1 Laboratorium Laserowej Spektroskopii Molekularnej PŁdr inż. Beata Brożek-Pluska SPEKTROSKOPIA RAMANA Laboratorium Laserowej Spektroskopii Molekularnej PŁ

2 Model oscylatora harmonicznegoWidmo 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-re

3 W czasie drgania wychylenie q zmienia się periodycznieq=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].

4 Energia oscylatora Ruch drgający opisuje równanie Lagrange’a:po podstawieniu: otrzymujemy:

5 oscylacje zrębów atomowychEnergia oscylacji molekuł Energia oscylacji zrębów atomowych w molekule jest skwantowana stała siłowa kwantowa liczba oscylacji kwantowa liczba oscylacji dla kwant połówkowy nawet w temperaturze 0 K oscylacje zrębów atomowych NIE USTAJĄ !

6 Oscylator anharmonicznyOscylator 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. energia oscylatora anharmonicznego

7 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

8 Czy promieniowanie elektromagnetyczne, w którym nie ma fotonówRozpraszanie 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. (1) (2)

9 Opisane zjawisko nazywamy rozpraszaniem promieniowania(3) (4) Opisane zjawisko nazywamy rozpraszaniem promieniowania Ilustracja rozpraszania

10 Widmo RAMANA Teoria polaryzowalności Placzka (1)polaryzowalność: potencjalna zdolność przemieszczania się elektronów względem jąder w polu elektrycznym (2) (3) (4)

11 pochodna polaryzowalności po współrzędnej drgania nie jest równa zero (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: (6) rozpraszanie Rayleigha rozpraszanie Ramana skladowa stokesowska rozpraszanie Ramana skladowa antystokesowska

12 Spektrometr ramanowskikuweta schemat ideowy spektrometru ramanowskiego CCD widmo z kamery CCD monochromator

13 Zastosowania spektroskopii Ramana1. Analiza jakościowa i ilościowa widma Ramana i IR metanolu fragment tablicy korelacyjnej częstości drgań w organicznych związkach azotu

14 2. Analiza przejść fazowychPA-MCH , c=2,31M skany DSC PA-MCH , c=2,31M 293-77K PA-MCH , c=2,31M zakres niskoczęstościowy

15 3. Analiza układów biologicznych 3A. Zastosowanie spektroskopii Ramana w badaniu nowotworów Widma Ramana a) i b) tkanka zdrowa c) tkanka nowotworowa tkanka zdrowa tkanka nowotworowa krew obwodowa

16 kriostat Niskotemperaturowe widma Ramana tkanka zdrowatkanka nowotworowa kriostat

17 5a. Analiza tkanek gruczołu piersiowego5. Konfokalna mikroskopia Ramana 5a. Analiza tkanek gruczołu piersiowego ex-vivo

18 5b. Analiza komórek skóry in-vivoskóra nawilżona skóra sucha

19 5c. Widma komórek bakteriiwidok kolonii bakterii widmo Ramana pojedynczej komórki bakterii

20 6. Analizy farmaceutycznekofeina kwas acetylosalicylowy paracetamol- N-(4-hydroksyfenylo)acetamid widma Ramana składników tabletki

21 Niskotemperaturowe widma Ramana7. Analiza fotouczulaczy Niskotemperaturowe widma Ramana ZnPcS4-H2O ZnPcS4-DMSO

22 LABORATORIUM LASEROWEJ SPEKTROSKOPII MOLEKULARNEJPolitechnika Łódzka Międzyresortowy Instytut Techniki Radiacyjnej Łódź Wróblewskiego 15 tel:(48-42) , , fax:(48-42)