Spektrometr pro měř ení Ramanovy optické aktivity: proč a jak. Optická sestava a využití motorizovaných jednotek. Josef Kapitán
Centrum digitální optiky Digitální Ramanova spektroskopie a Ramanova optická aktivita
Projekt TE01020229 je řešen s finanční podporou TA ČR
Ramanova spektroskopie
Ala-Ala
Ramanova spektroskopie
Ala-Ala
Rezonanční Ramanův rozptyl
Elektronové excitované stavy
Základní elektronové stavy IČ absorpce
Ramanův rozptyl
Rezonanční Ramanův rozptyl
Ramanova spektra myoglobinu
Asher et al. Chem. Rev. 2012, 112, 2604-2628
Optická aktivita
‘opticky aktivní‘ systém – rotace roviny polarizace lineárně polarizovaného záření (optická rotace)
Optická aktivita: – rozdílná odezva systému vůči levo- a pravotočivě polarizovanému záření
Ramanova optická aktivita
- diferenční technika - rozdíl v odezvě molekuly (Ramanově rozptylu) vůči levo- a pravo-točivě kruhově polarizovanému záření
Modulační schéma Modula
Ramanova optická aktivita
- diferenční technika - rozdíl v odezvě molekuly (Ramanovu rozptylu) vůči levo- a pravo-točivě kruhově polarizovanému záření
Možno volit: - excitační vlnovou délku - geometrii rozptylu - modulační schéma
Modulační schéma Modula
Ramanova optická aktivita
- umožňuje určit absolutní konfiguraci, - poskytuje informace o prostorovém uspořádání chirálních molekul v roztoku 20
L-Alanyl-L-Alanine
ROA
-5
I -I (x10 )
10
R L
0
-10
-20
D-Alanyl-D-Alanine
IR+IL (x10-8)
80
Raman
60
40
20
0
L-alanyl-L-alanine
D-alanyl-D-alanine
200
400
600
800
1000
1200 -1
wavenumbers (cm )
1400
1600
1800
Ramanova optická aktivita
- Využitelná pro velký rozsah látek
Určení absolutní konfigurace molekul
exp
calc calc exp
Barron et al., Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 1997, 36, 885
Haesler et al. 2007. Nature 446, 526
Proteiny
X-Ray PDB: 69,2% α-helix 1,7% 310-helix
• vibrace hlavního řetězce (Cα-C, Cα-Cβ, Cα-N) ~ 870 – 1150 cm-1
• rozšířená oblast amidu III (N-H, Cα-H) ~ 1230 – 1340 cm-1
43,5% β-sheet 1,7% α-helix 1.3% 310-helix
• amid I (C=O) ~ 1630 – 1700 cm-1
28,7% α-helix 10,9% 310-helix 6,2% β -sheet
Blanch et al., Vib. Spectrosc. 35 (2004) 87
Nukleové kyseliny a viry Virus vignové mozaiky (a) prázdná kapsida
(a) Empty capsid
(b) intaktní virus
(c) virová RNA (b-a)
ROA poskytuje informaci o proteinové obálce viru (beta barel) i struktuře nukleové kyseliny v jádru (jednovláknová RNA, A typ) Blanch et al., 2002. J. Gen. Virol. 83, 2593.
Základní schéma Ramanova spektrometru intefrerometr Optická soustava pro přenos excitačního záření na vzorek
Optická soustava pro přenos rozptýleného záření na spektrální analyzátor
spektrograf
detektor vzorek
detektor objektiv polarizátory filtry laser
Spektrální analyzátor
Základní schéma Ramanova spektrometru intefrerometr Optická soustava pro přenos excitačního záření na vzorek
Optická soustava pro přenos rozptýleného záření na spektrální analyzátor
spektrograf
detektor vzorek
detektor objektiv polarizátory filtry
Spektrální analyzátor
laser Základní parametry určující návrh optické sestavy: - požadované spektrální rozlišení - maximální intenzita ozáření (W/m2) vzorku - často: množství (objem) vzorku
Základní schéma Ramanova spektrometru
štěrbina
vzorek / předmět
optická sestava kolimační objektiv spektrografu
Abbého invariant Zákon zachování etendue
Základní schéma Ramanova spektrometru Pravoúhlá geometrie rozptylu
ohnisko
štěrbina vzorek
ROA Spektrometr založený na pravoúhlé geometrii rozptylu
L. D. Barron, J. Raman Spectrosc. 18, 281 (1987).
W. Hug, Appl. Spectrosc. 35, 115 (1981)
Základní schéma Ramanova spektrometru Pravoúhlá geometrie rozptylu
ohnisko štěrbina vzorek
Geometrie zpětného rozptylu: vstup spektrografu
vzorek
vstup interferometru
Problém transformace obrazu na vstupu spektrálního analyzátoru
vstup spektrografu
vzorek
vstup interferometru
Problém transformace obrazu na vstupu spektrálního analyzátoru
Řešení 1: použití vláknové optiky vstup vláken
výstup vláken
Obraz na CCD:
W. Hug, J. Raman Spectrosc. 30, 841 (1999).
Problém transformace obrazu na vstupu spektrálního analyzátoru
Řešení 2: krájení štěrbiny (slit slicing)
I. S. Bowen, Astrophys. J., 1938, 88, 113
Problém transformace obrazu na vstupu spektrálního analyzátoru
Řešení 3: použití kódovaných apertur
Hadamardova maska M. E. Germ, Appl. Optics, 2006, 45, 2965
Spektrografy používané v Ramanově spektroskopii intefrerometr spektrograf
detektor vzorek
detektor objektiv polarizátory filtry laser
Spektrální analyzátor
Spektrografy používané v Ramanově spektroskopii
Czerny-Turnerův spektrograf
štěrbina
detektor
Spektrografy používané v Ramanově spektroskopii
Czerny-Turnerův spektrograf Výhody: štěrbina
detektor
- vysoká odrazivost zrcadel - achromatické - nízká úroveň zbloudilého záření (dvojité / trojité monochromátory)
Spektrografy používané v Ramanově spektroskopii
Czerny-Turnerův spektrograf Omezující faktory: štěrbina
detektor
- malá světelnost (max F/4) - astigmatizmus (řešitelné za použití korekční zrcadlové optiky)
Spektrografy používané v Ramanově spektroskopii štěrbina
Využití čočkových objektivů
objektiv F/1.8
detektor
Interferometry (používané) v Ramanově spektroskopii
Michelsonův interferometr Harlanderův interferometr difrakční mřížka
difrakční mřížka
detektor
detektor
J. Harlander et. Al, Astrophys. J., 1992, 396, 730
Ramanova optická aktivita: Eliminace ofsetů – vytváření virtuálních enantiomerů
α-pinene W. Hug: Appl Spectrosc 2003 57 1
Použití motorizovaných jednotek v ROA spektrometru
- motorizované rotační a lineírní posuvy - vysoká rychlost polohování - vysoká přesnost - přesná synchronizace (navzájem i se záznamem dat)
Digitální Ramanova spektroskopie a Ramanova optická aktivita
Činnosti v rámci pracovního balíčku: 1. Provádění analýzy komplexního optického uspořádání spektrometru Odpovědný realizátor: UP Konzultant: Meopta 03/2012 – 03/2013
2. Volba materiálů a technologií opracování pro stavbu objektivů v UV oblasti Odpovědný realizátor: Meopta 03/2012 – 12/2013
Digitální Ramanova spektroskopie a Ramanova optická aktivita
Činnosti v rámci pracovního balíčku:
3. Provádění analýzy využití různých typů polohovacích zařízení pro pohyblivé části spektrometru Odpovědný realizátor: Zebr Konzultant: UP 03/2012 – 12/2013
