Overview
מקור: ג'ושוע ופורד, תמרה מ. פאוורס, המחלקה לכימיה, אוניברסיטת טקסס A&M
ספקטרוסקופיה Mössbauer היא טכניקת אפיון בתפזורת הבוחנת את העירור הגרעיני של אטום על ידי קרני גמא במצב מוצק. ספקטרום Mössbauer וכתוצאה מכך מספק מידע על מצב החמצון, מצב הספין והסביבה האלקטרונית סביב אטום היעד, אשר, בשילוב, נותן עדות על המבנה האלקטרוני וסידור ליגנד (גיאומטריה) של המולקולה. בסרטון זה, נלמד על העקרונות הבסיסיים של ספקטרוסקופיית Mössbauer ולאסוף אפס שדה 57Fe Mössbauer ספקטרום של פרוקן.
Principles
תנופה זוויתית גרעינית (I):
הספיןהגרעיני של אטום מוגדר כתנופה זוויתית מוחלטת של הגרעין. הספין הגרעיני של מצב הקרקע עבור אטום נתון תלוי במספר הפרוטונים והניוטרונים בגרעין ויכול להיות ערך שלם למחצה (1/2, 3/2, 5/2 וכו ')או ערך שלם (1, 2, 3 וכו '). מדינות נרגשות ספין גרעיני, אני + 1n, שבו n הוא ערך שלם, קיימים וניתן לגשת אליו אם מספיק אנרגיה מוחלת על הגרעין.
התקנת מכשיר:
הגדרת המכשיר הכללי מוצגת באיור 1. המקור שמייצר קרני גמא מחובר לנהג, אשר מזיז ללא הרף את המקור ביחס לדגימה (הצורך בכך יוסבר להלן). קרני הגמא פוגעות במדגם המוצק, אשר מושעה לעתים קרובות בשמן. עם המעבר דרך המדגם, הקרינה המועברת וכתוצאה מכך פוגעת בגלאי, המודד את עוצמת הקרן באינטראקציה עם המדגם.
איור 1. הגדרת מכשור כללית.
דור קרני גמא:
המקור המשמש ליצירת קרני הגמא לניסוי צריך להיות מאותו איזוטופ כמו האטומים במדגם שסופגים את הקרינה. לדוגמה, עבור 57Fe Mössbauer ספקטרוסקופיה, מקור רדיואקטיבי 57Co מנוצל. 57 Co מתפורר (מחצית חיים = 272 ימים) למצב הנרגש של 57Fe, אני = 5/2. המצב הנרגש המתקבל מתפורר עוד יותר למצב I = 3/2 נרגש או למצב הקרקע I = 1/2. הרפיה מן I = 3/2 נרגש מצב של 57Fe למצב הקרקע מייצר קרן גמא של אנרגיה הרצויה לניסוי. עם זאת, האנרגיה של קרני הגמא שנוצרת אינה תואמת בדיוק את האנרגיה הנדרשת להתרגשות גרעינית של האטום במולקולה. אם נחזור לדוגמה של 57Fe, רמות האנרגיה של I = 1/2 ואני = 3/2 מדינות משתנות כאשר שמים את Fe בתוך מולקולה, שבה מצב החמצון והספין של המתכת, כמו גם סביבת הליגנד משפיעים על שיפוע שדה האלקטרונים ב- Fe. לכן, כדי לכוונן את האנרגיה של קרני הגמא המתקבלות, המקור מועבר ביחס לדגימה במהלך הניסוי באמצעות מנהל התקן (איור 1). יחידת "האנרגיה" הקונבנציונלית בספקטרוסקופיה של מוסבאואר היא מ"מ/ש.
כיצד נראה ספקטרום מוסבאואר טיפוסי?:
בספקטרום Mössbauer, השידור באחוזים (טבילות ב- % שידור או מיקום של שיא המצביע על קרני גמא נספגו באותה אנרגיה) משורטט כנגד אנרגיית המעבר (mm/s). ספקטרום טיפוסי מוצג באיור 2. שתי הפסגות יחד נחשבות להכפלה מרובעת אחת, שהיא תוצאה של שני סוגים של אינטראקציות גרעיניות נצפות:
1. תזוזת האיזומר (או שינוי כימי, δ, מ"מ/s) היא מידה של אנרגיית תהודה גרעינית והיא קשורה למצב החמצון של האטום. באיור 2, שינוי האיזומר הוא ערך האנרגיה באמצע הדרך בין הפסגות בספקטרום. טבלה 1 כוללת את הטווחים הטיפוסיים של משמרות איזומר עבור מצבי חמצון נתון מצבי ספין של Fe.
טבלה 1. כמה טווחים אופייניים של משמרות איזומר עבור תרכובות המכילות Fe. 1
| מצב חמצון | מצב ספין (S) | טווח הזזת איזומר (מ"מ/s) |
| פה(II) | 0 | –0.3 עד 0.5 |
| פה(II) | 2 | 0.75 עד 1.5 |
| פה(ג) | 1/2 | –0.2 עד 0.4 |
| פה(ג) | 5/2 | 0.2 עד 0.55 |
2. פיצול הקוואדרופול(ΔEQ,mm/s) הוא מדד לאופן שבו שיפוע השדה החשמלי סביב האטום משפיע על רמות האנרגיה הגרעינית של האטום. בדומה לשינוי איזומר, ΔEQ מספק מידע על מצב החמצון. מצב הספין והסימטריה של צפיפות האלקטרונים סביב האטום (מיקום ליגנדים סביב מתכת) ישפיעו גם על ΔEQהנצפה . באיור 2, פיצול הקוואדרופול הוא הפרש האנרגיה במ"מ/שני בין שתי הפסגות בספקטרום.
איור 2. ספקטרום Mössbauer טיפוסי מתוות במהירות (אנרגיה) לאורך ציר x ו - העברת % לאורך ציר y. כאן אנו רואים כפול מרובע יחיד, עם הזזת איזומר, δ, ופיצול מרובע, ΔEQ.
איזומר Shift ופיצול Quadrupole - אילו מעברים גרעיניים מייצגים ערכים אלה?:
כאן נשקול את מעברי הספין הגרעיניים עבור אטום Fe(I = 1/2 מצב קרקע). שינוי האיזומר קשור ישירות למעבר האלקטרונים במסלול המסלול של האטום מה- I = 1/2 למצב נרגש (איור 3). אם שיפוע השדה החשמלי שמסביב אינו כדורי, בשל מטען אלקטרוני לא כדורי או סידור ליגנד אסימטרי, רמת האנרגיה הגרעינית מתפצלת (איור 3), כלומר,I = 3/2 מצב נרגש מתפצל לשני מ',אני קובע ± 1/2 ו-± 3/2. כתוצאה מכך, שני המעברים הגרעיניים נצפים בספקטרום Mössbauer והמרחק בין שתי הפסגות המתקבלות נקרא פיצול מרובע. ערך הפיצול של הקוואדרופול הוא אפוא מדד להשפעה על רמות האנרגיה הגרעינית עם שיפוע השדה החשמלי סביב האטום.
איור 3. אינטראקציות גרעיניות נצפות בספקטרום 57Fe Mössbauer כולל הזזת איזומר, פיצול מרובע, ופיצול היפרפין בנוכחות שדה מגנטי.
היפרפין פיצול:
פיצול היפרפין (או פיצול זימן) ניתן לראות גם בנוכחות שדה מגנטי פנימי או חיצוני. בנוכחות שדה מגנטי, כל רמת אנרגיה גרעינית, אני,מתפצלת ל-2 מדינות משנהI + 1. לדוגמה, בשדה מגנטי מיושם רמת האנרגיה הגרעינית I = 3/2 תתפצל ל-4 מדינות לא מנוונות, כולל 3/2, 1/2, -1/2 ו-3/2, עם 6 מעברים מותרים(איור 3).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. הכנת המדגם
- שוקלים 100 מ"ג פרוקן בכוס דלרין מוסבאואר.
- מוסיפים כמה טיפות של שמן paratone לדגימה. בעזרת מרית, מערבבים את המדגם ואת השמן לעיסה אחידה.
- להקפיא את המדגם בחנקן נוזלי.
2. הרכבת המדגם
- מלא את תא הדגימה בגז.
- פתחו את מוט הדגימה מהמכשיר והסירו את מוט הדגימה.
- בעת הרכבת המדגם, סגור את תא המדגם עם מכסה ומאובטח עם ברגים.
- טען את Mössbauer למחזיק המדגם בסוף המוט.
- הדקו את הבורג כדי לאבטח את הכוס במחזיק הדגימה.
- אבק את כל קרח שנוצר לפני הקפאת קצה מוט המדגם בחנקן נוזלי.
- עם הוא זורם דרך תא המדגם, לפתוח ולהסיר את המכסה, ולהכניס את מוט המדגם.
- אבטח את המוט לכלי עם הברגים.
- כבה את ה"הוא" ומשוך את הוואקום בתא הדגימה.
- לכבות את הוואקום ולמלא את תא המדגם מעט עם הוא כדי לאפשר חילופי תרמיים בין המדגם לבין הראש הקר של המכשיר באמצעות גז He.
3. איסוף נתונים ואיסוף נתונים
- פתח את תוכנת איסוף הנתונים של Mössbauer. כאן אנו משתמשים W302 על ידי הנדסת מדע וחינוך (ראה) ושות'.
- המסך הראשון יציג את הספירה הכוללת של קרני גמא שפוגעות בגלאי בטווח אנרגיות. בחר את הפסגה הכוללת את ערך האנרגיה 14.4 keV ו 2 keV בריחה שיא.
- לחץ על כפתור "שלח חלונות". פעולה זו תשלח את הנתונים לתוכנת W302 (ראה Co).
- פתח את תוכנית W302. בחר את מהירות המקור הרצויה (0-12 מ"מ/ש'). תרוץ על "הערוץ הבהיר" כדי להתחיל באיסוף נתונים חדש.
- לאחר שהתקבלה ההחלטה הרצויה, התאם את הנתונים לתוכנית מתאימה. כאן אנו משתמשים WMOSS על ידי SEE Co. ההתאמה מספקת את הערכים עבור הזזת איזומר ופיצול מרובע (אם קיים כפול).
ספקטרוסקופיה Mössbauer היא שיטה להערכת מצב החמצון, מצב הספין האלקטרוני והסביבה האלקטרונית של אטום.
התנף הזוויתי של הספין הגרעיני של אטום, או ספין גרעיני בקיצור, מתאר את המצבים האנרגטיים הבודדים העומדים לרשות הגרעין. רמות האנרגיה מושפעות ממצב החמצון, מצב הספין האלקטרוני וסביבת הליגנד.
הבדלים ברמות האנרגיה הגרעינית משתקפים באנרגיית העירור הגרעינית. ספקטרוסקופיה Mössbauer מנצלת את הקשר הזה על ידי הקרנת מדגם מוצק עם קרני גמא על פני טווח צר של אנרגיות והשוואת האנרגיות הנספגות על ידי המדגם לערכים ידועים.
וידאו זה ידון בעקרונות הבסיסיים של ספקטרוסקופיית Mössbauer, להמחיש את ההליך לקביעת מצב ספין ומצב חמצון של פרוקן, ולהציג כמה יישומים בכימיה.
כאשר גרעין סופג או פולט קרני גמא, אנרגיה מסוימת הולכת לאיבוד כדי להיראת. לכן, קרני הגמא הנפלטות על ידי גרעין מרגיע לא יכול לרגש גרעין זהה.
עם זאת, אחוז אירועי הפליטה והספיגה במבני גביש יש רתע זניח, המאפשר תהודה להתרחש בין גרעינים זהים מוצקים. זה נקרא אפקט מוסבאואר.
ספקטרומטר מסבאואר סטנדרטי מורכב ממקור קרני גמא נע וגלאי קרינה רגיש. ספקטרוסקופיית ברזל Mössbauer מבוצעת עם מקור 57Co, אשר נרקב על ידי לכידת אלקטרונים נרגש 57Fe.
הסביבות הכימיות השונות של המקור וגרעיני המדגם גורמות לפערי אנרגיה שונים במקצת בין הקרקע לבין מצבים נרגשים. לפיכך, המקור נע קדימה ואחורה במהירויות שונות כדי לגרום לשינוי דופלר בקרני הגמא.
גלאי הקרינה מודד את קרני הגמא המועברות דרך המדגם. כאשר קרני הגמא שהתקבלו הן האנרגיה המדויקת הדרושה כדי לרגש את המדגם, ספיגת מהדהד יכולה להתרחש בין המקור לבין המדגם.
ספקטרום Mössbauer בדרך כלל מתווה % שידור לעומת אנרגיה במונחים של מהירות המקור.
שינוי האיזומר הוא השינוי באנרגיית התהודה ביחס למקור, והוא קשור למצב החמצון של האטום.
רמות האנרגיה הגרעינית מתפצלות כאשר שיפוע השדה החשמלי שמסביב אינו כדורי, וכתוצאה מכך שתי אנרגיות ספיגה נפרדות. אינטראקציה זו, הנקראת פיצול מרובע, מתרחשת בסביבות ליגנד אסימטריות, ובספינים גרעיניים הגדולים מ-1/2.
פיצול Quadrupole גורם לכפיל מרובע בספקטרום מוסבאואר. במקרים אלה, שינוי האיזומר הוא באמצע הדרך בין שתי הפסגות וערך הפיצול של הקוואדרופול הוא ההבדל בין הפסגות.
פיצול היפרפין מתרחש בשדה מגנטי פנימי או חיצוני. כל רמת אנרגיה גרעינית מתפצלת לתת-מדינות בהתבסס על מצב הספין הגרעיני שלה. 57 פה איפשר שישה מעברים בין המדינות הללו, וכתוצאה מכך שש פסגות.
עכשיו שאתה מבין את העקרונות של ספקטרוסקופיית Mössbauer, בואו נעבור הליך לקביעת מצב החמצון ומצב ספין אלקטרוני של פרוקן עם ספקטרוסקופיה Mössbauer.
כדי להתחיל את ההליך, למדוד 100 מ ג של פרוקן לתוך פוליאוקסימתילן Mössbauer מדגם.
מוסיפים לדגימה מספר טיפות של שמן קריו-הגנה המורכב מתערובת של פוליאיזובוטילנים. השתמש מרית לערבב את המדגם ושמן לתוך הדבק אחיד. בעזרת פינצטה, הניחו את Mössbauer המלאה בלוויית נוצצת 20 מל וכובעו להובלה לחדר המכשירים של מוסבאואר.
פעם בחדר המכשור, להקפיא את המדגם בנוזל N2.
לאחר מכן, להסיר את בדיקת הטמפרטורה מן מוט המדגם. פתחו את מוט הדגימה ומלאו את תא מוסבאואר בגז. ואז, עם גז He זורם, למשוך את מוט המדגם.
סגור את תא המדגם עם מכסה, ולסגור את שסתום He.
העבירו את דגימת מוסבאואר למיכל משני מלא בנוזל N2. לאחר מכן, לטעון בזהירות את Mössbauer מדגם לתוך מחזיק מדגם מוט רכוב, ולהדק את הבורג להגדיר כדי להבטיח את הגביע במחזיק.
מברישים כל קרח על מחזיק הדגימה והמוט. לאחר מכן, לטבול את מחזיק המדגם בנוזל N2, ולפתוח את שסתום He.
הכנס את מוט המדגם לתא ותקן את המוט במקום עם ברגים.
לאחר מכן, לעצור את זרימת הוא ולפנות את תא המדגם. ברגע שתא המדגם נמצא בלחץ המינימלי, עצרו את משאבת הוואקום ואפשרו כמות קטנה של גז He לתא הדגימה. לבסוף, חבר מחדש את בדיקת הטמפרטורה למוט המדגם.
פתח את ממשק ספקטרומטר קרני הגמא כדי לראות חלקה של קריאות הגלאי. בחר את שיא 14.4-keV ואת שיא הבריחה 2-keV ולחצו על כפתור "שלח ל- Windows".
פתח את תוכנת איסוף הנתונים והגדר את טווח מהירות המקור ל- 0 עד 12 מ"מ לשנייה. השג נתונים עד שהספקטרום ישיג את הרזולוציה הרצויה. שמור את הנתונים שנרכשו. השתמש בתוכנה המתאימה כדי להתאים לנתונים ולהחיל אותם כדי לקבוע את הזזת האיזומר ואת פיצול quadrupole.
ספקטרום Mössbauer של פרוקן יש כפול מרובע אחד עם הסטת איזומר של 0.54 מ"מ / s. בהשוואה לטווחים אופייניים של תזוזות איזומר עבור ברזל המכיל תרכובות, הזזת איזומר מרמזת על קומפלקס Fe(II), S = 0 או Fe(III), S = 5/2 קומפלקס.
מן פרוטון NMR של פרוקן, ידוע כי המתחם הוא קומפלקס דימגנטי, נייטרלי. יתר על כן, שני ליגנדים cyclopentadienyl כל לשאת תשלום של 1-, המציין כי מרכז הברזל בפרוקן הוא במצב חמצון 2 +. לבסוף, בהתבסס על התוצאה Mössbauer, ברור כי פרוקן יש מצב ספין של 0.
ספקטרוסקופיה Mössbauer נמצא בשימוש נרחב בכימיה אנאורגנית. בואו נסתכל על כמה דוגמאות.
חלבוני ברזל גופרית מכילים אשכולות Fe/S של שני אטומי ברזל או יותר המוגשרים על ידי אטומי S. בחלבון ברזל-גופרית פרדוקסין, אשכול דיארון 2+ מכיל שני מרכזי Fe(III) בעלי ספין גבוה. צימוד חילופים בין מרכזי Fe אלה גורם למצב דימגנטי כולל עם ספין של 0. הספקטרום האינדיבידואלי של מוסבאואר של כל מרכז Fe אינו מורגש זה מזה, כך ספקטרום של פרדוקסין מראה רק כפול מרובע אחד.
פרדוקסינים משתתפים בהובלת אלקטרונים על ידי תגובות redox באטומי Fe שלהם. לדוגמה, פרדוקסין יכול לקבל אלקטרון על ידי הפחתת אלקטרון יחיד באחד ממרכזי Fe, וכתוצאה מכך אשכול עם מרכז Fe(III) אחד ספין גבוה ומרכז Fe(II) אחד ספין גבוה. זה מופיע כשני כפולים מרובעים על גבי בספקטרום Mössbauer.
ליפיום סינתאז, המכיל שני אשכולות 4-Fe /4-S, מבצע את השלב האחרון של סינתזת קופקטור ליפויל. המנגנון המוצע כרוך ביניים עם המצע מקושר לאשכול Fe / S מושפל.
כדי לחקור את המאפיינים של התגובה ביניים, ספקטרום Mössbauer נרכשו בנוכחות ובהיעדר שדה מגנטי חלש. ספקטרום ההבדלים שנוצר הראה רק את ההשפעות של שדה מגנטי חיצוני על המשמרות הכימיות. ספקטרום ההבדלים ששולבו עם ספקטרום מדומה, וחשף יחס של 2:1 מזוג Fe מעורב-ערכי ואתר Fe(III).
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לספקטרוסקופיה של מוסבאואר. עכשיו אתה צריך להכיר את העקרונות הבסיסיים של אפקט Mössbauer, את ההליך לביצוע ספקטרוסקופיה 57Fe Mössbauer, וכמה דוגמאות כיצד ספקטרוסקופיה Mössbauer משמש בכימיה אנאורגנית. תודה שצפיתם!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
שדה אפס 57פה מסבאואר מפרוקן ב-5 ק"ג.
δ = 0.54 מ"מ/s
ΔEQ = 2.4 מ"מ/s
בהתייחסו לטבלה 1,אנו רואים כי הסטת איזומר ב 0.54 מ"מ / s נופלת למספר טווחי מצב חמצון / מצב ספין אפשריים (טבלה 1). במקרים כאלה, לא ניתן לקבוע את מצב החמצון ואת מצב הספין בהתבסס על ערכי δ בלבד. כימאים חייבים להשתמש בשיטות אפיון אחרות כדי לאסוף ראיות כדי לתמוך במצב חמצון ומשימות מצב ספין. בהתבסס על הפרוטון NMR של פרוקן, אנו יודעים כי פרוקן הוא דימגנטי, ולכן חייב להיות מצב ספין של S = 0. המבנה של פרוקן מאפשר לנו לקבוע כי מרכז Fe נמצא במצב חמצון 2 + . ערך הסטת האיזומר של 0.54 מ"מ לשנייה קרוב לטווח הטיפוסי של Fe(II), S = 0 תרכובות ולכן ספקטרום Mössbauer עולה בקנה אחד עם נתוני אפיון אחרים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
כאן למדנו על העקרונות הבסיסיים של ספקטרוסקופיית מוסבאואר, כולל פרטים על ההתקנה הניסיונית, מקור קרני הגמא והמידע שניתן לאסוף מקשת Mössbauer. אספנו את ספקטרום האפס שדה 57Fe Mössbauer של פרוקן.
ספקטרוסקופיה Mössbauer היא טכניקה רבת עוצמה המספקת מידע על שיפוע השדה האלקטרוני סביב אטום. בעוד ישנם אטומים פעילים רבים Mössbauer, רק אלמנטים עם מקור קרני גמא מתאים (ארוך ימים נמוך שוכב נרגש אנרגיה גרעינית מצב) יכול לנצל טכניקה זו. האטום הנפוץ ביותר הוא 57Fe, המשמש לאפיון מינים מולקולריים אנאורגניים/אורגנומטליים, מולקולות ביו-אורגניות ומינרלים. לדוגמה, ספקטרוסקופיה Mössbauer שימש בהרחבה כדי לחקור אשכולות ברזל גופרית (Fe/S) נמצאו metalloproteins. 2 אשכולות Fe/S מעורבים במגוון פונקציות, החל הובלת אלקטרונים ועד קטליזה. 57 ספקטרוסקופיית Fe Mössbauer סייעה לפרט מידע רב ערך על אשכולות Fe/S בחלבונים, כולל, אך לא רק, את מספר מרכזי הברזל הייחודיים הקיימים באשכול Fe/S, כמו גם את מצב החמצון ומצב הסיבוב של אותם יונים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
References
- Fultz, B. “Mössbauer Spectrometry”, in Characterization of Materials. John Wiley. New York. (2011).
- Pandelia, M.-E., Lanz, N., Booker, S., Krebs, C. Mössbauer spectroscopy of Fe/S proteins Biochim Biophys Acta. 1853, 1395–1405 (2015).
