Extraterrestrial and terrestrial outdoor applications of Mössbauer spectroscopy

„Extraterrestrische und terrestrische Anwendungen eines miniaturisierten Mössbauer-Spektrometers“ Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Anwendungen eines miniaturisierten Mössbauer- Spektrometers (MIMOS II), dessen Entwicklung in den frühen neunziger Jahren am Institut für Kernphysik der Technischen Universität Darmstadt unter Professor Egbert Kankeleit und seinen Mitarbeitern begann. Seit 1998 sind die Entwicklungsarbeiten im Arbeitskreis von Prof. Gütlich am Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Johannes Gutenberg- Universität Mainz von Dr. Göstar Klingelhöfer und Mitarbeitern fortgesetzt worden. Vorrangiges Ziel war dabei der geplante Einsatz des Spektrometers zu mineralogischen Untersuchungen im Weltall. Entsprechend ist das Projekt mit erheblichen finanziellen Mitteln des Forschungsinstituts der Deutschen Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn unterstützt worden. Bei den beiden Missionen, die im Jahre 2003 von der NASA zum Mars gesandt wurden und im Januar dieses Jahres die beiden „Mars Exploration Rover“ (MER) "Spirit" und "Opportunity" erfolgreich auf der Marsoberfläche abgesetzt haben, ist jeweils ein MIMOS II-Gerät zur Charakterisierung eisenhaltiger Minerale und Böden während der laufenden Mission im Einsatz. Einige Ergebnisse von MIMOS II an Gestein und Böden der Marsoberfläche werden in der vorliegenden Arbeit präsentiert und diskutiert. Diese Ergebnisse wurden vom MIMOS II-Consortium unter Führung von Dr. Göstar Klingelhöfer, mit Unterstützung des Ingenieurs- und Wissenschaftsteams von MER am Jet Propulsion Laboratory in Kalifornien, erlangt. Erste Spektren, die von Proben im Gusev-Krater (Landestelle von „Spirit“) aufgenommen wurden und in dieser Arbeit vorgestellt werden, weisen auf das Vorkommen von forsteritischem Olivin, Pyroxen, Magnetit hin; daneben zeigt sich ein von Eisen(III) herrührendes Quadrupoldublett, das (noch) nicht eindeutig zugeordnet werden konnte. Aus den gewonnenen Daten wurde geschlossen, dass physikalische Verwitterung der vorherrschende Veränderungsprozess in den Ebenen des Gusev-Kraters ist. Um die Fähigkeiten von MIMOS II in der Charakteriserung extraterrestrischen Materials vor dem Start zum Mars zu demonstrieren, wurde eine Auswahl von chondritischen, Eisenund Marsmeteoriten gemessen. Ein Datenanalysepaket, basierend auf künstlichen neuronalen Netzwerken, genetischen Algorithmen und "fuzzy" Logik, wurde erstellt, erfolgreich getestet und während der Echtzeit-Operation der MER benutzt. Eine Datenbasis von Mössbauer-Parametern und Referenzen von veröffentlichten Studien über den Temperaturbereich des Mars wurde zusammengestellt. Die Werkzeuge zur Datenanalyse eröffnen neue Einsatzmöglichkeiten des miniaturisierten Mössbauer-Spektrometers in vielen Bereichen ausserhalb des Physikllabors. Einige davon werden in dieser Arbeit vorgestellt, wie z.B.die Pigmentcharakterisierung, die Echtheit archäologischer Artefakte oder in-situ Luftverschmutzungsmessungen. Datum: 20.07.2004 1. Betreuer: Professor Dr. P. Gütlich Paulo A. de Souza Jr. GAFEP/GETEP Departamento de Pelotização - DIPE Companhia Vale do Rio Doce - CVRD Tel.: (27) 3333-4609 - Carrier (835)

Weathering of Fe-bearing minerals under extraterrestrial conditions, investigated by Mössbauer spectroscopy

The weathering of Fe-bearing minerals under extraterrestrial conditions was investigated by Mössbauer (MB) spectroscopy to gain insights into the role of water on the planet Mars. The NASA Mars Exploration Rovers Spirit and Opportunity each carry a miniaturized Mössbauer spectrometer MIMOS II for the in situ investigation of Martian soils and rocks as part of their payload. The MER flight instruments had to be modified in order to work over the Martian diurnal temperature range (180 K – 290 K) and within the unique electronic environment of the rovers. The modification required special calibration procedures. The integration time necessary to obtain a good quality Mössbauer spectrum with the MIMOS II flight instruments was reduced by 30 % through the design of a new collimator. The in situ investigation of rocks along the rover Spirit's traverse in Gusev crater revealed weakly altered olivine basalt on the plains and pervasively altered basalt in the Columbia Hills. Correlation plots of primary Fe-bearing minerals identified by MB spectroscopy such as olivine versus secondary Fe-bearing phases such as nanophase Fe oxides showed that olivine is the mineral which is primarily involved in weathering reactions. This argues for a reduced availability of water. Identification of the Fe-oxyhydroxide goethite in the Columbia Hills is unequivocal evidence for aqueous weathering processes in the Columbia Hills. Experiments in which mineral powders were exposed to components of the Martian atmosphere showed that interaction with the atmosphere alone, in the absence of liquid water, is sufficient to oxidize Martian surface materials. The fine-grained dust suspended in the Martian atmosphere may have been altered solely by gas-solid reactions. Fresh and altered specimens of Martian meteorites were investigated with MIMOS II. The study of Martian meteorites in the lab helped to identify in Bounce Rock the first rock on Mars which is similar in composition to basaltic shergottites, a subgroup of the Martian meteorites. The field of astrobiology includes the study of the origin, evolution and distribution of life in the universe. Water is a prerequisite for life. The MER Mössbauer spectrometers identified aqueous minerals such as jarosite and goethite. The identification of jarosite was crucial to evaluate the habitability of Opportunity's landing site at Meridiani Planum during the formation of the sedimentary outcrop rocks, because jarosite puts strong constrains on pH levels. The identification of olivine in rocks and soils on the Gusev crater plains provide evidence for the sparsity of water under current conditions on Mars. Ratios of Fe2+/Fe3+ were obtained with Mössbauer spectroscopy from basaltic glass samples which were exposed at a deep sea hydrothermal vent. The ratios were used as a measure of potential energy for use by a microbial community. Samples from Mars analogue field sites on Earth exhibiting morphological biosignatures were also investigated.

Nanoporous alumina based hypersonic phononic hybrid structures studied by brillouin spectroscopy

Phononische Kristalle sind strukturierte Materialien mit sich periodisch ändernden elastischen Moduln auf der Wellenlängenskala. Die Interaktion zwischen Schallwellen und periodischer Struktur erzeugt interessante Interferenzphänomene, und phononische Kristalle erschließen neue Funktionalitäten, die in unstrukturierter Materie unzugänglich sind. Hypersonische phononische Kristalle im Speziellen, die bei GHz Frequenzen arbeiten, haben Periodizitäten in der Größenordnung der Wellenlänge sichtbaren Lichts und zeigen daher die Wege auf, gleichzeitig Licht- und Schallausbreitung und -lokalisation zu kontrollieren, und dadurch die Realisierung neuartiger akusto-optischer Anordnungen. Bisher bekannte hypersonische phononische Kristalle basieren auf thermoplastischen Polymeren oder Epoxiden und haben nur eingeschränkte thermische und mechanische Stabilität und mechanischen Kontrast. Phononische Kristalle, die aus mit Flüssigkeit gefüllten zylindrischen Kanälen in harter Matrix bestehen, zeigen einen sehr hohen elastischen Kontrast und sind bislang noch unerforscht. In dieser Dissertation wird die experimentelle Untersuchung zweidimensionaler hypersonischer phononischer Kristalle mit hexagonaler Anordnung zylindrischer Nanoporen basierend auf der Selbstorganisation anodischen Aluminiumoxids (AAO) beschrieben. Dazu wird die Technik der hochauflösenden inelastischen Brillouin Lichtstreuung (BLS) verwendet. AAO ist ein vielsetiges Modellsystem für die Untersuchung reicher phononischer Phänomene im GHz-Bereich, die eng mit den sich in den Nanoporen befindlichen Flüssigkeiten und deren Interaktion mit der Porenwand verknüpft sind. Gerichteter Fluss elastischer Energie parallel und orthogonal zu der Kanalachse, Lokalisierung von Phononen und Beeinflussung der phononischen Bandstruktur bei gleichzeitig präziser Kontrolle des Volumenbruchs der Kanäle (Porosität) werden erörtert. Außerdem ermöglicht die thermische Stabilität von AAO ein temperaturabhängiges Schalten phononischer Eigenschaften infolge temperaturinduzierter Phasenübergänge in den Nanoporen. In monokristallinen zweidimensionalen phononischen AAO Kristallen unterscheiden sich die Dispersionsrelationen empfindlich entlang zweier hoch symmetrischer Richtungen in der Brillouinzone, abhängig davon, ob die Poren leer oder gefüllt sind. Alle experimentellen Dispersionsrelationen werden unter Zuhilfenahme theoretische Ergebnisse durch finite Elemente Analyse (FDTD) gedeutet. Die Zuordnung der Verschiebungsfelder der elastischen Wellen erklärt die Natur aller phononischen Moden.

Generating vegetation-spectra as a basis for global monitoring of annual vegetation cycles using DOAS satellite observations

Vegetation-cycles are of general interest for many applications. Be it for harvest-predictions, global monitoring of climate-change or as input to atmospheric models.rnrnCommon Vegetation Indices use the fact that for vegetation the difference between Red and Near Infrared reflection is higher than in any other material on Earth’s surface. This gives a very high degree of confidence for vegetation-detection.rnrnThe spectrally resolving data from the GOME and SCIAMACHY satellite-instrumentsrnprovide the chance to analyse finer spectral features throughout the Red and Near Infrared spectrum using Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS). Although originally developed to retrieve information on atmospheric trace gases, we use it to gain information on vegetation. Another advantage is that this method automatically corrects for changes in the atmosphere. This renders the vegetation-information easily comparable over long time-spans.rnThe first results using previously available reference spectra were encouraging, but also indicated substantial limitations of the available reflectance spectra of vegetation. This was the motivation to create new and more suitable vegetation reference spectra within this thesis.rnThe set of reference spectra obtained is unique in its extent and also with respect to its spectral resolution and the quality of the spectral calibration. For the first time, this allowed a comprehensive investigation of the high-frequency spectral structures of vegetation reflectance and of their dependence on the viewing geometry.rnrnThe results indicate that high-frequency reflectance from vegetation is very complex and highly variable. While this is an interesting finding in itself, it also complicates the application of the obtained reference spectra to the spectral analysis of satellite observations.rnrnThe new set of vegetation reference spectra created in this thesis opens new perspectives for research. Besides refined satellite analyses, these spectra might also be used for applications on other platforms such as aircraft. First promising studies have been presented in this thesis, but the full potential for the remote sensing of vegetation from satellite (or aircraft) could bernfurther exploited in future studies.

Direct electron transfer to cytochrome c oxidase investigated by electrochemistry and time-resolved surface-enhanced infrared absorption spectroscopy

Cytochrom c Oxidase (CcO), der Komplex IV der Atmungskette, ist eine der Häm-Kupfer enthaltenden Oxidasen und hat eine wichtige Funktion im Zellmetabolismus. Das Enzym enthält vier prosthetische Gruppen und befindet sich in der inneren Membran von Mitochondrien und in der Zellmembran einiger aerober Bakterien. Die CcO katalysiert den Elektronentransfer (ET) von Cytochrom c zu O2, wobei die eigentliche Reaktion am binuklearen Zentrum (CuB-Häm a3) erfolgt. Bei der Reduktion von O2 zu zwei H2O werden vier Protonen verbraucht. Zudem werden vier Protonen über die Membran transportiert, wodurch eine elektrochemische Potentialdifferenz dieser Ionen zwischen Matrix und Intermembranphase entsteht. Trotz ihrer Wichtigkeit sind Membranproteine wie die CcO noch wenig untersucht, weshalb auch der Mechanismus der Atmungskette noch nicht vollständig aufgeklärt ist. Das Ziel dieser Arbeit ist, einen Beitrag zum Verständnis der Funktion der CcO zu leisten. Hierzu wurde die CcO aus Rhodobacter sphaeroides über einen His-Anker, der am C-Terminus der Untereinheit II angebracht wurde, an eine funktionalisierte Metallelektrode in definierter Orientierung gebunden. Der erste Elektronenakzeptor, das CuA, liegt dabei am nächsten zur Metalloberfläche. Dann wurde eine Doppelschicht aus Lipiden insitu zwischen die gebundenen Proteine eingefügt, was zur sog. proteingebundenen Lipid-Doppelschicht Membran (ptBLM) führt. Dabei musste die optimale Oberflächenkonzentration der gebundenen Proteine herausgefunden werden. Elektrochemische Impedanzspektroskopie(EIS), Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPR) und zyklische Voltammetrie (CV) wurden angewandt um die Aktivität der CcO als Funktion der Packungsdichte zu charakterisieren. Der Hauptteil der Arbeit betrifft die Untersuchung des direkten ET zur CcO unter anaeroben Bedingungen. Die Kombination aus zeitaufgelöster oberflächenverstärkter Infrarot-Absorptionsspektroskopie (tr-SEIRAS) und Elektrochemie hat sich dafür als besonders geeignet erwiesen. In einer ersten Studie wurde der ET mit Hilfe von fast scan CV untersucht, wobei CVs von nicht-aktivierter sowie aktivierter CcO mit verschiedenen Vorschubgeschwindigkeiten gemessen wurden. Die aktivierte Form wurde nach dem katalytischen Umsatz des Proteins in Anwesenheit von O2 erhalten. Ein vier-ET-modell wurde entwickelt um die CVs zu analysieren. Die Methode erlaubt zwischen dem Mechanismus des sequentiellen und des unabhängigen ET zu den vier Zentren CuA, Häm a, Häm a3 und CuB zu unterscheiden. Zudem lassen sich die Standardredoxpotentiale und die kinetischen Koeffizienten des ET bestimmen. In einer zweiten Studie wurde tr-SEIRAS im step scan Modus angewandt. Dafür wurden Rechteckpulse an die CcO angelegt und SEIRAS im ART-Modus verwendet um Spektren bei definierten Zeitscheiben aufzunehmen. Aus diesen Spektren wurden einzelne Banden isoliert, die Veränderungen von Vibrationsmoden der Aminosäuren und Peptidgruppen in Abhängigkeit des Redoxzustands der Zentren zeigen. Aufgrund von Zuordnungen aus der Literatur, die durch potentiometrische Titration der CcO ermittelt wurden, konnten die Banden versuchsweise den Redoxzentren zugeordnet werden. Die Bandenflächen gegen die Zeit aufgetragen geben dann die Redox-Kinetik der Zentren wieder und wurden wiederum mit dem vier-ET-Modell ausgewertet. Die Ergebnisse beider Studien erlauben die Schlussfolgerung, dass der ET zur CcO in einer ptBLM mit größter Wahrscheinlichkeit dem sequentiellen Mechanismus folgt, was dem natürlichen ET von Cytochrom c zur CcO entspricht.

EPR spectroscopy as a tool for the elucidation of non-covalent structuring principles in complex soft matter

This thesis aims at connecting structural and functional changes of complex soft matter systems due to external stimuli with non-covalent molecular interaction profiles. It addresses the problem of elucidating non-covalent forces as structuring principle of mainly polymer-based systems in solution. The structuring principles of a wide variety of complex soft matter types are analyzed. In many cases this is done by exploring conformational changes upon the exertion of external stimuli. The central question throughout this thesis is how a certain non-covalent interaction profile leads to solution condition-dependent structuring of a polymeric system.rnTo answer this question, electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy is chosen as the main experimental method for the investigation of the structure principles of polymers. With EPR one detects only the local surroundings or environments of molecules that carry an unpaired electron. Non-covalent forces are normally effective on length scales of a few nanometers and below. Thus, EPR is excellently suited for their investigations. It allows for detection of interactions on length scales ranging from approx. 0.1 nm up to 10 nm. However, restriction to only one experimental technique likely leads to only incomplete pictures of complex systems. Therefore, the presented studies are frequently augmented with further experimental and computational methods in order to yield more comprehensive descriptions of the systems chosen for investigation.rnElectrostatic correlation effects in non-covalent interaction profiles as structuring principles in colloid-like ionic clusters and DNA condensation are investigated first. Building on this it is shown how electrostatic structuring principles can be combined with hydrophobic ones, at the example of host-guest interactions in so-called dendronized polymers (denpols).rnSubsequently, the focus is shifted from electrostatics in dendronized polymers to thermoresponsive alkylene oxide-based materials, whose structuring principles are based on hydrogen bonds and counteracting hydrophobic interactions. The collapse mechanism in dependence of hydrophilic-hydrophobic balance and topology of these polymers is elucidated. Complementarily the temperature-dependent phase behavior of elastin-like polypeptides (ELPs) is investigated. ELPs are the first (and so far only) class of compounds that is shown to feature a first-order inverse phase transition on nanoscopic length scales.rnFinally, this thesis addresses complex biological systems, namely intrinsically disordered proteins (IDPs). It is shown that the conformational space of the IDPs Osteopontin (OPN), a cytokine involved in metastasis of several kinds of cancer, and BASP1 (brain acid soluble protein one), a protein associated with neurite outgrowth, is governed by a subtle interplay between electrostatic forces, hydrophobic interaction, system entropy and hydrogen bonds. Such, IDPs can even sample cooperatively folded structures, which have so far only been associated with globular proteins.

Tuning of magnetic exchange interactions between organic radicals through bond and space

The dissertation entitled "Tuning of magnetic exchange interactions between organic radicals through bond and space" comprises eight chapters. In the initial part of chapter 1, an overview of organic radicals and their applications were discussed and in the latter part motivation and objective of thesis was described. As the EPR spectroscopy is a necessary tool to study organic radicals, the basic principles of EPR spectroscopy were discussed in chapter 2. rnAntiferromagnetically coupled species can be considered as a source of interacting bosons. Consequently, such biradicals can serve as molecular models of a gas of magnetic excitations which can be used for quantum computing or quantum information processing. Notably, initial small triplet state population in weakly AF coupled biradicals can be switched into larger in the presence of applied magnetic field. Such biradical systems are promising molecular models for studying the phenomena of magnetic field-induced Bose-Einstein condensation in the solid state. To observe such phenomena it is very important to control the intra- as well as inter-molecular magnetic exchange interactions. Chapters 3 to 5 deals with the tuning of intra- and inter-molecular exchange interactions utilizing different approaches. Some of which include changing the length of π-spacer, introduction of functional groups, metal complex formation with diamagnetic metal ion, variation of radical moieties etc. During this study I came across two very interesting molecules 2,7-TMPNO and BPNO, which exist in semi-quinoid form and exhibits characteristic of the biradical and quinoid form simultaneously. The 2,7-TMPNO possesses the singlet-triplet energy gap of ΔEST = –1185 K. So it is nearly unrealistic to observe the magnetic field induced spin switching. So we studied the spin switching of this molecule by photo-excitation which was discussed in chapter 6. The structural similarity of BPNO with Tschitschibabin’s HC allowed us to dig the discrepancies related to ground state of Tschitschibabin’s hydrocarbon(Discussed in chapter 7). Finally, in chapter 8 the synthesis and characterization of a neutral paramagnetic HBC derivative (HBCNO) is discussed. The magneto liquid crystalline properties of HBCNO were studied by DSC and EPR spectroscopy.rn