Katalyseforschung: Verbesserte Strukturanalyse von Metall-Ionen in Lösung

  • Gelöste Metall-Ionen lassen sich mithilfe der weichen Röntgenstrahlung untersuchen. In dem freien Flüssigkeitsstrahl im Vakuum befindet sich zusätzlich zu den Metall- Ionen Sauerstoff, der durch die Bestrahlung mit Röntgenlicht leuchtet und die Absorption der Metall-Ionen beeinflusst. Daraus können Forscher die Absorptionsstärke der Metall- Ionen berechnen und Rückschlüsse auf ihre elektronische Struktur ziehen. Abb.: HZBGelöste Metall-Ionen lassen sich mithilfe der weichen Röntgenstrahlung untersuchen. In dem freien Flüssigkeitsstrahl im Vakuum befindet sich zusätzlich zu den Metall- Ionen Sauerstoff, der durch die Bestrahlung mit Röntgenlicht leuchtet und die Absorption der Metall-Ionen beeinflusst. Daraus können Forscher die Absorptionsstärke der Metall- Ionen berechnen und Rückschlüsse auf ihre elektronische Struktur ziehen. Abb.: HZB

Katalyseforschung beschäftigt sich zu großen Teilen mit der Strukturanalyse von Materialien, was Rückschlüsse auf die an der Oberfläche ablaufenden katalytischen Prozesse zulässt. Wissenschaftler am HZB haben nun eine neue Methode - die „Inverse Partial Fluorescence Yield" (iPFY) - entwickelt, mit der sie die Absorption von Röntgenstrahlung in einem Flüssigkeitsstrahl messen können, der sich frei durch ein Vakuum bewegt. Solche Untersuchungen sind für die Strukturanalyse von Substanzen erforderlich, die in der Flüssigkeit gelöst sind. Dabei kann es sich beispielsweise um Metall-Ionen handeln, die als Bestandteil von Proteinen Katalysatoren biochemischer Reaktionen in Zellen sind.

Bisher konnten die Analysen nur erfolgen, wenn sich die Flüssigkeit zwischen zwei Membranen befand. Die dabei auftretenden, störenden Wechselwirkungen sind beim freien Flüssigkeitsstrahl im Vakuum ausgeschlossen. Ihre neue Methode haben die Forscher um Prof. Dr. Emad Aziz, Gruppenleiter der Nachwuchsgruppe Struktur und Dynamik funktionaler Materialien am HZB, bereits erfolgreich zur Strukturmessung von Eisen-Ionen eingesetzt.

Untersuchung von Eisen-Ionen in Lösung

In ihrer Studie haben die HZB-Forscher in Wasser gelöste Eisen-Ionen mit Hilfe der vom Elektronenspeicherring Bessy II bereitgestellten weichen Röntgenstrahlung untersucht. Dazu bestrahlten sie einen Flüssigkeitsstrahl des Wassers im Vakuum. Die Untersuchungen hat Malte Gotz durchgeführt, der im Rahmen des Projekts seine Masterarbeit angefertigt hat. Die Stärke der Absorption und der Energie dieser Röntgenstrahlung wurde gemessen. Daraus konnten konkrete Rückschlüsse auf die elektronische Struktur der gelösten Eisen-Ionen gezogen werden.

Die HZB-Forscher nutzten für die Messungen eine neue Herangehensweise, um die Absorption zu bestimmen, erklärt Gotz: Wichtig sei ein weiteres chemisches Element, nämlich Sauerstoff, der sich zusätzlich zu den Eisen-Ionen im Flüssigkeitsstrahl befindet.

Wird der Sauerstoff im Wasser mit Röntgenlicht bestrahlt und dadurch verändert, so sendet er für einen kurzen Zeitraum nach der Bestrahlung selbst Licht aus. Das kann man mit einem im Dunkeln leuchtenden Uhrzeiger vergleichen. Die ausgesendete Strahlung ist umso stärker, je stärker die einfallende Strahlung ist. Wird diese nun durch die Absorption eines anderen Materials - in diesem Fall Eisen-Ionen - reduziert, so drückt sich das direkt in der Reduktion der vom Sauerstoff ausgesandten Strahlung aus. So kann die Absorptionsstärke der Eisen-Ionen gemessen werden.

Gelöstes und festes Eisen verhalten sich ähnlich

Die Messungen sind am freien Flüssigkeitsstrahl besonders exakt, wie Arbeitsgruppenleiter Emad Aziz betont. Der Vorteil des Verfahrens sei, dass im freien Flüssigkeitsstrahl nur die Flüssigkeit selbst, ohne Wechselwirkung mit einem Behälter, und eine ständig frische Probe gemessen werde. Dabei stellten die Wissenschaftler so etwas wie ein Leuchten der Probe mit einer unerwarteten Farbe fest. Sie fanden heraus, dass bei den Eisen-Ionen, die in der Flüssigkeit einzeln vorliegen, aufgrund der Wechselwirkung mit der Lösung sogenannte Coster-Kronig-Zerfallsketten möglich sind, die sonst aus Eisen in fester Form bekannt sind. Daraus konnte der Schluss gezogen werden, dass die Ionen stärker mit Wasser interagieren als bisher gedacht.

Neue Einblicke in katalytische Prozesse

Eine wichtige Erkenntnis, die neue Rückschlüsse auf die Struktur und Funktion von Eisen und anderen Übergangsmetallen wie Kobalt, Mangan oder Kupfer ermöglicht: Die Metalle dienen in Ionenform an den verschiedensten Orten als Katalysatoren chemischer Reaktionen und erfüllen biologische Schlüsselfunktionen - beispielsweise Eisen beim Sauerstofftransport in Blut. Neue, detaillierte Erkenntnisse über Struktur und Funktion dieser Katalysatoren sind in der Wissenschaft deshalb hochwillkommen.

Originalliteratur:
Gotz M. G. et al.: Probing Coster-Kronig Transitions in Aqueous Fe2+ Solution Using Inverse Partial and Partial Fluorescence Yield at the L-Edge, Journal of Physical Chemistry Letters 3, 1619-1623, (2012)

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