Rezonanse magnetyczne oraz wybrane techniki pomiarowe fizyki ciała stałego

Transkrypt

1 Paweł Szroeder Rezonanse magnetyczne oraz wybrane techniki pomiarowe fizyki ciała stałego Wykład XIV Techniki spektroskopii ramanowskiej Budowa spektrofotometrów ramanowskich, źródła wzbudzania, detektory Mikroskopia ramanowska (µr) Przykłady zastosowań

2 Kilka uwag Sir Sandrasekhara Venkata Raman ( ), profesor Uniwersytecie w Kalkucie, nagroda Nobla w 1930 roku za prace nad rozpraszaniem światła i odkrycie zjawiska, które nazwane zostało jego nazwiskiem. Spektroskopia ramanowska, podobnie jak spektroskopia absorpcyjna w podczerwieni, naleŝy do technik badania widm oscylacyjnych materiałów. MoŜe być stosowana zarówno do gazów, cieczy, jak i ciał stałych. W większości spektrometrów ramanowskich jako źródła wzbudzenia uŝywa się laserów. Technika ta jest komplementarna do spektroskopii w podczerwieni. Pierwsze zarejestrowane widmo ramanowskie

3 Rozpraszanie promieniowania przez oscylator w molekule KaŜdą składową tensora polaryzowalności moŝna przedstawić jako αij αij = ( αij ) 0 + q +..., q 0 gdzie (α ij ) 0 jest wartością α ij w połoŝeniu równowagi jąder. Periodyczne zmiany współrzędnej normalnej oscylacji moŝna opisać funkcją q = Qcos2πν. Po wstawieniu do wzoru na tensor polaryzowalności dostaje się α = α α Qcos2πν. 0 + q t 0

4 Rozpraszanie promieniowania przez oscylator w molekule Podstawiając do równania na indukowany moment dipolowy µ ind =αe0 cos2πν 0t. dostajemy µ ind Korzystając z zaleŝności α = α0e0 cos( 2πν 0t) + QE0 cos(2πν 0t) cos(2πνt). q cosα sin β = cos( α β ) + 1 cos( α β ) 2 otrzymujemy formułe, która opisuje trzy rodzaje promieniowania rozproszonego µ ind = α0e0 cos(2πν 0t) + rozpraszanie Rayleigha 1 α + QE0 cos[2π ( ν 0 ν ) t] + 2 q 0 rozpraszanie stokesowskie 1 α + QE0 cos[2π ( ν 0 + ν ) t]. 2 q rozpraszanie antystokesowskie 0

5 NatęŜenie pasm promieniowania rozproszonego Stosunki natęŝeń pasm obliczamy ze wzoru. ~ 2 ν 4 M ind I Amplituda indukowanego momentu dipolowego wynosi oraz QE q M E M ind ind = = α α zatem. ) ( ~, ) ( ~, ~ ν ν α ν ν α ν α + E Q q I E Q q I E I antyst stokes rayl Korzystając z tych zaleŝności moŝna oszacować, Ŝe. 10 ) ( = α α ν α ν ν α Q q Q q I I rayl st

6 Rozpraszanie ramanowskie wzbudzanie rozpraszanie Rayleigha Elektronowy stan wzbudzony rozpraszanie Ramana Stan wirtualny E = 0 Stokes anty-stokes Elektronowy stan podstawowy

7 Widmo ramanowskie Całkowite widmo ramanowskie składa się z: maksimum rozpraszania Rayleigha (duŝe natęŝenie, długość fali taka sama, jak długość fali wzbudzającej); szeregu maksimów stokesowskich (niŝsze częstotliwości, większe długości fali); szeregu maksimów antystokesowskich (wyŝsze częstości, mniejsze długości fali); 459 rozpraszanie Rayleigha ~ 1 λ 0 pasma stokesowskie ν 0 = cm = 488 nm NatęŜenie [jedn wzgl.] pasma antystokesowskie Przesunięcie ramanowskie [cm -1 ] Widmo ramanowskie CCl 4 uzyskane przy wzbudzaniu linią 488 nm lasera argonowego

8 Widmo ramanowskie Widmo ramanowskie jest niezaleŝne od długości fali wzbudzającej (488, 632,8, 1064 nm). W praktyce najczęściej rejestruje się widma z maksimami stokesowskimi, które mają większe natęŝenia niŝ antystokesowskie, albowiem liczba molekuł w pierwszym oscylacyjnym stanie wzbudzonym jest mniejsza niŝ w stanie podstawowym. Ze wzrostem temperatury wzrasta ilość molekuł w pierwszym stanie wzbudzonym, wzrasta zatem natęŝenie linii antystokesowskich.

9 Widma ramanowskie a widma w podczerwieni Przesunięcia ramanowskie w widmach ramanowskich są identyczne co do wartości z połoŝeniem pików absorpcyjnych w widmach IR, jednakŝe róŝnią się ich względne natęŝenia. IR Niektóre maksima mogą być widoczne w jednym widmie, w drugim zaś nie. Rozpraszanie Ramana związane jest ze Raman zniekształceniem rozkładu gęstości elektronów wokół wiązania, po którym następuje reemisja promieniowania związania z powrotem wiązania do pierwotnego kształtu. Molekuły homojądrowe, nieaktywne w podczerwieni, dają linie ramanowskie, poniewaŝ polaryzowalność wiązań zmienia się periodycznie i zgodnie w fazie z drganiami rozciągającymi. Widmo IR oraz Ramana niperytu

10 Podstawowe róŝnice pomiędzy spektroskopią ramanowską (rozpraszania) oraz spektroskopią IR (absorpcyjną) Spektroskopia rozpraszania Ramana - mierzymy zmianę częstotliwości (lub długości) promieniowania padającego. W technice tej wykorzystuje się róŝne źródła, które mogą emitować promieniowanie o róŝnych długościach fali. JednakŜe częstościom oscylacyjnym drgań mierzonych molekuł odpowiadają zmiany częstotliwości promieniowania padającego będące skutkiem procesów rozpraszania. Spektroskopia absorpcyjna IR - pomiary absorpcji promieniowania IR w określonym zakresie długości fal, który pokrywa się z częstościami (energią) przejść oscylacyjnych molekuły. Stosowane źródła promieniowania muszą emitować promieniowanie podczerwone w całym zakresie mierzonej absorpcji.

11 Podstawowe róŝnice pomiędzy spektroskopią ramanowską (rozpraszania) oraz spektroskopią IR (absorpcyjną) Reguły wyboru dla przejść oscylacyjnych: IR energia fotonu dopasowana do energii poziomów rotacyjnych, tzn. hv = E osc Raman róŝnica energii fotonu padającego i rozproszonego odpowiada róŝnicy poziomów oscylacyjnych hv 0 hv R = E osc następuje zmiana momentu dipolowego w czasie drgania µ Q przejściom towarzyszą zmiany kwantowej liczby oscylacji 0 0 υ = +1, +2, +3,... następuje zmiana polaryzowalności w czasie drgania α Q przejściom towarzyszą zmiany kwantowej liczby oscylacji υ = ±1, ±2, ±3,..., przy czym nadtony znacznie mniej widoczne niŝ w przypadku IR 0 0

12 Podstawowe róŝnice pomiędzy spektroskopią ramanowską (rozpraszania) oraz spektroskopią IR (absorpcyjną) NatęŜenie pasm w widmach oscylacyjnych IR oraz Ramana Wiązanie, grupa IR Raman Grupy polarne o duŝym trwałym momencie dipolowym, np. OH, NH, CO C S S S Si O Si C==C C C drgania szkieletowe w pełni symetryczne drgania poszczególnych pierścieni aromatycznych i cyklicznych (względna absorbancja) bardzo duŝa średnia duŝa średnia bardzo mała lub zerowa (drgania zabronione w IR) (natęŝenie względne) małe duŝe lub bardzo duŝe bardzo duŝe duŝe duŝe lub bardzo duŝe

13 Zalety spektroskopii ramanowskiej W spektroskopii ramanowskiej moŝemy posługiwać się róŝnymi źródłami promieniowania wzbudzającego. NatęŜenie pasm ramanowskich wzrasta z częstotliwością promieniowania źródła jak v 4. Zatem większe natęŝenie będziemy obserwować przy wzbudzaniu światłem o mniejszych długościach fal, np. linią 488 nm lasera argonowego. W wielu przypadkach, w celu uniknięcia uszkodzenia próbki stosuje się źródła wzbudzania emitujące dłuŝsze fale, np. lasery czerwone i podczerwone. Często jako źródła stosowane są lasery diodowe (785 oraz 830 nm) oraz Nd- YAG (1064 nm). Laser diodowy Starbright 785S (Torsana Laser Technologies) emitujacy linię 785 nm o mocy 500 mw.

14 Zalety spektroskopii ramanowskiej Łatwość przygotowania próbek jest duŝą zaletą spektroskopii ramanowskiej. Technika ta nie wymaga stosowania niestabilnych chemicznie okienek KBr. MoŜna wykonywać pomiary roztworów wodnych próbek, co jest niemoŝliwe w przypadku pomiarów absorpcji IR. W technice tej moŝliwe jest wykonywanie pomiarów w wyŝszych temperaturach. WyŜsze temperatury nie mają bezpośredniego wpływu na sam pomiar. Technika ta jest szczególnie przydatna do pomiarów częstości oscylacyjnych kompleksów metal-ligand, których drgania przypadają na obszar cm -1. Pomiary widm w podczerwieni są w tym obszarze bardzo trudne. Kolejną zaletą tej techniki jest fakt, iŝ źródła wzbudzania emitują promieniowanie w zakresie widzialnym, co pozwala na precyzyjne zestrojenie układu optycznego mikroskopów ramanowskich.

15 Rozpraszanie ramanowskie a problem fluorescencji Energia wzbudzania, Ε (cm 1 ) 25,000 Rozpraszane elastyczne (Rayleigh) Ε Ε emit Stokes Anty-Stokes Ε Ε emit Ε fluorescencja Ε emit Drugi stan wzbudzony Pierwszy stan wzbudzony 4,000 0 Ε IR ± Ε Raman Ε=Ε emit Ε UV/Vis Fluorescencja Stany oscylacyjne Stan podstawowy

16 Problem fluorescencji Zjawiskiem niepoŝądanym w spektroskopii ramanowskiej jest fluorescencja. Wzbudzając niektóre próbki światłem zielonym, niebieskim bądź fioletowym moŝemy indukować przejścia elektronowe, które z kolei mogą wywołać świecenie fluorescencyjne. Powstające w ten sposób tło fluorescencyjne przysłania linie ramanowskie. Aby zminimalizować fluorescencję stosuje się w takich przypadkach wzbudzanie promieniowaniem o większej długości fali, której energia nie pokrywa się z energią przejść elektronowych. Widma ramanowskie antracenu uzyskane przy wzbudzaniu laserem argonowym, linia 514,5 nm (A), oraz laserem Nd:YAG, linia 1064 nm (B)

17 Problem fluorescencji Tło fluorescencyjne moŝna obniŝyć eksponując próbkę na działanie wzbudzającego promieniowania laserowego przez dłuŝszy czas. Raman Intensity Poly (diallyl phthalate) λ ex = nm Without Bleaching After 2 hours Bleaching Raman Shift (cm -1 )

18 Rodzaje spektrometrów ramanowskich spektrometr fourierowski przetwornik Ge chłodzony ciekłym azotem zwierciadło półprzepuszczalne zwierciadło ruchome zwierciadło nieruchome próbka filtr przestrzenny filtry dielektryczne paraboliczne zwierciadło zbierające laser Nd:YAG z filtrem liniowym

19 Rodzaje spektrometrów ramanowskich spektrometr siatkowy Konfiguracja do pomiarów ramanowskich in situ. Głowica pomiarowa połączona ze źródłem wzbudzania oraz spektrometrem włóknem światłowodowym. włókno światłowodowe (wzbudzanie) filtr interferencyjny dioda laserowa głowica pomiarowa filtr obcinający pasmo Rayleigha próbka siatka kamera CCD

20 Źródła wzbudzania w spektroskopii ramanowskiej NatęŜenie pasm ramanowskich jest bardzo słabe (0,001% natęŝenia wiązki rozpraszanej). W celu uzyskania sygnału ramanowskiego naleŝy stosować źródła o duŝym natęŝeniu. Aby widma miały nieskomplikowaną strukturę, źródło musi być monochromatyczne. Wynika to z faktu, Ŝe w spektroskopii ramanowskiej rejestruje się róŝnicę częstotliwości promieniowania padającego i rozproszonego. Jako źródła wzbudzania moŝna równieŝ wykorzystywać lampy o duŝym natęŝeniu, jednakŝe po zmonochromatyzowaniu mają one bardzo małą moc. Dlatego niemal wyłącznie stosuje się lasery. Lasery argonowe (jony Ar + ): linie 488 oraz 514,5 nm; Lasery kryptonowe (jony Kr + ): linie 530,9 oraz 647,1 nm; Lasery He-Ne: linia 632,8 nm; Diody laserowe: 785 oraz 830 nm; Lasery Nd:YAG: 1024 nm (532 nm przy wykorzystaniu drugiej harmonicznej) laser półprzewodnikowy XTRA laser argonowy

21 Detektory NatęŜenie rozpraszania ramanowskiego jest bardzo małe. Do jego detekcji zarówno w instrumentach dyspersyjnych jak równieŝ z transformatą Fouriera stosowano do niedawna bardzo czułe fotopowielacze. Obecnie większość spektrometrów jest wyposaŝona w chłodzone kamery CCD (charge-coupled device). Kamery CCD są bardzo czułe w obszarze światła widzialnego oraz bliskiej podczerwieni. W przypadku wzbudzania laserem neodymowym (1064 nm), stosuje się detektory germanowe. Chłodzony detektor pracujący w zakresie bliskiej podczerwieni, matryca 1024 x 256 pikseli, rozmiary 1 piksela - 25 µm 2 (Jobin-Yvon).

22 Przygotowanie próbek Przygotowanie próbek w spektroskopii ramanowskiej jest prostsze niŝ w spektroskopii IR. W przypadku próbek stałych wiązka promieniowania rozpraszanego kierowana jest wprost na próbkę. Próbki ciekłe oraz gazowe mierzy się w kuwetach kwarcowych, które są chemicznie duŝo bardziej odporne niŝ stosowane w spektroskopii UV kuwety KBr. filtr interferencyjny zwierciadło zbierające promieniowanie rozproszone próbka kapilara z mierzonym roztworem soczewka laser okienko przesłona soczewka obiektywowa zwierciadło zbierające promieniowanie wzbudzające do spektrometru Układy wzbudzania próbek laser do spektrometru filtr interferencyjny

23 Spektroskopia mikroramanowska

24 Mikroskop konfokalny detektor przysłona laser zwierciadło półprzepuszczalne obiektyw płaszczyzna ogniskowa próbka

25 Spektrometr mikroramanowski

26 Zastosowania Chemia strukturalna, Fizyka ciała stałego, Chemia analityczna, Badania materiałów pod kątem zastosowań, Kontrola procesów, Mikrospektroskopia obrazowanie, Monitorowanie środowiska, Biomedycyna, Badania i diagnostyka obiektów zabytkowych.

27 Biomedycyna Widmo ramanowskie holesterolu Hanlon et al. Prospects for in vivo Raman spectroscopy, Phys Med Biol 45: R1 (2000)

28 Badanie składników krwi Przykłady składników krwi, których poziom moŝe być określany na podstawie analizy widm ramanowskich. MoŜliwa jest diagnostyka in vivo. Jason T. Motz, Biomedical Raman Spectroscopy, Massachusetts General Hospital

29 Fizyka ciała stałego węgle niskowymiarowe D G laser excitation at 488 nm (2.54 ev) G' graphite exfoliated graphene epitaxial graphene SWNTs pristine CNTs P-CNTs N-CNTs Raman schift [cm -1 ]

30 Badana defektów w węglach model Lucchese a I D /I G 3,6 3,2 2,8 2,4 2,0 1,6 1,2 0,8 0,4 0,0 obszar aktywny nieporządek L D [nm] L D średnia odległość pomiędzy defektami. Dla L D < 3.5 nm zachodzą procesy amorfizacji struktur sp 2. L D M.M. Lucchese et al.., Carbon 48 (5); 2010;

31 Badania i diagnostyka obiektów zabytkowych Identyfikacja spoiw i pigmentów. Badanie procesów starzeniowych. Identyfikacja substancji wprowadzanych w skutek ataku mikroorganizmów. Monitorowanie skutków zabiegów konserwatorskich. Określanie autentyczności dzieł sztuki.

32 Wybrane widma wzorcowe spoiw Ŝywica damarowa Ŝywica elemi klej glutynowy kazeina

33 Wybrane widma wzorcowe pigmentów azuryt malachit kreda ochra

34 Seria widm ramanowskich próbek olejów lnianych ν C=C ν C-C ν C-O δο Η? ν C=O [cm -1 ] Pomiar wykonywany przy wzbudzaniu linią argonową o długości fali 488 nm. W starszych próbkach wskutek fluorescencji pasma ramanowskie są słabiej widoczne.

35 Przykład zastosowania mikrospektroskopii ramanowskiej, badanie składu warstw malarskich Tryptyk gotycki z Katedry we Włocławku Tryptyk Najświętsza Maria Panna ze św. Katarzyną i św. Barbarą (koniec XV w.)

36 Archanioł malachit biel ołowiowa retusze azuryt kolorowa podczerwień fluorescencja w UV

37 3 warstwa PARAFFIN PARAFFIN CHALK CARBON BLACK 1616 kreda CHALK parafina czerń węglowa warstwa 3 Raman shift, cm -1 czerwień lakowa WHITE LEAD 1053 LAC LAKE ~ 1610 biel ołowiowa Raman shift, cm -1

38 Św. Barbara biel ołowiowa malachit czerwień organicza kolorowa podczerwień fluorescencja w UV

39 warstwa 4 LEAD WHITE LAC LAKE LAC LAKE LAC LAKE 460 biel ołowiowa Raman shift, cm -1 czerwień lakowa warstwa czerwień lakowa Raman shift, cm -1

40 Kościół NMP na Zamku KrzyŜackim w Malborku Zamek Wysoki w Malborku pierwsza faza budowy przebudowa

41 Zamek Wysoki wschodnia elewacja. Początek XX wieku

42 Zniszczenia kościoła NMP wskutek II wojny światowej

43 Wnętrze kościoła NMP, stan dzisiejszy

44 Fragment polichromii z XIII w. Odkrywka warstwy malarskiej z fryzu arkadowego na ścianie zachodniej 1) XIX w. warstwa malarska - ochra 2) XIX w. tynk 3) warstwa malarska ochra 4) pobiała wapienna 5) róŝowy tynk 6) XIII w. błękitna warstwa malarska 7) pobiała 8) cegła

45 Cas - kazeina Ch - kreda Azu - azuryt WL biel ołowiowa Widmo mikroramanowskie z warstwy błękitnej oraz białej

46 Fragment polichromii z XIV w. Odkrywka na ścianie zachodniej (Ŝagielek pomiędzy ramionami arkad): 1) XIX w. warstwa malarska ochra 2) XIX w. tynk 3) warstwa błękitna XIV w. czarne i błękitne ornamenty 4) XIV w. pobiała wapienna 5) XIV w. róŝowy tynk 6) cegła

47 CB czerń węglowa Azu - azuryt Widmo mikroramanowskie warstwy błękitnej

48 Fragment polichromii z XIX w. Odkrywka na fryzie arkadowym (pierwsza arkada na ścianie południowej): 1) XIX w. warstwa malarska czerwień 2) XIX w. tynk 3) tynk 4) tynk 5) cegła

49 PbCrO 4 PbSO 4 siarczan ołowiu PbCrO 4 Ŝółcień chromowa Fe 2 O 3 czerwień Ŝelazowa Fe 2 O 3 PbCrO 4 PbSO 4 PbSO 4 Widmo mikroramanowskie czerwonej warstwy

50 CB Azu Azu PbSO 4 Mal CB Azu CB czerń węglowa Mal - malachit Azu PbSO 4 siarczan ołowiu Azu - azuryt Widmo mikroramanowskie warstwy błękitnej

51 Mal Mal - malachit Widmo mikroramanowskie warstwy zielonej

52 RL RL czerwień ołowiowa BaSO 4 siarczan baru RL BaSO 4 BaSO 4 Widmo mikroramanowskie warstwy czerwonej

53 Władysław KrzyŜanowski, Martwa natura z rzeźbą, Lwowska Galeria Obrazów Władysław KrzyŜanowski, Martwa natura z rzeźbą, falsyfikat w handlu antykwarycznym

54 Han van Meegeren (rzekomo Jan Vermeer van Delft), Uczniowie w Emmaus Jan Vermeer van Delft, Koncert, 1660, Boston Museum, skradziony

55 Frans Hals, ), Hille Bobbe (Czarownica), Galeria Dahlem, Berlin Han van Meegeren (rzekomo Frans Hals, ), Pijąca kobieta, sygn.; F.H., ok

56 Oryginał czy falsyfikat? - badania mikroramanowskie Jacek Malczewski ( ), Portret Mieczysława Gąseckiego w pracowni

57 Pomiary mikroramanowskie ~1375 ~ Raman shift, cm -1 ultramaryna czerń węglowa Ŝółcień indyjska biel ołowiowa

58 Pomiary mikroramanowskie Raman shift, cm -1 czerń węglowa błękit pruski biel ołowiowa

59 Rezonansowy efekt Ramana NatęŜenie rozpraszania ramanowskiego jest razy słabsze niŝ natęŝenie rozpraszania rayleighowskiego. RóŜnica ta spowodowana jest małym prawdopodobieństwem przeniesienia energii do molekuły znajdującej się w stanie podstawowym, której towarzyszy reemisja promieniowania z jednoczesnym powrotem do stanu podstawowego. Jeśli poziomy wirtualne znajdują się w pobliŝu wzbudzonych elektronowych stanów molekularnych (najczęściej pierwszy stan wzbudzony), prawdopodobieństwo przejść oscylacyjnych wzrasta o 10 2 do 10 6 razy. Rezonansowe linie ramanowskie obserwuje się nawet przy stęŝeniach molowych rzędu 10-8 M. Rezonansowe widma ramanowskie mają na ogół prostą strukturę (do kilku linii), poniewaŝ wzmocnienie dotyczy jedynie przejść związanych bezpośrednio z chromoforami.

60 Rezonansowy efekt Ramana przejścia bezpromieniste v ex v rozp s v ex v fl s v rozpraszanie Ramana fluorescencja

61 Powierzchniowo wzmocniona spektroskopia Ramana SERS (surface enhanced Raman spectroscopy) JeŜeli molekuły są absorbowane na koloidalnych cząsteczkach Au, Ag, Cu lub nierównościach powierzchni tych metali o rozmiarach nanometrowych, natęŝenie rozpraszania ramanowskiego wzrasta o razy. Metalem, który daje największe wzmocnienie jest srebro. Mechanizm zjawiska SERS jest nieznany, powszechnie uwaŝa się, Ŝe jest on spowodowany wzmocnieniem pola elektrycznego na nanocząsteczkach. Kiedy długość fali padającego promieniowania EM jest bliska długości fali plazmowej metalu, elektrony mogą zostać wzbudzone do rozszerzonych stanów powierzchniowych (powierzchniowy rezonans plazmonowy). Kombinacja techniki SERS ze spektroskopią rezonansową pozwala na wzmocnienie sygnału rzędu UmoŜliwia to detekcję substancji juŝ przy stęŝeniu M.

62 Powierzchniowo wzmocniona spektroskopia Ramana SERS (surface enhanced Raman spectroscopy) SERS moŝe być wykorzystywany do uzyskiwania informacji przestrzennej poprzez sprzęŝenie spektrometru ramanowskiego z AFM

63 SERS sprzęŝony z AFM Raman laser obiektyw detektor nanosprzęŝenie osi z mikroskopu stolik xyz dioda laserowa sonda z ostrzem próbka Wraz ze zmianą topografii próbki zmienia się połoŝenie stolika wzdłuŝ osi z, dopasowując się do sygnału detektora. Dzięki tej konfiguracji zapewniona jest kontrola odległości powierzchni próbki od soczewki mikroskopu ramanowskiego.