Ramanova spektroskopie C6250 Metody chemické výzkumu Zdeněk Moravec, A12/316, hugo@chemi.muni.cz Os nova ► ► ► ► 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 2/28 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- 3/28 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. 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 13/28 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/ftirtechnology.html 31 ^^O- 14/28 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. 16/28 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_device r3i 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/staff/laurence/reseaimh/Rí^lHomeThtm = I 1OQ> 22 / 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 Bruker Equinox IFS 55/S s Ramanovým nástavcem FRA 106/S 27/28 Mikro-ramanovský spektrometr Horiba - Labram HR Evolution - UGV ► http://ugv.cz/pracoviste-ramanovy-spektroskopie/