Spectroscopy Systems
and
Spectroscopy Applications
Atomska fizika i spektroskopija Predavanje 5
Sadrzaj
� Reference
� Ciljevi
� Spektroskopija
� Sto je spektroskopija ?
� Osnove: opci principi i pojmovi
� Energija molekule
� Procesi
� Apsorpcija
� Emisija
� Rasprsenje
� Kratak pregled nekih vrsta (ne svih) spektroskopija
� Apsorpcijska spektroskopija
� Fluorescencijska spektroskopija
� Raman spektroskopija
Sadrzaj nast.
� Spektroskopska oprema
� Komponente
� Izvori
� Laseri
� Lampe (“broad band”)
� Spektrografi i resetke
� Vezanje
� Fizika opticke resetke
� difrakcija
� redovi
� ucinkovitost
� disperzija i razlucivost
� Detektori
� “Array detection” i CCD-ovi
Reference
� Spektroskopija
http://www.chem.vt.edu/chem-ed/spec/spectros.html
� Internet Journal of Vibrational Spectroscopy
http://www.ijvs.com/archive.html
� The Optics of Spectroscopy
http://www.jyinc.com/systems/theory/oos/oos.htm
� Oriel: TUTORIAL (pdf)
http://www.oriel.com/tech/tutori.htm
� Resetke
http://cord.org/cm/leot/course06_mod09/mod06_09.htm
� Ostali izvori
� http://www.spectroscopymag.com/
� http://directory.google.com/Top/Science/Chemistry/
Analytical/Instruments/
Primjeri biomedicinske spektroskopije
� Ne-invazivno promatranje glukoze
� Near-Infrared Absorption Spectroscopy
� http://www.rgmt.com/
� Fluorescence Spectroscopy
� http://www.argose.com/
� Raman Spectroscopy
� http://www.lightouchmedical.com/
� Pre-Cancer/Cancer detection
� Fluorescence Spectroscopy
� http://www.spectrx.com/
� http://www.medispectra.com/
� http://www.lifespex.com/
Ciljevi
� Uvod u spektroskopiju
� Sto je to?
� Energijski nivoi
� Osnovni procesi
� Vrste spektroskopija
� Pregled primjena
� Uvod u spektroskopsku opremu
� Koje su glavne komponente i koja je njihova
uloga ?
� Osnove fizike/optike u pozadini
� Osnovna razmatranja o sastavljanju opreme
Spectroscopy
� Definicija:
Proucavanje strukture i dinamike tvari putem njihovog
medudjelovanja s elektromagnetskim zracenjem.
� Valna duljina (energija) odreduju medudjelovanje
s tvarima
� Apsorpcija
� Emisija
� Rasprsenje
� Ova medudjelovanja su “probe” za dobivanje
informacija o uzorcima
� Kvantifikacija sastavnih dijelova
� Identifikacija (“spektralni potpis”)
� Dinamicke promjene u sastavu (kinetika reakcija, itd.)
Spectroscopy
� Definicija:
Proucavanje strukture i dinamike tvari
putem njihovog
medudjelovanja s elektromagnetskim
zracenjem.
� Valna duljina (energija) odreduju
medudjelovanje s tvarima
� Apsorpcija
� Emisija
� Rasprsenje
� Ova medudjelovanja su “probe”
za dobivanje informacija o
uzorcima
� Kvantifikacija sastavnih dijelova
� Identifikacija (“spektralni potpis”)
� Dinamicke promjene u sastavu
(kinetika reakcija, itd.)
Spectroscopy
� Definicija:
Proucavanje strukture i dinamike tvari
putem njihovog
medudjelovanja s elektromagnetskim
zracenjem.
� Valna duljina (energija) odreduju
medudjelovanje s tvarima
� Apsorpcija
� Emisija
� Rasprsenje
� Ova medudjelovanja su “probe”
za dobivanje informacija o
uzorcima
� Kvantifikacija sastavnih dijelova
� Identifikacija (“spektralni potpis”)
� Dinamicke promjene u sastavu
(kinetika reakcija, itd.)
Spectroscopy
� Definicija:
Proucavanje strukture i dinamike tvari
putem njihovog
medudjelovanja s elektromagnetskim
zracenjem.
� Valna duljina (energija) odreduju
medudjelovanje s tvarima
� Apsorpcija
� Emisija
� Rasprsenje
� Ova medudjelovanja su “probe”
za dobivanje informacija o
uzorcima
� Kvantifikacija sastavnih dijelova
� Identifikacija (“spektralni potpis”)
� Dinamicke promjene u sastavu
(kinetika reakcija, itd.)
Spectroscopy
� Definicija:
Proucavanje strukture i dinamike tvari
putem njihovog
medudjelovanja s elektromagnetskim
zracenjem.
� Valna duljina (energija) odreduju
medudjelovanje s tvarima
� Apsorpcija
� Emisija
� Rasprsenje
� Ova medudjelovanja su “probe”
za dobivanje informacija o
uzorcima
� Kvantifikacija sastavnih dijelova
� Identifikacija (“spektralni potpis”)
� Dinamicke promjene u sastavu
(kinetika reakcija, itd.)
Energija molekule
Emolecule =
Eelectronic + Evibrational + Erotational + Espin + Etranslational
Nas zanimaju:
� Eelectronic
� Evibrational
� Erotational
Energy of a Molecule (ubaciti slike!!!!!!!)
Eelectronic → 105 – 106 kJ/mol → UV-Vis
UV-Vis podrucje: 200 – 700 nm
Evibrational→ 10 – 40 kJ/mol → IR
Blizu IR (NIR): 800 – 2500 nm (5000 nm)
Srednji IR (MIR): 5000 nm – 25000 nm (5 µm – 25
µm)
Daleki IR (FIR): 25000 nm – 350000 nm
Erotational→ 10 kJ/mol → mikrovalovi
Mikrovalno podrucje: 10-3 – 1 m
Espin→ 10-3 J/mole → radiovalovi
Etranslational→ kontinuirani spektar
Energy of a Molecule (ubaciti slike!!!!!!!)
Eelectronic → 105 – 106 kJ/mol →
UV-Vis
UV-Vis podrucje: 200
– 700 nm
Evibrational→ 10 – 40 kJ/mol → IR
Blizu IR (NIR): 800 –
2500 nm (5000 nm)
Srednji IR (MIR):
5000 nm – 25000 nm
(5 µm – 25 µm)
Daleki IR (FIR):
25000 nm – 350000
nm
Erotational→ 10 kJ/mol →
mikrovalovi
Mikrovalno podrucje:
10-3 – 1 m
Espin→ 10-3 J/mole → radiovalovi
Etranslational→ kontinuirani spektar
Energy of a Molecule (ubaciti slike!!!!!!!)
Eelectronic → 105 – 106 kJ/mol →
UV-Vis
UV-Vis podrucje: 200
– 700 nm
Evibrational→ 10 – 40 kJ/mol → IR
Blizu IR (NIR): 800 –
2500 nm (5000 nm)
Srednji IR (MIR):
5000 nm – 25000 nm
(5 µm – 25 µm)
Daleki IR (FIR):
25000 nm – 350000
nm
Erotational→ 10 kJ/mol →
mikrovalovi
Mikrovalno podrucje:
10-3 – 1 m
Espin→ 10-3 J/mole → radiovalovi
Etranslational→ kontinuirani spektar
Energy of a Molecule (ubaciti slike!!!!!!!)
Eelectronic → 105 – 106 kJ/mol →
UV-Vis
UV-Vis podrucje: 200
– 700 nm
Evibrational→ 10 – 40 kJ/mol → IR
Blizu IR (NIR): 800 –
2500 nm (5000 nm)
Srednji IR (MIR):
5000 nm – 25000 nm
(5 µm – 25 µm)
Daleki IR (FIR):
25000 nm – 350000
nm
Erotational→ 10 kJ/mol →
mikrovalovi
Mikrovalno podrucje:
10-3 – 1 m
Espin→ 10-3 J/mole → radiovalovi
Etranslational→ kontinuirani spektar
Energija molekule (Jablonski diagram)
Procesi
(sto nam govori prethodna slika?)
� Apsorpcija: iz osnovnog u pobudeno stanje
� (10-15 s)
� Relaksacija: iz pobudenog u osnovno stanje
� Unutarnja konverzija (IC)
� relaksacija vibracijskih stanja bez zracenja (10-12 - 10-14
s)
� Emisija
� fluorescencija (spontana emisija: 10-10 - 10-8 s)
� fosforescencija (10-3 - 10-0 s)
� zahtjeva intersystem crossing (promjena elektronskog
spina)
� osnovno stanje – singlet
� pobudeno stanje – singlet
� promjena spina – triplet
� intersystem crossing
� potrebna jos jedna promjena spina kako bi prijelaz u
singletno osnovno stanje bilo moguce
Fluorescencija, fosforescencija i
“intersystem crossing”
� Opcenito, elektroni u molekulama su spareni –
po dva u svaki orbital
� Osnovno stanje vecine molekula je singletno
� rezultat dozvoljenih apsorpcija je, takoder,
singletno stanje, jer je promjena spina elektrona,
tehnicki, “zabranjen” proces
� “zabranjen” treba shvatiti u smislu vjerojatnosti, a
ne apsolutno
� fotoni ne nose spin
� Pobudenjem elektron prelazi u prazni orbital,
cime se oslobada nuznosti sparenih spinova
Fluorescencija, fosforescencija i
“intersystem crossing”
� Struktura se moze relaksirati direktno u osnovno
stanje
� fluorescencija
� Moguc je, medutim, ISC, koji dopusta
pobudenom singletnom stanju da prijede u
odgovarajuce pobudeno tripletno stanje
� pobudeno elektronsko stanje moze biti ili singletno (svi
spinovi spareni) ili tripletno (dva spina nesparena)
� IC se dogada bez zracenja (sudari, toplina)
� jednom u tripletnom stanju, vracanje u osnovno
singletno stanje je “zabranjeno” (opet u smislu
vjerojatnosti)
� zbog toga, molekula ostaje u tripletnom stanju zantno
duze nego inace. Kada se emisija konacno dogodi,
naziva se fosforescencija
Apsorpcijska spektroskopija
� Ako se mjeri u UV-Vis
(optickom) dijelu emg
spektra
� Apsorpcija: prijelaz iz
nizeg u vise stanje s
prijenosom energije od
polja zracenja k
apsorberu (molekuli)
� ukljucuje prijelaze
izmedu elektronskih
stanja
� spektar atoma ili
molekule ovisi o strukturi
energijskih nivoa, sto
apsorpcijske spektre cini
korisnima za identifikaciju
sastava
� Mjerenje koncentracije
apsorbera u uzorku se
postize primjenom Beer-
Lambertovog zakona
Credit: NASA, Bernard Schmitt, and UKIRT.
