Spektroskopski sustavi i primjene - fizika.unios.hr · zasto? valni broj se ... 1000 W microwave power, 700 C substrate temperature for 6 hours. Raman spectrum taken using 514 nm

Spektroskopski sustavi

i primjene

Uvod u spektroskopiju Predavanje 4

Sadrzaj

Reference

Ciljevi

Spektroskopija

Sto je spektroskopija?

Osnove: opci principi i pojmovi

Energija molekule

Procesi Apsorpcija

Emisija

Rasprsenje

Kratak pregled nekih vrsta (ne svih) spektroskopija

Apsorpcijska spektroskopija

Fluorescencijska spektroskopija

Raman spektroskopija

Ciljevi

Uvod u spektroskopiju

• Sto je to?

• Energijski nivoi

• Osnovni procesi

• Vrste spektroskopija

• Pregled primjena

Uvod u spektroskopsku opremu

• Koje su glavne komponente i koja je njihova uloga ?

• Osnove fizike/optike u pozadini

• Osnovna razmatranja o sastavljanju opreme

Spektroskopija

• Proucavanje strukture i dinamike tvari putem njihovog

• medudjelovanja s elektromagnetskim zracenjem. Definicija:

• Apsorpcija

• Emisija

• Transmisija

• Rasprsenje

Valna duljina (energija) odreduje

medudjelovanje s tvarima

Ova medudjelovanja su “probe” za

dobivanje informacija o uzorcima

• Identifikacija (“spektralni potpis”)

• Dinamicke promjene u sastavu (kinetika reakcija, itd.)

Kvantifikacija sastavnih dijelova

Spektroskopija


• medudjelovanja s elektromagnetskim zracenjem.

Definicija:

• Apsorpcija

• Emisija

• Transmisija

• Rasprsenje



Ova medudjelovanja

su “probe” za dobivanje

informacija o uzorcima




Spektroskopija



Definicija:

• Apsorpcija

• Emisija

• Transmisija

• Rasprsenje



Ova medudjelovanja






Emisijski spektar LCD ekrana

Spektroskopija



Definicija:

• Apsorpcija

• Emisija

• Transmisija

• Rasprsenje

Valna duljina (energija) odreduju


Ova medudjelovanja






Ramanov spektar pigmenta crveni oker

Spektroskopija



Definicija:

• Apsorpcija

• Emisija

• Transmisija

• Rasprsenje

Valna duljina (energija) odreduju


Ova medudjelovanja






EDX spektri gume

bez (gore) i s (dolje)

pukotinama („ozone

cracking”)

Energija molekule

Emolecule =

Eelectronic + Evibrational + Erotational + Espin + Etranslational

Nas zanimaju:

Eelectronic

Evibrational

Erotational

Espin

Energija molekule

• UV-Vis podrucje: 200 – 700 nm

Eelectronic → 105 – 106 kJ/mol → UV-Vis

• Blizu IR (NIR): 800 – 2500 nm (5000 nm)

• Srednji IR (MIR): 5000 nm – 25000 nm (5 μm – 25 μm)

• Daleki IR (FIR): 25000 nm – 350000 nm

Evibrational → 10 – 40 kJ/mol → IR

• Mikrovalno podrucje: 10-3 – 1 m

Erotational → 10 kJ/mol → mikrovalovi

Espin → 10-3 J/mole → radiovalovi

Etranslational → kontinuirani spektar

Energija molekule



• Blizu IR (NIR): 800 – 2500 nm (5000 nm)








UV-Vis FORS spektar pigmenta crveni oker

Energija molekule



• Blizu IR (NIR): 800 – 2500 nm (5000 nm)








IR spektar A) AMMO and B) BAMO

polimera (polimeri u krutim gorivima)

Energija molekule



• Blizu IR (NIR): 800 – 2500 nm (5000 nm)








MW spektar vodene pare

Energija molekule

(Jablonski diagram)

Procesi (sto nam govori prethodna slika?)

Apsorpcija: iz osnovnog u pobudeno stanje (10-15 s)

Relaksacija: iz pobudenog u osnovno stanje

Unutarnja konverzija (IC) relaksacija vibracijskih stanja bez zracenja (10-12 - 10-14

s)

Emisija fluorescencija (spontana emisija: 10-10 - 10-8 s)

fosforescencija (10-3 - 10-0 s) zahtjeva intersystem crossing (promjena elektronskog

spina)

osnovno stanje – singlet

pobudeno stanje – singlet

promjena spina – triplet

intersystem crossing

potrebna jos jedna promjena spina kako bi prijelaz u singletno osnovno stanje bilo moguce

Fluorescencija, fosforescencija i

“intersystem crossing”

Opcenito, elektroni u molekulama su spareni – po dva u svaki orbital

Osnovno stanje vecine molekula je singletno

rezultat dozvoljenih apsorpcija je, takoder, singletno stanje, jer je promjena spina elektrona, tehnicki, “zabranjen” proces

“zabranjen” treba shvatiti u smislu vjerojatnosti, a ne apsolutno

fotoni ne nose spin

Pobudenjem elektron prelazi u prazni orbital, cime se oslobada nuznosti sparenih spinova

Fluorescencija, fosforescencija i

“intersystem crossing”

Struktura se moze relaksirati direktno u osnovno stanje

fluorescencija

Moguc je, medutim, ISC, koji dopusta pobudenom singletnom stanju da prijede u odgovarajuce pobudeno tripletno stanje

pobudeno elektronsko stanje moze biti ili singletno (svi spinovi spareni) ili tripletno (dva spina nesparena)

IC se dogada bez zracenja (sudari, toplina)

jednom u tripletnom stanju, vracanje u osnovno singletno stanje je “zabranjeno” (opet u smislu vjerojatnosti)

zbog toga, molekula ostaje u tripletnom stanju znatno duze nego inace. Kada se emisija konacno dogodi, naziva se fosforescencija


Ako se mjeri u UV-Vis (optickom) dijelu emg spektra Apsorpcija: prijelaz iz

nizeg u vise stanje s prijenosom energije od polja zracenja k apsorberu (molekuli)

ukljucuje prijelaze izmedu elektronskih stanja

spektar atoma ili molekule ovisi o strukturi energijskih nivoa, sto apsorpcijske spektre cini korisnima za identifikaciju sastava

Mjerenje koncentracije apsorbera u uzorku se postize primjenom Beer-Lambertovog zakona

Credit: NASA, Bernard Schmitt, and UKIRT.

http://en.wikipedia.org/wiki/UKIRT

Apsorpcija

Ground state

Excited state

Apsorpcija

Gubitak energije kao

zracenje, toplina, itd.

Apsorpcija duz

zrake zracenja

Beerov zakon (Beer-Lambertov zakon)

Empirijska relacija izmedu intenziteta transmitiranog zracenja i broja apsorbera – A. Beer,

1852.

Vidite → H. G. Pfeiffer and H. A. Liebhafsky, J. Chem. Ed. 1951, 28, 123-125, “The origins of

Beer’s law.”

• upadno zracenje je monokromatsko • jedinice apsorbera (atomi, molekule, ioni) djeluju medusobno nezavisno • apsorpcija je ogranicena na volumen uniformnog presjeka

0

Absorbing

medium

abc

TA

e

I

IT

eI

eI

eII

bx

kIdx

dI

abc

bck

bn

bck

kb

log

10

to0 from over gIntegratin

'

0

0

'0

0

k = koeficijent apsorpcije, cm-1

b = duljina puta, cm

c = koncentracija, g L-1, moles L-1

a = absorptivity, cm-1 (concn.)-1

σ = poprecni presjek apsorpcije, cm2

n = kolicina tvari apsorbera cm-3

b

• Nota: apsorpcija = Opticka gustoca

I I0 dx

x transmisija

apsorpcija

Beerov zakon (Beer-Lambertov zakon)

Za odstupanja vidite:

http://www.files.chem.vt.edu/chem-ed/spec/beerslaw.html

Eksponencijalno smanjenje intenziteta s

koncentracijom

debljinom uzorka (duljina optickog puta)

Pretpostavke

u uzorku nema rasprsenja

utjecaj rasprsenja:

stvara gubitke na stranama uzorka

prividna apsorpcija tada veca od stvarne

opticki put nije vise samo debljina kuvete (fantomi nasumicno

hodaju kroz uzorak)

stvara zahtjev za teorijom sirenja svjetlosti (teorija difuzije, itd.)




Beerov zakon – primjer


Shema UV-Vis spektrofotometra s dvostrukom zrakom

Apsorpcijski spektar: hemoglobin

• Hemoglobin (lysed blood)

0

5

10

15

20

25

300 350 400 450 500 550 600 650

Wavelength (nm)

ua

(cm

-1)

Hemoglobin (lysed blood)


NIR apsorpcijska spektroskopija

gleda vibracijske prijelaze unutar jednog

elektronskog stanja

valne duljine: 800 nm - 2.5 μm

obicno se koristi skala valnih brojeva :12,500 - 4000

valni broj je broj valova po jednom centimetru

valni broj (cm-1) : n' = 1 / l

ne zaboravite konverziju l (nm) -> l (cm)

npr. 800 nm => 12,500 cm-1

zasto?

valni broj se povecava kako se povecava energija

Emisija

Pobudenje

(apsorpcija) Emisija

Pobudeno

stanje

Osnovno

stanje

Emitirano zracenje

→ izotropno

Spektar pobudenja (primjer – koža)

Em

@ 3

45 n

m

----- Normal

----- Tumor

Emisijski spektar (primjer – koža)

----- Normal

----- Tumor

Fluorescencija: dijagram energijskih

nivoa

Zracenje od fluorescencije je pomaknuto prema crvenom u odnosu na apsorbirano zracenje (“Stokesov pomak”). Zasto?


Vrsta UV-Vis (opticke) spektroskopije

Fluorescencija : molekule koje su pobudene u visa stanja mogu pasti na niza stanja emisijom zracenja

• ukljucuje prijelaze izmedu elektronskih nivoa

Intenzitet emitiranog zracenja je linearno

srazmjerno koncentraciji

analiziranog uzorka (pri niskim

koncentracijama)

Molekularna fluorescencija je

korisna za odredivanje kolicine

tvari koja emitira


EEMDilij ---> Fluorescence (intensity) EEM of a dilute solution

i denotes excitation wavelength

j denotes excitation wavelength

N fluorophores (k=1 to N)

Detected fraction of the total fluorescence intensity, STotal(li, lj) (W/4π)

Normalized to the excitation intensity, I(li) and the sample thickness, Ldil

Each fluorophore can be characterized by: a concentration, Ck

a wavelength dependent molar absorption coefficient, ek(li)

a wavelength dependent fluorescence quantum yield, fk(lj)

W

4

a kl i

k1

N fk l j

(1) EEMDilij

W

4

STotal l i,l j I li Ldil

W

4

2.3Ck ek li k 1

N

fk l j

Fluorescencijski spektrometar

1 Lamp housing

2 IR filter 3 Adjustable slits

4 Sample compartment

5 Baffle

6 Filter holders

7 Excitation/emission optics

8 Cuvette holder

9 Emission port shutter

10 PMT detector


Koje tvari fluoresciraju* ?

Endogeni fluorofori

amino kiseline

strukturni proteini

enzimi i ko-enzimi

vitamini

lipidi

porfirini

Egzogeni fluorofori

fotosenzitizatori

Opcenito, to su...

aromatske, organske molekule

imaju puno dvostrukih veza

*http://www.engr.wisc.edu/bme/faculty/ramanujam_nimmi/0102-_a.pdf

Rasprsenje

Promjena smjera (obicno) bez promjene frekvencije

zracenja

Valna duljina i smjer sirenja rasprsenog zracenja ovise

o:

velicini cestice u odnosu na valnu duljinu zracenja

razlici indeksa loma rasprsivaca i okoline

Elasticno rasprsenje (frekvencija rasprsenog zracenja

nepromjenjena)

Rayleighovo rasprsenje: rcest << λzrac

Intenzitet rasprsenog zracenja ~ 1/l4 (nebesko plavetnilo).

Mievo rasprsenje: rcest ≈ λzrac

(http://scatlab.org/)

Rasprsenje

Rasprsenje

Neelasticno rasprsenje (promjena u frekvenciji)

Ramanovo rasprsenje: νraspr ≠ νexc

Iznos razlike ne ovisi o νexc

„Ramanov pomak” je intrinzicno svojstvo uzorka.

Rasprsenje

Ramanova spektroskopija

Vibracijski i rotacijski prijelazi unutar

elektronskog stanja

Promjena valne duljine rasprsenog zracenja

(pomak u energiji)

Stokesov pomak:

gubitak energije fotona zbog prijelaza u vise

stanje

pomak prema vecim l

anti-Stokesov pomak:

povecanje energije fotona zbog prijelaza u

nize stanje

pomak prema manjim l

Raman Spektrometar


Raman spectrum of natural diamond (type IIa), showing the main Raman

active mode at ~1332 cm-1 (Taken using 514.5 nm laser excitation

wavelength). The Raman signal intensity is in arbitrary units (a.u.).


Problemi s Ramanom

“informacijama bogate” spektre tesko interpretirati

Ramanovo rasprsenje je vrlo neucinkovit proces

Samo 1 od 108 - 10 10 raspsenih fotona spada u

Ramanovo rasprsenje

Zahtjeva dugacka vremena integracije (i do nekoliko

minuta), te visoke snage zracenja

Potrebna paznja da se ne osteti uzorak

Efikasnost rasprsenja ~ 1/l4


„Tradeoffs”

Povecati efikasnost smanjenjem valne duljine

pobudenja

izlazni signal vrlo slab (pogoduje smanjenju

fluorescencije)

pojacava se i Raman signal tvari u uzorku koje nas

ne zanimaju (interferencija)



Typical Raman spectrum obtained from a CVD diamond film, deposited using

MWCVD from a 0.5% CH4/H2 gas mixture, 1000 W microwave power, 700C

substrate temperature for 6 hours. Raman spectrum taken using 514 nm laser

excitation.

Skala primjena spektroskopija

Literatura

Anthony (Tony) J. Durkin, “Spectroscopy Systems and Spectroscopy

Applications”

Kelly Virkler & Igor K. Lednev, Anal Bioanal Chem (2010) 396:525–534

Jose´ Irineu S. de Oliveira, Milton F. Diniz, Aparecida M. Kawamoto, Rita C. L.

Dutra, Propellants, Explosives, Pyrotechnics 31, No. 5 (2006), 395-400

Spektroskopija http://www.chem.vt.edu/chem-ed/spec/spectros.html

Internet Journal of Vibrational Spectroscopy http://www.ijvs.com/archive.html

The Optics of Spectroscopy

http://www.jyinc.com/systems/theory/oos/oos.htm

Oriel: TUTORIAL (pdf) http://www.oriel.com/tech/tutori.htm

Resetke

http://cord.org/cm/leot/course06_mod09/mod06_09.htm

Ostali izvori

http://www.spectroscopymag.com/

http://directory.google.com/Top/Science/Chemistry/Analytical/Instruments

Documents

Spektroskopski sustavi i primjene - fizika.unios.hr · zasto? valni broj se ... 1000 W microwave power, 700 C substrate temperature for 6 hours. Raman spectrum taken using 514 nm