Электромагнитные колебания

1. Электромагнитные колебания Длина волны λ E E = h ν H E = h c / λ H E Направление распространения Длина волны в Å 1 10 102 103 104 105 106 107 Рентгеновское УФ- и видимое Инфракрасное Микроволновое Радиоволны излучение излучение излучение излучение Уменьшение энергии падающего излучения Электронные переходы Колебательные и вращательные Ядерные Инфракрасная спектроскопия и рассеяниеМандельштама-Рамана Абсорбционная спектроскопияв видимой и УФ-области спелтра ЯМР

2. 1800 Астроном Вильям Гершель открыл инфракрасное излучение. 1835 Первый спектрометр, работающий в инфракрасном диапазоне был создан через 35 лет после открытия ИК-излучения и на протяжении 90 лет ИК-спектроскопия широко применялась в астрономии, органической химии и химии атмосферы. 1892 A. A. Майкельсон сконструировал интерферометр, позже названный его именем, и в том же году Лорд Релей установил, что получаемая на выходе интерферограмма связана со спектром математической операцией, известной как фурье-преообразование. 1949 Е. К. Блаут и Р. К. Меллорс показали, что инфракрасные спектры позволяют получить информацию о строении молекулярной структуры человеческой ткани. Однако исследования в этом направлении продолжались недостаточно интенсивно из-за ограничений, накладываемых как инструментом, так и сложностью исследуемых систем и интерпретацией полученных спектров. 1969 Появились первые коммерческие инструменты низкого разрешения в средней инфракрасной области (4000–400 см-1) полностью управляемые компьютером и содержащие программы преобразования интерферограмм в спектр с помощью Фурье-преобразования. В настоящее время доступны приборы с разрешением около 0.1 см-1. Фурье-преобразование занимает доли секунды.

3. Накаленное тело Детектор ИФ-излучения Около 30 лет назад конструкция приборов для инфракрасной спектроскопии претерпела большие изменения. В основе современных инструментов для средней и дальней ИК-областей лежит усовершенствованный интерферометр Майкельсона, a преобразование интерферограммы в спектр осуществляется с помощью преобразования Фурье. Сам метод получил название ИК-спектроскопии с фурье-преобразованием (ИК-ФП).

4. Неподвижное зеркало Интерферометр Майкельсона + Фурье преобразование Подвижное зеркало Разделитель луча Лазер δ=0 Δ=λ/2 Δ=λ Δ=3λ/2 Образец Интерферограмма Спектр Детектор B(ν) I(δ) ν0=1/λ Фурье δ 0 λ/2 λ 3λ/2 Если источник света имеет более одной частоты, например две, то интерферограмма будет содержать две косинусоиды, и так далее. Математически интерферограмма есть сумма всех косинусоид, содержащихся в источнике. Реальная интерферограмма источника δ=0 Источником света в инфракрасной спектроскопии является тело, нагретое до такой температуры (1000-1200оC), чтобы иметь максимум в интервале 4000-400 см-1. Помещение образца в в интерферометр Майкельсона приводит к к появлению новых частот в спектре

5. Второй интерферометр (а) Схема ИК-ФП спектрометра. Непрерывное излучение широкополосного ИК-источника модулируется интерферометром Майкельсона. Исходный луч расщепляется, попадая на два зеркала. Свет, отраженный от подвижного и неподвижного зеркал, снова собирается и, пройдя через образец, падает на ИК-детектор. Разность длины оптических путей очень точно измеряется с помощью гелий-неонового лазера (не показан). (б) Компьютер преобразует оцифрованную интерферограмму в ИК-спектр с помощью преобразований Фурье.

6. Колебания молекул При выяснении пространственной структуры молекул необходимо знать длины химических связей и углы между ними. Для большего числа молекул численные значения этих величин известны из рентгеновских дифракционных исследований и данных ядерного магнитного резонанса. Так, длина связей О–H в молекулах воды равна 0,9572 Å, а угол между ними составляет 104,523°. Эти значения соответствуют гипотетическим равновесным состояниям, в которых отсутствуют колебательные и вращательные движения. Относительные положения атомов в молекулах постоянно меняются вследствие различных типов колебаний и вращений вокруг своих связей. При физиологических температурах колебания в них сопровождаются изменениями длин связей приблизительно на ±0,05 Å, а угла между связями – на ±5°.

7. Все колебания делятся на две основные категории: валентные и деформационные Валентные колебания заключаются в постоянном изменении межатомных расстояний вдоль оси связи двух атомов. Деформационные колебания характеризуются изменением угла между двумя связями и бывают четырех типов, как показано на рисунке.

8. Активные и неактивные модыколебаний в ИК-спектрах В качестве примера рассмотрим молекулу двуокиси углерода (О=С=О), имеющую четыре нормальные колебательные моды (см. ниже). Исходя из соображений симметрии, две из них должны быть валентными модами и две – деформационными Симметричные и асимметричные колебания в молекуле О=С=О. Симметричные колебания атомов не приводят к изменению дипольного момента молекулы CO2, поэтому они не проявляются в ИК-спектрах. Напротив, асимметричные колебания атомов вызывают изменения дипольного момента молекулы и поэтому проявляются в ИК-спектрах Неактивные моды Активные моды

9. Колебательные моды полиатомных молекул. Нормальные моды колебаний Молекула, состоящая из Nатомов имеет 3Nстепеней свободы: три трансляционные (вдоль осей x,y,z), две вращательные (вокруг осейy,z), и одна колебательная (растяжение вдоль оси, соединяющей молекулы). Число колебательных степеней свободыдля молекулы, состоящей из Nатомов равно 3N- 5, если молекула линейна, и 3N- 6, если молекула не линейна. Этот набор колебаний называется молекулярной модой вибрации. Если в молекуле все атомы движутся в фазе, то есть все атомы достигают одновременно положений максимумов и минимумов и одновременно достигают положений равновесия, то такая мода называется нормальной модой колебаний. Строго показано, что только нормальные моды колебаний вносят вклад в инфракрасные спектры. N-метилацетамид имеет 30 нормальных колебательных мод Если не принимать во внимание шесть атомов водорода метильных групп, то останется 12 нормальных мод, связанных с шестью скелетными атомами (CCONHC).

10. Изолированная плоская CONH-группа может иметь пять мод колебаний в плоскости (растяжение связи С=О, растяжение связи С-N, изгибание связи OCN, изгибание связи CNH) и одну неплоскую моду колебания (кручение связи C-N). Диапазоны частот различных амидных полос в модельных структурах приведены на рисунке (внизу). ~3300 см-1 1597-1672 см-1 1480-1575 см-1 1229-1301 см-1

11. Инфракрасные спектры полипептидов и белков N-methylacetamide In-plane modes  Amide A ~ 3300 cm-1 Amide B ~ 3100 cm-1 Amide I 1597-1672 cm-1 Amide II 1480-1575 cm-1 Amide III 1229-1301 cm-1 Amide IV 625-767 cm-1 Out-of-plane modes  Amide V 640-800 cm-1 Amide VI 537-606 cm-1

12. ПолосыАмид A and амид B В разбавленных растворах в отсутствии водородных связей наблюдаются резкая полоса при 3400-3460 cm-1, которая интерпретируется растяжение между N–H связью.При образовании водородных связей полоса смещается к 3120-3320 cm-1 и появляется новая слабая полоса в районе3100 cm-1. Полоса амид II Полоса в районе1510 and 1570 cm-1 также ассоциируется со вторичной структурой, однако количественно эту полосу очень трудно интерпретировать.. Наиболее часто используемые полосы Полоса Амид I Все вторичные структуры амидов и пептидов показывают сильную полосу в районе1600-1700 cm-1,которая интерпретируется как растягивающие колебания между C=O связью. ПолосаАмид III Полоса амид III занимает спектральную полосу (1350-1200)и обусловлена изгибами вN–Hсвязи и растяжениями в C–N связи.Очень чувствительна к деталям вторичной структуры.

13. Амидные полосыА, B I II III Поглощение воды 1640-1650 cm-1 Измерения амидной полосы I в пленках, тонких кюветах, в D20 Полоса Амид III (1350-1200 см-1) в 5-10 раз менее чувствительна, чем полоса Амид I. Однако, отсутствие поглощения воды в этой области, чувствительность к вторичной структуре делают эту полосу незаменимой для измерения ее деталей Соотнесение полос : 1330–1295 cm-1, (α-спираль); 1295–1270 cm-1 (β-поворот); 1270–1250 cm-1 (клубок) и 1250–1220 cm-1 (β-структура). Поглощение водынакладывает ограничения на практическое использование амидных полос