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 TE01020229 je řešen s finanční podporou TA ČR
Ramanova spektroskopie Ala-Ala
Ramanova spektroskopie Ala-Ala
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, 2604-2628
Optická aktivita opticky aktivní systém rotace roviny polarizace lineárně polarizovaného záření (optická rotace) Optická aktivita: rozdílná odezva systému vůči levo- a pravotočivě polarizovanému záření
Ramanova optická aktivita - diferenční technika Modulační schéma - rozdíl v odezvě molekuly (Ramanově rozptylu) vůči levo- a pravo-točivě kruhově polarizovanému záření
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
Ramanova optická aktivita - umožňuje určit absolutní konfiguraci, - poskytuje informace o prostorovém uspořádání chirálních molekul v roztoku 20 10 L-Alanyl-L-Alanine ROA I R -I L (x10-5 ) 0-10 -20 D-Alanyl-D-Alanine I R +I L (x10-8 ) 80 60 40 Raman 20 L-alanyl-L-alanine D-alanyl-D-alanine 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 wavenumbers (cm -1 )
Ramanova optická aktivita - Využitelná pro velký rozsah látek
Určení absolutní konfigurace molekul exp calc calc exp Barron et al., Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 1997, 36, 885 Haesler et al. 2007. Nature 446, 526
Proteiny X-Ray PDB: 69,2% α-helix 1,7% 3 10 -helix vibrace hlavního řetězce (C α -C, C α -C β, C α -N) ~ 870 1150 cm -1 rozšířená oblast amidu III (N-H, C α -H) ~ 1230 1340 cm -1 43,5% β-sheet 1,7% α-helix 1.3% 3 10 -helix amid I (C=O) ~ 1630 1700 cm -1 28,7% α-helix 10,9% 3 10 -helix 6,2% β-sheet Blanch et al., Vib. Spectrosc. 35 (2004) 87
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., 2002. J. Gen. Virol. 83, 2593. (c) virová RNA (b-a)
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 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
Základní schéma Ramanova spektrometru štěrbina vzorek / předmět optická sestava kolimační objektiv spektrografu Abbého invariant Zákon zachování etendue
Základní schéma Ramanova spektrometru Pravoúhlá geometrie rozptylu ohnisko vzorek štěrbina
ROA Spektrometr založený na pravoúhlé geometrii rozptylu L. D. Barron, J. Raman Spectrosc. 18, 281 (1987). W. Hug, Appl. Spectrosc. 35, 115 (1981)
Základní schéma Ramanova spektrometru Pravoúhlá geometrie rozptylu ohnisko vzorek štěrbina Geometrie zpětného rozptylu: vstup spektrografu vzorek vstup interferometru
Problém transformace obrazu na vstupu spektrálního analyzátoru vstup spektrografu vzorek vstup interferometru
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).
Problém transformace obrazu na vstupu spektrálního analyzátoru Řešení 2: krájení štěrbiny (slit slicing) I. S. Bowen, Astrophys. J., 1938, 88, 113
Problém transformace obrazu na vstupu spektrálního analyzátoru Řešení 3: použití kódovaných apertur Hadamardova maska M. E. Germ, Appl. Optics, 2006, 45, 2965
Spektrografy používané v Ramanově spektroskopii intefrerometr spektrograf detektor vzorek detektor objektiv polarizátory filtry Spektrální analyzátor laser
Spektrografy používané v Ramanově spektroskopii Czerny-Turnerův spektrograf štěrbina detektor
Spektrografy používané v Ramanově spektroskopii Czerny-Turnerův spektrograf Výhody: štěrbina - vysoká odrazivost zrcadel - achromatické - nízká úroveň zbloudilého záření (dvojité / trojité monochromátory) detektor
Spektrografy používané v Ramanově spektroskopii Czerny-Turnerův spektrograf Omezující faktory: štěrbina - malá světelnost (max F/4) - astigmatizmus (řešitelné za použití korekční zrcadlové optiky) detektor
Spektrografy používané v Ramanově spektroskopii štěrbina Využití čočkových objektivů objektiv F/1.8 detektor
Interferometry (používané) v Ramanově spektroskopii Michelsonův interferometr Harlanderův interferometr difrakční mřížka difrakční mřížka detektor detektor J. Harlander et. Al, Astrophys. J., 1992, 396, 730
Ramanova optická aktivita: Eliminace ofsetů vytváření virtuálních enantiomerů α-pinene W. Hug: Appl Spectrosc 2003 57 1
Použití motorizovaných jednotek v ROA spektrometru - motorizované rotační a lineírní posuvy - vysoká rychlost polohování - vysoká přesnost - přesná synchronizace (navzájem i se záznamem dat)
Digitální Ramanova spektroskopie a Ramanova optická aktivita Činnosti v rámci pracovního balíčku: 1. Provádění analýzy komplexního optického uspořádání spektrometru Odpovědný realizátor: UP Konzultant: Meopta 03/2012 03/2013 2. Volba materiálů a technologií opracování pro stavbu objektivů v UV oblasti Odpovědný realizátor: Meopta 03/2012 12/2013
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 03/2012 12/2013