Optikai spektroszkópiai módszerek

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Optikai spektroszkópiai módszerek"

Natália Fekete
7 évvel ezelőtt
Látták:

1 Mi történhet, ha egy mintát fénnyel világítunk meg? Optikai spektroszkópiai módszerek megvilágító fény (elnyelt fény) minta átjutott fény Abszorpció UV-VIS, IR Smeller László kibocsátott fény Lumineszcencia (Fluoreszcencia és Foszforeszcencia) szórt fény Raman és Rayleigh szórás Abszorpciós és emissziós spektroszkópia Az átjutott vagy kibocsátott fény analizálása a hullámhossz függvényében. Információ: atomok, molekulák azonosítása, molekuláris szintű szerkezetváltozások (konformációváltozások) detektálása, koncentráció meghatározás Miért nyel el ill. bocsát ki fényt egy atom v. molekula? Energiaátmenet: ld. Jablonski diagram Gerjesztett elektron- és vibrációs állapot* Gerjesztett elektronállapot Vibrációsan gerjesztett áll.* Alapállapot S S 0 E *csak molekuláknál!

2 E Miért nyel el ill. bocsát ki fényt egy atom v. molekula? S S 0 UV-VIS IR abszorpció Raman Fluoreszcencia Foszforeszcencia T ΔEhfhc/λ Abszorpciós spektroszkópia (UV-VIS) Ismétlésül: abszorpciós tv: JJ 0 e -μx ahol μ(anyag,c,λ) Lambert-Beer törvény: J A lg 0 ε ( λ) cx spektrum: A(λ) J mérés: spektrofotométer (felépítése ld. gyakorlat) referencia oldat (J 0 ) információ: azonosítás, koncentráció. Infravörös spektroszkópia Infravörös fény: λ800 nm - mm közép infra tartomány:,5-50 μm abszorpciós spektroszkópia az elnyelt infravörös sugárzás molekularezgéseket kelt érzékeny a molekulaszerkezetre speciális detektálás: FT spektrométer Molekularezgések Az elektronok könnyűek, gyorsan követik az atommag mozgását, ezért az atommagok rezgéseit az elektronok nem befolyásolják. A klasszikus fizikai leírásban az atommagok közti kötést, egy rugóval vesszük figyelembe.

Molekularezgések: kétatomos molekula m a középiskolából ismert: f π m m D m l l l l D D F / D F / D Δl Δl l l F DΔl l + l l l l + m m + m + m m m + m D tehát:, amit az m D f π D m egyenletbe

3 Molekularezgések: kétatomos molekula m a középiskolából ismert: f π m m D m l l l l D D F / D F / D Δl Δl l l F DΔl l + l l l l + m m + m + m m m + m D tehát:, amit az m D f π D m egyenletbe helyettesítve a rezgési frekvencia: D( m + m) f π mm az m mm mennyiséget redukált redukált m + m tömegnek is nevezik, ezzel a frekvencia: f π D m redukált A hullámhossz: c mredukált λ πc f D Az infravörös spektroszkópiában a λ reciprokát, a hullámszámot (ν) használják: ν: hány hullám fér D el egységnyi ν hosszúságon? [cm - ] λ πc m redukált Példa: CO A mért rezgési hullámszám: ν 43 cm - λ4,67μm f 6, Hz m C 0-6 kg, m O,7 0-6 kg D875 N/m Ha ν ismert, D számolható ha D ismert, ν számolható

Klasszikus fizikai rezgések és energianívók kapcsolata Klasszikus kép Energianívók A rezgési

frekvenciák (cm - ) B-H 400 C-H 3000 N-H 3400 O-H 3600 F-H 4000 C-N: 00 cm -, CN: 660 cm -, C N: 0

rezgései N atomos molekula: 3N szabadsági fok, 3-3 a teljes molekula transzlációja ill.

4 Klasszikus fizikai rezgések és energianívók kapcsolata Klasszikus kép Energianívók A rezgési frekvencia függése a tömegtől és a kötéserősségtől Tömeg: Kötéserősség: S Infravörös rezgési frekvenciák (cm - ) B-H 400 C-H 3000 N-H 3400 O-H 3600 F-H 4000 C-N: 00 cm -, CN: 660 cm -, C N: 0 cm -. f π D m redukált S 0 ΔE Al-H 750 Si-H 50 Ge-H 070 P-H 350 As-H 50 S-H 570 Se-H 300 Cl-H 890 Br-H 650 rezonancia az f frekvenciájú fénnyel u.a.!!! ΔEhf Víz (O-H): 3600 > nehézvíz: 600 cm - Sokatomos molekulák rezgései N atomos molekula: 3N szabadsági fok, 3-3 a teljes molekula transzlációja ill. rotációja 3N-6 rezgési szabadsági fok (lineáris molekuláknál csak 3N-5) normálrezgések Normálrezgések Minden atom ugyanazzal a frekvenciával, de különböző amplitúdóval és irányban rezeg. Pl. víz: antiszimmetrikus

5 A víz normálrezgései Néhány tipikus rezgési frekvencia Nem rezgés, hanem gátolt forgás Példa: Formaldehid

6 Flavin Benzol Makromolekulák rezgései Globális rezgések (bonyolultak) Lokalizált rezgések, pl: CH rezgések a lipidekben amid rezgések a fehérjékben (acetamid rezgések)

7 Lipidek Alkalmazások fehérjedenaturáció lipid fázisátalakulás Symmetric Stretch Asymmetric Stretch Twisting Wagging Scissoring Rocking Types of Vibrational Modes. Figure from Wikipedia Meersman és mtsai. Biophys J. Gyógyszerészeti alkalmazások Gyógyszerészeti alkalmazás: molekula azonosítás szintézis: közti és végtermék azonosítás szerkezet bizonyítás metabolit kimutatás gyógyszerellenőrzés (tisztaság vizsgálat) C 4 H 8 O Megj.: Lambert-Beer tv. itt is igaz, koncentráció meghatározás is lehetséges.

IR Mikroszkópia A komponensek térbeli eloszlása S.

8 A spektrum mérése: Fourier transzformációs spektrométer (FTIR) fényforrás FT tk 6.7 ábra tk 6.8 ábra Speciális IR módszerek:. IR Mikroszkópia A komponensek térbeli eloszlása S. Wartewiga, R. H.H. Neubert, Advanced Drug Delivery Reviews 57 (005) 44 70

9 Speciális IR módszerek:. ATR technika (Attenuated Totalreflexion) minta ATR technika Nagyon egyszerű minta-előkészítés minta ATR Kristály Lumineszcencia spektroszkópia Milyen molekulák fluoreszkálnak? E S T Aminosavak (triptofán, tirozin, fenilalanin) Fluoreszcens festékek GFP S 0 UV-VIS IR abszorpció Raman Fluoreszcencia Foszforeszcencia

Mérhető mennyiségek Aequorea victoria a gerjesztő fény

, foszf) az emittált fény időbeli eloszlása az emittált fény

spektrométer felépítése gerjesztés Gerjesztési, és emissziós

emissziós monokromátor detektor (pl fotoelektronsokszorozó)

10 Mérhető mennyiségek Aequorea victoria a gerjesztő fény hullámhossza az emittált fény hullámhossza (fluor., foszf) az emittált fény időbeli eloszlása az emittált fény polarizációja az emittált fény intenzitása A lumineszcens spektrométer felépítése gerjesztés Gerjesztési, és emissziós spektrumok E minta fényforrás gerjesztési monokromátor S T emissziós monokromátor detektor (pl fotoelektronsokszorozó) emisszió S 0 tk. 6.6 ábra kijelző (szgép) tk 6.5. ábra Stokes eltolódás Fluoreszcencia Foszforeszcencia

11 S S 0 E A fluoreszcencia kvantumhatásfok (Q) k nr k f T Kvantumhatásfok Q emittált fotonok száma elnyelt fotonok száma Q f k f k f + k k f fluoreszcens átmenet valószínűsége k nr nem sugárzásos átm. vsz. nr festékek, fl. jelzők Q S S 0 A gerjesztett állapot élettartama E Fluoreszcencia Fluoreszcencia N gerjesztett molekulából Δt idő alatt ΔN(k f +k nr )NΔt gerjesztődik le. Differenciálegyenlet: dn k k dt ( + f nr Megoldása: N τ ) N ( kf + knr ) t N0e N0 k + k f nr e t τ a gerjesztett állapot élettartama A fluoreszcencia intenzitás lecsengése Az emittált fotonok száma arányos ΔN-el, tehát N-el is, azaz a fotonszám is exponenciálisan csökken, τ időállandóval. Mérése: impulzusszerű megvilágítás (villanólámpa, v. impulzuslézer), fotonszámlálás az idő függvényében. Megj. Kvantumhatásfok és élettartam a foszforeszcencia esetén is hasonlóan definiálható ill. mérhető. Példa τ fluoreszcencia ns τ foszforeszcencia μs...s

Rayleigh λ szórt λ megvil Raman szórás: λ

foton,szórt E foton,megvil Raman λ szórt λ

lett az energia? Molekularezgést kelt (ld.

12 Fluoreszcencia polarizáció Fényszórás polarizált fénnyel világítjuk meg a mintát mérjük, h. az emittált fény mennyire polarizált Rayleigh λ szórt λ megvil Raman szórás: λ szórt λ megvil f szórt f megvil E foton,szórt E foton,megvil Raman λ szórt λ megvil E S Chandrasekhra Venkata Raman elfordulhat a gerjesztett állapot élettartama alatt dinamikai információ hova lett az energia? Molekularezgést kelt (ld. IR) gyenge intenzitású S 0 tk 6.8 ábra IR Raman Raman spektrométer Raman Spektrometer Minta Filter Detektor Monokromator

13 Raman-szórás, Raman spektroszkópia A vibrációs állapotok jellemzőek a molekulákra Raman Spektroszkopia Tabletta hatóanyagtartalmának mérése -mikroskopie-spektroskopie/raman-spektroskopie-tablette.html Hordozható Raman spektrométerek anyagok azonosítására Rayleigh szórás ha a részecske mérete: a << λ a szórt intenzitás: 6 a Jszórt ~ J 0N 4 λ információ: méret, mennyiség (pl. kolloidok) Kék égbolt

A Rayleigh szórás mérése ha J szórt <<J 0 J szórt -at

14 A Rayleigh szórás mérése ha J szórt <<J 0 J szórt -at mérjük (Nefelometria) ha J szórt J 0 Mie szórás Ha λ a a szórás hullámhossz-független. Részecskeméret Szürke égbolt J -t mérjük (turbidimetria) Technikailag ua. mint az abszorpciós spektroszkópia, csak most a J a szórás miatt kisebb, mint J 0 Rayleigh szórás Mie szórás!

Hasonló dokumentumok

Optikai spektroszkópiai módszerek

Mi történhet, ha egy mintát énnye viágítunk meg? Optikai spektroszkópiai módszerek megviágító ény (enyet ény) minta átjutott ény Abszorpció UV-VIS, IR Smeer Lászó kibocsátott ény Lumineszcencia (Fuoreszcencia