A new ultra-high vacuum experiment is described that allows studying photo-induced chemical processes in interstellar ice analogues. MATRI2CES - a Mass Analytical Tool to study Reactions in Interstellar ICES applies a new concept by combining laser desorption and time-of-flight mass spectrometry with the ultimate goal to characterize in situ and in real time the solid state evolution of organic compounds upon UV photolysis for astronomically relevant ice mixtures and temperatures. The performance of the experimental setup is demonstrated by the kinetic analysis of the different photoproducts of pure methane (CH4) ice at 20 K. A quantitative approach provides formation yields of several new species with up to four carbon atoms. Convincing evidence is found for the formation of even larger species. Typical mass resolutions obtained range from M/ΔM ∼320 to ∼400 for CH4 and argon, respectively. Additional tests show that the typical detection limit (in monolayers) is ⩽0.02 ML, substantially more sensitive than the regular techniques used to investigate chemical processes in interstellar ices.

1.
E.
Herbst
and
E. F.
van Dishoeck
,
Annu. Rev. Astron. Astrophys.
47
,
427
(
2009
).
2.
R. T.
Garrod
and
E.
Herbst
,
Astron. Astrophys.
457
,
927
(
2006
).
3.
K. I.
Öberg
,
R. T.
Garrod
,
E. F.
van Dishoeck
, and
H.
Linnartz
,
Astron. Astrophys.
504
,
891
(
2009
).
4.
G. M.
Muñoz Caro
,
U. J.
Meierhenrich
,
W. A.
Schutte
,
B.
Barbier
,
A.
Arcones Segovia
,
H.
Rosenbauer
,
W. H.-P.
Thiemann
,
A.
Brack
, and
J. M.
Greenberg
,
Nature
416
,
403
(
2002
).
5.
M. P.
Bernstein
,
J. P.
Dworkin
,
S. A.
Sandford
,
G. W.
Cooper
, and
L. J.
Allamandola
,
Nature
416
,
401
(
2002
).
6.
R.
Briggs
,
G.
Ertem
,
J. P.
Ferris
,
J. M.
Greenberg
,
P. J.
McCain
,
C. X.
Mendoza-Gomez
, and
W. A.
Schutte
,
Origins Life Evol. B.
22
,
287
(
1992
).
7.
M.
Nuevo
,
U. J.
Meierhenrich
,
G. M.
Muñoz Caro
,
E.
Dartois
,
L.
d’Hendecourt
,
D.
Deboffle
,
G.
Auger
,
D.
Blanot
,
J.-H.
Bredehöft
, and
L.
Nahon
,
Astron. Astrophys.
457
,
741
(
2006
).
8.
M.
Nuevo
,
U. J.
Meierhenrich
,
L.
d’Hendecourt
,
G. M.
Muñoz Caro
,
E.
Dartois
,
D.
Deboffle
,
W. H.-P.
Thiemann
,
J.-H.
Bredehöft
, and
L.
Nahon
,
Adv. Space Res.
39
,
400
(
2007
).
9.
J. E.
Elsila
,
J. P.
Dworkin
,
M. P.
Bernstein
,
M. P.
Martin
, and
S. A.
Sandford
,
Astrophys. J.
660
,
911
(
2007
).
10.
M.
Nuevo
,
G.
Auger
,
D.
Blanot
, and
L.
d’Hendecourt
,
Origins Life Evol. B.
38
,
37
(
2008
).
11.
Y.-J.
Chen
,
M.
Nuevo
,
T.-S.
Yih
,
W.-H.
Ip
,
H.-S.
Fung
,
C.-Y.
Cheng
,
H.-R.
Tsai
, and
C.-Y. R.
Wu
,
Mon. Not. R. Astron. Soc.
384
,
605
(
2008
).
12.
P.
de Marcellus
,
C.
Meinert
,
M.
Nuevo
,
J.-J.
Filippi
,
G.
Danger
,
D.
Deboffle
,
L.
Nahon
,
L.
d’Hendecourt
, and
U. J.
Meierhenrich
,
Astrophys. J. Lett.
727
,
L27
(
2011
).
13.
K.
Kobayashi
,
T.
Kasamatsu
,
T.
Kaneko
,
J.
Koike
,
T.
Oshima
,
T.
Saito
,
T.
Yamamoto
, and
H.
Yanagawa
,
Adv. Space Res.
16
,
21
(
1995
).
14.
R. L.
Hudson
,
M. H.
Moore
,
J. P.
Dworkin
,
M. P.
Martin
, and
Z. D.
Pozun
,
Astrobiology
8
,
771
(
2008
).
15.
A.
Lafosse
,
M.
Bertin
,
A.
Domaracka
,
D.
Pliszka
,
E.
Illenberger
, and
R.
Azria
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
8
,
5564
(
2006
).
16.
P. D.
Holtom
,
C. J.
Bennett
,
Y.
Osamura
,
N. J.
Mason
, and
R. I.
Kaiser
,
Astrophys. J.
626
,
940
(
2005
).
17.
J.-B.
Bossa
,
F.
Duvernay
,
P.
Theulé
,
F.
Borget
,
L.
d’Hendecourt
, and
T.
Chiavassa
,
Astron. Astrophys.
506
,
601
(
2009
).
18.
H.
Linnartz
,
J.-B.
Bossa
,
J.
Bouwman
,
H. M.
Cuppen
,
S. H.
Cuylle
,
E. F.
van Dishoeck
,
E. C.
Fayolle
,
G.
Fedoseev
,
G. W.
Fuchs
,
S.
Ioppolo
,
K.
Isokoski
,
T.
Lamberts
,
K. I.
Öberg
,
C.
Romanzin
,
E.
Tenenbaum
, and
J.
Zhen
, in
Proceedings IAU Symposium No. 280 “The Molecular Universe,”
edited by
José
Cernicharo
and
Rafael
Bachiller
(
Cambridge University Press
,
2011
), p.
390
.
19.
P.
Theulé
,
F.
Duvernay
,
G.
Danger
,
F.
Borget
,
J.-B.
Bossa
,
V.
Vinogradoff
,
F.
Mispelaer
, and
T.
Chiavassa
,
Adv. Space Res.
52
,
1567
(
2013
).
20.
K.
Isokoski
, “
Physics and chemistry of interstellar ice
,” Ph.D. thesis (
Leiden Observatory, Leiden University
,
2013
).
21.
K.
Isokoski
,
J.-B.
Bossa
,
T.
Triemstra
, and
H.
Linnartz
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
3456
(
2014
).
22.
B. M.
Jones
and
R. I.
Kaiser
,
J. Phys. Chem. Lett.
4
,
1965
(
2013
).
23.
R. I.
Kaiser
,
S.
Maity
, and
B. M.
Jones
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
3399
(
2014
).
24.
M. S.
Gudipati
and
R.
Yang
,
Astrophys. J. Lett.
756
,
L24
(
2012
).
25.
R.
Yang
and
M. S.
Gudipati
,
J. Chem. Phys.
140
,
104202
(
2014
).
26.
M. E.
Belov
,
S. S.
Alimpiev
,
V. V.
Mlynsky
,
S. M.
Nikiforov
, and
P. J.
Derrick
,
Rapid Commun. Mass Spectrom.
9
,
1431
(
1995
).
27.
S.
Berkenkamp
,
M.
Karas
, and
F.
Hillenkamp
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
93
,
7003
(
1996
).
28.
O.
Ellegaard
and
J.
Schou
,
J. Appl. Phys.
83
,
1078
(
1998
).
29.
S.
Georgiou
and
A.
Koubenakis
,
Chem. Rev.
103
,
349
(
2003
).
30.
C.
Mihesan
,
M.
Ziskind
,
B.
Chazallon
,
E.
Therssen
,
P.
Desgroux
, and
C.
Focsa
,
Surf. Sci.
593
,
221
(
2005
).
31.
C.
Mihesan
,
M.
Ziskind
,
B.
Chazallon
,
C.
Focsa
, and
J.
Destombes
,
Appl. Surf. Sci.
248
,
238
(
2005
).
32.
A.
Pirkl
,
J.
Soltwisch
,
F.
Draude
, and
K.
Dreisewerd
,
Anal. Chem.
84
,
5669
(
2012
).
33.
R.
Nelson
,
M.
Rainbow
,
D.
Lohr
, and
P.
Williams
,
Science
246
,
1585
(
1989
).
34.
D.
Schieltz
,
C.-W.
Chou
,
C.-W.
Luo
,
R.
Thomas
,
P.
Williams
, and
C.
Becker
,
Rapid Commun. Mass Spectrom.
6
,
631
(
1992
).
35.
F.
Focsa
and
J.
Destombes
,
Chem. Phys. Lett.
347
,
390
(
2001
).
36.
A.
Ikeda
,
M.
Matsumoto
,
S.
Ogura
,
T.
Okano
, and
K.
Fukutani
,
J. Chem. Phys.
138
,
124705
(
2013
).
37.
K. I.
Öberg
,
G. W.
Fuchs
,
Z.
Awad
,
H. J.
Fraser
,
S.
Schlemmer
,
E. F.
van Dishoeck
, and
H.
Linnartz
,
Astrophys. J. Lett.
662
,
L23
(
2007
).
38.
J. H.
Lacy
,
J. S.
Carr
,
N. J.
Evans
,
F.
Baas
,
J. M.
Achtermann
, and
J. F.
Arens
,
Astrophys. J.
376
,
556
(
1991
).
39.
A. C. A.
Boogert
,
W. A.
Schutte
,
A. G. G. M.
Tielens
,
D. C. B.
Whittet
,
F. P.
Helmich
,
P.
Ehrenfreund
,
P. R.
Wesselius
,
T.
de Graauw
, and
T.
Prusti
,
Astron. Astrophys.
315
,
L377
(
1996
).
40.
E. L.
Gibb
,
D. C. B.
Whittet
,
A. C. A.
Boogert
, and
A. G. G. M.
Tielens
,
Astrophys. J. Supp.
151
,
35
(
2004
).
41.
K. I.
Öberg
,
A. C. A.
Boogert
,
K. M.
Pontoppidan
,
G. A.
Blake
,
N. J.
Evans
,
F.
Lahuis
, and
E. F.
van Dishoeck
,
Astrophys. J.
678
,
1032
(
2008
).
42.
Y.-J.
Chen
,
K.-J.
Chuang
,
G. M.
Muñoz Caro
,
M.
Nuevo
,
C.-C.
Chu
,
T.-S.
Yih
,
W.-H.
Ip
, and
C.-Y. R.
Wu
,
Astrophys. J.
781
,
15
(
2014
).
43.
J.-B.
Bossa
,
K.
Isokoski
,
M. S.
de Valois
, and
H.
Linnartz
,
Astron. Astrophys.
545
,
A82
(
2012
).
44.
D. M.
Hudgins
,
S. A.
Sandford
,
L. J.
Allamandola
, and
A. G. G. M.
Tielens
,
Astrophys. J., Suppl. Ser.
86
,
713
(
1993
).
45.
M. S.
Westley
,
G. A.
Baratta
, and
R. A.
Baragiola
,
J. Chem. Phys.
108
,
3321
(
1998
).
46.
S. E.
Stein
, “
Mass spectra
NIST Chemistry WebBook
,
NIST Standard Reference Database Number 69
, edited by
P. J.
Linstrom
and
W. G.
Mallard
(
National Institute of Standards and Technology
,
Gaithersburg
,
2014
), see http://webbook.nist.gov (retrieved May 7, 2014).
47.
K.
Håkansson
,
R.
Zubarev
, and
P.
Håkansson
,
Rapid Commun. Mass Spectrom.
12
,
705
(
1998
).
48.
A. C.
Sinnock
and
B. L.
Smith
,
Phys. Lett. A
28
,
22
(
1968
).
49.
S. S.
Prasad
and
S. P.
Tarafdar
,
Astrophys. J.
267
,
603
(
1983
).
50.
Y.-J.
Wu
,
C. Y. R.
Wu
,
S.-L.
Chou
,
M.-Y.
Lin
,
H.-C.
Lu
,
J.-I.
Lo
, and
B.-M.
Cheng
,
Astrophys. J.
746
,
175
(
2012
).
51.
P. A.
Gerakines
,
W. A.
Schutte
, and
P.
Ehrenfreund
,
Astron. Astrophys.
312
,
289
(
1996
).
52.
G. A.
Baratta
,
G.
Leto
, and
M. E.
Palumbo
,
Astron. Astrophys.
384
,
343
(
2002
).
53.
C. J.
Bennett
,
C. S.
Jamieson
,
Y.
Osamura
, and
R. I.
Kaiser
,
Astrophys. J.
653
,
792
(
2006
).
54.
J.
Lagarias
,
J.
Reeds
,
M.
Wright
, and
P.
Wright
,
SIAM. J. Optim.
9
,
112
(
1998
).
55.
Y.-K.
Kim
,
K. K.
Irikura
,
M. E.
Rudd
,
M. A.
Ali
,
P. M.
Stone
,
J.
Chang
,
J. S.
Coursey
,
R. A.
Dragoset
,
A. R.
Kishore
,
K. J.
Olsen
,
A. M.
Sansonetti
,
G. G.
Wiersma
,
D. S.
Zucker
, and
M. A.
Zucker
, “
Electron-impact cross sections for ionization and excitation
,” NIST Standard Reference Database Number 107, see http://www.nist.gov/pml/data/ionization/ (retrieved September 20, 2014).
You do not currently have access to this content.