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EXAFS Spektroskopie Die von englisch extended X ray absorption fine structure EXAFS ist ein Verfahren der Röntgenabsorpt

EXAFS-Spektroskopie

Die EXAFS-Spektroskopie (von englisch extended X-ray absorption fine structure, EXAFS) ist ein Verfahren der Röntgenabsorptionsspektroskopie zur Analyse der kantennahen Feinstruktur eines Röntgenspektrums. Mit dieser Methode kann die Art, Anzahl und Entfernung von Nachbaratomen (Liganden) eines bestimmten chemischen Elements in Molekülen, einer Flüssigkeit oder einem Festkörper bestimmt werden. Die Methode wird auch als SEXAFS-Spektroskopie (von engl. surface extended X-ray absorption fine structure) bezeichnet, wenn sie zur Untersuchung von Molekülen an Oberflächen (engl. surface) verwendet wird.

Das Verfahren ist eng verwandt mit der Untersuchung der Röntgenabsorption direkt an der Absorptionskante, der Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS oder XANES). Mit ihr können unbesetzte Elektronenzustände (Orbitale) untersucht werden.

Grundlagen Bearbeiten

Röntgenabsorptionsspektrum im Bereich einer Absorptionskante (schematisch). Die Kante ist durch einen Pfeil markiert, und der bei EXAFS untersuchte Energiebereich hellblau hinterlegt.

Das Verfahren beruht darauf, dass ein Atom bei der Absorption eines Röntgen-Quants ionisiert wird. Es wird also ein Elektron freigesetzt, dessen kinetische Energie von der Energie der Röntgenstrahlung abhängt. Das freigesetzte Elektron breitet sich als Materiewelle aus und wird von den benachbarten Atomen gestreut. Je nach Wellenlänge des Elektrons kommt es zur konstruktiven oder destruktiven Interferenz zwischen der auslaufenden Welle und den zurückgestreuten Wellen. Diese Interferenz beeinflusst die Wahrscheinlichkeit, dass ein Röntgenquant absorbiert wird.

Variiert man die Energie der Röntgenstrahlung, so ändert sich auch die Energie der freigesetzten Elektronen, und damit die dazugehörige Wellenlänge der Elektronen. Es kommt daher abwechselnd zur konstruktiven und destruktiven Interferenz, und damit zu einer Änderung der Röntgenabsorption in Abhängigkeit von der Energie. Diese Änderungen der Absorption sind im Energiebereich von knapp oberhalb der Absorptionskante bis zu einigen hundert Elektronenvolt darüber messbar; also im oberen Bereich der Absorptionskante (daher das Wort „extended“ in der englischen Bezeichnung). Da die Änderung der Absorption relativ gering ist (maximal ca. 10 Prozent, bei Energien weit über der Absorptionskante weniger als ein Prozent), werden diese Änderungen als Feinstruktur im Absorptionsspektrum bezeichnet.

Aus der Form und Stärke der Änderungen der Absorption kann darauf geschlossen werden, in welchem Abstand vom ionisierten Atom dieses wie stark gestreut wird, man erhält also eine sogenannte radiale Verteilungsfunktion. Daraus lässt sich grob abschätzen, in welchem Abstand welche oder (wenn die Atomsorten der Liganden bekannt sind) wie viele Atome dort stehen können. Durch Vergleich mit Simulationsrechnungen der Streuung der Elektronen an und zwischen den Nachbaratomen kann festgestellt werden, ob eine angenommene Struktur zu den experimentellen Daten passt; wenn das der Fall ist, können die Atomabstände (Bindungslängen) mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.

Da jedes Element eine andere Energie der Absorptionskante hat, kann die Umgebung der Atome jedes chemischen Elements getrennt untersucht werden. Allerdings kann nicht zwischen mehreren Atomen des gleichen Elements unterschieden werden, daher wird die EXAFS-Spektroskopie normalerweise nur für Elemente verwendet, von denen nur eines in jedem Molekül vorkommt. Im Gegensatz zu den auf Beugung basierenden Verfahren werden für die SEXAFS-Spektroskopie keine Kristalle benötigt; es können auch Spektren von räumlich völlig ungeordneten Molekülen der gleichen Art untersucht werden.

Für EXAFS-Messungen wird normalerweise monochromatisierte Synchrotronstrahlung verwendet. Die experimentellen Aspekte werden im Artikel Röntgenabsorptionsspektroskopie behandelt.

Anwendungen Bearbeiten

  • Hauptanwendung von EXAFS ist die Untersuchung organischer Moleküle, wobei nicht die Umgebung der Kohlenstoffatome untersucht werden kann, da diese in zu vielen verschiedenen Konfigurationen vorliegen. Aufgrund dessen, ist nur die Analyse von „seltenen“ Atomen, z. B. Metallatomen, Schwefel- oder Phosphoratomen sinnvoll. Metallatome sind oft die aktiven Zentren von Enzymen; es können daher gezielt die Struktur dieser Zentren und dort ablaufende Veränderungen untersucht werden („BioXAS-Spektrokopie“).
  • Mit der EXAFS-Spektroskopie kann man auch feststellen, wie viele oder welche Atome in Clustern vor allem an der Oberfläche sitzen. Die Oberflächenatome haben weniger Nachbarn, dies bewirkt eine schwächere Feinstruktur des Absorptionsspektrums als bei Volumenatomen.

Verwandte und komplementäre Techniken Bearbeiten

  • Andere Techniken zur Bestimmung von Bindungsabständen sind Röntgenbeugung, LEED (Beugung niederenergetischer Elektronen) und Photoelektronenbeugung (XPD). Die Beugungsverfahren benötigen im Gegensatz zur EXAFS-Spektroskopie kristalline Proben.
  • Die Röntgenabsorption direkt an der Absorptionskante wird bei der Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS- oder XANES-Spektrokopie) untersucht. Damit können unbesetzte Elektronenzustände (Orbitale) untersucht werden.
  • Sehr ähnliche Ergebnisse können auch mit Elektronen (z. B. in einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM)) statt Röntgenphotonen erzielt werden. Die Methode heißt dann "extended electron energy-loss fine structure", EXELFS.

Siehe auch Bearbeiten

Literatur Bearbeiten

Weblinks Bearbeiten

Commons: Extended X-ray absorption fine structure – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
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Die EXAFS Spektroskopie von englisch extended X ray absorption fine structure EXAFS ist ein Verfahren der Rontgenabsorptionsspektroskopie zur Analyse der kantennahen Feinstruktur eines Rontgenspektrums Mit dieser Methode kann die Art Anzahl und Entfernung von Nachbaratomen Liganden eines bestimmten chemischen Elements in Molekulen einer Flussigkeit oder einem Festkorper bestimmt werden Die Methode wird auch als SEXAFS Spektroskopie von engl surface extended X ray absorption fine structure bezeichnet wenn sie zur Untersuchung von Molekulen an Oberflachen engl surface verwendet wird Das Verfahren ist eng verwandt mit der Untersuchung der Rontgenabsorption direkt an der Absorptionskante der Rontgen Nahkanten Absorptions Spektroskopie NEXAFS oder XANES Mit ihr konnen unbesetzte Elektronenzustande Orbitale untersucht werden Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen 2 Anwendungen 3 Verwandte und komplementare Techniken 4 Siehe auch 5 Literatur 6 WeblinksGrundlagen Bearbeiten nbsp Rontgenabsorptionsspektrum im Bereich einer Absorptionskante schematisch Die Kante ist durch einen Pfeil markiert und der bei EXAFS untersuchte Energiebereich hellblau hinterlegt Das Verfahren beruht darauf dass ein Atom bei der Absorption eines Rontgen Quants ionisiert wird Es wird also ein Elektron freigesetzt dessen kinetische Energie von der Energie der Rontgenstrahlung abhangt Das freigesetzte Elektron breitet sich als Materiewelle aus und wird von den benachbarten Atomen gestreut Je nach Wellenlange des Elektrons kommt es zur konstruktiven oder destruktiven Interferenz zwischen der auslaufenden Welle und den zuruckgestreuten Wellen Diese Interferenz beeinflusst die Wahrscheinlichkeit dass ein Rontgenquant absorbiert wird Variiert man die Energie der Rontgenstrahlung so andert sich auch die Energie der freigesetzten Elektronen und damit die dazugehorige Wellenlange der Elektronen Es kommt daher abwechselnd zur konstruktiven und destruktiven Interferenz und damit zu einer Anderung der Rontgenabsorption in Abhangigkeit von der Energie Diese Anderungen der Absorption sind im Energiebereich von knapp oberhalb der Absorptionskante bis zu einigen hundert Elektronenvolt daruber messbar also im oberen Bereich der Absorptionskante daher das Wort extended in der englischen Bezeichnung Da die Anderung der Absorption relativ gering ist maximal ca 10 Prozent bei Energien weit uber der Absorptionskante weniger als ein Prozent werden diese Anderungen als Feinstruktur im Absorptionsspektrum bezeichnet Aus der Form und Starke der Anderungen der Absorption kann darauf geschlossen werden in welchem Abstand vom ionisierten Atom dieses wie stark gestreut wird man erhalt also eine sogenannte radiale Verteilungsfunktion Daraus lasst sich grob abschatzen in welchem Abstand welche oder wenn die Atomsorten der Liganden bekannt sind wie viele Atome dort stehen konnen Durch Vergleich mit Simulationsrechnungen der Streuung der Elektronen an und zwischen den Nachbaratomen kann festgestellt werden ob eine angenommene Struktur zu den experimentellen Daten passt wenn das der Fall ist konnen die Atomabstande Bindungslangen mit hoher Genauigkeit bestimmt werden Da jedes Element eine andere Energie der Absorptionskante hat kann die Umgebung der Atome jedes chemischen Elements getrennt untersucht werden Allerdings kann nicht zwischen mehreren Atomen des gleichen Elements unterschieden werden daher wird die EXAFS Spektroskopie normalerweise nur fur Elemente verwendet von denen nur eines in jedem Molekul vorkommt Im Gegensatz zu den auf Beugung basierenden Verfahren werden fur die SEXAFS Spektroskopie keine Kristalle benotigt es konnen auch Spektren von raumlich vollig ungeordneten Molekulen der gleichen Art untersucht werden Fur EXAFS Messungen wird normalerweise monochromatisierte Synchrotronstrahlung verwendet Die experimentellen Aspekte werden im Artikel Rontgenabsorptionsspektroskopie behandelt Anwendungen BearbeitenHauptanwendung von EXAFS ist die Untersuchung organischer Molekule wobei nicht die Umgebung der Kohlenstoffatome untersucht werden kann da diese in zu vielen verschiedenen Konfigurationen vorliegen Aufgrund dessen ist nur die Analyse von seltenen Atomen z B Metallatomen Schwefel oder Phosphoratomen sinnvoll Metallatome sind oft die aktiven Zentren von Enzymen es konnen daher gezielt die Struktur dieser Zentren und dort ablaufende Veranderungen untersucht werden BioXAS Spektrokopie Mit der EXAFS Spektroskopie kann man auch feststellen wie viele oder welche Atome in Clustern vor allem an der Oberflache sitzen Die Oberflachenatome haben weniger Nachbarn dies bewirkt eine schwachere Feinstruktur des Absorptionsspektrums als bei Volumenatomen Verwandte und komplementare Techniken BearbeitenAndere Techniken zur Bestimmung von Bindungsabstanden sind Rontgenbeugung LEED Beugung niederenergetischer Elektronen und Photoelektronenbeugung XPD Die Beugungsverfahren benotigen im Gegensatz zur EXAFS Spektroskopie kristalline Proben Die Rontgenabsorption direkt an der Absorptionskante wird bei der Rontgen Nahkanten Absorptions Spektroskopie NEXAFS oder XANES Spektrokopie untersucht Damit konnen unbesetzte Elektronenzustande Orbitale untersucht werden Sehr ahnliche Ergebnisse konnen auch mit Elektronen z B in einem Transmissionselektronenmikroskop TEM statt Rontgenphotonen erzielt werden Die Methode heisst dann extended electron energy loss fine structure EXELFS Siehe auch BearbeitenOberflachenchemieLiteratur BearbeitenJ Haase SEXAFS und NEXAFS Rontgen Absorptionsspektroskopie an Adsorbat bedeckten Oberflachen In Chemie in unserer Zeit 26 1992 S 219 231 doi 10 1002 ciuz 19920260506 Weblinks Bearbeiten nbsp Commons Extended X ray absorption fine structure Sammlung von Bildern Videos und Audiodateien Bjorn Lippold Der Rontgenblick ins aktive Zentrum Enzymuntersuchungen mittels Rontgenabsorptionsspektroskopie Memento vom 12 Marz 2007 im Internet Archive Abgerufen von https de wikipedia org w index php title EXAFS Spektroskopie amp oldid 224019723