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Spettroscopia Mössbauer

Overview

Fonte: Joshua Wofford, Tamara M. Powers, Dipartimento di Chimica, Texas A & M University

La spettroscopia di Mössbauer è una tecnica di caratterizzazione di massa che esamina l'eccitazione nucleare di un atomo da parte di raggi gamma allo stato solido. Lo spettro di Mössbauer risultante fornisce informazioni sullo stato di ossidazione, sullo stato di spin e sull'ambiente elettronico attorno all'atomo bersaglio, che, in combinazione, fornisce prove sulla struttura elettronica e sulla disposizione del ligando (geometria) della molecola. In questo video, impareremo a conoscere i principi di base della spettroscopia di Mössbauer e raccoglieremo uno spettro di ferrocene di campo zero 57Fe Mössbauer.

Principles

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Momento angolare di spin nucleare (I):

Lo spin nucleare (I) di un atomo è definito come il momento angolare totale del nucleo. Lo spin nucleare dello stato base per un dato atomo dipende dal numero di protoni e neutroni nel nucleo e può essere un valore mezzo intero (1/2, 3/2, 5/2, ecc.)o un valore intero (1, 2, 3, ecc.). Gli stati eccitati di spin nucleare, I + 1n, dove n è un valore intero, esistono e sono accessibili se al nucleo viene applicata abbastanza energia.

Configurazione dello strumento:

La configurazione generale dello strumento è illustrata nella Figura 1. La sorgente che genera raggi gamma è collegata ad un driver, che muove continuamente la sorgente rispetto al campione (la necessità di questo sarà spiegata di seguito). I raggi gamma colpiscono quindi il campione solido, che viene spesso sospeso in un olio. Al passaggio attraverso il campione, la radiazione trasmessa risultante colpisce il rivelatore, che misura l'intensità del fascio all'interazione con il campione.

Figure 1
Figura 1. Configurazione generale della strumentazione.

Generazione di raggi gamma:

La sorgente utilizzata per generare i raggi gamma per l'esperimento deve essere dello stesso isotopo degli atomi nel campione che assorbono la radiazione. Ad esempio, per la spettroscopia 57Fe Mössbauer, viene utilizzata una sorgente radioattiva a 57Co. 57 anni Co decade (emivita = 272 giorni) allo stato eccitato di 57Fe, I = 5/2. Lo stato eccitato risultante decade ulteriormente allo stato eccitato I = 3/2 o allo stato base I = 1/2. Il rilassamento dallo stato eccitato I = 3/2 di 57Fe allo stato terreno produce un raggio gamma di energia desiderata per l'esperimento. Tuttavia, l'energia del raggio gamma generato non corrisponde esattamente all'energia richiesta per un'eccitazione nucleare dell'atomo in una molecola. Tornando all'esempio di 57Fe, i livelli di energia degli stati I = 1/2 e I = 3/2 cambiano quando si mette Fe all'interno di una molecola, dove lo stato di ossidazione e spin del metallo e l'ambiente del ligando influenzano il gradiente del campo elettronico a Fe. Pertanto, per sintonizzare l'energia del raggio gamma risultante, la sorgente viene spostata rispetto al campione durante l'esperimento utilizzando un driver (Figura 1). L'unità "energetica" convenzionale nella spettroscopia Mössbauer è mm/s.

Che aspetto ha un tipico spettro Mössbauer?:

In uno spettro di Mössbauer, la trasmissione percentuale (cali di trasmissione in % o la posizione di un picco che indica che i raggi gamma sono stati assorbiti a quell'energia) è tracciata rispetto all'energia della transizione (mm / s). Uno spettro tipico è mostrato nella Figura 2. I due picchi insieme sono considerati un singolo doppietto quadruplo, che è il risultato di due tipi di interazioni nucleari osservabili:

1. Lo spostamento isomerico (o spostamento chimico, δ, mm/s) è una misura dell'energia di risonanza nucleare ed è correlato allo stato di ossidazione dell'atomo. Nella Figura 2, lo spostamento dell'isomero è il valore di energia a metà strada tra i picchi nello spettro. La Tabella 1 include gli intervalli tipici degli spostamenti isomeri per dati stati di ossidazione e stati di spin di Fe.

Tabella 1. Alcuni intervalli tipici di spostamenti isomerici per composti contenenti Fe. 1

Stato di ossidazione Stato di rotazione (S) Intervallo di spostamento dell'isomero (mm/s)
Fe(II) 0 da 0,3 a 0,5
Fe(II) 2 Da 0,75 a 1,5
Fe(III) 1/2 da 0,2 a 0,4
Fe(III) 5/2 Da 0,2 a 0,55

2. La scissione del quadrupolo(ΔEQ,mm/s) è una misura di come il gradiente del campo elettrico attorno all'atomo influenza i livelli di energia nucleare dell'atomo. Come lo spostamento dell'isomero, ΔEQ fornisce informazioni sullo stato di ossidazione. Lo stato di spin e la simmetria della densità elettronica attorno all'atomo (posizionamento dei ligandi attorno a un metallo) influenzeranno anche il ΔEQosservato. Nella Figura 2, la scissione del quadrupolo è la differenza di energia in mm/s tra i due picchi dello spettro.

Figure 2
Figura 2. Un tipico spettro di Mössbauer è tracciato con velocità (energia) lungo l'asse x e % di trasmissione lungo l'asse y. Qui vediamo un singolo doppietto quadrupolo, con spostamento isomero, δ e scissione quadrupolo, ΔEQ.

Spostamento dell'isomero e scissione del quadrupolo - Quali transizioni nucleari rappresentano questi valori?:

Qui considereremo le transizioni di spin nucleare per un atomo di Fe (I = 1/2 stato base). Lo spostamento dell'isomero è direttamente correlato alla transizione elettronica nell'orbitale s dell'atomo da I = 1/2 a uno stato eccitato (Figura 3). Se il gradiente del campo elettrico circostante non è sferico, a causa di una carica elettronica non sferica o di una disposizione asimmetrica del ligando, il livello di energia nucleare si divide (Figura 3), cioè, lo stato eccitato I = 3/2 si divide in due stati mI ± 1/2 e ± 3/2. Di conseguenza, entrambe le transizioni nucleari sono osservate nello spettro di Mössbauer e la distanza tra i due picchi risultanti è chiamata scissione del quadrupolo. Il valore di scissione del quadrupolo è quindi una misura dell'effetto sui livelli di energia nucleare con il gradiente del campo elettrico attorno all'atomo.

Figure 3
Figura 3. Interazioni nucleari osservabili in uno spettro di Mössbauer 57Fe, tra cui lo spostamento dell'isomero, la scissione del quadrupolo e la scissione iperfine in presenza di un campo magnetico.

Divisione iperfine:

La scissione iperfine (o scissione di Zeeman) può anche essere osservata in presenza di un campo magnetico interno o esterno. In presenza di un campo magnetico, ogni livello di energia nucleare, I, si divide in 2I + 1 sotto-stati. Ad esempio, in un campo magnetico applicato il livello di energia nucleare I = 3/2 si dividerebbe in 4 stati non degenerati tra cui 3/2, 1/2, -1/2 e -3/2, con 6 transizioni consentite (Figura 3).

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Procedure

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1. Preparazione del campione

  1. Pesare 100 mg di ferrocene in una tazza di delrine Mössbauer.
  2. Aggiungere diverse gocce di olio di paratono al campione. Usando una spatola, mescolare il campione e l'olio in una pasta uniforme.
  3. Congelare il campione in azoto liquido.

2. Montaggio del campione

  1. Riempire la camera del campione con il gas He.
  2. Svitare l'asta campione dallo strumento e rimuovere l'asta campione.
  3. Durante il montaggio del campione, chiudere la camera del campione con un cappuccio e fissare con viti.
  4. Caricare la tazza Mössbauer nel porta campioni all'estremità dell'asta.
  5. Stringere la vite per fissare la tazza nel porta campioni.
  6. Spolverare il ghiaccio che si forma prima di congelare l'estremità dell'asta del campione in azoto liquido.
  7. Con He che scorre attraverso la camera del campione, svitare e rimuovere il cappuccio e inserire l'asta del campione.
  8. Fissare l'asta allo strumento con le viti.
  9. Spegnere He e tirare il vuoto sulla camera del campione.
  10. Spegnere il vuoto e riempire leggermente la camera del campione con He per consentire lo scambio termico tra il campione e la testa fredda dello strumento tramite il gas He.

3. Raccolta e workup dei dati

  1. Aprire il software di raccolta dati Mössbauer. Qui usiamo W302 di Science Engineering & Education (SEE) Co.
  2. La prima schermata mostrerà il conteggio totale dei raggi gamma che colpiscono il rivelatore in una gamma di energie. Selezionare il picco che include il valore energetico 14,4 keV e il picco di fuga 2 keV.
  3. Premi il pulsante "Invia Windows". Questo invierà i dati al software W302 (SEE Co).
  4. Aprire il programma W302. Selezionare la velocità della sorgente desiderata (0-12 mm/s). Premi il "canale chiaro" per iniziare una nuova raccolta di dati.
    1. Dopo aver raggiunto la risoluzione desiderata, adattare i dati con un programma adatto. Qui usiamo WMOSS di SEE Co. L'adattamento fornisce i valori per lo spostamento dell'isomero e la scissione del quadrupolo (se è presente un doppietto).

La spettroscopia di Mössbauer è un metodo per valutare lo stato di ossidazione, lo stato di spin elettronico e l'ambiente elettronico di un atomo.

Il momento angolare di spin nucleare di un atomo, o spin nucleare in breve, descrive gli stati energetici discreti disponibili per un nucleo. I livelli di energia sono influenzati dallo stato di ossidazione, dallo stato di spin elettronico e dall'ambiente del ligando.

Le differenze nei livelli di energia nucleare si riflettono nell'energia di eccitazione nucleare. La spettroscopia Mössbauer sfrutta questa relazione irradiando un campione solido con raggi gamma su un intervallo ristretto di energie e confrontando le energie assorbite dal campione con valori noti.

Questo video discuterà i principi alla base della spettroscopia di Mössbauer, illustrerà la procedura per determinare lo stato di spin e lo stato di ossidazione del ferrocene e introdurrà alcune applicazioni in chimica.

Quando un nucleo assorbe o emette un raggio gamma, una parte dell'energia viene persa per rinculare. Pertanto, il raggio gamma emesso da un nucleo rilassante non può eccitare un nucleo identico.

Tuttavia, una percentuale di eventi di emissione e assorbimento nelle strutture cristalline ha un rinculo trascurabile, consentendo la risonanza tra nuclei identici nei solidi. Questo è chiamato effetto Mössbauer.

Uno spettrometro standard di Mössbauer è costituito da una sorgente di raggi gamma in movimento e da un rilevatore di radiazioni sensibili. La spettroscopia Iron Mössbauer viene eseguita con una sorgente 57Co, che decade per cattura elettronica in 57Fe eccitati.

I diversi ambienti chimici della sorgente e dei nuclei del campione provocano lacune energetiche leggermente diverse tra il terreno e gli stati eccitati. La sorgente viene quindi spostata avanti e indietro a varie velocità per indurre uno spostamento Doppler nei raggi gamma.

Il rilevatore di radiazioni misura i raggi gamma trasmessi attraverso il campione. Quando i raggi gamma ricevuti sono l'energia precisa necessaria per eccitare il campione, l'assorbimento risonante può verificarsi tra la sorgente e il campione.

Uno spettro di Mössbauer in genere traccia la % di trasmissione rispetto all'energia in termini di velocità della sorgente.

Lo spostamento dell'isomero è lo spostamento dell'energia di risonanza rispetto alla sorgente ed è correlato allo stato di ossidazione dell'atomo.

I livelli di energia nucleare si dividono quando il gradiente del campo elettrico circostante non è sferico, con conseguente due distinte energie di assorbimento. Questa interazione, chiamata scissione quadrupolo,si verifica in ambienti asimmetrici del ligando e a spin nucleari maggiori di 1/2.

La scissione del quadrupolo si traduce in un doppietto di quadrupolo nello spettro di Mössbauer. In questi casi, lo spostamento dell'isomero è a metà strada tra i due picchi e il valore di scissione del quadrupolo è la differenza tra i picchi.

La scissione iperfine si verifica in un campo magnetico interno o esterno. Ogni livello di energia nucleare si divide in sottostati in base al suo stato di spin nucleare. 57 anni Fe ha sei transizioni consentite tra questi stati, con conseguenti sei picchi.

Ora che hai compreso i principi della spettroscopia di Mössbauer, passiamo attraverso una procedura per determinare lo stato di ossidazione e lo stato di spin elettronico del ferrocene con la spettroscopia Mössbauer.

Per iniziare la procedura, misurare 100 mg di ferrocene in una tazza campione di poliossimetilene Mössbauer.

Aggiungere al campione diverse gocce di un olio crioprotettivo composto da una miscela di poliisobutileleni. Utilizzare una spatola per mescolare il campione e l'olio in una pasta uniforme. Usando una pinzetta, posizionare la tazza di Mössbauer riempita in una fiala a scintillazione da 20 ml e tapparla per il trasporto nella sala strumenti Mössbauer.

Una volta nella sala strumentazione, congelare il campione nel liquido N2.

Quindi, rimuovere la sonda di temperatura dall'asta del campione. Svitare l'asta campione e riempire la camera di Mössbauer con il gas He. Quindi, con il gas He che scorre, prelevare l'asta del campione.

Chiudere la camera del campione con un tappo e chiudere la valvola He.

Trasferire il campione di Mössbauer in un contenitore secondario riempito con liquido N2. Quindi, caricare con attenzione la coppa campione Mössbauer nel porta campioni montato sull'asta e stringere la vite impostata per fissare la tazza nel supporto.

Spazzolare via il ghiaccio sul portaes campioni e sull'asta. Quindi, immergere il porta campione nel liquido N2e aprire la valvola He.

Inserire l'asta campione nella camera e fissare l'asta in posizione con viti.

Quindi, fermare il flusso He ed evacuare la camera del campione. Una volta che la camera del campione è alla pressione minima, arrestare la pompa per vuoto e lasciare una piccola quantità di gas He nella camera del campione. Infine, ricollega la sonda di temperatura all'asta del campione.

Aprire l'interfaccia dello spettrometro a raggi gamma per visualizzare un grafico delle letture del rivelatore. Seleziona il picco di 14,4 keV e il picco di fuga di 2 keV e premi il pulsante "Invia a Windows".

Aprire il software di raccolta dati e impostare l'intervallo di velocità della sorgente da 0 a 12 mm/s. Acquisire dati fino a quando lo spettro non ha raggiunto la risoluzione desiderata. Salvare i dati acquisiti. Utilizzare un software appropriato per adattare i dati e applicarlo per determinare lo spostamento dell'isomero e la scissione del quadrupolo.

Lo spettro Mössbauer del ferrocene ha un singolo doppietto quadrupolo con uno spostamento isomerico di 0,54 mm/s. Se confrontato con gli intervalli tipici degli spostamenti isomeri per composti contenenti ferro, lo spostamento dell'isomero suggerisce un complesso Fe(II), S = 0 o un complesso Fe(III), S = 5/2.

Dal protone NMR del ferrocene, è noto che il composto è un complesso diamagnetico e neutro. Inoltre, i suoi due ligandi ciclopentadienilici portano ciascuno una carica di 1-, indicando che il centro del ferro nel ferrocene è nello stato di ossidazione 2+. Infine, sulla base del risultato di Mössbauer, è evidente che il ferrocene ha uno stato di spin di 0.

La spettroscopia Mössbauer è ampiamente utilizzata in chimica inorganica. Diamo un'occhiata ad alcuni esempi.

Le proteine ferro-zolfo contengono gruppi Fe/S di due o più atomi di ferro a ponte da atomi S. In una proteina ferro-zolfo della ferredossina, il cluster di diirone 2+ contiene due centri Fe(III) ad alto spin. L'accoppiamento di scambio tra questi centri Fe si traduce in uno stato diamagnetico complessivo con uno spin di 0. I singoli spettri di Mössbauer di ciascun centro Fe sono indistinguibili l'uno dall'altro, quindi lo spettro della ferredossina mostra solo un doppietto quadrupolo.

Le ferredossine partecipano al trasporto di elettroni mediante reazioni redox ai loro atomi di Fe. Ad esempio, una ferredossina può accettare un elettrone mediante una riduzione di un singolo elettrone in uno dei centri Fe, risultando in un cluster con un centro Fe(III) ad alto spin e un centro Fe(II) ad alto spin. Questo appare come due doppietti quadrupole sovrapposti nello spettro di Mössbauer.

La lipoil sintasi,che contiene due cluster 4-Fe/4-S, esegue la fase finale della sintesi del cofattore lipoilico. Il meccanismo proposto prevede un intermedio con il substrato reticolato ad un cluster Fe/S degradato.

Per studiare le proprietà dell'intermedio di reazione, gli spettri di Mössbauer sono stati acquisiti in presenza e assenza di un campo magnetico debole. Lo spettro di differenza risultante ha mostrato solo gli effetti di un campo magnetico esterno sugli spostamenti chimici. Lo spettro di differenza è stato combinato con uno spettro simulato, rivelando un rapporto 2: 1 da una coppia fe mista-valente e un sito Fe (III).

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla spettroscopia Mössbauer. Ora dovresti avere familiarità con i principi alla base dell'effetto Mössbauer, la procedura per eseguire la spettroscopia 57Fe Mössbauer e alcuni esempi di come la spettroscopia Mössbauer viene utilizzata in chimica inorganica. Grazie per l'attenzione!

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Results

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Campo zero 57Fe Mössbauer del ferrocene a 5 K.

δ = 0,54 mm/s

ΔEQ = 2,4 mm/s

Figure 3

Facendo riferimento alla Tabella 1,vediamo che lo spostamento dell'isomero a 0,54 mm/s rientra in diversi possibili intervalli di stato di ossidazione/stato di spin (Tabella 1). In casi come questo, non è possibile determinare lo stato di ossidazione e lo stato di spin in base ai soli valori di δ. I chimici devono utilizzare altri metodi di caratterizzazione per raccogliere prove a supporto delle assegnazioni dello stato di ossidazione e dello stato di spin. Sulla base del protone NMR del ferrocene, sappiamo che il ferrocene è diamagnetico, e quindi deve avere uno stato di spin di S = 0. La struttura del ferrocene ci permette di determinare che il centro Fe si trova nello stato di ossidazione 2+. Il valore di spostamento dell'isomero di 0,54 mm/s è vicino all'intervallo tipico dei composti Fe(II), S = 0 e quindi lo spettro di Mössbauer è coerente con altri dati di caratterizzazione.

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Applications and Summary

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Qui, abbiamo imparato a conoscere i principi di base della spettroscopia di Mössbauer, compresi i dettagli sulla configurazione sperimentale, la sorgente di raggi gamma e le informazioni che possono essere raccolte da uno spettro di Mössbauer. Abbiamo raccolto lo spettro di campo zero 57Fe Mössbauer del ferrocene.

La spettroscopia di Mössbauer è una tecnica potente che fornisce informazioni sul gradiente del campo elettronico attorno a un atomo. Mentre ci sono numerosi atomi attivi di Mössbauer, solo gli elementi con una sorgente di raggi gamma adatta (stato di energia nucleare eccitata di lunga durata e bassa) possono trarre vantaggio da questa tecnica. L'atomo più comunemente studiato è 57Fe, che viene utilizzato per caratterizzare specie molecolari inorganiche / organometalliche, molecole bioinorganiche e minerali. Ad esempio, la spettroscopia Mössbauer è stata ampiamente utilizzata per studiare i cluster ferro-zolfo (Fe/ S) presenti nelle metalloproteine. 2 I cluster Fe/S sono coinvolti in una varietà di funzioni, che vanno dal trasporto di elettroni alla catalisi. 57 anni La spettroscopia fe Mössbauer ha contribuito a chiarire preziose informazioni sui cluster Fe/S nelle proteine, incluso, ma non limitato a, il numero di centri di ferro unici presenti in un cluster Fe/S, nonché lo stato di ossidazione e lo stato di spin di tali ioni.

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References

  1. Fultz, B. “Mössbauer Spectrometry”, in Characterization of Materials. John Wiley. New York. (2011).
  2. Pandelia, M.-E., Lanz, N., Booker, S., Krebs, C. Mössbauer spectroscopy of Fe/S proteins Biochim Biophys Acta. 1853, 1395–1405 (2015).

Transcript

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