Advanced applications of X-ray Absorption Spectroscopy to the study of protein metal sites.

We present a study of the metal sites of different proteins through X-ray Absorption Fine Structure (XAFS) spectroscopy. First of all, the capabilities of XAFS analysis have been improved by ab initio simulation of the near-edge region of the spectra, and an original analysis method has been proposed. The method subsequently served ad a tool to treat diverse biophysical problems, like the inhibition of proton-translocating proteins by metal ions and the matrix effect exerted on photosynthetic proteins (the bacterial Reaction Center, RC) by strongly dehydrate sugar matrices. A time-resolved study of Fe site of RC with μs resolution has been as well attempted. Finally, a further step aimed to improve the reliability of XAFS analysis has been performed by calculating the dynamical parameters of the metal binding cluster by means of DFT methods, and the theoretical result obtained for MbCO has been successfully compared with experimental data.

Electron spectroscopy of novel charge transfer systems based on polycyclic aromatic hydrocarbons

Organische Ladungstransfersysteme weisen eine Vielfalt von konkurrierenden Wechselwirkungen zwischen Ladungs-, Spin- und Gitterfreiheitsgraden auf. Dies führt zu interessanten physikalischen Eigenschaften, wie metallische Leitfähigkeit, Supraleitung und Magnetismus. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der elektronischen Struktur von organischen Ladungstransfersalzen aus drei Material-Familien. Dabei kamen unterschiedliche Photoemissions- und Röntgenspektroskopietechniken zum Einsatz. Die untersuchten Moleküle wurden z.T. im MPI für Polymerforschung synthetisiert. Sie stammen aus der Familie der Coronene (Donor Hexamethoxycoronen HMC und Akzeptor Coronen-hexaon COHON) und Pyrene (Donor Tetra- und Hexamethoxypyren TMP und HMP) im Komplex mit dem klassischen starken Akzeptor Tetracyanoquinodimethan (TCNQ). Als dritte Familie wurden Ladungstransfersalze der k-(BEDT-TTF)2X Familie (X ist ein monovalentes Anion) untersucht. Diese Materialien liegen nahe bei einem Bandbreite-kontrollierten Mottübergang im Phasendiagramm.rnFür Untersuchungen mittels Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS) wurden UHV-deponierte dünne Filme erzeugt. Dabei kam ein neuer Doppelverdampfer zum Einsatz, welcher speziell für Milligramm-Materialmengen entwickelt wurde. Diese Methode wies im Ladungstransferkomplex im Vergleich mit der reinen Donor- und Akzeptorspezies energetische Verschiebungen von Valenzzuständen im Bereich weniger 100meV nach. Ein wichtiger Aspekt der UPS-Messungen lag im direkten Vergleich mit ab-initio Rechnungen.rnDas Problem der unvermeidbaren Oberflächenverunreinigungen von lösungsgezüchteten 3D-Kristallen wurde durch die Methode Hard-X-ray Photoelectron Spectroscopy (HAXPES) bei Photonenenergien um 6 keV (am Elektronenspeicherring PETRA III in Hamburg) überwunden. Die große mittlere freie Weglänge der Photoelektronen im Bereich von 15 nm resultiert in echter Volumensensitivität. Die ersten HAXPES Experimente an Ladungstransferkomplexen weltweit zeigten große chemische Verschiebungen (mehrere eV). In der Verbindung HMPx-TCNQy ist die N1s-Linie ein Fingerabdruck der Cyanogruppe im TCNQ und zeigt eine Aufspaltung und einen Shift zu höheren Bindungsenergien von bis zu 6 eV mit zunehmendem HMP-Gehalt. Umgekehrt ist die O1s-Linie ein Fingerabdruck der Methoxygruppe in HMP und zeigt eine markante Aufspaltung und eine Verschiebung zu geringeren Bindungsenergien (bis zu etwa 2,5eV chemischer Verschiebung), d.h. eine Größenordnung größer als die im Valenzbereich.rnAls weitere synchrotronstrahlungsbasierte Technik wurde Near-Edge-X-ray-Absorption Fine Structure (NEXAFS) Spektroskopie am Speicherring ANKA Karlsruhe intensiv genutzt. Die mittlere freie Weglänge der niederenergetischen Sekundärelektronen (um 5 nm). Starke Intensitätsvariationen von bestimmten Vorkanten-Resonanzen (als Signatur der unbesetzte Zustandsdichte) zeigen unmittelbar die Änderung der Besetzungszahlen der beteiligten Orbitale in der unmittelbaren Umgebung des angeregten Atoms. Damit war es möglich, präzise die Beteiligung spezifischer Orbitale im Ladungstransfermechanismus nachzuweisen. Im genannten Komplex wird Ladung von den Methoxy-Orbitalen 2e(Pi*) und 6a1(σ*) zu den Cyano-Orbitalen b3g und au(Pi*) und – in geringerem Maße – zum b1g und b2u(σ*) der Cyanogruppe transferiert. Zusätzlich treten kleine energetische Shifts mit unterschiedlichem Vorzeichen für die Donor- und Akzeptor-Resonanzen auf, vergleichbar mit den in UPS beobachteten Shifts.rn

Synchrotron X-ray photoabsorption spectroscopy of plasmas

Theoretical X-ray opacities are used in numerous radiative transfer simulations of plasmas at different temperatures and densities, for example astrophysics, fusion, metrology and EUV and X-rays radiation sources. However, there are only a reduced number of laboratories working on the validation of those theoretical results empirically, in particular for high temperature plasmas (mayor que 1eV). One of those limitations comes from the use of broad band EUV- X ray sources to illuminate the plasma which, among other issues, present low reproducibility and repetition rate [1]. Synchrotron radiation facilities are a more appropriate radiation source in that sense, since they provide tunable, reproducible and high resolution photons. Only their ?low? photon intensity for these experiments has prevented researchers to use it for this purpose. However, as new synchrotron facilities improve their photon fluxes, this limitation not longer holds [2]. This work evaluates the experimental requirements to use third generation synchrotron radiation sources for the empirical measurement of opacities of plasmas, proposing a pausible experimental set-up to carry them out. Properties of the laser or discharge generated plasmas to be studied with synchrotron radiation will be discussed in terms of their maximum temperatures, densities and temporal evolution. It will be concluded that there are encouraging reasons to pursue these kind of experiments which will provide with an appropriate benchmark for theoretical opacities

Sulfur K-edge x-ray absorption spectroscopy: A spectroscopic tool to examine the redox state of S-containing metabolites in vivo

The sulfur K-edge x-ray absorption spectra for the amino acids cysteine and methionine and their corresponding oxidized forms cystine and methionine sulfoxide are presented. Distinct differences in the shape of the edge and the inflection point energy for cysteine and cystine are observed. For methionine sulfoxide the inflection point energy is 2.8 eV higher compared with methionine. Glutathione, the most abundant thiol in animal cells, also has been investigated. The x-ray absorption near-edge structure spectrum of reduced glutathione resembles that of cysteine, whereas the spectrum of oxidized glutathione resembles that of cystine. The characteristic differences between the thiol and disulfide spectra enable one to determine the redox status (thiol to disulfide ratio) in intact biological systems, such as unbroken cells, where glutathione and cyst(e)ine are the two major sulfur-containing components. The sulfur K-edge spectra for whole human blood, plasma, and erythrocytes are shown. The erythrocyte sulfur K-edge spectrum is similar to that of fully reduced glutathione. Simulation of the plasma spectrum indicated 32% thiol and 68% disulfide sulfur. The whole blood spectrum can be simulated by a combination of 46% disulfide and 54% thiol sulfur.

In situ X-ray studies of crotyl alcohol selective oxidation over Au/Pd(1 1 1) surface alloys

The selective oxidation of crotyl alcohol to crotonaldehyde over ultrathin Au overlayers on Pd(1 1 1) and Au/Pd(1 1 1) surface alloys has been investigated by time-resolved X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and mass spectrometry. Pure gold is catalytically inert towards crotyl alcohol which undergoes reversible adsorption. In contrast, thermal processing of a 3.9 monolayer (ML) gold overlayer allows access to a range of AuPd surface alloy compositions, which are extremely selective towards crotonaldehyde production, and greatly reduce the extent of hydrocarbon decomposition and eventual carbon laydown compared with base Pd(1 1 1). XPS and CO titrations suggest that palladium-rich surface alloys offer the optimal balance between alcohol oxidative dehydrogenation activity while minimising competitive decomposition pathways, and that Pd monomers are not the active surface ensemble for such selox chemistry over AuPd alloys. Crown Copyright © 2008.

Mercury capture on a supported chlorocuprate(II) ionic liquid adsorbent studied using operando synchrotron X-ray absorption spectroscopy

Mercury scrubbing from gas streams using a supported 1-butyl-3-methylimidazolium chlorocuprate(II) ionic liquid ([C4mim]2[Cu2Cl6]) has been studied using operando EXAFS. Initial oxidative capture as [HgCl3]– anions was confirmed, this was then followed by the unanticipated generation of mercury(I) chloride through comproportionation with additional mercury from the gas stream. Combining these two mechanisms leads to net one electron oxidative extraction of mercury from the gas with increased potential capacity and efficiency for supported ionic liquid mercury scrubbers.