pH-Dependent X-ray Photoelectron Chemical Shifts and Surface

cInstitute of Physics, Brasilia University (UnB), Box 4455, Brasília 70910‐970 ... Institute of Physics, Federal University of Bahia, 40.170‐115, Salv...
0 downloads 0 Views 1MB Size
Subscriber access provided by UNIV OF LOUISIANA

B: Liquids, Chemical and Dynamical Processes in Solution, Spectroscopy in Solution

pH-Dependent X-ray Photoelectron Chemical Shifts and Surface Distribution of Cysteine in Aqueous Solution Vincenzo Carravetta, Anderson Herbert de Abreu Gomes, Susanna Monti, Alexandra Mocellin, Ricardo R. T. Marinho, Olle Bjorneholm, Hans Agren, and Arnaldo Naves de Brito J. Phys. Chem. B, Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1021/acs.jpcb.9b00866 • Publication Date (Web): 09 Apr 2019 Downloaded from http://pubs.acs.org on April 16, 2019

Just Accepted “Just Accepted” manuscripts have been peer-reviewed and accepted for publication. They are posted online prior to technical editing, formatting for publication and author proofing. The American Chemical Society provides “Just Accepted” as a service to the research community to expedite the dissemination of scientific material as soon as possible after acceptance. “Just Accepted” manuscripts appear in full in PDF format accompanied by an HTML abstract. “Just Accepted” manuscripts have been fully peer reviewed, but should not be considered the official version of record. They are citable by the Digital Object Identifier (DOI®). “Just Accepted” is an optional service offered to authors. Therefore, the “Just Accepted” Web site may not include all articles that will be published in the journal. After a manuscript is technically edited and formatted, it will be removed from the “Just Accepted” Web site and published as an ASAP article. Note that technical editing may introduce minor changes to the manuscript text and/or graphics which could affect content, and all legal disclaimers and ethical guidelines that apply to the journal pertain. ACS cannot be held responsible for errors or consequences arising from the use of information contained in these “Just Accepted” manuscripts.

is published by the American Chemical Society. 1155 Sixteenth Street N.W., Washington, DC 20036 Published by American Chemical Society. Copyright © American Chemical Society. However, no copyright claim is made to original U.S. Government works, or works produced by employees of any Commonwealth realm Crown government in the course of their duties.

Page 1 of 31 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

pH‐dependent X‐ray Photoelectron Chemical Shifts and Surface  Distribution of Cysteine in Aqueous Solution  Vincenzo Carravettaα, Anderson Herbert de Abreu Gomes‡1, Susanna Montib, Alexandra Mocellinc,  Ricardo R. T. Marinho§,c, Olle Björneholm$, Hans Ågren&,$, Arnaldo Naves de Brito‡*  α

CNR‐IPCF, Institute of Chemical and Physical Processes, via G.Moruzzi 1, I‐56124 Pisa, Italy 

 b

CNR‐ICCOM, Institute of Chemistry of Organometallic Compounds, via G.Moruzzi 1, I‐56124 Pisa,  Italy  c

Institute of Physics, Brasilia University (UnB), Box 4455, Brasília 70910‐970, Brazil 



Dept. of Applied Physics, Institute of Physics “Gleb Wataghin”, University of Campinas, CEP:  13083‐859 Campinas‐SP, Brazil  § 

Institute of Physics, Federal University of Bahia, 40.170‐115, Salvador, BA, Brazil
 

$

 Department of Physics and Astronomy, Uppsala University, 752 36 Uppsala, Sweden  



Theoretical Chemistry and Biology, School of Chemistry, Biotechnology and Health, KTH Royal  Institute of Technology, SE‐10044 Stockholm, Sweden 

 

 

                                                        1  Current address: Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS)”,13084‐971 Campinas‐SP, Brazil.   *Corresponding author: [email protected]    ACS Paragon Plus Environment

 



The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 2 of 31

Abstract  The distribution and protonation states of amino acids in water droplets is of considerable concern in  studies on the formation of clouds  in the atmosphere as well as in many biological contexts. In the  present  work  we  use  the  cysteine  amino  acid  as  a  prototype  example  and  explore  the  protonation  states  of  this  molecule  in  aqueous  solution,  which  are  strongly  affected  by  the  acidity  of  the  environment  and  that  also  can  show  different  distributions  between  surface  and  bulk.  We  use  a  combination  of  X‐ray  photoelectron  chemical  shift  measurements,  density  functional  theory  calculations  of  the  shifts  and  reactive  force  field  molecular  dynamics  simulations  of  the  underlying  structural  dynamics.  We  explore  how  the  photoelectron  spectra  distinctly  reflect  the  different  protonation states that are generated by variation of the solution acidity and how the distribution of  these protonation states can differ between bulk and surface regions. At specific pH values, we find  that  the  distribution  of  the  cysteine  species  at  the  surface  is  quite  different  from  that  in  bulk,  in  particular,  for  the  appearance  in  the  surface  region  of  species  which  do  not  exist  in  bulk.  Some  ramifications of this finding are discussed. 

Introduction  The optical properties of clouds, and therefore their indirect effect on climate, are highly dependent  on  the  number  and  concentration  of  cloud  condensation  nuclei  (CCN)  in  the  atmosphere  1  and  constitute a considerable uncertainty in climatic models 2. The presence of surfactant molecules in the  atmosphere is known to influence the nucleation process, in particular, its supersaturation conditions,  and hence the creation of droplets that ultimately form clouds 3. Amino acids constitute water‐soluble  organic compounds that can play such role  4‐6 . Originating from phytoplankton and bacteria they are  injected  into  atmospheric  droplets  over  oceans  by  bubble  bursting  7.  Several  types  of  amino  acids  ACS Paragon Plus Environment

 



Page 3 of 31 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

have  been  identified  in both  marine  and  continental  atmospheric  samples,  something  that  also  has  been confirmed by laboratory measurements  8. The abundance of sea‐salt increases the solubility of  several  amino  acids  in  the  atmospheric  droplets  and  raises  the  possibility  of  cooperation  in  cloud  formation  9. There is, however, still need for a more affirmative determination of the chemical status  and  distribution  of  amino  acids  in  aqueous  droplets.  The  critical  supersaturation  of  the  particles  depends  on  their  composition  and  their  physical  properties  and  affects  nucleation  and  growth  into  larger droplets. An important factor determining the growth and therefore the climatic impact is the  surface tension.  In the case of amino acids it has been shown that  hydrophilic amino acids tend to  stay in the bulk of the droplet, while the hydrophobic amino acids are found to concentrate on the  surface,    as  largely  determined  by  that    the  hydrophilic  −NH3+  and  −COO−  groups  stay  inside  the  droplet and the hydrophobic side‐chain directs outward  10. Thus, expectedly the perturbation of the  droplet surface tension induced by hydrophilic amino acids is relatively small while the hydrophobic  amino acids can increase the surface tension of droplets largely.    An  important  technique  to  unravel  the  surface  distribution  of  molecules  in  a  solution  is  X‐ray  photoelectron  spectroscopy  (XPS)  which  typically  samples  signals  from  molecules  within  10  Å  from  the surface. In a recent letter  11 the present authors used X‐ray photoelectron spectroscopy and all‐ atom  reactive  molecular  dynamics  simulations  as  two  independent  techniques  to  probe  bulk  and  surface  distributions  of  protonated  species  of  cysteine  in  aqueous  solutions  at  different  pH.  The  cysteine molecule, see Fig. 1, presents here an important prototype for studies of amino acids since it  has three groups: carboxylic (C), amine (N) and sulfuric (S) which may or may not be protonated in  aqueous solution, so it may be present in 8 different protonation forms with relative ratios dependent  on pH. Furthermore, cysteine with its three elements C, N, S provides three distinct sets of chemical  shifts in XPS. The experimental titration curves  12, see Fig. 1, show that the species actually present in  ACS Paragon Plus Environment

 



The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 4 of 31

a wide pH range (6‐10), are only 4, that is, all those in which the carboxylic group is deprotonated,  while one more form of cysteine, fully protonated, is present only in aqueous solutions with very low  values  of  pH.  Our  recent  experimental  and  theoretical  study  11  has  shown,  however,  that  the  four  forms  missing  inside  (bulk)  an  high  pH  solution,  namely  those  containing  the  COOH  group,  are  present, instead, in the surface region, understood as a layer of a few Angstroms that separates the  solution from the vacuum. In thermodynamic measurements, which are carried out on a macroscopic  sample,  the  surface  constitutes,  of  course,  a  negligible  fraction  and  the  titration  curve  only  reflects  the bulk composition. The theoretical prediction allowed to interpret the photoemission spectra (XPS)  measured  with  the  micro‐jet  technique  on  an  aqueous  cysteine  solution  at  pH  =  9.5.  Using  two  different photon energies, with different penetration capacities in the sample and different emersion  capacities from the photoelectron sample, it was possible to measure two emission spectra that can  be  assigned  predominantly  to  the  bulk  (higher  energy)  and  the  surface  (minor  energy).  The  differences  between  the  two  spectra  (bulk/surface)  measured  at  the  N  and  S  K‐edges,  which  appeared contradictory to the indications given by the titration curves, were instead explained on the  basis of the results of the theoretical modeling as due to the different compositions of the bulk and  the surface of the aqueous solution. The simulations could thus predict the presence on the surface of  species with COOH groups, which are not present in bulk.   In the present work, we take a step further and explore the full pH dependence of the XPS chemical  shifts  of  the  three  C,  N,  S  elements  of  the  cysteine  molecule.  We  use  a  combination  of  X‐ray  photoelectron chemical shift measurements, density functional theory calculations of the shifts and  reactive  force  field  molecular  dynamics  simulations  of  the  underlying  structural  dynamics  to  obtain   crucial,  complementary,  information  about  the  surface  bulk  division  and  surface  distribution  of  the  species. In particular, we predict the occurrence, at the surface of any aqueous solution of cysteine, of  ACS Paragon Plus Environment

 



Page 5 of 31 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

low pH species, COOH, CNH3+, and CSH, which do not exist in bulk at medium or high pH.   

 

 

Figure 1 On the left: experimental titration curves for cysteine in aqueous solution from Dixon and Tripton (11):  distribution  of  various  ionic  species  of  cysteine  as  a  function  of  pH;  the  vertical  lines  indicate  macroscopic  pKa's. On the right structure of the cysteine molecule in the gas phase: C (dark gray), O(red), N(blue), S(yellow),  H(light gray). 

Experimental Section   The C1s photoelectron spectra were all taken using 342 eV photons and were performed at Max‐II,  Lund Sweden, at the I411 undulator beamtline 13‐14. The spectra showing the Sulfur 2p core lines were  taken using ≈ 238 eV, and for the N1s we employ 464 eV photons. We performed these experiments  at  the  plane  grating  monochromator  (PGM)  beamline  at  the  Brazilian  National  Synchrotron  Facility  (Laboratório  Nacional  de  Luz  Síncrotron  ‐  LNLS),  Campinas  Brazil  15.    We  choose  the  excitation  energies so that the photoelectrons would have about 50 eV kinetic energy, in the case of the C1s and  N1s core lines and about 80 eV for the S2p spectra. For these range of photoelectron kinetic energy,  the effective attenuation length is estimated to be on the order of 0.5‐1 nm  16‐18. We have employed 

ACS Paragon Plus Environment

 



The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 6 of 31

the  liquid  microjet  technique  to  perform  all  XPS  measurements  on  a  volatile  cysteine  aqueous  solution 

.    In  both  synchrotron  facilities,  the  liquid  microjet  set‐ups  were  acquired  from 

19‐20

Microliquids GmbH  21. The microjet technique is explained in greater detail else where  19. In short, a  liquid jet of 18‐20 micrometer diameter is injected into the experimental chamber with a 0.5 mL/min  flow  and  a  speed  of  50  m/s.  Due  to  surface  evaporation,  the  temperature  of  the  liquid  at  the  measuring  point  is  about  10  ºC.  Linearly  polarized  synchrotron  radiation  intercepts  the  microjet  at  about 1 mm from the insertion point which is well before a distance 5 mm from the insertion where  the microjet freezes and bake down into small droplets. After several centimeters, liquid nitrogen cold  traps capture the jet and helps to maintain the vacuum conditions manageable, i.e., 10‐4 mbar. Scienta  R4000  electron  analyzers  were  used  in  both  set‐ups  with  the  difference  that  at  LNLS  (Max‐II)  the  analyzers’  lens  axis  is  placed  at  90º  (54.7°)  to  the  propagation  direction  of  the  X‐ray  beam.  Thus  at  Max‐II  possible  angular  distribution  effects  are  minimized.  The  total  experimental  resolution  was  better than 0.19 eV in the S2p region, 0.4 eV in the N1s region and 0.3 eV in the C1s region. These  values  were  evaluated  using  the  gas  phase  water  1b1  line.  We  have  calibrated  all spectra  using  the  valence  1b1  spectra  of  liquid  water  situated  at  binding  energy  equal  to  11.16  eV  22.  Cysteine  was  commercially  obtained  from  Sigma  Aldrich  with  stated  purity  higher  than  97%  and  dissolved  in  deionized  water  (Millipore  Direct‐Q,  R  >  18.2  MΩ  cm)  producing  an  aqueous  solution  with  1  Molar  concentration of cysteine at the SI we show absolute normalization data and N1s spectra where the  concentration  was  0.3  Molar.  The  low  and  high  photon  energy  spectra  are  not  intensity  calibrated  between each other therefore the relative concentration of the species containing, for example, NH3+  and  S‐  between  surface  and  bulk  cannot  be  compared.  However,  the  observed  relative  changes  in  concentration  between  NH3+/NH2  and  S‐/SH  at  surface  and  bulk  are  not  affected  by  photon  flux,  cross‐section and other experimental factors. We have also added to the solution 25 mM of NaCl to 

ACS Paragon Plus Environment

 



Page 7 of 31 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

avoid charging produced by the photoionization process and also electrokinetics  23. All spectra were  fitted by a least squared fitting procedure using Voigt line shapes. Unless stated the energy position,  intensities  of  the  corresponding  Gaussian  widths  were  kept  as  free  parameters,  however,  we  kept  them linked in such as way that they were the same for corresponding peaks in all pHs we recorded  an  XPS  spectrum.  The  Lorentzian  line  shape  representing  the  lifetime  broadening  was  kept  fixed  at  140 meV for the N1s lines, 100 meV for the C1s line, and 70 eV for the S2p lines 24‐25. We adjusted the  pH  of  all  sample  either  by  adding  sodium  hydroxide  (97  %  Sigma  Aldrich)  of  hydrogen  chloride  and  checking continuously with a calibrated pH meter Orion 410A. Further confirmation of the pH values  was  performed  using  a  titration  curve  aiming  to  determine  the  pKa  values  of  aqueous  cysteine  solution  precisely.  This  titration  curve  was  performed  at  4  ºC  as  to  mimic  the  experimental  temperature conditions. 

pH_system  nh2_s_cooh 

nh2_sh_coo 

nh2_s_coo  nh2_sh_cooh 

nh3_sh_cooh 

nh3_sh_coo 

nh3_s_coo  nh3_s_cooh 

1.0_bulk 

0.000 

0.000 

0.000 

0.000 

1.000 

0.000 

0.000 

0.000 

6.0_bulk 

0.000 

0.000 

0.000 

0.000 

0.000 

1.000 

0.000 

0.000 

9.5_bulk 

0.000 

0.275 

0.080 

0.000 

0.000 

0.080 

0.565 

0.000 

12.5_bulk 

0.000 

0.000 

1.000 

0.000 

0.000 

0.000 

0.000 

0.000 

1.0_surf 

0.000 

0.000 

0.000 

0.121 

0.758 

0.091 

0.030 

0.000 

6.0_surf 

0.000 

0.262 

0.071 

0.190 

0.190 

0.238 

0.024 

0.024 

9.5_surf 

0.059 

0.324 

0.176 

0.118 

0.118 

0.059 

0.088 

0.059 

12.5_surf 

0.295 

0.205 

0.341 

0.045 

0.068 

0.000 

0.023 

0.023 

  Table 1 Frantions of the different eight forms of cysteine predicted by reactive molecular dynamics on system  simulating an aqueous solution at different pH (1.0,6.0,9.5,12.5); the ratio values in the upper boxes refer to  the bulk region, while those in the lower boxes refer to the surface region of the systems.   

Computational Details  Computational modeling of the cysteine core photoemission spectra has been performed by reactive  ACS Paragon Plus Environment

 



The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 8 of 31

molecular  dynamics  for  predicting  the  composition  of  the  aqueous  solution  at  different  pH  and  by  quantum calculations for predicting the binding energies of C and N atoms at the K‐edge and of S at  the L‐edge. Molecular dynamics is mostly employed to study the evolution of matter at the atomistic  level by adopting simulation models that may include up to hundreds of atoms at the quantum level  or  hundreds  of  thousands  of  atoms  at  the  classic  level  by  resorting  to  force  fields  to  describe  the  interactions between the components (atoms, molecules) of the system. Classical molecular dynamics  is  usually  implemented  with  force  fields  that  well  describe  the  physical  processes  and  the  softer  molecular interactions, but cannot describe the chemical processes. This problem can be overcome by  resorting  to  methods  based  on  reactive  force  fields  that  include  also  parameters  to  describe  bond  breaking and forming.    With  the  purpose  of  describing  the  dynamics  of  a  relatively  large  model  of  the  cysteine  aqueous  solution  we  performed  molecular  dynamics  calculations  adopting  a  reactive  force  field  (ReaxFF)  proposed by van Duin et al.  26 and specially parametrized for the description of amino acids  27. This  choice is dictated by the need to have a simulation system of size large enough to distinguish a bulk  and surface regions and an efficient simulation method able to  describe the proton transfer among  the  water  molecules  and  the  three  mentioned  sites  of  the  cysteine  molecules  in  the  sample.  Specifically,  the  molecular  modeling  has  been  performed  on  a  system  consisting  of  212  cysteine,  13000 water molecules and an appropriate number of Na+ or Cl‐ counter ions, contained in a box of  3 

dimension  89.14  x  58.08  x  86.23  Å for  the  simulation  of  the  bulk  of  the  solution  and  of  dimension  3

89.14 x 258.08 x 86.23 Å  for the simulation of the surface. The number of cysteine molecules within  the simulation box has been chosen on the basis of the experimental concentration, while the ratio of  the  different  cysteine  species  at  the  beginning  of  the  dynamics  has  been  established,  for  each  pH  value  of  the  simulated  aqueous  solution,  by  the  experimental  titration  curves,  corresponding,  of  ACS Paragon Plus Environment

 



Page 9 of 31 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

course, to the real bulk environment. Each NVT reactive molecular dynamics has been carried out at  the temperature of 300 K with a time step of 2 fs for a total simulation time ranging from 100 to 200  ps. Tab.1 collects the ratios of the different forms of cysteine in the aqueous solution at different pH as  predicted  by  the  molecular  dynamics  calculations  at  the  last  frame  of  the  trajectory.  The  surface  region is defined as a slice orthogonal to the y axis and width of about 5 Å starting from the “contact  point”  between  the  sample  and  the  vacuum.  This  quantity,  in  turn,  is  taken,  dynamically  during  the  simulation, as the level along y axis where the average local atomic density is half the average value of  the atomic density in the bulk.   Molecule\BE_DFT(eV)  cys_nh2_s_cooh_na  cys_nh2_sh_coo_na  cys_nh2_s_coo_na2  cys_nh2_sh_cooh  cys_nh3_sh_cooh_cl  cys_nh3_sh_coo  cys_nh3_s_coo_na  cys_nh3_s_cooh 

CN  291.90  291.64  291.25  292.96  294.26  293.24  292.40  293.88 

CO  294.68  293.92  293.34  295.72  296.55  295.40  294.27  295.77 

CS  290.51  290.96  289.81  291.90  292.79  292.38  290.50  291.40 

N  404.34  404.64  405.27  405.73  408.58  406.51  407.25  408.78 

S  166.34  168.44  165.23  169.48  170.43  170.35  165.88  166.45 

  Table 2 Binding energies (BE) in eV predicted by DFT calculations for the different eight forms of cysteine  shown in Fig. SI. 2‐0   

The  binding  energies  have  been  computed  by  HF  and  DFT  calculations  for  the  different  species  whose structures, presented in Fig. SI2, have been energy optimized by DFT calculations. Depending  on the protonation state of the cysteine molecule,  positive (Na+) or negative (Cl‐) counterions have  been  added  in  order  to  obtain  neutral  systems.  The  B3LYP  density  functional  and  the  Ahlrichs‐VTZ  basis set have been employed for both the DFT and geometry optimization calculations. The binding  energies predicted by the HF method are very close to those obtained by the DFT method with the  exception of the O‐1s binding energies that are in better agreement with the experimental data in the  ACS Paragon Plus Environment

 



The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 10 of 31

second case; for this reason in Tab.2, as well as in the following pictures, we present only the results  obtained by the DFT approach.  The computed photoemission spectra are obtained with the reasonable assumption that the  photoionization cross section for a specific atomic species is constant for the considered photon  energies and for non‐equivalent atoms of the same kind. As a consequence, the relative intensities  will be considered merely proportional to the fractions of the cysteine forms present in the considered  sample. For instance, the computed C1s photoemission spectrum of the bulk of the solution at pH 9.5  will be represented by the bar diagram in Fig. SI 3 obtained by using the binding energies in the  second, third and fourth column of Tab.2 and the "intensities" provided by the fractions in the fourth  row of Tab.1.

Results and Discussion  According to the ESCA potential model  28, the core photoelectron chemical shifts are determined by  the charge redistribution of the ground state that alters the potential at the ionization site. Thus, for  instance, the electronegative O,OH ligands of the COOH species investigated below, deplete electron  charge from the carbon atom, leaving it more positive, thus generating a more positive potential and  thus a positive (chemical) shift of the binding energy. This is to some smaller extent compensated by  the negative charge redistributed on the ligands. The ESCA model is a ground state model based on a  frozen orbital picture that ignores final state relaxation. However, the relaxation effect is in general  considerably smaller than the ground state charging for polar molecules, while for unpolar organics,  with  small  total  shifts,  it  can  be  an  important,  even  the  principal,    contributor.    According  to  the  original  ESCA  model,  the  binding  energies  are  ruled  by  the  on‐site  potential  and  the  shifts  by  the  variation of this potential between different chemical species as dictated by a core‐valence Coulomb 

ACS Paragon Plus Environment

 

10

Page 11 of 31 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

interaction and the on‐site valence charge.   An alternative to using models  29, as the ESCA potential model, to estimate the chemical shifts, is to  use full electronic structure calculations.  The correction to Koopmans, frozen orbital, theorem for the  binding energy and its  shifts can largely be accounted for  by self‐consistent field (SCF) optimization  within the one‐particle picture. This owes to the fact that core electron ionization by large preserves  the valence electron structure and that the largest frozen orbital correction refers to relaxation of the  (one‐particle) electron structure. Thus separate SCF optimization of ground and core hole states (the  so‐called  delta  SCF  method  30  gives  binding  energies  and  their  shifts  to  a  considerable  accuracy.  Further  refinement  through  difference  of  dynamical  correlation  energies  between  ground  and  core  hole  states  are  in  general  well  captured  by  density  functional  theory  31.  Remaining  corrections,  viz.  vibronic  and  relativistic  corrections,  are  in  general  small  (for  low‐Z  species)  and  controllable  31.  Accounting  for  these  notions  we  have  in  the  present  work  applied  DFT  as  a    SCF    method,  which  gives  shifts  to  an  accuracy  of  a  few  tenths  of  an  eV,    and  run  ground  and  core  ionized  state  calculations for the three elements, C, N, S, for different protonation forms of the cysteine molecule.   We note that the computed binding energies of condensed phase systems are notoriously, and rather  uniformly, a couple of eVs too high; something that can be mainly ascribed to the solvent effect, in  particular,  the  final  state  dielectric polarization  by  the  core‐ionized  species  32.    In  solution,  the  final  state electronic relaxation induced by the solvent interaction and the reaction field generated by the  solvent thus give additional stabilization in the order of 2  eV for all core hole states and is in general  only minorly chemically dependent. The Born energy for dissolving a unit charge gives indeed a shift  of the order of a couple of eV for molecules of the size here considered. For the finer contributions  one also needs to account for the differential effect of core‐valence penetration in the solvent (thus  core  holes  tend  to  shift  more,  ca  0.5‐0.7  eV,  than  valence  holes  33).  With  specific  binding  in  the  ACS Paragon Plus Environment

 

11

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 12 of 31

solvent, the picture evidently changes so does also the close presence of ions (see further discussion  below). Nevertheless, we display the absolute binding energies as computed, without solvent shifts.     Spectral data   We note first that cysteine contains three titratable groups: COOH, NH2, and SH see Fig. 1. The S and  N titration curves were subject to analysis in our previous paper  11. Below we first show the C1s, S2p  and N1s XPS experimental spectra of cysteine in water at several pH values (Fig. 2). The spectra were  recorded with an electron kinetic energy of only 50 eV, thus with small escape depth and high surface  sensitivity.    C1s shifts  We first turn our attention to the carbon spectra and analyze the “pure” pH cases ‐  pH 1.0, pH 5.17  and pH 12.5 – i.e. those corresponding (see Fig. 1), as close as possible,  to a single well‐defined bulk  species  in  solution.    It  is  clear  that  we  can  qualitatively  as  well  as  quantitatively  understand  these  spectra  in  terms  of  binding  energy  shifts,  see  Fig.  2.  The  C1s  results,  showing  the  shifts  for  three  symmetry  independent  carbon  atoms  contain  most  information.  For  pH  1.0  we  have  the  bulk  protonation states COOH, CNH3+, and CSH, meaning that all groups are protonated, where the highest  BE  band  corresponds  to  COOH,  the  middle  band  corresponds  to  CNH3+, and  the  lowest  BE  is  due  to  CSH.  The spectral comparison, between experiment (lowest panel of Fig. 2) and computations (lowest  panel of Fig. 3), unambiguously assigns this order of the shifts. At this point we need to discuss some  minor contributions also present at this pH. According to our MD calculations, as much as 9 % of the 

ACS Paragon Plus Environment

 

12

Page 13 of 31 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

species  at  the  surface  is  predicted  to  be  [(NH3+)  (SH)  (COO‐)].  The  calculations  predict  also  3%  belonging to the molecule [(NH3+) (S‐) (COO‐)] however our XPS 2p spectra rule out this possibility, as  we will discuss further down in the text, see also Fig. S7. Our fitting is compatible with a presence of  9% C1s COO‐ in excellent agreement with the calculations. The zwitterionic form  [(NH3+) (SH) (COO‐)]  could in principle be able to form ion‐pair dimers, which could enhance their present at the surface  over the charged form [(NH3+) (SH) (COOH)]. Our experimental result at pH 1 is compatible with this  prediction but they are not conclusive since a reasonable fit can also be obtained with no COO‐ peak  added.  The  spectrum  at  pH  1.91  will  give  us  solid  experimental  evidence  about  how  strong  is  the  presence of the zwitterionic pair at the surface.   At  pH  =1.91  the  CNH3+ contribution  is  split  in  two  peaks  of  equal  areas  due  to  the  influence of  the  carboxylic  group.  The  two  CNH3+  peaks  thus  correspond  to  molecules  with  COOH  and  to  molecules  with COO‐, respectively. CSH has a similar intensity as at pH 1.0. We do not see any splitting for CSH as  we do for CNH3+, which probably is due to CSH being further away from the carboxylic group, and thus  less affected. The energy region 293‐290 eV shows the presence of species with the COOH and COO‐  groups. According to the known speciation in the aqueous bulk at pH=1.91, cysteine is present in the  aqueous bulk both as protonated COOH form (51.6 %) and zwitterionic COO‐ (48.8%); the solution is  an acidic buffer. At the surface the fitting of the XPS data shows  56 %  and 44% for the COOH and  COO‐ forms respectivively, see Table S1. These values however contain a somewhat larger uncertainty  due to the difficulty to reach a good fit at this binding energy mantaining all the constrainst we have  imposed, such as energy position compatiblility with other pH and peak width. Relaxing the binding  energy constrainsts, however, improves the fitting and leads to a 3% increase (decrease) of the COOH  (COO‐) peak area. The higher XPS signal from the protonated [(NH3+) (SH) (COOH)] species may be a  consequence  of  the  very  small  probing  depths  of  our  photoelectrons.  We  could  argue  that  the  ACS Paragon Plus Environment

 

13

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 14 of 31

protonated species could sit preferencially at the surface with the COOH and SH pointing towards the  vaccum and the (NH3+) being solvated and pointing towards the bulk. 

  Figure 2 C1s XPS spectrum of cysteine in aqueous solution at 5 different pH using as excitation energy of 342  eV; an assignment of the peaks to different protonated species is proposed. A special notation is used to label  the same protonated species but present in a different chemical environment. For example, the CNH3+ may be 

ACS Paragon Plus Environment

 

14

Page 15 of 31 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

connected  to  a  COOH  group;  in  this  case  we  introduce  the  notation  (COOH  CNH3+).  In  case  the  CNH3+  group  is  connected to the deprotonated COO‐ group, we use the notation (COO‐ CNH3+). 

At pH= 6.0 (5.17 in the experiment) we see that the full spectrum in Fig. 2 is slightly moved to lower  energies,  while  the  internal  bands,  representing  the  differential  shifts,  keep  the  same  energetic  separations. We though note a contribution of  COO‐ predicted by theory at the high‐energy side of  the  spectrum,  around  294  eV.  This  seems  to  be  confirmed  by  the  deconvoluted  experimental  spectrum,  although  not  as  prominent  as  predicted  by  the  computation.  The  expansion  of  the  COO‐  band,  88%  of  the  area  intensity  from  the  XPS  data,  corresponds  to  a  decrease  of  the  COOH  contribution  to  12%  as  seen  in  both  theory  and  experiment.  At  pH  9.5,  we  can  consider  the  bulk  protonation state: COOH and COO‐, CNH2 and CS‐, as a mixture of ”pH 12.5” species: COO‐, CNH2 and  CS‐  and the ”pH 5.17” species: COO‐, CNH3+, and CSH. However, to get a good fit, also  COOH needs to  be included, as predicted by theory (see Fig. 3). It is clear that the results for middle values of pH can  be qualitatively understood as a combination of the “pure spectra” at pH 1.0 and pH 5.17 (plus a small  contribution from pH 12.5).   Going to even higher pH values the whole spectrum shifts to lower BEs, with the CS‐ band building up  at  the  low  energy  side  at  the  expense  of  CSH  and  the  NH2  band  building  up  in  the  middle  of  the  spectrum at the expense of NH3+. All features are qualitatively well reproduced when comparing the  computed shift spectra with the deconvoluted experimental spectra. Concerning the COOH species,  the  effects  of  pH  are  not  as  dramatic,  but  one  inevitably  concludes  that  also  these  species  get  deprotonated.    Thus  the  XPS  spectra  follow  a  neat  trend  of  deprotonation  of  all  carbon‐containing  groups with the increase of pH and we can essentially understand all spectra as a mixture of the two  extreme protonation conditions.   When comparing the experimental spectra in Fig. 2 and the computed ones in Fig. S3 one must bear  ACS Paragon Plus Environment

 

15

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 16 of 31

in  mind  that  the  experimental  spectra  contain  a  main  contribution  from  the  surface  but  also  a  contribution  from  the  bulk.  The  amount  of  photoelectron  signal  from  the  surface  depends  on  two  relevant factors ‐ the electron mean free path and the concentration of a particular cysteine species  at the surface compared to the bulk. To an excellent approximation, the electron mean free path can  be considered to be the same for all three edges, S2p C1s and N1s. The concentration of cysteine at  the surface, however, can change substantially depending on the number of protonated groups the  cysteine  molecule  possesses.  Indeed  charged  groups  such  as  COO‐,  NH3+,  and  S‐  will  tend  to  reduce  the presence of these molecules at the surface, sometimes this reduction can be substantial  34. For a  surface depleted from cysteine molecules the photoelectron signal may reproduce the bulk since, in  practice, only that region can contribute to the signal. Opposite to this situation, if the molecules form  a  monolayer  at  the  aqueous  interface  the  amount  of  photoelectron  signal  from  the  surface  will  be  maximum. However, even in this case the amount of the signal from the bulk will be different from  zero and can be comparable or even higher than the signal from the surface, see for example Fig. 2  from  ref.  35.  In  that  work,  the  photoelectron  kinetic  energy  was  about  300  eV.  However,  we  have  another study dealing with the same mixture showing that the bulk contribution is far from negligible  even for a photoelectron kinetic energy about 80 eV as in the present study. The presence of charge  groups  does  not  imply  the  cysteine  molecules  containing  these  groups  will  be  depleted  from  the  surface.  The  possibility  of  forming  ion  pairs  such  as  COO‐  +  NH3+  or  S‐  +  NH3+  can  lead  to  an  enhancement of the molecules forming the pair at the surface. Recently this enhancement has been  observed  which  shows  the  plausibility  of  our  proposal  36.    Taken  this  into  consideration  one  would  expect  the  spectra  taken  at  pH  12.5  to  be  the  least  surface  representative  since  we  have  two  significant groups COO‐ and S‐ and no ion pair is possible. In the tables S3, S4 and S5, we present the  intensity calibration for all spectra at all edges except for S 2p at pH 12.5; these data clearly confirm 

ACS Paragon Plus Environment

 

16

Page 17 of 31 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

that at pH 12.5 we find the smallest amount of cysteine at the surface. From our normalized data we  can  explain  why  the  resemblance  between  the  experimental  spectrum  and  the  bulk  calculated  spectrum,  see  Fig.  S4,  is  the  highest.  The  experimental  spectra  at  pH  9.5  compare  well  with  the  surface  calculated  spectrum  meaning  that  our  spectrum  is  more  surface  representative  and  that  is  indeed  what  Table  S3  shows.  The  comparison  between  the  experimental  and  calculated  surface  spectrum  is  also  good  for  pH  6  (5.15)  and  pH  1.  The  possibility  for  ionic  pair  formation  and  the  increasing presence of the COOH species would support the assumption that the cysteine molecules  will have its presence in the surface increased compared to that at pH 12.5, see tables S(3‐5).  If we keep in mind the facts discussed in the last paragraph, we can expect that the amount of COOH  species, represented by its corresponding peak at pH 9.5, is a lower bound to its relative intensity. We  can give one reason for this statement: the spectrum does have a contribution from the bulk, which  does  not  contain  a  COOH  peak.  In  Fig.  S4  we  compare  separate  plots  of  computed  “bulk”  and  “surface”  spectra  using  the  separation  of  bulk  and  surface  according  to  the  criteria  given  in  the  computational section.   For easier comparison with the experimental spectra, each bar diagram representing the computed  energies  and  intensities  (as  in  Fig.  S3)  has  been  convoluted  in  Figs.  3‐5  with  a  Gaussian  function  in  order to mimic the vibrational distribution and the limited energy resolution of the experiment.   

ACS Paragon Plus Environment

 

17

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 18 of 31

  Figure  3 C‐1s computed photoemission spectrum of cysteine in the surface region of aqueous solutions with  different  pH;  the  black  continuous  profiles  are  obtained  by  convolution  of  the  bar  diagrams  with  a  Gaussian  function with FWHM=1.5 eV.  

N1s shifts   The experimental N1s spectra in Fig. 4 clearly show the contributions of the amino group in the two  NH2 /  NH3+ protonation states.  The  spectra for pH 1.0,  5.0  and 12.5 show  one component; the two  former  spectra  at  the  high  energy  side,  the  latter  one  at  the  low  energy  side,  while  for  pH  9.5  two  components  are  seen.  This  is,  again,  a  remarkable  confirmation  that  protonation  close  to  the  ionization  site  almost  entirely  decides  the  chemical  shift,  making  a  clear‐cut  analysis  possible.  The  computational  spectra  in  Fig.  5  qualitative  reproduce  the  two‐peak  analysis  with  their  pH  dependence. Thus we see a prominent double peak structure at pH=9.5 and high binding energy peak  at  pH  1.0  and  a  low  energy  peak  at  pH  12.5.    However,  we  can  observe  that  the  predicted  energy  ACS Paragon Plus Environment

 

18

Page 19 of 31 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

difference (about 4 eV) between these two peaks is overestimated (well beyond the DFT precision) in  comparison  with the experiment and that the position of the high energy peak varies for the three  lower pH values, well beyond what is seen experimentally. We interpret this as a limit of the model  system  adopted  for  the  computation  of  the  binding  energies,  namely  the  simple  addition  of  a  counterion  to  neutralize  the  charged  species  of  cysteine.  While  for  the  COO‐  and  S‐  groups  the  position of the counterion is reasonably obtained by a geometry optimization in the vacuum, in the  case of the NH3+ group this procedure is much less reliable in absence of solvent molecules. With the  strong charge effect on the chemical shift, the positioning of the counterion can become crucial in the  computation  of  the  binding  energy.    We  also  see  a  rather  considerable  variation  between  bulk  and  surface  spectra,  using  a  layer  division  as  described  in  the  computational  section,  especially  for  the   intermediate pH values for which the barycenter of the double peak structure tend to the low energy  side  for  the  surface  spectra,  while  instead,  the  opposite  is  the  case  for  the  bulk  spectra.    The  low  energy spectra  (recorded at 463.6 eV photon energy) and high energy (recorded at 995.1 eV photon  energy), see Fig. 4, indicate some salient bulk to surface changes of the pH 9.5 double structure (see  also  analyses  in  the  former  paper  11.      Changing  the  photon  energy  from  high  to  low  value,  and  so  changing the sampling region from bulk to surface, a considerable transfer of intensity from the NH3+  band to the NH2 band can be observed.  This trend is qualitatively well reproduced (albeit somewhat  underestimated)  by  the  simulation  results  presented  in  Fig.  5.  We  see  that  this  trend  is  further  strengthened  at  pH  6.0,  showing  only  the  protonated  bulk  peak  in  the  simulations,    and  for  pH  1.0  both surface and bulk spectra have collapsed into the protonated form. Experimentally this seems to  occur  already  at  a  higher  pH  value,  see  Fig.  4.  As  we  do  not  have  a  corresponding  experimental  separation between bulk and surface spectra available except for pH 9.5, more specific assignments  cannot be made. 

ACS Paragon Plus Environment

 

19

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 20 of 31

 

  Figure 4 The S2p and N1s XPS spectra presented at 4 different pH values. At pH 9.5 we show the same  binding energy region taken at two photon energies. The low and high photon energy spectra are not  intensity calibrated to each other therefore we are not claiming the concentration of the NH3+ and S‐  are  the  same  at  surface  and  bulk.  In  (a)  at  pH  9.5  the  N1s  experimental  spectra  are  qualitatively  reproduced by the theoretical calculations shown in Fig. S4 pH 9.5. In (b) the experimental spectra at  the same pH are also qualitatively reproduced by the theoretical calculations shown in Fig. 5 pH 9.5.  While the peak at lower binding energy is suppressed at surface representative XPS signal at the S2p  ACS Paragon Plus Environment

 

20

Page 21 of 31 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

edge, the opposite takes place at N1s edge. Calculations and experiment are in agreement. See text  for further discussion.  S2p shifts  Although the sulfur and nitrogen spectra give less information, they conform well with the contention  drawn from the N spectra above. The experimental S2p spectra in Fig. 4 confirm the presence of the   CS‐/CSH protonation states: the spectra for pH 1.0, 5.0 and 12.5 exhibit one component,  as could be  expected. There is no discernable shift between pH 1.0 and pH 5.0, meaning that the protonation of  the carboxylic group  does not affect the S2p BE – the localization of the protonation site with respect  to the ionization site is thus crucial, as discussed above for the N spectra. This is presumably due to  that CSH is too far away from the carboxylic group, in analogy with the above observation for the C1s  band  of  the  CSH  group.  We  also  note  that  according  to  the  ESCA  model  the  effect  of  an  additional  proton charge is inversely correlated to the distance between proton and photoionization site. For pH  9.5  the  calculated  spectra  show  an  intensity  shift  in  the  double  peak  structure  from  the  low  to  the  high  energy  band  when  switching  from  bulk  to  surface,  see  Fig.  4.  This  indicates  that  the  relative  concentration of the protonated (SH) form increases in the surface region of this solution, in contrast  with the findings in the nitrogen spectra. This aspect, apparently at odds with a naïve picture based  on a different acidity of bulk and surface of an aqueous solution, has already been discussed in detail  in  our  previous  work  11.    The  calculated  spectra  at  pH  9.5  reproduce  well  the  experimental  spectra  from bulk and surface shown in Fig. 4. Going to lower pH, the surface structure collapses into the bulk  structure, with only the protonated species.  Finally, as for the N spectra, although not to the same  extent, we note a salient difference between computed bulk and surface spectra, where the latter is  broader and showing some double structure also for pH 5.0 and 12.5.   

ACS Paragon Plus Environment

 

21

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 22 of 31

The S spectra are complicated by the presence of two spin‐orbit split components. We note that in  the  computational  plot  we  have  assumed  a  constant  spin‐orbit  splitting  (1.2  eV)  of  the  S2p1/2  and  S2p3/2      states  and  that  their  intensity  assumes  a  degeneracy  ratio  of  1  to  2.  The  latter  assumption  seems to empirically hold for the here presented species, while indeed, that is not so in the general  case of L shell photoionization spectra, even for second‐row species, due to the relativistic effect.    Our calculations predict the COOH species to be equally present at pH 9.5 and 5.17. Experimentally  the (COOH) contribution at pH 5.17 amounts to 12% while 19% at pH 9.5. This small discrepancy may  be due to imprecision both in the experiment and calculation, but our experimental data provides a  good reason for it. At pH 9.5 the species (1) [(NH3+) (S‐) (COOH)], (2) [(NH3+) (SH) (COOH)] and (3)  [(NH2) (S‐) (COOH)] are present since the N1s and S2p spectra are compatible with the (NH3+), (NH2),  SH and S‐ groups see Fig. 4.  Species 1 is overall neutral and can make ion pair with themselves, which  shall allow them to be surface enhanced. If both species 2 and 3 are present, they can also make ion  pairs and increase their surface propensity. According to the experimental data at pH 12.5 species (1)  and  (2)  cannot  be  present  meaning  no  pair  between  (2)  and  (3)  can  be  formed.  At  pH  5.17  again  species  (1)  and  (3)  cannot  be  present  see  Fig.4  and  S7  and  not  pairs  between  (2)  and  (3)  can  be  formed.  Consequently,  all  molecules  (pairs  of  molecules)  with  the  COOH  group  having  the  highest  surface propensity are not present at pH12.5 and pH 5.17. Furthermore, the C1s spectrum at pH 9.5 is  more  surface  representative,  compared  to  the  spectrum  at  12.5  and  pH  5.17  according  to  the  normalized intensity of the C1s spectra at different pH, see Table S3. The C1s spectrum at pH 9.5 is  the  most  surface  representative  while  the  spectrum  at  pH  5.17  is  the  least  one.  This  lower  experimental  surface  representativity  can  explain  the  small  disagreement  between  experiment  and  calculation.  

ACS Paragon Plus Environment

 

22

Page 23 of 31 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

   Figure 5 Comparison of N‐1s (left) and S‐2p (right) computed photoemission spectra of cysteine in the bulk and  surface regions of aqueous solutions with different pH, convoluted with a Gaussian function with FWHM=1.5  eV. 

Comparison with Reaction Force Field Structures  It is relevant to compare the present data obtained from chemical shift analysis with the results of the  reactive  force  field  calculations  presented  in  our  earlier  paper  11.    We  observed  that  the  values  obtained for the bulk slice were quite close to the experimental ones, while for the surface slice, the  percentage  of  the  four  species  (all  having  a  COO−  group),  that  are  the  only  components  in  bulk,  summed  up  to  only  64%.  The  remaining  36%  was  made  up  of  "new"  species  all  having  the  COOH  group. We see that the present chemical shift analysis well conforms with the predicted changes in  the distribution of protonated species from the bulk to surface in the cysteine solution at pH 9.5  11.  The present reactive force field simulations confirm the presence on the surface, at any pH, of species  with COOH groups, which, except for very low pH, are missing in the bulk. As in  11 it is also predicted  ACS Paragon Plus Environment

 

23

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 24 of 31

that the species of cysteine present in the bulk have concentrations in the surface region that cannot  agree  with  any  single  value  of  pH.  This  was  at  variance  with  results  of  macroscopic  titration  curves  analysis, which, however, as argued, cannot adequately describe the local chemical equilibrium at the  surface of the solution. A microscopic description of the surface, as offered by the present molecular  dynamics calculations and chemical shift analysis, predicts differences between bulk and surface This  is  of  concern  for  evaluating  the  surface  tension  of  growing  water  droplets  containing  cysteine  and  other amino acids, and thus for their impact on cloud formation and climate.   Surface Acidity  According to the discussion in our previous paper  11, the opposite trends observed in Fig. 4 (pH 9.5)  for the spectral intensity going from bulk to surface, and well reproduced by the theoretical spectra   in  Fig.  5  (pH  9.5),  cannot  be  explained  by  a  change  in  surface  acidity.  If  we,  however,  assume  that  molecules containing  the  ionic  groups  such  as NH3+  or  S‐  are  depleted  from  the  surface  as  much  as  similar cases reported in the literature recently  34 we can rationalize the observations. The cysteine  species containing the S‐ species are depleted from the surface as compared to its neutral counterpart  SH  species.  Fig.  4b  (pH9.5)  clearly  shows  this  to  be  the  case  experimentally  and  reproduced  by  the  calculations.   The same reasoning can be used to the species containing the NH3+ ion which shall be  depleted from the surface as compared to the neutral species NH2. Again this is what we observe in  Fig.  4a.  The  C1s  spectrum  at  9.5,  however,  goes  one  step  further  in  the  sense  that  the  cysteine  molecules  containing  the  charged  group  COO‐  are  suppressed  at  the  surface.  This  suppression  is  in  line with the behavior of the other two charged species NH3+ or S‐; however, the neutral COOH which  is not present in bulk at all shows its presence at the surface according to our experiment and theory.  Such an extreme behavior was predicted theoretically in our previous paper 11 and is observed for the  first time experimentally here.  ACS Paragon Plus Environment

 

24

Page 25 of 31 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

Conclusions  Motivated  by  the  importance  of  amino  acids  solvated  in  atmospheric  water  droplets  we  present  a  study  of  cysteine  in  water  solutions  at  different  pH  using  a  combined  approach  based  on  reactive  force  field  molecular  dynamics  calculations  and  photoelectron  spectroscopy  measurements  of  chemical shifts. The measurements are complemented by DFT calculations for the assignment of the  spectral features. For all three studied ionization centers, C1s, N1s, and S2p, we find with remarkable  consistency that protonation close to the ionization site almost entirely decides the chemical shifts,  making  possible  a  clear‐cut  analysis  of  the  spectra  with  respect  to  protonation  dependence.  The  carbon  XPS  spectra,  although  containing  three  chemically  different  carbons,  could  be  analyzed  in  detail by the theoretical support; they follow a neat trend of deprotonation of the carbon‐containing  groups  with  the  increase  of  pH.  The  analysis  of  the  shift  spectra  at  the  nitrogen  and  sulfur  edges  agrees with that of carbon in so much as that the close lying protonation site largely determines the  chemical shifts. Both these spectra show a clear double peak structure, where the high energy peak  refers  to  the  protonated  state  and  the  low  energy  peak  to  the  unprotonated  state.  For  all  three  elements, we thus find that the XPS spectra for middle values of pH can be understood by the spectra  of  the  two  pure  cases,  here  corresponding  to  the  extreme  pH  values  1.0  and  12.5.  Analyzing  the  intensity of the two bands at intermediate pH (9.5) for N1s and S2p, we see that the distribution of  protonated  versus  deprotonated  species  comes  out  differently  in  bulk  and  at  the  surface.  We  can  confirm,  in  agreement  with  ref.  11,  the  presence,  in  the  surface  region  of  an  aqueous  cysteine  solution,  of  species  with  the  protonated  carboxylic  group  that  are  missing  in  the bulk.  Likewise,  we  predict the occurrence at the surface of “low pH species”, containing NH3+ and SH groups, which do  not exist in the bulk of medium/high pH solutions. We suggest that the variation of species population  at  the  aqueous  solution  surface  may  have  a  direct  impact  on  surface  tension  and  thereby  on  the  ACS Paragon Plus Environment

 

25

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 26 of 31

growth  of  water  droplets  containing  cysteine,  and  other  amino  acids,  with  an  impact  on  cloud  formation and climate. 

Acknowledgment  This  research  was  supported  by  the  Brazilian  funding  agencies  CNPq  (480967/2013‐0),  FAP‐DF  (193  140/95) and FINEP (1070/06). The Swedish‐Brazilian collaboration STINT‐CAPE (9805/2014‐01). V.C. is  grateful  for  the  contribution  of  the  “Ministero  della  Istruzione  della  Universita’  e  della  Ricerca,  Direzione  Generale  per  la  Internazionalizzazione  della  Ricerca"  of  the  Republic  of  Italy.  H.A.  acknowledges the support from the Swedish Science Research Council (6212012‐3347). The authors  gratefully  acknowledge  support  from  FAPESP  (the  Sao  Paulo  Research  Foundation,  Process  2017/11986‐5) and Shell and the strategic importance of the support given by ANP (Brazil’s National  Oil, Natural Gas and Biofuels Agency) through the R&D levy regulation.  Supporting Information Available: Table with experimental fitting parameters for the C1s, S2p and N1s. In addition several computed C1s spectra representing the surface and bulk regions and the structure of different 

cysteine species is available free of charge via the Internet at http://pubs.acs.org.

References   (1) Twomey, S. Pollution and the Planetary Albedo. Atmos. Environ. 1974, 8, 1251‐1256.   (2)  Solomon,  S.;  Qin,  D.;  Manning,  M.;  Averyt,  K.;  Marquis,  M.  Climate  Change  2007‐the  Physical  Science Basis: Working Group I Contribution to the Fourth Assessment Report of the IPCC. Cambridge  university press: 2007; Vol. 4.   (3) Facchini, M. C.; Mircea, M.; Fuzzi, S.; Charlson, R. J. Cloud Albedo Enhancement by Surface‐Active  Organic Solutes in Growing Droplets. Nature 1999, 401, 257‐259.   (4)  Milne,  P.  J.;  Zika,  R.  G.  Amino  Acid  Nitrogen  in  Atmospheric  Aerosols:  Occurrence,  Sources  and  Photochemical Modification. J. Atmos. Chem. 1993, 16, 361‐398.   (5)  Sommerville,  K.;  Preston,  T.  Characterisation  of  Dissolved  Combined  Amino  Acids  in  Marine  Waters. Rapid Commun. Mass Spectrom. 2001, 15, 1287‐1290.   (6) Blanchard, D. C. The Oceanic Production of Volatile Cloud Nuclei. J. Atmos. Sci. 1971, 28, 811‐812.   (7) Kuznetsova, M.; Lee, C.; Aller, J. Characterization of the Proteinaceous Matter in Marine Aerosols.  Mar. Chem. 2005, 96, 359‐377.  ACS Paragon Plus Environment

 

26

Page 27 of 31 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

 (8) Kristensson, A.; Rosenørn, T.; Bilde, M. Cloud Droplet Activation of Amino Acid Aerosol Particles. J.  Phys. Chem. A 2010, 114, 379‐386.   (9) Khoshkbarchi, M. K.; Vera, J. H. Effect of NaCl and KCl on the Solubility of Amino Acids in Aqueous  Solutions at 298.2 K: Measurements and Modeling. Ind. Eng. Chem. 1997, 36, 2445‐2451.   (10) Li, X.;  Hede, T.; Tu, Y.; Leck, C.; Ågren, H. Cloud Droplet Activation Mechanisms of Amino Acid  Aerosol Particles: Insight from Molecular Dynamics Simulations. Tellus B Chem. Phys. Meteorol. 2013,  65, 20476.   (11) da Silva, A. M.; Mocellin, A.; Monti, S.; Li, C.; Marinho, R. R. T.; Medina, A.; Ågren, H.; Carravetta,  V.;  Naves  de  Brito,  A.  Surface‐Altered  Protonation  Studied  by  Photoelectron  Spectroscopy  and  Reactive Dynamics Simulations. J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 807‐811.   (12) Dixon, H. B. F.; Tipton, K. F. Negatively Co‐Operative Ligand Binding. Biochem. J. 1973, 133, 837‐ 842.   (13) Bässler, M.; Ausmees, A.; Jurvansuu, M.; Feifel, R.; Forsell, J.‐O.; de Tarso Fonseca, P.; Kivimäki,  A.; Sundin, S.; Sorensen, S.; Nyholm, R. Beam Line I411 at Max II—Performance and First Results. Nucl.  Instrum. Methods Phys. Res. A 2001, 469, 382‐393.   (14)  Bässler,  M.;  Forsell,  J.‐O.;  Björneholm,  O.;  Feifel,  R.;  Jurvansuu,  M.;  Aksela,  S.;  Sundin,  S.;  Sorensen,  S.  L.;  Nyholm,  R.;  Ausmees,  A.,  et  al.  Soft  X‐Ray  Undulator  Beam  Line  I411  at  Max‐II  for  Gases, Liquids and Solid Samples. J. Electron. Spectrosc. Relat. Phenom. 1999, 101‐103, 953‐957.   (15)  Cezar,  J.  C.;  Fonseca,  P.  T.;  Rodrigues,  G.  L.  M.  P.;  Castro,  A.  R.  B.  d.;  Neuenschwander,  R.  T.;  Rodrigues, F.; Meyer, B. C.; Ribeiro, L. F. S.; Moreira, A. F. A. G.; Piton, J. R., et al. The U11 PGM Beam  Line at the Brazilian National Synchrotron Light Laboratory. J. Phys.: Conf. Ser. 2013, 425, 072015.   (16) Ottosson, N.; Faubel, M.; Bradforth, S. E.; Jungwirth, P.; Winter, B. Photoelectron Spectroscopy  of  Liquid  Water  and  Aqueous  Solution:  Electron  Effective  Attenuation  Lengths  and  Emission‐Angle  Anisotropy. J. Electron. Spectrosc. Relat. Phenom. 2010, 177, 60‐70.   (17) Nguyen‐Truong, H. T. Low‐Energy Electron Inelastic Mean Free Paths for Liquid Water. J. Phys.:  Condens. Matter 2018, 30, 155101.   (18) Thürmer, S.; Seidel, R.; Faubel, M.; Eberhardt, W.; Hemminger, J. C.; Bradforth, S. E.; Winter, B.  Photoelectron Angular Distributions from Liquid Water: Effects of Electron Scattering. Phys. Rev. Lett.  2013, 111, 173005.   (19)  Winter,  B.;  Faubel,  M.  Photoemission  from  Liquid  Aqueous  Solutions.  Chem.  Rev.  2006,  106,  1176‐1211.   (20)  Bergersen,  H.;  Marinho,  R.  R.  T.;  Pokapanich,  W.;  Lindblad,  A.;  Björneholm,  O.;  Sæthre,  L.  J.;  Öhrwall,  G.  A  Photoelectron  Spectroscopic  Study  of  Aqueous  Tetrabutylammonium  Iodide.  J.  Phys.:  Condens. Matter 2007, 19, 326101.   (21) Microliquids GmbH. http://www.microliquids.com (accessed March 8, 2017).   (22)  Winter,  B.;  Weber,  R.;  Widdra,  W.;  Dittmar,  M.;  Faubel,  M.;  Hertel,  I.  V.  Full  Valence  Band  Photoemission from Liquid Water Using EUV Synchrotron Radiation. J. Phys. Chem. A 2004, 108, 2625‐ 2632.   (23) Preissler, N.; Buchner, F.; Schultz, T.; Lübcke, A. Electrokinetic Charging and Evidence for Charge  Evaporation in Liquid Microjets of Aqueous Salt Solution. J. Phys. Chem. B 2013, 117, 2422‐2428.   (24)  Giertz,  A.;  Børve,  K.  J.;  Bäßler,  M.;  Wiesner,  K.;  Svensson,  S.;  Karlsson,  L.;  Sæthre,  L.  J.  Vibrationally  Resolved  Photoelectron  Spectra  of  the  Carbon  1s  and  Nitrogen  1s  Shells  in  Hydrogen  Cyanide. Chem. Phys. 2002, 277, 83‐90.   (25) Svensson, S.; Ausmees, A.; Osborne, S. J.; Bray, G.; Gel’mukhanov, F.; Ågren, H.; Naves de Brito,  A.;  Sairanen,  O.  P.;  Kivimäki,  A.;  Nõmmiste,  E.,  et  al.  Observation  of  an  Anomalous  Decay  Ratio  between the Molecular Field Split Levels in the S 2p Core Photoelectron and LVV Auger Spectrum of  ACS Paragon Plus Environment

 

27

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 28 of 31

H2S. Phys. Rev. Lett. 1994, 72, 3021‐3024.   (26)  van  Duin,  A.  C.  T.;  Dasgupta,  S.;  Lorant,  F.;  Goddard,  W.  A.  Reaxff:  A  Reactive  Force  Field  for  Hydrocarbons. J. Phys. Chem. A 2001, 105, 9396‐9409.   (27)  Monti,  S.;  van  Duin,  A.  C.  T.;  Kim,  S.‐Y.;  Barone,  V.  Exploration  of  the  Conformational  and  Reactive Dynamics of Glycine and Diglycine on TiO2 : Computational Investigations in the Gas Phase  and in Solution. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 5141‐5150.   (28) Siegbahn, K.; Nordling, C.; Johansson, G.; Hedman, J.; Hedén, P.; Hamrin, K.; Gelius, U.; Bergmark,  T.; Werme, L.; Manne, R. Esca Applied to Free Molecules. North‐Holland Publishing Company: 1969.   (29)  Ågren,  H.  Interaction  between  Theory  and  Experiment  in  Molecular  Core  Electron  Spectroscopies: Molecular Core Electron Spectroscopies. Int. J. Quantum Chem. 1991, 39, 455‐486.   (30)  Bagus,  P.  S.  Self‐Consistent‐Field  Wave  Functions  for  Hole  States  of  Some  Ne‐Like  and  Ar‐Like  Ions. Phys. Rev. 1965, 139, 619.   (31) Triguero, L.; Plashkevych, O.; Pettersson, L. G. M.; Ågren, H. Separate State Vs. Transition State  Kohn‐Sham  Calculations  of  X‐Ray  Photoelectron  Binding  Energies  and  Chemical  Shifts.  J.  Electron.  Spectrosc. Relat. Phenom. 1999, 104, 195‐207.   (32) Ågren, H.; Medina‐Llanos, C.; Mikkelsen, K. V. A Self‐Consistent Reaction Field Approach to Liquid  Photoionization. Chem. Phys. 1987, 115, 43‐55.   (33) Ågren, H.; Carravetta, V. Origin of Phase Transition Shifts of Ionization Energies in Water.  Mol.  Phys. 1985, 55, 901‐922.   (34) Werner, J.; Persson, I.; Björneholm, O.; Kawecki, D.; Saak, C.‐M.; Walz, M.‐M.; Ekholm, V.; Unger,  I.;  Valtl,  C.;  Caleman,  C.,  et  al.  Shifted  Equilibria  of  Organic  Acids  and  Bases  in  the  Aqueous  Surface  Region. Phys. Chem. Chem. Phys. 2018.   (35)  Marinho,  R.  R.  T.;  Walz,  M.‐M.;  Ekholm,  V.;  Öhrwall,  G.;  Björneholm,  O.;  Naves  de  Brito,  A.  Ethanol  Solvation  in  Water  Studied  on  a  Molecular  Scale  by  Photoelectron  Spectroscopy.  J.  Phys.  Chem. B 2017, 121, 7916‐7923.   (36) Ekholm, V.; Caleman, C.; Bjärnhall Prytz, N.; Walz, M.‐M.; Werner, J.; Öhrwall, G.; Rubensson, J.‐ E.;  Björneholm,  O.  Strong  Enrichment  of  Atmospherically  Relevant  Organic  Ions  at  the  Aqueous  Interface: The Role of Ion Pairing and Cooperative Effects. Phys. Chem. Chem. Phys. 2018, 20, 27185‐ 27191.   

ACS Paragon Plus Environment

 

28

Page 29 of 31 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

TOC Graphic

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48

ACS Paragon Plus Environment

Page 30 of 31

Page 31 of 31 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

The Journal of Physical Chemistry

ACS Paragon Plus Environment