Dit is een samenvatting voor het vak "Microscopie & Spectroscopie" in de minor "Biomedische Beeldvorming" aan de VU. Een samenvatting van alle college's; dit is een complete samenvatting voor alle tentamenstof.
Chemische imaging
Veel imagingtechnieken geven informatie over de macroscopische structuur van weefsels en
organen, of geven een microscopisch beeld over de opbouw van cellen. Deze technieken
geven echter weinig chemische informatie over de identiteit en verdeling van de aanwezige
(bio)moleculen.
De klinisch-chemische technieken uit het college van bijvoorbeeld Klinisch-analytische
Chemie geven informatie over de gemiddelde chemische samenstelling van een monster
(meestal een homogene vloeistof). In deze cursus zijn we geïnteresseerd in moleculaire
verdelingen van heterogene systemen.
Interactie licht-materie
Wanneer licht door een medium gaat kunnen er verschillende processen plaatsvinden:
1. Het inkomende licht wordt gereflecteerd.
2. Het licht wordt in het medium verstrooid.
3. Het licht wordt door het medium geabsorbeerd.
Het doorgelaten licht zal van richting en kleur veranderen.
Spectroscopie
Spectroscopie is een verzamelnaam voor de wetenschappelijke techniek om materie te
onderzoeken aan de hand van hun spectrum. Hierbij wordt gekeken naar de interactie
tussen elektromagnetische straling en materie. Diverse typen spectroscopie geven
verschillende informatie: wat er gebeurt in het molecuul is voornamelijk afhankelijk van de
foton-energie.
Spectroscopische technieken kunnen gebruikt worden om moleculen te identificeren; op
grond van referentiespectra, tabellen of theoretische voorspellingen. Ook zijn ze vaak
geschikt voor kwantificatie i.e. spectrometrie. Tot slot geven ze vaak informatie over fysisch-
chemische eigenschappen van moleculen en/of hun interactie met de omgeving.
Eigenschappen licht
Kwantummechanica is essentieel bij het beschrijven van eigenschappen van licht; per
molecuul is er meestal interactie met slechts één foton tegelijk. Absorptie en emissie zijn
gekwantiseerd. Licht kan het karakter van een golf en deeltje hebben.
Voor het molecuul wordt de energie per foton (in Joule) gegeven door:
ℎ𝑐
𝐸 = ℎ𝑣 =
𝜆
Met:
Lichtsnelheid 𝑐 (m/s)
Frequentie 𝑣 (Hz of s-1)
Golflengte 𝜆 (m)
Richting: polarisatierichting i.e. trillingsrichting van het elektrische veld.
,Het golfgetal, het aantal golven dat past op één centimeter, wordt gegeven door:
1 𝑣
𝑣̃ = 𝜆 of 𝑣̃ =
0 𝑐
Waarbij de golflengte in centimeter in vacuüm wordt genomen.
Jablonski diagram
In een Jablonski diagram zijn de elektronische en
vibrationele overgangen van moleculen weergegeven.
Atomen in een molecuul vibreren ook en de
vibratietoestanden zijn gekwantiseerd.
Chemische stoffen bezitten meerdere moleculaire
orbitalen. Als alle elektronen in het laagste orbitaal zitten,
wordt dat de grondtoestand (S0) genoemd.
Met spectroscopie worden moleculen bestudeerd door
middel van ultraviolet, zichtbaar en infrarood licht,
waarmee verschillende overgangen zichtbaar gemaakt
kunnen worden.
Imaging gebaseerd op UV-Vis absorptie en fluorescentie
UV-Vis spectroscopie is een techniek gebaseerd op de absorptie van UV- of zichtbaar licht.
Eventueel kunnen monsters en weefsels gekleurd worden. UV-Vis absorptie is zeer
toepasbaar. Bij een absorptiespectrum is het golflengtegebied waar geen pieken waar te
nemen zijn, de golflengte van het licht. Dit is de kleur die het minst wordt geabsorbeerd.
Fluorescentie kan zeer gevoelig zijn: emissie wordt waargenomen op een donkere
achtergrond. Echter, de spectra zijn relatief breed, en dus minder geschikt voor molecuul-
specifieke identificatie. Bij gebruik van labeling/staining wordt alleen indirecte informatie over
de oorspronkelijke chemische samenstelling verkregen.
Absorptie spectroscopie is complementair aan fluorescentie spectroscopie. Fluorescentie
gaat over de transities van de geëxciteerde toestand naar de grondtoestand, terwijl absorptie
over de transities van de grondtoestand naar de geëxciteerde toestand gaat.
Oorzaken van spectrale verbreding
In UV-Vis absorptie en fluorescentiespectra zijn meestal geen aparte vibratie-overgangen te
zien. Oorzaken zijn:
Levensduureffecten
Matrixeffecten
Instrumentele grenzen
De afstand tussen S0 en S1 is niet goed gedefinieerd maar afhankelijk van het
oplosmiddel. In een niet-kristallijne omgeving zullen de pieken breder zijn, terwijl in
een kristallijne omgeving de pieken juist scherp zijn.
Tijd en energie kunnen niet beide goed bepaald worden: hoe korter de toestand, hoe
meer onzekerheid over de energie is.
,Molecuul-specifieke informatie
Vibratietechnieken hebben minder last van matrix-invloeden en leveren veel specifiekere
spectra. Deze technieken worden eerst los behandeld en daarna in een imaging-mode voor
niet-homogene monsters.
Elektronische overgangen zijn vaak breed als gevolg van de inhomogene omgeving
bijvoorbeeld het oplosmiddel. UV-Vis absorptie- en fluorescentiespectra zijn daarom minder
geschikt voor moleculaire identificatie.
Vibrationele overgangen zijn veel minder gevoelig voor de omgeving. IR en Raman geven
daarom veel scherpere en specifiekere spectra. Een uitzondering zijn groepen die H-
bindingen kunnen vormen.
Moleculaire vibraties: 2-atomig molecuul
Een model uit de klassieke mechanica: beschouw een chemische binding als een veer die
twee massa’s (atomen) met elkaar verbindt. Uitrekken of samendrukken veroorzaakt een
tegenkracht die evenredig is met de uitwijking. Bij benadering is dit een harmonische
oscillator.
Als het zwaartepunt op zijn plaats blijft, zal het lichtste atoom de grootste bewegingen
maken. De formule voor de vibratiefrequentie (in Hertz) wordt gegeven door:
1 𝑘(𝑚1 + 𝑚2 )
𝑣= √
2𝜋 𝑚1 × 𝑚2
Een hogere bindingssterkte, een dubbele of drievoudige binding, geeft een hogere
frequentie. Lichtere atomen geven ook een hogere frequentie.
Interactie met straling
Een moleculaire vibratie kan infraroodstraling absorberen als:
1. De frequentie van het licht past bij de trillingsfrequentie van de binding.
2. Tijdens de vibratie het dipoolmoment van de binding verandert. Vibraties waarbij
geen dipoolmomentverandering optreedt zijn niet IR-actief zoals symmetrische
trillingen. Gassen zoals O2 en N2 zijn dus transparant voor infraroodstraling.
Na absorptie krijgt de trilling een hogere amplitude, terwijl de frequentie gelijk blijft.
Wat leren we van IR spectroscopie?
De vibratiefrequentie geeft informatie over de kracht van een binding en de gewichten
van de betrokken atomen.
, De intensiteit van een absorptieband geeft informatie over de
dipoolmomentverandering en/of het aantal van dergelijke bindingen in het monster.
De spectrale bandbreedte geeft informatie over de inhomogeniteit van de
bindingssterkte k (bijv. waterstofbruggen).
IR spectra worden gebruikt om stoffen te identificeren aan de hand van
referentiespectra, tabellen en/of moleculaire berekeningen.
Gekoppeld aan een microscoop kan IR informatie geven over de ruimtelijke verdeling
van de stoffen; ruimtelijke resolutie is echter beperkt tot circa 10 micrometer.
Elektromagnetische straling
De energie van UV-Vis fotonen komt overeen met elektronische overgangen, terwijl de
energie van IR fotonen overeen komt met moleculaire vibraties. Energie van Mid-IR fotonen
komt overeen met (fundamentele) vibratie overgangen.
Meer-atomige moleculen
Bij moleculen met N atomen is het aantal vibraties: 3N-6, met uitzondering voor lineaire
moleculen: 3N-5.
Er zijn evenveel strektrillingen als er bindingen zijn, de overige zijn buigtrillingen. Bij identieke
bindingen moeten combinaties beschouwd worden. Over het algemeen zijn
vibratiefrequenties van functionele groepen weinig afhankelijk van de overige bindingen in
het molecuul. Ze zijn specifiek voor een bepaalde type binding. Kleine veranderingen in
frequenties kunnen informatie geven over de naburige groepen.
IR transmissiespectrum
In een IR transmissiespectrum worden links alleen hele sterke bindingen weergeven. De
rechtergrens is een kwestie van instrument. Het is daar moeilijker om licht te detecteren en
venstermateriaal te vinden.
Blanco correctie
Een blanco correctie is nodig vanwege:
Io bepaling
Absorptie door componenten in de atmosfeer
Absorptie/lichtverlies door cel/cuvet/matrix/oplosmiddel
The benefits of buying summaries with Stuvia:
Guaranteed quality through customer reviews
Stuvia customers have reviewed more than 700,000 summaries. This how you know that you are buying the best documents.
Quick and easy check-out
You can quickly pay through credit card or Stuvia-credit for the summaries. There is no membership needed.
Focus on what matters
Your fellow students write the study notes themselves, which is why the documents are always reliable and up-to-date. This ensures you quickly get to the core!
Frequently asked questions
What do I get when I buy this document?
You get a PDF, available immediately after your purchase. The purchased document is accessible anytime, anywhere and indefinitely through your profile.
Satisfaction guarantee: how does it work?
Our satisfaction guarantee ensures that you always find a study document that suits you well. You fill out a form, and our customer service team takes care of the rest.
Who am I buying these notes from?
Stuvia is a marketplace, so you are not buying this document from us, but from seller sle8. Stuvia facilitates payment to the seller.
Will I be stuck with a subscription?
No, you only buy these notes for $5.93. You're not tied to anything after your purchase.
