NEXAFS-Spektroskopie im Labormaßstab zur Untersuchung von Eisenoxiden und organischen Substanzen in Böden

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Karin Eusterhues; Dr. Klaus R. Mann
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434531747

Die NEXAFS-Spektroskopie (engl. Near-Edge X-Ray Absorption Fine Structure) erfasst die Oxidationsstufe und die chemische Umgebung eines Elements und eignet sich daher zur Charakterisierung von Mineralen, aber auch teilkristallinen Feststoffen, amorphen Verbindungen und Metallkomplexen. NEXAFS ist bisher auf Synchrotronstrahlquellen beschränkt. Da NEXAFS-Instrumente stark überbucht sind, sind Messungen nur nach einem langwierigen, hochkompetitiven Begutachtungsprozess möglich. Jedoch wurde am Laser-Laboratorium Göttingen kürzlich ein kompaktes Spektrometer auf Basis einer laserinduzierten Plasmaquelle entwickelt. Im Spektralbereich weicher Röntgenstrahlung (<1 keV) ermöglicht es die Untersuchung der Elemente C, N, O, Ca, Mn und Fe, und zwar nicht nur im Vakuum, sondern auch unter Umgebungsbedingungen oder Inertgas. Das Ziel dieses Gemeinschaftsprojektes ist es, das kompakte NEXAFS-Spektrometer für die Analyse geowissenschaftlicher Proben weiter zu entwickeln und anzuwenden. Im Teilprojekt des Laser-Laboratorium Göttingen wird die Brillanz der Quelle verbessert, eine neue Probenkammer entwickelt und die spektrale Auflösung deutlich erhöht. Im Teilprojekt der Universität Jena steht die Anwendung der NEXAFS-Spektroskopie mit weicher Röntgenstrahlung im Mittelpunkt. Hier sollen die Stärken und Schwächen der Methode in Bezug auf Probenvorbereitung, Nachweisgrenzen und Strahlenschäden unterschiedlicher Verbindungen in verschiedenen chemischen Umgebungen ausgelotet werden. Im Anschluss wird besonderes Augenmerk auf die Quantifizierung von Fe-Oxiden (Fe2p; O1s) und die Charakterisierung von organischem Material (C1s, N1s) in Umweltproben gelegt.Am Ende des Projekts wird ein verbessertes neues Tischspektrometer in Jena zur Verfügung stehen. Mit diesem Gerät schließen wir die analytische Lücke bei der Charakterisierung von teilkristallinen Mineralen, Metallkomplexen und Fe-Oxid-assoziierten organischen Substanzen. Das Spektrometer wird seine Stärken besonders dann ausspielen können, wenn Proben schnell nach der Präparation analysiert werden müssen. Das betrifft z.B. redox-sensitive Substanzen oder empfindliche metastabile Proben (teilkristalline Fe- und Mn-Phasen, Carbonatvorläuferphasen). Im Vergleich zu Synchrotronmessungen werden zudem die Analysekosten stark reduziert und ein höherer Probendurchsatz möglich sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: CCD-camera ; Picosecond laser system
• Gerätegruppe: 5430 Hochgeschwindigkeits-Kameras (ab 100 Bilder/Sek) ; 5700 Festkörper-Laser
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Kai Uwe Totsche