h látek a přírodních ální analýza speciá 3-1

speciáální analýzaa přírodníchh látek

Ramanova Raman ova spe spek ktros trosk kop opie ie

3-1

Ramanova spektroskopie


Ramanova spektroskopie doplňuje rodinu spektrálních metod o metodu založenou na neelastickém rozptylu monochromatického záření. Během tohoto děje se vyměňuje energie mezi fotony a molekulou tak, že rozptýlený foton má vyšší nebo nižší energii, energii než foton původní. původní Rozdíl v energiích je způsoben změnami v rotačních a vibračních energiích molekuly a poskytuje informaci o jejich energiích. Od samého počátku byla teoretická i experimentální práce v oblasti Ramanovy spektroskopie zaměřena na základy studia neelastického rozptylu a aplikaci tohoto jevu na studium molekulární struktury. S průběhem času se Ramanova spektroskopie stala důležitým nástrojem používaným v chemii. Má, nicméně, hodnotu v analytické chemii, v chemii, ve studiu materiálů, ale i v rozvojij spektroskopie p p samé.

3-2

Spektrum elektromagnetického záření a jeho molekulární efekty

velká vlnová délka nízká energie malá lá frekvence f k

energie [kcal/mol]

molekulární efekt ohyb, rozptyl ionizace

10 10-10

„elementární l tá í částice“ čá ti “

10-9

gama paprsky

107

10-8

Rentgenovo záření (X)

105

10-7

vakuová UV

104

10-5

(blízká) UV

103

10-4

viditelné světlo

10

10-3

infračervené záření

1

10-22

terrahertzová h á mezera

10-11

10-1

mikrovlny

10-2

104

radiofrekvenční záření

10-6

„extrémně nízká frekvence“ !3 Hz!

10-8

.

rostooucí frekveence a enerrgie


nízká vlnová délka

rostoucí vllnová délkaa

vysoká energie lká frekvence f k velká

vlnová délka [cm]

excitace elektronů vibrace molekul rotace molekul

změny spinových stavů

1-30

E1

E0  E1  E  h  hc /  E0

h - Planckova konst.  - frekvence c - rychlost světla  - vlnová délka

-34 Js 6,626x10 , s-1 2,997x108 ms-1 m

Planck a Einstein


absorpce b záření ář í v oblasti bl ti UV a viditelného idit l éh světla ětl vyvolává lá á přechody ř h d vazebných b ý ha nevazebných elektronů do vyšších stavů, proces analyzuje absorpční elektronová spektroskopie záření menší energie mění vibrační a rotační stavy molekul, procesem se zabývá vibrační (infračervená) spektroskopie elektromagnetické záření interaguje se spinovým stavem, stavem jev analyzuje jaderná (nukleární) magnetická spektrometrie interakce p polarizovaného světla s chirální látkou zkoumajíj chiroptické metody

1-4


Ramanova spektroskopie se rozvinula v prvé čtvrtině 20. století, kdy byl rozptyl monochromatického záření se změnami frekvence předpovězen teoreticky rakouským k ký kvantovým k ý fyzikem f ik Ad lf Adolfem S Smekalem. k l R Rozptyl lb byll pak k dl dlouho h studován např. Rayleighem (1871), Einsteinem (1910) a dalšími, nikdo ale nezaznamenal změny frekvencí záření s jedinou výjimkou u X-paprsků pozorovaných Comptonem. Prvé pozorování nelastického rozptylu bylo popsáno v Kalkatě Ramanem a jeho spolupracovníkem Krishnanem a téměř ve stejnou dobu Landsbergem a M d l t Mandelstamem v Moskvě M k ě v r. 1928. 1928 Dva D roky k poté té Raman R obržel b ž l za svojiji práci á i Nobelovu cenu a obor spektrometrie byl pojmenován po něm.

SIR CHANDRASEKHARA VENKATA RAMAN *7.11.1888, 7.11.1888, +21.11.1970 21.11.1970

3-5

Nepružné, neelastické (inelastic) srážky (ráz) a rozptyl: je taková srážka, při níž je je část kinetické energie srážejících se těles během srážky přeměněna na vnitřní energii, tzn. kinetická energie alespoň jednoho ze srážejících se těles se nezachovává


Znamená to, že energie alespoň jedné ze zúčastněných částic nezůstane zachována. Konkrétně: Ramanův rozptyl je jev vznikající při interakci mezi fotony dopadajícího světla s atomy, kdy se předává energie vibračním a rotačním stavům atomů nebo molekul, kdy rozptýlené záření má jinou vlnovou délku (resp. (resp energii fotonů) než záření dopadající.

IČ

3-6

Zásadním experimentálním problémem Ramanovy spektroskopie je nízká intenzita záření po neelastickém rozptylu a mnohem vyšší intenzita záření po rozptylu Rayleighově. Tento fakt dlouho omezoval rozvoj Ramanovy spektroskopie a přispěl k rozvoji instrumentace pro tento obor obor.


Ve svých prvých pokusech používali Raman a Krishnan filtrované sluneční záření a detegovali g Ramanovyy linie p pro cca 60 kapalin p ap plynů. y Pozorovali rozptýlené světlo (tj. nikoli světlo procházející vzorkem) vizuálně a používali barevné filtry ke zvýšení optické citlivosti. Prvé solidní spektrum chloridu uhičitého se Stokesovými i anti-Stokesovými liniemi bylo zaznamenáno fotograficky za použití 435,83 435 83 nm Hg excitace bylo publikováno v rr. 1929. 1929 Zajímavé je, že v těchto pionýrských dobách byla Ramanova spektra získávána na mnohem jjednodušších zařízeních, než spektra p infračervená. Důsledkem bylo, y že kolem 1930 byla IČ spektra často doplňována Ramanovými, která byla mnohem lépe zdokumentována. Získávání „fotografických“ Ramanových spekter bylo omezeno tim, že zaznamenání jednoho spektra trvalo několik hodin.

3-7


Logicky se úsilí zaměřilo na zlepšení zdrojů záření. Hg lampy s monochromatickými filtry se používaly v době kolem rr. 1930. 1930 Později byla zavedena tzv. rtuťová oblouková lampa „Toronto“. Avšak pouze zavedením laseru v r. 1960 umožnilo rozvoj metody. Výhoda byla v soustředění paprsku na malý vzorek, která přinesla zlepšení kvality spekter a možnost měření mikrogramových vzorků. (před laserová technologie vyžadovala 104-106 x více) Laser odstranil problémy s přirozeně rozptýleným světlem a zlepšil tím detekční limity Tím umožnil studium vibrací u nízkých frekvencí. limity. frekvencí Možnost změny vlnové délky excitačního laseru odstranil i problém s fluorescencí některých látek. Od cca 1970 se používají Ar+ lasery pro excitaci linií 488 nm a 514.5 nm. Kr+, He-Ne, Cd a rubínové lasery se používají také. Od zavedení FT Ramanovy spektroskopie v r. 1986 se zde většinou používá Nd:YAG laser s linií 1064 nm.

3-8


Ramanova spektroskopie měla vždy problém s elastickým rozptylem, zvláště při zkoumání linií u krátkých Ramanových posunů. Problém byl vyřešen tím, že monochromátor byl opatřen dvěma nebo třemi stupni. První komerčně dostupný dvojstupňový monochromátor byl na trhu r. 1940. Dodnes se používá dvojnásobných a trojnásobných monochromátorů. Tyto monochromátory eliminují Rayleighův rozptyl o 10 i více řádů u Ramanových posunů o několik cm-1. Cena, kterou jsme za to zaplatili je v rozměru zařízení a snížení úrovně intenzity měřeného záření. Přestože rozvoj fotoelektrických zařízení po 2. světové válce byl velký stále dominovala fotografická detekce. Mezi r. 1940 a 1950 umožnil rozvoj fotonásobičů pokrok i v této oblasti. Kolem roku 1970 již fotonásobiče představovaly hlavni trend detekce. Dalším krokem vpřed bylo zavedení fotodiodových polí a podobných zařízení.

3-9

Ramanova spektroskopie stejně jako infračervená měří cosi, co v principu souvisí s vibračními energiemi molekul. Z teorie plyne, že vibrační pohyb se promítne do IČ spekter, je-li při něm měněn dipolmoment Proto se symetrický stretching CO2 neprojeví v IČ spektru, dipolmoment. spektru ale v Ramanově. Asymetrický stretching vidíme v IČ spektru krásně. To co je v jedné spektroskopii vidět může být v druhé nedostupné O

C

O

O


dipol se nemění

C

O

dipol se mění

Proto, aby se vibrace zobrazila v Ramanově spektru musí docházet ke změně Proto polarizace, tj. ke změně energetické náročnosti vyvolání indukované změny diolmomentu elektrickým polem zvenčí. roztažená

rovnovážná

stlačená

3-10

Raman/IČ aktivní a neaktivní Raman/IČ-aktivní


• polární vazba je obvykle IČ-aktivní • nepolární p vazba v symetrické y molekule bude v IČ absorbovat málo ale hodně v Ramanove spektru • podstatná je „změna dipolmomentu“ při excitaci síla působí na kladnou část ve směru el. pole

elektrické pole

síla působí na kladnou část ve směru el. pole molekula je stlačována dipólmoment se zmenšuje síla působí na zápornou část proti směru pole

elektrické pole

molekula je natahována dipólmoment se zvětšuje síla působí na zápornou část proti směru pole

2-11

R l i hů rozptyl Rayleighův t l E = E0 - E = 0

E0 = h.0


E = h.0

prvý excitovaný vibrační stav základní vibrační stav Molekula je excitována fotonem (E0 = h0) na virtuální energetickou hladinu, která je d ffacto poruchou de h v elektronové l k é di distribuci ib i kkovalentní l í vazby. b M Molekula l k l se vracíí d do základního stavu zatímco emituje stejné množství energie (E= h0).

3-12

Stokesův rozptyl v Ramanově spektru

Rayleighův rozptyl E = E0 - E = 0 Stokesův k ů rozptyll

E0 = h.0

E = E - E0 = .nv


E = h.(0 - v)

prvý excitovaný vibrační stav základní vibrační stav g hladinu,, která je j Molekula jje excitována fotonem ((E0 = h0) na virtuální energetickou de facto poruchou v elektronové distribuci kovalentní vazby. Molekula se vrací do prvého excitovaného vibračního stavu zatímco emituje stejné foton o nižším množství energie (E = h(0-v)). Záření s nižší energií (vyšší vlnovou délkou nazýváme Stokesův rozptyl). rozptyl)

3-13

Anti-Stokesův rozptyl v Ramanově spektru

E0 = h.0

R l i hů rozptyll Rayleighův

E = E0 - E = 0

Stokesův rozptyl

E = E - E0 = .nv

Anti-Stokesův rozptyl

E = E - E0 = -.nv


E = h.(0 + v)

prvý excitovaný vibrační stav základní vibrační stav Molekula v prvém excitovaném vibračním stavu absorbuje foton o energii E0=h0. Opět je excitována na virtuální energetickou hladinu, která má vyšší energii než v případě Rayleighova a Stokesova rozptylu. Molekula relaxuje, a návratem do základního stavu emituje energii E=h(0 + v). Důsledkem je záření o kratší vlnové délce zvané Anti Anti-Stokesovský Stokesovský rozptyl. rozptyl

3-14

intenzita v arbitrárrních jednotkách


ramanův vlnočet (cm-1) Srovnání vlnových délek Rayleighových, Stokesových a anti-Stokesových pásů v Ramanově spektru vlnové délky odpovídající Rayleighově rozptylu jsou při experimentu odfiltrovány

3-15

spektrometr

CCD kamera

filtr

cela se vzorkem


laserový ase ový zdroj d oj

rotující jí í difrakční mřížka aanalýza a ý a počítačem poč tače

Vlnové délky odpovídající Rayleighově rozptylu jsou při experimentu odfiltrovány

Základní uspořádání Ramanova spektrometru. Vzorek je osvícen paprskem laseru. Rozptýlené záření proniká do analyzátoru. Filtr odstraní záření o stejné vlnové délce jjako má laserový ýp paprsek p ap ponechá jjen záření odlišné vlnové délky (s Ramanovým posunem). Difrakční monochromátor rozdělí záření podle vlnové délky a elektrooptické zařízení je převede na signál, který analyzuje počítač. Výsledkem je graf zobrazující intenzitu záření u každé vlnové délky.

3-16

monochromátor


Typické experimentální uspořádání Ramanova laserového spektrometru

detektor

vzorek

měříme jen nerayleighovsky rozptýlené záření

2-17


zdrojem záření je elektricky zahřívaný kov

Pro srovnání: schema dvoupaprskového infračerveného spektrometru měříme jen záření „procházející“ vzorkem

2-18

IČ 500

4000


raman

500

4000

Ramanova a IČ spektra se doplňují

3-19

Ramanova spektroskopie se dále používá


i v přímých aplikacích v medicíně v klinické praxi ex vivo a in vivo k řešení řady biomedicínckých otázek jako - časná detekce rakoviny, - monitoring efektů různých látek na kůži, - analýza složení atherosklerotického plaku (usazeniny lipofilních materiálů na stěnách arterií), - rychlá identifikace patogenních mikroorganizmů, - studium bioresorbovatelných a nebioresorbovatelných (semi-krystalických a amorfních) polymerů; mezi bioresorbovatelnými se studují např. homopolymery a kopolymery poly(mléčné kyseliny), poly(glykolové kyseliny) a poly( -kaprolaktonu); jako nedestruktivení technika, přispívá ke studiu molekulární struktury, struktury míry oxidace a krystalinity jako např např. u PE „ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE)“ v ortopedických implantátech (kyčelní a kolenní náhrady), - dále se může použít k analýze povrchů jako například po nitridaci GaN, AlGaN a AlN ve spojení s IČ spektrometrií poslouží při studiu komplexních polymerů při studiu jejich složení, struktury, konformací a intermolekulárních interakcí..

3-20

relativní intenzita


Povrchem zesílená Ramanova spektra (SARS) mohou podle prof. Zieglera snadno pomoci při identifikaci mikroorganizmů. mikroorganizmů

frekvence cm-1 obrázek L. Ziegler, Boston University, C+EN Sept. 21, 2009

3-21

Ramanova spektrometrie může být použita i v různých oblastech excitační frekvence od oblasti paprsků X, X přes UV až k IČ záření záření.


Tak například UV/VIS-resonanční Ramanovy experimentální modely odhalují na modelech peptidů, jako N-methylacetamid a di- a triglycin dynamiku těchto molekul. Zatímco viditelná Ramanova spectroskopie odhaluje elektronické základní stavy, UV Ramanova technika získává strukturní informace o excitovaných elektronických stavech. Podobně zase rezonanční Ramanova (RR) spektra excitovaná zářením Soretova pásu porfyrinů slouží k detailnímu popisu metaloporfyrinových komplexů.

3-22

dělič paprsků a filtr odstraňující světlo o vlnové délce zdroje (Rayleighův rozptyl)


mřížka

vzorek

Fabryho Perrotův etalon laserový štěrbina zdrojj

CCD detektor

CCD Charge-Coupled Device optický bodový sensor zařízení (device), které pracuje s propojeným nábojem (coupled charge) 3-23

BaSO4 (baryt) berlínská modř


škrob

vlnočet v cm-1 Ramanovo spektrum R kt uměleckého ěl kéh předmětu ř d ět pátrající át jí í po původu ů d barevné vrstvy ve srovnání se spektry barytu, berlínské modři a škrobu.

3-24


2-25

4000-2500 jednoduchá vazba -H,, jjako OH,, NH,, CH

jsou i výjimky N-H u 1550-1620

2500-2000 t j é vazby trojné b


2000-1500 dvojné vazby 1500-400 deformační vazby vazby, fingerprint

2-26


IČ

Raman

2-27


IČ

Raman

2-28


IČ

Raman

2-29


IČ

OH Raman

2-30


IČ

OH Raman

2-31


IČ

OH Raman

2-32


IČ

O Raman

2-33


IČ

Raman

O

2-34 2-34


IČ

O Raman

2-35


OH

IČ

O

Raman

2-36


HO

IČ

O

Raman

2-37


O

IČ

O

Raman

2-38


IČ

O Raman

O

2-39


IČ

O

O Raman

O

2-40


N

IČ

Raman

2-41


NH2

IČ

O

Raman

2-42


NH2

IČ

O

Raman

2-43


O

IČ

OH

HN

O NH2

Raman

2-44


IČ

OH

H2N

Raman

2-45

O


IČ

OH

H2N

Raman

2-46

O


IČ

OH

O

HO

Raman

OH

HO OH

2-47


OH

IČ HO OH

HO OH

OH

Raman

2-48


D-glukopyranosa

N-acetyl-D-glukosamin

3-49


SPECARB database PE System 2000 interferometr a Nd:YAG laser Excitace: 1064 nm Laser: 400 mW R Ramanův ů posun: 3600-0 3600 0 cm-11 Počet akumulací: 256 Rozlišení: 4 cm-1

D-ribosa

3-50



L-arabinofuranosa

3-51


SPECARB database PE System 2000 interferometr a Nd:YAG laser Excitace: 1064 nm Laser: 400 mW Methyl -D-glukopyranosid Ramanův posun: 3600-0 cm-1 Počet akumulací: 256 Rozlišení: 4 cm-1

Methyl  -D-glukopyranosid D glukopyranosid

3-52


SPECARB database PE System 2000 interferometr a Nd:YAG laser Excitace: 1064 nm Laser: 400 mW Ramanův posun: 3600-0 cm-1 Počet akumulací: 256 Rozlišení: 4 cm-1

D-fruktosa fr ktosa

3-53


SPECARB database PE System 2000 interferometr a Nd:YAG laser Excitace: 1064 nm Laser: 400 mW Ramanův posun: 3600-0 cm-1 Počet akumulací: 256 Rozlišení: 4 cm-1

sacharosa

3-54



maltotriosa

3-55



rafinosa

3-56



am losa amylosa

3-57



celulosa

3-58


http://www.kosi.com/Raman_Spectroscopy/rtr-ramantutorial.php?ss=800

3-59

3-60

With possible objections please turn directtly to the authoors. W

P Presented mateerial is aimed m mainly at the sstudents of thee Institute of Chemical Techhnology, Praguue. Some of itss data stems froom public C ssources and foor reasons of simplicity and cclarity not all qquotations are pproperly cited as it is commoon in technicall literature.


A to jje konec povídání p o Ramanových spektrech

h látek a přírodních ální analýza speciá 3-1

Recommend Documents