Spektrometr pro měření Ramanovy optické aktivity: proč a jak. Optická sestava a využití motorizovaných jednotek.

Transkript

1 Spektrometr pro měření Ramanovy optické aktivity: proč a jak. Optická sestava a využití motorizovaných jednotek. Josef Kapitán Centrum digitální optiky Digitální Ramanova spektroskopie a Ramanova optická aktivita Projekt TE je řešen s finanční podporou TA ČR

2 Ramanova spektroskopie Ala-Ala

3 Ramanova spektroskopie Ala-Ala

4 Rezonanční Ramanův rozptyl Elektronové excitované stavy Základní elektronové stavy IČ absorpce Ramanův rozptyl Rezonanční Ramanův rozptyl Ramanova spektra myoglobinu Asher et al. Chem. Rev. 2012, 112,

5 Optická aktivita opticky aktivní systém rotace roviny polarizace lineárně polarizovaného záření (optická rotace) Optická aktivita: rozdílná odezva systému vůči levo- a pravotočivě polarizovanému záření

6 Ramanova optická aktivita - diferenční technika Modulační schéma - rozdíl v odezvě molekuly (Ramanově rozptylu) vůči levo- a pravo-točivě kruhově polarizovanému záření

7 Ramanova optická aktivita - diferenční technika Modulační schéma - rozdíl v odezvě molekuly (Ramanovu rozptylu) vůči levo- a pravo-točivě kruhově polarizovanému záření Možno volit: - excitační vlnovou délku - geometrii rozptylu - modulační schéma

8 Ramanova optická aktivita - umožňuje určit absolutní konfiguraci, - poskytuje informace o prostorovém uspořádání chirálních molekul v roztoku L-Alanyl-L-Alanine ROA I R -I L (x10-5 ) D-Alanyl-D-Alanine I R +I L (x10-8 ) Raman 20 L-alanyl-L-alanine D-alanyl-D-alanine wavenumbers (cm -1 )

9 Ramanova optická aktivita - Využitelná pro velký rozsah látek

10 Určení absolutní konfigurace molekul exp calc calc exp Barron et al., Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 1997, 36, 885 Haesler et al Nature 446, 526

11 Proteiny X-Ray PDB: 69,2% α-helix 1,7% helix vibrace hlavního řetězce (C α -C, C α -C β, C α -N) ~ cm -1 rozšířená oblast amidu III (N-H, C α -H) ~ cm -1 43,5% β-sheet 1,7% α-helix 1.3% helix amid I (C=O) ~ cm -1 28,7% α-helix 10,9% helix 6,2% β-sheet Blanch et al., Vib. Spectrosc. 35 (2004) 87

12 Nukleové kyseliny a viry (a) prázdná kapsida (a) Empty capsid (b) intaktní virus Virus vignové mozaiky ROA poskytuje informaci o proteinové obálce viru (beta barel) i struktuře nukleové kyseliny v jádru (jednovláknová RNA, A typ) Blanch et al., J. Gen. Virol. 83, (c) virová RNA (b-a)

13 Základní schéma Ramanova spektrometru intefrerometr Optická soustava pro přenos excitačního záření na vzorek Optická soustava pro přenos rozptýleného záření na spektrální analyzátor spektrograf detektor vzorek detektor objektiv polarizátory filtry Spektrální analyzátor laser

14 Základní schéma Ramanova spektrometru intefrerometr Optická soustava pro přenos excitačního záření na vzorek Optická soustava pro přenos rozptýleného záření na spektrální analyzátor spektrograf detektor vzorek detektor objektiv polarizátory filtry Spektrální analyzátor laser Základní parametry určující návrh optické sestavy: - požadované spektrální rozlišení - maximální intenzita ozáření (W/m 2 ) vzorku - často: množství (objem) vzorku

15 Základní schéma Ramanova spektrometru štěrbina vzorek / předmět optická sestava kolimační objektiv spektrografu Abbého invariant Zákon zachování etendue

16 Základní schéma Ramanova spektrometru Pravoúhlá geometrie rozptylu ohnisko vzorek štěrbina

17 ROA Spektrometr založený na pravoúhlé geometrii rozptylu L. D. Barron, J. Raman Spectrosc. 18, 281 (1987). W. Hug, Appl. Spectrosc. 35, 115 (1981)

18 Základní schéma Ramanova spektrometru Pravoúhlá geometrie rozptylu ohnisko vzorek štěrbina Geometrie zpětného rozptylu: vstup spektrografu vzorek vstup interferometru

19 Problém transformace obrazu na vstupu spektrálního analyzátoru vstup spektrografu vzorek vstup interferometru

20 Problém transformace obrazu na vstupu spektrálního analyzátoru Řešení 1: použití vláknové optiky vstup vláken výstup vláken Obraz na CCD: W. Hug, J. Raman Spectrosc. 30, 841 (1999).

21 Problém transformace obrazu na vstupu spektrálního analyzátoru Řešení 2: krájení štěrbiny (slit slicing) I. S. Bowen, Astrophys. J., 1938, 88, 113

22 Problém transformace obrazu na vstupu spektrálního analyzátoru Řešení 3: použití kódovaných apertur Hadamardova maska M. E. Germ, Appl. Optics, 2006, 45, 2965

23 Spektrografy používané v Ramanově spektroskopii intefrerometr spektrograf detektor vzorek detektor objektiv polarizátory filtry Spektrální analyzátor laser

24 Spektrografy používané v Ramanově spektroskopii Czerny-Turnerův spektrograf štěrbina detektor

25 Spektrografy používané v Ramanově spektroskopii Czerny-Turnerův spektrograf Výhody: štěrbina - vysoká odrazivost zrcadel - achromatické - nízká úroveň zbloudilého záření (dvojité / trojité monochromátory) detektor

26 Spektrografy používané v Ramanově spektroskopii Czerny-Turnerův spektrograf Omezující faktory: štěrbina - malá světelnost (max F/4) - astigmatizmus (řešitelné za použití korekční zrcadlové optiky) detektor

27 Spektrografy používané v Ramanově spektroskopii štěrbina Využití čočkových objektivů objektiv F/1.8 detektor

28 Interferometry (používané) v Ramanově spektroskopii Michelsonův interferometr Harlanderův interferometr difrakční mřížka difrakční mřížka detektor detektor J. Harlander et. Al, Astrophys. J., 1992, 396, 730

29 Ramanova optická aktivita: Eliminace ofsetů vytváření virtuálních enantiomerů α-pinene W. Hug: Appl Spectrosc

30 Použití motorizovaných jednotek v ROA spektrometru - motorizované rotační a lineírní posuvy - vysoká rychlost polohování - vysoká přesnost - přesná synchronizace (navzájem i se záznamem dat)

31 Digitální Ramanova spektroskopie a Ramanova optická aktivita Činnosti v rámci pracovního balíčku: 1. Provádění analýzy komplexního optického uspořádání spektrometru Odpovědný realizátor: UP Konzultant: Meopta 03/ / Volba materiálů a technologií opracování pro stavbu objektivů v UV oblasti Odpovědný realizátor: Meopta 03/ /2013

32 Digitální Ramanova spektroskopie a Ramanova optická aktivita Činnosti v rámci pracovního balíčku: 3. Provádění analýzy využití různých typů polohovacích zařízení pro pohyblivé části spektrometru Odpovědný realizátor: Zebr Konzultant: UP 03/ /2013