Ramanova spektroskopie

Transkript

1 Ramanova spektroskopie

2 Připomentuní elmag. záření

3 Princip Neelastický rozptyl monochromatického záření Ramanův rozptyl je jev vznikající při interakci mezi fotony dopadajícího světla s atomy, kdy se předává energie vibračním a rotačním stavům atomů nebo molekul. Ramanův jev je možno popsat pomocí kvantové teorie, jeho základy je však možno vystihnout i v klasickém přiblížení. V klasickém přiblížení platí pro molekulu interagující se zářením, že v molekule je indukován dipólový moment.

4 Princip - idea Bohužel procesů probíhá více současně

5 Princip zářivý dvoufotonový přechod mezi dvěma stacionárními vibračními stavy molekuly, jejichž energie jsou E1 a E2, vyvolaný interakcí s fotonem dopadajícího záření o frekvenci ν0 provázený vyzářením fotonu rozptýleného záření o frekvenci νr Tento rozptylový efekt si lze zjednodušeně představit jako současnou absorpci fotonu budícího záření molekulou, kdy molekula přechází na virtuální energetickou hladinu, a emisi sekundárního fotonu, za splnění podmínky zachování energie h ν R=h ν 0±(E 2 E 1) Existuje několik možností takto uskutečněného přechodu podle polohy virtuální energetické hladiny vůči vlastním stavům molekuly (např. normální a resonanční Ramanův jev).

6 Princip - hladiny Může značně ovlivnit vzorek. Fotochemické reakce Ovlivnění vzorku malé. Různé vl. délky světla. Prakticky jsou měřena spektra pouze v oblasti Stokesova rozptylu, a to s ohledem na nutnost odfiltrovat Rayleighův rozptyl, jehož intenzita je zhruba krát vyšší než intenzita běžných Ramanových linií.

7 Princip - spektrum Ramanovo spektrum má velmi nízkou intenzitu. Ramanovo spektrum

8 Historie Ramanova spektroskopie se rozvinula v prvé čtvrtině 20. století, kdy byl rozptyl monochromatického záření se změnami frekvence předpovězen teoreticky rakouským kvantovým fyzikem Adolfem Smekalem. Rozptyl byl pak dlouho studován např. Rayleighem (1871), Einsteinem (1910) a dalšími, nikdo ale nezaznamenal změny frekvencí záření s jedinou výjimkou u X-paprsků pozorovaných Comptonem. Prvé pozorování nelastického rozptylu bylo popsáno v Kalkatě Ramanem a jeho spolupracovníkem Krishnanem a téměř ve stejnou dobu Landsbergem a Mandelstamem v Moskvě v r Dva roky poté Raman obdržel za svoji práci Nobelovu cenu a obor spektrometrie byl pojmenován po něm.

9 Sir Chandrasekhara Venkata Raman * ,

10 Vlastnosti Ramanova spektra stejně jako infračervená spektra poskytují informace o vibračních (a rotačních) pohybech polyatomických částic (molekul, krystalů atd.). Frekvence normálních vibračních modů závisí na hmotnostech zúčastněných atomů a na síle vazeb mezi nimi. vibrační frekvence molekul jsou nezávislé na tom, zda je studujeme infračervenou nebo Ramanovou spektroskopií, intenzity budou zcela jiné.

11 V klinické praxi ex vivo a in vivo k řešení řady biomedicínckých otázek: časná detekce rakoviny monitoring efektů různých látek na kůži analýza složení atherosklerotickeho plaku (usazeniny lipofilních látek na stěnách arterii) rychlá identifikace patogenních mikroorganizmů jako nedestruktivní technika, přispívá ke studiu molekulární struktury, míry oxidace a krystalinity např. u PE ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) v ortopedických implantátech (kyčelní a kolenní náhrady)

12 Srovnání i IČ stejné vlnočty, ale jiné intenzity a Raman nemá overtone píky

13 Co lze detetovat Proto, aby se vibrace zobrazila v Ramanově spektru musí docházet ke změně polarizace, tj. ke změně energetické náročnosti vyvolání indukované změny dipolového momentu elektrickým polem zvenčí. nepolární vazba v symetrické molekule

14 Aktivní a neaktivní vazby polární vazba je obvykle IČ-aktivní nepolární vazba v symetrické molekule bude v IČ absorbovat málo ale hodně v Ramanově spektru podstatná je změna dipolového momentu při excitaci

15 Princip Pokud je daný vibrační mód aktivní v Ramanově spektru, bude pro něj principiálně možné pozorovat dvě linie, a to symetricky rozložené kolem linie Rayleighova rozptylu V Ramanově spektru je intenzita pásů úměrná druhé mocnině změny polarizovatelnosti během vibračního pohybu (δα/δq)2, zatímco v infračerveném spektru je úměrná druhé mocnině změny dipólového momentu.

16 Užitečné intenzity pásů v Ramanových spektrech souvisejí se změnou polarizovatelnosti (intenzivnější pásy jsou pro symetrické vibrace a vibrace ve fázi než pro vibrace antisymetrické a v protifázi, obzvláště intenzivní jsou pásy vícenásobných symetrických vazeb např. -C C-, -C=C-, -N=N-). Vzhled infračervených a Ramanových spekter je tak silně ovlivněn symetrií molekul (buněk krystalu) a symetrií jednotlivých vibračních pohybů. Pro molekuly s nízkou symetrií (charakterizované pouze prvkem symetrie identita ) jsou pásy všech vibrací pozorovatelné v obou typech spekter, ovšemže s odlišnou intenzitou. Pro molekuly s vysokou symetrií se stávají spektrum infračervené a Ramanovo navzájem doplňkovými (komplementárními). Např. pro molekuly se středem symetrie platí princip alternativního zákazu, tj. pásy vibrací patrné v Ramanově spektru jsou zakázány v infračerveném spektru a naopak; plně (totálně) symetrické vibrace jsou aktivní v Ramanově spektru a v infračerveném spektru jsou inaktivní.

17 Interpretace Na rozdíl od infračervených spekter lze velmi snadno identifikovat i řadu symetricky substituovaných skupin resp. skeletů molekul. Například symetricky substituovaná trojná vazba se obvykle projevuje velmi silným pásem valenční C C vibrace v oblasti cca 2260 až 2160 cm-1. Je tak možné ji jednoznačně odlišit od nesymetricky substituované C C vazby (cca 2180 až 2100 cm-1), případně lze identifikovat více trojných vazeb v jedné molekule. Dále se v Ramanových spektrech výrazně projevuje dvojná C=C vazba svojí valenční vibrací v oblasti cca cm-1 pro nekonjugované alkeny, resp. v oblasti cm-1 pro konjugované alkeny. Naopak pouze slabými pásy se projevují C=O vazby, ať již v ketonech, esterech, amidech atd. Kombinací Ramanovy a infračervené spektroskopie lze pak jednoznačně přiřadit konkrétní pásy v oblasti cm-1 (ať již vibracím C=O nebo C=C) nebo identifikovat odlišný původ pásu.

18 Vlnočty - identifikace

19 Důležité Na rozdíl od infračervené spektroskopie lze pomocí Ramanovy spektroskopie úspěšně charakterizovat technicky významné prvkové materiály, např. uhlíkové materiály (grafitické vrstvy, saze, přírodní i umělé diamanty atp.) a křemíkové materiály (elektronika). Dále pak lze studovat anorganické materiály obsahující těžké prvky, např. korozní oxidické, /di/sulfidické vrstvy pro slitiny těžkých kovů (koroze materiálů v přírodním nebo výrobním prostředí). Při studiu polypeptidů a proteinů je významná možnost sledovat symetrické valenční S-S vibrace disulfidických můstků

20 Komplikace Signál je velmi slabý

21 Síra Spektra jsou po odečtu pozadí.

22 Příklad - As40S60 Objemový vzorek Tenká vrstva Tenká vrstva po 60 s expozice laseru Spektra jsou po odečtu pozadí.

23 Identifikace Porovnáním s databází spekter Raman je dobrý otisk prstu Ramanovo spektrum je jednoduší než IR spektrum

24 Kvantitativní analýza v této metodě také není obvykle splněn jednoduchý princip lineární závislosti intenzity pásu na koncentraci analytu. Pro kalibraci je v Ramanově spektrometrii často třeba vyvíjet složitější kalibrační modely s využitím pokročilých chemometrických algoritmů, které obvykle vyžadují rozsáhlou sadu standardů (mnohdy i více jak 30 kalibračních vzorků). Taková sada musí dostatečně reprezentativní.

25 Kvantitativní analýza Cílem je nalézt vztah mezi vícedimenzionální spektrální informací (reprezentovanou maticí hodnot intenzity rozptylu ve vybraných spektrálních úsecích pro sadu kalibračních vzorků) a složením vzorků (reprezentovaným maticí hodnot koncentrací skupiny sledovaných analytů v sadě kalibračních vzorků). Podmínky měření všech spekter i způsoby jejich úprav a zpracování musí být zachovány od kalibračních, přes validační až po neznámé zkoumané vzorky. Pouze v jednoduchých případech čirých roztoků měřených za stabilních experimentálních podmínek je možné provádět poměrně jednoduchou kalibraci na základě vyhodnocování hodnot korigovaných ploch (po odečtu spektrálního pozadí) vybraných pásů. Velmi často se plochy pásů analytu vztahují k hodnotě plochy píku vnitřního standardu, případně rozpouštědla.

26 Další komplikace - fluorescence Časté pro virtuální stavy v oblasti excitačních stavů, proto je důležité mít i světlo z blízkého IČ.

27 Řešení luminiscence Ramanovo spektrum thio-indiga měřené s excitací při 488 nm (a) a 1064 nm (b)

28 Ramanovy spektroskopie se zvýšenou citlivostí Rezonanční Ramanova Spectroskopie Povrchově zesílená Ramanova spektroskpie

29 Rezonanční Ramanova Spectroskopie Excitace zářením, které odpovídá absorpčnímu maximu studovaných částic roste intenzita Ramanovského rozptylu daného chromoforu

30 Povrchově zesílená Ramanova spektroskopie Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) Vybuzením povrchových plazmonů vzroste signál 103 až 106 krát Lze na povrchu kovů Au, Ag a Cu v oblasti VIS a NIR, kov obvykle ve formě mikročásti Světlo 382 nm pro částice 5 μm Ag, ale již 600 nm pro větší eliptické Ag částice

31 Příklad - identifikace L. Ziegler, Boston University, C+EN Sept. 21, 2009

32 Polarizační měření Na přelomu 60. a 70. let minulého století bylo na základě obecné teorie polarizačních vlastností Rayleighova (pružného) a Ramanova (nepružného) rozptylu světla chirálními molekulami ukázáno, že rozptýlené světlo obsahuje velmi slabou složku s kruhovou polarizací, a naopak že intenzita rozptylu dopadajícího pravo- a levotočivě kruhově polarizovaného záření je poněkud rozdílná. Výsledkem měření ROA jsou vždy dvě spektra vlastní ROA (tedy diferenční) spektrum a zdrojové Ramanovo (sumární) spektrum.

33 Teorie Ramanův rozptyl a ROA dvoufotonové jevy popis tenzorovými veličinami ROA při popisu musíme jít za rámec dipólové aproximace a zahrnout kromě elektrického dipólu i magnetický dipólový a elektrický kvadrupólový člen Obecná teorie ROA je velmi komplikovaná Použití, např. určení a konformace biologických molekul v roztoku (proteinů, nukleových kyselin, cukrů, virů )

34 Polarizační měření ROA spektra L-alanyl-L-alaninu - pozorujeme ROA pásy téměř pro všechny pásy vibračního Ramanova spektra, přičemž znaménko a intenzita každého z nich odráží stereochemii včetně absolutní chirality té části molekuly, která se příslušné normální vibrace účastní. L-alanyl-L-alanin D-alanyl-D-alanin

35

36 Přístroje Jako u IČ Dispersní zejména pro UV, VIS + plošný CCD det. S Fourierovou transformací pro NIR

37 Zdroj monochromatického světla Laser to je drahý zdroj světla He-Ne nm Argonový 488 nm, nm, nm Kryptonový nm, nm Nd:YAG 1064 nm Různé laserové diody Laditelné lasery Výhodou excitace v UV-VIS oblasti je vyšší intenzita rozptylu (intenzita rozptylu klesá se čtvrtou mocninou vlnové délky excitujícího záření), naopak zásadní nevýhodou jsou rizika velmi intenzivní fluorescence nebo nežádoucích fotochemických reakcí.

38 Proč různé vlnové délky? Luminiscence závisí na vlnové délce exitačního laseru. theophylline-7-cooh 514 nm laser 1064 nm laser

39 Pro NIR Citlivý detektor často chlazený Vysokou světelnost optiky Tok záření Ramanova rozptylu obecně též roste se zvyšujícím se tokem excitujícího laserového záření, to znamená se zvyšujícím se výkonem laseru pozor na ohřev vzorku

40

41

42 Kalibrace vlnočtové škály Klíčová operace

43

44 Aplikace identifikace drog

45 Originalita artefaktů

46 Identifikace vazeb uhlíku hlavní jsou tzv. G pík kolem 1560 cm-1 a D pík kolem 1360 cm-1. amorfní uhlík 1060 cm-1 diamant 1332 cm-1 sp3

47 Literatura prof. Ing. Miroslav Vlček, CSc. - Ramanova spektroskopie.pdf (neznámý zdroj), UPCE Doc. RNDr. Vladimír Baumruk, DrSc., Ramanova optická aktivita proč a nač, UK Marcela Dendisová, Pavel Žvátora, Pavel Matějka, Úvod princip Ramanovy spektrometrie Drašar, Ramanova spektroskopie speciální analýza přírodních látek, L. Ziegler, Boston University, C+EN Sept. 21, 2009