Резонансная рамановская спектроскопия - Resonance Raman spectroscopy

Резонансная рамановская спектроскопия ( RR-спектроскопия ) - это метод рамановской спектроскопии , в котором энергия падающего фотона близка по энергии к электронному переходу исследуемого соединения или материала. Частотное совпадение (или резонанс ) может привести к значительному увеличению интенсивности комбинационного рассеяния света , что облегчает изучение химических соединений, присутствующих в низких концентрациях.

Рамановское рассеяние обычно очень слабое, поскольку только около 1 из 10 миллионов фотонов, попадающих в образец, рассеиваются с потерей ( стоксов ) или усилением (антистоксов) энергии из-за изменений колебательной энергии молекул в образце; остальные фотоны рассеиваются без изменения энергии. Резонансное усиление комбинационного рассеяния света требует, чтобы длина падающей волны (обычно от лазера ) была близка к длине волны электронного перехода молекул. В более крупных молекулах изменение электронной плотности может в значительной степени ограничиваться одной частью молекулы , хромофором , и в этих случаях полосы комбинационного рассеяния света, которые усиливаются, в основном относятся к тем частям молекулы, в которых электронный переход приводит к изменению длина связи или силовая константа в возбужденном состоянии хромофора . Для больших молекул, таких как белки , эта селективность помогает идентифицировать наблюдаемые полосы как происходящие от колебательных мод определенных частей молекулы или белка , таких как гемовая единица в миоглобине .

Обзор

Рамановская спектроскопия и спектроскопия RR дают информацию о колебаниях молекул , а также могут использоваться для идентификации неизвестных веществ. RR-спектроскопия нашла широкое применение для анализа биоинорганических молекул. Этот метод измеряет энергию, необходимую для изменения колебательного состояния молекулы, как и инфракрасная (ИК) спектроскопия . Механизм и правила выбора различны в каждом методе, однако положения полос идентичны, и поэтому оба метода предоставляют дополнительную информацию.

Инфракрасная спектроскопия включает измерение прямого поглощения фотонов с соответствующей энергией для возбуждения мод колебаний молекулярных связей и фононов. На длинах волн этих фотонов лежат в инфракрасной области спектра , отсюда и название метода. Рамановская спектроскопия измеряет возбуждение колебаний связей посредством процесса неупругого рассеяния , при котором падающие фотоны более энергичны (обычно в видимой, ультрафиолетовой или даже рентгеновской областях) и теряют (или усиливают в случае антистоксова комбинационного рассеяния света) ) только часть их энергии к образцу. Эти два метода дополняют друг друга, поскольку некоторые колебательные переходы, наблюдаемые в ИК-спектроскопии, не наблюдаются в спектроскопии комбинационного рассеяния, и наоборот. RR- спектроскопия является расширением традиционной рамановской спектроскопии, которая может обеспечить повышенную чувствительность к специфическим (окрашенным) соединениям, которые присутствуют в низких концентрациях (от микромолярных до миллимолярных) в сложной смеси соединений.

Преимущество резонансной рамановской спектроскопии перед (нормальной) рамановской спектроскопией состоит в том, что интенсивность полос может быть увеличена на несколько порядков. Приложение, которое иллюстрирует это преимущество, - это изучение дикислородной единицы в цитохром с оксидазе . Идентификация полосы , связанной с O-O - валентного колебания была подтверждена с помощью ¹⁸ - O- ¹⁶ O и ¹⁶ O - ¹⁶ O изотопологов .

Основная теория

Рэлеевское рассеяние, стоксовское комбинационное рассеяние света и антистоксово комбинационное рассеяние света

Частоты молекулярных колебаний колеблются от менее 10 ¹² до приблизительно 10 ¹⁴ Гц. Эти частоты соответствуют излучению в инфракрасной (ИК) области электромагнитного спектра . В любой момент каждая молекула в образце имеет определенное количество колебательной энергии. Однако количество колебательной энергии молекулы постоянно изменяется из-за столкновений и других взаимодействий с другими молекулами в образце.

При комнатной температуре большинство молекул находятся в состоянии с наименьшей энергией, известном как основное состояние . Некоторые молекулы находятся в более высоких энергетических состояниях, известных как возбужденные состояния . Долю молекул, занимающих данную колебательную моду при данной температуре, можно рассчитать с помощью распределения Больцмана . Выполнение такого расчета показывает, что для относительно низких температур (таких, как те, которые используются в большинстве рутинных спектроскопических исследований), большинство молекул находятся в основном колебательном состоянии (за исключением низкочастотных мод). Такая молекула может быть возбуждена до более высокой колебательной моды посредством прямого поглощения фотона соответствующей энергии. Это механизм, с помощью которого работает ИК-спектроскопия: инфракрасное излучение проходит через образец, и интенсивность прошедшего света сравнивается с интенсивностью падающего света. Снижение интенсивности на данной длине волны света указывает на поглощение энергии колебательным переходом. Энергия, , из фотона является ${\ displaystyle E}$

${\ Displaystyle Е = ч \ ню}$

где находится постоянная Планка и является частотой от излучения . Таким образом, энергия, необходимая для такого перехода, может быть вычислена, если известна частота падающего излучения. ${\ displaystyle h}$${\ displaystyle \ nu}$

Также возможно наблюдать молекулярные колебания с помощью процесса неупругого рассеяния , одним из таких процессов является стоксово комбинационное рассеяние света. Фотон поглощается, а затем повторно излучается (рассеивается) с меньшей энергией. Разница в энергии между поглощенными и повторно испускаемыми фотонами соответствует энергии, необходимой для возбуждения молекулы в более высокую колебательную моду. Антистоксово комбинационное рассеяние света - это еще один процесс неупругого рассеяния, возникающий только у молекул, находящихся в возбужденных колебательных состояниях; в результате свет рассеивается с более высокой энергией. Упругое рассеяние света (отсутствие изменения энергии между входящими фотонами и повторно испускаемыми / рассеянными фотонами) известно как рассеяние Рэлея .

Как правило, разница в энергии регистрируется как разница в волновом числе ( ) между лазерным светом и рассеянным светом, которая известна как рамановский сдвиг. Спектр комбинационного рассеяния создается путем построения графика зависимости интенсивности рассеянного света от . ${\ displaystyle \ Delta {\ bar {\ nu}}}$${\ displaystyle \ Delta {\ bar {\ nu}}}$

Как и инфракрасная спектроскопия, рамановскую спектроскопию можно использовать для идентификации химических соединений, поскольку значения указывают на различные химические соединения (их так называемые химические отпечатки пальцев). Это связано с тем, что частоты колебательных переходов зависят от атомных масс и прочности связи. Таким образом, вооружившись базой данных спектров известных соединений, можно однозначно идентифицировать множество различных известных химических соединений на основе спектра комбинационного рассеяния. Количество колебательных мод масштабируется с количеством атомов в молекуле, что означает, что спектры комбинационного рассеяния для больших молекул усложняются. Например, белки обычно содержат тысячи атомов и, следовательно, имеют тысячи мод колебаний. Если эти моды имеют одинаковую энергию ( ), то спектр может быть невероятно загроможденным и сложным. ${\ displaystyle \ Delta {\ bar {\ nu}}}$${\ displaystyle \ Delta {\ bar {\ nu}}}$

Не все колебательные переходы являются комбинационно-активными , что означает, что некоторые колебательные переходы не появляются в рамановском спектре. Это происходит из-за правил спектроскопического отбора для спектров комбинационного рассеяния. В отличие от ИК-спектроскопии, где переход можно увидеть только тогда, когда это конкретное колебание вызывает чистое изменение дипольного момента молекулы, в спектроскопии комбинационного рассеяния можно наблюдать только переходы, при которых поляризуемость молекулы изменяется вдоль колебательной координаты. Это фундаментальное различие в способах доступа к колебательным переходам в ИК- и рамановской спектроскопии. В рамановской спектроскопии входящий фотон вызывает мгновенное искажение распределения электронов вокруг связи в молекуле с последующим повторным испусканием излучения, когда связь возвращается в нормальное состояние. Это вызывает временную поляризацию связи и индуцированный диполь, который исчезает при релаксации. В молекуле с центром симметрии изменение диполя достигается за счет потери центра симметрии, в то время как изменение поляризуемости совместимо с сохранением центра симметрии. Таким образом, в центросимметричной молекуле асимметричное растяжение и изгибание активны в ИК-диапазоне, а комбинационное изгибание - неактивно, в то время как симметричное растяжение и изгибание является активным в отношении комбинационного рассеяния, а ИК-неактивным. Следовательно, в центросимметричной молекуле ИК и рамановская спектроскопия исключают друг друга . Для молекул без центра симметрии каждая колебательная мода может быть ИК-активной, рамановской, обеими или ни одной из них. Однако симметричные растяжки и изгибы, как правило, активны в рамановском режиме.

Теория резонансного комбинационного рассеяния света

В резонансной рамановской спектроскопии длина волны входящих фотонов совпадает с электронным переходом молекулы или материала. Электронное возбуждение молекулы приводит к структурным изменениям, которые отражаются в усилении комбинационного рассеяния света определенных колебательных мод. Колебательные моды, которые претерпевают изменение длины связи и / или силовой постоянной во время электронного возбуждения, могут показывать большое увеличение поляризуемости и, следовательно, интенсивности комбинационного рассеяния. Это известно как правило Цубои, которое дает качественную взаимосвязь между природой электронного перехода и картиной усиления в резонансной рамановской спектроскопии. Фактор усиления может составлять от 10 до> 100 000 и наиболее заметен в случае переходов π-π * и наименее - для металлоцентрированных (d – d) переходов .

Есть два основных метода, используемых для количественной оценки резонансного рамановского усиления. Это теория преобразований, разработанная Альбрехтом, и теория зависимости от времени, разработанная Геллером .

Приложения

Избирательное усиление рамановского рассеяния от определенных мод в условиях резонанса означает, что резонансная спектроскопия комбинационного рассеяния особенно полезна для больших биомолекул с хромофорами, встроенными в их структуру. В таких хромофорах резонансное рассеяние от электронных переходов с переносом заряда (СТ) металлического комплекса обычно приводит к усилению мод растяжения металл- лиганд , а также некоторых мод, связанных только с лигандами. Следовательно, в биомолекуле, такой как гемоглобин , настройка лазера на близкий к электронному переходу с переносом заряда центра железа приводит к спектру, отражающему только режимы растяжения и изгиба, связанные с группой тетрапиррол- железо. Следовательно, в молекуле с тысячами колебательных мод спектроскопия RR позволяет нам одновременно рассматривать относительно небольшое количество колебательных мод. Рамановский спектр белка, содержащего, возможно, сотни пептидных связей, но только одна молекула порфирина, может показывать только колебания, связанные с порфирином. Это снижает сложность спектра и позволяет легче идентифицировать неизвестный белок. Кроме того, если белок имеет более одного хромофора, разные хромофоры можно изучать индивидуально, если их CT-полосы различаются по энергии. Помимо идентификации соединений, в некоторых случаях RR-спектроскопия может также предоставить структурную идентификацию хромофоров.

Основным преимуществом спектроскопии RR перед нерезонансной спектроскопией комбинационного рассеяния является значительное увеличение интенсивности рассматриваемых полос (в 10 ^{6 раз} ). Это позволяет получать спектры RR при концентрациях образцов всего лишь ^10-8 М. Это также дает возможность записывать спектры комбинационного рассеяния короткоживущих видов возбужденных состояний при использовании импульсных лазеров . Это резко контрастирует с нерезонансными рамановскими спектрами, для которых обычно требуются концентрации более 0,01 М. Спектры RR обычно показывают меньше полос, чем нерезонансный рамановский спектр соединения, и усиление, наблюдаемое для каждой полосы, может варьироваться в зависимости от электронного переходы, с которыми лазер резонирует. Поскольку обычно спектроскопию RR получают с помощью лазеров с длинами волн видимого и ближнего УФ-диапазона, на спектры с большей вероятностью будет влиять флуоресценция. Кроме того, может происходить фотодеградация (фотообесцвечивание) и нагрев образца, поскольку образец также поглощает возбуждающий свет, рассеивая энергию в виде тепла.

Приборы

Рамановский микроскоп

Аппаратура, используемая для резонансной рамановской спектроскопии, идентична той, что используется для рамановской спектроскопии; в частности, высокомонохроматический источник света (лазер) с длиной волны излучения в ближней инфракрасной, видимой или ближней ультрафиолетовой областях спектра. Поскольку энергия электронных переходов (то есть цвет) широко варьируется от соединения к соединению, лазеры с перестраиваемой длиной волны , появившиеся в начале 1970-х годов, полезны, поскольку их можно настроить так, чтобы они совпадали с электронным переходом (резонансом). Однако широкий спектр электронных переходов означает, что могут потребоваться многие длины волн лазера, и обычно используются многолинейные лазеры (на ионах аргона и криптона ). Существенным моментом является то, что длина волны лазерного излучения совпадает с электронной полосой поглощения интересующего соединения. Полученные спектры также содержат нерезонансное комбинационное рассеяние света матрицы (например, растворителя).

Работа с образцами в рамановской спектроскопии дает значительные преимущества перед ИК-Фурье-спектроскопией, поскольку стекло можно использовать для окон, линз и других оптических компонентов. Еще одно преимущество заключается в том, что, хотя вода сильно поглощает в инфракрасной области, что ограничивает длину пути, которую можно использовать и маскирует большую область спектра, интенсивность комбинационного рассеяния света от воды обычно мала, и прямое поглощение мешает только тогда, когда лазеры ближнего инфракрасного диапазона (например, 1064 нм). Следовательно, вода - идеальный растворитель. Однако, поскольку лазер фокусируется на относительно небольшой размер пятна, может происходить быстрый нагрев образцов. Однако при регистрации резонансных рамановских спектров нагрев и фотообесцвечивание образца могут вызвать повреждение и изменение полученного рамановского спектра. Кроме того, если оптическая плотность образца высока (> OD 2) в диапазоне длин волн, в котором регистрируется спектр комбинационного рассеяния, тогда эффекты внутреннего фильтра (повторное поглощение рамановского рассеяния образцом) могут резко снизить интенсивность сигнала. Обычно образец помещается в трубку, которую затем можно вращать, чтобы уменьшить воздействие лазерного света на образец и уменьшить эффекты фотодеградации. Газообразные , жидкие и твердые образцы можно анализировать с помощью RR-спектроскопии.

Хотя рассеянный свет покидает образец во всех направлениях, сбор рассеянного света достигается только под относительно небольшим телесным углом линзой и направляется на спектрограф и детектор CCD. Луч лазера может располагаться под любым углом по отношению к оптической оси, используемой для сбора рамановского рассеяния. В системах со свободным пространством путь лазера обычно находится под углом 180 ° или 135 ° (так называемое устройство обратного рассеяния). Расположение на 180 ° обычно используется в микроскопах и оптоволоконных рамановских датчиках. В других случаях лазер проходит под углом 90 ° к оптической оси. Реже используются углы обнаружения 90 ° и 0 °.

Собранное рассеянное излучение фокусируется в спектрографе , в котором свет сначала коллимируется, а затем рассеивается дифракционной решеткой и перефокусируется на камеру CCD . Весь спектр записывается одновременно, и за короткий промежуток времени можно получить несколько сканирований, что может увеличить отношение сигнал / шум спектра за счет усреднения. Использование этого (или эквивалентного) оборудования и следование соответствующему протоколу может обеспечить повторяемость более 10% абсолютных измерений скорости комбинационного рассеяния света. Это может быть полезно с резонансным комбинационным рассеиванием для точного определения оптических переходов в структурах с сильными особенностями Ван Хова .

Резонансная гипер-рамановская спектроскопия

Резонансная гипер-рамановская спектроскопия - это разновидность резонансной рамановской спектроскопии, цель которой состоит в том, чтобы добиться возбуждения определенного энергетического уровня в целевой молекуле образца с помощью явления, известного как двухфотонное поглощение . При двухфотонном поглощении в молекулу одновременно поглощаются два фотона. Когда эта молекула релаксирует из возбужденного состояния в основное состояние, испускается только один фотон. Это разновидность флуоресценции.

В резонансной рамановской спектроскопии определенные части молекул могут быть нацелены, регулируя длину волны падающего лазерного луча в соответствии с «цветом» (энергией между двумя желаемыми квантовыми уровнями электронов) исследуемой части молекулы. Это известно как резонансная флуоресценция, отсюда и добавление термина «резонанс» к названию «спектроскопия комбинационного рассеяния». Некоторые возбужденные состояния могут быть достигнуты посредством одно- или двухфотонного поглощения. В этих случаях, однако, использование возбуждения двойным фотоном может быть использовано для получения большей информации об этих возбужденных состояниях, чем при поглощении одиночного фотона. Есть некоторые ограничения и последствия как для резонансной рамановской спектроскопии, так и для резонансной гипер-рамановской спектроскопии.

Как в резонансной рамановской спектроскопии, так и в резонансной гипер-рамановской спектроскопии используется перестраиваемый лазер. Длину волны перестраиваемого лазера оператор может отрегулировать в соответствии с длинами волн в определенном диапазоне. Однако этот частотный диапазон зависит от конструкции лазера. Поэтому обычная резонансная спектроскопия комбинационного рассеяния чувствительна только к энергетическим переходам электронов, которые совпадают с таковыми в лазере, используемом в эксперименте. Молекулярные части, которые могут быть изучены с помощью нормальной резонансной рамановской спектроскопии, поэтому ограничены теми связями, которые имеют «цвет», который вписывается где-то в спектр «цветов», на который может быть настроен лазер, используемый в этом конкретном устройстве. С другой стороны, резонансная гипер-рамановская спектроскопия может возбуждать атомы, чтобы излучать свет с длинами волн вне диапазона настройки лазера, тем самым расширяя диапазон возможных компонентов молекулы, которые могут быть возбуждены и, следовательно, изучены.

Резонансная гипер-рамановская спектроскопия - один из видов «нелинейной» рамановской спектроскопии. В линейной рамановской спектроскопии количество энергии, которое идет на возбуждение атома, равно количеству энергии, которое покидает электронное облако этого атома, когда излучается фотон, и электронное облако возвращается в свое основное состояние. Термин «нелинейный» означает уменьшенную энергию выбросов по сравнению с потребляемой энергией. Другими словами, энергия, поступающая в систему, больше не соответствует энергии вне системы. Это связано с тем, что вклад энергии в гипер-рамановской спектроскопии намного больше, чем в типичной рамановской спектроскопии. Нелинейная рамановская спектроскопия имеет тенденцию быть более чувствительной, чем обычная рамановская спектроскопия. Кроме того, он может значительно уменьшить или даже устранить эффекты флуоресценции.

Рентгеновское комбинационное рассеяние

В рентгеновской области доступно достаточно энергии для осуществления электронных переходов . В резонансах на уровне ядра, комбинационное рассеяние рентгеновских лучей может стать доминирующей частью спектра рентгеновской флуоресценции . Это связано с резонансным поведением формулы Крамерса-Гейзенберга, в которой знаменатель минимизирован для падающих энергий, равных остовному уровню. Этот тип рассеяния также известен как резонансное неупругое рассеяние рентгеновских лучей (RIXS). Было показано , что в мягком рентгеновском диапазоне RIXS отражает возбуждения кристаллического поля , которые часто трудно наблюдать с помощью любой другой техники. Применение RIXS к сильно коррелированным материалам имеет особое значение для получения знаний об их электронной структуре . Для некоторых широкополосных материалов, таких как графит , было показано, что RIXS (почти) сохраняет импульс кристалла и, таким образом, нашел применение в качестве дополнительного метода построения диаграмм .

Смотрите также

• Рассеяние
• Рамановская спектроскопия с усилением наконечника
• Вибронная спектроскопия
• Коэффициент деполяризации

Рекомендации

дальнейшее чтение

Внешние ссылки

• http://chemwiki.ucdavis.edu/Physical_Chemistry/Spectroscopy/Vibrational_Spectroscopy/Raman_Spectroscopy/Raman%3A_Interpretation
• http://www.horiba.com/us/en/scientific/products/Raman-spectroscopy/Raman-academy/Raman-faqs/what-is-polarised-Raman-spectroscopy/
• Келли AM "Резонансная гипер-рамановская спектроскопия" . Калифорнийский университет в Мерседе.