(teorie a praxe) Vibrační spektroskopie D. Hemzal F3250 Moderní témata ve fyzice kondenzovaných látek, podzim 2021 Infračervená absorpční spektroskopie (n, dipólový moment m) Ramanská spektroskopie (Dn, polarizovatlenost a) https://www.researchgate.net/profile/Mohammad-Jafari-29 Vibrace CO2  počet a typ vibrací je dán symetrií molekuly  vibrační frekvence jsou dány vlastními hodnotami dynamické matice v okolí rovnovážné polohy nepružný rozptyl světla (Smekal 1923) energie fotonů zpravidla předána látce Raman, Krishnan 1928 (Nobelova cena 1930), nezávisle Landsberg, Mandelstam 1928 rubínový laser (Maiman 1960), předpovězeno Einstein 1917  široce aplikovatelná spektroskopie (kapaliny, plyny, krystaly) s charakteristickými otisky materiálů  reaguje na uspořádání zkoumané látky prostřednictvím interakce světla s rovnovážnými vibracemi jejích atomů  velmi slabý jev (rozptýlí se asi jeden foton z milionu)  nutnost precizní detekce rozptýlených fotonů (vlnová délka téměř nezměněna) © University of Bristol lasery monochromátor fokusace ramanský filtr beam expander detektor Renishaw inVia    n 11 cm/1 laser D Ramanův rozptyl vliv fosforylace serinu na ramanské spektrum dopadající elmag. vlna: odezva atomů: indukovaný elektrický dipólový moment : polarizovatelnost spojená s vibrací: výběrová pravidla pro Ramanův rozptyl prvního řádu: tEE cos0        tutu 2 210 aaaa tutu  cos)( 0  ttuEtEttuEtEEP )cos()cos( 2 1 coscoscoscos 0010000100  aaaaa    Kkk   nepružný rozptyl světla na kmitech molekul či krystalové mříže Ramanův rozptyl Ramanův rozptyl počet vibrací N-atomové molekuly: 3N-6 (-translace a rotace) (3N-5 pro lineární) Počet vibrací v krystalu: 3N-3 (-translace) s N atomy v elementární buňce Si LO TO LA TA L G X L G X E[meV] = 4.135 f[THz] struktura diamantu Ramanův rozptyl počet vibrací N-atomové molekuly: 3N-6 (-translace a rotace) (3N-5 pro lineární) Počet vibrací v krystalu: 3N-3 (-translace) s N atomy v elementární buňce Si LO TO LA TA L G X L G X E[meV] = 4.135 f[THz] struktura diamantu Kkk   světlo:  = c k Si 2x Si ? ? laser ? mion 514 nm 573 nm 803 nm 956 nm ztráta citlivosti detektoru odhad polohy vibrace: m k  © University of Bristol edge/notch filtr štěrbina mřížka CCD (mikro) Ramanský spektrometr Renishaw inVia, detail optické cesty 514 nm RazorEdge® ultrasteep long-pass edge filter, SEMROCK • Laser Wavelength = 514.5 nm • 97 cm-1 transition • Tavg > 93% 517.8 – 1160.5 nm Custom sizing available in less than a week (sizing fee applies). Part # LP02-514RE-25 $995 hloubka ostrosti délka difrakčního tunelu: šířka difrakčního tunelu: 22 1 4 1 DZ l   ZD d 1 3 1   ideální optický systém: bodový předmět  bodový obraz v okolí obrazu se paprsky rozbíhají v kuželu, jehož úhel závisí na velikosti apertury reálný optický systém: bodový předmět  difrakční stopa kvůli konečná velikosti apertury je světlo fokusováno do tunelu válcového tvaru paprsky v okolí clona ohniska c = f/d pro objektiv Z=20x : nm550mm,2mm,250 D D m6.4m,86 mm  dl intenzita ramanského rozptylu úměrná počtu vazeb v difrakční stopě operace se spektry - rozklad vibračních pásů výpočet druhé derivace představuje jednorozměrné zjednodušení analýzy laplasiánu skalárního pole. dá se ukázat, že důsledek: záporně vzatá druhá derivace změřeného spektra v oblasti pásu AMIDE udá návrh počtu a polohy píků k rozkladu -mapuje křivost spektra, čímž rozpoznává i píky, se kterými není spojen lokální extrém ve spektru -zeštihluje píky již ve spektru přítomné – například gaussovský pík zhruba třikrát, přičemž jej vybaví charakteristickými postranímy zákmity ])1[][2]1[(][*  iyiiyiy ramanské spektrum (částečně fosforylovaného) CTD a jeho záporná druhá derivace návrh rozkladu pásu Amide I: 2 píky (+ pozadí) operace se spektry - faktorizace předpokládejme spektrum , které chceme rozložit na známé komponenty optimálním způsobem: , přičemž z podmínky dostáváme ][ky ][kxi   I i ii kxaky 1 ][][ min][][ 1 2 1          K k I i ii kxaky      j Y kxky ij X kxkxaIj K k j I i K k jii     11 1 ][][][][:..1 pokud by spektra byla ortogonální, , byl by rozklad prostou projekcí , v obecném případě je třeba řešit vzniklou soustavu rovnic . před rozkladem spektra je nutné odstranit případnou luminiscenci, je vhodné vyloučit problematické oblasti (Rayleighův rozptyl apod) ijijX  jj Ya  j i iji YXa  ramanská spektra (částečně fosforylovaného) CTD a jeho aminokyselinových konstituentů vzájemná analýza ramanských spekter Ramanské mapování Ramanská mapa grafitové šupiny Moderní vybavení umožňuje specifický typ měření a jeho zobrazení – tzv. ramanské mapy: Vzorek je automaticky změřen na mnoha místech a vybraným nalezeným píkům jsou přiřazeny barevné odstíny, jejichž sytost odpovídá výšce píku. Pokud obraz složíme, vypovídací hodnota barevného tónování napy je pro nás vysoká. Povrchově zesílená ramanská spektroskopie © University of Bristol lasers monochromator fokusation raman filter beam expander cukr v čaji: 93 mM 1 čajová lžička (8 g sacharózy C12H22O11 , 342.3 g/mol) v 250 ml čaje kofein v coca-cole: 0.494 mM 96 mg/l, purinový (tri methyl xanthine) alkaloid C8H10N4O2, 194.19 g/mol serotonin v krevní plazmě: ~ 1 uM neurotrasmiter, vnímání dostupnosti zdrojů, 176.215 g/mol albumin v krevním séru: 0.63 mM cca 2/3 krevních bílkovin, 35-50 g/l, 67 kDa, kódován 609 amino kyselinami, 585 zůstává ve finálním produktu (prvních 24 aminokyslein tvoří signální část genu) ALE: koncentrace alaninu z albuminu: 38.7 mM (61 alaninů ve finálním produktu) A: koncentrace ‘proteinové páteře’ z albuminu: 0.37 M limit konvenční ramanské spektroskopie: ~ 1 M limit mikroramanské spektroskopie v kapilárách: ~ 1 mM Ramanův rozptyl - koncentrace LFIEF (local field intensity enhancement)   0 LFIEF E rE r    plazmonová rezonance Kovové matriály vykazují v těsné blízkosti svých povrchů zesílení elektrického pole dopadajících elmag vln. používané materiály: Ag – největší zesílení Au – nejstabilnější Cu, Sn, grafen.. SERS poprvé pozorován na zdrsněných stříbrných elektrodách Poloha a síla plazmonové rezonance závisí na optických konstantách kovu. příprava nanočástic kvůli biokompatibilitě preferujeme jako rozpouštědlo vodu: Au - citrátová redukce HAuCL4 při varu (Turkevich) - sférické, průměr cca 15 nm - excitace 633 nm Ag - citrátová redukce AgNO3 s leptacím činidlem za pokojové teploty - trojhrany 15-60 nm, řiditelně - excitace 514nm, 633 nm - oba druhy nanočástic pasivovány citrátem, nesou na povrchu záporný náboj - připravené koloidní roztoky stabilní po dobu týdnů/měsíců agregace nanočástic vede k dalšímu navýšení zeílení řízené srážení nanočástic – MgSO4, NaCl, .. Au NP on graphite Ag NP on graphite Ag NP + MgSO4 aggregation Ag NP + R6G v některých případech lze s výhodou agregovat přímo analytem rhodamine 6G SERS rhodamine 6G SERS observed raman scattering intensity enhancement: 50 000x Rhodamine detection limit: 10 nM astigmatism mending: - immersion - square capillaries cylindrical capillaries: different light focusing in different sections -> astigmatism D0||  1rn nn    n n n n 1r 20x lens: focal cylinder focal interval: 9 mm (1mm capillary, K10, water) D330 m6.4m,86 mm  dl raman scattering, capillaries Komerční substráty (SILMECO) umožňují nakápnutí vzorku na povrch. Continuous wavelength tunable Raman spectroscopy TERS – TIP ENHANCED RAMAN SPECTROSCOPY AFM tip as a hot spot same tip + 100 nm AuSi AFM tip, nosse type HCl + ethanole for Au HClO4 + methanole for Ag Au wire, etched Au wire, etched Reflectivity mapping of on-site etched Au STM tip in contact with Au@BK7 substrate at room ambient; the scale bar is 1 um. The inset shows higher resolution measurement overlayed with Raman map revealing the hot spot. Questions?