Method development using ICP-MS and LA-ICP-MS and their application in environmental and material science

Within this PhD thesis several methods were developed and validated which can find applicationare suitable for environmental sample and material science and should be applicable for monitoring of particular radionuclides and the analysis of the chemical composition of construction materials in the frame of ESS project. The study demonstrated that ICP-MS is a powerful analytical technique for ultrasensitive determination of 129I, 90Sr and lanthanides in both artificial and environmental samples such as water and soil. In particular ICP-MS with collision cell allows measuring extremely low isotope ratios of iodine. It was demonstrated that isotope ratios of 129I/127I as low as 10-7 can be measured with an accuracy and precision suitable for distinguishing sample origins. ICP-MS with collision cell, in particular in combination with cool plasma conditions, reduces the influence of isobaric interferences on m/z = 90 and is therefore well-suited for 90Sr analysis in water samples. However, the applied ICP-CC-QMS in this work is limited for the measurement of 90Sr due to the tailing of 88Sr+ and in particular Daly detector noise. Hyphenation of capillary electrophoresis with ICP-MS was shown to resolve atomic ions of all lanthanides and polyatomic interferences. The elimination of polyatomic and isobaric ICP-MS interferences was accomplished without compromising the sensitivity by the use of a high resolution mode as available on ICP-SFMS. Combination of laser ablation with ICP-MS allowed direct micro and local uranium isotope ratio measurements at the ultratrace concentrations on the surface of biological samples. In particular, the application of a cooled laser ablation chamber improves the precision and accuracy of uranium isotopic ratios measurements in comparison to the non-cooled laser ablation chamber by up to one order of magnitude. In order to reduce the quantification problem, a mono gas on-line solution-based calibration was built based on the insertion of a microflow nebulizer DS-5 directly into the laser ablation chamber. A micro local method to determine the lateral element distribution on NiCrAlY-based alloy and coating after oxidation in air was tested and validated. Calibration procedures involving external calibration, quantification by relative sensitivity coefficients (RSCs) and solution-based calibration were investigated. The analytical method was validated by comparison of the LA-ICP-MS results with data acquired by EDX.

Synthese und Charakterisierung von Oxidchalkogeniden und Bronzen für die Nanostrukturierung

Ausgehend von der Entdeckung der reversiblen Strukturierung mittels Rastersondenmethoden im Phasensystem Na2O/V2O5/P2O5 wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei Ansatzpunkte verfolgt. Einerseits sollten mittels der Schmelzflußelektrolyse einige bereits existierende niederdimensionale Molybdänbronzen mit bekannten elektronischen Übergängen in ausreichend großen Kristallen gezüchtet werden, um sie auf ihre Strukturierungseigenschaften hin zu untersuchen. Gleichzeitig sollte durch Variation versucht werden, neue, bisher unbekannte Bronzen oder reduzierte Oxide zu synthetisieren und charakterisieren. Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit lag in der Synthese und Charakterisierung von Oxidchalkogeniden, bestehend aus einem Seltenerdmetall und einem 3d-Metall von Titan bis hin zu den mittleren Übergangsmetallen. Diese Verbindungen können durch die Kombination der jeweiligen Eigenschaften der oxidischen und chalkogeniden Teilstrukturen völlig neue elektronische und/oder magnetische Eigenschaften aufweisen. Mögliche auftretende Phasenübergänge sind wiederum für Strukturierungsversuche interessant. Die zu den Oxidchalkogeniden durchgeführten Untersuchungen ergaben im Phasensystem Ln/Ti/S/O (Ln = Lanthanoide) insgesamt sechs Verbindungen. Zwei von ihnen, La8Ti9S24O4 und Nd20Ti11S44O6, besitzen als gemeinsames Strukturelement tetranukleare [Ti4(u4-S)2(u2-O)4]-Cluster, bestehend aus vier miteinander über gemeinsame Flächen kondensierte TiS4O2-Oktaeder. Die Titanpositionen innerhalb der Cluster sind mit Ti+3-Ionen besetzt. Beide Verbindungen weisen in einem Temperaturbereich zwischen 150 K und 250 K eine deutlich ausgeprägte Hysterese der magnetischen Suszeptibilität auf, die sich im Falle von La8Ti9S24O4 auf einen Jahn-Teller-Übergang zurückführen läßt. Daneben konnte erstmals eine Serie oxidisch/sulfidisch gemischter Ruddlesden-Popper-Verbindungen mit Ln2Ti2S2O5 (Ln = Pr, Nd, Sm) synthetisiert und charakterisiert werden. Titan liegt als vierwertiges Ion in aus TiSO5-Oktaedern gebildeten Perowskit-Doppelschichten vor. Die neunfach koordinierten Positionen sind mit den Seltenerdmetallionen gefüllt, die zwölffach koordinierten Lagen sind unbesetzt. Bei dem sechsten erhaltene Titanoxidsulfid, La4TiS6.5O1.5, handelt es sich um einen Halbleiter mit einer Bandlücke von etwa 2 eV. Weiterhin gelang es, die Serie Ln2M3S2O8 (Ln = La, Ce, Pr, Nd, Sm; M = Nb, Ta) zu synthetisieren und in ihren physikalischen Eigenschaften zu charakterisieren. Es handelt sich ausnahmslos um Halbleiter mit Bandlücken zwischen E=0.125 eV für La2Nb3S2O8 und E=0.222 eV für Pr2Ta3S2O8. Die Struktur der Oxidsulfide Ce2Ta3S2O8, Pr2Ta3S2O8, Nd2Nb3S2O8 sowie Sm2Ta3S2O8 weist im Gegensatz zu den anderen Verbindungen eine Fehlordnung eines der beiden kristallographisch unabhängigen Nb- bzw. Ta-Atome auf. Daraus resultiert eine Symmetrieerniedrigung von Pnma zu Pbam. Der Einsatz von Europium führte zu einer neuen Modifikation des bronzoiden Oxids EuTa2O6, in der das Europium als Eu+2 vorliegt, wie 151Eu-Mößbauer-Untersuchungen bestätigten. Vor der Durchführung der Kristallzüchtungen mittels der Schmelzflußelektrolysen mußten die benutzen Öfen und Elektrolysezellen geplant und angefertigt werden. Es konnten dann verschiedene blaue, rote und violette Moybdänbronzen (sowie La2Mo2O7) in Kristallen bis zu 25 mm Länge dargestellt werden. Ferner gelang die erste exakte Einkristalluntersuchung der roten Bronze Rb0.33MoO3. Sie verfügt über die höchste d-Elektronen-Lokalisierungsrate aller bekannten roten Bronzen. Die erhaltenen Bronzen wurden teilweise von der Arbeitsgruppe Fuchs, Physikalisches Institut der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster, auf ihre Nanostrukturierbarkeit hin untersucht. Dabei ergaben sich zwei verschiedene Strukturierungsmechanismen. Sind es im Fall der blauen Alkalimetall-Molybdänbronzen ausschließlich Lochstrukturen, die entstehen, handelt es sich bei La2Mo2O7 um Hügelstrukturen. Mittels der Schmelzflußelektrolyse konnte auch das gemischtvalente Alkalimetall-Eisenmolybdat NaFe2(MoO4)3 synthetisiert werden. Daneben gelang die Synthese dreier weiterer Alkalimetall-Eisenmolybdate: Cs2Fe2(MoO4)3, NaFe4(MoO4)5 und CsFe5(MoO4)7. Bis auf Cs2Fe2(MoO4)3, welches in der bekannten Langbeinit-Struktur kristallisiert, handelt es sich bei den übrigen Alkalimetall-Eisenmolybdaten um völlig neuartige Käfigverbindungen, bzw. bei CsFe5(MoO4)7 um eine Tunnelverbindung. Die Kristallstrukturen beinhalten kondensierte FeO6-Oktaeder. Im Fall von NaFe2(MoO4)3 lassen sich [Fe2O10]-Einheiten, für NaFe4(MoO4)5 [Fe2O10]- sowie [Fe3O14]-Einheiten, und für CsFe5(MoO4)7 [Fe4O18]-Baueinheiten beobachten. Die Positionen der Fe+2- und Fe+3-Atome in NaFe4(MoO4)5 wurden mit Hilfe einer 57Fe-Mößbauer-Untersuchung bestimmt.

13C NMR of a single molecule magnet: analysis of pseudocontact shifts and residual dipolar couplings

Paramagnetic triple decker complexes of lanthanides are promising Single Molecule Magnets (SMMs), with many potential uses. Some of them show preferable relaxation behavior, which enables the recording of well resolved NMR spectra. These axially symmetric complexes are also strongly magnetically anisotropic, and this property can be described with the axial component of the magnetic susceptibility tensor, χa. For triple decker complexes with phthalocyanine based ligands, the Fermi˗contact contribution is small. Hence, together with the axial symmetry, the experimental chemical shifts in 1H and 13C NMR spectra can be modeled easily by considering pseudocontact and orbital shifts alone. This results in the determination of the χa value, which is also responsible for molecular alignment and consequently for the observation of residual dipolar couplings (RDCs). A detailed analysis of the experimental 1H-13C and 1H-1H couplings revealed that contributions from RDCs (positive and negative) and from dynamic frequency shifts (negative for all observed couplings) have to be considered. Whilst the pseudocontact shifts depend on the average positions of 1H and 13C nuclei relative to the lanthanide ions, the RDCs are related to the mobility of nuclei they correspond to. This phenomenon allows for the measurement of the internal mobility of the various groups in the SMMs.

Studium hochkomplexer atomarer Spektren mittels Methoden der Laserresonanzionisation

In dieser Arbeit wurden umfangreiche laserspektroskopische Studien mit dem Zielrneines verbesserten Verständnisses höchst komplexer Spektren der Lanthanide und Aktinide durchgeführt. Einen Schwerpunkt bildete die Bestimmung bisher nicht oder mit unbefriedigender Genauigkeit bekannter erster Ionisationspotentiale für diese Elemente.rnHierzu wurden drei unterschiedliche experimentelle Methoden eingesetzt. Die Bestimmung des Ionisationspotentiales aus Rydbergserien wurde an den Beispielen Eisen, Mangan und Kobalt mit gemessenen Werten von IPFe = 63737, 6 ± 0, 2stat ± 0, 1syst cm−1, IPMn = 59959, 6 ± 0, 4 cm−1 beziehungsweise IPCo = 63564, 77 ± 0, 12 cm−1 zunächst erfolgreich erprobt. Die bestehenden Literaturwerte konnten in diesen Fällen bestätigt werden und bei Eisen und Kobalt die Genauigkeit etwa um einen Faktor drei bzw. acht verbessert werden. Im Falle der Lanthaniden und Aktiniden jedoch ist die Komplexität der Spektren derart hoch, dass Rydbergserien in einer Vielzahl weiterer Zustände beliebiger Konfiguration nicht oder kaum identifiziert werden können.rnUm dennoch das Ionisationspotential bestimmen zu können, wurde die verzögerte, gepulste Feldionisation wie auch das Verfahren der Isolated Core Excitation am Beispiel des Dysprosiums erprobt. Aus den so identifizierten Rydbergserien konnten Werte von IPFeld = 47899 ± 3 cm−1 beziehungsweise IPICE = 47900, 4 ± 1, 4 cm−1 bestimmt werden. Als komplementärer Ansatz, der auf ein möglichst reichhaltiges Spektrum in der Nähe des Ionisationspotentiales angewiesen ist, wurde zusätzlich die Sattelpunktsmethode erfolgreich eingesetzt. Das Ionisationspotential des Dysprosium wurde damit zu IPDy = 47901, 8±0, 3 cm−1 bestimmt, wobei am Samarium, dessen Ionisationspotential aus der Literatur mit höchster Genauigkeit bekannt ist, bestätigt werden konnte, dassrnauftretende systematische Fehler kleiner als 1 cm−1 sind. Das bisher sehr ungenau bekannte Ionisationspotential des Praseodyms wurde schließlich zu IPPr = 44120, 0 ± 0, 6 cm−1 gemessen. Hiermit wird der bisherige Literaturwert bei einer Verbesserung der Genauigkeit um zwei Größenordnungen um etwa 50 cm−1 nach oben korrigiert. Aus der Systematik der Ionisationspotentiale der Lanthaniden konnte schließlich das Ionisationspotential des radioaktiven Promethiums mit IPPm = 44985 ± 140 cm−1 vorhergesagt werden. Abschließend wurde die Laserresonanzionisation des Elements Protactinium demonstriertrnund das Ionisationspotential erstmals experimentell bestimmt. Ein Wert vonrn49000±110 cm−1 konnte aus dem charakteristischen Verhalten verschiedener Anregungsschemata gefolgert werden. Dieser Wert liegt etwa 1500 cm−1 höher als der bisherige Literaturwert, theoretische Vorhersagen weichen ebenfalls stark ab. Beide Abweichungen können über eine Betrachtung der Systematik der Ionisationspotentiale in der Aktinidenreihe hervorragend verstanden werden.

Massenspektrometrische Untersuchungen des Komplexierungsverhaltens von Actinid-Ionen in Lösung

Da die Langzeit-Radiotoxizität von abgebrannten Kernbrennstoffen von Plutonium und den minoren Actiniden dominiert wird, sind diese Elemente im Fokus der Untersuchungen bezüglich der Entsorgung der radioaktiven Abfälle.rnUm ein besseres Verständnis der Selektivität der Partitioning-Liganden BTP und BTBP bezüglich der Extraktion von trivalenten Actiniden zu erlangen, wurden die Komplexe, die diese mit Lanthaniden in octanolischer Lösung bilden charakterisiert. Das unterschiedliche Extraktionsverhalten der Lanthaniden untereinander konnte dabei auf unterschiedliche Präferenz zur Bildung von Ln(BTP)3-Komplexen abhängig vom Ionenradius der Lanthaniden zurückgeführt werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass abhängig vom sterischen Anspruch der BTBP-Liganden in Eu(BTBP)2-Komplexen Nitratliganden in der ersten Koordinationssphäre gebunden werden. rnDa das Verhalten von Plutonium unter geochemischen Bedingungen von besonderem Interesse für die Risikoabschätzung von nuklearen Endlagern ist, widmet sich der zweite Teil der Arbeit dem Hydrolyse- und Kolloidbildungsverhalten von wässrigen Plutoniumlösungen in den Oxidationsstufen IV bis VI. Daher wurden die Lösungsspezies von sowohl Zirconium(IV) als Analogon für Plutonium(IV), als auch die von Uran(VI) und Plutonium(VI) direkt mittels massenspektrometrischer Methoden charakterisiert und quantifiziert. Darüber hinaus wurde die kinetische Hemmung der Reduktion von Pu(V) zu Pu(IV) und nachfolgender Kolloidbildung untersucht, welche sich durch oberflächeninduzierte Reduktion an kolloidalen Kristallisationskeimen deutlich beschleunigen lässt.rn

Biologischer Lichtsammler (LHCII) für Halbleiternanokristalle (Quantum Dots)

Der light harvesting complex II (LHCII) ist ein pflanzliches Membranprotein, das in seiner trimeren Form über 40 Chlorophylle bindet. In der Pflanze kann er besonders effizient Licht sammeln und die Anregungsenergie anschließend fast verlustfrei über andere chlorophyll-bindende Proteine an die Reaktionszentren weiterleiten. Aufgrund dieser besonderen Eigenschaften war es ein Ziel dieser Arbeit, rekombinanten LHCII mit synthetischen Komponenten zu kombinieren, die zur Ladungstrennung befähigt sind. Zu diesem Zweck wurden unter anderem Halbleiternanokristalle (Quantum Dots, QDs) ausgewählt, die je nach Zusammensetzung sowohl als Energieakzeptoren als auch als Energiedonoren in Frage kamen. Durch Optimierung des Puffers gelang es, die Fluoreszenzquantenausbeute der QDs in wässriger Lösung zu erhöhen und zu stabilisieren, so dass die Grundvoraussetzungen für die spektroskopische Untersuchung verschiedener LHCII-QD-Hybridkomplexe erfüllt waren.rnUnter Verwendung bereits etablierter Affinitätssequenzen zur Bindung des LHCII an die QDs konnte gezeigt werden, dass die in dieser Arbeit verwendeten Typ-I QDs aus CdSe und ZnS sich kaum als Energie-Donoren für den LHCII eignen. Ein Hauptgrund lag im vergleichsweise kleinen Försterradius R0 von 4,1 nm. Im Gegensatz dazu wurde ein R0 von 6,4 nm für den LHCII als Donor und Typ-II QDs aus CdTe, CdSe und ZnS als Akzeptor errechnet, wodurch in diesem System eine höhere Effizienz des Energietransfers zu erwarten war. Fluoreszenzspektroskopische Untersuchungen von Hybridkomplexen aus LHCII und Typ-II QDs ergaben eine hohe Plausibilität für einen Fluoreszenz Resonanz Energietransfer (FRET) vom Lichtsammler auf die QDs. Weitere QD-Affinitätssequenzen für den LHCII wurden identifiziert und deren Bindekonstanten ermittelt. Versuche mit dem Elektronenakzeptor Methylviologen lieferten gute Hinweise auf eine LHCII-sensibilisierte Ladungstrennung der Typ-II QDs, auch wenn dies noch anhand alternativer Messmethoden wie z.B. durch transiente Absorptionsspektroskopie bestätigt werden muss. rnEin weiteres Ziel war die Verwendung von LHCII als Lichtsammler in dye-sensitized solar cells (DSSC). Geeignete dotierte TiO2-Platten wurden ermittelt, das Verfahren zur Belegung der Platten optimiert und daher mit wenig Aufwand eine hohe LHCII-Belegungsdichte erzielt. Erste Messungen von Aktionsspektren mit LHCII und einem zur Ladungstrennung fähigen Rylenfarbstoff zeigen eine, wenn auch geringe, LHCII sensibilisierte Ladungstrennung. rnDie Verwendung von Lanthanide-Binding-Tags (LBTs) ist ein potentielles Verfahren zur in vivo-Markierung von Proteinen mit Lanthanoiden wie Europium und Terbium. Diese Metalle besitzen eine überdurchschnittlich lange Lumineszenzlebensdauer, so dass sie leicht von anderen fluoreszierenden Molekülen unterschieden werden können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit gelang es, eine LBT in rekombinanten LHCII einzubauen und einen Lumineszenz Resonanz Energietransfer (LRET) vom Europium auf den LHCII nachzuweisen.rn

Geochemistry on sediments in Lake Biwa

Thirty sediment cores (30-40 cm in length), 47 Ekman dredge sediments, and Mn concretions were collected from Lake Biwa. The concentrations of 36 elements in the samples were determined by instrumental neutron activation, X-ray fluorescence, atomic absorption, and colorimetric analyses. The elements determined included Mn, P, As, Sb, Fe, Ni, Co, Zn, Cu, Pb, Hg, Cr, Ti, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Hf, La, Ce, Sm, Eu, Yb, Lu, U, Th, Au, Ta, Nd, Br and N. Based on statistical considerations and calculation of the concentration factors of the elements, the features of the elemental distribution in Lake Biwa sediment were determined. The main results are summarized as follows : (1) Concentrations of Mn and As were very high in the uppermost oxidized layer of the offshore sediment and Mn concretions. This resulted from the dissolution-deposition cycles of these elements within the sedimentary column and the bottom water. The fixation of As at the sediment surface is mainly attributed to the adsorption of arsenate onto Mn (II) -rich hydrous Mn (IV) oxide. (2) There were high concentrations of Zn, Cu, Pb and Hg in the recent sediments. Although the source of these elements is attributed to human activities, the individual distributions of Zn and Cu in the sediment may result from the deposition of metal-rich planktonic debris and subsequent degradation of the debris. (3) The orders of increasing concentrations of alkali metals and lanthanides in the sediment from the central region compared with the nearshore pediment were identical to the orders of increasing atomic numbers from Na to Cs and from La to Lu, respectively.

Detection of a Yb3+ binding site in regenerated bacteriorhodopsin that is coordinated with the protein and phospholipid head groups

Near infrared Yb3+ vibronic sideband spectroscopy was used to characterize specific lanthanide binding sites in bacteriorhodopsin (bR) and retinal free bacteriorhodopsin (bO). The VSB spectra for deionized bO regenerated with a ratio of 1:1 and 2:1 ion to bO are identical. Application of a two-dimensional anti-correlation technique suggests that only a single Yb3+ site is observed. The Yb3+ binding site in bO is observed to consist of PO2− groups and carboxylic acid groups, both of which are bound in a bidentate manner. An additional contribution most likely arising from a phenolic group is also observed. This implies that the ligands for the observed single binding site are the lipid head groups and amino acid residues. The vibronic sidebands of Yb3+ in deionized bR regenerated at a ratio of 2:1 ion to bR are essentially identical to those in bO. The other high-affinity binding site is thus either not evident or its fluorescence is quenched. A discussion is given on the difference in binding of Ca2+ (or Mg2+) and lanthanides in phospholipid membrane proteins.

Síntese, caracterização e atividade catalítica de compostos organolantanídeos contendo os ânions metanossulfonato e pentametilciclopentadienil e o ligante pirazinamida

O estudo de compostos organolantanídeos consiste em um dos campos de maior interesse dentro da química organometálica, principalmente devido ao uso potencial como precursores ou catalisadores em reações de hidrogenação, hidroformilação, carbonilação, oxidação e principalmente polimerização de olefinas. Este interesse tem levado diversos grupos de pesquisa a sintetizarem compostos utilizando o ânion ciclopentadienil e seus derivados ligados a íons lantanídeos (III). O presente trabalho tem como objetivo contribuir para a aplicação desses compostos organolantanídeos como catalisadores em reações de polimerização de olefinas. O trabalho envolveu uma etapa de síntese e caracterização de duas classes de compostos organolantanídeos Ln(MS)2Cp*(Ln = Tb e Yb), e Ln(MS)2Cp*PzA (Ln = Sm, Tb e Yb) e uma etapa de estudo da atividade catalítica desses compostos frente a reações de polimerização de etileno, propileno e estireno, utilizando metilaluminoxano como co-catalisador e a caracterização dos polímeros formados. Os compostos sintetizados apresentaram atividade catalítica apenas para polimerização de estireno. O polímero formado, independente do composto organolantanídeo utilizado, foi caracterizado como poliestireno principalmente atático, indicando que a polimerização não é estereoespecífica e apresentou massa molar da ordem de 104 g/mol.

A rare earth element study of complex zircons from early Archaean Amitsoq gneisses, Godthåbsfjord, south-west Greenland

We present high spatial resolution ion-microprobe rare earth element (REE) data for discrete growth phases of complex polyphase zircons from early Archaean Amitsoq gneisses, outer Godthabsfjord, SW Greenland. In Matsuda diagrams, the two major growth phases, >3.8 Ga cores and ca. 3.65 Ga rims, have steep positive slopes from La to Lu, prominent positive Ce anomalies and negative Eu anomalies that are consistent with growth in a melt. Exceptions to this are non-cathodolurnmescent zircon developed between the cores and rims, sometimes truncating zoning in the cores, and late Archaean prismatic tip overgrowths, both of which exhibit flatter light REE (LREE) patterns and have small or no Eu anomaly, which we interpret as the result of metamorphism and/or small-degree, isolated partial melting. Our data support previous interpretations that the ca. 3.65 Ga zircon phase was generated in a melt, with the >3.8 Ga phase representing either original protolith zircons in a large degree partial melt or inherited zircons in an introduced magma. Regardless which of these two interpretations is correct for these, and similar, rocks in the outer GodthAbsfjord, the 3.65 Ga event will have profoundly affected isotopic systems and obscured beyond recognition any earlier igneous features such as cross-cutting relationships, which may only be assigned a minimum 3.65 Ga age. (C) 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Theory of strongly correlated electron systems. I. Intersite coulomb interaction and the approximation of renormalized fermions in total energy calculations

The diagrammatic strong-coupling perturbation theory (SCPT) for correlated electron systems is developed for intersite Coulomb interaction and for a nonorthogonal basis set. The construction is based on iterations of exact closed equations for many - electron Green functions (GFs) for Hubbard operators in terms of functional derivatives with respect to external sources. The graphs, which do not contain the contributions from the fluctuations of the local population numbers of the ion states, play a special role: a one-to-one correspondence is found between the subset of such graphs for the many - electron GFs and the complete set of Feynman graphs of weak-coupling perturbation theory (WCPT) for single-electron GFs. This fact is used for formulation of the approximation of renormalized Fermions (ARF) in which the many-electron quasi-particles behave analogously to normal Fermions. Then, by analyzing: (a) Sham's equation, which connects the self-energy and the exchange- correlation potential in density functional theory (DFT); and (b) the Galitskii and Migdal expressions for the total energy, written within WCPT and within ARF SCPT, a way we suggest a method to improve the description of the systems with correlated electrons within the local density approximation (LDA) to DFT. The formulation, in terms of renormalized Fermions LIDA (RF LDA), is obtained by introducing the spectral weights of the many electron GFs into the definitions of the charge density, the overlap matrices, effective mixing and hopping matrix elements, into existing electronic structure codes, whereas the weights themselves have to be found from an additional set of equations. Compared with LDA+U and self-interaction correction (SIC) methods, RF LDA has the advantage of taking into account the transfer of spectral weights, and, when formulated in terms of GFs, also allows for consideration of excitations and nonzero temperature. Going beyond the ARF SCPT, as well as RF LIDA, and taking into account the fluctuations of ion population numbers would require writing completely new codes for ab initio calculations. The application of RF LDA for ab initio band structure calculations for rare earth metals is presented in part 11 of this study (this issue). (c) 2005 Wiley Periodicals, Inc.

Theory of strongly correlated electron systems. II. Including correlation effects into electronic structure calculations

We have previously shown that a division of the f-shell into two subsystems gives a better understanding of the cohesive properties as well the general behavior of lanthanide systems. In this article, we present numerical computations, using the suggested method. We show that the picture is consistent with most experimental data, e.g., the equilibrium volume and electronic structure in general. Compared with standard energy band calculations and calculations based on the self-interaction correction and LIDA + U, the f-(non-f)-mixing interaction is decreased by spectral weights of the many-body states of the f-ion. (c) 2005 Wiley Periodicals, Inc.

Site-specific labelling of proteins with a rigid lanthanide-binding tag

This paper describes a generic method for the site-specific attachment of lathanide complexes to proteins through a disulfide bond. The method is demonstrated by the attachment of a lanthanide-binding peptide tag to the single cysteine residue present in the N-terminal DNA-binding domain of the Echerichia coli arginine repressor. Complexes with Y3+, Tb3+, Dy3+, Ho3+, Er3+, Tm3+ and Yb3+ ions were formed and analysed by NMR spectroscopy. Large pseudocontact shifts and residual dipolar couplings were induced by the lanthanide-binding tag in the protein NMR spectrum, a result indicating that the tag was rigidly attached to the protein. The axial components of the magnetic susceptibility anisostropy tensors determined for the different lanthanide ions were similarly but not identically oriented. A single tag with a single protein attachment site can provide different pseudocontact shifts from different magnetic susceptibility tensors and thus provide valuable nondegenerate long-range structure information in the determination of 3D protein structures by NMR spectroscopy.

Aquatic geochemistry of the rare earth elements and yttrium in the Pioneer River catchment, Australia

The rare earth elements are strong provenance indicators in geological materials, yet the potential for tracing provinciality in surface freshwater samples has not been adequately tested. Rare earth element and yttrium concentrations were measured at 33 locations in the Pioneer River catchment, Mackay, central Queensland, Australia. The rare earth element patterns were compared on the basis of geological, topographical and land-use features in order to investigate the provenancing potential of these elements in a small freshwater system. The rare earth element patterns of streams draining single lithological units with minor land modification show strongly coherent normalised behaviour, with a loss of coherence in agricultural locations. Evidence is reported for an anthropogenic Gd anomaly that may provide a useful hydrological tracer in this region since the introduction of magnetic resonance imaging in 2003. Several samples display a superchondritic Y/Ho mass ratio (up to 44), which is not explainable within the constraints imposed by local geology. Instead, it is suggested that the additional Y is derived from a marine source, specifically marine phosphorites, which are a typical source of fertiliser phosphorus. The data indicate that, under some circumstances, scaled and normalised freshwater rare earth patterns behave conservatively.