Спектроскопия комбинационного рассеяния

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Южно-Уральский государственный университет»

Национальный исследовательский университет

Институт естественных и технических наук

Факультет «Физический»

Кафедра «Оптоинформатика»

Реферат по дисциплине «Прикладные физико-технические и компьютерные методы исследования»

По теме: «Спектроскопия комбинационного рассеяния»

Выполнил: Ивченко И.Д.

студент группы ЕТ- 351

Челябинск 2020

Введение

Рамановская спектроскопия (спектроскопия комбинационного рассеяния) представляет собой молекулярную спектроскопию для наблюдения за неупруго рассеянным светом и позволяет идентифицировать вибрационные состояния (фононы) молекул. Поэтому рамановская (КР) спектроскопия является бесценным аналитическим инструментом для получения характерных для молекул спектров и контроля изменений в молекулярной структуре связей (например, изменений состояний и нагрузок).

По сравнению с другими методами вибрационной спектроскопии, например, ИК-Фурье и спектроскопии ближнего ИК, спектроскопия комбинационного рассеяния имеет ряд преимуществ. Они являются следствием того, что рамановский эффект наблюдается в рассеянном свете от образца, а не в спектре поглощения образцом света. Поэтому рамановская спектроскопия не требует специальной подготовки образца и нечувствительна к полосам поглощения. Это свойство рамановской (КР) спектроскопии облегчает процесс непосредственного измерения в твердых, жидких и газообразных средах, а также измерения через прозрачные материалы, например, стекло, кварц, пластмассу.

1. Теория рамановского рассеяния

При рассмотрении рамановского рассеяния можно воспользоваться двумя методами, а именно, волновой теорией света или квантовой теорией.

В классической (волновой) интерпретации свет рассматривается как электромагнитное излучение, которое создает изменяемое электромагнитное поле, взаимодействующее с молекулами через эффект поляризации. Поляризуемость определяется способностью электронного облака взаимодействовать с электрическим полем. Например, легкие молекулы, скажем, бензин, легко рассеивают рамановский свет, а более тяжелые молекулы, например, вода, рассеивают его хуже.

В квантовой теории свет рассматривается в виде фотонов, которые, ударяясь о молекулу, рассеиваются. Количество рассеянных фотонов пропорционально размеру связей. Например, молекулы с сильными связями, бензин, рассеивают большое количество фотонов, а вода, имеющая слабые связи, обладает низким рамановским рассеянием.

Происхождение рамановского эффекта довольно легко интерпретировать с помощью классической теории при рассмотрении двухатомной молекулы в виде «масс и пружины» (см. рис. 1), где m - представляет собой атомную массу, x - смещение, K - прочность связи.

Рис.1 Представление двухатомной молекулы как осциллятора

При таком подходе смещение молекулы можно описать законом Гука по формуле:

Используя замену приведенной массы (m1m2/[m1+m2]) на µ и полное смещение (x1+x2) на q, уравнение преобразуется к виду:

Решение данного уравнения относительно q, имеет вид:

Отсюда становится очевидно, что молекулы колеблется по гармоническому закону с частотой, пропорциональной силе связи и обратно пропорциональной массе. Каждая молекула имеет свою собственную частоту колебаний, которая зависит не только от атомов молекулы, но также и от имеющихся в ней связей. С помощью рамановского эффекта эти частоты колебаний можно измерить с учетом поляризации молекулы б, которая представляет собой функцию от смещения q. Когда падающий свет взаимодействует с молекулой, он индуцирует дипольный момент P. Это можно выразить следующим образом:

где Eo представляет собой интенсивность, нo - частота электрического поля. С помощью аппроксимации амплитуды поляризуемость можно описать как линейную функцию смещения:

Подставив в данное выражение q получим:

В этом уравнении наблюдается два результирующих эффекта, которые проистекают из взаимодействия молекулы и света. Первый компонент называется рассеянием Рэлея, он доминирует и не меняет частоту света. Второй компонент - рамановское рассеяние Обычно спектры КР представляют как зависимость интенсивности сигнала от частотного сдвига, Дн [см^?1], а не длины волны. В этом случае спектры не зависят от выбора лазера и их можно сравнивать.:

Из этого выражения видно, что комбинационное рассеяние имеет две компоненты. Рост частоты известен как антистоксов сдвиг, а снижение частоты как стоксов сдвиг. Измеряя изменение частоты падающего света (обычно используется только стоксов сдвиг), рамановский эффект дает значение частоты вибрации молекулярной связи.

На рис. 2 S₀ и S₁ -- основной и первый возбужденный электронные уровни со структурой колебательных подуровней. Серой пунктирной линией обозначен виртуальный подуровень (в случае, если энергии кванта не хватает для перехода на существующий подуровень).

1 -- Поглощение инфракрасного (ИК)-кванта приводит к переходу молекулы на новый колебательный подуровень Стоит заметить, что колебательные состояния, исследуемые в КР спектроскопии, являются такими же, что и в ИК спектроскопии. Однако колебания, которые сильно проявляются в ИК спектре обычно слабо проявляются в КР спектре и наоборот. Таким образом, КР и ИК спектроскопия -- это взаимно дополняющие методы, хотя ИК спектроскопия -- это по сути спектроскопия поглощения, а КР -- рассеяния света..

Рис.2 Схема переходов между колебательными подуровнями и электронными уровнями молекулы.

2 -- Стоксово КР наблюдается в случае, если молекула находится в невозбужденном состоянии и при взаимодействии со светом переходит на более высокий колебательный подуровень. Энергия рассеянного света при этом меньше энергии возбуждающего света (зеленый > оранжевый).

3 -- Рэлевское рассеяние, не приводящее к изменению энергии (и соответственно, длины волны) возбуждающего света.

4 -- Антистоксово КР наблюдается в случае, если молекула находится в возбужденном состоянии и при взаимодействии со светом переходит на нижний колебательный подуровень. В этом случае энергия рассеянного света будет больше энергии возбуждающего света (зеленый > синий). Происходит гораздо реже стоксового из-за разности в заселённости уровней.

5 -- Флуоресценция: квант света вызывает электронно-колебательный переход, после чего наблюдается релаксация (бордовая фигурная стрелка) и испускание света с меньшей энергией (синий > красный).

2. Применение спектроскопии КР

Благодаря индивидуальности рамановского спектра для каждого вида межатомной связи и каждого атома становится возможным определять состав и строение веществ.

На рис.3 показан пример с пятью похожими молекулами - ацетоном, этанолом, диметилсульфоксидом, этилацетатом и толуолом. Несмотря на то, что каждый химический элемент имеет подобную молекулярную структуру, их рамановский спектр весьма различен, это видно даже невооруженным взглядом. С помощью справочника рамановских спектров можно без труда определить материал.

Рис. 3. Рамановские спектры ацетона, этанола, диметилсульфоксида, этилацетата и толуола.

Помимо этого рамановская спектрометрия является экспрессным (1 - 2 с) и неразрушающим аналитическим методом идентификации и контроля качества лекарственных средств.

К преимуществам спектрометрии комбинационного рассеяния следует отнести: возможность бесконтактного анализа твердых, жидких и газообразных веществ; метод не требует большого количества вещества (около 50 мг); анализ проводится без разрушения образца; кроме того, метод позволяет анализировать вещества в стеклянной и пластиковой упаковке.

Рамановская спектрометрия может быть использована для анализа таких физических свойств, как кристалличность, фазовые переходы и полиморфные состояния.

Благодаря этому данный вид спектроскопии получил широкое использование в:

Биологической и медицинской диагностике:

- Обнаружение скрытых изменений в молекулах, в том числе химическое взаимодействие препаратов, восстановление тканей, паталогоанатомия.

- Межклеточная SERS локализация и взаимодействие, анализ влияния препаратов на клетки, анализ взаимодействия клеток.

- Исследование микроорганизмов в клетках; классификация дрожжевых клеток, единичных бактерий.

- Выявление раковых заболеваний на молекулярном уровне (шейный, легочный и др.).

- Кардиологическая диагностика (атеросклероз сосудов).

Фармацевтике:

- Анализ таблеток, растворов и гелей.

- Методы тщательной сортировки и проверки высокой производительности.

- Кристаллизация, определение момента завершения процесса.

- Технология постоянного анализа процессов (PAT), контроль на линии и управление: контроль процессов сушки, покрытия оболочкой, смешивания препаратов.

- Идентификация и анализ API, присадок и наполнителей.

- Контроль состояния лекарств: чистота и качество.

- Проверка сырья: 100% идентификация и проверка входных материалов.

Микроскопия:

- Анализ веществ: молекулярный и микроанализ образцов, представляющих собой сложные смеси, например, бета-каротина в мультивитаминах.

- Тонкопленочный анализ в материаловедении, в том числе характеристика качества алмазной пленки.

- Судебная экспертиза волокон, тканей, пигментов, пятен и др.

Полимерные и химические процессы:

- Контроль качества на входе и выходе.

- Выявление загрязняющих веществ на производстве.

- Контроль процесса полимеризации.

- Прогноз морфологических свойств полимеров.

- Многовариантный анализ/хемометрия для прогноза физических свойств: температура стеклования, температура кристаллизации и др.

- Анализ химического состава.

Изучение окружающей среды:

- Определение загрязнений по технологии SERS.

- Обнаружение загрязнителей в воде.

- Идентификация и анализ осадка в воде.

Геология и минералогия:

- Идентификация геологических материалов.

- Оценка включений в минералах.

- Анализ цементного шлака рамановским методом.

- Анализ древних артефактов.

- Идентификация и проверка драгоценных камней неразрушающим методом.

- Идентификация изоморфного соединения и подвида драгоценных камней.

- Анализ происхождения драгоценного камня рамановским методом.

- Контроль подделок, например, выявление «алмазов», выполненных из циркония.

Сельскохозяйственная и пищевая промышленности:

- Измерение нерастворимых жировых кислот в маслах.

- Обнаружение бактерий и загрязнений в пищевых продуктах.

- Анализ компонентов в зерне.

Производство полупроводников:

- Характеристика силиконовой кристаллизации: контроль рамановским методом изменений в кристаллах от аморфной до поликристаллической структуры.

- Анализ микрочастиц для получения информации о потенциальном загрязнении.

- Контроль механической нагрузки в полупроводниках.

рамановский поляризуемость электронный спектроскопия

Список литературы

1. Беккер Ю. Спектроскопия. Москва: Техносфера, 2009.

2. Пентин Ю.А., Вилков Л.В. Физические методы исследования в химии. Москва: Мир, 2003.

3. Derek A. Long The Raman Effect, John Wiley & Sons Ltd (2002).

4. Гавриленко Л.В., Дубинов А.А., Романов Ю.А. Комбинационное рассеяние света в твердых телах (Электронное методическое пособие), Нижний Новгород , 2010.

Размещено на Allbest.ru