メスバウアー分光法

ソース: ジョシュア ・ ウォフォード、タマラ ・ m ・力、化学科、テキサス A & M 大学

メスバウアー分光法は、固体の状態でガンマ線によって原子の原子核の励起を調べ一括評価手法です。結果のメスバウアー スペクトルは酸化状態、スピン状態の電子構造と配位子の配置 (幾何学) について証拠を与えるの組み合わせで、ターゲット原子の周りの電子環境の情報を提供します、分子。このビデオでメスバウアー分光法の基本原則について学び、ゼロ フィールド⁵⁷Fe メスバウアー スペクトルのフェロセンを収集します。

核スピン角運動量 (I):

原子の核スピン (私) は、核の合計角運動量として定義されます。特定の原子の基底状態の核スピンは原子核のプロトンそして中性子の数に依存して半分の整数値を指定できます (1/2、3/2、5/2、等)、または整数値 (1、2、3、等)。核スピンの興奮状態、私+ 1 n、n は整数値、存在し、核に十分なエネルギーを適用する場合にアクセスすることができます。

計測器のセットアップ:

一般的な計測器のセットアップは図 1に示します。ガンマ線を生成するソースが (これの必要性は下説明されます) サンプルに関してソースを連続して移動しドライバーに接続されています。ガンマ線がよくオイル中に浮遊固体の試料を押してください。サンプルを通過時に結果送信放射線ヒット サンプルとの相互作用時のビームの強度を測定する検出器。

図 1.一般的な計測器のセットアップ。

ガンマ線の生成:

実験用ガンマ線を生成に使用されるソースは、放射線の吸収されるサンプルの原子として同じ同位体のする必要があります。たとえば、 ⁵⁷Fe メスバウアー分光法、放射性⁵⁷Co ソースを使用します。⁵⁷⁵⁷Fe、私の興奮の状態に Co 崩壊 (半減期 = 272 日) = 5/2。状態どちらか、私にさらなる崩壊を興奮して結果 3/2 励起状態を = または私に = 1/2 基底状態。私からの緩和 = 3/2 ⁵⁷Fe 実験のための所望のエネルギーのガンマ線を基底状態生成する励起状態。ただし、生成されたガンマ線のエネルギーでは、分子中の原子の原子核の励起に必要なエネルギーが完全に一致します。⁵⁷Fe、私のエネルギー レベルの例に戻る 1/2 と私を = = 配位子環境と同様に、金属の酸化とスピン状態が電子の影響を与える分子内で Fe を置く時に 3/2 状態が変わるFe の勾配。したがって、結果として得られるガンマ線のエネルギーを調整するソースにサンプルに関してドライバー (図 1) を使用して実験中に移動されます。メスバウアー分光法で従来の「エネルギー」単位は mm/s です。

典型的なメスバウアー スペクトルの外観はどのように?

メスバウアー スペクトルの遷移 (mm/s) のエネルギーに対する透過率 (ディップ % 伝送またはピークの場所のガンマ線はそのエネルギーで吸収されたことを示す) がプロットされます。典型的なスペクトルを図 2に示します。2 つのピークが一緒に観察可能な核相互作用の 2 種類の結果である、シングル 4 人のダブレットと見なされます。

1 異性体シフト (または化学シフト δ、mm/s) 核共鳴エネルギーの測定は、原子の酸化状態に関連しています。図 2異性体シフト、エネルギー値スペクトルのピークの間の半分の方法です。表 1異性体シフトの典型的な範囲を含めるは、与えられた酸化状態と鉄のスピン状態。

表 1.Fe を含む化合物の異性体のいくつかの典型的な範囲を移動します。¹

(ΔE_Qmm/s) 2. 四極子分裂は、原子の核エネルギー レベルに影響を与える原子の周りの電場勾配のメジャーです。ΔE_Qは異性体シフトのような酸化状態についての情報を提供します。(金属の周りの配位子の配置) の原子の周りの電子密度の対称性とスピン状態観測ΔE_Qに影響します。図 2mm/s のスペクトルの 2 つのピーク間のエネルギー差は、四極子分裂。

図 2 。典型的なメスバウアー スペクトルは速度 (エネルギー) を y 軸に沿って x 軸と % 伝送に沿ってプロットされます。ここでは、異性体シフト、δ、四重極分離、 ΔE_Qとのシングル四重極ダブレットを参照してください。

異性体シフトと 4 重極分裂-どのような核遷移はこれらの値を表す?:

ここにおける Fe 原子の核スピンの遷移を検討します (私= 1/2 基底状態)。原子のs軌道の電子転移に私から異性体シフトを直接関連 = 1/2 励起状態 (図 3)。周囲の電場勾配がいずれか非球面電荷または不斉配位子の配置、原子力エネルギー レベル分割 (図 3)、すなわち、私のため、非球面の場合 = 3/2 励起状態分割2 つに± 1/2 と ± 3/2 m_は私の状態します。結果として、両方の核遷移はメスバウアー スペクトルで観察され、結果として得られる 2 つのピーク間の距離は四極子分裂と呼ばれます。四重極の値を分割したがって原子エネルギー準位原子の周りの電場勾配と効果の測定です。

図 3.観測核相互作用異性体シフト、分割、四重極および超微細磁場存在下で分割を含む⁵⁷Fe のメスバウアー スペクトル。

超微細分裂:

超微細分裂 (またはゼーマン) は、内部または外部の磁場存在下で観察できます。磁場、各原子のエネルギー レベルの私は、私の 2 + 1 のサブ状態に分割します。たとえば、磁場核エネルギーのレベルI = 3/2、3/2 を含む 4 つの非縮み退状態分割 1/2、-1/2、-3/2、6 許可遷移 (図 3)。

1. サンプルの準備

1. Delrine メスバウアー カップにおけるフェロセンの 100 mg の重量を量る。
2. サンプルに paratone オイルを数滴を追加します。ヘラを使って、均一なペーストにサンプルと油を混ぜます。
3. 液体窒素でサンプルを凍結します。

2. サンプルの取付け

1. He ガス試料室を埋めます。
2. 計測器からサンプル ロッドを外し、サンプル ロッドを取り外します。
3. サンプルをマウント中キャップと試料室を閉じてネジで固定します。
4. メスバウアー カップをロッドの端に試料ホルダーに読み込みます。
5. サンプル ホルダーにカップを固定するネジを締めます。
6. 液体窒素でサンプル ロッドの端を固定する前に形成する氷ほこり。
7. 彼の試料室に流れるとネジを外し、キャップを取り外し、サンプル棒挿入します。
8. ネジで楽器にロッドを保護します。
9. 彼の電源を切り、試料室の真空を引きます。
10. 真空の電源を切り、彼のサンプルと He ガスを経由して楽器のコールド ヘッドの間に熱交換を有効にすると試料室を少し補充。

3. データの収集と精密検査

1. メスバウアー データ収集ソフトウェアを開きます。ここで科学工学 W302 使用 & 教育 (を参照) 株式
2. 最初の画面で打撃エネルギーの範囲で検出器ガンマ線の総数が表示されます。エネルギー値 14.4 を含むピークを選択 keV、2 keV エスケープ ピーク。
3. 「Windows を送信」ボタンをを押します。これは、W302 ソフトウェア (見なさい Co) にデータを送ります。
4. W302 プログラムを開きます。目的のソースの速度 (0-12 mm/秒) を選択します。「クリア チャネル」を押す新しいデータ ・ コレクションを開始します。
   1. 目的の解像度に達すると、適切なプログラムを使用してデータに合います。ここで参照してください社 WMOSS を使用します。フィットは、異性体シフトと 4 重極分裂 (ダブレットが存在) する場合の値を提供します。

5 K でゼロのフィールド⁵⁷フェロセンの Fe メスバウアー

Δ = 0.54 mm/s

ΔE_Q = 2.4 mm/s

表 1を参照して、我々 は、異性体シフト 0.54 mm/s はいくつかの可能な酸化状態/スピン状態範囲 (表 1) に落ちるを参照してください。このような場合でそれはない酸化状態を調べ、δ 値だけに基づいて状態をスピンすることが可能。化学者は、酸化状態とスピン状態の割り当てをサポートするのに証拠を収集するのにその他の評価方法を使用しなければなりません。フェロセンのプロトン NMR に基づいて、我々 は知っている、フェロセン反磁性、したがってSのスピン状態を持っている必要があります = 0。フェロセンの構造では、Fe 2 + の酸化状態、センターが確認出来ます。0.54 mm/s 異性体シフト値に近い鉄の典型的な範囲、 S = 0 化合物メスバウアー スペクトルは他の評価データと一致。

ここでは、メスバウアー分光学、実験装置、ガンマ線源とメスバウアー スペクトルから収集できる情報の詳細についてを含むの基本原則について学びました。ゼロ フィールド⁵⁷Fe メスバウアー スペクトルのフェロセンを集めました。

メスバウアー分光法は、原子のまわりの電子の磁場勾配についての情報を提供する強力な手法です。多数のメスバウアー アクティブ アトム、適切なガンマ線源 (長寿命と低地の励起原子力エネルギーの状態) を持つ要素だけがこの手法の利用できます。最も一般に調査の原子は⁵⁷Fe、鉱物、無機分子無機/有機金属分子種を特徴付けるために使用です。たとえば、メスバウアー分光法は金属タンパク質の鉄硫黄 (鉄/S) クラスターの研究に広く使用されています。² Fe/S クラスターは、多彩な機能、電子輸送から触媒に至るまで関与しています。⁵⁷Fe メスバウアー分光法は、Fe/S に関する情報クラスターを含むタンパク質が酸化状態だけでなく、クラスターの Fe/S でユニークな鉄センターの数に限らず、貴重な解明し、それらのイオンの状態をスピンに役立っています。

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).