Hochempfindliche Methode zum Nachweis von Ionen-Paaren in wässriger Lösung

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrum Berlin, der Freien Universität Berlin, der Universität Heidelberg und der Universität für Chemie und Technologie Prag haben einen zuvor nur theoretisch vorhergesagten, speziellen Elektronentransfer in einer wässrigen Salz-Lösung experimentell nachgewiesen. Von den Ergebnissen erhoffen sie sich eine extrem sensitive Methode zum Nachweis von Ionenpaaren in Lösungen.

Es gelang ihnen, den sogenannten Electron-Transfer-Mediated-Decay (ETMD) zu belegen. „Der ETMD ist ein Zerfallskanal, der entsteht, wenn ein Rumpfloch in einem Molekül von einem Elektron eines benachbarten Moleküls gefüllt wird. Die dabei freiwerdende Energie wird dann zur Ionisation dieses oder eines weiteren Nachbarmoleküls verwendet“, erklärt Prof. Dr. Emad Flear Aziz.

„Dieser Zerfall ist nicht-lokal und steht damit in Konkurrenz zu dem viel häufiger vorkommenden Auger-Zerfall und dem Intermolekularen Coulomb-Zerfall (ICD)“, erläutert Koautor Dr. Robert Seidel. Bei beiden Prozessen werde das Loch jeweils durch ein Elektron desselben Moleküls gefüllt. Der ETMD-Prozess sei bereits im Jahr 2001 theoretisch vorhergesagt und 2011 erstmalig in Gasclustern nachgewiesen worden, erklärt der Physiker.

Für den ETMD-Nachweis in wässriger Lösung verwendeten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Lithiumchlorid-Salz, da bei Lithiumionen in Wasser weder der Auger- noch der ICD-Zerfall möglich sei. Auf diese Weise erhöhten sie die Wahrscheinlichkeit für den ETMD-Prozess und dessen Nachweis.

Die Messungen fanden am BESSY-II-Synchrotron mit der Liquidjet-PES-Anlage statt. Die Lithiumchlorid-Lösung wurde als sehr feiner Flüssigkeitsstrahl in eine Vakuumkammer injiziert und mit weicher Röntgenstrahlung untersucht.

„Da die Stärke des ETMD-Prozesses deutlich vom Abstand zum Nachbarmolekül beeinflusst wird, lassen sich aus der Form und der Intensität des ETMD-Spektrums Aussagen über die Ionenpaarung treffen“, erklärt Aziz. Das bedeute, dass die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit ETMD ein spektroskopisches Werkzeug zur Hand haben, mit dem sich die unmittelbare Solvathülle um ein Ion in wässriger Lösung bestimmen lasse. Die Ergebnisse der Untersuchung wurden im renommierten Fachjournal Nature Chemistry veröffentlicht.

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Die Publikation: Observation of electron-transfer-mediated decay in aqueous solution

Isaak Unger, Robert Seidel, Stephan Thürmer, Marvin N. Pohl, Emad F. Aziz, Lorenz S. Cederbaum, Eva Muchová, Petr Slavíček, Bernd Winter, and Nikolai V. Kryzhevoin.

Nature Chemistry (2017). DOI: 10.1038/nchem.2727