(VIBRACIJSKA)

INFRARDEČA IN RAMANSKA (MIKRO)SPEKTROSKOPIJA

Zoran Arsov

Institut “Jožef Stefan”, Ljubljana, SlovenijaOdsek za fiziko trdne snovi (F5)

Laboratorij za biofiziko

Rogla, November 2011

KONCEPT MIKROSPEKTROSKOPIJE!!!V vsaki točki slike zajamemo celoten vibracijski

spekter.

To pomeni, da lahko kontrastiramo sliko preko lokalizacije različnih molekulskih skupin (kemično mapiranje). Intenziteta barve lahko pomeni lokalno koncentracijo neke snovi.

Pri SPEKTROSKOPIJI posnamemo povprečen vibracijski

spekter vzorca.

NI KRAJEVNE INFORMACIJE o razporeditvi komponent v vzorcu!!!

INFRARDEČA MIKROSPEKTROSKOPIJA FARMACEVTSKE TABLETEMotivacija: Vpliv formulacije in razporeditve zdravilnih učinkovin in pomožnih snovi v tableti na dinamiko njihovega sproščanja.

1. Primerjava ozadja IR in ramanske spektroskopije

2. Zgradba IR in ramanskih mikroskopov

3. Pregled različnih metodoloških pristopov

4. Predstavitev področij uporabe

Vibracijska spektroskopija

valovno število (ang. wavenumber)

1/

[cm-1] ∂

Model dvoatomske molekule

m1m2

k

21 /1/11,

21

mmk

ENA VEZ!!!

Vpliv težjih atomov na vibracijski spekter

1000150020002500300035004000Wavenumber cm-1

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

ATR

Uni

ts

sample in H2

Osample in D2

O

k

21

izotopskaizmenjava

Vpliv H-vezi na vibracijski spekter

k

21

k k

A H + B ↔

A H...B

anorganske snovi(težji atomi)400-20 cm-1, 25-500 m

organske snovi4000-400 cm-1, 2.5-25 m

Infrardečo področje v elektromagnetnem spektru

Dipolni moment (permanentni, inducirani)

... dipolni moment

... polarizabilnost

IR absorpcija –

klasični opis

Pogoj za IR absorpcijo

Ramansko sipanje –

klasični opis

Pogoj za ramansko sipanje

Komplementarnost IR in ramanske spektroskopije

H2

O?!

1. Primerjava ozadja IR in ramanske spektroskopije

2. Zgradba IR in ramanskih mikroskopov

3. Pregled različnih metodoloških pristopov

4. Predstavitev področij uporabe

INFRARDEČA

MIKROSPEKTROSKOPIJA

Sklopitev FTIR spektrometra z IR mikroskopom

FTIR spektrometer

detektor(MCT,

HgCdTe)

interferometer

ALIIR svetloba izsinhrotrona

IR izvor(Globar -

SiC)polikromatski

prostor za vzorce

Spektroskopija s Fourierjevo transformacijo I.

http://www.wooster.edu/chemistry/is/brubaker/ir/ir_works_modern.html

OZADJE!!!

VZOREC + OZADJE

SPEKTER VZORCA

Spektroskopija s Fourierjevo transformacijo II.

Shema FTIR mikroskopa

vrstični mikroskop

(zajem slike točko po točko)

mikroskop s FPA detektorjem

(zajem celotne slike hkrati)

Možnosti za zajem slike

Sevalni spekter sinhrotrona

X-ray IR

Prednost uporabe IR sinhrotronske svetlobe

Spektralna ločljivost -

IR

RAMANSKA

MIKROSPEKTROSKOPIJA

Shema disperzijskega ramanskega mikroskopa

laser kot izvor(monokromatski)STABILNOST!!!

prostor za vzorce

posebni optični filtri!!!notch –

(anti)Stokesedge -

Stokes

spektrometer zdetektorjem

Spektralna ločljivost -

Raman

odvisnost od disperzijskih lastnosti uklonske mrežice

odvisnost od goriščne razdalje zrcal v spektrometru

1. Primerjava ozadja IR in ramanske spektroskopije

2. Zgradba IR in ramanskih mikroskopov

3. Pregled različnih metodoloških pristopov

4. Predstavitev področij uporabe

transmisija

horizontalni ATR

univerzalni ATRIR (mikro)spektroskopija

omogoča različne načine zajema

difuznareflektanca

Možne IR konfiguracije

ATR-FTIR –

spektr. z atenuiranim totalnim odbojem

Evanescentno polje in vdorna globina

xz

t

i

nnIRE

>

)(/),( txkiExpdzExpEtrE txp

tt

22 )/(sin2 IREiIRE

pnnn

d

3 m (3300 cm-1)nIRE

4.0n

1.5i

45°

dp

0.2 m

absorpcija H2

O!!

ATR kristal vzorec

Prednost uporabe

ATR-FTIR za študij vodnih susp.

5001000150020002500300035004000

0.0

0.2

0.4

5001000150020002500300035004000

0.0

0.2

0.4

Wavenumber cm-1

Sing

le c

hann

el

ATR

transm.

absorpcija vodedp

0.2 m

distančnik

5

m

Krajevna ločljivost

difrakcijska limitay = 0.61

/ sin

y se bo izboljšala za manjšo (Raman!!!)in za večji

pri imerziji /n

(n ... lomni količnik)

y = 0.61

/ (n sin) == 0.61

/ NA

NA ... numerična apertura

NA = n sin

nIRE

4.0

ATR objektiv za IR mikroskop

Mikroskopija z bližnjim poljem (ang. “near-field”)

transformacija

EVANESCENTNEGA POLJA

v

POTUJOČE VALOVANJE(detekcija “daleč” od vzorca)

beležimo lateralne spremembe

v bližnjem polju

D. Courjon, C. Bainier. Rep. Prog. Phys. 57 (1994) 989−1028.

Različni načini izvedbe “near-field”

mikroskopije I.

SERS, TERSang. surface-

or tip-enhanced Raman spectroscopy

SNOM, ang. scanning near-field optical microscopy

Metode običajno osnovane na AFM!!

nano-kolektor/zaslonka(prosojen optični vodnik)

ALI

nano-sipalec(konica)

lokalna detekcija (< )

“scanning”konfiguracija!!

loč. ≈

velikost nano-detekt.

omejitev

površinsko občutljive metode!!

Različni načini izvedbe “near-field”

mikroskopije II.

Ramanska mikrospektroskopija v CO NAMASTE I.

SNOM izvedba z nano-zaslonko

Primer slikanja v različnih načinih

OPTICAL

SNOM

AFM

MICROSCOPE

DIODELASER785 nm

DICHROICfilter (45°)

EDGEfilter

SPECTROMETER

MICROSCOPE

DIODELASER785 nm

DICHROICfilter (45°)

EDGEfilter

SPECTROMETER

Ramanska mikrospektroskopija v CO NAMASTE II.

1. Primerjava ozadja IR in ramanske spektroskopije

2. Zgradba IR in ramanskih mikroskopov

3. Pregled različnih metodoloških pristopov

4. Predstavitev področij uporabe

GLAVNE PREDNOSTI VIBRACIJSKIH SPEKTROSKOPIJ

• dokaj preprosta priprava vzorcev za meritve

• možno merjenje zelo različnih oblik vzorcev

•

študij vzorcev brez potrebe po molekulskem označevanju

• nedestruktivne metode

• Study of intermolecular interactions

Področja uporabe vibracijske spektroskopije

Primerne oblike vzorcev

oblika vzorca: prah

Primer 1

Titanatne nanocevkeMaja Garvas, Polona Umek

5001000150020002500300035004000

Wavenumber (cm-1)

Am

plitu

de (a

.u.)

oblika vzorca: polimerni film

Primer 2

Polisaharid hialuronanUroš

Cvelbar, F4, IJS

5001000150020002500300035004000

Wavenumber (a.u.)

Am

plitu

de (a

.u.)

HA controlHA plasma treated

1000150020002500300035004000

Wavenumber (cm-1)

DMPC

CH2methylene

group

ATR-FTIR spekter membran DMPC ...Primer 3

DMPC / H2

O

oblika vzorca:vodna suspenzijalipidnih membran

2918

2919

2920

2921

2922

2923

2924

5 15 25 35 45

T (°C)

Pea

k po

sitio

n (c

m-1

)

28002850290029503000

Wavenumber (cm-1)

temperaturna kontrola

Primer 3

... in študij faznega prehoda

Primer 4

IR slikanje lipidnih plasti na Au substratu

POSUŠENA KAPLJICA LIPIDNE SUSPENZ.

• 26 x 26 točk (676 spektrov)

• velikost zaslonke 30 m x 30 m

• korak 200 m

1/

N mapiranje

100015002000250030003500Wavenumber cm-1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Abso

rban

ce U

nits

IR slikanje z bližnjim poljemPrimer 5

IR mikroskopija(kemijsko mapiranje)

+

mikroskopija na atomsko silo(topografsko mapiranje)

ang. apertureless scanning near-field infrared microscopy (ASNIM)

ASNIM slike podprtih lipidnih membranPrimer 5

topografija “near-field”

slika

1 m

128 nm138 mV

0 nm 0 mV

krajevna ločljivost <<

(6 m)!!

Ramansko slikanje bioloških celicPrimer 6

Motivacija za postavitev ramanske mikrospektroskopije znotraj CO NAMASTE je študij bioaktivnosti in biokompatibilnosti novih materialov preko interakcij s celicami.

ZAKLJUČEK

KONCEPT MIKROSPEKTROSKOPIJE!!!V vsaki točki slike zajamemo celoten vibracijski

spekter.

To pomeni, da lahko kontrastiramo sliko preko lokalizacije različnih molekulskih skupinah (kemično mapiranje). Intenziteta barve lahko pomeni lokalno koncentracijo neke snovi.

PRIMERJAVA INFRARDEČE IN RAMANSKE (MIKRO)SPEKTROSKOPIJE

IRabsorpcijasprememba dipolnega mom.transmisija (absorpcija)globar, sinhrotron (polikrom.)dobro definirano ozadje2-25 m (mid-IR)interferometer (FTIR), reflektivna optika, detektor MCT ali FPAzelo raznovrstno (omejitve pri uporabi H2

O)pogojena z optiko ter odvisna od nast. interferom.reda velikosti nekaj minut

Ramansipanjesprememba polarizabilnostirazlika glede na izvorlaser (monokromatski)stabiliziran laserski izvorvidna ali NIRspektrometer (disperz. način), posebni optični filtri, detektor CCDzelo raznovrstno (primerno pri uporabi H2

O)pogojena z optiko ter odvisna od nast. spektrom.reda velikosti nekaj minut

pojavizbirno pravilonačin zajemaizvorpogojtipične val. dolž.sestavni deli

tipi vzorcev

krajevna ločljivostspektr. ločljivostčas zajema

“Klasična”

mikrosk. z daljnim poljem (ang. “far-field”)

d >>

D. Courjon, C. Bainier. Rep. Prog. Phys. 57 (1994) 989−1028.

(detekcija “daleč” od vzorca)

dipol seva (sipa)potujoče valovanje

Model interakcije konica-vzorec

v konici se inducira dipolni moment proporcionalenevanescentnemu polju

(t) =

E (t)

TRANSFORMACIJA