穆斯堡尔光谱学
来源：Joshua Wofford，塔玛拉·M·鲍尔斯，德克萨斯农工大学化学系&M 大学
穆斯堡尔光谱是一种体相表征技术，用于研究固体状态下原子核对伽马射线的激发。所得的穆斯堡尔谱图可提供有关目标原子的氧化态、自旋态及其周围电子环境的信息，这些信息共同揭示了分子的电子结构和配体排列（几何构型…
1. 样品制备
- 在聚甲醛穆斯堡尔杯中称取 100 mg 二茂铁。
- 向样品中加入几滴石蜡油。用刮刀将样品与油混合成均匀的糊状物。
- 将样品在液氮中冷冻。
2. 样品安装
- 用氦气填充样品室。
- 将样品杆从仪器上拧下并取出样品杆。
- 安装样品时，用盖子封闭样品室，并用螺丝固定。
- 将穆斯堡尔样品杯装入样品杆末端的样品 holder 中。
- 拧紧螺丝，将样品杯固定在样品 holder 内。
- 在将样品杆末端浸入液氮冷冻前，清除任何形成的冰霜。
- 在氦气持续通入样品室的条件下，拧下并移除盖子，插入样品杆。
- 用螺丝将样品杆固定在仪器上。
- 关闭氦气，对样品室抽真空。
- 关闭真空泵，向样品室中重新充入少量氦气，以通过氦气实现样品与仪器冷头之间的热交换。
3. 数据收集与处理
- 打开穆斯堡尔数据采集软件。此处我们使用 Science Engineering & Education (SEE) 公司的 W302 软件。
- 第一个界面将显示在一系列能量范围内撞击探测器的伽马射线总计数。选择包含 14.4 keV 能量值及 2 keV 逃逸峰的峰。
- 点击 "Send Windows" 按钮。这会将数据发送至 W302 软件（SEE 公司）。
- 打开 W302 程序。选择所需源速度（0–12 mm/s）。点击 "clear channel" 以开始新的数据采集。
- 达到所需分辨率后，使用合适的程序对数据进行拟合。此处我们使用 SEE 公司的 WMOSS 程序。拟合可提供同质异能移和四极分裂（若存在双重峰）的数值。
穆斯堡尔光谱法是一种用于评估原子氧化态、电子自旋态及电子环境的方法。
原子的核自旋角动量，简称核自旋，描述了原子核可具有的离散能态。这些能级受到氧化态、电子自旋态以及配体环境的影响。
核能级之间的差异体现在核激发能上。穆斯堡尔光谱法利用这一关系，通过在较窄的能量范围内用γ射线照射固体样品，并将样品吸收的能量与已知数值进行比较，从而实现分析。
本视频将讨论穆斯堡尔光谱学的基本原理，演示测定二茂铁自旋态和氧化态的实验步骤，并介绍其在化学领域的一些应用。
当原子核吸收或发射γ射线时，部分能量会因反冲而损失。因此，由弛豫原子核发射的γ射线无法激发另一个相同的原子核。
然而，晶体结构中部分发射和吸收事件的反冲效应可忽略不计，使得固体中相同原子核之间能够发生共振，这一现象称为穆斯堡尔效应。
标准的穆斯堡尔谱仪由一个移动的γ射线源和一个高灵敏度辐射探测器组成。铁穆斯堡尔光谱学使用57Co源进行，该源通过电子俘获衰变为激发态的57Fe。
源核与样品核所处的化学环境不同，导致其基态与激发态之间的能级差略有差异。因此，需要将源以不同速度来回移动，以在γ射线中诱导产生多普勒频移。
辐射探测器测量穿过样品的伽马射线。当接收到的伽马射线能量恰好等于激发样品所需的能量时，源与样品之间可能发生共振吸收。
穆斯堡尔谱通常以源速度表示能量，并绘制透射率百分比与能量的关系图。
同分异构位移是指相对于源的共振能量位移，与原子的氧化态相关。
当周围的电场梯度非球形时，原子核能级会发生分裂，从而产生两个不同的吸收能量。这种相互作用称为四极分裂，发生在配体环境不对称以及原子核自旋大于½的情况下。
四极分裂会在穆斯堡尔谱中产生一个四极双重峰。在这些情况下，异构化移位位于两个峰的中间位置，而四极分裂值则是两个峰之间的差值。
在内磁场或外磁场中会发生超精细分裂。每个原子核能级会根据其原子核自旋态分裂为多个子能态。57Fe在这些能态之间存在六种允许的跃迁，从而产生六个峰。
现在您已经了解了穆斯堡尔光谱的基本原理，接下来我们将通过一个实验流程，利用穆斯堡尔光谱来确定二茂铁的氧化态和电子自旋态。
开始实验步骤时，将100 mg二茂铁称量至一个聚甲醛穆斯堡尔样品杯中。
向样品中加入数滴由聚异丁烯混合物组成的冷冻保护油。使用刮刀将样品与油混合成均匀的糊状物。用镊子将装有样品的穆斯堡尔杯放入一个 20 mL 闪烁瓶中，并盖紧瓶盖，以便运送至穆斯堡尔仪器室。
进入仪器室后，用液氮冷冻样品。
接下来，从样品杆上取下温度探头。拧下样品杆，并用氦气填充穆斯堡尔腔室。然后，在持续通入氦气的条件下，抽出样品杆。
用盖子关闭样品室，并关闭氦气阀门。
将穆斯堡尔样品转移至装有液氮的次级容器中。然后，小心地将穆斯堡尔样品杯装入安装在杆上的样品架内，并拧紧固定螺钉以确保样品杯在样品架中固定牢固。
刷去样品架和样品杆上的任何冰。然后将样品架浸入液氮中，并打开氦气阀门。
将样品杆插入腔室，并用螺丝固定样品杆。
然后，停止氦气流并抽空样品室。当样品室达到最低压力后，关闭真空泵，并向样品室内通入少量氦气。最后，将温度探头重新连接到样品杆上。
打开伽马射线能谱仪界面，查看探测器读数的图谱。选择14.4-keV峰和2-keV逃逸峰，然后点击“发送到窗口”按钮。
打开数据采集软件，将源速度范围设置为 0 到 12 mm/s。持续采集数据，直至谱图达到所需分辨率。保存采集到的数据。使用适当的软件对数据进行拟合，并据此确定同质异能移（isomer shift）和四极分裂（quadrupole splitting）。
二茂铁的穆斯堡尔谱呈现单一的四极分裂双重峰，其同质异能移为 0.54 mm/s。与含铁化合物同质异能移的典型范围相比，该同质异能移值表明其可能为 Fe(II)、S = 0 的配合物，或 Fe(III)、S = 5/2 的配合物。
根据二茂铁的质子核磁共振谱可知，该化合物是一种抗磁性的中性配合物。此外，其两个环戊二烯配体各带一个负电荷（1-），表明二茂铁中的铁中心处于+2氧化态。最后，根据穆斯堡尔谱结果，可以明确二茂铁的自旋态为0。
穆斯堡尔光谱法在无机化学中被广泛应用。让我们来看几个例子。
铁硫蛋白含有由两个或更多铁原子通过硫原子桥连形成的 Fe/S 簇。在铁氧还蛋白铁硫蛋白中，二铁 2+ 簇包含两个高自旋 Fe(III) 中心。这些铁中心之间的交换耦合作用导致整体呈现自旋为 0 的抗磁性状态。每个铁中心的穆斯堡尔谱彼此无法区分，因此铁氧还蛋白的谱图仅显示一个四极双峰。
铁氧还蛋白通过其铁原子上的氧化还原反应参与电子传递。例如，铁氧还蛋白可在其中一个铁中心发生单电子还原反应而接受一个电子，从而形成包含一个高自旋Fe(III)中心和一个高自旋Fe(II)中心的簇合物。这在穆斯堡尔谱中表现为两个重叠的四极双峰。
硫辛酸合酶含有两个4-铁/4-硫簇，负责硫辛酰辅因子合成的最后一步。其提出的反应机制涉及一个中间体，该中间体的底物与降解的铁硫簇交联。
为了研究反应中间体的性质，分别在有弱磁场和无磁场条件下采集了穆斯堡尔谱。所得差谱仅显示了外加磁场对化学位移的影响。将该差谱与模拟谱图进行拟合，揭示出一个混合价态的 Fe 对与一个 Fe(III) 位点之间的比例为 2:1。
您刚刚观看了 JoVE 关于穆斯堡尔光谱学的简介。现在，您应该已经熟悉了穆斯堡尔效应的基本原理、进行 57Fe 穆斯堡尔光谱分析的实验步骤，以及穆斯堡尔光谱学在无机化学中应用的几个实例。感谢观看！
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Q1: What is the Mössbauer effect and why is it important for spectroscopy?
The Mössbauer effect occurs when a percentage of gamma ray emission and absorption events in crystal structures have negligible recoil, allowing resonance between identical nuclei in solids. This enables the gamma ray emitted by a relaxing nucleus to excite an identical nucleus, making precise nuclear spectroscopy possible without energy loss to recoil.
Q2: How does Doppler shift enable Mössbauer spectroscopy measurements?
The source and sample nuclei have slightly different energy gaps between ground and excited states due to different chemical environments. A Mössbauer spectrometer moves the gamma ray source back and forth at various speeds to induce a Doppler shift in the gamma rays, allowing resonant absorption to occur when the received gamma rays reach the precise energy needed to excite the sample.
Q3: What information does isomer shift reveal about an atom?
Isomer shift is the shift in resonance energy relative to the source and is directly related to the oxidation state of the atom. By comparing the measured isomer shift to known ranges for iron-containing compounds, chemists can determine whether an iron center is in a specific oxidation state, such as Fe(II) or Fe(III).
Q4: What causes quadrupole splitting in a Mössbauer spectrum?
Quadrupole splitting occurs when nuclear energy levels split due to a non-spherical surrounding electric field gradient, resulting in two distinct absorption energies. This interaction happens in asymmetric ligand environments and at nuclear spins greater than one-half, producing a quadrupole doublet with two peaks in the Mössbauer spectrum.
Q5: How does hyperfine splitting differ from quadrupole splitting in Mössbauer spectroscopy?
Hyperfine splitting occurs in an internal or external magnetic field, where each nuclear energy level splits into sub-states based on nuclear spin state. Unlike quadrupole splitting, which results from electric field gradients, hyperfine splitting produces multiple peaks—57Fe yields six allowed transitions, creating six peaks in the spectrum.
Q6: What does the Mössbauer spectrum of ferrocene reveal about its electronic structure?
Ferrocene's Mössbauer spectrum shows a single quadrupole doublet with an isomer shift of 0.54 mm/s, indicating an Fe(II), S = 0 complex. Combined with proton NMR data confirming the compound is diamagnetic and neutral, the spectrum reveals that ferrocene contains an iron center in the 2+ oxidation state with zero spin state. This analysis complements the structure determination ferrocene organometallic complex.
Q7: How is Mössbauer spectroscopy used to study iron-sulfur proteins?
Mössbauer spectroscopy characterizes iron-sulfur clusters in proteins like ferredoxins by detecting individual iron centers. Exchange coupling between Fe centers produces distinctive quadrupole doublets; when ferredoxins undergo single-electron reduction, the resulting mixed-valent cluster appears as two superposed quadrupole doublets, revealing changes in oxidation and spin states during electron transport.