Современные методы синтеза и анализа VIII семестр к

Современные методы синтеза и анализа VIII семестр к. х. н. , доцент кафедры химической метрологии К. Н. Беликов

2

Комбинационное рассеяние света (эффект Рамана) — неупругое рассеяние оптического излучения на молекулах вещества (твёрдого, жидкого или газообразного), сопровождающееся заметным изменением частоты излучения. в спектре рассеянного излучения появляются спектральные линии, которых нет в спектре первичного (возбуждающего) света. Число и расположение появившихся линий определяется молекулярным строением вещества 3

Явление комбинационного рассеяния света было открыто в 1928 году независимо друг от друга Л. И. Мандельштамом и Г. С. Ландсбергом в твёрдых телах1 и Ч. В. Раманом и К. С. Кришнаном – в жидкостях2, 3. 1. Г. С. Ландсберг и Л. И. Мандельштам. Журнал русского физико-химического общества. 60, 335 (1928). 2. C. V. Raman & K. S. Krischnan. Nature. 121, 501 (1928). 3. C. V. Raman. Nature. 121, 619 (1928). Леонид Исаакович Мандельштам Григорий Самуилович Ландсберг Чандрасекхара Венката Раман Кариаманикам Сриниваза Кришнан 4

5

6

Спектр КР большинства органических молекул состоит из линий, отвечающих деформационным и валентным колебаниям химических связей углерода (С) с другими элементами, как правило, водородом (H), кислородом (O) и азотом (N), а также характеристическим колебаниям различных функциональных групп (гидроксильной ‐OH, аминогруппы ‐NH 2 и т. д. ). Эти линии проявляются в диапазоне от 600 см‐ 1 (валентные колебания одинарных С‐С связей) до 3600 см‐ 1 (колебания гидроксильной группы). Кроме того, в спектрах органических молекул в диапазоне 250‐ 400 см‐ 1 проявляются деформационные колебания алифатической цепи. Спектры КР кристаллических материалов содержат линии, соответствующие рассеянию излучения на коллективных возбужденных состояниях решетки, которые в физике твердого тела рассматриваются как квазичастицы. 7

В отличие от ИК спектра, в котором проявляются линии, отвечающие колебательным переходам с изменением дипольного момента, в спектре КР проявляются линии, отвечающие колебательным переходам с изменением поляризуемости молекулы. Правило альтернативного запрета: если молекула имеет центр симметрии, то колебания, активные в ИК-спектре, неактивны в КР-спектре, и наоборот ИК: колебания полярных групп (CO, NH 2 , OH) КР: колебания неполярных групп (сим. Ar, C=C, CΞC) 8

Эмпирические законы комбинационного рассеяния света • Спектральные линии-спутники сопровождают каждую линию первичного света. • Сдвиг спутников по частоте относительно первичной линии характеризует рассеивающее вещество и равно собственным частотам молекулярных колебаний. • Спутники представляют собой две группы линий, расположенных симметрично относительно возбуждающей линии. Спутники, смещённые в красную (длинноволновую) сторону относительно первоначальной линии называются «красными» (или стоксовыми, по аналогии с люминесценцией), а смещённые в фиолетовую (коротковолновую) — «фиолетовыми» (антистоксовыми). Интенсивность красных спутников значительно выше. • С увеличением температуры интенсивность антистоксовых спутников быстро увеличивается. 9

Основные параметры линий КР Интенсивность линии I. Характеризует эффективность КР при данном колебательном процессе. Различают пиковую I 0 (расстояние от вершины линии до уровня фона), и интегральную I∞ интенсивность (площадь, ограниченная контуром линии). Частота Δν. Равна частоте одного из колебательных процессов в среде и определяет положение рассматриваемой линии по отношению к возбуждающей линии. Как правило, измеряется в см-1 Ширина линии δ. 10

Принципиальная схема спектрометра 1 – лазер; 2 – зеркало; 3 – линза; 4 – светофильтр; 5 – оптика + микроскоп; 6 – зеркало; 7 – дифракционная решетка; 8 - переключатель детекторов; 9 – внутренний стандарт; 10 – окуляр микроскопа; 11 – предметный столик 11

12

Способы возбуждения Угол 900 – прозрачные материалы в форме параллелепипеда и жидкости в кюветах (возбуждение по всей длине) Угол 1800 – обратное рассеяние применяется для полностью непрозрачных материалов Угол 00 - на просвет исследуют спрессованные порошкообразные образцы Угол 450 – непрозрачные материалы, позволяет избавиться от паразитного отражения от поверхности 13

Резонансная рамановская спектроскопия Если энергия света, используемого для регистрации рамановского спектра, соответствует энергии реального электронного перехода, то интенсивность рамановских линий может возрасти на несколько порядков. Этот эффект получил название резонансной рамановской спектроскопии, или резонансного комбинационного рассеяния (Resonance Raman Scattering). Согласно теории РКР, усиление должно наблюдаться для линий полносимметричных колебаний, т. е. если симметрия молекулы не изменяется при колебании. Метод позволяет получить высокую интенсивность рассеяния при отсутствии нежелательных флуоресцентных помех, частота которых ниже частоты возбуждающего излучения. Также на эффекте резонансного комбинационного рассеяния основан метод когерентной анти-стоксовой рамановской спектроскопии (CARS — Coherent anti-Stokes Raman spectroscopy). 14

Рамановская спектроскопия с оптическим пинцетом Используется для изучения индивидуальных частиц, а также биохимических процессов в клетках, улавливаемых оптическим пинцетом – прибором, который позволяет манипулировать микроскопическими объектами с помощью лазерного света. Спектроскопия поверхностно-усиленного рамановского рассеяния (SERS — surface enhanced raman scaterring) Проявляется на наноструктурированных металлических поверхностях. SERS-эффект позволяет вывести чувствительность КРметодики на уровень одномолекулярного детектирования, достигая σeff ≈ 10 -16 см 2 /молек 15

Эффект обнаружен в 1974 г. Fleischman et al. , Albrecht et al, Jeanmire et al. Гигантское усиление сигнала КР на молекулах, адсорбированных на металлических наночастицах. Получены коэфф. усиления вплоть до 1014!!! SERS- активные материалы – металлические структуры с размером шероховатостей 10 -100 нм. Типы SERS-подложек: - Электрохимически загрубленные поверхности металлических электродов (многократные последовательные окислительно-восстановительные циклы). K - 106 - Островковые пленки, получаемые вакуумным напылением металла на диэлектрическую подложку. K - 106 - Нанолитографически полученные массивы частиц. K - 108 - Коллоидные металлические частицы и кластеры K - 1014 16

Два механизма: 1) свет возбуждает в металлических наночастицах поверхностные плазмоны (волны зарядовой плотности), которые могут входить в резонанс с рамановскими электромагнитными волнами, усиливая последние; 2) при попадании света на образец происходит перенос электрона с металла на молекулу, что вызывает увеличение дипольного момента и ее поляризуемости, а значит, увеличивает комбинационное рассеяние. 17

Применение SERS 18

Создание спектральных маркеров путем покрытия SERS-активных частиц монослоем молекул адсорбента 19

• Может использоваться для исследования твердых, жидких и газообразных образцов • Не требуется пробоподготовка • Неразрушающий метод анализа • Не требует вакуумирования • Экспрессность • Можно работать с водными растворами (в отличие от ИК-спектроскопии) • Можно работать в стеклянной посуде • Можно использовать волоконную оптику для удаленной регистрации спектра • Можно изучать объекты от 1 мкм и менее (микроскопия) Недостатки • Невозможность анализировать металлы и сплавы • Трудности при работе с малыми концентрациями • Влияние флуоресценции 20

Изучение тканей и клеток Высокое отношение сигнал/шум, высокое спектральное и пространственное разрешение, а также высокая скорость обеспечивают быстрое получение изображений, фиксирующих минимальные различия между типами тканей, с разрешением, позволяющим видеть структуру индивидуальных клеток. И все это при практическом отсутствии пробоподготовки и без использования красителей-маркеров. Рамановские изображения ткани пищевода: (слева) фото гистологического среза; (в центре) Рамановское изображение слоя подслизистой и мышечного слоя; (справа) Рамановское изображение нормальной поверхности с темными очагами метаплазии. 21

Нанотехнологии вызывают особую трудность при анализе материалов из-за их новизны и очень малых размеров исследуемых объектов. Изображение графена под микроскопом на оптически контрастной подложке: участки разной толщины трудно различимы. Изображение графена Raman: форма рамановской полосы использована при реконструкции изображения для различения монослоя графена (зеленый) и многослойных участков (красный). 22

Криминалистика Необходимость получения достоверной доказательной информации по объектам криминалистической экспертизы. Рамановское изображение пересечения штрихов черных чернил на исследуемом документе. Различные рамановские спектры с двух разных чернил выделены зеленым и красным цветом, четко демонстрируя, что штрих, отмеченный зеленым цветом, находится поверх штриха, отмеченного красным. 23

Изучение фазовых переходов в кристаллах Значительное количество сложных оксидных кристаллических решёток содержит группировки, в которых связь между анионобразующим атомом и кислородом существенно сильнее между анионом и катионом. Примеры: плоские анионы [NO 3]–, [CO 3]2–, [BO 3]3– и др. , тетраэдрические – [WO 4]2–, [Mo. O 4]2–, [Si. O 4]4– и др. Колебания кристалла можно подразделить на внутренние (внутри такой группировки атомов) и внешние (когда вся группировка движется как целое, например, в направлении, противоположном направлению движения соседней группировки). Внешние колебания называют колебаниями решетки. Область частот 250 – 1000 см-1 отвечает внутренним колебаниям WO 4 -комплекса, а < 250 см-1 – внешним его колебаниям относительно решетки. Изменение спектров КРС Ba. WO 4 с температурой при плавлении. 1 – кристалл при 300 К, 2 – кристалл при 1770 К, 3 – расплав при 1820 К. 24

Эффекты, обнаруженные с помощью КР-спектроскопии 25

26