Infravörös, Raman és CD...
Transcript of Infravörös, Raman és CD...
• Az EM sugárzásabszorbcióján alapszik:
– látható(leggyakrabban kvantitatív)
– UV
– IR (inkább kvalitatív)
– RAMAN
– ESR(mikrohullám)
– NMR(rádióhullám)
Spektroszkópia
• Fény emisszióján alapszik:
– Fluor-, foszforeszcencia
• Más mechanizmusokon
alapszik:• Fényszórás
• Röntgendiffrakció:
Fehérjék 3D-s
szerkezete
• ORD (optical
rotatory dispersion)
(2D-s)
• CD (circular
dichroism)
Molekulák sávos színképének okai
rezgés (vibráció) forgás (rotáció)
http://en.wikipedia.org/wiki/Infrared_spectroscopy
Molekulák energiaszintjei
Eössz = Eelektron + Erezgési + Eforgási
rezgési energia:
kvantált!
Erezgési = (v+1/2)
v = 0, 1, 2, ...
forgási energia:
kvantált!
Eforgási = B·J(J+1)
J = 0, 1, 2, ...
elektronátmenet
energiája: kvantált!
Eelektron ~ -1/n2
n = 1, 2, 3, ...
Jablonsky-féle termséma
Az elektromos (S0, S1, ...) és az azokra ráépülő vibrációs-,
valamint rotációs energiaszintek sematikus ábrája
• Az egyes energiaszintek anulla energiaszint alattvannak.
• Minden vízszintes vonal amolekula egy jól definiáltenergiájú állapotátreprezentálja.
• Alapállapotban: az e- az S0valamely vibrációs-rotációsszintjén található.S0
S1
0
En
erg
ia
S2
vibráció
s szintek
rotációs
szintek
S0
S1
Az energiakülönbségek nagyságrendje:
Eelektromos ~ 1000 * Evibrációs ~ 1 000 000 * Erotációs
Az energiaszintek
Alapszint
Vibrációs szintekS0
S1
S2
IR
A rezgések esetében a molekulán belüli kötésszögek és
távolságok változnak, a molekula átlagos helyzete és
orientációja változatlan marad.
A rezgések nagyobb energiát képviselnek így a rezgési
állapotok megváltoztatása energia szempontjából legalább
infravörös sugárzással kell hogy történjen.
IR
Három részre bonthatjuk:
• NIR (near infrared) közeli: 800 nm- 2,5 m– Látható mellett közvetlenül
• MIR; MID-IR (mid infrared) középinfravörös: 2,5 m – 50 m
– Molekularezgéseket gerjeszt: vegyületazonosítás
• FIR (far infrared) távoli: 50 m- 1000 m
– Molekulaforgásokat gerjeszt: mozgás infó
A1 A2
Infravörös spektroszkópia
A sugárzás energiája (frekvenciája) = a kötés vibrációs energiájával (frekvenciájával)
rezgő kémia kötés
Abszorpció
• Az infravörös spektroszkópia alapulhat az IR sugárzás elnyelésén
(abszorpció), visszaverésén (reflexió) és kibocsátásán (emisszió).
• Az IR spektroszkópiában az emissziós technika nem terjedt el.
Leggyakrabban az abszorpciós technikát használjuk.
A vizsgálandó mintát besugározzuk az infravörös sugárzás tartományába eső
elektromágneses sugárzással és ennek valamilyen változását mérjük.
Infravörös spektroszkópia
• különböző molekuláris rezgéseket vizsgál
• az abszorbció függ a funkciós csoportoktól és amolekula szimmetriájától
• a molekuláknak jellegzetesen sok lehetséges rezgésük van
• a kötések nyúló-összehúzódó rezgése a legjellegzetesebb
• ha kötés-hajlásban egyszerre több atom vesz részt
összetettebb rezgések jönnek létre
• kivétel: a teljesen szimmetrikus kötések rezgése nem IR-
abszorbeáló (pl. az etilén C=C kettős kötésének nyúló-összehúzódó
rezgése)
• Besugárzás (monokromatikus IR sugár),
• Abszorbció (elnyelés), molekula-
szerkezetének megfelelően
• De nem tetszőlegesen, hanem
kvantáltan!
• Abszorbciós sáv
.
• Spektrum
A kapott spektrum az adott anyag
ujjlenyomatszerű azonosítására alkalmas.
Infravörös spektroszkópia
Transzmittancia, abszorbancia spektrumok
AT
4000 3000 2000 10000,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
4000 3000 2000 10000,0
0,1
0,2
1cm/~
IR spektrum
x-tengely
• a hullámhossz-tartomány jellemzően 2 - 15 µm, 660-5000 1/cm
• a hullámszám is használatos (második x-tengely)
hullámszám [n] = 1/cm = cm-1
y-tengely
• általában transzmittancia (0 - 100%)
(a völgyek abszorpciónak felelnek meg)
• a "csúcsokat" hullámszámmal jelöljük
Az IR-spektrum tartományai
Kettős
kötések
(2000-1500)
Hármas
kötések
(2500-2000)
Kötések H-hez
(X–H)
(4000-2500 cm-1)
Az infravörös sugárzás tartományokra osztása
Középső vagy
analitikai IR
(MIR)Távoli IR (FIR)Közeli IR (NIR)
Látható
(VIS)
Mikrohullám
(MW)
12 500 4 000 400 20 n ( cm1)~
nagyamplitudójú rezgések,
fémkomplexek, fémorganikus
mol. rezg., kismolekulák
forgása,
rácsrezgések
rezgési felhangokJelenség szerves molekulák
alaprezgései
Optikai
elemek
(ablakok,
lencsék,
mintatartók)
kvarcüveg
↓
üvegszáloptika
használatának
lehetősége
Ionrácsos anyagok:
KBr, NaCl, CsCl,
CaF2, ZnSe,
KRS5 (TlBr/TlI)
Si, Ge
polietilén
Alkalmazás minőségi analízis,
szerkezeti információ
elsősorban
szerkezeti információelsősorban mennyiségi
analízis
(pl. műanyag-,
élelmiszeripar)
Sir Venkata Raman
(1888-1970) – fizikai
Nobel-díj 1930
Raman-spektroszkópia
Elektromágneses sugárzás
(látható fény, laser)
Minta
Szórás
De milyen szórás????
http://en.wikipedia.org/wiki/Chandrasekhara_Venkata_Raman
minta
minta
Rayleigh
Raman
Raman-spektroszkópia
http://en.wikipedia.org/wiki/Chandrasekhara_Venkata_Raman
minta
minta
Rayleigh - rugalmas
Raman - rugalmatlan
• detektált fényintenzitás: csökken
(geometria!)
• irány: változik !!!
• kvantumszám: változatlan
• energia, frekvencia: változatlan
• detektált fényintenzitás: változhat
(hullámhossz függő érzékenység!)
• irány: változatlan (maradhat)
• kvantumszám: változatlan
• energia, frekvencia: változik !!!
Raman-spektroszkópia
I
h0 h(0+ 1)h(0- 1)
A Raman-spektroszkópia segítségével a tisztán vibrációs
vagy rotációs szinteket tudjuk tanulmányozni.
h(0+ 1)h(0- 1)
Raman szórás
Stokes
anti-Stokes
Stokes anti-Stokes
Raman eltolódás
IR abszorpció
• Monokromatikus fénnyel (ultraibolya, látható vagy
közeli infravörös tartományba eső lézer sugárral)
besugározzuk az analizálandó mintát és a frekvencia-
változással szóródott fényt használjuk
anyagazonosításra.
• Miként az IR spektroszkópia, ez is alkalmas mennyiségianalízisre.
• Raman-spektroszkópia csak a lézer felfedezése utánkezdődhetett.
Raman-spektroszkópia
• minta lehet: bármilyen (halmaz-)
állapotú.
• keverékek komponensei jól
szeparálhatók
• minőségi és mennyiségi kiértékelésre
is alkalmas
• vizes oldatok is jól vizsgálhatók
(ellentétben az IR spektroszkópiával)
• széles koncentrációtartományban
működik
100%-os töménységtől néhány ppb (part
per billion, milliárdod-rész)
koncentrációig
Raman spektroszkópia - Előnyök
• a spektrumok rövid idő alatt (néhány sec) felvehetők
• nem igényel minta-előkészítést
• műanyag- vagy üvegedények falán keresztül is működik
• nem károsítja a mintát
• látható tartományú fénnyel világítjuk meg a mintát,
aminek előállítása egyszerűbb
Raman spektroszkópia - Előnyök
Összehasonlítás
Aszimmetrikus, poláros kötések
IR-aktívak,
• O-H (víz mérése)
• =C-H
• C=O
• C-Cl
• C-O-C
• (C-)NO2
Szimmetrikus és homopoláros kötések
Raman-aktívak, pl.
• C=C
• C=C
• C=S
• C-Cl
• O-O
• A Raman-analízis előnye, hogy az anyagokat vizes oldatokban is lehet vizsgálni. (IR erősenabszorbeálódik a vízben)
• IR és Raman spektroszkópia egymást kiegészítő technikák.
Síkban (lineárisan) polarizált hullámok
Cirkuláris Dikroizmusspektroszkópia
Két egymásra
merőlegesen
polarizált
síkpoláros fény
eredője: egy
átlósan
polarizált
síkpoláros fény.
Cirkuláris (elliptikus) polarizáció
Két
egymáshoz
képest
ellentétesen
forgó
polarizációjú
cirkulárisan
poláros fény
eredője: (ha a
forgási
sebesség
egyenlő) egy
síkban
polarizált
fény lesz.
q
Egy cirkulásrisan
polarizált fénysugár, ha
áthalad a mintán
megváltozik a
hullámhossza és az
amplitúdója is.
Így két cirkulárisan
polarizált fény eredője
(síkban poláros fény)
íránya, síkja is
megváltozik. Ez az
ORD otikai rotációs
diszperzió.
Azonban mivel az amplitúdó is megváltozik, nemcsak a
hullámhossza - a mintán való áthaladás során- , így,
már nem síkban poláros fény lesz a kijövő sugár, hanem
elliptikusan polarizált.
Az ellipszisre jellemző tulajdonság az ellipticitással:
a, b az ellipszis nagy-, és kistengelye.
Q = arctgb/a
• Cirkulárisan polarizált fényt (jobbra és balra forgó)használ.
• Optikailag aktív anyagokat vizsgálhatunk (optikaiizoméria, kiralitás)
• A CD spektroszkópiában az ellipticitást () mérik.
• A az abszorpciók eltérése a jobb- és balra- forgókomponensekre nézve.
• A CD spektrum az ellipticitást mutatja a hullámhosszfüggvényében.
• A fehérjék másodlagos (l-hélix, b-redő, random coil -szerkezet nélküli) szerkezetéről ad információt.
• Nukleinsavak feltekeredett (helikális szerkezetű) formájáraérzékeny
Cirkuláris Dikroizmusspektroszkópia