Podstawy spektroskopii

]

[cm

1

[nm]

1

-

λ

ν

ν

ν

λ

=

=

=

c

c

Techniki eksperymentalne:

- spektroskopia absorpcyjna
- emisyjna
- ramanowska

W prezentacji wykorzystano rysunki i schematy z następujących źródeł:

Atkins P.W.: Chemia fizyczna, PWN, 2000
Paszyc S.: Podstawy fotochemii, PWN, 1981
Tipler P.A., Mosca G.P.: Physics for Scientists and Engineers, Freeman and Co., 2003
Turro N.J.: Modern Molecular Photochemistry, Benjamin/Cummings Pub., 1978

Wikipedia, Wolna encyklopedia;
Wiem, darmowa encyklopedia

Znajdujące się na powyższej liście podręczniki zalecane są jako literatura
podstawowa do niniejszego wykładu.

Promieniowanie elektromagnetyczne

Materiał przygotowany w oparciu o Chemię Fizyczną P. W. Atkinsa.
Polecany rozdział: Spektroskopia 2 – przejścia elektronowe

Źródła promieniowania elektromagnetycznego UV-Vis-IR:

daleka podczerwień - łuk rtęciowy w oprawie kwarcowej

bliska IR - pręt Nernsta (ceramiczny, zawierający tlenki lantanowców)

widzialne - lampy wolframowo-jonowe, halogenowe
bliski UV - wyładowania w deuterze lub ksenonie

Lasery - promieniowanie monochromatyczne

Synchrotron - elektrony poruszajace się po okręgu emitują
światło w szerokim zakresie długości fal

Detektory promieniowania elektromagnetycznego:

(sygnał elektromagnetyczny sygnał elektryczny (analogowy lub cyfrowy)

- fotoelektryczne (fotopowielacz)
- termiczne (bolometr, detektor Golaya)

- półprzewodnikowe (diody fotoprzewodzące i fotowoltaiczne)

- optyczne detektory wielokanałowe PDA (linijki diodowe)

- optyczne detektory ze sprzeżeniem ładunku
(kamery CCD -

))

→

charge-coupled device

Słońce (łac. Sol) – gwiazda centralna Układu Słonecznego. Słońce to najjaśniejszy obiekt na

niebie i główne źródło energii docierającej do Ziemi.

Żarówka (lampa żarowa) to lampa elektryczna, w której elementem świecącym jest przewód

(żarnik) rozgrzany do wysokiej temperatury na skutek przepływu prądu. Aby nie nastąpiło

utlenienie żarnika, jest on umieszczany w bańce szklanej, wewnątrz której panuje próżnia lub

jest ona wypełniana mieszaniną gazów obojętnych.

Lampy łukowe to typ lamp, w których źródłem światła jest łuk elektryczny między dwiema

elektrodami rozdzielonymi gazem. Gazem w lampie jest powietrze, a w lampach z bańką

szklaną neon, argon, ksenon, pary sodu lub rtęci. Lampy wykonywane ze szkła kwarcowego są

wykorzystywane jako źródło promieniowania UV.

Lampy rtęciowe – lampy niskociśnieniowe pracują przy ciśnieniu ok. 0,1Pa w

temperaturze pokojowej. Dwa pasma dominują w widmie emisyjnym: 253,7 nm

[Hg(

3

P

1

)→ Hg(

3

S

0

)+h

ν

] i 185,0 nm [Hg(

1

P

1

)→ Hg(

3

S

0

)+h

ν

]. Znajdują zastosowanie jako

źródło światła bakteriobójczego i w fotopolimeryzacji. Lampy rtęciowe

średniociśnieniowe (ciśnienie ok. 4,5 kPa) pracują w wyższych temperaturach i posiadają

moc 100-500W. Emisja 253,7 nm jest zmniejszona, zwiększa się natężenie pasm 313 i

366 nm. Lampy wysokociśnieniowe pracują przy ciśnieniu ok. 10 MPa, są lampami o

dużej mocy (rzędu kW).

Ksenonowa lampa łukowa - lampa, w której światło powstaje dzięki wyładowaniu

elektrycznemu pomiędzy wolframowymi elektrodami umieszczonymi w szklanej bańce

wypełnionej ksenonem. Charakteryzuje się białym światłem zbliżonym do światła

słonecznego i wysokim wskaźnikiem oddawania barw. Ksenonowe lampy łukowe

posiadają dużą moc od 1 do 15kW.

Laser to generator promieniowania, wykorzystujący zjawisko emisji wymuszonej. Nazwa jest

akronimem od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — wzmocnienie światła

poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Promieniowanie lasera ma charakterystyczne

właściwości, jest spójne, spolaryzowane i ma postać wiązki o bardzo małej rozbieżności. W

laserach impulsowych można uzyskać bardzo dużą moc w impulsie i bardzo krótki czas trwania

impulsu.

Absorpcja i emisja promieniowania

Absorpcja wymuszona:

- szybkość absorpcji wymuszonej

- wsp. Einsteina abs. wymuszonej

d - gęstość energii promieniowania ( , +d )

Emisja:

w=B

w

B

⋅ρ

ρ ⋅ ν

ν ν ν

w'=A + B'

w'
B'
A

⋅ρ

- szybkość emisji

- wsp. Einsteina emisji wymuszonej

- wsp. Einsteina emisji spontanicznej

Całkowita absorpcja i emisja

Stan równowagi termicznej

W=N B

W'=N'(A + B'

⋅ ⋅ρ

⋅ρ )

B

B

e

B

A

B

B

N

N

B

A

B

N

NB

A

N

kT

h

/

'

/

/

'

'

/

/

'

'

'

/

−

=

−

=

−

=

ν

ρ

e

/N

N'

/kT

h

-

ν

=

rozkład Boltzmana

Promieniowanie ciała doskonale

czarnego (wzór Plancka)

1

/

8

/

3

3

−

=

kT

h

e

c

h

ν

ν

π

ρ

B

c

h

A

)

8

(

3

3

ν

π

=

B=B'

A

∝ ν

3

Lasery

L = n n/2

n = / n = n /2L = n 1 n = 1, 2, 3 ...

⋅λ

ν

υ λ

υ

⋅ν

mody wnęki - dł. fal spełniajace

powyższe równanie

mody rezonansowe - dł. fali, dla których

ma miejsce akcja laserowa

Praca ciągła lub impulsowa

Przełączanie dobroci Q:

- cel: osiągnięcie dużej inwersji obsadzeń

- przełącznik: migawka, barwniki tracące właściwości absorpcyjne w czasie

Synchronizacja modów:

- cel: osiągnięcie bardzo krótkich impulsów

- interferencja różnych częstości rezonansowych (im wiecej tym krótsze sygnały)
L = 30 cm, odstęp 2 ns, = 4 ps

- przełączanie dobroci Q z częstością c/2L (różnica częstości modów

rezonansowych) (migawka, oscylujący z częstością c/2L pryzmat, barwniki)

τ

Lasery

(light amplification by stimulated emission of radiation)

Inwersja obsadzeń - metastabilny stan wzbudzony - pompowanie

(wyładowanie elektryczne,
reakcje chemiczne,
promieniowanie)

lasery trójpoziomowe

lasery czteropoziomowe

Lasery stałe

T. Maiman (1960)
laser rubinowy (Al O + Cr )

2

3

3+

laser neodymowy -
-granat glinowo itrowy (Y Al O +Nd )

podwajanie częstości (1064 nm 532 nm 266 nm)

3

5

12

3+

→

→

Lasery gazowe

helowo - neonowy (5:1)

około 100 linii (dominuje 633 nm)

argonowy - laser jonowy

(jonizacja poprzez wyładowanie elektryczne)

kryptonowy 647 nm (czerwone światło)

laser na CO - akcja laserowa wynikiem przejść
oscylacyjnych ( , CO )
wzbudzenie N

2

3

1

2

2

ν → ν

Lasery ekscypleksowe

Lasery barwnikowe

np. rodamina w MeOH

ksenon, chlor, neon XeCl* (308 nm)

krypton, fluor, neon KrF* (249 nm)

Diody emitujące światło

lasery półprzewodnikowe

np. arsenek galu GaAs, Ga Al As

1-x

x

szybkie reakcje
relaksacja
przeniesienie energii

określony czas
wzbudzenia

Generowanie impulsów

koherentna
spektroskopia Ramana

interferencja

Spójność

czułość
spektroskopia
nieliniowa Ramana

długa droga optyczna
obserwowalne
rozproszenie do przodu

Skolimowanie wiązki

spektroskopia
rozdzielanie izotopów
precyzja fotochemiczna
dynamika reakcji

wysoka rozdzielczość
selekcja stanów

Monochromatyczność

spektroskopia
nieliniowa
spektroskopia
nasyceniowa
wzrost czułości
spektroskopia Ramana

procesy wielofotonowe
niski poziom szumów
detektora
wysoka intensywność
rozpraszania

Duża moc

Zastosowanie

Zalety

Cecha

Zastosowanie laserów

Holografia (z gr. holos = całość, grapho = piszę) – dział optyki zajmujący się technikami
uzyskiwania obrazów przestrzennych (trójwymiarowych) metodą rekonstrukcji fali (głównie
światła, ale też np. fal akustycznych). Przez rekonstrukcję fali rozumie się odtworzenie w
pewnym obszarze przestrzeni zarówno jej kierunku ruchu, amplitudy, częstotliwości jak i
fazy.

Holografia polega na trójwymiarowym zapisie obrazu przedmiotu (obiektu). Tradycyjna
fotografia zapisuje jedynie modulację amplitudy, podczas gdy holografia odnotowuje także
zmiany fazy fali świetlnej.

Rejestracja obrazu polega na zapisie (np. na kliszy fotograficznej) interferencji fali
rozproszonej przez przedmiot z falą niezaburzoną (tzw. wiązką odniesienia). Pierwsza
(wiązka przedmiotowa) oświetla przedmiot, po odbiciu którego pada na kliszę fotograficzną,
natomiast druga (wiązka odniesienia) pada na kliszę bezpośrednio lub po odbiciu od
płaskiego zwierciadła kierującego ją na kliszę. W ten sposób otrzymuje się kliszę zwaną
hologramem. Klisza ta oglądana w powiększeniu jest układem punktów (prążków) jasnych i
ciemnych. Aby osiągnąć obraz 3D, trzeba kliszę oświetlić spójnym światłem laserowym.
Światło to interferując na hologramie, który stanowi w tym przypadku siatkę dyfrakcyjną,
odtworzy w polu za siatką konfigurację przestrzenną światła odbitego od obiektu. Widać
wtedy i hologram, i obraz przestrzenny.

Wykorzystanie laserów w medycynie

•ekscymerowe (193-351 nm) – głównie do korekcji wad
widzenia przez chirurgiczne modyfikowanie soczewki ocznej
(zmiana krzywizny przez ablację rogówki)
•Ar

+

(488 i 514,5 nm) – głównie w okulistyce (operacje

siatkówki)
•Nd:YAG (1064 nm) – chirurgia (najczęściej stosowany laser
chirurgiczny)
•Ho:YAG (2090 nm) – chirurgia (ablacyjne operacje prostaty)
•Er:YAG (2940 nm) – ablacyjna chirurgia kosmetyczna
(wygładzanie zmarszczek)
•CO

2

(10600 nm) – chirurgia (działanie głównie koagulacyjne –

chyba, że krótkie impulsy)
•barwnikowy (równe dł. fali, głównie w obszarze widzialnym) –
głównie w terapii fotodynamicznej (PDT), okulistyce i
dermatologii
•Ti:szafir (bliska podczerwień) – głównie w okulistyce, PDT
•diodowy (czerwień i bliska podczerwień) – głównie w
biostymulacji (low-level laser therapy – LLLT)

Penetracja tkanki przez światło laserowe

(1/e)

Ar

(<2mm)

+

Nd:YAG

(<6mm)

Er:YAG

(<0.6mm)

CO

(<0.2mm)

2

Żółtaczka noworodków – występuje w okresie noworodkowym,
u podstaw jej leżą zaburzenia przemiany bilirubiny, związane z;

- zwiększoną liczba erytrocytów we krwi;

- skrócenie czasu ich życia;
- niedojrzałość enzymatyczna wątroby, charakteryzująca się mniejszą

zdolnością do wychwytywania bilirubiny przez komórki wątrobowe,

a z drugiej zmniejszoną zdolnością jej sprzęgania wskutek niewydolności

układów enzymatycznych

Łuszczyca - to przewlekła choroba dermatologiczna, która charakteryzuje się

okresowymi nawrotami i remisjami. Zmiany skórne związane są ze wzmożonym
wzrostem i podziałem komórek. W połączeniu z przyspieszonym przepływem krwi

i rozszerzeniem naczyń krwionośnych w chorych miejscach obserwuje się

zaczerwienienia i szybkie gromadzenie się martwych komórek na powierzchni

skóry. Choroba na ogół nie upośledza ogólnego stanu chorych, jednakże jest

często negatywnie postrzegana przez otoczenie. Dodatkowo, uciążliwe

leczenie ogranicza komfort życia chorego.

W wyniku naświetlania światłem
niebieskim bilirubina ulega

rozkładowi do form bardziej polarnych,

łatwiej usuwanych przez wątrobę.

Sposób leczenia to np. aktywacja światłem

leków takich jak psoraleny czy antralina.

Fotomedycyna

OH

OH

O

H

O

2

e -

O

2

1

O2

.-

e-

2+

Fe

3+

Fe

, 2H +

e -

, - OH -

e -

O2

OH

.

.

-

O

2

OH

OH

O

.

OH

OH

O

.

-

Dysmutacja

h

ν

Anion cygnoliny

Rodnik cygnoliny

Wtórne rodniki

cygnoliny

H

2

O

2

Drogi generowania reaktywnych form tlenu oraz pierwotnych i wtórnych

rodników cygnoliny

[Müller K., Biochem. Pharmacol. 1997, 53, 1215-1221]

Dysmutaza ponadtlenkowa Glutation
Katalaza -tokoferol
Peroksydaza glutationowa Kwas askorbinowy

Reduktaza tioredoksynowa Witamina A

Skórny mechanizm obronny

α

RFT

inhibicja

Lokalne stężenie może

niszczyć ochronne

antyoksydanty

Stan zapalny skóry

Wybiórcza cytotoksyczność w stosunku do skóry łuszczycowej:

- maleje aktywność dysmutazy ponadtlenkowej
- rośnie zużycie tlenu

- rośnie zawartość żelaza

O

OH

OH

Niektóre barwniki wiążą się silniej z komórkami

neoplazmatycznymi niż ze zdrowymi i akumulują w nich

dłużej niż w zdrowych, np. pochodne hematoporfiryny

Po wzbudzeniu światłem ok. 400 nm, widoczna

fluorescencja miejsc kumulacji barwnika –

uwidocznienie miejsc chorych.

Bardzo czuła diagnostyka

Po wzbudzeniu światłem czerwonym, następuje

lokalne zwiększenie stężenia RFT

i zniszczenie nowotworu.

Selektywna metoda leczenia

Przeżywalność kom. nowotworowych
vs. czasu i stężenia

6 tyg. po zabiegu

Terapia fotodynamiczna

Analiza częstości

- element rozszczepiający - pomiar I( )

pryzmat szklany (> 400 nm) lub kwarcowy ( > 180 nm)

ν

siatki dyfrakcyjne (Al, rowki co 1000 nm)

(interferencja konstruktywna tylko pod określonym kątem)

- transformacja fourierowska - pomiar I( ) lub I( )

- promieniowanie polichromatyczne

- widmo w kategorii czasu, a nie częstości

- większa czułość

- duża rozdzielczość

t

p

p - różnica dróg optycznych,

interferencja konstruktywna lub

destruktywna

ν

ν

π

ν

ν

ν

d

p

d

p

)]

2

cos(

1

)[

(

I

)

,

(

I

+

=

Sygnał całkowity

∫

∫

∞

∞

+

=

=

0

0

)]

2

cos(

1

)[

(

I

)

,

(

I

)

(

I

ν

ν

π

ν

ν

ν

d

p

d

p

p

interferometr Michelsona

Transformacja Fouriera

∫

∫

∞

+

∞

−

+ ∞

∞

−

−

=

−

=

dt

st

i

t

y

s

y

ds

st

i

s

y

t

y

)

2

exp(

)

(

)

(

)

2

exp(

)

(

)

(

π

π

∫

∞

−

=

0

0

)

2

cos(

]

I

5

.

0

)

(

[I

4

)

(

I

dp

p

p

ν

π

ν

5cm)

p

dla

0.1cm

(

2

1

1

-

max

=

=

=

∆

p

ν

Rozkład Fouriera funkcji okresowej F(t)

Funkcję okresową można rozłożyć na nieskończoną sumę fal

sinusoidalnych, np. dla funkcji piłokształtnej:

F(t)=

Σ

(1/n)sin(n

ω

t)

dobre przybliżenie już dla n = 9

Detektory promieniowania elektromagnetycznego (liczniki fotonów)

Przyrządy fizyczne

– ich wskazania można skorelować z liczbą rejestrowanych fotonów.

Bolometr - detektor promieniowania, czuły w bardzo szerokim zakresie długości fali

promieniowania elektromagnetycznego. W praktyce większość bolometrów jest wrażliwa na

promieniowanie w zakresie widzialnym i podczerwonym. Działa na zasadzie zmiany oporu

elektrycznego czujnika pod wpływem zmiany temperatury wywołanej pochłanianiem

padającego promieniowania. Wykonywany jest z metalu, półprzewodnika albo materiału

nadprzewodzącego; zmianę oporu elektrycznego czujnika, proporcjonalną do ilości pochłoniętej

energii, mierzy się zwykle za pomocą mostka pomiarowego; próg czułości bolometru jest

wysoki, rzędu 10

-9

-10

-12

W.

Fotopowielacz, detektor promieniowania elektromagnetycznego złożony z fotokatody, układu

elektrod powielających (dynod) i anody. Zasada działania jest oparta na zjawisku

fotoelektrycznym. Elektron wybity przez foton z fotokatody dociera do pierwszej dynody i

wybija z niej kolejne elektrony. Proces ten powtarzany jest na kolejnych dynodach, prowadząc

do wzmocnienia sygnału o czynnik rzędu 10

5

÷ 10

9

razy. Fotopowielacz zasilany jest wysokim

napięciem, dzielonym pomiędzy kolejnymi elektrodami. Istnieje wiele rodzajów rozwiązań

geometrii układu elektrod. Fotopowielacze charakteryzują się dużą szybkością przetwarzania

sygnału (lepszą niż 10

-9

s), stosowane są w spektrofotometrach, w detektorach promieniowania

jądrowego (liczniki scyntylacyjne, liczniki czerenkowskie), w astrofizyce przy rejestracji

słabego promieniowania gwiazd.

Fotodioda - dioda półprzewodnikowa pracująca jako fotodetektor. Fotodiody wykonane są jako

elementy złącza p-n lub p-i-n, z warstwą zaporową. W fotodiodach kwanty energii promienistej

zwiększają liczbę par elektron-dziura. Elektrony swobodne są przyciągane przez dodatni

ładunek przestrzenny na granicy obszaru typu n, dziury zaś wędrują do obszaru typu p. Prąd

przewodzenia złącza p-n zwiększa się wraz ze wzrostem strumienia świetlnego. Zewnętrzna

bateria zasilająca wytwarza w złączu polaryzację zaporową.

Matryca CCD (ang. Charge Coupled Device) - układ wielu elementów światłoczułych, z

których każdy rejestruje, a następnie pozwala odczytać sygnał elektryczny proporcjonalny do

ilości padającego na niego światła.

Konstrukcja matrycy została przeprowadzona głównie na użytek naukowy, zaś jej pierwsze

zastosowania obejmowały astronomię, a obecnie masowo wykorzystuje się matryce CCD o

coraz wyższej rozdzielczości w aparatach cyfrowych, gdzie otrzymane dane po przetworzeniu

przez jednostkę centralną aparatu mogą zostać zapisane w postaci plików graficznych.

Sensor CCD zamontowany w kamerze cyfrowej

CCD pod mikroskopem. Obraz 30x30um

AFM HR 5120 lines. CCD z Canon A75.

Aktynometry chemiczne

– układy chemiczne służący do wyznaczania liczby fotonów w wiązce

promieniowania – całkowo w danym przedziale czasu, bądź w jednostce czasu. Nazwę tę stosuje się

zwykle do pomiaru w nadfioletowym i widzialnym zakresie długości fal, np. jako chemiczny aktynometr

mogą być użyte roztwory szczawianu żelaza (III), tzw. aktynometr Parkera Hatcharda, aktynometr

szczawianowo-uranylowy, sól Reineckiego.

Aktynometr Parkera Hatcharda

Aktynometr szczawiowo-potasowo-żelazawy, K

3

Fe(C

2

O

4

)

3

⋅

H

2

O umożliwia pomiar natężenia światła

absorbowanego w UV i szerokim przedziale światła widzialnego (250-577 nm). Naświetlanie kwaśnych

roztworów tego aktynometru powoduje jednoczesną redukcję jonów Fe

3+

do Fe

2+

i utlenienie kwasu

szczawiowego (przeniesienie elektronu z ligandu do jonu centralnego). Kationy żelazowe Fe

3+

są słabym

utleniaczem, natomiast aniony szczawianowe C

2

O

4

2─

są słabym reduktorem. Właściwości redoks tych

reagentów są tak nikłe, że reakcja:

2Fe

3+

+ C

2

O

4

2─

→ 2Fe

2+

+ 2CO

2

nie zachodzi w zauważalnym stopniu nawet po ogrzaniu.

W stanie wzbudzonym jony żelazowe są silnym utleniaczem i reagują z anionami szczawianowymi dając

kationy żelazawe Fe

2+

. Ilość powstałych jonów żelaza(II) jest proporcjonalna do zaabsorbowanej dawki

światła; wydajność kwantowa zbliżona jest do jedności. Liczbę jonów żelazawych można określić

mierząc absorbancję czerwonego kompleksu powstałego po dodaniu 1,10-fenantroliny.

Fe

3+

(C

2

O

4

)

2-

h

ν→

Fe

2+

+ (C

2

O

4

)

-

(C

2

O

4

)

-

+ Fe

3+

(C

2

O

4

)

2-

→

2CO

2

+ Fe

2+

+ (C

2

O

4

)

2-

Szkodliwość promieniowania elektromagnetycznego z zakresu UV

Ultrafiolet (UV, promieniowanie ultrafioletowe, nadfiolet) to promieniowanie

elektromagnetyczne o długości fali krótszej niż światło widzialne i dłuższej niż

promieniowanie rentgenowskie. Oznacza to zakres długości od 100 nm do 380 nm. Słowo

"ultrafiolet" oznacza "powyżej fioletu" i utworzone jest z łacińskiego słowa "ultra" (ponad) i

słowa "fiolet" oznaczającego barwę o najmniejszej długości fali w świetle widzialnym.

Wyróżnia się dwa schematy podziału promieniowania ultrafioletowego na zakresy:

•

techniczny

o

daleki ultrafiolet - długość fali 100-200 nm

o

bliski ultrafiolet - długość fali 200-380 nm

•

ze względu na oddziaływanie na człowieka

o

UV-C - długość fali 200-280 nm

o

UV-B - długość fali 280-320 nm

o

UV-A - długość fali 320-380 nm

Słońce emituje ultrafiolet w zakresie UV-A, UV-B i UV-C, ale ziemska atmosfera pochłania

część tego promieniowania w warstwie ozonowej. W efekcie 99% ultrafioletu, który dociera

do powierzchni to UV-A. UV-C jest pochłaniane całkowicie przez atmosferę, z wyjątkiem

obszarów wysokogórskich.

Wpływ na zdrowie

Promieniowanie UV-A jest mniej szkodliwe niż inne zakresy, ale uszkadza włókna

kolagenowe w skórze, przyspiesza procesy starzenia. Długoletnia ekspozycja na duże dawki

promieniowania UV-A może powodować zaćmę (tzw. zaćma fotochemiczna), czyli

zmętnienie soczewki. UV-B, którego jest najwięcej, gdy słońce jest w zenicie, jest

odpowiedzialne za wytwarzanie witaminy D w skórze. Najbardziej energetyczne

promieniowanie UV-C jest najbardziej niebezpieczne dla ludzkiego organizmu. Może

powodować zapalenie rogówki oka, a długa ekspozycja na działanie UV-C zwiększa ryzyko

rozwoju nowotworów skóry - czerniaka, a także częstszych, choć mniej agresywnych guzów

jak nowotwory płaskonabłonkowy i podstawnokomórkowy.