Eine Forschungsarbeit vom SLAC National Accelerator Laboratory demonstriert, dass ultrakurze, ultrahelle Röntgenlaser-Pulse die Einzelheiten chemisch wichtiger Moleküle bei Raumtemperaturen und in ihren natürlichen Zuständen offenbaren können. Die Technik könnte Studien über die Photosynthese und industrielle Katalysatoren unterstützen und öffnet die Tür zur Entwicklung anderer analytischer Werkzeuge an der Linac Coherent Light Source des SLAC.
In den Experimenten verwendeten die Forscher eine Technik, die als Röntgenemissions-Spektroskopie bekannt ist, um mehr über die chemische Zusammensetzung von Proben und chemischen Veränderungen zu erfahren, die im Lauf der Zeit auftreten. Obwohl Spektroskopie seit langer Zeit an Synchrotron-Einrichtungen benutzt wird, sind empfindliche Proben normalerweise gefroren, um sie vor Strahlungsschäden zu schützen, was es wiederum sehr anspruchsvoll macht, chemische Reaktionen zu verfolgen. Das Team hat jetzt gezeigt, dass diese Schwierigkeiten mit dem Röntgenlaser der Linac Coherent Light Source (LCLS) überwunden werden können.
Ein sehr einfaches Beispiel für ein Spektrometer ist ein Prisma, das Sonnenlicht in einen Regenbogen aus Farben [ein Spektrum; Anm. d. Red.] aufspaltet. “Das in den LCLS-Experimenten benutzte Spektrometer funktioniert auf ähnliche Weise, mit einem Verbund aus 16 spezialisierten Kristallen, die die verschiedenen ‘Farben’ der emittierten Röntgenstrahlen auswählen”, sagte Roberto Alonso-Mori, ein Forscher vom SLAC, der für die Konstruktion des neuen Spektrometers verantwortlich war. Er ist der Erstautor einer Abhandlung, die am 5. November 2012 in den Proceedings of the National Academy of Sciences erschienen ist und die Arbeit detailliert beschreibt.
Das Team unter der Leitung von Uwe Bergmann (stellvertretender Direktor der LCLS), sowie Junko Yano und Vittal Yachandra vom Lawrence Berkeley National Laboratory, konzentrierte sich auf Komplexe, die Mangan enthielten, ein wichtiges Element für den wasserspaltenden Schritt der Photosynthese. Vergleichbare Komplexe sind auch für einige industrielle Katalysatoren entscheidend. Bergmann sagte, die Mangan-Bestandteile seien lange genug intakt geblieben, um detaillierte Informationen über ihre chemische Umgebung zu erhalten, bevor sie durch die Röntgenpulse zerstört wurden.
“Vorherige Experimente mit der LCLS haben gezeigt, dass die intakte atomare Gesamtstruktur biologischer Proben bei Raumtemperatur untersucht werden kann, bevor selbige zerstört werden”, sagte er. “Diese Studie geht noch einen Schritt weiter und zeigt, dass sogar die lokale Chemie der Metalle untersucht werden kann.”
Teammitglied Jan Kern, ein Wissenschaftler an der LCLS und am Berkeley Lab, sagte: “Der Erfolg der Experimente öffnet die Türen einerseits für weitere Studien metallhaltiger Proteine und Katalysatoren, besonders der wasserspaltenden Katalysatoren der Photosynthese, und andererseits für andere Arten von Spektroskopietechniken an der LCLS.” Die Technik kann auch in Verbindung mit Röntgenbeugung benutzt werden, welche die Gesamtstruktur von Proteinen und anderen Molekülen aufdeckt, basierend auf den erzeugten Mustern, wenn das Röntgenlicht auf die kristallisierten Proben trifft. Das Forschungsteam hat zuvor schon Röntgenbeugung an der LCLS verwendet, um die Struktur des Photosystems II zu untersuchen, und die Wissenschaftler haben seitdem zusätzliche spektroskopische Experimente durchgeführt und planen weitere Experimente.
Bergmann sagte, Spektroskopie sei der Schlüssel, um in den empfindlichen Proben an der LCLS chemische Veränderungen zu aufzudecken, die im Verlauf der Zeit auftreten. “Die atomare Struktur ist wichtig, aber für ein vollständiges Verständnis der komplexen Prozesse wie etwa der Photosynthese ist die Chemie das wirklich Wichtige”, sagte er. “Diese Abhandlung ist der erste Schritt.”
Das Team umfasste auch Wissenschaftler der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, des Stanford PULSE Institute, der Technischen Universität Berlin, der Universitäten von Stockholm und Umeå in Schweden und der European Synchrotron Radiation Facility in Frankreich.
Quelle: http://www6.slac.stanford.edu/news/2012-11-05-XES.aspx
(THK)
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