dr hab. inż. Beata Brożek-Płuska SPEKTROSKOPIA RAMANA Laboratorium Laserowej Spektroskopii Molekularnej PŁ

dr hab. inż. Beata Brożek-Płuska SPEKTROSKOPIA RAMANA Laboratorium Laserowej Spektroskopii Molekularnej PŁ

WIDMO OSCYLACYJNE Zręby atomowe w molekule wykonują oscylacje wokół położenia równowagi. Ruch ten można rozłożyć na 3n-6 w przypadku molekuł nieliniowych oraz 3n-5 w przypadku molekuł liniowych, stopni swobody Model oscylatora harmonicznego Oscylacje można rozpatrywać wykorzystując modele mechaniczne, posługując się prawami mechaniki klasycznej i dodając kwantowanie energii. Drgania zrębów atomowych w pierwszym przybliżeniu można rozpatrywać na modelu oscylatora harmonicznego. Prawo Hooke a: siła F jest proporcjonalna do wychylenia oscylatora ze stanu równowagi, wychylenie definiujemy jako: q = r-r e

W czasie drgania wychylenie q zmienia się periodycznie q=qcos2 t gdzie: jest częstością drgania oscylatora, a Q jest amplitudą wychylenia. Oscylator harmoniczny to taki oscylator, który spełnia prawo Hooke a. Wynika z tego, że: F = -fq czyli, że siła jest proporcjonalna do wychylenia. Współczynnik proporcjonalności f nazywamy stałą siłową. Stała siłowa jest wielkością charakteryzującą sprężystość sprężyny i jest równa sile przypadającej na jednostkę wychylenia [N/m].

Energia oscylatora Ruch drgający opisuje równanie Lagrange a: d dt dt dq + du dq = 0 po podstawieniu: otrzymujemy: du dq = fq T = 1 2 m redq 2 ν = 1 2π f [Hz] ν = 1 m red 2πc f m red [cm 1 ] m red = m 1 m 2 m 1 + m 2 [kg]

Energia oscylacji molekuł Energia oscylacji zrębów atomowych w molekule jest skwantowana E osc = hν υ + 1 2 E osc = h 2π f m red υ + 1 2 dla kwantowa liczba oscylacji υ = 0 stała siłowa kwantowa liczba oscylacji E osc = 1 2 hν nawet w temperaturze 0 K oscylacje zrębów atomowych NIE USTAJĄ! kwant połówkowy E osc. = ħ f m red

Oscylator anharmoniczny Oscylator anharmoniczny nie spełnia prawa Hooke a. Gdy nie znamy matematycznej postaci funkcji U(q) rozwijamy funkcję w szereg Taylora lub, jeśli to możliwe, w szereg Maclaurina. U q = U q=0 + 1 1! du dq q=0 q + 1 2! d 2 U dq 2 q=0 q 2 + 1 3! d 3 U dq 3 q=0 q 3 + 0 0 energia oscylatora anharmonicznego 2 E osc.anh. = hν υ + 1 2 hνx υ + 1 2 E osc.anh. = hν 1 2x(υ + 1)

Drgania molekuł Drgania własne: drgania, które nie powodują przemieszczenia środka masy molekuły ani jej obrotu Drgania normalne: jednoczesny ruch wszystkich zrębów atomowych molekuły odbywający się z jednakową częstością i zgodnie w fazie Rozciągające symetryczne Rozciągające asymetryczne Nożycowe (zginające) Wahadłowe Wachlażowe Skręcające rodzaje drgań normalnych

Rozpraszanie promieniowania Czy promieniowanie elektromagnetyczne, w którym nie ma fotonów pasujących do odstępów między poziomami energetycznymi, w ogóle nie oddziałuje z molekułami? Molekuła jest zbiorem ładunków elektrycznych dodatnich i ujemnych. Składowa elektryczna promieniowania elektromagnetycznego musi z nimi oddziaływać. Indukuje ona w molekule moment dipolowy proporcjonalny do natężenia E składowej elektrycznej pola, przy czym współczynnikiem proporcjonalności jest polaryzowalność molekuły. μ ind = αe (1) E = E 0 cos2πν 0 t (2)

μ ind = αe 0 cos2πν 0 t (3) I~M 2 4 ind ν 0 (4) Opisane zjawisko nazywamy rozpraszaniem promieniowania Ilustracja rozpraszania

Widmo RAMANA Teoria polaryzowalności Placzka μ ind = αe 0 cos2πν 0 t (1) polaryzowalność: potencjalna zdolność przemieszczania się elektronów względem jąder w polu elektrycznym α = f(q) (2) α q = α q=0 + 1 1! dα dq q=0 q + 1 2! d 2 α dq 2 q=0 q 2 + (3) q = Qcos2πνt (4)

α q = α 0 + dα dq 0 Qcos2πνt (5) polaryzowalność zmienia się z częstością drgania normalnego, ale tylko wtedy gdy pochodna polaryzowalności po współrzędnej drgania nie jest równa zero ostatecznie można pokazać, że: μ ind = α 0 E 0 cos2πν 0 t + 1 2 dα dq 0 QE 0 cos2π ν 0 ν t + 1 2 dα dq 0 QE 0 cos2π ν 0 + ν t (6) rozpraszanie Rayleigha rozpraszanie Ramana skladowa stokesowska rozpraszanie Ramana skladowa antystokesowska

Spektrometr ramanowski kuweta schemat ideowy spektrometru ramanowskiego 50 100 150 200 250 300 400 500 600 700 CCD widmo z kamery CCD monochromator

Zastosowania spektroskopii Ramana 1. Analiza jakościowa i ilościowa widma Ramana i IR metanolu fragment tablicy korelacyjnej częstości drgań w organicznych związkach azotu

2. Analiza przejść fazowych PA-MCH, c=2,31m skany DSC PA-MCH, c=2,31m 293-77K PA-MCH, c=2,31m zakres niskoczęstościowy

intensywność [cts/s] 3. Analiza układów biologicznych 3A. Zastosowanie spektroskopii Ramana w badaniu nowotworów http://uzbrojone-plytki-krwi// 5x10 3 4x10 3 3x10 3 2x10 3 1x10 3 (A) TKANKA O UTKANIU PRAWIDŁOWYM, (B) TKANKA NOWOTWOROWA (C) KREW OBWODOWA PACJENT KT 38 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 liczba falowa [cm -1 ] 514 536 560 586 615 [nm] B. Brożek-Płuska, I. Placek, K. Kurczewski, Z. Morawiec, M. Tazbir, H. Abramczyk, J. Mol. Liq. 2008, 141,145.

Niskotemperaturowe widma Ramana a) tkanka zdrowa b) tkanka nowotworowa kriostat

intensywnosc [Arbt. Units] intensywnosc [Arbt. Units] 3009 1304 1158 1004 2854 2926 5. Konfokalna mikroskopia Ramana 1.05 0.84 0.63 0.42 0.21 1660 1518 1444 tkanka o utkaniu prawidłowym pacjent P80 a) obraz mikroskopowy b) obrazowanie Ramana c) widma Ramana 0.00 1.05 0.84 0.63 0.42 0.21 0.00 1000 2000 3000 4000 liczba falowa [cm -1 ] 1080 1444 2940 1259 1660 tkanka zmieniona 1000 2000 3000 4000 liczba falowa [cm -1 ] nowotworowo IDC. łac. carcinoma ductale infiltrans mammae pacjent P80 obraz mikroskopowy a) obrazowanie Ramana b) widma Ramana B. Brozek-Pluska, J. Musial, R. Kordek, E. Bailo, T. Dieing, H. Abramczyk, Analyst 2012, 137 (16), 3773.

intensywnosc [Arbt. Units] intensywnosc [Arbt. Units] 3009 1304 1158 1004 2854 2926 5. Konfokalna mikroskopia Ramana 1.05 0.84 0.63 0.42 0.21 1660 1518 1444 tkanka o utkaniu prawidłowym pacjent P80 a) obraz mikroskopowy b) obrazowanie Ramana c) widma Ramana 0.00 1000 2000 3000 4000 liczba falowa [cm -1 ] 1.05 0.84 0.63 0.42 0.21 0.00 1080 1444 1259 1660 2940 tkanka zmieniona nowotworowo IDC. łac. carcinoma ductale infiltrans mammae pacjent P80 obraz mikroskopowy a) obrazowanie Ramana b) widma Ramana 1000 2000 3000 4000 liczba falowa [cm -1 ] B. Brozek-Pluska, J. Musial, R. Kordek, E. Bailo, T. Dieing, H. Abramczyk, Analyst 2012, 137 (16), 3773.

5.Analiza komórek skóry in-vivo skóra sucha skóra nawilżona http://www.horiba.com

5. Widma komórek bakterii Obraz mikroskopowy komórek DU 145 Widma Ramana komórek DU 145 oraz A 549 l=785 nm Quinn Matthews, Ph D 2006

5. Widma komórek bakterii Obraz mikroskopowy komórek żywych DNA, białka l=785 nm; 488-514 nm Obraz mikroskopowy komórek martwych Widma Ramana komórek MLE 12 (a) żywych (b) martwych 1070-1150 cm -1 1530-1700 cm -1 I. Notingher et al. Spectroscopy 16 II. (2002) 43 51

6. Analizy farmaceutyczne kofeina kwas acetylosalicylowy paracetamol- N-(4- hydroksyfenylo)acetamid http://www.horiba.com widma Ramana składników tabletki

7. Analiza fotouczulaczy Niskotemperaturowe widma Ramana ZnPcS 4 -DMSO Niskotemperaturowe widma Ramana ZnPcS 4 -H 2 O

8. Obrazowanie mieszanin polimerów (a) PET (b) PMMA szkło PET PMMA AFM Raman z Thomas Dieing, Olaf Hollricher, Jan Toporski Confocal Raman Microscopy Springer, 2011

intensywnosc analizy kości farmaceutyków 8.6x10 2 barwników 8.4x10 2 8.2x10 2 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 liczba falowa [cm -1 ] budowy komórek metabolizmu transformacji nowotworowych żywotności komórek