docE - BIOL-CHEM UWB
download 
Reklamacja Transkrypt
E - BIOL-CHEM UWB
Spektroskopia Ramana Próbka Źródło światła Promieniowanie rozproszone Rozpraszanie światła Rozpraszanie światła (fal elektromagnetycznych) to zjawisko oddziaływania światła z materią w wyniku którego następuje zmiana kierunku rozchodzenia się światła, z wyjątkiem zjawisk opisanych przez odbicie i załamanie światła. Wywołuje złudzenie świecenia ośrodka. Rozróżnia się rozpraszanie światła: • • sprężyste (Rayleigh’a) - podczas rozpraszania nie następuje zmiana energii (częstotliwości) światła niesprężyste - podczas rozpraszania zmienia się energia (częstotliwość) światła. 1871 rok Intensywność rozproszonego światła proporcjonalna do 1 4 Rozpraszanie światła Rozpraszanie wiąże się z niejednorodnościami układu, w którym zachodzi propagacja fal. Rozpraszanie może zachodzić na skalę cząstek elementarnych, molekularnych lub w skalach znacznie większych od molekularnych: przykładami są rozpraszanie fal elektromagnetycznych na pyłach i aerozolach zawieszonych w powietrzu. Dlaczego niebo jest niebieskie? I ~ 1/4 (700 nm / 400 nm)4 = 1.754 = 9.4 Światło czerwone rozprasza się nawet 9-krotnie słabiej niż fioletowe Dlaczego niebo jest czerwone? I ~ 1/4 Podczas wschodu lub zachodu Słońca promienie słoneczne muszą przebyć dłuższą drogę w atmosferze niż gdy Słońce znajduje się wysoko na niebie. Krótsze długości fal ulegają silnemu rozpraszaniu i nie docierają do obserwatora. Spektroskopia Ramana • Pamiętamy, że cząsteczki nie posiadające stałego momentu dipolowego nie dają widm rotacyjnych • Cząsteczki, dla których w czasie drgań nie zmienia się moment dipolowy nie wykazują przejść oscylacyjnych • Jednakże chcemy znać strukturę i właściwości takich cząsteczek ! • Jeżeli cząsteczka nie posiada momentu dipolowego oscylującego wraz z ruchem (rotacyjnym/oscylacyjnym), to może należy wyindukować moment dipolowy przy pomocy pola elektrycznego światła ? • Ze względu na to, że wywołany w ten sposób proces jest pośredni (tj. pole elektryczne światła indukuje dipol, a następnie światło oddziałuje z oscylującym dipolem) – uzyskane przejścia są względnie słabe. Jednakże jest on niezwykle cenny ponieważ pozwala „spojrzeć” na cząsteczki, które są „niewidzialne” w spektroskopii IR lub MW. W 1923 roku Smekal zwraca uwagę, że w promieniowaniu rozproszonym powinny się pojawiać obok fotonów h0 fotony o częstościach różnych od częstości promieniowania padającego W 1925 roku Kramers i Heisenberg opracowali kwantowomechaniczną teorię rozpraszania, która przewidywała, że wśród rozproszonych fotonów znajdują się nie tylko fotony h0, lecz także fotony o częstościach 0 osc,rot. W 1927 roku Dirac opracował kwantowomechaniczną teorię rozpraszania W 1928 roku pojawiają się publikacje fizyka hinduskiego Chandrasekhary Venkaty Ramana (Nature, 121, 501,1928) oraz dwóch fizyków radzieckich G.D. Landsberga i L.I. Mandelstama (Naturwissenschaften, 16, 557,1928), w których donosi się doświadczalne odkrycie zjawiska przewidzianego przez teoretyków odpowiednio w cieczach m.in. w benzenie oraz w krysztale kwarcu Nagroda Nobla z Fizyki – 1930 za " odkrycie rozpraszania światła połączonego ze zmianą długości fali„ dla Chandrasekhara Venkata Raman, University Kalkuta, Indie Nagroda Nobla z fizyki 1930 “za jego pracę nad rozpraszaniem światła i odkrycie efektu nazwanego jego imieniem" Profesor Sir C.V. Raman (1888-1970) Indyjski Instytut Naukowy w Bangalore Fotografia pierwszego widma Ramana Drzewo posadzone na Campusie Raman Research Institue gdzie Raman został 8 skremowany Chandrasekhara Venkata Raman (ur. 7 listopada 1888, zm. 21 listopada 1970), indyjski fizyk, laureat Nagrody Nobla (1930) za prace dotyczące rozpraszania światła i za odkrycie zjawiska nazwanego jego imieniem. Raman był pierwszym Hindusem urodzonym i wykształconym w Indiach który otrzymał Nagrodę Nobla. Był całkowitym abstynentem, kiedy w czasie przyjęcia po otrzymaniu Nagrody Nobla wzniesiono na jego cześć toast, miał podobno powiedzieć – "Sir, widział pan efekt Ramana w alkoholu, proszę nie próbować zobaczyć efektu alkoholu w Ramanie!". 1888 Urodził się w Tiruchirapalli, India 1917-1933 Profesor fizyki, University of Calcutta 1922 Opublikował pracę 'Molecular Diffraction of Light.' 1929. Uzyskał tytuł Sir 1930 Nagroda Nobla z Fizyki za odkrycie efektu Ramana 1933 Szef Wydziału Fizyki Indyjskiego Instytutu Naukowego w Bangalore 1934 Szef Indyjskiej Akademii Nauk 1947 Dyrektor Naukowego Instytutu Ramana w Bangalore 1951 Publikuje 'The New Physics; Talks on Aspects of Science” 1970. Zmarł w Bangalore R. Chandrasekhar Iyer (Ojciec Ramana) Niels Bohr i Raman Parvathi Ammal (matka Ramana) Raman i Compton (środek) Na czym polega zjawisko Ramana? Czy promieniowanie elektromagnetyczne, w którym nie ma fotonów pasujących do odstępów między poziomami energetycznymi, w ogóle z molekułami nie oddziałuje? Spektroskopia Ramana • Według teorii kwantowej promieniowania, wiązka światła o częstości 0 jest w rzeczywistości strumieniem cząstek (fotonów) o energii h0. Gdy zderzą się z atomami/cząsteczkami, rozpraszają się we wszystkie strony. • Zderzenia mogą być „elastyczne” (pęd jest zachowany, ale nie ma wymiany energii z cząsteczkami – jest to „rozpraszanie Rayleigha” roz.=0 • Zderzenia mogą być „nieelastyczne” (cząsteczka zyskuje energię lub traci – jest to „rozpraszanie Ramana” rozproszone = 0E/h • Skoro cząsteczki mają skwantowane poziomy energetyczne to E musi być odległością pomiędzy poziomami rotacyjnymi lub oscylacyjnorotacyjnymi • Historycznie nazwy rozproszonego promieniowania są następujące: rozpraszanie stokesowskie – cząsteczka zyskuje energię od światła, rozpraszanie antystokesowskie – cząsteczka oddaje energię Spektroskopia Ramana Zapamiętajmy, że w takim procesie rozpraszania padające promieniowanie o częstości 0 nie wpływa na właściwości cząsteczki. Wymagane jest jedynie aby h0E i padające promieniowanie powinno być bardzo intensywne (ponieważ tylko nieznaczna część promieniowania – zwykle 0.001% ulega rozproszeniu Ramana). Dlatego do wzbudzenia efektu używa się światła wiązek laserowych o dużych intensywnościach. Elipsoida polaryzowalności E H H Kierunkowa zmiana elipsoidy polaryzowalności spowodowana rotacją cząsteczki H 270 360 H 180 H H H H 90 H H 0 H H E Każdy atom jest polaryzowalny izotropowo tzn., że wywołane odkształcenie nie zależy od kierunku przyłożonego pola. Polaryzowalność rotatorów sferycznych (CH4, SF6) jest również izotropowa, Rotatory niesferyczne charakteryzują się polaryzowalnością, która zależy od kierunku przyłożonego pola są wiec polaryzowalne anizotropowo. Wszystkie cząsteczki liniowe i dwuatomowe (homo i heterojądrowe) mają polaryzowalność anizotropową a wiec dają rotacyjne widma Ramana. Polaryzowalność zmienia się wraz z długością wiązania C=O Elipsoida polaryzowalności Oscylujący indukowany dipol rotującej, niepolarnej cząsteczki w zewnętrznym polu elektrycznym Oscylujący indukowany dipol oscylującej, niepolarnej cząsteczki w zewnętrznym polu elektrycznym Indukowany przez promieniowanie drgający moment dipolowy jest zależny od polaryzowalności molekuły ind E Pole elektryczne światła padającego oscyluje z częstością 0 więc jego natężenie zmienia się zgodnie ze wzorem: E E0 sin(2 0t ) Jeżeli cząsteczka wykonuje drgania wewnętrzne (rotacje lub oscylacje), wówczas periodycznie zmienia się polaryzowalność () Teoria polaryzowalności Placzka ind Eo cos 2 0t f (q) q Q cos 2t Indukowany przez promieniowanie drgający moment dipolowy jest zależny od polaryzowalności molekuły i oscyluje z częstością 0 W czasie drgania normalnego powodującego periodyczne zmiany struktury szkieletu zrębów atomowych zmienia się siła związania elektronów w molekule. Stąd polaryzowalność może być funkcją współrzędnej normalnej drgania d 1 d 2 q 2 q 2 ....... q q 0 2 dq q 0 dq q 0 rozwijamy w szereg Maclaurina, zakładamy małe wychylenia Teoria polaryzowalności Placzka ind Eo cos 2 0t f (q) q Q cos 2t Indukowany przez promieniowanie drgający moment dipolowy jest zależny od polaryzowalności molekuły W czasie drgania normalnego powodującego periodyczne zmiany struktury szkieletu zrębów atomowych zmienia się siła związania elektronów w molekule. Stąd też polaryzowalność może być funkcją współrzędnej normalnej drgania d 1 d 2 q 2 q 2 ....... q q 0 2 dq q 0 dq q 0 ind rozwijamy w szereg Maclaurina, zakładamy małe wychylenia 1 d 1 d QE0 cos 2 ( 0 )t QE0 cos 2 0 t 0 Eo cos 2 0t 2 dq 0 2 dq 0 Efekt Ramana 3 2 1 Wzbudzony stan elektronowy 0 Rozproszenie Stokesowskie Rozpraszanie Rayleigha s=0-E/h 0 3 2 1 0 0 Rozpraszanie Antystokesowskie Wirtualny stan elektronowy s=0+E/h s=0 Podstawowy stan elektronowy E Rejestrujemy promieniowanie rozproszone i obserwowane przesunięcie częstości dostarcza informacji o odległościach poziomów energetycznych Efekt Ramana : Rozpraszanie h Nieelastyczne i h(i-R) 3 hi 2 1 0 Nieelastyczne rozpraszanie • Emitowane światło ma mniejszą energię (i<R) Poziom wirtualny Energia • Energia przekazywana jest z padającego światła do oscylacji cząsteczek S1 3 2 1 Rozpraszanie Rayleigh RozpraszanieRamana 0 S0 21 Różnica energii Widmo Ramana Pełne widmo Raman składa się z: • Pasma Rayleigh (duża intensywność, częstość = częstości wzbudzającej) - • Linie Stokesowskie (mała intensywność, dłuższe fale) - • Linie anti-Stokesowskie (mała intensywność, krótsze fale) Widmo niezależne od fali wzbudzającej (488, 632.8, lub 1064 nm) - - - Widmo CCl4, Ar+ laser, 488 nm Natura rozproszenia Ramanowskiego Oscylujący dipol cząsteczkowy hpadające hrozproszone Oscylujące pole elektryczne ind E Indukowany moment dipolowy Polaryzowalność Przejścia Ramana są procesem dwufotonowym Teoria polaryzowalności Placzka 1 d 1 d QE0 cos 2 ( 0 )t QE0 cos 2 0 t 2 dq 0 2 dq 0 ind 0 Eo cos 2 0t Kiedy przejście ramanowskie jest zabronione? Teoria polaryzowalności Placzka 1 d 1 d QE0 cos 2 ( 0 )t QE0 cos 2 0 t 2 dq 0 2 dq 0 ind 0 Eo cos 2 0t Kiedy przejście ramanowskie jest zabronione? f (q) d 0 dq q 0 Teoria polaryzowalności Placzka 1 d 1 d QE0 cos 2 ( 0 )t QE0 cos 2 0 t 2 dq 0 2 dq 0 ind 0 Eo cos 2 0t Kiedy przejście ramanowskie jest zabronione? f (q) Przypadek ten występuje, gdy wiązania chemiczne molekuły są całkowicie spolaryzowane, to znaczy jonowe. d 0 dq q 0 Z taką sytuacją możemy mieć do czynienia gdy molekuła ma środek symetrii (np. dla CO2). Reguła wyboru: w widmie Ramana pojawiają się pasma tych drgań normalnych, w czasie których zmienia się polaryzowalność (przynajmniej jedna składowa tensora polaryzowalności). W widmie Ramana intensywność promieniowania wychodzącego z próbki jest liniową funkcją stężenia i grubości warstwy, podczas gdy w widmie podczerwieni zależność ta jest funkcją wykładniczą. Dla molekuł posiadających środek symetrii obowiązuje zasada wzajemnego wykluczania, nazywana również zakazem alternatywnym. Głosi ona, że drgania aktywne w podczerwieni są zabronione w widmie Ramana i na odwrót. Spektroskopowe kryterium polarności wiązania głosi, że jeżeli intensywność pasma w podczerwieni rośnie, a w widmie Ramana maleje, to oznacza to, że odpowiednie wiązanie w molekule staje się bardziej spolaryzowane. I na odwrót, jeśli rośnie intensywność pasma ramanowskiego, a maleje intensywność tegoż pasma w podczerwieni, oznacza to wzrost kowalencyjności wiązania. Efekt Ramana - uwagi • Stany wirtualne nie są poziomami energetycznymi własnymi cząsteczki • Rozpraszanie jest procesem dwufotonowym (jeden foton pochłonięty, drugi oddany), angażującym dwa fotony, każdy o momencie pędu h/2, dlatego zgodnie z regułami kwantowymi kwantowa liczba rotacji J musi spełniać regułę wyboru J 2,0, 2 • Odległości pomiędzy poziomami E=E’-E’’ mogą być obserwowane przy pomocy rozpraszania stokesowskiego lub antysokesowskiego (uzyskujemy takie same informacje) ale rozpraszanie Stokesowskie ma nieco większą intensywność, ponieważ niższy poziom E’’ jest bardziej obsadzony niż poziom wyższy E’ • Możliwa jest obserwacja zarówno czystych przejść rotacyjnych (małe E) jak i przejść oscylacyjno-rotacyjnych (większe E) J 5 4 3 2 1 0 J 2 Pamo Rayleigh’a J 2 cm-1 Pasma Stokesowskie Pasma Anty-Stokesowskie Schemat ilustrujący rotacyjne i oscylacyjne widma Ramana S Oznaczenia przejść rotacyjnych J=J’-J’’=Jwyż-Jniz -2 -1 0 +1 +2 Oznaczenie O P Q R S •Widma MW oraz IR mają tylko gałęzie P i R – czasami Q •Oscylacyjne widma Ramana mają gałęzie O, Q i S •Rotacyjne widma Ramana mają gałąź S Uwaga: Pasma stokesowskie/antystokesowskie nie są powiązane z oznaczeniami O,Q, S Częstości promieniowania rozpraszanego w rotacyjnym widmie Ramana E Stokes 0 0 Erot ( J ' ) Erot ( J '' ) / hc hc 0 Erot ( J '' 2) Erot ( J '' ) / hc 0 B( J '' 2) J '' 3 BJ '' ( J '' 1) 0 B[4 J '' 6] antStokes 0 B[4 J 6] '' Odległości pomiędzy sąsiednimi liniami (gałąź S) wynoszą 4B - dwa razy tyle ile w normalnych widmach IR! Układ linii Stokesowskich i antystokesowskich ( EJ 2 EJ ) / hc 2 B 2 J 3 4 D(2 J 3)( J 2 3 J 3) J 2 Linia Rayleigha J 2 cm-1 6B 10B 14B Linie Stokesowskie Linie Anti-Stokesowskie W widmach rotacyjnych odległość pomiędzy liniami wynosi 4B! Częstości promieniowania rozpraszanego w widmie oscylacyjnorotacyjnym Sytuacja jest podobna jak dla rotacyjnego widma Ramana z tą różnicą, że E zawiera przejścia oscylacyjne i rotacyjne. Zależność jest nieco skomplikowana ponieważ każda gałąź stokesowska i antystokesowska mają po trzy gałęzie rotacyjne O, Q i S. S stokes 0 E ( ' , J 2) E ( '' , J ) / hc 0 Eosc ( ' ) Eosc ( '' ) / hc B ' ( J 2)( J 3) B '' J ( J 1) O stokes 0 E ( ' , J 2) E ( '' , J ) / hc 0 Eosc ( ' ) Eosc ( '' ) / hc B ' ( J 2)( J 1) B '' J ( J 1) dodatnie ujemne Oscylacyjne reguły wyboru Częściowo są takie same jak dla normalnej spektroskopii IR A) =1 silne pasma =2 słabe pasma =3 bardzo słabe pasma etc. B) Przejścia Ramana są dozwolone jeżeli „elipsoida polaryzowalności” cząsteczki zmienia się w czasie ruchu ROTACJE Dla cząsteczek liniowych symetrycznych takich jak N2 lub C2H2 polaryzowalność elektronów w kierunku równoległym do osi cząsteczki jest znacznie większa niż w kierunku prostopadłym. W czasie rotacji w przestrzeni cząsteczka jest wrażliwa na oscylujące pole fali elektromagnetycznej i oscyluje w górę i dół. Przejścia rotacyjne w Ramanie są dozwolone (chociaż nie ma dipola) Oscylacyjne reguły wyboru OSCYLACJE Ze względu na symetrię niektóre rodzaje drgań oscylacyjnych są dozwolone w Ramanie a inne niedozwolone. Dla molekuł posiadających środek symetrii (np. N2, CO2, CH4, SF6, C2H2) obowiązuje zasada wzajemnego wykluczania, nazywana również zakazem alternatywnym. Głosi ona, że drgania aktywne w podczerwieni są zabronione w widmie Ramana i na odwrót Drganie symetryczne rozciągające – nieaktywne w IR Zginające (podwójnie zdegenerowane) - aktywne w IR Niesymetryczne rozciągające – aktywne w IR Uwaga: Woda silnie absorbuje w IR ale bardzo słabo w R. Dzięki temu przy pomocy R można analizować roztwory wodne – jest to istotne z punktu widzenia analiz materiałów biologicznych i z środowiska naturalnego. Porównanie widm IR i Ramana Widmo PETN (pentryt - tetraazotan(V) tetrahydroksymetylometanu) – materiał wybuchowy Widma IR i Ramana H-C≡C-H Asymmetric C-H Stretch Symmetric C-H Stretch C≡C Stretch Drgania oscylacyjne CCl4 463 cm-1 219 cm-1 Nieaktywne w IR, Aktywne w Ramanie 776 cm-1 314 cm-1 Aktywne w IR, Nieaktywne w Ramanie Widma IR i Ramana CCl4 314 cm-1 IR 776 cm-1 463 cm-1 Raman 219 cm-1 Spektroskopia Ramana METHANE Gdy światło spotyka próbkę, wzbudza ją powodując silniejsze wibracje i ruch. Spektroskopia Ramana pokazuje nam przejścia oscylacyjno-rotacyjne Wykorzystanie pasm stokesowskich do określania oscylacji IR Widmo Ramana CCl4 Linia Rayleigh (elastyczne rozpraszanie) 0 = 20492 cm-1 0 = 488.0 nm Linie Stokesowskie Rozproszenie nieelastyczne) Obserwowane w typowym eksperymencie Ramana Linie Anty-Stokesowskie Rozproszenie nieelastyczne) -459 -314 -218 218 314 459 -400 -200 0 Przesunięcie Ramana 200 400 Widmo Ramana CCl4 wzbudzone przez laser 0 = 488 nm - - - - - Istotne uwagi o widmach Ramana Wzór przesunięć ramanowskich jest taki sam po obu stronach pasma Rayleigha Wielkość tego przesunięcia jest niezależna od długości fali wzbudzającej Anti-Stokesowskie linie są znacznie mniej intensywne niż odpowiadające im linie Stokesowskie (stosunek intensywności linii anti-Stokes i Stokes będzie wzrastał wraz ze wzrostem temperatury – wyższa temperatura bardziej osadzony pierwszy poziom oscylacyjny) Zazwyczaj tylko linie Stokesowskie są pokazywane w widmie Ramana Widma Ramana są otrzymywane poprzez wzbudzenie promieniowaniem laserowym o długości fali, która nie jest związana z różnicą poziomów oscylacyjno-rotacyjnych Zadanie Przy jakich długościach fali pojawią się Ramanowskie linie stokesowskie i anty-stokesowskie dla tetrachlorku węgla ( = 218, 459 i 769 cm-1 ) jeżeli źródłem wzbudzenia jest 1) Laser helowo-neonowy (632.8nm)? 2) Laser argonowy jonowy (488.0 nm)? He/Ne laser (632.8nm - 15802.8 cm-1) s = 218, 459 and 769 cm-1 Sygnały rozproszenia Ramana : Linia Stokesowska : =15802.8 - 218 =15584.8 cm-1 = 641.65 nm Linia Anty-Stokesowska : =15802.8 + 218 =16020.8 cm-1 = 624.2 nm Widmo Ramana CCl4 Cząsteczka P2 została wzbudzona przez laser (=180 nm). Zaobserwowano w oscylacyjnym widmie Ramana gałąź Q Stokesowską, w której dwie linie były położone przy 182.538 i 185.123 nm. Określ częstość oscylacyjną w Hz, stałą oscylacyjną harmoniczną i anharmoniczną w cm-1 oraz oszacuj energię dysocjacji dla tej cząsteczki w cm-1. 0 1 1 55555.5cm1 180 109 102 cm 1 1 1 Qstok 1 54783.11 cm 182.538 109 102 cm 1 1 stok 1 Q 2 54018.14 cm 185.123 109 102 cm E 1 55555.55 54783.11 772.446cm1 E 2 55555.55 54018.14 1537.516cm1 Skoro są to pasma Stokesowskie to energia czasteczki zwiększa się Cząsteczka P2 została wzbudzona przez laser (=180 nm). Zaobserwowano w oscylacyjnym widmie Ramana gałąź Q Stokesowską, w której dwie linie były położone przy 182.538 i 185.123 nm. Określ częstość oscylacyjną w Hz, stałą oscylacyjną harmoniczną i anharmoniczną w cm-1 oraz oszacuj energię dysocjacji dla tej cząsteczki w cm-1. Skoro są to pasma Stokesowskie to energia cząsteczki zwiększa się 1 E 1 772.446cm E 2 1537.516cm1 E(1) ton podstawowy E(2) nadton 2E 1 E 2 E 1 772.446cm1 E 1 E 0 E1/ 2 e 2e xe 1 E 2 1537.516cm E 2 E 0 E1/ 2 2e 6e xe e xe 3.74 cm1 e 779.92cm1 e e c 2.33811013 Hz 2 1 1 e ZPE e e xe 388.92cm1 De 40682cm1 2 4e xe 2 D0 De ZPE 40293cm1 Raman vs. IR Uzupełniają się mierząc energie poziomów oscylacyjnych cząsteczek Raman • Foton powoduje chwilowe zaburzenie rozkładu elektronów wokół wiązania, a następnie reemituje promieniowanie pozwalając wiązaniu powrócić do normalnego stanu (dipol wówczas zanika) • Polaryzowalność cząsteczki musi się zmieniać wraz z drganiem oscylacyjnym IR • Aby było aktywne przejście w IR moment dipolowy musi się zmieniać Raman vs. IR • W cząsteczkach ze środkiem symetrii : ozmiana dipola = utrata środka symetrii ozmiana polaryzowalności = zachowanie środka symetrii • W cząsteczkach centrosymetrycznych: asymetryczne rozciągające i zginające drgania będą aktywne w IR i nieaktywne w Ramanie, symetryczne rozciągające i zginające będą aktywne w Ramanie i nieaktywne w IR. Widma Raman Reguły wyboru powiązanie z symetrią: symetryczne=aktywne w Ramanie, asymetryczne=aktywne w IR CO2 Raman: 1335 cm–1 IR: 2349 cm–1 IR: 667 cm–1 H2O Raman + IR: 3657 cm–1 Raman + IR: 3756 cm–1 Raman + IR: 1594 cm–1 Natężenia pasm w widmach IR i R można przewidzieć ! 1. 2. 3. 4. 5. 6. Niepolarnym lub małopolarnym ugrupowaniom atomów odpowiadają pasma o dużym natężeniu w R natomiast silnie polarnym grupom – pasma o dużym natężeniu w IR Cząsteczkom mającym środek symetrii odpowiadają inne pasma w R, a inne w IR (zakaz alternatywny) Drgania rozciągające alifatyczne C-H są intensywne w R, słabe w IR Drgania rozciągające aromatyczne C-H są średniointensywne w R, słabe w IR Drgania zginające C-H w związkach aromatycznych są silne tylko w IR Pasma odpowiadające drganiom rozciągającym grup polarnych takich jak O-H, N-H są intensywne w IR natomiast bardzo słabe w R Natężenia pasm w widmach IR i R można przewidzieć Pasma odpowiadające drganiom rozciągającym wiązań wielokrotnych C=C, C=N, N=N itd., są bardzo intensywne w R natomiast bardzo słabe w IR 8. Pasmo C=O w IR jest bardzo intensywne a w Ramanie słabe 9. W widmie R związków pierścieniowych pojawia się tylko jedno intensywne pasmo odpowiadające drganiom symetrycznym – pulsacyjnym pierścienia. Częstość drgania pozwala określić wielkość pierścienia 10. Pasma nadtonów i pasm kombinacyjnych są widoczne w IR a widmach Ramana ich się nie obserwuje 7. Raman jest techniką rozpraszania światła LASER rozproszenie Rayleigh : Rozproszenie elastyczne 1400 1200 Rozproszenie nieelastyczne Stokes Raman Intensity Raman : 1000 Anti-Stokes 800 600 400 200 400 200 0 -200 Raman Shift (cm-1) -400 Spektrometr Ramana dyspersyjny Próbka Element rozszczepiający Detektor (90 ) Zrodlo prom. – Zródła promieniowania: lasery są generalnie jedynymi żródłami dostatecznie silnymi aby wywołać zauważalne rozproszenie Ramana – Zapobieganie fluorescencji: He-Cd (441.6 nm), Ar ion (488.0 nm, 514.5 nm), He-Ne (632.8), Diode (782 or 830), Nd/YAG (1064) Schemat spektrometru Ramana Wzmacniacz Szczelina Lustro Lustro Obrót Wyświetlacz Laser Siatka dyfrakcyjna Próbka Lustro soczewka szczelina Wiązka laserowa Diagram optyczny spektrometeru FT-Raman (LN2=liquid nitrogen) Instytut Fizyki Molekularnej PAN, Poznań mikroskop spektrometr LabRAM HR800 detektor CCD laser argonowy Źródła promieniowania Słaba intensywność widm Ramana – wymagana duża intensywność stosowanych źródeł promieniowania Ar+ : 488.0 i 514.5 nm Kr+ : 530.9 i 647.1 nm He:Ne: 632.8 nm Diody Laserowe: 782 i 830 nm Nd: YAG: 1064 (532 nm podwojona częstość) Widmo Ramana wzbudzane jest w świetle widzialnym lub bliskim nadfiolecie Zalety spektroskopii Ramana • Nie niszczy preparatów • Skuteczny w wysokich temperaturach • Łatwo osiągalny zakres niskich częstości: 100 cm-1 • Możliwość połączenia mikroskopu ze spektrometrem Ramana • Problem wody nie istnieje Widma IR są przesłaniane przez wodę, w Ramanie pasma wody są mniej intensywne jednakże woda może absorbować światło i obniżać czułość Fluorescencja – wybór lasera bardzo istotny Widmo antracenu: Ar+ laser 514.5 nm. B: Nd:YAG laser 1064 nm Im krótsze fale tym efektywniejsze rozpraszanie Ramana Im dłuższe fale tym mniejsze prawdopodobieństwo fluorescencji Raman spectra of KNO3 N.B. strong symmetric stretch band at 1,050 cm-1 Spektroskopia Ramana : Podsumowanie Raman jest spektroskopia oscylacyjna podobnie jak IR Obszar daktyloskopowy, sondowanie symetrii cząsteczki zakres energii: 200 - 4000 cm–1 Podstawą metody jest rozproszenie, a nie transmisja czy odbicie Oznacza to, ze nie wymagane jest skomplikowane przygotowanie próbek Stosujemy zawsze linie Stokesowskie ze względu na większą intensywność Potrzebujemy energii wzbudzającej (laser) 785 nm: Fluorescencja mniej prawdopodobna; Słabe sygnały Raman 514 nm: Fluorescencja bardziej prawdopodobna; Silniejsze sygnały Porównanie spektroskopii IR i Ramana Przewaga Ramana nad IR: – Unika interferencji z rozpuszczalnikiem, z kuwetami i przygotowania próbek – Lepsza selektywność, piki są wąskie – Możliwe badania depolaryzacji – Możliwa detekcja drgań nieaktywnych w IR Przewaga IR nad Ramanem: – Raman wrażliwy na fluorescencje wywołaną przez laser oraz na rozkład próbki – Raman linie sa słabointensywne, pasma Rayleigha są również obecne – Przyrządy Ramana dużo droższe Konkluzja – IR i Raman są technikami uzupełniającymi się! Podsumowanie – oscylator harmoniczny Dobry model oscylacji atomów w cząsteczkach V(r)=1/2k(r-re)2 Wg fizyki klasycznej częstość oscylacji e 1 2 k [ s 1 ] Według mechaniki kwantowej energia jest skwantowana Eosc[cm-1]=e(+1/2) Odległości poziomów oscylacyjnych są jednakowe i równe E=e Przejścia oscylacyjne są dozwolone tylko gdy = 1 oraz gdy drganiu towarzyszy zmiana momentu dipolowego Podsumowanie – oscylator harmoniczny k Skoro e i e są proporcjonalne do to a) Cięższe izotopomery absorbują przy mniejszych częstościach (HF vs. DF – k takie same ( DF ) 1.82098 1.37938 ( HF ) 0.957055 e ( HF ) 4138.38 1.37942 e ( DF ) 3000.08 b) Silniejsze wiązanie – większa częstość HI H79Br H35Cl HF 0.99989 0.99513 0.97959 0.95706 e /cm-1 2309 2650 2991 4138 D0/eV 3.06 3.75 4.43 6.40 Moc wiązania rośnie 1 1eV=8065 cm-1 Podsumowanie – oscylator Morse’a r re Energia potencjalna V (r ) De 1 e Według mechaniki kwantowej 1 1 Eosc ( ) e e xe 2 2 Odległości pomiędzy poziomami oscylacyjnymi maleją ze wzrostem Eosc e 2e xe ( 1) Przy znanych wartościach e(H35Cl)=2996.925 cm-1 ee (H35Cl)=52.780 cm-1 można przewidzieć te wartości dla innych izotopomerów h e [ J ] 2 2 De 2 2 2 Podsumowanie – oscylator Morse’a Przejścia oscylacyjne są dozwolone gdy: =1 najbardziej intensywne =2 słabe =3 bardzo słabe … etc Podsumowanie – struktura rotacyjna widm oscylacyjnych • Zawsze jest obecna ponieważ foton zabsorbowany/wyemitowany posiada moment pędu h/2 • ’, J’ poziom wyższy ’’, J’’ poziom niższy J J ' J '' 1 R( J '' ) J J ' J '' 1 P( J '' ) • Oznaczenie pasm (’, ’’); Nazwy – pasmo podstawowe, pierwszy nadton, drugi nadton … pasma gorące • Energia przejścia E E ( ' , J ' ) E ( '' , J '' ) Eosc ( ' ) B ' J ' ( J ' 1) Eosc ( '' ) B '' J '' ( J '' 1) Eosc ( ' ) Eosc ( '' ) B ' J ' ( J ' 1) B '' J '' ( J '' 1) 0 ( ' , '' ) Pasmo wyjściowe („Band origin”) – energia hipotetycznego przejścia (’’, J’’=0) (’, J’=0) Podsumowanie – struktura rotacyjna widm oscylacyjnych EP ( J '' ) P ( J '' ) 0 ( ' , '' ) ( B '' B ' ) J '' ( B '' B ' )( J '' ) 2 0 ( ' , '' ) 2 BJ '' ER ( J '' ) R ( J '' ) 0 ( ' , '' ) ( B '' B ' )( J '' 1) ( B '' B ' )( J '' 1) 2 0 ( ' , '' ) 2 B( J '' 1) • Linie w gałęziach dla małych wartości J’’ są w przybliżeniu równooddalone od siebie 2B • „Band Gap” – odległość pomiędzy pierwszą linią gałęzi P i pierwszą gałęzi R równa 4B Podsumowanie – intensywność pasm rotacyjnych w widmach oscylacyjnych Tak jak w widmach rotacyjnych intensywność jest proporcjonalna do obsadzenia poziomu podstawowego 2 J 1 e BJ ( J 1) / k BT Podsumowanie – oscylacje cząsteczek wieloatomowych • Cząsteczki N-atomowe wykonują 3N-5 liniowe 3N-6 nieliniowe drgań własnych • Struktura rotacyjna staje się bardziej zwarta maksima gałęzi P i R zbiegają się dla większych cząsteczek • J=0 jest również dozwolone - gałąź Q (J’=J’’) Podsumowanie- spektroskopia rozproszenia ramanowskiego • Reguły wyboru zezwalają na J= -2, 0, +2 (proces dwufotonowy) • Pasma obserwowane - Stokesowskie - Anty-Stokesowskie 0 E 0 E
