Дополнительные методы анализа наноструктур и наноматериалов Спектроскопия фотолюминисценции

Дополнительные методы анализа наноструктур и наноматериалов. Спектроскопия фотолюминисценции Исто чник Монохроматор Аттенюатор Детектор Монохроматор Детектор Система регистрации и записи Образец Используют диапазон длин волн: ультрафиолет и видимая область спектра. Могут исследоваться как твердотельные, жидкие так и газообразные образцы. Основными параметрами являются: положение линии, ее интенсивность и ширина, тонкая структура. Возможность исследовать динамику фотолюминесценции во времени. Широкое применение в биологии.

Диограмма Яблонского поясняющая процессы возбуждения, флюорисценции и фосфоресценции. Вид спектра флюоресценции обычно обратен спектру адсорбции, поскольку наиболее вероятно возбуждение происходит на низший колебательный уровень , а релаксация наоборот приводит к переходу на высший колебательный уровень.

Исследование селективности возбуждения флюоресценции при возбуждении поляризованным светом дает возможность определять многие параметры биологических систем. RET –флюоресценция – флюоресценция акцепторных молекул при их резонансном возбуждении способной к флюоресценции донорной молекулы за счет резонансной передачи энергии при дипольном взаимодействии Изменение вида спектра пирина и его эксимерной молекулы при изменении соотношения мономер-эксимер. Пик соответствующий эксимеру (470 nm) уменьшается при уменьшении общей концентрации пирина в растворе от 6 x 10– 3 M до 0. 9 x 10– 4 M

Изображение флюоресцентного микроскопа клеток и флюорисцентными метками позволяющими следить за течением биологических процессов во времени

Спектроскопия фотолюминесценции наночастиц Зависимость положения и ширины линии от размера нанокристаллов увеличивающегося слева направо

Спектроскопия фотолюминисценции Использовании фотолюминесценции для конструирования сенсоров. Зависимость интенсивности линии фотолюминесценции молекулы органического красителя от концентрации ионов Mg+2 в растворе Зависимость интенсивности линии фотолюминесценции от толщины пленки содержащей распределенные нанокристаллы Cd. Se

Ядерный магнитный резонанс Ядра атомов содержащих нечетное количество протонов имеют внутренний магнитный момент. Магнитные моменты атомов могут быть сориентированы внешним магнитным полем. Модуляция поля высокой частотой дает резонансный отклик на определенных частотах. Поскольку резонансная частота зависит от связи с ближайшим окружением, получаемая информация дает возможность судить о химическом сдвиге и структуре ближайшего окружения. В ответ на приложенное переменное поле сориентированные атомы переизлучают полученную энергию в виде радио частоты зависящей от свойств атома и окружения. Из получаемой интерференционной картины регистрируемого радиоизлучения полезный сигнал выделяется с помощью Фурье преобразования.

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) ЯМР спектр демонстрирует химический сдвиг в зависимости от химичекого окружения и интенсивности адсобции. Химический сдвиг соответствует точной позиции на спектре при котором происходит адсорбция. Спектры калибруются по относительной d шкале: d= Sch/F, где Sch – химический сдвиг по частоте относительно референсного вещества (тетраметилсилана), F – частота спектрометра. Пример ЯМР спектра для хлороформа СНCl 3 при настройке на атомы водорода при частоте 60 МГц. При этом d будет равна 7, 28 ppm. Для молекул с более сложной структурой или тех которые не содержат Н, можно проводить настройку на ядра 13 С, 15 N, 19 F, 29 Si и т. д.

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) Структура молекулы биосенсора разработанного для специфического связывания ксенона с протеином ЯМР спектр для ксенона в различном химическом состоянии. Основное применение метода – анализ структур сложных органических и биохимических молекул таких как протеины, белки, аминокислоты и т. д. Количество резонансных пиков может достигать сотен с возможность наложения. С увеличением частоты спектрометра растет разрешающая способность, позволяющая разделять пики с близкими резонансными частотами.

Масс-спектрометрия В методе масс-спектрометрии измеряется отношение заряда к массе ионов. Определяя атомную массу ионов можно определять состав неизвестных молекул. Анализируя массы фрагментов сложных молекул можно определять структуру молекул. Высокая чувствительность метода позволяет использовать его для определения следовых количеств загрязнений в воде, воздухе и других важных веществах. Существует несколько способов сепарации ионов по массе/заряду: магнитные, монопольльные, квадрупольные, времяпролетные. Существует также несколько способов получения ионов: термическим испарением и электронным ударом, лазерным испарением/ионизацией, электроспрей. Пример схемы экспериментальной установки с использованием магнитного сепаратора ионов.

Масс-спектрометрия Пример спектра СО 2 молекулы с фрагментными илнами. Масс спектр крови человека

Масс-спектрометрия MALDI - Matrix Assist Laser Desorption Ionization Коичи Танака и Джон Фенн Нобелевская премия по химии 2002 год. Схема процесса MALDI. Использование смеси из органической матрицы и анализируемого вещества для мягкого лазерного испарения и одновременного получения ионов. Лазер используется для абляции образца в процессе которой происходит присоединение протонов (Н+) от матрицы к анализируемому веществу. Матрица способствует дополнительной адсорбции избыточной лазерной энергии и переводу ее в подложку, что снижает фрагментацию анализируемого вещества.

Масс-спектрометрия MALDI спектрометры обычно комплектуются времяпролетными массспектрометрами в которых время прихода иона на детектор определяется отношением массы к заряду. Легкие ионы приходят раньше. Точкой отсчета является выталкивающий импульс входной линзы масс-спектрометра. Смещение времени подачи импульса выталкивания относительно лазерного импульса позволяет анализировать временные зависимости ионного состава процесса абляции. Использование лазеров с перестраиваемой частотой позволяет проводить избирательную ионизацию или фрагментацию макромолекул для упрощения определения их структуры.

Пример времяпролетного спектра углеродного материала фрагментированного в процессе лазерной абляции Масс-спектры эндофулерена Dy@C 82 в зависимости от времени задержки выталкивающего импульса относительно лазерного импульса

Основные условия получения адекватной информации при анализе образцов. 1. Предварительная калибровка прибора по эталонным образцам 2. Определение аппаратной функции и возможности ее вычитания из получаемого сигнала. 3. Правильная пробоподготовка определяемая областью анализируемых параметров и свойств образца. 4. Понимание физических принципов используемого метода при выборе оптимального алгоритма обработки получаемой информации.