A Raman spektroszkópia új alkalmazásai

Átírás

1 A Raman spektroszkópia új alkalmazásai Veres Miklós MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont,

2 Vázlat A Raman-szórás Időkapuzott Raman-spektroszkópia Térben eltolt Raman-spektroszkópia Felületerősített Raman-szórás Stimulált Raman-szórás

3 A Raman-szórás C.V. Raman A new radiation, Indian J. Phys. 2 (1928) Nobel-díj 1930-ban Fényszórás vizsgálata folyadékokban, teleszkóppal fókuszált napfénnyel Tízmilliószor kisebb intenzitású csúcsok megfigyelése a szórt fény spektrumában más hullámhosszon G. Landsberg L. Mandelstam Eine neue Erscheinung bei der Lichtzerstreuung in Krystallen Naturwissenschaften 16 (1928) 55

4 Rezgések A Raman-spektroszkópia egy rezgési spektroszkópiai módszer. Egy N atomból álló molekula vagy kristály 3N-6 független rezgése (normálrezgése) van. A rezgések jellemzőit a szerkezet tulajdonságai (összetétel, kötések, belső feszültségek stb.) határozzák meg. A normálrezgések energiája az infravörös tartományba esik. Vízmolekula szimm. nyújtó aszimm. nyújtó hajlító

5 Szórási folyamatok Rayleigh-szorás Rugalmas fényszórás (a beeső és a szórt foton energiája nem különbözik) Raman-szórás Rugalmatlan fényszórás (a beeső és a szórt foton energiája különbözik) a közeg elemi gerjesztésein (rezgésein). Kiválasztási szabályok: Egy rezgési átmenet akkor Raman-aktív, ha a szórási folyamat közben megváltozik a közeg polarizálhatósága. Egy rezgési átmenet akkor infravörös-aktív, ha a szórási folyamat közben megváltozik a közeg dipólusmomentuma.

6 Raman-mérés Lézer Minta Gerjesztés monokromatikus fénnyel (lézer) A gerjesztő fény hullámhossztartományának kiszűrése a szórt fényből Hullámhossz Szűrő Hullámhossz A szórt fény spektrumának mérése a gerjesztő fényétől különböző hullámhosszakon Spektrométer Hullámhossz Raman intenzitás, t.e. Raman eltolódás, cm -1

7 Raman-mérés Lézer Minta Gerjesztés monokromatikus fénnyel (lézer) A gerjesztő fény hullámhossztartományának kiszűrése a szórt fényből Hullámhossz Szűrő Hullámhossz A szórt fény spektrumának mérése a gerjesztő fényétől különböző hullámhosszakon Spektrométer Hullámhossz A Raman-spektrum ábrázolása az X-tengelyen relatív hullámszámokban történik A spektrum X-tengelye nem függ a gerjesztő hullámhossztól.

8 Raman-spektroszkópia Hexaklór-benzol Gerjesztés monokromatikus fénnyel (lézer) A gerjesztő fény hullámhossztartományának kiszűrése a szórt fényből A szórt fény spektrumának mérése a gerjesztő fényétől különböző hullámhosszakon A Raman-spektrum ábrázolása az X-tengelyen relatív hullámszámokban történik A spektrum X-tengelye nem függ a gerjesztő hullámhossztól. Raman intenzitás, t.e. Raman eltolódás, cm -1

9 Alkalmazások A normálrezgésekkel kapcsolatos információk Összetétel Szerkezeti paraméterek Izotópok jelenléte Szennyezők jelenléte Kémiai reakciók követése Ásványok azonosítása Biológiai minták Hőmérsékletmérés Belső feszültség mérése Journal of Raman Spectroscopy címkefelhő

10 Polimerizációs kinetika vizsgálata Gamma-sugárzással inicializált gyökös polimerizáció dietilén-glikol-dimetakrilát (DEGDMA) különböző oldószerekben. aceton Dose, kgy Raman intensity [a.u.] etanol Raman shift [cm -1 ] A monomerkeverék Raman-spektruma különböző dózisokkal való besugárzás után. 1 etil -propionát

11 Polimerizációs kinetika vizsgálata Gamma-sugárzással inicializált gyökös polimerizáció dietilén-glikol-dimetakrilát (DEGDMA) különböző oldószerekben. O O O Dose, kgy O DEGDMA O Raman intensity [a.u.] Raman intensity (a.u.) ν C-C ν C=C Raman shift [cm -1 ] A monomerkeverék Raman-spektruma különböző dózisokkal való besugárzás után Raman shift (cm -1 ) C=C rezgés 1640 cm -1 C C rezgés 1458 cm -1

12 M. Veres et al. IAEA RCM Report (2010) 101 Polimerizációs kinetika vizsgálata Konverzió meghatározása Raman-spektroszkópiával. I 1640 (a.u.) Raman-spektroszkópia Dose (kgy) MetOH EtOH PrOH EtAc Acetone

13 M. Veres et al. IAEA RCM Report (2010) 101 Polimerizációs kinetika vizsgálata Konverzió meghatározása Raman-spektroszkópiával Raman-spektroszkópia 100 Referenciamérés I 1640 (a.u.) Dose (kgy) MetOH EtOH PrOH EtAc Acetone Conversion [%] MetOH EtOH PrOH EtAc Acetone Dose [kgy] Jó korreláció a két módszerrel kapott eredmények között

14 X. Wu et al., Microelectronics Journal 38 (2007) 87. Belső feszültség mérése A belső feszültség atomi szinten összefügg a kötésszögek és kötéstávolságok megváltozásával, ami hatással van a Ramanspektrumra is, és a sávok eltolódását okozza. Si esetében: σσ MMMMMM = CC SSSS ωω Kisebb hullámszámok felé húzófeszültség. Nagyobb hullámszámok felé nyomófeszültség.

15 Belső feszültség mérése A belső feszültség atomi szinten összefügg a kötésszögek és kötéstávolságok megváltozásával, ami hatással van a Ramanspektrumra is, és a sávok eltolódását okozza. Kisebb hullámszámok felé húzófeszültség. Nagyobb hullámszámok felé nyomófeszültség. 522,0 521,5 521,0 Raman intenzitás [t.e.] 520,5 520,0 519,5 519,0 518,5 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Pozíció (mm)

16 Belső feszültség mérése A belső feszültség atomi szinten összefügg a kötésszögek és kötéstávolságok megváltozásával, ami hatással van a Ramanspektrumra is, és a sávok eltolódását okozza. Stress (MPa) ,5 1,2 0,9 0,6 0,3 0,0 Position (mm) Raman intenzitás [t.e.] 522,0 521,5 521,0 520,5 520,0 519,5 519,0 518,5 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Pozíció (mm)

17 Időkapuzott Raman-spektroszkópia Számos mintában a Raman-szórással egyidejűleg fotolumineszcencia is fellép, ami elfedheti a Raman-sávokat. A fotolumineszcencia zavaró hatása a gerjesztő lézer hullámhosszának megváltoztatásával általában kiküszöbölhető.

18 Időkapuzott Raman-spektroszkópia Számos mintában a Raman-szórással egyidejűleg fotolumineszcencia is fellép, ami elfedheti a Raman-sávokat. A fotolumineszcencia zavaró hatása a gerjesztő lézer hullámhosszának megváltoztatásával általában kiküszöbölhető. A Raman-szórás a gerjesztéssel egy időben fellépő folyamat, míg a fotolumineszcencia késleltetett. Intenzitás Gerjesztés Raman-jel Fluoreszcencia Impulzuslézer használatával és a mérési időnek az impulzus időtartamára történő korlátozásával a Raman-jel leválasztható a fotolumineszcencia háttérről. Idő

19 Időkapuzott Raman-spektroszkópia Számos mintában a Raman-szórással egyidejűleg fotolumineszcencia is fellép, ami elfedheti a Raman-sávokat. A fotolumineszcencia zavaró hatása a gerjesztő lézer hullámhosszának megváltoztatásával általában kiküszöbölhető. A Raman-szórás a gerjesztéssel egy időben fellépő folyamat, míg a fotolumineszcencia késleltetett. Impulzuslézer használatával és a mérési időnek az impulzus időtartamára történő korlátozásával a Raman-jel leválasztható a fotolumineszcencia háttérről. Mérési időkapu Intenzitás Idő Gerjesztés Raman-jel Fluoreszcencia

20 Időkapuzott Raman-spektroszkópia Számos mintában a Raman-szórással egyidejűleg fotolumineszcencia is fellép, ami elfedheti a Raman-sávokat. A fotolumineszcencia zavaró hatása a gerjesztő lézer hullámhosszának megváltoztatásával általában kiküszöbölhető. A Raman-szórás a gerjesztéssel egy időben fellépő folyamat, míg a fotolumineszcencia késleltetett. Impulzuslézer használatával és a mérési időnek az impulzus időtartamára történő korlátozásával a Raman-jel leválasztható a fotolumineszcencia háttérről.

21 Időkapuzott Raman-spektroszkópia Alkalmazások - Fluoreszcens festékek - Ásványok - Biológiai objektumok - Polimerek - Magas hőmérsékletű Raman-mérések - Kombinálható fluoreszcencia és fluoreszcencia-élettartam mérésekkel is Laktóz Időkapuzott Normál Raman Zucker et. al, Amer. Mineralogist 94 (2009) MgSiO3-En Raman-vizsgálata 1522 K hőmérsékletig

22 Térben eltolt Raman-spektroszkópia Optikailag átlátszatlan vagy diffúz réteges minták felület alatti szerkezete Ramanspektroszkópiával nehezem vizsgálható. A normál, visszaszórt Ramanspektrum csak felület Raman-jelét tartalmazza.

23 Térben eltolt Raman-spektroszkópia Optikailag átlátszatlan vagy diffúz réteges minták felület alatti szerkezete Ramanspektroszkópiával nehezem vizsgálható. A normál, visszaszórt Ramanspektrum csak felület Raman-jelét tartalmazza. A detektornak a gerjesztés helyétől történő eltolásával a mért Ramanspektrumban egyre nagyobb lesz az alsóbb rétegekből származó szórási járulék. Ebből meghatározható az alsóbb rétegek összetétele.

24 Térben eltolt Raman-spektroszkópia Optikailag átlátszatlan vagy diffúz réteges minták felület alatti szerkezete Ramanspektroszkópiával nehezem vizsgálható. A normál, visszaszórt Ramanspektrum csak felület Raman-jelét tartalmazza. A detektornak a gerjesztés helyétől történő eltolásával a mért Ramanspektrumban egyre nagyobb lesz az alsóbb rétegekből származó szórási járulék. Ebből meghatározható az alsóbb rétegek összetétele. Az eltolt detektor a közegben szóródott (diffundált) Ramanfotonokat érzékeli.

25 Térben eltolt Raman-spektroszkópia Alkalmazások - Biztonságtechnika - Gyógyszerkutatás - Minőségbiztosítás - Orvosdiagnosztika - Bűnüldözés Paul W. Loeffen, Proc. of SPIE, 2011

26 Felületerősített Raman-szórás (SERS) A gerjesztő vagy a szórt fény erősítése fém nanorészecskék vagy nanoszkópikus érdességű fémfelületek felületi plazmonjai által. A Raman-jel mértékű erősítése Az erősítés a fémfelülettől való távolsággal gyorsan nő (~r -10 ). A felületerősítés nem csak a Ramanszórással működik. K. Kneipp et al., Surface Enhanced Raman Scattering, Springer, 2006

27 SERS-aktív anyagok Arany, ezüst, réz Nanorészecskék és nanoszkópikus érdességgel rendelkező felületek A felületerősítés hullámhossztartományát a SERS-aktív felület plazmon-spektruma határozza meg A SERS-aktív felület méretének, alakjának stb. módosításával a plazmonikus jellemzők befolyásolhatók Arany nanorészecskék Aranybevonatos felületi struktúrák Képek:

28 SERS-aktív felületek Izotróp és anizotróp maratással szilíciumba mart, aranyozott struktúrák. P1 P2 A felületekkel mért SERS-spektrumok KP1 KP2 RAMAN intensity P2 KP1 P1 K2 K1 KP RAMAN shift, cm -1 SERS-erősítések K1 K2

29 SERS-aktív felületek Optikailag átlátszó, szén-nitrid alapú SERS-felület Szén-nitrid réteg + Si eltávolítása Transmittance (%) Wavelength (nm) Átfolyásos SERS-hordozó, szilícium-szigetelő-szilícium szerkezetből

30 A SERS hordozók alkalmazása Szelektív érzékelés felületi funkcionalizálással Biológiai objektumok rögzítése és vizsgálata Átfolyásos SERShordozón megkötött fluoreszcens mikrogömbök

31 Alkalmazások Nanoszerkezetek (nanogyémánt, szilícium-karbid) Biológiai objektumok (vírusok, baktériumok, proteinek) Vékonyrétegek (amorf szén, kalkogenidek) Raman intensity [a.u.] F NS F NS F Sertés parvo vírus Proteinek Raman shift (cm -1 ) 50µm NS Parvo vir. Ref F SiC Baktériumok

32 Koherens Raman-szórás A molekula rezgési állapotba történő gerjesztését külső elektromágneses terek stimulálják (a normál Ramanszórás spontán folyamat) Spontán Raman Stimulált Raman Koherens anti-stokes Raman-szórás gerj. áll. virtuális állapotok SRS stimulált Raman-szórás, kéthullám keverés CARS koherens anti-stokes Ramanszórás, négyhullám keverés Gerjesztés Stokes Pumpáló Stokes Kimenet Pumpáló rezg. áll. alapáll. Több nagyságrenddel érzékenyebb, mint a spontán Raman-szórás SRG Stimulált Raman növekmény SRL Stimulált Raman veszteség

33 Koherens Raman-szórás A molekula rezgési állapotba történő gerjesztését külső elektromágneses terek stimulálják (a normál Ramanszórás spontán folyamat) Spontán Raman Stimulált Raman Koherens anti-stokes Raman-szórás gerj. áll. virtuális állapotok SRS stimulált Raman-szórás, kéthullám keverés CARS koherens anti-stokes Ramanszórás, négyhullám keverés Gerjesztés Stokes Pumpáló Stokes Kimenet Pumpáló rezg. áll. alapáll. Több nagyságrenddel érzékenyebb, mint a spontán Raman-szórás SRG Stimulált Raman növekmény SRL Stimulált Raman veszteség

34 SRS gerjesztési sémák Gerjesztés Gerjesztés Kimenet Keskenysávú gerjesztés - mérés egyetlen Raman-hullámszámon - egy detektor Többsávos gerjesztés - mérés több Raman-hullámszámon - külön detektálás mindegyik csatornához Multiplex gerjesztés - mérés egy Raman-hullámszám-tartományban - monokromátoros detektálás C.W. Freudiger et al. Nature Photonics 5 (2011) 103

35 Liao et al. Sci. Adv. 2015;1:e Élő szervezetek vizsgálata SRS-sel Lipidek eloszlásának meghatározása élő Caenorhabditis elegans fonalajféregben Mérés x 512 képpont µs/képpont - 30 mp felvételi idő Kék Oleinsav Lila Sztearinsav Sárga Proteinek

36 Gyógyszer-felszívódás vizsgálata Retinolsav és dimetil-szulfoxid bőrben történő felszívódásának vizsgálata a vegyületek SRS-jele alapján Piros Bőr lipidjei Zöld Dimetil-szulfoxid Kék Retinolsav Min et al. Annu. Rev. Phys. Chem :507 30

37 Biológiai folyamatok követése Vörösvérsejtek mozgásának valós idejű követése a karakterisztikus SRScsúcsuk alapján kapilláris véredényben. Forrás: Xie Group, Harvard University

38 Biológiai folyamatok követése Vörösvérsejtek mozgásának valós idejű követése a karakterisztikus SRScsúcsuk alapján kapilláris véredényben. Sejtosztódás monitorozása SRS-mikroszkópiával. Piros DNS Kék Proteinek Zöld - Lipidek Forrás: Xie Group, Harvard University

39 Saját SRS-fejlesztés

40 HOPG felület SRS-térképe (G sáv) SRS + kétfotonos lumineszcencia HOPG felület optikai mikroszkópos képe Kétfotonos gerjesztésű lumineszcencia

41 KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!