methoden der biophysik fu berlin, fb physik, sose...
TRANSCRIPT
Dr. Berthold BoruckiInstitut für Experimentalphysik AG Prof. Dr. Maarten P. Heyn
Methoden der BiophysikFU Berlin, FB Physik, SoSe 2005
Schwingungsspektroskopie
2FU Berlin, FB Physik, SoSe 2005: Methoden der Biophysik Dr. Berthold Borucki Institut für Experimentalphysik AG Prof. Dr. Maarten P. Heyn
Schwingungsspektroskopie I
Übersicht
� Grundlagen� Harmonischer Oszillator (klassisch / Q.M.)� Born-Oppenheimer-Näherung� Normalkoordinaten, Schwingungsformen, Gruppenfrequenzen� Anharmonizität, Isotopeneffekt, Wasserstoffbrücken
� Meßmethoden� Infrarotspektroskopie (Absorption / Emission), FTIR� Raman-Spektroskopie (inelastische Lichtstreuung)
� Anwendungen / spezielle Methoden� Kinetische Messungen: Rapid-Scan, Step-Scan, Pump-Probe� Linear Dichroismus� Attenuated Total Reflexion� 2 dimensionale Schwingungsspektroskopie?
3FU Berlin, FB Physik, SoSe 2005: Methoden der Biophysik Dr. Berthold Borucki Institut für Experimentalphysik AG Prof. Dr. Maarten P. Heyn
Schwingungsspektroskopie I
Infraroter Spektralbereich:
– Nahes Infrarot (NIR): 12500 cm-1 – 4000 cm-1
– Mittleres Infrarot (MIR): 4000 cm-1 – 200 cm-1
– Fernes Infrarot (FIR): 200 cm-1 – 10 cm-1
http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/724/741576/chapter_13.html
4FU Berlin, FB Physik, SoSe 2005: Methoden der Biophysik Dr. Berthold Borucki Institut für Experimentalphysik AG Prof. Dr. Maarten P. Heyn
Schwingungsspektroskopie I
� Schwingungen, klassische Betrachtung
eindim. harmon. Oszillator:
gekoppeltes System:
5FU Berlin, FB Physik, SoSe 2005: Methoden der Biophysik Dr. Berthold Borucki Institut für Experimentalphysik AG Prof. Dr. Maarten P. Heyn
Schwingungsspektroskopie I
� Quantenmechanik
eindimensionaler harmonischer Oszillator:
Abb. 10.3 aus Haken/Wolf, Molekülphysik und Quantenchemie. |ψv|2, R – Re = x
6FU Berlin, FB Physik, SoSe 2005: Methoden der Biophysik Dr. Berthold Borucki Institut für Experimentalphysik AG Prof. Dr. Maarten P. Heyn
Schwingungsspektroskopie I
Molekül: geladene Teilchen � Coulomb-WW statt Kopplung durch Federn!
7FU Berlin, FB Physik, SoSe 2005: Methoden der Biophysik Dr. Berthold Borucki Institut für Experimentalphysik AG Prof. Dr. Maarten P. Heyn
Schwingungsspektroskopie I
8FU Berlin, FB Physik, SoSe 2005: Methoden der Biophysik Dr. Berthold Borucki Institut für Experimentalphysik AG Prof. Dr. Maarten P. Heyn
Schwingungsspektroskopie I
� Anharmonizität
Abb. 10.4 aus Haken/Wolf,Molekülphysik und Quantenchemie Abb. 10.5 aus Haken/Wolf,Molekülphysik und Quantenchemie
9FU Berlin, FB Physik, SoSe 2005: Methoden der Biophysik Dr. Berthold Borucki Institut für Experimentalphysik AG Prof. Dr. Maarten P. Heyn
Schwingungsspektroskopie I
• Konsequenzen der Anharmonizität
– Obertöne:
– Kombinationsschwingungen:
– Fermi-Resonanz: Kopplung von Normalschwingung und Oberton
�Verstärkung des Obertons („intensity borrowing“)
�Verschiebung beider Frequenzen
� Thermische Besetzung (Boltzmann-Verteilung):
� im mid-IR Bereich (4000 – 400 cm-1) sind höhere Übergänge („hot bands“) unwahrsch.
� Anharmonizität spielt i.A. keine große Rolle
� Isotopeneffekt: „Federkonstante“ E(R) in B.O. unabhängig von Kernmasse
10FU Berlin, FB Physik, SoSe 2005: Methoden der Biophysik Dr. Berthold Borucki Institut für Experimentalphysik AG Prof. Dr. Maarten P. Heyn
Schwingungsspektroskopie I
� Übergangsdipolmoment
11FU Berlin, FB Physik, SoSe 2005: Methoden der Biophysik Dr. Berthold Borucki Institut für Experimentalphysik AG Prof. Dr. Maarten P. Heyn
Schwingungsspektroskopie I
� Beispiele für IR-aktive und –inaktive Schwingungen: http://chemistry.boisestate.edu/rbanks/inorganic/electromagnetic%20spectrum/vibrational_modes.htm
� IR-Aktivität: Symmetriebetrachtung � Gruppentheorie
- i.A. relevant bei kleineren Molekülen
- große Moleküle / Biomoleküle oft völlig unsymmetrisch
�alle Schwingungen zeigen IR-Aktivität
� Übergangswahrscheinlichkeit:
� IR-Lineardichroismus