Infravörös, Raman és CD spektroszkópiabiofizika2.aok.pte.hu/tantargyak/files/szeminarium2/2010-2011/... · q Egy cirkulásrisan polarizált fénysugár, ha áthalad a mintán

Infravörös,

Raman és CD

spektroszkópia

• Az EM sugárzásabszorbcióján alapszik:

– látható(leggyakrabban kvantitatív)

– UV

– IR (inkább kvalitatív)

– RAMAN

– ESR(mikrohullám)

– NMR(rádióhullám)

Spektroszkópia

• Fény emisszióján alapszik:

– Fluor-, foszforeszcencia

• Más mechanizmusokon

alapszik:• Fényszórás

• Röntgendiffrakció:

Fehérjék 3D-s

szerkezete

• ORD (optical

rotatory dispersion)

(2D-s)

• CD (circular

dichroism)

Atomok elektronjainak energiaszint-rendszere

Atomi spektrumok

E1

E2

h = E2 E1 h = E2 E1

frekvencia

inte

nzit

ás

Molekulák sávos színképének okai

rezgés (vibráció) forgás (rotáció)

http://en.wikipedia.org/wiki/Infrared_spectroscopy

Molekulák energiaszintjei

Eössz = Eelektron + Erezgési + Eforgási

rezgési energia:

kvantált!

Erezgési = (v+1/2)

v = 0, 1, 2, ...

forgási energia:

kvantált!

Eforgási = B·J(J+1)

J = 0, 1, 2, ...

elektronátmenet

energiája: kvantált!

Eelektron ~ -1/n2

n = 1, 2, 3, ...

Jablonsky-féle termséma

Az elektromos (S0, S1, ...) és az azokra ráépülő vibrációs-,

valamint rotációs energiaszintek sematikus ábrája

• Az egyes energiaszintek anulla energiaszint alattvannak.

• Minden vízszintes vonal amolekula egy jól definiáltenergiájú állapotátreprezentálja.

• Alapállapotban: az e- az S0valamely vibrációs-rotációsszintjén található.S0

S1

0

En

erg

ia

S2

vibráció

s szintek

rotációs

szintek

S0

S1

Az energiakülönbségek nagyságrendje:

Eelektromos ~ 1000 * Evibrációs ~ 1 000 000 * Erotációs

Az energiaszintek

Alapszint

Vibrációs szintekS0

S1

S2

IR

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.

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- 1000 m

– Molekulaforgásokat gerjeszt: mozgás infó

A1 A2

Infravörös spektroszkópia

A sugárzás energiája (frekvenciája) = a kötés vibrációs energiájával (frekvenciájával)

rezgő kémia kötés

Abszorpció

• 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.

A vizsgálandó mintát besugározzuk az infravörös sugárzás tartományába eső

elektromágneses sugárzással és ennek valamilyen változását mérjük.

Infravörös spektroszkópia

• különböző molekuláris rezgéseket vizsgál

• az abszorbció függ a funkciós csoportoktól és amolekula 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 IR-

abszorbeáló (pl. az etilén C=C kettős kötésének nyúló-összehúzódó

rezgése)

• Besugárzás (monokromatikus IR sugár),

• Abszorbció (elnyelés), molekula-

szerkezetének megfelelően

• De nem tetszőlegesen, hanem

kvantáltan!

• Abszorbciós sáv

.

• Spektrum

A kapott spektrum az adott anyag

ujjlenyomatszerű azonosítására alkalmas.

Infravörös spektroszkópia

Transzmittancia, abszorbancia spektrumok

AT

4000 3000 2000 10000,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

4000 3000 2000 10000,0

0,1

0,2

1cm/~

IR spektrum

x-tengely

• a hullámhossz-tartomány jellemzően 2 - 15 µm, 660-5000 1/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

Az IR-spektrum tartományai

Kettős

kötések

(2000-1500)

Hármas

kötések

(2500-2000)

Kötések H-hez

(X–H)

(4000-2500 cm-1)

Az infravörös sugárzás tartományokra osztása

Középső vagy

analitikai IR

(MIR)Távoli IR (FIR)Közeli IR (NIR)

Látható

(VIS)

Mikrohullám

(MW)

12 500 4 000 400 20 n ( cm1)~

nagyamplitudójú rezgések,

fémkomplexek, fémorganikus

mol. rezg., kismolekulák

forgása,

rácsrezgések

rezgési felhangokJelenség szerves molekulák

alaprezgései

Optikai

elemek

(ablakok,

lencsék,

mintatartók)

kvarcüveg

↓

üvegszáloptika

használatának

lehetősége

Ionrácsos anyagok:

KBr, NaCl, CsCl,

CaF2, ZnSe,

KRS5 (TlBr/TlI)

Si, Ge

polietilén

Alkalmazás minőségi analízis,

szerkezeti információ

elsősorban

szerkezeti információelsősorban mennyiségi

analízis

(pl. műanyag-,

élelmiszeripar)

Sir Venkata Raman

(1888-1970) – fizikai

Nobel-díj 1930

Raman-spektroszkópia

Elektromágneses sugárzás

(látható fény, laser)

Minta

Szórás

De milyen szórás????

http://en.wikipedia.org/wiki/Chandrasekhara_Venkata_Raman

minta

minta

Rayleigh

Raman

Raman-spektroszkópia

http://en.wikipedia.org/wiki/Chandrasekhara_Venkata_Raman

minta

minta

Rayleigh - rugalmas

Raman - rugalmatlan

• detektált fényintenzitás: csökken

(geometria!)

• irány: változik !!!

• kvantumszám: változatlan

• energia, frekvencia: változatlan

• detektált fényintenzitás: változhat

(hullámhossz függő érzékenység!)

• irány: változatlan (maradhat)

• kvantumszám: változatlan

• energia, frekvencia: változik !!!

Raman-spektroszkópia

I

h0 h(0+ 1)h(0- 1)

A Raman-spektroszkópia segítségével a tisztán vibrációs

vagy rotációs szinteket tudjuk tanulmányozni.

h(0+ 1)h(0- 1)

Raman szórás

Stokes

anti-Stokes

Stokes anti-Stokes

Raman eltolódás

IR abszorpció

• Monokromatikus fénnyel (ultraibolya, látható vagy

közeli infravörös tartományba eső lézer sugárral)

besugározzuk az analizálandó mintát és a frekvencia-

változással szóródott fényt használjuk

anyagazonosításra.

• Miként az IR spektroszkópia, ez is alkalmas mennyiségianalízisre.

• Raman-spektroszkópia csak a lézer felfedezése utánkezdődhetett.

Raman-spektroszkópia

Raman spektrumok – Szén

gyémánt

egykristály

(sp3 1332 cm-1)

szénszál

„grafit” csúcs

(sp3 1583 cm-1)

Raman spektrumok – Műanyagok

Polisztirén

(CD tok)Polikarbonát

(CD)

Raman spektrumok – Ribonukleáz A

Raman spektrumok - Kokain

Raman spektrumok és képek - Drogok

• 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

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

Raman spektroszkópia - Előnyök

Összehasonlítás

Aszimmetrikus, poláros kötések

IR-aktívak,

• O-H (víz mérése)

• =C-H

• C=O

• C-Cl

• C-O-C

• (C-)NO2

Szimmetrikus és homopoláros kötések

Raman-aktívak, pl.

• C=C

• C=C

• C=S

• C-Cl

• O-O

• A Raman-analízis előnye, hogy az anyagokat vizes oldatokban is lehet vizsgálni. (IR erősenabszorbeálódik a vízben)

• IR és Raman spektroszkópia egymást kiegészítő technikák.

Síkban (lineárisan) polarizált hullámok

Cirkuláris Dikroizmusspektroszkópia

Két egymásra

merőlegesen

polarizált

síkpoláros fény

eredője: egy

átlósan

polarizált

síkpoláros fény.

Cirkuláris (elliptikus) polarizáció

Két

egymáshoz

képest

ellentétesen

forgó

polarizációjú

cirkulárisan

poláros fény

eredője: (ha a

forgási

sebesség

egyenlő) egy

síkban

polarizált

fény lesz.

q

Egy cirkulásrisan

polarizált fénysugár, ha

áthalad a mintán

megváltozik a

hullámhossza és az

amplitúdója is.

Így két cirkulárisan

polarizált fény eredője

(síkban poláros fény)

íránya, síkja is

megváltozik. Ez az

ORD otikai rotációs

diszperzió.

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.

Q = arctgb/a

• Cirkulárisan polarizált fényt (jobbra és balra forgó)használ.

• Optikailag aktív anyagokat vizsgálhatunk (optikaiizoméria, kiralitás)

• A CD spektroszkópiában az ellipticitást () mérik.

• A az abszorpciók eltérése a jobb- és balra- forgókomponensekre nézve.

• A CD spektrum az ellipticitást mutatja a hullámhosszfüggvényében.

• A fehérjék másodlagos (l-hélix, b-redő, random coil -szerkezet nélküli) szerkezetéről ad információt.

• Nukleinsavak feltekeredett (helikális szerkezetű) formájáraérzékeny

Cirkuláris Dikroizmusspektroszkópia

spektrumC D

Vége!