,
D. P.
DePonte
,
A.
Barty
,
J.
Schulz
,
L.
Gumprecht
,
N.
Coppola
,
A.
Aquila
,
M.
Liang
,
T. A.
White
,
A.
Martin
,
C.
Caleman
,
S.
Stern
,
C.
Abergel
,
V.
Seltzer
,
J.-M.
Claverie
,
C.
Bostedt
,
J. D.
Bozek
,
S.
Boutet
,
A. A.
Miahnahri
,
M.
Messerschmidt
,
J.
Krzywinski
,
G.
Williams
,
K. O.
Hodgson
,
M. J.
Bogan
,
C. Y.
Hampton
,
R. G.
Sierra
,
D.
Starodub
,
I.
Andersson
,
S.
Bajt
,
M.
Barthelmess
,
J. C. H.
Spence
,
P.
Fromme
,
U.
Weierstall
,
R.
Kirian
,
M.
Hunter
,
R. B.
Doak
,
S.
Marchesini
,
S. P.
Hau-Riege
,
M.
Frank
,
R. L.
Shoeman
,
L.
Lomb
,
S. W.
Epp
,
R.
Hartmann
,
D.
Rolles
,
A.
Rudenko
,
C.
Schmidt
,
L.
Foucar
,
N.
Kimmel
,
P.
Holl
,
B.
Rudek
,
B.
Erk
,
A.
Hoemke
,
C.
Reich
,
D.
Pietschner
,
G.
Weidenspointner
,
L.
Strueder
,
G.
Hauser
,
H.
Gorke
,
J.
Ullrich
,
I.
Schlichting
,
S.
Herrmann
,
G.
Schaller
,
F.
Schopper
,
H.
Soltau
,
K.-U.
Kuehnel
,
R.
Andritschke
,
C.-D.
Schroeter
,
F.
Krasniqi
,
M.
Bott
,
S.
Schorb
,
D.
Rupp
,
M.
Adolph
,
T.
Gorkhover
,
H.
Hirsemann
,
G.
Potdevin
,
H.
Graafsma
,
B.
Nilsson
,
H. N.
Chapman
, and
J.
Hajdu
,
Nature (London)
470
(
7332
),
78
U86
(
2011
).
5.
H. N.
Chapman
,
P.
Fromme
,
A.
Barty
,
T. A.
White
,
R. A.
Kirian
,
A.
Aquila
,
M. S.
Hunter
,
J.
Schulz
,
D. P.
DePonte
,
U.
Weierstall
,
R. B.
Doak
,
F. R. N. C.
Maia
,
A. V.
Martin
,
I.
Schlichting
,
L.
Lomb
,
N.
Coppola
,
R. L.
Shoeman
,
S. W.
Epp
,
R.
Hartmann
,
D.
Rolles
,
A.
Rudenko
,
L.
Foucar
,
N.
Kimmel
,
G.
Weidenspointner
,
P.
Holl
,
M.
Liang
,
M.
Barthelmess
,
C.
Caleman
,
S.
Boutet
,
M. J.
Bogan
,
J.
Krzywinski
,
C.
Bostedt
,
S.
Bajt
,
L.
Gumprecht
,
B.
Rudek
,
B.
Erk
,
C.
Schmidt
,
A.
Hoemke
,
C.
Reich
,
D.
Pietschner
,
L.
Strueder
,
G.
Hauser
,
H.
Gorke
,
J.
Ullrich
,
S.
Herrmann
,
G.
Schaller
,
F.
Schopper
,
H.
Soltau
,
K.-U.
Kuehnel
,
M.
Messerschmidt
,
J. D.
Bozek
,
S. P.
Hau-Riege
,
M.
Frank
,
C. Y.
Hampton
,
R. G.
Sierra
,
D.
Starodub
,
G. J.
Williams
,
J.
Hajdu
,
N.
Timneanu
,
M. M.
Seibert
,
J.
Andreasson
,
A.
Rocker
,
O.
Joensson
,
M.
Svenda
,
S.
Stern
,
K.
Nass
,
R.
Andritschke
,
C.-D.
Schroeter
,
F.
Krasniqi
,
M.
Bott
,
K. E.
Schmidt
,
X.
Wang
,
I.
Grotjohann
,
J. M.
Holton
,
T. R. M.
Barends
,
R.
Neutze
,
S.
Marchesini
,
R.
Fromme
,
S.
Schorb
,
D.
Rupp
,
M.
Adolph
,
T.
Gorkhover
,
I.
Andersson
,
H.
Hirsemann
,
G.
Potdevin
,
H.
Graafsma
,
B.
Nilsson
, and
J. C. H.
Spence
,
Nature (London)
470
(
7332
),
73
U81
(
2011
).
6.
M. J.
Bogan
,
W. H.
Benner
,
S.
Boutet
,
U.
Rohner
,
M.
Frank
,
A.
Barty
,
M. M.
Seibert
,
F.
Maia
,
S.
Marchesini
,
S.
Bajt
,
B.
Woods
,
V.
Riot
,
S. P.
Hau-Riege
,
M.
Svenda
,
E.
Marklund
,
E.
Spiller
,
J.
Hajdu
, and
H. N.
Chapman
,
Nano Lett.
8
,
310
(
2008
).
7.
M. J.
Bogan
,
S.
Boutet
,
A.
Barty
,
W. H.
Benner
,
M.
Frank
,
L.
Lomb
,
R.
Shoeman
,
D.
Starodub
,
M. M.
Seibert
,
S. P.
Hau-Riege
,
B.
Woods
,
P.
Decorwin-Martin
,
S.
Bajt
,
J.
Schulz
,
U.
Rohner
,
B.
Iwan
,
N.
Timneanu
,
S.
Marchesini
,
I.
Schlichting
,
J.
Hajdu
, and
H. N.
Chapman
,
Phys. Rev. ST Accel. Beams
13
(
9
),
094701
(
2010
).
8.
X. L.
Wang
,
F. E.
Kruis
, and
P. H.
McMurry
,
Aerosol Sci. Technol.
39
(
7
),
611
(
2005
).
9.
X. L.
Wang
,
A.
Gidwani
,
S. L.
Girshick
, and
P. H.
McMurry
,
Aerosol Sci. Technol.
39
(
7
),
624
(
2005
).
10.
D. P.
DePonte
,
R. B.
Doak
,
M.
Hunter
,
Z.
Liu
,
U.
Weierstall
, and
J. C. H.
Spence
,
Micron
40
(
4
),
507
(
2009
).
11.
D. P.
DePonte
,
U.
Weierstall
,
K.
Schmidt
,
J.
Warner
,
D.
Starodub
,
J. C. H.
Spence
, and
R. B.
Doak
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
41
(
19
),
195505
(
2008
).
12.
A. M.
Ganan-Calvo
,
D. P.
Deponte
,
M. A.
Herrada
,
J. C. H.
Spence
,
U.
Weierstall
, and
R. B.
Doak
,
Small
6
(
7
),
822
(
2010
).
13.
D. A.
Shapiro
,
H. N.
Chapman
,
D.
DePonte
,
R. B.
Doak
,
P.
Fromme
,
G.
Hembree
,
M.
Hunter
,
S.
Marchesini
,
K.
Schmidt
,
J.
Spence
,
D.
Starodub
, and
U.
Weierstall
,
J. Synchrotron Radiat.
15
,
593
(
2008
).
14.
M. S.
Hunter
,
D. P.
Deponte
,
D. A.
Shapiro
,
R. A.
Kirian
,
X.
Wang
,
D.
Starodub
,
S.
Marchesini
,
U.
Weierstall
,
R. B.
Doak
, and
J. C. H.
Spence
,
Biophys. J.
100
(
1
),
198
(
2011
).
15.
M.
Faubel
,
S.
Schlemmer
, and
J. P.
Toennies
,
Zeitschrift Fur Physik D-Atoms Molecules and Clusters
10
(
2–3
),
269
(
1988
).
16.
L.
Strüder
,
S.
Epp
,
D.
Rolles
,
R.
Hartmann
,
P.
Holl
,
G.
Lutz
,
H.
Soltau
,
R.
Eckart
,
C.
Reich
,
K.
Heinzinger
,
C.
Thamm
,
A.
Rudenko
,
F.
Krasniqi
,
K.-U.
Kühnel
,
C.
Bauer
,
C.-D.
Schröter
,
R.
Moshammer
,
S.
Techert
,
D.
Miessner
,
M.
Porro
,
O.
Hälker
,
N.
Meidinger
,
N.
Kimmel
,
R.
Andritschke
,
F.
Schopper
,
G.
Weidenspointner
,
A.
Ziegler
,
D.
Pietschner
,
S.
Herrmann
,
U.
Pietsch
,
A.
Walenta
,
W.
Leitenberger
,
C.
Bostedt
,
T.
Möller
,
D.
Rupp
,
M.
Adolph
,
H.
Graafsma
,
H.
Hirsemann
,
K.
Gärtner
,
R.
Richter
,
L.
Foucar
,
R. L.
Shoeman
,
I.
Schlichting
, and
J.
Ullrich
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
614
,
483
(
2010
).
17.
S.
Boutet
and
G. J.
Williams
,
New J. Phys.
12
,
035024
(
2010
).
18.
For nozzle radius R, jet speed v, and liquid surface free energy σ, droplet formation occurs at a distance |$L* = 38( {\sqrt {\frac{{\rho v^2 R}}{\sigma }} } )\;R = 38We_1 \;R$|L*=38(ρv2Rσ)R=38We1R.
19.
L.
Lomb
,
J.
Steinbrener
,
S.
Bari
,
D.
Beisel
,
D.
Berndt
,
C.
Kieser
,
M.
Lukat
,
N.
Neef
, and
R. L.
Shoeman
, “
An Anti-Settling Sample Delivery Instrument for Serial Femtosecond Crystallography
,”
J. Appl. Crystallogr.
(submitted).
20.
A.
Aquilla
,
M. S.
Hunter
,
R. B.
Doak
,
R. A.
Kirian
,
P.
Fromme
,
T. A.
White
,
J.
Andreasson
,
S.
Bajt
,
T. R. M.
Barends
,
M.
Barthelmess
,
M. J.
Bogan
,
Ch.
Bostedt
,
H.
Bottin
,
J. D.
Bozek
,
C.
Caleman
,
N.
Coppola
,
D. P.
DePonte
,
V.
Elser
,
S. W.
Epp
,
B.
Erk
,
H.
Fleckenstein
,
L.
Foucar
,
M.
Frank
,
R.
Fromme
,
H.
Graafsma
,
I.
Grotjohann
,
L.
Gumprecht
,
J.
Hajdu
,
Ch. Y.
Hampton
,
A.
Hartmann
,
R.
Hartmann
,
S.
Hau-Riege
,
G.
Hauser
,
H.
Hirsemann
,
P.
Holl
,
J. M.
Holton
,
A.
Hoemke
,
N.
Kimmel
,
S.
Kassemeyer
,
F.
Krasniqi
,
K.-U.
Kuehnel
,
M.
Liang
,
L.
Lomb
,
S.
Marchesini
,
A. V.
Martin
,
F. R. N. C.
Maia
,
M.
Messerschmidt
,
K.
Nass
,
Ch.
Reich
,
R.
Neutze
,
D.
Rolles
,
B.
Rudek
,
A.
Rudenko
,
I.
Schlichting
,
K. E.
Schmidt
,
J.
Schulz
,
M. M.
Seibert
,
R. L.
Shoeman
,
R.
Sierra
,
H.
Soltau
,
D.
Starodub
,
F.
Stellato
,
S.
Stern
,
L.
Strueder
,
N.
Timneanu
,
J.
Ullrich
,
X.
Wang
,
G. J.
Williams
,
G.
Weidenspointner
,
U.
Weierstall
,
C.
Wunderer
,
A.
Barty
,
J. C. H.
Spence
, and
H. N.
Chapman
,
Opt. Express
20
,
2706
(
2012
).
You do not currently have access to this content.