47900270 curs 8 tehnici de spectroscopie f
Post on 15-Jul-2015
152 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Laboratorul de Nanotehnologii
TEHNICI DE SPECTROSCOPIE
Mihaela Miu (mihaela.miu@imt.ro)
Definitie generala: Spectroscopia presupune analiza efectului interactiei radiatiei electromagnetice cu proba
Proprietatile radiatiei electromagnetice
energia; viteza;Lungine de unda Amplitudine
amplitudinea; frecventa; unghiul de faza; polarizarea; directia de propagare.
Modificarea a cel putin una din proprietati are loc la interactia radiatiei electromagnetice cu proba
UV Vis: raze X: excitatia electronilor adanci excitatia electronilor de valenta
IR: vibratii moleculare
unde Radio : starile de spin nuclear (in camp magnetic)
Excitarea electronica a electronilor intre orbitalii moleculariOrbitalii legaturilor simple*
4 tipuri de tranzitii posibile:
de antilegatura (neocupati)
Nivele energetice libere*
Orbitalii legaturilor duble*
(posibile stari excitate > Ee)
necesita cea mai mare energie UV indepartat) ;
( Ef)
* in
moleculelor cu leg turi duble (
E = Ee
Ef = hc/
Nivelele vibrationale si rotationale superimpuse peste nivelele electronice
Nivele rotationale Nivele vibrationale Stari electronice excitate Nivele rotationale Nivele vibrationale Stari electronice fundamentale
Metoda spectroscopicaSpectroscopie UV Vis
Fenomenul ce sta la baza
Tipul de radiatie electromagnetica
Domeniul de lungimi de unda
Domeniul de frecventa
Numar de unda
Spectroscopie de fluorescenta Spectroscopia IR
schimbarea starii electronilor exteriori
masoara absorbtia pentru a avea tranzitii din starea fundamentala in starea excitata
Electronii exteriori masoara tranzitiile din stareaexcitata in starea fundamentala Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale moleculelor Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale moleculelor atunci cind sint insotite de o modificare in momentul dipolului
1000 nm 100 nm determina comportarea chimica 14Hz - 31016Hz 310
Lumina vizibila Radiatie UV
104
106 cm-1
Spectroscopie Raman
schimbarea starii de oscilatie
radiatie IR
100
m
1 m
31012Hz - 31014Hz
100 - 104 cm-1
Spectroscopie de electroni (ESCA) Spectroscopia de rezonanta de spin (ESR)
schimbarea starii electronilor adanci
radiatia R ntgen
10 nm -100 pm
31016Hz - 31018Hz
106
108 cm-1
schimbarea starii de spin a electronului sau a starii hiperfine
microunde
1m
1 cm
300 MHz
30 GHz
0,01
1 cm-1
Spectroscopia de rezonanta magnetica nucleara (RMN)
schimbarea starii de spin a nucleului
unde radio
100 m
1m
3 MHz - 300 MHz
10-4
0.01 cm-1
I
Metoda spectroscopicaSpectroscopie UV Vis
Fenomenul ce sta la baza
Tipul de radiatie electromagnetica
Domeniul de lungimi de unda
Domeniul de frecventa
Numar de unda
Spectroscopie de fluorescenta
schimbarea starii electronilor exteriori
masoara absorbtia pentru a avea tranzitii din starea fundamentala in starea excitata masoara tranzitiile din starea excitata in starea fundamentala
Lumina vizibila Radiatie UV
1000 nm
100 nm
31014Hz - 31016Hz
104
106 cm-1
1
SPECTROSCOPIE UV - VIZFrecvente mari
Spectrul vizibil
Frecvente mici
Lungimi de unda (nm)Violet: 400 - 420 nm Indigo: 420 - 440 nm Blue: 440 - 490 nm Green: 490 - 570 nm
> Cand lumina traverseaza sau este reflectata de o substanta colorata, o parte caracteristica a lungimilor de unda este absorbita. > Lumina ramasa din spectru se presupune a fi complementara in culoare cu lungimile de unda absorbite.
Yellow: 570 - 585 nm Orange: 585 - 620 nm Red: 620 - 780 nm
Absorbtia luminii in domeniul 420-430 nm face ca substanta sa fie galbena, iar Absorbtia luminii in domeniul 500-520 nm face ca substanta sa fie rosie.
Absorbtia luminii din spectru este datorata tranzitiilor electronice
Schema de detectie in spectroscopia UV-Vis
Spectrometru cu monofascicul (pentru fiecare lungime de unda este detectata cantitatea de lumina transmisa / reflectata)
Spectrometru cu retea de diode (tot spectrul este obtinut odata)
Spectrometru dublufascicul
1. Calcularea concentratiei de specii absorbante
Transmitanta: T = I / I0 Absorbanta: A = log10 I0 / I= log101/T = - log Tcoeficient de absorbtie;
= c
c
concentratia speciilor absorbante; absorbtivitatea molara sau
coeficient de extinc ie molara.
A = cl
Legea Lambert
Beer
lumina incidenta
lumina transmisa
lumina incidenta
lumina transmisa
lumina incidenta
lumina transmisa
Absorbanta este direct proportionala cu concentratia solutiei > dublarea concentratiei dubleaza absorbtia
Absorbanta este direct proportionala cu distanta parcursa in solutie > dublarea distantei dubleaza absorbtia
1. Calcularea concentratiei de specii absorbante
A = cl
Legea Lambert
Beer
Exemplu de curbe de absorb ie la diferite concentra ii de analit curba de etalonare a absorbantei la maximul de absorb ie la max
Deviatii de la legea Beer
descrie corect solutiile diluate
La concentratii mari (> 10-2 M) apar interactii intre particulele absorbante. In plus, se modifica indicele de refractie al solutiei
Evolutia spectrului de absorbtie pentru nanocristale cu diametre de la 1,7 nm pana la 12 nm (CdSe/ZnS core/shell QD)450 nm 700 nm
2. Se poate calcula dimensiunea cristalitelor
Lungimi de unda mai mici / energii mai mari
Apare deplasarea spre albastru
blue shift
odata cu scaderea dimensiunilor
Eg (CdSebulk) = 1.75 eV Eg (CdSeOD) = 2.75 eV
bulk
= 710 nm 260 nm
QD
= 450 nm
scaderea dimensiunilor unui cristal
Ex: largirea BI Eg = 1eV corespunde unei deplasari
262 nm
pana la valori nanometrice determina aparitia fenomelor de confinare cuantica Apare fenomenul de largire a benzii interzise (BI)
2
SPECTROSCOPIE DE FLUORESCENTAdetectie complementara spectroscopiei UV-Vis > daca in spectroscopia UV-Viz se masoara energia absorbita de o molecula pentru a trece dintr-o stare fundamentala in stare excitata, > in spectroscopia de fluorescenta se masoara energia emisa de o molecula pentru a trece din starea excitata in starea fundamentala.
Schema procesului de aparitie a fluorescentei
excitare Fluorescenta dezexcitare
Schema de detectie a unui spectrometru de fluorescenta cu o geometrie la 90 utilizand o sursa de Xe
Detaliu drum optic
Schema de detectie a fluorescentei in Microarray technology
Diagrama JablonskiConversie interna > tranzitii neradiative
Vi
stari energetice de vibratie
S0 S1
stare fundamentala; prima stare de tranzitie electronica excitata
Time resolve fluorescenceProba este supusa unei iluminari in pulsuri (durata pulsurilor trebuie sa fie mai scurta ca timpul de viata) > nanoFlash Lamp
Se obtine timpul de viata al unei specii moleculare excitate
ns
s
fluorescenta
fosforescenta
Steady state fluorescence
Se obtine spectrul de emisieProba este supusa unei iluminari continue
(de fapt este o mediere a fenomenelor time resolve )
Investigarea constantei de legatura a bioconjugatelor BSA-Nanoparticule de aur prin spectroscopia de fluorescentaM. Iosin, F. Toderas, and S. Astilean, Institutul de Cercetari Experimentale Interdisciplinare, Laborator de Nanobiofotonica, Universitatea Babes Bolyai, Cluj-Napoca
Fenomen de stingere a fluorescentei
II
Metoda spectroscopica
Fenomenul ce sta la baza
Tipul de radiatie electromagnetica
Domeniul de lungimi de unda
Domeniul de frecventa
Numar de unda
Spectroscopia IR
Spectroscopie Raman
schimbarea starii de oscilatie
Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale moleculelor Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale moleculelor atunci cind sint insotite de o modificare in momentul dipolului
radiatie IR
100
m
1 m
31012Hz - 31014Hz
100 - 104 cm-1
3
SPECTROSCOPIE IR si Raman
Fiecare atom are 3 grade de libertate > o molecula cu n atomi are 3n grade de libertate3 grade de libertate descriu translatia moleculei 3 grade de libertate descriu rotatia moleculei
+
Pentru o molecula liniara, rotatia in jurul axei nu conteaza (nu afecteaza energia moleculei)
3n-6
grade de libertate descriu vibratiile fundamentale
Cele care produc o modificare neta
3n
5 grade de liberate descriu vibratiile fundamentalein momentul dipolului pot da o activitate IR in polarizare pot da o activitate Raman
Exemple:H2O CO2 molecula neliniara cu 3 atomi molecula liniara cu 3 atomi 3n 3n
Sunt vibratii active atat IR cat si Raman6 = 3 stari vibrationale 5 = 4 stari vibrationale
C6H6 (benzen)
molecula foarte mica, dar cu 30 de benzi de vibratie in IR si Raman polistiren contine 1000 de unitati monomere (16000 atomi) aproximativ 50.000 de vibratii diferite
molecula polimer
Este imposibili identificarea tuturor starilor vibrationale
simplificam luand in considerare numai gruparile chimice repetitive (ex: benzile nucleului aromatic, vibratiile C-H, C-C sau C=C
Teoria spectroscopiei de absorbtie in infrarosuPentru ca o molecula sa absoarba radiatia IR, vibratiile sau rotatiile in interiorul ei trebuie sa determine o schimbare neta in momentul de dipol
Campul electric oscilant al radiatiei electromagnetice interactioneaza cu fluctuatiile momentului de dipol al moleculei
Daca frecventa radiatiei se potriveste cu frecventa vibrationala a moleculei, atunci radiatia va fi absorbita
Va aparea o modificare in amplitudinea vibratiei moleculare.
Factori care afecteaza pozitia vibratiilor moleculelor in spectrul absorbtiilorI // Cazul unor molecule liniare (i) Tipul de vibratii (ii) Taria legaturii
ExempluLegatura C - N absoarbe la 1050 1650 cm-1 Legatura C
ExempluN absoarbe la
2200 cm-1
Energie mai mica
Energie mai mare
ExempluLegatura C - H stretch in alkene absoarbe la 2600 2800 cm-1
Exemplu In cazul unor legaturi similare, diferenta in energiaLegatura C - H bend in alkene absoarbe la 1365 1485 cm-1Atomul cu masa mai mica Atomul cu masa mai mare va vibra mai putin
de absorbtie este data de masa atomilor constituenti
Energie mai mare
Energie mai mica
va vibra mai puternic
Legatura C la 600
Cl absoarbe 800 cm-1
Legatura C la 500
Br absoarbe 600 cm-1
Atomul de Cl e mai usor > energie mai mare de vibratie
Atomul de Br e mai greu > energie mai mica de vibratie
I I // Cazul unor molecule neliniare Exemplu: apa (H2O) molecula neliniara cu 3 atomi 3n 6 = 3 stari vibrationale
3 benzi de absorbtie in IR si Raman
n
1=2
vibratii streching
2n
5=1
vibratii bending
pentru legaturile H - O
pentru structura H
O-H
Felul in care radiatia este utilizata difera in spectroscopia Raman fata de spectroscopia IR : in FTIR energia care acopera un interval de frecvente este directionata catre proba; > absorbtia are loc cand frecventa radiatiei incidente se identifica cu cea la care molecula trece intr-o stare excitata vibrationala in Raman se utilizeaza o singura frecventa a radiatiei pentru iradierea probei > radiatia este imprastiata de molecula, detectandu-se unitatile de energie vibrationale diferite de cele incidente (lumina care interactioneaza cu moleculele distorsioneaza polarizeaza norul electronic)
Imprasierea Raman trebuie exprimata ca o deplasare in energie fata de radiatia de excitatie Pentru legaturi cu un moment puternic de dipol (care sunt active IR) mobilitatea electronilor sau polarizabilitatea este de obicei scazuta. Pentru legaturi cu un moment slab de dipol (care sunt inactive IR) polarizabilitatea este de obicei mare si starile vibrationale ale legaturilor sint active Raman.
Spectru IR
Acid benzoic
Spectru Raman
Spectroscopie Raman
Nu implica nici absorbtia, nici emisia, ci imprastierea radiatiei Radiatia IR incidenta determina miscarea electronilor in legaturi si poate fi: absorbita; difuzata fara a i se modifica lungimea de unda > difuzie Rayleigh;Este sensibila la mobilitatea electronilor in legaturi (polarizabilitatea legaturilor) Masoara cit de usor este sa misti un electron si implicit sa polarizezi o legatura-4
- intensitatea Rayleigh depinde puternic de lungimea de unda I ~
imprastiata Raman-Stokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mare dect cea a radiatiei incidente); imprastiata Raman-antiStokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mica dect cea a radiatiei incidente);
Spectroscopie IR Energia asociata radiatiilor IR este suficienta sa stimuleze vibratiile moleculare (ale legaturilor chimice) Conditii pentru ca o molecula sa absoarba radiatia n domeniul IR: sa aiba o structura de dipol sau sa poata dobandi o astfel de structura prin excitatie perioada de vibratie trebuie sa fie in faza cu perioada de oscilatie a radiatiei incidente cantitatea de energie a radia iei IR trebuie sa fie permisa de restrictiile cuantice Spectrul IR rezultat reprezinta absorbtia si transmisia moleculara, fiind amprenta moleculara a probei
Spectrele utilizate curent sunt de fapt spectre asupra carora s-a aplicat transformata Fourier
Spectroscopia FTIR - o metoda de masura a tuturor frecventelor IR simultan utilizand interferometria
Schema de detectie
Fasciculul IR incident este divizat in 2 fascicule optice
Un fascicul se reflecta pe o oglinda plata fixa
Al 2-lea fascicul se reflecta pe o oglinda plata care se deplaseaza pe distante scurte (inainte inapoi)
Se recombina cind se reintilnesc in splitter
Pentru ca au parcurcurs drumuri optice diferite, semnalul rezultat este un semnal de interferenta
Fiecare punct contine o informatie despre fiecare frecventa IR care vine de la sursa
Spectrul FTIR pentru o solutie de etanol
O-H
C-H
C-0
Observatii: - o molecula contine legaturi care dau mai multe vibratii posibile > in spectrul IR trebuie sa se regaseasca mai multe absorbtii care sa defineasca o molecula (nu numai o legatura chimica); - se pot identifica legaturile specifice ale unei molecule (gruparile functionale) pentru a determina structura;
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelorprocesul de clusterizare a particulelor in suspensie
Se obtin in plus informatii despreprocesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie:proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi luminoase
daca particulele ar fi fixe > imaginea de pe ecran ar fi stationara; fiind in miscare browniana > imaginea nu este stationaraproba Particule in suspensie
Intensitatea luminoasa va fluctua in timp
Din punct de vedere fizic- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare Browniana, interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler, modificand lungimea de unda initiala
Depinde de marimea particulelor
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul de difuzie al particulelor si utilizand functia de autocorelatie.
O functie caracteristica de autocorelatie a luminii imprastiate - determinate experimental
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid, aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este proportionala cu coeficientul de difuzie al particulelor D:
= Dk2unde
unghiul de imprastiere
lungimea de unda a LASER-ului
IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu E=IxR
E
Sistem analizat
I
In curent alternativ E=IxZ
E
E0 +
E sin( t)
Sistem analizat
I0 +
I sin( t + )
Z
I, E I, Udeplasare de U: phase shift faza
timp time
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta Z (ii)
= E (i
i)
/ I (i
i)
numar complex
Prezentare in coordonate Carteziene: Z (iindicele i = 1, 2 ,i)
Prezentare in coordonate Polare : Z (ii)
= Rei + iImi.n frecventele din interval
= =Zej
i
Z= (Rei2 + iImi2)1/2 - modul ;Se realizeaza o scanare descrescatoare de la frecvente mari la frecvente mici
f i = arc tan Imi/Rei - faza. Grafice BodeSet de date 3DD3 [i,
Grafic in plan complex (Nyquist)-ImD3 [ Rei, Imi,i]
Zi, f i ]
R1
R2
Re
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat (daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator). Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale, (identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina - evaluare rapida pentru un material cu o structura policristalina a contributiei individuale la conductia electrica sau la polarizare (efectele regiunilor de contact intergranulare sau a volumului)
caracterizarea densitatii de impachetare si distributia de defecte in straturile auto-asamblate transferul electronilor prin stratul auto-asamblat de alkanethiol si implicit prin straturile corespunzatoare de recunoastere moleculara
caracterizarea electrozilor -potentialul de flat-band, densitatea de sarcina (masuratori Mott-Schottky); - proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalice transferul electric in materiale nanocompozite - contributia starilor electronice de suprafatala transportul electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare- concentratia de dopare a junctiunii, - timpul de viata efectiv; - efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor minoritari;
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)caracterizarea sistemelor electrochimice / fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice- transportul de masa, transferul de sarcina prin interfata sau efectele adsorbtiei;
1.
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la electrod, monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor intermediare adsorbite; - efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase.
dezvoltarea de senzori
- mecanismele ne-faradaice
2.
(pierderile ohmice, conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic); - investigarea integritatii oxidului / straturilor de acoperire; - ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile corozive
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate pe suprafata - analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical / Impedance detectionBinding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductance. Mott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the Electrolyte/PS/Si has been measured as function of DC potential and the data recorded for different concentration of DNA in electrolyte solution are presented. The figure illustrate that the test structure capacitance plots suffer modifications by adding different concentrations of DNA in electrolyte solution: the flat band potential is shifted to lower values as DNA immobilization starts from 0.31V to 0.24V and 0.21V respectively.
Experimental data Phosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research. It is a salty solution containing sodium chloride, sodium phosphate, and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate. The buffer helps to maintain a constant pH. DNA 1 1 M /50 ml PBS solution DNA 2 2 M/50ml PBS solution
Bode (a, b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30 at higher frequency region, which tends to -20 as the concentration of DNA is increased; opposing, in lower frequencies domain, the maximum is initially around -70 and its value increases to -80 going concomitantly with a gradual shift to lower frequencies, proving that the interface phenomena became dominant. The corresponding impedance module plots fig. (b) show a similar behavior, with a more evident decrease of values in low frequencies domain. The Nyquist graphs presented in fig. (c) indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below, with a dominant interface capacitance.
top related