A Raman spektroszkópia új alkalmazásai Veres Miklós MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, veres.miklos@wigner.mta.hu
Vázlat A Raman-szórás Időkapuzott Raman-spektroszkópia Térben eltolt Raman-spektroszkópia Felületerősített Raman-szórás Stimulált Raman-szórás
A Raman-szórás C.V. Raman A new radiation, Indian J. Phys. 2 (1928) 387-398 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
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
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.
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
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.
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
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
Polimerizációs kinetika vizsgálata Gamma-sugárzással inicializált gyökös polimerizáció dietilén-glikol-dimetakrilát (DEGDMA) különböző oldószerekben. aceton Dose, kgy Raman intensity [a.u.] 16 8 4 etanol 500 1000 1500 2000 Raman shift [cm -1 ] A monomerkeverék Raman-spektruma különböző dózisokkal való besugárzás után. 1 etil -propionát
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.] 16 8 4 1 Raman intensity (a.u.) ν C-C ν C=C 500 1000 1500 2000 Raman shift [cm -1 ] A monomerkeverék Raman-spektruma különböző dózisokkal való besugárzás után. 1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700 1750 1800 Raman shift (cm -1 ) C=C rezgés 1640 cm -1 C C rezgés 1458 cm -1
M. Veres et al. IAEA RCM Report (2010) 101 Polimerizációs kinetika vizsgálata Konverzió meghatározása Raman-spektroszkópiával. I 1640 (a.u.) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Raman-spektroszkópia 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Dose (kgy) MetOH EtOH PrOH EtAc Acetone
M. Veres et al. IAEA RCM Report (2010) 101 Polimerizációs kinetika vizsgálata Konverzió meghatározása Raman-spektroszkópiával. 0 10 Raman-spektroszkópia 100 Referenciamérés I 1640 (a.u.) 20 30 40 50 60 70 80 90 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Dose (kgy) MetOH EtOH PrOH EtAc Acetone Conversion [%] 80 60 40 20 0 MetOH EtOH PrOH EtAc Acetone 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Dose [kgy] Jó korreláció a két módszerrel kapott eredmények között
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.
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)
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) 800 600 400 200 0-200 -400-600 -800 1,5 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)
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.
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
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
http://www.timegated.fi 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.
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) 1638 1646 MgSiO3-En Raman-vizsgálata 1522 K hőmérsékletig
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.
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.
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. http://www.stfc.ac.uk
Térben eltolt Raman-spektroszkópia Alkalmazások - Biztonságtechnika - Gyógyszerkutatás - Minőségbiztosítás - Orvosdiagnosztika - Bűnüldözés Paul W. Loeffen, Proc. of SPIE, 2011
Felületerősített Raman-szórás (SERS) A gerjesztő vagy a szórt fény erősítése fém nanorészecskék vagy nanoszkópikus érdességű fémfelületek felületi plazmonjai által. A Raman-jel 10 6 10 10 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
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: https://nanocomposix.eu
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 KP2 500 1000 1500 2000 RAMAN shift, cm -1 SERS-erősítések K1 K2
SERS-aktív felületek Optikailag átlátszó, szén-nitrid alapú SERS-felület Szén-nitrid réteg + Si eltávolítása Transmittance (%) 60 40 20 0 200 300 400 500 600 700 800 900 Wavelength (nm) Átfolyásos SERS-hordozó, szilícium-szigetelő-szilícium szerkezetből
A SERS hordozók alkalmazása Szelektív érzékelés felületi funkcionalizálással Biológiai objektumok rögzítése és vizsgálata Átfolyásos SERShordozón megkötött fluoreszcens mikrogömbök
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. 1200 1400 1600 1800 2000 F SiC Baktériumok
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
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 http://mcb.berkeley.edu/labs2/robey/content/2-photon-imaging
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
Liao et al. Sci. Adv. 2015;1:e1500738 Élő szervezetek vizsgálata SRS-sel Lipidek eloszlásának meghatározása élő Caenorhabditis elegans fonalajféregben Mérés - 512 x 512 képpont - 114 µs/képpont - 30 mp felvételi idő Kék Oleinsav Lila Sztearinsav Sárga Proteinek
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. 2011. 62:507 30
Biológiai folyamatok követése Vörösvérsejtek mozgásának valós idejű követése a karakterisztikus SRScsúcsuk alapján kapilláris véredényben. Forrás: Xie Group, Harvard University
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
Saját SRS-fejlesztés
HOPG felület SRS-térképe (G sáv) SRS + kétfotonos lumineszcencia HOPG felület optikai mikroszkópos képe Kétfotonos gerjesztésű lumineszcencia
KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!