Spektroskopia oscylacyjna
Monografia zawiera opis technik spektroskopii absorpcyjnej w podczerwieni (FTIR) i spektroskopii rozproszenia ramanowskiego stanowiących dopełnienie wykładów i ćwiczeń laboratoryjnych z zakresu spektroskopii molekularnej i chemii fizycznej. Służyć może jako podręcznik dla studentów II i III stopnia nauczania jak i przewodnik dla specyficznych zastosowań spektroskopii FTIR i ramanowskiej. Podręcznik jest dwujęzyczny, polsko-angielski, i jego publikacja wynika z coraz szerszego stosowania technik spektroskopii oscylacyjnej w kursach dedykowanych II i III stopniowi nauczania, z uwzględnieniem studentów z zagranicy podejmujących studia na polskich uczelniach jak również uczestników programów Erasmus-Mundus czy Advanced Spectroscopy in Chemistry. Podręcznik jest przeznaczony dla studentów chemii, ochrony środowiska, biofizyki, uniwersytetów medycznych i przyrodniczych. Może też być przydatny pracownikom laboratoriów analitycznych.
1. Podstawy spektroskopii absorpcyjnej w zakresie podczerwieni (FT-IR) (Kamilla Małek, Emilia Staniszewska-Ślęzak, Kamila Kochan, Katarzyna Majzner) 11
1.1. Kwantowy opis – model oscylatora harmonicznego i anharmonicznego 12
1.2. Drgania normalne 14
1.3. Budowa spektrometru FT-IR 15
1.3.1. Źródło światła 16
1.3.2. Interferometr 16
1.3.3. Komora pomiarowa 17
1.3.4. Detektor 18
Bibliografia 18
2. Podstawy spektroskopii rozpraszania ramanowskiego (Kamilla Małek, Małgorzata Barańska, Kamila Kochan) 19
2.1. Opis kwantowy zjawiska rozpraszania ramanowskiego 20
2.2. Budowa spektrometru ramanowskiego 22
2.2.1. Laser 23
2.2.2. Komora pomiarowa 24
2.2.3. Element rozdzielający wiązkę promieniowania elektromagnetycznego 24
2.2.4. Detektor 25
3. Techniki spektroskopii absorpcyjnej w zakresie podczerwieni 26
3.1. Metody pomiarowe w spektroskopii FT-IR (Paweł Miśkowiec) 26
3.1.1. Technika transmisyjna 26
3.1.2. Techniki refleksyjne 28
3.1.2.1. Technika całkowitego wewnętrznego odbicia (ATR) 28
3.1.2.2. Metoda odbicia rozproszonego w zakresie środkowej podczerwieni (DRIFT) 30
3.1.2.3. Refleksyjno-absorpcyjna spektroskopia w podczerwieni (IRRAS) 32
3.1.3. Metoda spektroskopii fotoakustycznej (PAS) 34
3.1.4. Spektroskopia emisyjna w podczerwieni (IRES) 35
3.2. Mikroskopia i obrazowanie FT-IR (Ewelina Wiercigroch, Kamilla Małek) 36
3.3. Oscylacyjny dichroizm kołowy (Piotr F.J. Lipiński) 40
3.3.1. Chiralność 40
3.3.2. Co to jest oscylacyjny dichroizm kołowy? 41
3.3.3. Jak mierzy się VCD? 41
3.3.4. Zastosowania spektroskopii VCD 43
3.3.5. Obliczenia widm VCD i związane z nimi problemy 44
3.3.6. Bardzo krótkie podsumowanie najnowszych zagadnień 45
Bibliografia 45
4. Techniki spektroskopii ramanowskiej 47
4.1. Spektroskopia rezonansowego rozpraszania ramanowskiego (Katarzyna M. Marzec, Jakub Dybaś) 47
4.1.1. Rezonansowy a normalny efekt ramanowski oraz fluorescencja 47
4.1.2. Zjawisko rezonansowego efektu ramanowskiego 40
4.1.3. Zastosowanie i możliwości RRS 50
4.1.4. Aparatura 51
Bibliografia 52
4.2. Powierzchniowo wzmocnione rozpraszanie ramanowskie (SERS) (Agata Królikowska, Jolanta Bukowska) 53
4.2.1. Mechanizm wzmocnienia powierzchniowego 54
4.2.2. Rodzaje podłoży stosowanych w spektroskopii SERS 56
4.2.3. Cechy widm SERS 58
4.2.4. Zastosowania spektroskopii SERS 58
Bibliografia 58
4.3. Ramanowska aktywność optyczna (ROA) (Joanna E. Rode) 59
4.3.1. Schemat ideowy zjawiska ROA 59
4.3.2. Opis teoretyczny zjawiska ROA 61
4.3.3. Opis aparatury do pomiarów ROA 63
4.3.4. Zastosowania techniki ROA 65
4.3.5. Podsumowanie 65
Bibliografia 67
4.4. Obrazowanie ramanowskie (Agnieszka Kaczor) 68
Bibliografia 74
5. Analiza chemometryczna widm ft-ir i ramanowskich (Katarzyna Majzner, Kamila Kochan, Małgorzata Barańska) 75
5.1. Analiza pasm charakterystycznych 75
5.2. Analiza skupień 77
5.2.1. Hierarchiczna analiza skupień 78
5.2.2. Niehierarchiczna analiza skupień 82
5.2.3. Porównanie metod HCA, KMCA oraz FCA 84
Bibliografia 85
6. Wybrane zastosowania spektroskopii absorpcyjnej FT-IR 86
6.1. Symetria molekuły i wpływ podstawienia izotopowego w widmach IR i ramanowskich chloropochodnych metanu (Kamilla Małek, Katarzyna M. Marzec) 86
Bibliografia 90
6.2. Rozkład pasma na składowe, na przykładzie widm ATR FT-IR tkanek miękkich (Marlena Gąsior-Głogowska, Adam Oleszko) 90
6.2.1. Budowa skóry 90
6.2.2. Białka skóry 90
6.2.3. Spektroskopia absorpcyjna w podczerwieni w badaniach tkanek 91
Bibliografia 96
6.3. Synteza i charakterystyka spektralna hydroksyapatytów (Marlena Gąsior-Głogowska, Adam Oleszko) 97
6.3.1. Hydroksyapatyty 97
6.3.2. Badania struktury hydroksyapatytów przy użyciu spektroskopii w podczerwieni 98
Bibliografia 101
6.4. Zastosowanie spektroskopii w podczerwieni w oznaczaniu węglowodorów ropopochodnych w wodach powierzchniowych i ściekach (Paweł Miśkowiec) 102
6.4.1. Skład ropy naftowej. Zanieczyszczenia środowiska produktami ropopochodnymi 102
6.4.2. Toksyczne właściwości składników ropy naftowej 103
6.4.3. Regulacje prawne problemu skażenia środowiska produktami ropopochodnymi oraz metodyka pomiaru 104
6.4.4. Wykorzystanie spektroskopii IR w analityce chemicznej 106
6.4.5. Prawo podziału Nernsta 106
Bibliografia 110
6.5. Ustalanie konfiguracji absolutnej z wykorzystaniem oscylacyjnego dichroizmu kołowego (Piotr F.J. Lipiński) 110
6.5.1. Ustalanie konfiguracji absolutnej za pomocą oscylacyjnego dichroizmu kołowego 110
Bibliografia 114
6.6. Identyfikacja materiałów malarskich i produktów ich degradacji. Obrazowanie ATR FT-IR przekrojów warstw malarskich (Emilia Staniszewska-Ślęzak, Kamilla Małek) 115
6.6.1. Charakterystyka chemiczna warstwy malarskiej i produktów jej degradacji 115
6.6.2. Spektroskopia FT-IR jako technika stosowana w identyfikacji składu chemicznego dzieł sztuki 118
Bibliografia 121
6.7. Analiza strukturalna białek przy użyciu spektroskopii FT-IR (Katarzyna Majzner) 121
6.7.1. Anatomia białek 121
6.7.2. Zastosowanie spektroskopii FT-IR do badania białek 124
Bibliografia 128
6.8. Analiza strukturalna lipidów z wykorzystaniem spektroskopii absorpcyjnej w podczerwieni (Tomasz P. Wróbel) 129
6.8.1. Charakterystyka i występowanie lipidów 129
6.8.2. Zastosowanie spektroskopii FT-IR do badania lipidów 130
Bibliografia 133
6.9. Analiza strukturalna cukrów przy użyciu spektroskopii FT-IR (Kamilla Małek, Ewelina Wiercigroch) 134
6.9.1. Budowa strukturalna cukrów 134
6.9.2. Charakterystyczne pasma IR cukrów 136
Bibliografia 138
6.10. Analiza widm ATR FT-IR tkanek zwierzęcych (Emilia Staniszewska-Ślęzak, Kamilla Małek) 138
6.10.1. Charakterystyka biochemiczna wybranych tkanek zwierzęcych 139
6.10.2. Widma FT-IR tkanek zwierzęcych 139
Bibliografia 144
6.11. Diagnostyka rozwoju choroby poprzez obrazowanie FT-IR tkanki (Kamila Kochan, Małgorzata Barańska) 145
7. Wybrane zastosowania spektroskopii ramanowskiej 149
7.1. Identyfikacja struktury drugorzędowej białek w widmach ramanowskich (Anna Ryguła) 149
7.1.1. Charakterystyka widm ramanowskich białek 149
7.1.2. Charakterystyczne pasma ramanowskie reszt aminokwasowych 151
7.1.3. Inne techniki spektroskopii ramanowskiej w analizie białek 152
Bibliografia 154
7.2. Analiza ramanowska kwasów tłuszczowych (Aleksandra Jaworska, Małgorzata Barańska) 154
7.2.1. Charakterystyka i występowanie kwasów tłuszczowych 154
7.2.2. Zastosowanie spektroskopii ramanowskiej do badania kwasów tłuszczowych 156
Bibliografia 159
7.3. Spektroskopia rozproszenia ramanowskiego jako metoda analizy lipidów w tkankach zwierzęcych/mieszaninach (Krzysztof Czamara, Agnieszka Kaczor) 159
7.3.1. Klasyfikacja lipidów 159
7.3.2. Charakterystyka spektralna lipidów 161
Bibliografia 165
7.4. Polimorfizm modelowych trójacylogliceroli (Krzysztof Czamara, Marta Z. Pacia, Agnieszka Kaczor) 165
7.4.1. Polimorfizm tłuszczów 165
7.4.2. Charakterystyka spektralna polimorfów trójacylogliceroli 167
Bibliografia 170
7.5. Identyfikacja karotenoidów w roślinach przy użyciu spektroskopii ramanowskiej (Aleksandra Jaworska, Małgorzata Barańska) 171
7.5.1. Budowa, funkcje i występowanie karotenoidów 171
7.5.2. Pasma ramanowskie karotenoidów 172
Bibliografia 175
7.6. Detekcja terpenów w olejkach cytrusowych oraz analiza chemotypów roślin zawierających olejki eteryczne (Aleksandra Jaworska, Małgorzata Barańska, Kamilla Małek) 175
7.6.1. Olejki cytrusowe – charakterystyka 175
7.6.2. Identyfikacja terpenów przy użyciu chromatografii gazowej i spektroskopii ramanowskiej 176
7.6.3. Analiza chemometryczna widm ramanowskich cytrusowych olejków eterycznych 177
Bibliografia 179
7.7. Analiza pigmentów i materiałów malarskich w widmach ramanowskich (Anna Ryguła, Kamilla Małek) 179
7.7.1. Spektroskopia ramanowska jako technika analityczna w konserwacji dzieł sztuki 180
7.7.2. Struktura warstw malarskich 181
7.7.3. Metodyka pracy przy ramanowskiej analizie dzieł sztuki 182
Bibliografia 185
7.8. Oznaczanie glukozy w preparatach farmaceutycznych i płynach ustrojowych (Agnieszka Kaczor) 186
7.9. Spektroskopia rezonansowego rozpraszania ramanowskiego w badaniu struktury hemoglobiny (Jakub Dybaś, Antonina Chmura-Skirlińska, Katarzyna M. Marzec) 191
7.9.1. Budowa i fizjologia hemoglobiny 191
7.9.2. Zastosowanie spektroskopii rezonansowego rozpraszania ramanowskiego w badaniach strukturalnych hemoglobiny 194
7.9.3. Zastosowanie spektrofotometrii UV-Vis w badaniach hemoglobiny 195
Bibliografia 198
7.10. Identyfikacja enancjomerów octanu bornylu i a-pinenu w olejkach eterycznych z igieł jodły syberyjskiej (Katarzyna Chruszcz-Lipska) 198
7.10.1. Terpeny 198
7.10.2. Stereochemia terpenów 199
7.10.3. Zawartość enancjomerów terpenów w olejkach eterycznych 200
7.10.4. Widma ramanowskiej aktywności optycznej (ROA) terpenów 201
Bibliografia 204
7.11. Wyznaczanie konfiguracji absolutnej enancjomerów α-pinenu na podstawie pomiarów ramanowskiej aktywności optycznej i obliczeń kwantowo-chemicznych (Grzegorz Zając, Małgorzata Barańska) 204
7.11.1. Obliczenia teoretyczne ROA 205
Bibliografia 210
7.12. Szacowanie współczynnika wzmocnienia powierzchniowego oraz badanie adsorpcji 3-amino-5-merkapto-1,2,4-triazolu (AMT) na powierzchni srebra techniką powierzchniowo wzmocnionego rozpraszania ramanowskiego (SERS) (Agata Królikowska, Jolanta Bukowska) 211
7.12.1. Współczynnik wzmocnienia powierzchniowego w SERS 211
7.12.1.1. Sposoby definicji współczynnika wzmocnienia 212
7.12.1.2. Współczynnik wzmocnienia dla danego podłoża (EF) 212
7.12.1.3. Analityczny współczynnik wzmocnienia (AEF) 213
7.12.1.4. Współczynnik wzmocnienia dla pojedynczych molekuł (SMEF) 214
7.12.2. Najczęstsze źródła błędów w wyznaczaniu wartości współczynnika wzmocnienia SERS 214
7.12.3. Struktura i właściwości 3-amino-5-merkapto-1,2,4-triazolu (AMT) 215
7.12.4. Widmo SERS monowarstwy 3-amino-5-merkapto-1,2,4-triazolu (AMT) na podłożu srebrnym 215
Bibliografia 219
7.13. Identyfikacja i badanie dystrybucji kofeiny w lekach przeciwbólowych in situ (Małgorzata Barańska, Agnieszka Kaczor, Kamilla Małek) 219
7.14. Charakterystyka organelli komórkowych na podstawie analizy pasm charakterystycznych oraz analizy skupień (Katarzyna Majzner) 223
7.14.1. Przypisanie najważniejszych pasm ramanowskich w widmach komórek 224
7.14.2. Analiza wyników obrazowania ramanowskiego komórek 226
Bibliografia 228
7.15. Obrazowanie ramanowskie in vitro i in vivo jednokomórkowych organizmów produkujących karotenoidy (Marta Z. Pacia, Agnieszka Kaczor) 229
7.15.1. Charakterystyka spektralna składników organizmów jednokomórkowych 230
Bibliografia 234
Spis ilustracji 236
Spis tabel 244
