Infravörös, spektroszkópia

Átírás

1 Infravörös, Raman és CD spektroszkópia

2 Spektroszkópia Az EM sugárzás abszorbcióján alapszik: látható (leggyakrabban kvantitatív) UV IR (inkább kvalitatív) RAMAN ESR (mikrohullám) NMR (rádióhullám) Fény emisszióján alapszik: Fluor-, foszforeszcencia Más mechanizmusokon alapszik: Fényszórás Röntgendiffrakció: Fehérjék 3D-s szerkezete ORD (optical rotatory dispersion) (2D-s) CD (circular dichroism)

3 Atomok elektronjainak energiaszint-rendszere

4 intenzitás Atomi spektrumok E 2 h = E 2 E 1 h = E 2 E 1 E 1 frekvencia

5 Molekulák sávos színképének okai rezgés (vibráció) forgás (rotáció)

6 Molekulák energiaszintjei E össz = E elektron + E rezgési + E forgási elektronátmenet energiája: kvantált! E elektron ~ -1/n 2 n = 1, 2, 3,... rezgési energia: kvantált! E rezgési = (v+1/2) v = 0, 1, 2,... forgási energia: kvantált! E forgási = B J(J+1) J = 0, 1, 2,...

7 Energia Jablonsky-féle termséma Az elektromos (S 0, S 1,...) és az azokra ráépülő vibrációs-, valamint rotációs energiaszintek sematikus ábrája 0 rotációs szintek vibráció s szintek S 2 S 1 S 0 Az egyes energiaszintek a nulla energiaszint alatt vannak. Minden vízszintes vonal a molekula egy jól definiált energiájú állapotát reprezentálja. Alapállapotban: az e - az S 0 valamely vibrációs-rotációs szintjén található. Az energiakülönbségek nagyságrendje: E elektromos ~ 1000 * E vibrációs ~ * E rotációs

8 Az energiaszintek S 2 S 1 S 0 Alapszint IR Vibrációs szintek A rezgések esetében a molekulán belüli kötésszögek és távolságok változnak, a molekula átlagos helyzete és orientációja változatlan marad. A rezgések nagyobb energiát képviselnek így a rezgési állapotok megváltoztatása energia szempontjából legalább infravörös sugárzással kell hogy történjen.

9 IR Három részre bonthatjuk: NIR (near infrared) közeli: 800 nm- 2,5 m Látható mellett közvetlenül MIR; MID-IR (mid infrared) középinfravörös: 2,5 m 50 m Molekularezgéseket gerjeszt: vegyületazonosítás FIR (far infrared) távoli: 50 m m Molekulaforgásokat gerjeszt: mozgás infó

10 Infravörös spektroszkópia A vizsgálandó mintát besugározzuk az infravörös sugárzás tartományába eső elektromágneses sugárzással és ennek valamilyen változását mérjük. A sugárzás energiája (frekvenciája) = a kötés vibrációs energiájával (frekvenciájával) rezgő kémia kötés A1 Abszorpció A2 Az infravörös spektroszkópia alapulhat az IR sugárzás elnyelésén (abszorpció), visszaverésén (reflexió) és kibocsátásán (emisszió). Az IR spektroszkópiában az emissziós technika nem terjedt el. Leggyakrabban az abszorpciós technikát használjuk.

11 Infravörös spektroszkópia különböző molekuláris rezgéseket vizsgál az abszorbció függ a funkciós csoportoktól és a molekula szimmetriájától a molekuláknak jellegzetesen sok lehetséges rezgésük van a kötések nyúló-összehúzódó rezgése a legjellegzetesebb ha kötés-hajlásban egyszerre több atom vesz részt összetettebb rezgések jönnek létre kivétel: a teljesen szimmetrikus kötések rezgése nem IRabszorbeáló (pl. az etilén C=C kettős kötésének nyúló-összehúzódó rezgése)

12 Infravörös spektroszkópia Besugárzás (monokromatikus IR sugár), Abszorbció (elnyelés), molekulaszerkezetének megfelelően De nem tetszőlegesen, hanem kvantáltan! Abszorbciós sáv. Spektrum A kapott spektrum az adott anyag ujjlenyomatszerű azonosítására alkalmas. Transzmittancia, abszorbancia spektrumok A T 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0, ,2 0,1 0, ~ 1 / cm

13 IR spektrum x-tengely a hullámhossz-tartomány jellemzően 2-15 µm, /cm a hullámszám is használatos (második x-tengely) hullámszám [n] = 1/cm = cm -1 y-tengely általában transzmittancia (0-100%) (a völgyek abszorpciónak felelnek meg) a "csúcsokat" hullámszámmal jelöljük

14 Az IR-spektrum tartományai Kötések H-hez (X H) ( cm -1 ) Hármas kötések ( ) Kettős kötések ( )

15 Az infravörös sugárzás tartományokra osztása Látható (VIS) Közeli IR (NIR) Középső vagy analitikai IR (MIR) Távoli IR (FIR) Mikrohullám (MW) Jelenség Alkalmazás Optikai elemek (ablakok, lencsék, mintatartók) n ~ ( cm 1) rezgési felhangok elsősorban mennyiségi analízis (pl. műanyag-, élelmiszeripar) kvarcüveg üvegszáloptika használatának lehetősége szerves molekulák alaprezgései minőségi analízis, szerkezeti információ Ionrácsos anyagok: KBr, NaCl, CsCl, CaF 2, ZnSe, KRS5 (TlBr/TlI) nagyamplitudójú rezgések, fémkomplexek, fémorganikus mol. rezg., kismolekulák forgása, rácsrezgések elsősorban szerkezeti információ Si, Ge polietilén

16 Raman-spektroszkópia Elektromágneses sugárzás (látható fény, laser) Minta Sir Venkata Raman ( ) fizikai Nobel-díj 1930 Szórás De milyen szórás????

17 Raman-spektroszkópia minta Rayleigh minta Raman

18 Raman-spektroszkópia minta Rayleigh - rugalmas minta detektált fényintenzitás: csökken (geometria!) irány: változik!!! kvantumszám: változatlan energia, frekvencia: változatlan Raman - rugalmatlan detektált fényintenzitás: változhat (hullámhossz függő érzékenység!) irány: változatlan (maradhat) kvantumszám: változatlan energia, frekvencia: változik!!!

19 A Raman-spektroszkópia segítségével a tisztán vibrációs vagy rotációs szinteket tudjuk tanulmányozni. h( 0-1 ) Stokes h( ) anti-stokes IR abszorpció I Stokes Raman szórás anti-stokes h( 0-1 ) h 0 h( ) Raman eltolódás

20 Raman-spektroszkópia Monokromatikus fénnyel (ultraibolya, látható vagy közeli infravörös tartományba eső lézer sugárral) besugározzuk az analizálandó mintát és a frekvenciaváltozással szóródott fényt használjuk anyagazonosításra. Miként az IR spektroszkópia, ez is alkalmas mennyiségi analízisre. Raman-spektroszkópia csak a lézer felfedezése után kezdődhetett.

21 Raman spektrumok Szén szénszál grafit csúcs (sp cm -1 ) gyémánt egykristály (sp cm -1 )

22 Raman spektrumok Műanyagok Polikarbonát (CD) Polisztirén (CD tok)

23 Raman spektrumok Ribonukleáz A

24 Raman spektrumok - Kokain

25 Raman spektrumok és képek - Drogok

26 Raman spektroszkópia - Előnyök minta lehet: bármilyen (halmaz-) állapotú. keverékek komponensei jól szeparálhatók minőségi és mennyiségi kiértékelésre is alkalmas vizes oldatok is jól vizsgálhatók (ellentétben az IR spektroszkópiával) széles koncentrációtartományban működik 100%-os töménységtől néhány ppb (part per billion, milliárdod-rész) koncentrációig

27 Raman spektroszkópia - Előnyök a spektrumok rövid idő alatt (néhány sec) felvehetők nem igényel minta-előkészítést műanyag- vagy üvegedények falán keresztül is működik nem károsítja a mintát látható tartományú fénnyel világítjuk meg a mintát, aminek előállítása egyszerűbb

28 Összehasonlítás Aszimmetrikus, poláros kötések IR-aktívak, O-H (víz mérése) =C-H C=O C-Cl C-O-C Szimmetrikus és homopoláros kötések Raman-aktívak, pl. C=C C=C C=S C-Cl O-O (C-)NO 2 IR és Raman spektroszkópia egymást kiegészítő technikák. A Raman-analízis előnye, hogy az anyagokat vizes oldatokban is lehet vizsgálni. (IR erősen abszorbeálódik a vízben)

29 Két egymásra merőlegesen polarizált síkpoláros fény eredője: egy átlósan polarizált síkpoláros fény. Cirkuláris Dikroizmus spektroszkópia Síkban (lineárisan) polarizált hullámok

30 Cirkuláris (elliptikus) polarizáció Két egymáshoz képest ellentétesen forgó polarizációjú cirkulárisan poláros fény eredője: (ha a forgási sebesség egyenlő) egy síkban polarizált fény lesz.

31 Egy cirkulásrisan polarizált fénysugár, ha áthalad a mintán megváltozik a hullámhossza és az amplitúdója is. Azonban mivel az amplitúdó is megváltozik, nemcsak a hullámhossza - a mintán való áthaladás során-, így, már nem síkban poláros fény lesz a kijövő sugár, hanem elliptikusan polarizált. Az ellipszisre jellemző tulajdonság az ellipticitással: a, b az ellipszis nagy-, és kistengelye. Így két cirkulárisan polarizált fény eredője (síkban poláros fény) íránya, síkja is megváltozik. Ez az ORD otikai rotációs diszperzió. Q = arctgb/a q

32 Cirkuláris Dikroizmus spektroszkópia Cirkulárisan polarizált fényt (jobbra és balra forgó) használ. Optikailag aktív anyagokat vizsgálhatunk (optikai izoméria, kiralitás) A CD spektroszkópiában az ellipticitást ( ) mérik. A az abszorpciók eltérése a jobb- és balra- forgó komponensekre nézve. A CD spektrum az ellipticitást mutatja a hullámhossz függvényében. A fehérjék másodlagos (l-hélix, b-redő, random coil - szerkezet nélküli) szerkezetéről ad információt. Nukleinsavak feltekeredett (helikális szerkezetű) formájára érzékeny

33 C D spektrum

34 Vége!