ramanska spektroskopija - university of belgrade

RAMANSKA

SPEKTROSKOPIJA

Zašto je nebo plave boje?

4

1

I

Difuzno rasejanje sunčeve svetlosti na molekulima iz atmosfere –

Rejlijevo (Rayleigh) rasejanje

Najviše se difuzno rasipa svetlost malih talasnih dužina (plavi deo vidljivog

spektra) dajući nam plavu boju neba.

Kada se snop intenzivnog monohromatskog zračenja iz VID ili UV oblasti usmeri na uzorak koji je potpuno transparentan (o zračenja ne odgovara nekom rezonantnom prelazu) najveći deo zračenja će biti propušten kroz uzorak u pravcu prostiranja, jedan njegov manji deo biće rasejan na molekulima sredine:

1. elastično rasejanje (Rejlijev efekat) - rasejani fotoni imaju istu energiju, tj. talasnu dužinu kao upadni snop;

2. neelastično rasejanje (Ramanov efekat) – veoma mali deo svetlosti (oko 1 od 108 fotona) će imati manju ili veću talasnu dužinu u odnosu na upadni snop

4 I

• Efekat prvi uočio indijski fizičar Raman

• Nobelova nagrada 1930. godine

• Ako je frekvencija upadnog snopa o, a frekvencija

ramanski rasejanog zračenja i, razlika u talasnim

dužinama biće:

D = |o - i|

i odgovara talasnim dužinama iz srednje IC oblasti.

• Spektri ramanskog rasejanja i IC apsorpcioni spektri

istog uzorka su veoma često slični, ali postoje i razlike

koje ove dve metode čine komplementarnim.

Ramanski spektar CCl4 osvetljenog

svetlošću talasne dužine = 488 nm

Ramanski pomeraj je nezavisan od talasne dužine upadnog snopa, ali zavisi od strukture molekula na kome se dešava rasejanje.

Stoksovi

pomeraji se

koriste za

analizu

Shema mehanizma Rejlijevog i

Ramanovog rasejanja

Ukoliko uzorak izložimo zračenju čija električna komponenta osciluje u vremenu t

frekvencijom u prema jednačini:

Klasična teorija Ramanovog efekta

)2cos( tEE uo

)2cos( tEE uoi

gde je Eo je amplituda talasa

pri interakciji sa elektronskim oblakom neke veze u uzorku indukuje se dipolni

moment i:

je polarizabilnost molekula

Da bi vibracija bila aktivna u ramanskom spektru neophodno je da proizvodi

promenu polarizabilnosti, tj. polarizabilnost mora biti funkcija rastojanja:

rrr eqo

)(

gde o polarizabilnost pri ravnotežnom rastojanju, req je ravnotežno internuklearno

rastojanje

Promena internuklearnog rastojanja se menja sa frekvencijom v prema j-ni:

)2cos( trrr vmeq

)2cos()( trrr

rr vmoeqo

)2cos()2cos()2cos( ttr

rEtE uvmouooi

gde je rm maksimalno internuklearno rastojanje u odnosu na ravnotežni položaj,

pa se polarizabilnost može predstaviti:

Ukoliko se ovaj izraz zameni u jednačini za dipolni moment dobija se:

Iz trigonometrije je poznato:

2

)cos()cos(coscos

yxyxyx

Tako da sledi:

tvr

rE

tvvr

rE

tE vumo

vumo

uooi )(2cos2

)(2cos2

)2cos(

tvr

rE

tvvr

rE

tE

vumo

vumo

uooi

)(2cos2

)(2cos2

)2cos(

Prvi član predstavlja Rejlijevo rasejanje, koje se javlja na ekscitatorskoj frekvenciji, u,

a drugi i treći član odgovaraju Stoksovim, (u – v), i anti-Stoksovim, (u + v),

frekvencijama.

Da bi vibracija bila aktivna u ramanskom spektru potrebno je da se polarizabilnost

menja sa rastojanjem, tj. da bi došlo do pojave ramanskih traka mora biti: 0

r

Odnos intenziteta anti-Stoksovih i Stoksovih linija direktno je vezan za

zaposednutost višeg vibracionog stanja i ovaj odnos će rasti sa temperaturom

zbog većeg broja molekula koji će se nalaziti u prvom vibracionom (ekscitovanom)

stanju pod ovim uslovima.

Ovaj odnos je dat relacijom:

kT

h

vu

vu

stoks

antistoksv

eI

I

4

IC - potrebno da vibracija u molekulu promeni dipolni moment

Raman - potrebna trenutna distorzija elektrona distribuiranih oko neke veze

u molekulu, praćena reemisijom zračenja kada se veza vraća u osnovno

elektronsko stanje (kada je došlo do distorzije elektronskog oblaka, molekul

je privremeno polarizovan)

N2, Cl2 ili H2 – homonuklearni molekuli, nemaju dipolni moment – mogu se

“videti” u ramanskim spektrima

Za razliku od CO2 kod molekula SO2 sve vibracije su aktivne i u IC i u ramanskim

spektrima (intenziteti traka različiti jer je različita verovatnoća za prelaze na osnovu

ova dva mehanizma)

Infracrveni i ramanski spektri

poliamida (Najlon 66)

IC

Raman

Infracrveni i ramanski spektri

polistirenskog filma

• Intenziteti traka u ramanskim spektrima zavise od:

1. polarizabilnosti molekula

2. intenziteta zračenja iz izvora

3. koncentracija aktivnih grupa.

• Može se vršiti kvalitativna i kvantitativna analiza.

• Može se dobiti informacija o stepenu depolarizacije.

polarizabilnost – karakteristika molekula

polarizacija – karakteristika upadnog snopa zračenja

Dolazi do delimične depolarizacije upadne polarizovane svetlosti:

Faktor depolarizacije: ||I

I

Za simetrične vibracije je =0, a za asimetrične vibracije je = 0,75

Koristi se za identifikaciju traka

Polarizovane i depolarizovane trake CCl4; ekscitaciona linija 488 nm

Shema ramanskog spektrometra Spektri emisioni; Uzorak pod uglom od 90o u odnosu na upadni snop; Polarizator

Izvori zračenja: Laser /nm Tipična snaga/W Boja

Rubin 694,3 1-10 MW crvena

Nd:YAG 1064,0 25 MW (8-9 ns)(bliska IC oblast) Ar+ 476,5 2,5

488,0 1,3 plava

496,6 2,5 514,4 1,7 zelena

Kr+ 558,2 3-5 žuta

647,1 crvena

He-Ne 632,8 0,5 crvena

He-Cd 441,6 0,05 plava

325,0 0,01

• Laseri:

monohromatsko zračenje, veoma intenzivno i

usmereno (prečnik snopa 1-3 mm), različite

snage u zavisnosti od tipa lasera

• Monohromator:

uglavnom dve rešetke sa 1200 ili 1800

ureza/mm

Razlaganje (u cm-1) zavisi od širine razreza w i

recipročne disperzije Dr prema relaciji: R = wDr

tipično oko 0,2 cm-1

• Detektori:

- ranije fotografska ploča

- fotomultiplikatorske cevi (najčešće Ga-As sa

fotokatodom)

- CCD (charge-coupled device) detektori

dvodimenzionalna površina koju čine Si fotosenzori (svaki fotosenzor se zove piksel). Kada zračenje padne na piksel proizvode se fotoelektroni čiji je broj proporcionalan intenzitetu upadnog zračenja. Tipično oko 2000 kolona i 800 gredica piksela, svaki piksel površine oko 10 m – 10 m.

PoreĎenje rada fotomultiplikatorske cevi i CCD kamere

pri sličnim eksperimentalnim uslovima

NOBELOVA NAGRADA ZA FIZIKU 2009. GODINE

“za pronalazak poluprovodničkog kola za oslikavanje

(imaging semiconductor circuit) – CCD senzor”

“za dostignuća u oblasti prenosa svetlosti kroz optička vlakna”

Charles K. Kao Willard S. Boyle George E. Smith

- Detektori tipa CCD su patentirani 1969. godine.

- Firma Kodak počinje njihovu proizvodnju 1975. godine.

- Cena im drastično pada nakon 2000. godine.

Shematski izgled

odozgo i sa strane

segmenta CCD

detektora

Fizički izgled CCD detektora

Mesto sakupljanja fotoelektrona (elipsa) na p-n spoju

u oblasti pozitivno polarizovane elektrode.

Shema kretanja paketa

naelektrisanja tokom prenosa

slike sa detektora u kompjuter. Shematski prikaz translatornog povlačenja

naelektrisanja na rastojanje od jedne do druge

susedne elektrode.

• Kvatna efikasnost (odnos foton/elektron):

fotografski film – oko 10 %

ljudsko oko - oko 20 %

CCD detektor - preko 80 %

• Opseg detekcija 400-1050 nm. Maksimum osetljivosti na oko 700 nm.

• Dinamički rang – razlika izmeĎu najsvetlije i najtamnije tačke koje mogu da se pojave na jednom snimku.

• Odgovor CCD detektora je linearna funkcija intenziteta.

Notch filtar

Shematski prikaz FT Raman

spektrometra

• Elimiše signal od fluorescencije analita ili nečistoća u analitu.

Fluorescencija veoma ozbiljan problem zbog relativno male efikasnosti ramanskog rasejanja u poreĎenju sa efikasnošću fluorescencije. Npr. od 108 fotona upadnog snopa 1 bude ramanski rasejan, dok nečistoće sa velikim molarnim apsorpcionim koeficijentom prisutne u ppm količinama daju kvantni prinos fluorescencije od 0,1.

Ramanski spektar antracena snimljen:

A) klasičnim instrumentom, 514,4 nm ekscitatorska linija;

B) FT instrumentom, 1064,0 nm ekscitatorska linija

FT instrument:

• Eliminiše fluorescenciju

• Može da se koristi Nd:YAG laser koji emituje u bliskoj IC oblasti. To zračenje nema dovoljno energije da pobudi elektronski prelaz kod molekula pa nema fluorescencije, takoĎe ne izaziva fotodegradaciju analita. Zbog veće talasne dužine Nd:YAG lasera potrebna FT tehnika, a i detektori znatno manje osetljivi u poreĎenju sa fotomultiplikatorskim cevima.

• Filtrima se eliminiše Rejlijeva linija u spektrima

Gasni uzroci: snimaju se u kvarcnim ili staklenim cevima prečnika 1-2 cm i

dužine do 10 cm ili u kapilarnim cevima čiji je prečnik nešto širi od laserskog

snopa. Sistemom refleksionih ogledala optički put se može produžiti i do 1 m.

Prozori gasnih ćelija moraju biti potpuno paralelni.

Tečni uzorci: ćelije (kivete) od kvarca i stakla ili kapilare, zavisno od

količine uzorka koga može biti od 1 cm3 do 10-3 cm3. Uzorci moraju da budu

potpuno transparentni i bez bilo kakvih čestica na kojima bi moglo doći do

rasejanja zračenja, koje može da prouzrokuje veliki šum ili fluorescenciju.

Načini osvetljavanja ćelije sa tečnim uzorkom (levo) i kapilare (desno)

Čvrsti uzorci: kad su praškasti stavljaju se u cevi ili kapilare, ili se presuju

u obliku KBr pastila. Kompaktni čvrsti uzorci mogu se snimati direktno,

postavljanjem pod uglom od 45o u odnosu na upadno zračenje.

Priprema uzoraka

• Da bi se izbegle difuzne parazitne linije, npr. difuzno rasejanje na

česticama prašine u uzorku izaziva savijenu baznu liniju u odnosu na

ekscitatorsku liniju, uzorak se filtrira ili centrifigira da bi se eliminisale

čestice suspenzije.

• Čvrsti uzorci se moraju homogenizovati.

• Fluorescencija potiče najčešće od nečistoća – ponekad je dobro

predestilovati uzorak u aparaturi koja je prethodno tretirana jakim

oksidativnim sredstvom.

Prednosti ramanske spektroskopije u odnosu na

komplementarnu IC spektroskopiju:

• Nema pripreme uzoraka ili je vrlo jednostavna i kratka

• Voda slabo rasejava – uspešno ispitivanje vodenih rastvora

• Vodena para i CO2 veoma slabo rasejavaju svetlost – nije potrebno produvavanje drugim gasovima

• Mogu se koristiti ćelije od stakla; nisu neophodni prozori od specijalnih materijala: KBr, NaCl i dr. kao u IC spektroskopiji

• Kako se ispituju normalne vibracije može se odrediti struktura analita na osnovu ramanskih spektara

• Trake u spektru uže, a viši tonovi i frekvencije zbira i razlike su uglavnom slabog intenziteta

• Koristi se u oblasti od 10 – 4000 cm-1 pa se mogu analizirati i neorganski i organski uzorci

• Mogu se ispitivati simetrične veze koje su neaktivne u IC spektrima

Negativni aspekti

• Slab efekat ramanskog rasejanja (10-8 · Io)

• Preklapanje sa rejlijevskim linijama (multipletnost pobuĎivačkih linija)

• Duga ekspozicija (FT Raman)

• Fluorescencija uzorka/nečistoća

• Fotohemijski procesi

• Apsorpcija zračenja (obojene supstance)

• Manje pogodna za kvantitativan rad