Probing the electronic structure of polynuclear metal clusters with total electron spin S > 1/2 and significant zero-field splitting; Application to the clusters of the nitrogenase MoFe-protein

文献情報

出版日 2002-04-30
DOI 10.1039/B110486C
インパクトファクター 3.676
著者

Jan Petersen, David J. Lowe


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要旨

We present a systematic approach to the simulation of EPR spectra of several different spin systems with spin S > 1/2 at arbitrary microwave frequencies and various zero-field splittings (zfs) using direct diagonalization of the complete spin energy matrix. With this method effective simulations can be obtained for systems at every microwave energy irrespective of the zfs interactions and it is therefore also expected to work for systems in the ‘low field limit’ at low microwave frequencies when the zfs energy dominates and where perturbation approaches fail. Here we have used metal complexes in biological systems with substantial zfs interactions, especially the nitrogenase ‘super-clusters’, in order to test the simulation routine. The nitrogenase MoFe-protein contains two types of very complex clusters, FeMo-cofactor and the P-cluster, that can be prepared in several different paramagnetic, oxidation states. It is therefore an ideal system for probing the usefulness of the method. Good spectral simulations were obtained for the FeMo-cofactor signal, with total spin S = 3/2, and the P-cluster signals, with total spins S = 7/2 and S = 9/2 and probably S = 5/2, from the nitrogenase MoFe-protein of Klebsiella pneumoniae (Kp1) at various oxidation levels. The simulations of the S = 3/2 FeMo-cofactor signal reproduces both the ΔMS = 1 transitions generating a strongly rhombic signal from transitions between the MS = ±1/2 spin levels and the ΔMS = 3 transition within the MS = ±3/2 Kramers doublet that gives rise to a signal at g = 6.0. Ferricyanide-oxidised Kp1 gives us the rare opportunity to observe signals from both S = 7/2 and an earlier putatively assigned S = 9/2 spin state from a cluster in a biological environment. In contrast to earlier measurements on the thionine oxidised protein, the experimentally measured S = 7/2 and S = 9/2 states are observed simultaneously for ferricyanide oxidised Kp1 and the individual spectra have been simulated.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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