Podstawy spektroskopii
]
[cm
1
[nm]
1
-
λ
ν
ν
ν
λ
=
=
=
c
c
Techniki eksperymentalne:
- spektroskopia absorpcyjna
- emisyjna
- ramanowska
Podstawy spektroskopii
]
[cm
1
[nm]
1
-
λ
ν
ν
ν
λ
=
=
=
c
c
Techniki eksperymentalne:
- spektroskopia absorpcyjna
- emisyjna
- ramanowska
W prezentacji wykorzystano rysunki i schematy z następujących źródeł:
Atkins P.W.: Chemia fizyczna, PWN, 2000
Paszyc S.: Podstawy fotochemii, PWN, 1981
Tipler P.A., Mosca G.P.: Physics for Scientists and Engineers, Freeman and Co., 2003
Turro N.J.: Modern Molecular Photochemistry, Benjamin/Cummings Pub., 1978
Wikipedia, Wolna encyklopedia;
Wiem, darmowa encyklopedia
Znajdujące się na powyższej liście podręczniki zalecane są jako literatura
podstawowa do niniejszego wykładu.
Promieniowanie elektromagnetyczne
Materiał przygotowany w oparciu o Chemię Fizyczną P. W. Atkinsa.
Polecany rozdział: Spektroskopia 2 – przejścia elektronowe
Źródła promieniowania elektromagnetycznego UV-Vis-IR:
daleka podczerwień - łuk rtęciowy w oprawie kwarcowej
bliska IR - pręt Nernsta (ceramiczny, zawierający tlenki lantanowców)
widzialne - lampy wolframowo-jonowe, halogenowe
bliski UV - wyładowania w deuterze lub ksenonie
Lasery - promieniowanie monochromatyczne
Synchrotron - elektrony poruszajace się po okręgu emitują
światło w szerokim zakresie długości fal
Detektory promieniowania elektromagnetycznego:
(sygnał elektromagnetyczny sygnał elektryczny (analogowy lub cyfrowy)
- fotoelektryczne (fotopowielacz)
- termiczne (bolometr, detektor Golaya)
- półprzewodnikowe (diody fotoprzewodzące i fotowoltaiczne)
- optyczne detektory wielokanałowe PDA (linijki diodowe)
- optyczne detektory ze sprzeżeniem ładunku
(kamery CCD -
))
→
charge-coupled device
Słońce (łac. Sol) – gwiazda centralna Układu Słonecznego. Słońce to najjaśniejszy obiekt na
niebie i główne źródło energii docierającej do Ziemi.
Żarówka (lampa żarowa) to lampa elektryczna, w której elementem świecącym jest przewód
(żarnik) rozgrzany do wysokiej temperatury na skutek przepływu prądu. Aby nie nastąpiło
utlenienie żarnika, jest on umieszczany w bańce szklanej, wewnątrz której panuje próżnia lub
jest ona wypełniana mieszaniną gazów obojętnych.
Lampy łukowe to typ lamp, w których źródłem światła jest łuk elektryczny między dwiema
elektrodami rozdzielonymi gazem. Gazem w lampie jest powietrze, a w lampach z bańką
szklaną neon, argon, ksenon, pary sodu lub rtęci. Lampy wykonywane ze szkła kwarcowego są
wykorzystywane jako źródło promieniowania UV.
Lampy rtęciowe – lampy niskociśnieniowe pracują przy ciśnieniu ok. 0,1Pa w
temperaturze pokojowej. Dwa pasma dominują w widmie emisyjnym: 253,7 nm
[Hg(
3
P
1
)→ Hg(
3
S
0
)+h
ν
] i 185,0 nm [Hg(
1
P
1
)→ Hg(
3
S
0
)+h
ν
]. Znajdują zastosowanie jako
źródło światła bakteriobójczego i w fotopolimeryzacji. Lampy rtęciowe
średniociśnieniowe (ciśnienie ok. 4,5 kPa) pracują w wyższych temperaturach i posiadają
moc 100-500W. Emisja 253,7 nm jest zmniejszona, zwiększa się natężenie pasm 313 i
366 nm. Lampy wysokociśnieniowe pracują przy ciśnieniu ok. 10 MPa, są lampami o
dużej mocy (rzędu kW).
Ksenonowa lampa łukowa - lampa, w której światło powstaje dzięki wyładowaniu
elektrycznemu pomiędzy wolframowymi elektrodami umieszczonymi w szklanej bańce
wypełnionej ksenonem. Charakteryzuje się białym światłem zbliżonym do światła
słonecznego i wysokim wskaźnikiem oddawania barw. Ksenonowe lampy łukowe
posiadają dużą moc od 1 do 15kW.
Laser to generator promieniowania, wykorzystujący zjawisko emisji wymuszonej. Nazwa jest
akronimem od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — wzmocnienie światła
poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Promieniowanie lasera ma charakterystyczne
właściwości, jest spójne, spolaryzowane i ma postać wiązki o bardzo małej rozbieżności. W
laserach impulsowych można uzyskać bardzo dużą moc w impulsie i bardzo krótki czas trwania
impulsu.
Absorpcja i emisja promieniowania
Absorpcja wymuszona:
- szybkość absorpcji wymuszonej
- wsp. Einsteina abs. wymuszonej
d - gęstość energii promieniowania ( , +d )
Emisja:
w=B
w
B
⋅ρ
ρ ⋅ ν
ν ν ν
w'=A + B'
w'
B'
A
⋅ρ
- szybkość emisji
- wsp. Einsteina emisji wymuszonej
- wsp. Einsteina emisji spontanicznej
Całkowita absorpcja i emisja
Stan równowagi termicznej
W=N B
W'=N'(A + B'
⋅ ⋅ρ
⋅ρ )
B
B
e
B
A
B
B
N
N
B
A
B
N
NB
A
N
kT
h
/
'
/
/
'
'
/
/
'
'
'
/
−
=
−
=
−
=
ν
ρ
e
/N
N'
/kT
h
-
ν
=
rozkład Boltzmana
Promieniowanie ciała doskonale
czarnego (wzór Plancka)
1
/
8
/
3
3
−
=
kT
h
e
c
h
ν
ν
π
ρ
B
c
h
A
)
8
(
3
3
ν
π
=
B=B'
A
∝ ν
3
Lasery
L = n n/2
n = / n = n /2L = n 1 n = 1, 2, 3 ...
⋅λ
ν
υ λ
υ
⋅ν
mody wnęki - dł. fal spełniajace
powyższe równanie
mody rezonansowe - dł. fali, dla których
ma miejsce akcja laserowa
Praca ciągła lub impulsowa
Przełączanie dobroci Q:
- cel: osiągnięcie dużej inwersji obsadzeń
- przełącznik: migawka, barwniki tracące właściwości absorpcyjne w czasie
Synchronizacja modów:
- cel: osiągnięcie bardzo krótkich impulsów
- interferencja różnych częstości rezonansowych (im wiecej tym krótsze sygnały)
L = 30 cm, odstęp 2 ns, = 4 ps
- przełączanie dobroci Q z częstością c/2L (różnica częstości modów
rezonansowych) (migawka, oscylujący z częstością c/2L pryzmat, barwniki)
τ
Lasery
(light amplification by stimulated emission of radiation)
Inwersja obsadzeń - metastabilny stan wzbudzony - pompowanie
(wyładowanie elektryczne,
reakcje chemiczne,
promieniowanie)
lasery trójpoziomowe
lasery czteropoziomowe
Lasery stałe
T. Maiman (1960)
laser rubinowy (Al O + Cr )
2
3
3+
laser neodymowy -
-granat glinowo itrowy (Y Al O +Nd )
podwajanie częstości (1064 nm 532 nm 266 nm)
3
5
12
3+
→
→
Lasery gazowe
helowo - neonowy (5:1)
około 100 linii (dominuje 633 nm)
argonowy - laser jonowy
(jonizacja poprzez wyładowanie elektryczne)
kryptonowy 647 nm (czerwone światło)
laser na CO - akcja laserowa wynikiem przejść
oscylacyjnych ( , CO )
wzbudzenie N
2
3
1
2
2
ν → ν
Lasery ekscypleksowe
Lasery barwnikowe
np. rodamina w MeOH
ksenon, chlor, neon XeCl* (308 nm)
krypton, fluor, neon KrF* (249 nm)
Diody emitujące światło
lasery półprzewodnikowe
np. arsenek galu GaAs, Ga Al As
1-x
x
szybkie reakcje
relaksacja
przeniesienie energii
określony czas
wzbudzenia
Generowanie impulsów
koherentna
spektroskopia Ramana
interferencja
Spójność
czułość
spektroskopia
nieliniowa Ramana
długa droga optyczna
obserwowalne
rozproszenie do przodu
Skolimowanie wiązki
spektroskopia
rozdzielanie izotopów
precyzja fotochemiczna
dynamika reakcji
wysoka rozdzielczość
selekcja stanów
Monochromatyczność
spektroskopia
nieliniowa
spektroskopia
nasyceniowa
wzrost czułości
spektroskopia Ramana
procesy wielofotonowe
niski poziom szumów
detektora
wysoka intensywność
rozpraszania
Duża moc
Zastosowanie
Zalety
Cecha
Zastosowanie laserów
Holografia (z gr. holos = całość, grapho = piszę) – dział optyki zajmujący się technikami
uzyskiwania obrazów przestrzennych (trójwymiarowych) metodą rekonstrukcji fali (głównie
światła, ale też np. fal akustycznych). Przez rekonstrukcję fali rozumie się odtworzenie w
pewnym obszarze przestrzeni zarówno jej kierunku ruchu, amplitudy, częstotliwości jak i
fazy.
Holografia polega na trójwymiarowym zapisie obrazu przedmiotu (obiektu). Tradycyjna
fotografia zapisuje jedynie modulację amplitudy, podczas gdy holografia odnotowuje także
zmiany fazy fali świetlnej.
Rejestracja obrazu polega na zapisie (np. na kliszy fotograficznej) interferencji fali
rozproszonej przez przedmiot z falą niezaburzoną (tzw. wiązką odniesienia). Pierwsza
(wiązka przedmiotowa) oświetla przedmiot, po odbiciu którego pada na kliszę fotograficzną,
natomiast druga (wiązka odniesienia) pada na kliszę bezpośrednio lub po odbiciu od
płaskiego zwierciadła kierującego ją na kliszę. W ten sposób otrzymuje się kliszę zwaną
hologramem. Klisza ta oglądana w powiększeniu jest układem punktów (prążków) jasnych i
ciemnych. Aby osiągnąć obraz 3D, trzeba kliszę oświetlić spójnym światłem laserowym.
Światło to interferując na hologramie, który stanowi w tym przypadku siatkę dyfrakcyjną,
odtworzy w polu za siatką konfigurację przestrzenną światła odbitego od obiektu. Widać
wtedy i hologram, i obraz przestrzenny.
Wykorzystanie laserów w medycynie
•ekscymerowe (193-351 nm) – głównie do korekcji wad
widzenia przez chirurgiczne modyfikowanie soczewki ocznej
(zmiana krzywizny przez ablację rogówki)
•Ar
+
(488 i 514,5 nm) – głównie w okulistyce (operacje
siatkówki)
•Nd:YAG (1064 nm) – chirurgia (najczęściej stosowany laser
chirurgiczny)
•Ho:YAG (2090 nm) – chirurgia (ablacyjne operacje prostaty)
•Er:YAG (2940 nm) – ablacyjna chirurgia kosmetyczna
(wygładzanie zmarszczek)
•CO
2
(10600 nm) – chirurgia (działanie głównie koagulacyjne –
chyba, że krótkie impulsy)
•barwnikowy (równe dł. fali, głównie w obszarze widzialnym) –
głównie w terapii fotodynamicznej (PDT), okulistyce i
dermatologii
•Ti:szafir (bliska podczerwień) – głównie w okulistyce, PDT
•diodowy (czerwień i bliska podczerwień) – głównie w
biostymulacji (low-level laser therapy – LLLT)
Penetracja tkanki przez światło laserowe
(1/e)
Ar
(<2mm)
+
Nd:YAG
(<6mm)
Er:YAG
(<0.6mm)
CO
(<0.2mm)
2
Żółtaczka noworodków – występuje w okresie noworodkowym,
u podstaw jej leżą zaburzenia przemiany bilirubiny, związane z;
- zwiększoną liczba erytrocytów we krwi;
- skrócenie czasu ich życia;
- niedojrzałość enzymatyczna wątroby, charakteryzująca się mniejszą
zdolnością do wychwytywania bilirubiny przez komórki wątrobowe,
a z drugiej zmniejszoną zdolnością jej sprzęgania wskutek niewydolności
układów enzymatycznych
Łuszczyca - to przewlekła choroba dermatologiczna, która charakteryzuje się
okresowymi nawrotami i remisjami. Zmiany skórne związane są ze wzmożonym
wzrostem i podziałem komórek. W połączeniu z przyspieszonym przepływem krwi
i rozszerzeniem naczyń krwionośnych w chorych miejscach obserwuje się
zaczerwienienia i szybkie gromadzenie się martwych komórek na powierzchni
skóry. Choroba na ogół nie upośledza ogólnego stanu chorych, jednakże jest
często negatywnie postrzegana przez otoczenie. Dodatkowo, uciążliwe
leczenie ogranicza komfort życia chorego.
W wyniku naświetlania światłem
niebieskim bilirubina ulega
rozkładowi do form bardziej polarnych,
łatwiej usuwanych przez wątrobę.
Sposób leczenia to np. aktywacja światłem
leków takich jak psoraleny czy antralina.
Fotomedycyna
OH
OH
O
H
O
2
e -
O
2
1
O2
.-
e-
2+
Fe
3+
Fe
, 2H +
e -
, - OH -
e -
O2
OH
.
.
-
O
2
OH
OH
O
.
OH
OH
O
.
-
Dysmutacja
h
ν
Anion cygnoliny
Rodnik cygnoliny
Wtórne rodniki
cygnoliny
H
2
O
2
Drogi generowania reaktywnych form tlenu oraz pierwotnych i wtórnych
rodników cygnoliny
[Müller K., Biochem. Pharmacol. 1997, 53, 1215-1221]
Dysmutaza ponadtlenkowa Glutation
Katalaza -tokoferol
Peroksydaza glutationowa Kwas askorbinowy
Reduktaza tioredoksynowa Witamina A
Skórny mechanizm obronny
α
RFT
inhibicja
Lokalne stężenie może
niszczyć ochronne
antyoksydanty
Stan zapalny skóry
Wybiórcza cytotoksyczność w stosunku do skóry łuszczycowej:
- maleje aktywność dysmutazy ponadtlenkowej
- rośnie zużycie tlenu
- rośnie zawartość żelaza
O
OH
OH
Niektóre barwniki wiążą się silniej z komórkami
neoplazmatycznymi niż ze zdrowymi i akumulują w nich
dłużej niż w zdrowych, np. pochodne hematoporfiryny
Po wzbudzeniu światłem ok. 400 nm, widoczna
fluorescencja miejsc kumulacji barwnika –
uwidocznienie miejsc chorych.
Bardzo czuła diagnostyka
Po wzbudzeniu światłem czerwonym, następuje
lokalne zwiększenie stężenia RFT
i zniszczenie nowotworu.
Selektywna metoda leczenia
Przeżywalność kom. nowotworowych
vs. czasu i stężenia
6 tyg. po zabiegu
Terapia fotodynamiczna
Analiza częstości
- element rozszczepiający - pomiar I( )
pryzmat szklany (> 400 nm) lub kwarcowy ( > 180 nm)
ν
siatki dyfrakcyjne (Al, rowki co 1000 nm)
(interferencja konstruktywna tylko pod określonym kątem)
- transformacja fourierowska - pomiar I( ) lub I( )
- promieniowanie polichromatyczne
- widmo w kategorii czasu, a nie częstości
- większa czułość
- duża rozdzielczość
t
p
p - różnica dróg optycznych,
interferencja konstruktywna lub
destruktywna
ν
ν
π
ν
ν
ν
d
p
d
p
)]
2
cos(
1
)[
(
I
)
,
(
I
+
=
Sygnał całkowity
∫
∫
∞
∞
+
=
=
0
0
)]
2
cos(
1
)[
(
I
)
,
(
I
)
(
I
ν
ν
π
ν
ν
ν
d
p
d
p
p
interferometr Michelsona
Transformacja Fouriera
∫
∫
∞
+
∞
−
+ ∞
∞
−
−
=
−
=
dt
st
i
t
y
s
y
ds
st
i
s
y
t
y
)
2
exp(
)
(
)
(
)
2
exp(
)
(
)
(
π
π
∫
∞
−
=
0
0
)
2
cos(
]
I
5
.
0
)
(
[I
4
)
(
I
dp
p
p
ν
π
ν
5cm)
p
dla
0.1cm
(
2
1
1
-
max
=
=
=
∆
p
ν
Rozkład Fouriera funkcji okresowej F(t)
Funkcję okresową można rozłożyć na nieskończoną sumę fal
sinusoidalnych, np. dla funkcji piłokształtnej:
F(t)=
Σ
(1/n)sin(n
ω
t)
dobre przybliżenie już dla n = 9
Detektory promieniowania elektromagnetycznego (liczniki fotonów)
Przyrządy fizyczne
– ich wskazania można skorelować z liczbą rejestrowanych fotonów.
Bolometr - detektor promieniowania, czuły w bardzo szerokim zakresie długości fali
promieniowania elektromagnetycznego. W praktyce większość bolometrów jest wrażliwa na
promieniowanie w zakresie widzialnym i podczerwonym. Działa na zasadzie zmiany oporu
elektrycznego czujnika pod wpływem zmiany temperatury wywołanej pochłanianiem
padającego promieniowania. Wykonywany jest z metalu, półprzewodnika albo materiału
nadprzewodzącego; zmianę oporu elektrycznego czujnika, proporcjonalną do ilości pochłoniętej
energii, mierzy się zwykle za pomocą mostka pomiarowego; próg czułości bolometru jest
wysoki, rzędu 10
-9
-10
-12
W.
Fotopowielacz, detektor promieniowania elektromagnetycznego złożony z fotokatody, układu
elektrod powielających (dynod) i anody. Zasada działania jest oparta na zjawisku
fotoelektrycznym. Elektron wybity przez foton z fotokatody dociera do pierwszej dynody i
wybija z niej kolejne elektrony. Proces ten powtarzany jest na kolejnych dynodach, prowadząc
do wzmocnienia sygnału o czynnik rzędu 10
5
÷ 10
9
razy. Fotopowielacz zasilany jest wysokim
napięciem, dzielonym pomiędzy kolejnymi elektrodami. Istnieje wiele rodzajów rozwiązań
geometrii układu elektrod. Fotopowielacze charakteryzują się dużą szybkością przetwarzania
sygnału (lepszą niż 10
-9
s), stosowane są w spektrofotometrach, w detektorach promieniowania
jądrowego (liczniki scyntylacyjne, liczniki czerenkowskie), w astrofizyce przy rejestracji
słabego promieniowania gwiazd.
Fotodioda - dioda półprzewodnikowa pracująca jako fotodetektor. Fotodiody wykonane są jako
elementy złącza p-n lub p-i-n, z warstwą zaporową. W fotodiodach kwanty energii promienistej
zwiększają liczbę par elektron-dziura. Elektrony swobodne są przyciągane przez dodatni
ładunek przestrzenny na granicy obszaru typu n, dziury zaś wędrują do obszaru typu p. Prąd
przewodzenia złącza p-n zwiększa się wraz ze wzrostem strumienia świetlnego. Zewnętrzna
bateria zasilająca wytwarza w złączu polaryzację zaporową.
Matryca CCD (ang. Charge Coupled Device) - układ wielu elementów światłoczułych, z
których każdy rejestruje, a następnie pozwala odczytać sygnał elektryczny proporcjonalny do
ilości padającego na niego światła.
Konstrukcja matrycy została przeprowadzona głównie na użytek naukowy, zaś jej pierwsze
zastosowania obejmowały astronomię, a obecnie masowo wykorzystuje się matryce CCD o
coraz wyższej rozdzielczości w aparatach cyfrowych, gdzie otrzymane dane po przetworzeniu
przez jednostkę centralną aparatu mogą zostać zapisane w postaci plików graficznych.
Sensor CCD zamontowany w kamerze cyfrowej
CCD pod mikroskopem. Obraz 30x30um
AFM HR 5120 lines. CCD z Canon A75.
Aktynometry chemiczne
– układy chemiczne służący do wyznaczania liczby fotonów w wiązce
promieniowania – całkowo w danym przedziale czasu, bądź w jednostce czasu. Nazwę tę stosuje się
zwykle do pomiaru w nadfioletowym i widzialnym zakresie długości fal, np. jako chemiczny aktynometr
mogą być użyte roztwory szczawianu żelaza (III), tzw. aktynometr Parkera Hatcharda, aktynometr
szczawianowo-uranylowy, sól Reineckiego.
Aktynometr Parkera Hatcharda
Aktynometr szczawiowo-potasowo-żelazawy, K
3
Fe(C
2
O
4
)
3
⋅
H
2
O umożliwia pomiar natężenia światła
absorbowanego w UV i szerokim przedziale światła widzialnego (250-577 nm). Naświetlanie kwaśnych
roztworów tego aktynometru powoduje jednoczesną redukcję jonów Fe
3+
do Fe
2+
i utlenienie kwasu
szczawiowego (przeniesienie elektronu z ligandu do jonu centralnego). Kationy żelazowe Fe
3+
są słabym
utleniaczem, natomiast aniony szczawianowe C
2
O
4
2─
są słabym reduktorem. Właściwości redoks tych
reagentów są tak nikłe, że reakcja:
2Fe
3+
+ C
2
O
4
2─
→ 2Fe
2+
+ 2CO
2
nie zachodzi w zauważalnym stopniu nawet po ogrzaniu.
W stanie wzbudzonym jony żelazowe są silnym utleniaczem i reagują z anionami szczawianowymi dając
kationy żelazawe Fe
2+
. Ilość powstałych jonów żelaza(II) jest proporcjonalna do zaabsorbowanej dawki
światła; wydajność kwantowa zbliżona jest do jedności. Liczbę jonów żelazawych można określić
mierząc absorbancję czerwonego kompleksu powstałego po dodaniu 1,10-fenantroliny.
Fe
3+
(C
2
O
4
)
2-
h
ν→
Fe
2+
+ (C
2
O
4
)
-
(C
2
O
4
)
-
+ Fe
3+
(C
2
O
4
)
2-
→
2CO
2
+ Fe
2+
+ (C
2
O
4
)
2-
Szkodliwość promieniowania elektromagnetycznego z zakresu UV
Ultrafiolet (UV, promieniowanie ultrafioletowe, nadfiolet) to promieniowanie
elektromagnetyczne o długości fali krótszej niż światło widzialne i dłuższej niż
promieniowanie rentgenowskie. Oznacza to zakres długości od 100 nm do 380 nm. Słowo
"ultrafiolet" oznacza "powyżej fioletu" i utworzone jest z łacińskiego słowa "ultra" (ponad) i
słowa "fiolet" oznaczającego barwę o najmniejszej długości fali w świetle widzialnym.
Wyróżnia się dwa schematy podziału promieniowania ultrafioletowego na zakresy:
•
techniczny
o
daleki ultrafiolet - długość fali 100-200 nm
o
bliski ultrafiolet - długość fali 200-380 nm
•
ze względu na oddziaływanie na człowieka
o
UV-C - długość fali 200-280 nm
o
UV-B - długość fali 280-320 nm
o
UV-A - długość fali 320-380 nm
Słońce emituje ultrafiolet w zakresie UV-A, UV-B i UV-C, ale ziemska atmosfera pochłania
część tego promieniowania w warstwie ozonowej. W efekcie 99% ultrafioletu, który dociera
do powierzchni to UV-A. UV-C jest pochłaniane całkowicie przez atmosferę, z wyjątkiem
obszarów wysokogórskich.
Wpływ na zdrowie
Promieniowanie UV-A jest mniej szkodliwe niż inne zakresy, ale uszkadza włókna
kolagenowe w skórze, przyspiesza procesy starzenia. Długoletnia ekspozycja na duże dawki
promieniowania UV-A może powodować zaćmę (tzw. zaćma fotochemiczna), czyli
zmętnienie soczewki. UV-B, którego jest najwięcej, gdy słońce jest w zenicie, jest
odpowiedzialne za wytwarzanie witaminy D w skórze. Najbardziej energetyczne
promieniowanie UV-C jest najbardziej niebezpieczne dla ludzkiego organizmu. Może
powodować zapalenie rogówki oka, a długa ekspozycja na działanie UV-C zwiększa ryzyko
rozwoju nowotworów skóry - czerniaka, a także częstszych, choć mniej agresywnych guzów
jak nowotwory płaskonabłonkowy i podstawnokomórkowy.