Биогенный магнетит и магниторецепция. Новое о биомагнетизме. Том 2 - Киршвинк Дж.
ISBN 5-03-001275-3
Скачать (прямая ссылка):
Глава 13
ИЗУЧЕНИЕ
С ПОМОЩЬЮ МЁССБАУЭРОВСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ПРОДУКТОВ БИОМИНЕРАЛИЗАЦИИ ЖЕЛЕЗА В МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ БАКТЕРИЯХ
Ричард Б. Френкель, Джорджиа К. Папаэфтимиу, Ричард 77. Блейкмор1
1. Основы мёссбауэровской спектроскопии
Мёссбауэровская спектроскопия-это метод, основанный на использовании ядерного у-резонанса. Он широко применяется для исследования электронной структуры железа в биологических системах. Ценность его заключается в том, что он очень чувствителен к изменению физического окружения ядер 57Fe (расположению лигандов и их природе, магнитной структуре и т. д.). При этом регистрируется только сигнал от 57Fe, т. е. измеряется вклад лишь тех элементов изучаемой системы, которые влияют на окружение атомов железа. В отличие от методов, основанных на измерении магнитной восприимчивости или намагниченности, данный метод позволяет различать неэквивалентные состояния железа. Применению мёссбауэровской спектроскопии посвящены специальные обзоры (Greenwood, Gibb, 1971; Bancroft, 1973; Cohen, 1976, 1981), поэтому здесь мы ограничимся кратким изложением основ данного метода, сосредоточив внимание на его применении для исследования 57Fe. Затем мы рассмотрим данные об изучении методом мёссбауэровской спектроскопии железосодержащих продуктов биоминерализации и магнитных включений в магниточувствительных бактериях.
1.1. Поглощение у-квантов ядрами
Ядра обладают дискретным набором энергетических уровней, соответствующих различным протонным и нейтронным конфигурациям. Каждый энергетический уровень характеризуется значением спинового углового момента (спином) и другими физическими параметрами. Нд рис. 13.1 показаны нижние энергетические уровни изотопа 57Fe (он составляет 2,2% от общего количества железа в природе). Стабильному основному состоянию соответствует спин 10 = lj2', от возбужденного
1 Richard В. Frankel, Georgia С. Papaefthymiou, Francis Bitter National Magnet Laboratory, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139. Richard P. Blakemore, Department of Microbiology, University of New Hampshire, Durham, New Hampshire 03824.
57Со (270 суток)
Рис. 13.1. Схема радиоактивного распада 57Со до 57Fe.
уровня со спином /i4,4 = 3/2 его отделяет энергия АЕ = 14,4 кэВ. Ядро 57Fe в возбужденном состоянии, образующееся, например, при распаде радиоактивного 57Со, может перейти в основное состояние либо путем излучения у-кванта с энергией 14,4 кэВ, либо в результате электронной конверсии; характерное время такого перехода составляет примерно 10“7 с. С другой стороны, ядро, находящееся в основном состоянии, может перейти в возбужденное состояние с энергией 14,4 кэВ, поглотив у-квант с соответствующей энергией Еу. Вероятность такого перехода, или, иначе говоря, сечение поглощения, зависит от энергии у-кванта. Эта величина максимальна, когда Е = АЕ, и уменьшается наполовину при Е = АЕ + Г/2, где Г-естественная ширина линии для возбужденного состояния с энергией 14,4 кэВ. В соответствии с принципом неопределенности ширина линии связана с временем жизни возбужденного состояния соотношением
Г = й/2тгт, (1)
где А-постоянная Планка. Поскольку т = 10—7 с, для возбужденного состояния с энергией 14,4 кэВ Г = 5• 10“9 эВ. Таким образом, Г/Д?~ ~ 1(Г12!
Поскольку у-квант обладает импульсом, в соответствии с законом сохранения момента количества движения при его поглощении ядром должен наблюдаться эффект отдачи. Таким образом, часть энергии у-квантов тратится на отдачу и не участвует в возбуждении ядра. Импульс у-кванта равен р — Еу/с, соответственно энергия отдачи состав-
ляет
R = р2/2Мп = Еу /2Мпс2,
(2)
где Мп-масса ядра, с-скорость света. Для 57Fe R ~ 0,002 эВ, т. е. R » Г. Из-за эффекта отдачи вероятность поглощения у-кванта мала, даже когда Еу в точности совпадает с АЕ. Замечательное открытие Мёссбауэра заключается в обнаружении того факта, что если ядро помещено в кристаллическую решетку, то с определенной вероятностью импульс отдачи воспринимается всей массой образца. При этом R -у О, поскольку масса ядра Мп в знаменателе уравнения (2) заменяется массой всего образца, т. е. величиной, примерно в 1023 раза большей. Таким образом, эффект Мёссбауэра заключается в поглощении и испускании ядром у-квантов без отдачи.
Вероятность / поглощения без отдачи зависит от Мп, Еу и колебательных спектров твердого тела, а также от температуры, уменьшаясь с ее увеличением. Эти и некоторые другие обстоятельства ограничивают число изотопов, для которых может наблюдаться резонансное поглощение.
Чаще всего в качестве источника у-квантов с энергией 14,4 кэВ при мёссбауэровской спектроскопии железа, присутствующего в различных образцах, используют радиоактивный 57Со, который распадается с образованием 57Fe с периодом полураспада, равным 270 сут. Испускание у-квантов, как и их поглощение, сопровождается отдачей, но, если радиоактивные ядра включены в кристаллическую решетку, эффект отдачи может отсутствовать. На практике 57Со, образующийся в циклотроне, вносят путем электроосаждения в поверхностный слой металлической подложки из хрома, меди, родия, палладия или платины.
