INFRARDEÄA IN RAMANSKA (MIKRO)SPEKTROSKOPIJA - IJS
INFRARDEÄA IN RAMANSKA (MIKRO)SPEKTROSKOPIJA - IJS
INFRARDEÄA IN RAMANSKA (MIKRO)SPEKTROSKOPIJA - IJS
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Institut “Jožef Stefan”, Ljubljana, Slovenija<br />
Odsek za fiziko trdne snovi (F5)<br />
Laboratorij za biofiziko<br />
(VIBRAC<strong>IJS</strong>KA)<br />
<strong>IN</strong>FRARDEČA <strong>IN</strong> <strong>RAMANSKA</strong><br />
(<strong>MIKRO</strong>)<strong>SPEKTROSKOPIJA</strong><br />
Zoran Arsov<br />
Rogla, November 2011
KONCEPT <strong>MIKRO</strong>SPEKTROSKOPIJE!!!<br />
V vsaki točki slike zajamemo celoten<br />
vibracijski spekter.<br />
To pomeni, da lahko kontrastiramo sliko preko<br />
lokalizacije različnih molekulskih skupin<br />
(kemično mapiranje). Intenziteta barve lahko<br />
pomeni lokalno koncentracijo neke snovi.<br />
Pri SPEKTROSKOPIJI<br />
posnamemo povprečen<br />
vibracijski spekter vzorca.<br />
NI KRAJEVNE<br />
<strong>IN</strong>FORMACIJE o<br />
razporeditvi komponent v<br />
vzorcu!!!
<strong>IN</strong>FRARDEČA <strong>MIKRO</strong><strong>SPEKTROSKOPIJA</strong><br />
FARMACEVTSKE TABLETE<br />
Motivacija: Vpliv formulacije in razporeditve zdravilnih<br />
učinkovin in pomožnih snovi v tableti na dinamiko njihovega<br />
sproščanja.
1. Primerjava ozadja IR in ramanske spektroskopije<br />
2. Zgradba IR in ramanskih mikroskopov<br />
3. Pregled različnih metodoloških pristopov<br />
4. Predstavitev področij uporabe
Vibracijska spektroskopija<br />
valovno število (ang. wavenumber) 1/ [cm -1 ] ∂
Model dvoatomske molekule<br />
ENA VEZ!!!<br />
k<br />
m 1<br />
m 2<br />
<br />
1<br />
2<br />
k<br />
,<br />
<br />
<br />
1/ m<br />
1<br />
1<br />
1/<br />
m<br />
2
Vpliv težjih atomov na vibracijski spekter<br />
ATR Units<br />
-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5<br />
sample in H 2<br />
O<br />
sample in D 2<br />
O<br />
4000<br />
3500<br />
3000<br />
2500<br />
Wavenumber cm-1<br />
2000<br />
1500<br />
1000<br />
<br />
1<br />
2<br />
k<br />
<br />
izotopska<br />
izmenjava
Vpliv H-vezi na vibracijski spekter<br />
k<br />
A H + B ↔<br />
k<br />
A H ... B<br />
<br />
1<br />
2<br />
k
Infrardečo področje v elektromagnetnem spektru<br />
organske snovi<br />
4000-400 cm -1 , 2.5-25 m<br />
anorganske snovi<br />
(težji atomi)<br />
400-20 cm -1 , 25-500 m
Dipolni moment (permanentni, inducirani)<br />
... dipolni moment<br />
... polarizabilnost
IR absorpcija – klasični opis
Pogoj za IR absorpcijo
Ramansko sipanje – klasični opis
Pogoj za ramansko sipanje
Komplementarnost IR in ramanske spektroskopije<br />
H 2 O?!
1. Primerjava ozadja IR in ramanske spektroskopije<br />
2. Zgradba IR in ramanskih mikroskopov<br />
3. Pregled različnih metodoloških pristopov<br />
4. Predstavitev področij uporabe
<strong>IN</strong>FRARDEČA<br />
<strong>MIKRO</strong><strong>SPEKTROSKOPIJA</strong>
Sklopitev FTIR spektrometra z IR mikroskopom
FTIR spektrometer<br />
interferometer<br />
detektor<br />
(MCT,<br />
HgCdTe)<br />
ALI<br />
IR svetloba iz<br />
sinhrotrona<br />
IR izvor<br />
(Globar - SiC)<br />
polikromatski<br />
prostor za vzorce
Spektroskopija s Fourierjevo transformacijo I.<br />
http://www.wooster.edu/chemistry/is/brubaker/ir/ir_works_modern.html
Spektroskopija s Fourierjevo transformacijo II.<br />
OZADJE!!!<br />
SPEKTER VZORCA<br />
VZOREC + OZADJE
Shema FTIR mikroskopa
Možnosti za<br />
zajem slike<br />
vrstični mikroskop<br />
(zajem slike točko<br />
po točko)<br />
mikroskop s FPA<br />
detektorjem<br />
(zajem celotne<br />
slike hkrati)
Sevalni spekter sinhrotrona<br />
X-ray<br />
IR
Prednost uporabe IR sinhrotronske svetlobe
Spektralna ločljivost - IR
<strong>RAMANSKA</strong><br />
<strong>MIKRO</strong><strong>SPEKTROSKOPIJA</strong>
Shema disperzijskega ramanskega mikroskopa<br />
spektrometer z<br />
detektorjem<br />
posebni optični filtri!!!<br />
notch – (anti)Stokes<br />
edge - Stokes<br />
prostor za vzorce<br />
laser kot izvor<br />
(monokromatski)<br />
STABILNOST!!!
Spektralna ločljivost - Raman<br />
odvisnost od disperzijskih<br />
lastnosti uklonske mrežice<br />
odvisnost od goriščne<br />
razdalje zrcal v spektrometru
1. Primerjava ozadja IR in ramanske spektroskopije<br />
2. Zgradba IR in ramanskih mikroskopov<br />
3. Pregled različnih metodoloških pristopov<br />
4. Predstavitev področij uporabe
IR (mikro)spektroskopija<br />
omogoča različne načine zajema<br />
univerzalni ATR<br />
transmisija<br />
Možne IR konfiguracije<br />
horizontalni ATR<br />
difuzna<br />
reflektanca
ATR-FTIR – spektr. z atenuiranim totalnim odbojem
Evanescentno polje in vdorna globina<br />
E<br />
t<br />
z / d Expi<br />
( k x ) <br />
t<br />
<br />
<br />
t<br />
( r,<br />
t)<br />
E Exp<br />
t<br />
p<br />
x<br />
ATR kristal<br />
x<br />
vzorec<br />
z<br />
d<br />
p<br />
<br />
2<br />
2<br />
nIRE<br />
sin i<br />
( n / nIRE<br />
3 m (3300 cm -1 )<br />
n IRE<br />
4.0<br />
n 1.5<br />
i<br />
45°<br />
<br />
)<br />
2<br />
d p<br />
0.2 m<br />
i<br />
n IRE<br />
><br />
n<br />
absorpcija H 2 O!!<br />
t
Prednost uporabe ATR-FTIR za študij vodnih susp.<br />
d p 0.2 m<br />
absorpcija vode<br />
Single channel<br />
0.0 0.2 0.4<br />
0.0 0.2 0.4<br />
4000<br />
4000<br />
3500<br />
3000<br />
2500<br />
2000<br />
3500<br />
3000<br />
2500<br />
2000<br />
Wavenumber cm-1<br />
distančnik 5 m<br />
1500<br />
1500<br />
ATR<br />
1000<br />
500<br />
transm.<br />
1000<br />
500
Krajevna ločljivost<br />
difrakcijska limita<br />
y = 0.61 / sin<br />
y se bo izboljšala za manjšo <br />
(Raman!!!)<br />
in za večji <br />
<br />
pri imerziji<br />
/n<br />
(n ... lomni količnik)<br />
y = 0.61 / (n sin) =<br />
= 0.61 / NA<br />
NA ... numerična apertura
ATR objektiv za IR mikroskop<br />
NA = n sin<br />
n IRE<br />
4.0
Mikroskopija z bližnjim poljem (ang. “near-field”)<br />
beležimo lateralne<br />
spremembe<br />
v bližnjem polju<br />
transformacija<br />
EVANESCENTNEGA POLJA<br />
v<br />
POTUJOČE VALOVANJE<br />
(detekcija “daleč” od vzorca)<br />
D. Courjon, C. Bainier. Rep. Prog. Phys. 57 (1994) 989−1028.
Različni načini izvedbe “near-field” mikroskopije I.<br />
Metode običajno osnovane na AFM!!<br />
SNOM, ang. scanning near-field optical microscopy<br />
SERS, TERS<br />
ang. surface- or tip-enhanced Raman spectroscopy
Različni načini izvedbe “near-field” mikroskopije II.<br />
nano-kolektor/zaslonka<br />
(prosojen optični vodnik)<br />
ALI<br />
nano-sipalec<br />
(konica)<br />
lokalna detekcija (< )<br />
“scanning”<br />
konfiguracija!!<br />
loč. ≈ velikost nano-detekt.<br />
omejitev površinsko občutljive metode!!
Ramanska mikrospektroskopija v CO NAMASTE I.
SNOM izvedba z nano-zaslonko
Primer slikanja v različnih načinih<br />
OPTICAL<br />
SNOM<br />
AFM
Ramanska mikrospektroskopija v CO NAMASTE II.<br />
DIODE<br />
LASER<br />
785 nm<br />
MICROSCOPE<br />
EDGE<br />
filter<br />
SPECTROMETER<br />
DICHROIC<br />
filter (45°)
1. Primerjava ozadja IR in ramanske spektroskopije<br />
2. Zgradba IR in ramanskih mikroskopov<br />
3. Pregled različnih metodoloških pristopov<br />
4. Predstavitev področij uporabe
GLAVNE PREDNOSTI VIBRAC<strong>IJS</strong>KIH SPEKTROSKOPIJ<br />
• dokaj preprosta priprava vzorcev za meritve<br />
• možno merjenje zelo različnih oblik vzorcev<br />
• študij vzorcev brez potrebe po molekulskem<br />
označevanju<br />
• nedestruktivne metode
Področja uporabe vibracijske spektroskopije<br />
• Study of intermolecular interactions
Primerne oblike vzorcev
Primer 1<br />
Titanatne nanocevke<br />
Maja Garvas, Polona Umek<br />
Amplitude (a.u.)<br />
oblika vzorca: prah<br />
4000<br />
3500<br />
3000<br />
2500<br />
2000<br />
1500<br />
1000<br />
500<br />
Wavenumber (cm-1)
Primer 2<br />
Polisaharid hialuronan<br />
Uroš Cvelbar, F4, <strong>IJS</strong><br />
Amplitude (a.u.)<br />
HA control<br />
HA plasma treated<br />
4000<br />
3500<br />
3000<br />
2500<br />
2000<br />
1500<br />
1000<br />
500<br />
Wavenumber (a.u.)<br />
oblika vzorca: polimerni film
Primer 3<br />
ATR-FTIR spekter membran DMPC ...<br />
DMPC / H 2<br />
O<br />
DMPC<br />
CH 2<br />
methylene<br />
group<br />
4000<br />
3500<br />
3000<br />
2500<br />
2000<br />
1500<br />
1000<br />
Wavenumber (cm-1)<br />
oblika vzorca:<br />
vodna suspenzija<br />
lipidnih membran
Primer 3<br />
... in študij faznega prehoda<br />
temperaturna kontrola<br />
3000<br />
2950<br />
2900<br />
2850<br />
2800<br />
2924<br />
Wavenumber (cm-1)<br />
Peak position (cm-1)<br />
2923<br />
2922<br />
2921<br />
2920<br />
2919<br />
2918<br />
5 15 25 35 45<br />
T (°C)
Primer 4<br />
IR slikanje lipidnih plasti na Au substratu<br />
POSUŠENA KAPLJICA LIPIDNE SUSPENZ.<br />
• 26 x 26 točk (676 spektrov)<br />
• velikost zaslonke 30 m x 30 m<br />
• korak 200 m<br />
N<br />
mapiranje<br />
1/<br />
Absorbance Units<br />
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8<br />
3500<br />
3000<br />
2500<br />
2000<br />
1500<br />
1000<br />
Wavenumber cm-1
Primer 5<br />
IR slikanje z bližnjim poljem<br />
IR mikroskopija<br />
(kemijsko<br />
mapiranje)<br />
+<br />
mikroskopija na<br />
atomsko silo<br />
(topografsko<br />
mapiranje)<br />
ang. apertureless scanning near-field infrared microscopy (ASNIM)
Primer 5<br />
ASNIM slike podprtih lipidnih membran<br />
128 nm<br />
topografija<br />
“near-field” slika<br />
138 mV<br />
1 m<br />
0 nm 0 mV<br />
krajevna ločljivost
Primer 6<br />
Ramansko slikanje bioloških celic<br />
Motivacija za postavitev ramanske mikrospektroskopije znotraj<br />
CO NAMASTE je študij bioaktivnosti in biokompatibilnosti novih<br />
materialov preko interakcij s celicami.
ZAKLJUČEK
KONCEPT <strong>MIKRO</strong>SPEKTROSKOPIJE!!!<br />
V vsaki točki slike zajamemo celoten<br />
vibracijski spekter.<br />
To pomeni, da lahko kontrastiramo sliko preko<br />
lokalizacije različnih molekulskih skupinah<br />
(kemično mapiranje). Intenziteta barve lahko<br />
pomeni lokalno koncentracijo neke snovi.
PRIMERJAVA <strong>IN</strong>FRARDEČE <strong>IN</strong><br />
RAMANSKE (<strong>MIKRO</strong>)SPEKTROSKOPIJE<br />
pojav<br />
izbirno pravilo<br />
način zajema<br />
izvor<br />
pogoj<br />
tipične val. dolž.<br />
sestavni deli<br />
tipi vzorcev<br />
krajevna ločljivost<br />
spektr. ločljivost<br />
čas zajema<br />
IR<br />
absorpcija<br />
sprememba dipolnega mom.<br />
transmisija (absorpcija)<br />
globar, sinhrotron (polikrom.)<br />
dobro definirano ozadje<br />
2-25 m (mid-IR)<br />
interferometer (FTIR),<br />
reflektivna optika, detektor<br />
MCT ali FPA<br />
zelo raznovrstno (omejitve pri<br />
uporabi H 2<br />
O)<br />
pogojena z optiko ter <br />
odvisna od nast. interferom.<br />
reda velikosti nekaj minut<br />
Raman<br />
sipanje<br />
sprememba polarizabilnosti<br />
razlika glede na izvor<br />
laser (monokromatski)<br />
stabiliziran laserski izvor<br />
vidna ali NIR<br />
spektrometer (disperz. način),<br />
posebni optični filtri, detektor<br />
CCD<br />
zelo raznovrstno (primerno pri<br />
uporabi H 2<br />
O)<br />
pogojena z optiko ter <br />
odvisna od nast. spektrom.<br />
reda velikosti nekaj minut
“Klasična” mikrosk. z daljnim poljem (ang. “far-field”)<br />
d >> <br />
(detekcija “daleč” od vzorca)<br />
D. Courjon, C. Bainier. Rep. Prog. Phys. 57 (1994) 989−1028.
Model interakcije konica-vzorec<br />
v konici se inducira dipolni<br />
moment proporcionalen<br />
evanescentnemu polju<br />
(t) = E (t)<br />
TRANSFORMACIJA<br />
dipol seva (sipa)<br />
potujoče valovanje
Change language