Időfelbontásos lézerspektroszkópia

1. Időfelbontásos lézerspektroszkópia Cél: fluoreszcencia (v. foszforeszcencia-élettartam meghatározása, Biológiában, anyagtudományban mikrokörnyezet vizsgálata Ha több fluoreszkáló komponens van, ezek elválasztása

2. Ha egy fluoreszkáló anyagot besugározunk, bizonyos számú molekula gerjesztődik amikor a sugárzást megszüntetjük, a molekulák fokozatosan visszakerülnek az alapállapotba. Ált. 1. rendű kinetika: N(t): gerj. molekulák száma a besug. után t idővel kR: sugárzásos átmenet seb. állandója kNR: sugárzásmentes átmenet seb. állandója

3. Integrálva: Exponenciális lecsengés A fluoreszcencia-intenzitás arányos N-nel.

4. I gerj. imp. I0 I0/e t t Fluoreszcencia-intenzitás az idő függvényébena) Az impulzus rövid a lecseng. időáll.-hoz képest

5. lnI tga= -t/t a t

6. Elvileg egyszerű, de a jel-zaj viszony szempontjából kedvezőtlen! (l. nemsokára)

7. lézer-intenzitás N(t) b) Az impulzus hossza összemérhető a lecseng. időáll.-val Négyszög-impulzus (folyt. lézerből fényszaggatóval)

8. 10.1. Viszonylag hosszú időállandók (ms) meghatáro-zása - foszforeszcencia- ritka földfémek emissziója I: Folytonos lézer + fényszaggató + boxcar vagy elektrooptikai modulátor vagy akusztooptikai modulátor II: Lézeres villanófényfotolízis

9. folytonos minta lézer fényszag- gató monokro- regiszt- mátor ráló PMT boxcar Megvalósítás I: boxcar-os rendszerrel

10. lézer-intenzitás N(t) Miért kedvezőtlen a nagyon rövid gerj. impulzus? Kevés molekula gerjesztődik!

11. 10. Villanófény-fotolízis

12. Villanófény-fotolízis

13. Foszfolipid vezikula kettősrétegében oldott porfirin triplett lecsengése oxigén jelenlétében.

14. Foszfolipid: sejtmembránokban található anyagok, hidrofil „fejjel” és lipofil „farokkal”

15. Egy foszfolipid vezikula (idealizált) szerkezete, feltüntetve az apoláros próbamolekula legvalószínűbb helyét.

16. Triplett antracén abszorpciós spektruma A: hexánban, B: DMPC vezikulában 25oC-on, C: DMPC vezikulában 18oC-on.

17. Szingulett oxigénnel reagáló akceptor fogyása az akceptor abszorbanciájának mérésével.

18. A szingulett oxigén IR emissziós jele hematoporfirin szenzibilizátor jelenlétében. A megvastagított vonal extrapoláció.

19. 11. Időfelbontásos fluoreszcencia- spektroszkópiai módszerek 11.1. Időkorrelált egyfoton-számlálás: egy fényimpulzus gerjeszti a mintát, és a fluoreszcencia lecsengését vizsgáljuk az időben. 11.2. Fázismodulációs módszer: szinuszos intenzitás modulációt alkalmazunk, és a szintén szinuszos intenzitás eloszlású fluoreszcencia fázis-eltolódását vizsgáljuk. (Pumpa módszerek: külön tárgyaljuk Tulajdonképpen az impulzusos módszerhez tartozik.)I

20. 11.1.Időkorrelált egyfotonszámlálásMérőrendszer minta impulzuslézer monokromátor trigger START analóg-digitál átalakító számítógép idő-ampl. átalakító PMT STOP

21. A fényforrás impulzuslézer START jel – lézernek és elektronikának Triggerrel vagy: Az impulzus egy részét fényosztóval kicsatoljuk.Fotodetektorra kerül, ez adja az elektronika indítóimpulzusát(A lézerimpulzus másik része a mintára kerül) Az indítóimpulzus az idő-amplitúdó átalakítón elindít egy feszültség-növekedést.

22. STOP U t START Idő-amplitúdó átalakító

23. A mintából eredő lumineszcencia PMT-re kerül Úgy állítjuk be a gerj. fény intenzitását, hogy egyetlen foton váltson ki áramot a fotokatódon. Amikor a PMT-ből származó impulzus eléri az idő-amplitúdó átalakítót, megáll U növekedése. A kialakult jel arányos az eltelt idővel (a fluoreszc. időkésésével). Sok ezer, vagy 10ezer fényimpulzus után mérjük az első foton érkezési idejét Többcsatornás analizátorral dolgozzuk fel.

24. gyakoriság csatornaszám (idő)

25. E(t): a lézerimp. és a készülék együttes profilja F(t): a fl. lecsengése L(t): a mért görbe (az előző kettő konvolúciója) A fluoreszc. élettartama ált. összemérhető a lézerimp. hosszával  Dekonvolúció

26. I(t) E(t) L(t) t

27. Níluskék festék fluoreszcencia-lecsengése toluolban

28. 11.2. Fázismodulációs módszer Folytonos lézer amplitúdóját szinuszosan moduláljuk. F Int. t fluoreszcencia

29. Folytonos lézer Modulátor Minta Referencia szűrő jel Monokromátor Lock-in ( fázisérzékeny detektor) PMT Fázismodulációs mérőrendszer

30. Két mérési eredményből is számítható Fázisszögből: Demodulációból:

31. 12. Pumpa-próba elvű módszerek Elsősorban impulzuslézerrel. A mintára intenzív impulzust bocsátunk (pumpaimp.).Molekulák egy része gerj. állapotba kerül. A később érkező próbaimpulzus „észleli” a változást. Időkésleltetés: optikai úthossz megnövelésével. A fény 1 ns alatt 30 cm-t 1 ps alatt 0,3 mm-t tesz meg.

32. Pumpa-próba mérés I: tranziens abszorpció mérése egy lézerrel

33. Próbanyaláb intenzitása Dt

34. Pumpa-próba kísérlet II: Tranziens abszorpció két lézerrel

35. Níluskék metanolos oldatának tranziens abszorpciója pumpa-próba módszerrel mérve (lpumpa = 586 nm)

36. Níluskék tranziens absz. lecsengése vizes oldatban pumpa-próba módszerrel mérve (lpumpa = 586 nm, lpróba = 647 nm)

37. Pumpa-próba Módszer III: tranziens emisszió mérésére: „Fluorescence up-conversion” Femtoszekundumos folyamatok vizsgálatára használható

38. dikroikus tükör BBO saroktükör   Ti-zafír lézer 2 minta szűrő mono-kromátor BBO F +F szűrő PMT

39. DCM lézerfesték fluoreszcencia-lecsengése etilénglikolban Magyarázat: a kisebb hullámhosszakon gerjeszthető S2, S3 állapotokból töltődik fel az S1 P. van der Meulen, J.Phys. Chem. 100, 5367 (1996)

40. 13-14. Lézer-Raman spektroszkópia A Raman-effektus már a lézerek felfedezése előtt ismert volt. 1922 Brillouin Fény és hanghullámok kölcsönhatása 1923 Smekal Raman-szórás elmélete 1928 Raman Kísérleti igazolás

41. TARTALOM 13.1. Hagyományos Raman-spektroszkópia 13.2. Rezonancia-Raman effektus 13.3. Felületerősített Raman-szórás 14.1. Hiper Raman-effektus 14.2. Stimulált Raman-effektus 14.3. Raman erősítési spektroszkópia 14.4. Koherens anti-Stokes Raman-spektroszkópia Spektrumok

42. 13.1 Hagyományos Raman-spektroszkópia A Raman-spektrum az IR és mikrohull. spektrum kiegészítője. Főleg rezgési és forgási spektrumok mérésére

43. A lézerek előtt a R-spektroszkópia fejlődését gátolta, hogy nem volt intenzív monokromatikus fényforrás. Főleg higanygőzlámpát használtak (a 254 nm-es vonalát). A lézerek leterjedése - minőségi ugrás

44. nL nL n n s s b b a a R-szórás: a foton rugalmatlan ütközése a molekulával. Stokes Anti-Stokes

45. Készülék: - Diszperziós: hasonló a spektrofluoriméterhez. Monokromátor: két rács (nagyobb felbontás kell) - Fourier-transzformációs Raman: monokromátor helyett interferométer

46. Diszperziós Raman-spektrométer

47. álló tükör minta Nd-YAG lézer mozgó tükör fényosztó szűrők detektor FT-Raman spektrométer

48. Antracén Raman-színképe (A) Diszperziós Raman-készülék, exc=514,5 nm (B) FT-Raman készülék, exc=1064 nm Chase, J. Am. Chem. Soc. 108, 7486 (1986)

49. Raman és infra összehasonlítása Raman előnyeiVizes oldatokOptika üvegbőlKisebb minta (fókuszálás)Detektor gyorsabbRaman-spektrum egyszerűbbSzimm. rezgések R-aktívakPolarizációs mérésekIntenzitás arányos konc.-val Kis hullámszámok tartománya is mérhető Raman hátrányaiDrágábbR-spektrum készülékfüggőbbInfra érzékenyebbFluoreszcencia zavaró hatása

50. Raman-mikroszkóp Búzaszem