(absorbiertes Licht)

Methoden der Strukturanalyse: Optische Spektroskopie (IR, VIS, UV) László Smeller

Einfallendes Licht

durchdringendes Licht Probe

emittiertes Licht Lumineszenzspektroskopie (Fluoreszenz- und Phosphoreszenzspektroskopie)

Absorption und Emissionsspektroskopie • Analyse des durchdringenden bzw. emittierten Lichtes als Funktion der Információ: – Identifizierung der Atome und Moleküle, – Detektierung der Konformationsänderungen der Moleküle – Konzentrationsbestimmung

Absorptionsspektroskopie UV-VIS, IR

gestreutes Licht Raman und Rayleigh Streuung

Was passiert in einem Atom oder Molekül, bei der Absorption eines Lichtquants? Energieübergänge: Jablonski diagram E

Angeregtes Elektron- und Vibrationszustand* Angeregtes Elektronzustand

S1

Angeregtes Vibrationszustand* Grundzustand S0 *nur bei Molekülen!

Was passiert in einem Atom oder Molekül, bei der Absorption eines Lichtquants?

Absorptionsspektroskopie (UV-VIS) Zur Erinnerung: • Absorptionsgesetz: J=J0·e-μx wo: μ(Stoff,c,λ) • Lambert-Beer Gesetz:

E

S1

A = lg T1

ΔE=hf=hc/λ

S0 UV-VIS IR Absorption

Raman

Fluoreszenz

Phosphoreszenz

Infrarotspektroskopie • Infrarotes Licht: λ=800 nm - 1 mm Mittleres Infrarot: 2,5-50 μm • Absorptionsspektroskopie • Das absorbiertes Licht induziert Molekülschwingungen • Das Spektrum ist besonders empfindlich für die Molekülstruktur • spezielle Detektierungstechnik: Fourier Transform-Spektrometer

J0 = ε (λ )cx J

• Spektrum: A(λ) • Messung mit einem Spektrophotometer (Aufbau: siehe Praktikum) Referenzlösung (J0) • Information: - Identifizierung, - Konzentrationsbestimmung.

Molekülschwingungen Die Bewegungen von Elektronen und von Atomkerne können getrennt behandelt werden. (Born-Oppenheimer Annäherung.) In der klassischen Physik wird die Wechselwirkung zwischen der Atomkerne mit einer Feder beschrieben.

Molekülschwingungen: Einfachstes Beispiel: Zweiatomiges Molekül

Aus der früheren Physikstudien:

f =

1 2π

D2 m2

m2

Schwerpunkt

Abstand der Atomkerne

ℓ1

m2 l 1 Δl 1 = = m1 l 2 Δl 2

ℓ2

D2 F/ D = = D F / D2 Schwerpunkt

=

F = DΔl

=> m1 + m2 = D2 , eingesetzt in m1

D

f =

1 2π

D2 m2

die Schwingungsfrekvenz: f = Schwerpunkt

m red

1 2π

D(m1 + m2 ) m1m2

m1m 2 = ist als reduzierte Masse genannt m1 + m 2 f=

1 D 2π m red

Δl l l1 + l 2 m1 + m 2 = = = Δl 2 l 2 l2 m1

Die Wellenlänge:

λ=

c m red = 2 πc f D

Statt Wellenlänge verwendet man in IR Spektroskopie die Wellenzahl ν. Die Wellenzahl ist der Kehrwert der Wellenlänge.

ν=

1

λ

=

D 1 2πc mred

ν: [m-1, cm-1]

Beispiel: CO gemessene Wellenzahl: ν= 2143 cm-1 Ö λ=4,67μm Ö f =6,43 1013 Hz mC=2·10-26 kg, mO=2,7·10-26 kg Ö D=1875 N/m D kann man berechnen, wenn ν ist bekannt, ν kann man berechnen, wenn D ist bekannt

Zusammenhang zwischen den Schwingungen der klassischen Physik und den Energieniveaus der Quantenmechanik • Klassische Physik

Quantenmechanik S1

Schwerpunkt

f =

1 2π

D mred

Resonanz mit dem Licht von Frequenz f

S0

ΔE

Schwingungen der vielatomigen Molekülen Molekül mit N Atome: • 3N Freiheitsgrad, woraus 3 die translation 3 die Rotation des Moleküles • 3N-6 Schwingungsfreiheitsgrad (bei linearen Molekülen nur 3N-5) • Normalschwingungen

ΔE=hf sind gleich!!!

Normalschwingungen

Die Normalschwingungen des Wassers

• Alle Atome schwingen mit derselben Frequenz aber mit unterschiedlichen Amplitude und Richtung. • zB. Wasser:

Deformationsschw.

symmetrische Valenzschw.

antisymmetrische Valenzschwingung

Diese sind Rotationen, keine Vibrationen!

Einige typische Schwingungsfrequenzen

Beispiel: Formaldehyd

www.Spectroscopynow.com

Flavin

Benzol

Schwingungen der Makromoleküle Globale Schwingungen (sind zu kompliziert!) Lokalisierte Schwingungen: • Schw. der CH2 Gruppen in Lipidmoleküle • Amid Schwingungen in Proteine

Eiweisdanaturation

Pharmazeutische Anwendungen

Beispiele für Anwendungen:

• Beim Synthese: Kontrolle der Synthese: Identifizierung der Zwischen- und Endprodukte • Beweisung des Molekülstrukturs • Identifizierung der Metabolyten • Kontrolle der Medizinen (Reinheitsuntersuchung)

Phasenübergand in Lipid Doppelschicht

• Bemerkung: Lambert-Beersches Gesetz ist gültig auch in IR Bereich, d.h. Konzentrationsbestimmung ist möglich , aber es ist nicht die Hauptanwendung. Meersman et. al. Biophys J.

Pharmazeutische Anwendung: Identifizierung der Moleküle, Beweisung des Raumstruktures

Messung der Spektrum: FourierTransform-Spektrometer (FTIR) Konventionelles (Dispersions-) Spektrometer

C4H8O

Probe Mono chromator

Detektor

Fourier- Transform-Spektrometer Probe Interferometer

forrás: www.Spectroscopynow.com

Detektor

Abb. 6.17

Spezielle IR Methoden IR Mikroskopie fester Spiegel A Lichtweg B Lichtweg

beweglicher Spiegel Probe

Detektor

Abb .6.18

Lichtquelle

Spektrale Abbildung: Räumliche Verteilung der Komponenten

ATR technik (Abgeschwächte Totalreflexion) Probe

ATR Kristall

S. Wartewiga, R. H.H. Neubert, Advanced Drug Delivery Reviews 57 (2005) 1144– 1170