Ramanova spektroskopie C6250 Metody chemické výzkumu Zdeněk Moravec, A12/316, hugo@chemi.muni.cz ► Základní principy Ramanovy spektroskopie ► Ramanův rozptyl ► Polarizovatelnost ► Ramanovy spektrometry a mikroskopy ► Využití Ramanovy spektroskopie v praxi ► Aplikace ► Chemie ► Restaurování uměleckých předmětů ► Biologie ► Zpracování IR a RA spekter ► Analýza spekter ► Spektrální databáze ► Informace o přístrojovém vybavení UCH o^O 2/33 Ramanův rozptyl ► Při interakci elektromagnetického záření s hmotou může dojít k absorbci, přenosu a rozptylu. ► Rozptyl může být pružný a nepružný. ► Při pružném rozptylu nedochází k výměně energie mezi zářením a hmotou. Tento byl popsán britským fyzikem Lordem Rayleighem, po němž je pojmenován.1 ► Při nepružném rozptylu naopak k výměně energie mezi zářením a hmotou dochází. Tento jev byl popsán v roce 1928 Sirem Chandrasekhara Venkata Ramanem. Pojmenován byl po objeviteli Ramanův efekt nebo Smekalův-Ramanův efekt. Za tento objev obdržel sir Raman Nobelovu cenu za fyziku v roce 1930.2 1http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/atmos/blusky.htm#c2 2http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1930/ raman-lecture.pdf ^^O- 3/33 Ramanův rozptyl ► Ramanův efekt může být popsán jako nepružná srážka fotonu s molekulou, jejímž výsledkem je změna vibračního nebo rotačního stavu molekuly. ► Stokesův rozptyl: vzorek přijme část energie od záření a emituje foton s nižší energií. ► anti-Stokesův rozptyl: vzorek ztratí část energie a emituje foton s vyšší energií. ► Stokesovy linie jsou intenzivnější než anti-Stokesovy. Poměr intenzit je teplotně závislý, čehož lze využít pro měření teploty. * Y = (l-e-tf)e-Tŕ(!ä±L)* ls V / V 1/ — isj J ► Hodnota Ramanova posunu je nezávislá na energii (vlnové délce) použitého laseru. 1Malíšek V.: "Rozptyl světla - nejvšednější jev v přírodě, nebo div moderní optiky?", str. 62-64 4 Ramanův rozptyl Energie -f> 1. excitovaný stav Základní stav Rayleighův rozptyl Stokesův rozptyl anti-Stokesův rozptyl Polarizovatelnost ► Polarizovatelnost popisuje deformovatelnost elektronové hustoty v okolí molekuly působením elektromagnetického záření, nebo přesněji elektrického pole generovaného fotonem. ► Polarizovatelnost je tensor druhého řádu, tzn. že ji lze popsat maticí 3x3. ► Polarizace je ovlivněna několika faktory: ► Čím více elektronů má atom, tím slaběji je k sobě váže a tím je polarizovatelnost větší. ► Čím je elektron více vzdálen od kladného jádra, tím je pohyblivější a zvyšuje polarizovatelnost atomu. ► Orientací molekuly vůči vnějšímu elektrickému poli. https://en.wikipedia.org/wiki/Polarizability 2http://chemwiki.ucdavis.edu/Physical_Chemistry/Physical_Properties_ of_Matter/Intermolecular_Forces/Polarizability 3Animace - polarizovatelnost 4https://en.wikipedia.org/wiki/Tensor 6 Ramanova spektroskopie ► ► ► ► ► ► ► Ramanova spektroskopie je komplementární metodou k infračervené spektroskopii. Citlivost je nižší než v případě IR spektroskopie. Je vhodnější pro nepolární vazby a umožňuje pozorovat vibrace i na nižších vlnočtech (<400 cm-1). Umožňuje snadné měření vodných roztoků (voda poskytuje slabý signál). Aby byla vibrace viditelná v IR spetroskopii, musí během ní docházet ke změně vektoru dipólmomentu molekuly. Aby byla vibrace viditelná v Ramanově spetroskopii, musí během ní docházet ke změně tensoru polarizovatelnosti molekuly. Pokud má molekula střed symetrie, mohou být vibrace aktivní bud' v IR nebo v RA, ale ne v obou zároveň. 7/33 Detektor Spektrometry ► Podle optické soustavy ► Disperzní ► FT-Raman ► Mikroskopy ► Podle vlnové délky laseru ► UV ► VIS ► NIR Disperzní spektrometry LASER < N O -T ("D TT Detektor Monochromator Optická soustava PC FT-RA spektrometry LASER He:Ne LASER Beam splitter < N O 7T Michaelsonův interferometr FT-RA spektrometry The Bruker FRA106 FT-Raman Accessory. The FRA 106 enables the analyst to routinely collect essentially fluorescence-free Raman data without sample preparation. Optical diagram of the FRA T06 FTRaman accessor/ and 1FS 66 bench. ► Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. ► Zesilování světla stimulovanou emisí záření.1 ► První laser byl sestrojen roku 1957, teoreticky byl předpovězen (resp. stimulovaná emise) již roku 1917 Albertem Einsteinem.2 ► Jde o koherentní a monochromatický zdroj záření. ► Koherentní - na dlouhém úseku mezi jednotlivými vlnami paprsku existuje pevná časová a prostorová vazba fáze. ► Monochromatický - obsahuje pouze jednu vlnovou délku. ► Používají se lasery v oblasti UV, VIS a NIR. ► Často používané vlnové délky jsou 457, 532 a 1064 nm. VRBOVÁ, Miroslava. Lasery a moderní optika. Praha : Prometheus, 1994. 474 s. ISBN 80-85849-56-9. 2Zur Quantentheorie der Strahlung >o^O 13/33 Michelsonův interferometr ► Autorem je americký fyzik Albert A. Michelson. ► Skládá se z beamsplitteru a dvou zrcadel. ► Jedno ze zrcadel se pohybuje, konstantní rychlostí, po dráze kolmé k jeho ploše. 1http://blockeng. com/technology/f tirtechnology .Intml ^ ^^O- 14/33 Michelsonův interferometr Beamsplitter (BS) rozděluje paprsek ze zdroje na dva stejné paprsky. Jeden je odražen na nepohyblivé zrcadlo (Zl), od kterého se odrazí zpět. Druhý projde BS a dopadne na pohyblivé zdrcadlo (Z2). Oba paprsky dopadnou zpět na BS, kde interferují a výsledný paprsek je znovu zčásti odražen k detektoru a z části projde BS směrem ke zdroji. Intenzita výsledného paprskuje závislá na rozdílu vzdáleností obou zrcadel od BS. Zl 15/ Monochromator ► Nejčastěji se využívá difrakčnímřížka. ► Rozkládá dopadající světlo na vlnové délky. ► Skládá se z velkého počtu štěrbin nebo vrypů, na nichž dochází k difra kci. ► Hustota vrypů na mřížce je řádově stovky vrypů na centimetr. ► Hustota vrypů a kvalita mřížky ovlivňuje rozlišení naměřeného spektra. 16/33 Detektor ► Jednokanálové detektory (Single-channel) ► Fotonásobič ' ► CCD - Charged Coupled Device3 ► Vícekanálový detektor (Multi-channel). ► Disperzní spektrometry. ► Pracuje za laboratorní teploty nebo pro zvýšení citlivosti (snížení šumu) za teploty kapalného dusíku. ► Parametry CCD (velikost pixelu) určují rozlišení naměřeného spektra. https://en.wikipedia.org/wiki/Photomultiplier Animace fotonásobiče https://en.wikipedia.org/wiki/Charge-coupled_doviceigi i Ramanova mikroskopie ► První Ramanův mikroskop byl vyvinut v 70. letech 20. století. ► Umožňuje nedestruktivně měřit spektra i od větších vzorků. ► Umožňuje velmi přesně zaměření LASERu na požadované místo, příp. i mapování části povrchu vzorku. ► Velmi výhodný pro analýzu uměleckých předmětů, biologických vzorků, a pod. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:InVia_Raman_microscope_-_March_2008.jpg SERS — Surface-Enhanced Raman Spectrometry ► Tento jev byl poprvé pozorován a interpretován roku 1977. ► Technika, umožňující zesílení Ramanová rozptylu na molekulách adsorbovaných na kovovém substrátu. ► Zesílení signálu může být řádově až 1011, tzn. že teoreticky lze detekovat jedinou molekulu. ► Mechanismus není dosud detailně objasněn, pravděpodobně jde o o zesílení vlivem elektrického pole substrátu. ► Využití SERS v praxi ► Detekce extrémně malých množství chemikálií. ► Analýza vzácných uměleckých děl - pro analýzu stačí méně než jig vzorku. Laser Detector Computer Surface modified substrate Raman Spectra of Pyridine Adsorbed at a Silver Electrode 2Surface-Enhanced Raman Spectra of Pyridine and Pyrazine Adsorbed on a Au(210) Single-Crystal Electrode 3Surface Enhanced Raman Scattering Enhancement Factors * ^ Ramanova optická aktivita ► Měřící technika, kdy zaznamenáváme rozdíl v intenzitách Ramanova rozptylu pravo- a levotočivě polarizovaného záření na chirálních molekulách. ► Metodu lze využít pro stanovení enantiomerické čistoty, a to i u směsí několika chirálních látek. ► V současnosti nachází velké využití při studiu struktury biomolekul a jejich chování ve vodných roztocích. 30.000.000 -, 20.000.000- 10.000.000 - -10,000.000- -20.000.000 - -30.000.000 v [cm1] https://en.wikipedia.org/wiki/File:R0A_pinene.PNG 1http: //www. chem. gla. ac. uk/staf f /laurence/research/Ri^Home-. htm - 0«\ 20/ Využití Ramanovy spektroskopie v praxi ► Farmacie, kosmetika ► Rozložení sloučenin v tabletě ► Složení a čistota práškových produktů ► Krystalinita ► Koncentrace aktivních látek ► Geologie ► Identifikace minerálů a drahokamů ► Fázové přechody ► Chování minerálů v extrémních podmínkách ► Polovodičový průmysl ► Čistota ► Analýza defektů ► Fotoluminiscenční mikroanalýza ► Složení slitin ► Přírodní vědy ► Analýza DNA/RNA ► Analýza jednotlivých buněk ► Struktura kostí ► Interakce léčiva s buňkami Analýza uměleckých předmětů ► Spektroskopická analýza uměleckých předmětů je velice důležitá pro konzervátory, historiky umění i sběratele. ► Ramanova spektroskopie a mikroskopie se využívá pro: ► Identifikaci anorganických pigmentů ► Identifikaci organických pigmentů ► Identifikaci pojiv a laků ► Větší předměty, např. nástěnné malby lze analyzovat s využitím optických vláken, aniž by hrozilo jejich poškození.[4] http://www.ndt.net/article/wcndt00/papers/idnl63/idnl63.htm 2Raman spectroscopic database of azo pigments and application to modern art studies 3l_ibrary of FT-Raman spectra of pigments, minerals, pigment media and varnishes, and supplement to existing library of Raman spectra of pigments with visible excitation 4Non-destructive analysis of museum objects by fibre-optic Raman spectroscopy 5The art of Raman >OQ> 22 / Interpretace spekter Oblast otisku prstu - 500 - 1500 (2000) cm'1 ► valenční vibrace většiny anorganických molekul ► deformační vibrace organických molekul - S HCH, S CCH, S COH ► některé valenční vibrace organických molekul v C-C, v C-0 Charakteristické vibrace - poloha spektrálních pásů funkčních skupin je relativně málo závislá na zbytku molekuly, proto je možné jejich vlnočty tabelovat ■š ► 3400 3200 3000 2300 2600 2400 2200 2000 1000 1600 1400 1200 1000 Vlnočet [cm"1] 100 600 400 23/33 nterpretace spekter Iftttcm-t 3500 ^ ' i T-r- 3000 2S00 III I CH.-C METHYL CH,-rr_C' I —ch.-cho O-CHO CHr-CO-ČH,. O-CO-C ..-CO-NH,... ...,-CO-NH—R .„.-CO-NR* 1 I ..CHi—NH, ,>CH-NH, „ONU,.. 4000 cm-' 3500 3000 2500 2000 1800 1600 1400 1200 1000 —l_ 800 J_I_I_u 600 400 -i 2.50. 2.75 3.00 3.25 3.50 3.75 4.00 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 9.0 10 11 12 13 14 15 20 25 Analýza spekter ► Izotopicky obohacené molekuly ► Izotopická substituce usnadňuje interpretaci vibračních spekter ► Nedochází ke změně geometrie molekuly, ale změní se hmotnost atomů a tím i poloha absorpčních pásů ► Analýza vodíkových vazeb ► R-O-H-0 í/(OH) = 3500-2500 cm"1 ► R-O-H í/(OH) = 3700-3600 cm"1 25 20 "S & o -2 o 1000 1500 2000 2500 Wavenumber, cm 3000 1 i / \ I H2° \ \ i ----right ordinate i i - lettordinate i l (\ ji ------left ordinate ) 1 / ^ ! A í / 1 i ! " i ' 1 i \ i 1 / 1 ' ' 1 i ' ' \ / \x5 i ; \ : \' > i ' ' \ ! i 1 \ 1 l i 1 \ 'l 1 N ' / ' 1 \ i \ i 1 \ /-\ / ' \ i \ v ..... 120 100 20 0 4000 2000 2500 3000 Wavenumber, cm'1 3500 Databáze spekter ► sdbs.riodb.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/cre_index.cgi Spectral Database for lmmm Riff^l ^ QgQ n B, ^ Organic Compounds SDBS " ■ ■ .....■ " SDBS Compounds and Spectral Search Compound Name: I- Molecular Formula: _ I C, H. then the other elements era alphabetical order, '%,** for Ilia wild card Molecular Weight: I to | Numbers belween lei end righrt columns Up la the first place of a dscrmal point CAS Registry No.: I "%," for I lie wild card. SDBS No.: I- for I he wild card. Imateri partial ^| Atoms: C(Carbcri) H(Hydrngen) N(Nilrogen) 0(0» jfgen) F(Fluorine) CftChlorine) Bf(Br[>nnirie) l(ledine) S(Sulrur) P(Phosplrorus) Si (Silicon) Numbers between led and right columns. Spectrum: Check the spectra of your interest. r ms r ir r 13c nmr i" Raman r 1H nmr r esr IR Peaksfcnr1): Allowance —+|iö or space is the separator for multiple peaks. IJSS to sel a range:, eg. 550-750,1650 3000- Tran.mittanc. < fšô % 13C NMR SHift(ppm): Allowance I-±P~~ "," is the separator for multiple shifts, eg. 129 3,18.4,... No shift regions:| Range defined by two numbers separated by a space, eg. 110 7S, 1H NMR Shift[ppm): Allowance r -±&— No shift regions:| MS Peaks and intensities: Mass and its intensity are a sel ol data separated by a space, eg. 110 22... Search] Clear | Hit: |_Chtt Sort bj: | Molecular Weighl 2] |Ascending Order fc) National Institute of Advanced Industrial Science and Technology fAlST) ^ i_i ► Databáze spekter ► http://webbook.nist.gov/chemistry/ NIST Chemistry WebBook NIST Standard Reference Database Number 69 View: Search Options, Models and Tools, Special Data Collections, Documentation, Changes, Notes Show Credits NIST reserves the right to charge for access to this database in the future. Search Options top General Searches Physical Property Based Searches • Formula • Name • HIP AC identifier • CAS registry number • Reaction • Author • Structure Ion energetics properties Vibrational and electronic energies Molecular weight •<□► < SP ► < = ► < -E ► ■s "O ^ O' 27/33 Spektrometry na ústavu chemie ► IR spektrometry ► MIR spektrometr Bruker IFS 28 ► FT-IR ( NIR+MIR) spektrometr Bruker Equinox IFS 55/S s Ramanovým nástavcem FRA 106/S ► FT-IR ( NIR+MIR) spektrometr Bruker Tensor 27 s možností měření TG/IR ► ATR Bruker Alpha Platinum ► RA spektrometry ► FT-IR ( NIR+MIR) spektrometr Bruker Equinox IFS 55/S s Ramanovým nástavcem FRA 106/S ► Mikro-ramanovský spektrometr Horiba - Labram HR Evolution MIR spektrometr Bruker IFS 28 29/33 30/33 32/33 Mikro-ramanovský spektrometr Horiba - Labram HR Evolution - UGV ► http://ugv.cz/pracoviste-ramanovy-spektroskopie/