37
TEHNICI DE SPECTROSCOPIE Mihaela Miu (mihaela . miu @imt.ro ) Laboratorul de Nanotehnologii
| Date post: | 29-Jun-2015 |
| Category: |
Documents |
| Upload: | tavi-alban |
| View: | 2,142 times |
| Download: | 23 times |
TEHNICI DE SPECTROSCOPIE
Mihaela Miu (mihaelamiuimtro)
Laboratorul de Nanotehnologii
Definitie generala
Spectroscopia presupune analiza efectului interactiei radiatiei
electromagnetice cu proba
Proprietatile radiatiei
electromagnetice
energia
viteza
amplitudinea
frecventa
unghiul de faza
polarizarea
directia de
propagare
Modificarea a cel putin una din
proprietati are loc la interactia
radiatiei electromagnetice cu
proba
Lungine de undaAmplitudin
e
raze X
excitatia
electronilor adanci
UV Vis
excitatia
electronilor de
valenta
IR
vibratii
moleculare
unde Radio
starile de spin nuclear
(in camp magnetic)
Excitarea electronica a electronilor intre orbitalii moleculari
radiatie
Nivele energetice libere
(posibile stari excitate gt
Ee)
Nivele energetice
ocupate (stari
fundamentale gt Ef)
λ
ΔE = Ee ndash Ef = hcλ
Orbitalii legaturilor simple
σ ndash de legatura (ocupati)
Orbitalii legaturilor simple
σ ndash de antilegatura (neocupati)
Orbitalii legaturilor duble
π ndash de legatura (ocupati)
Orbitalii legaturilor duble
π ndash de antilegatura (neocupati)
σ rarr σ necesita cea mai mare energie
(λlt150nm rarr UV indepartat)
n rarr σ sunt caracteristice sistemelor cu
heteroatomi (N O etc) care contin electroni
neparticipanti (λ asymp 180 - 370 nm)
π rarr π şi n rarr π sunt caracteristice in
cazul moleculelor cu legături duble (λ asymp 200
- 700 nm)
Nivelele vibrationale si rotationale superimpuse peste nivelele
electronice
Nivele rotationale
Nivele rotationale
Nivele vibrationale
Nivele vibrationale
Stari electronice excitate
Stari electronice fundamentale
4 tipuri de tranzitii posibile
Metoda
spectroscopicaFenomenul ce sta la baza Tipul de
radiatie
electromagneti
ca
Domeniul de
lungimi de
unda
Domeniul de
frecventa
Numar de
unda
Spectroscopie UV Visschimbare
a starii electronilor exteriori
masoara absorbtia pentru a avea tranzitii din starea
fundamentalain starea excitata Lumina vizibila
Radiatie UV1000 nm ndash 100
nm 3middot1014Hz - 3middot1016Hz 104 ndash 106 cm-1
Spectroscopie de
fluorescenta
masoara tranzitiile din starea excitata in starea
fundamentala
Spectroscopia IR
schimbarea starii de oscilatie
Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelorradiatie IR
100 μm ndash 1μm 3middot1012Hz - 3middot1014Hz 100 - 104 cm-1Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor atunci cind sint insotite de o modificare in
momentul dipolului
Spectroscopie Raman
Spectroscopie de
electroni (ESCA)schimbarea starii electronilor adanci radiatia
Rőntgen
10 nm -100 pm
3middot1016Hz - 3middot1018Hz 106 ndash 108 cm-1
Spectroscopia de
rezonanta de spin
(ESR)
schimbarea starii de spin a electronului sau a starii hiperfine
microunde 1 m ndash 1 cm 300 MHz ndash 30 GHz
001 ndash 1 cm-1
Spectroscopia de
rezonanta magnetica
nucleara (RMN)
schimbarea starii de spin a nucleului unde radio 100 m ndash 1 m 3 MHz - 300 MHz 10-4 ndash 001 cm-1
Electronii exteriori rarr determina comportarea chimica
Metoda
spectroscopicaFenomenul ce sta la baza Tipul de
radiatie
electromagneti
ca
Domeniul de
lungimi de
unda
Domeniul de
frecventa
Numar de
unda
Spectroscopie UV
Visschimbare
a starii electronilor exteriori
masoara absorbtia pentru a avea tranzitii din starea
fundamentalain starea excitata Lumina
vizibila Radiatie UV
1000 nm ndash 100 nm 3middot1014Hz - 3middot1016Hz 104 ndash 106 cm-1
Spectroscopie de
fluorescenta
masoara tranzitiile din starea excitata in starea
fundamentala
I
SPECTROSCOPIE UV - VIZ
Frecvente mari
Frecvente mici
Spectrul vizibil
Lungimi de unda (nm)
Violet 400 - 420 nm
Indigo 420 - 440 nm
Blue 440 - 490 nm
Green 490 - 570 nm
Yellow 570 - 585 nm
Orange 585 - 620 nm
Red 620 - 780 nm
gt Cand lumina traverseaza sau este reflectata de o
substanta colorata o parte caracteristica a lungimilor de
unda este absorbita
gt Lumina ramasa din spectru se presupune a fi
complementara in culoare cu lungimile de unda absorbite Absorbtia luminii in domeniul 420-430
nm face ca substanta sa fie galbena iar
Absorbtia luminii in domeniul 500-520
nm face ca substanta sa fie rosie
Absorbtia luminii din spectru este datorata tranzitiilor electronice
1
Spectrometru cu retea de diode
(tot spectrul este obtinut odata)
Spectrometru cu monofascicul
(pentru fiecare lungime de unda este detectata
cantitatea de lumina transmisa reflectata)
Spectrometru dublufascicul
Schema de detectie in spectroscopia UV-Vis
Legea Lambert ndash Beer
Transmitanta T = I I0
Absorbanta A = log10 I0 I= log101T = - log T
A = εmiddotcmiddotl
α ndash coeficient de absorbtie
c ndash concentratia speciilor
absorbante
ε ndash absorbtivitatea molara sau
coeficient
de extincţie molara
α = εc
1 Calcularea concentratiei de specii absorbante
Absorbanta este direct proportionala cu concentratia solutiei gt dublarea concentratiei dubleaza absorbtia
lumina incidenta lumina transmisa lumina incidenta lumina transmisa lumina incidenta
lumina transmisa
Absorbanta este direct proportionala cu distanta parcursa in solutie gt dublarea distantei dubleaza absorbtia
Legea Lambert ndash BeerA = εmiddotcmiddotl
1 Calcularea concentratiei de specii absorbante
Exemplu de
curbe de
absorbţie la
diferite
concentraţii de
analit
curba de etalonare a
absorbantei la maximul de
absorbţie la λmax
Deviatii de la legea Beer ndash descrie corect solutiile diluate
La concentratii mari (gt 10-2 M) apar interactii intre particulele
absorbante
In plus se modifica indicele de refractie al solutiei
Evolutia spectrului de absorbtie pentru
nanocristale cu diametre de la 17 nm pana la
12 nm
(CdSeZnS coreshell QD)
2 Se poate calcula dimensiunea
cristalitelor
Lungimi de unda mai mici energii mai mari
Apare deplasarea spre albastru ndash blue shift ndash odata cu scaderea
dimensiunilor
Ex largirea BI ΔEg = 1eV corespunde unei deplasari Δλ asymp 262 nm
scaderea dimensiunilor unui
cristal pana la valori nanometrice
determina aparitia fenomelor de
confinare cuantica
Apare fenomenul de largire a benzii interzise (BI)
450 nm 700 nm
Eg (CdSebulk) = 175 eV rarr λbulk = 710
nm
Eg (CdSeOD) = 275 eV rarr λQD = 450
nm
Δλ asymp 260 nm
SPECTROSCOPIE DE FLUORESCENTA2
excitare
dezexcitare
Fluorescenta
Schema procesului de aparitie a fluorescentei
detectie complementara spectroscopiei UV-Vis
gt daca in spectroscopia UV-Viz se masoara energia absorbita de o molecula pentru
a trece dintr-o stare fundamentala in stare excitata
gt in spectroscopia de fluorescenta se masoara energia emisa de o molecula pentru
a trece din starea excitata in starea fundamentala
Schema de detectie a unui spectrometru de
fluorescenta cu o geometrie la 90ordm utilizand o
sursa de Xe
Detaliu drum optic
Schema de detectie a fluorescentei in ldquoMicroarray technologyrdquo
Se obtine timpul de viata al
unei specii moleculare
excitate
ns
fluorescenta
μs
fosforescent
a
S0 ndash stare fundamentala
S1 ndash prima stare de tranzitie electronica
excitata
Vi ndash stari energetice de vibratie
Conversie interna gt tranzitii neradiative
Diagrama Jablonski
Time resolve fluorescence Proba este supusa unei iluminari in
pulsuri (durata pulsurilor trebuie sa
fie mai scurta ca timpul de viata) gt
nanoFlash Lamp
Steady state fluorescence
(de fapt este o mediere a fenomenelor lsquotime
resolversquo)
Proba este supusa unei iluminari continue
Se obtine spectrul de emisie
Investigarea constantei de legatura a bioconjugatelor
BSA-Nanoparticule de aur
prin spectroscopia de fluorescenta
M Iosin F Toderas and S Astilean Institutul de Cercetari Experimentale Interdisciplinare Laborator de Nanobiofotonica Universitatea Babes Bolyai
Cluj-Napoca
Sfe
re A
uN
P
Bastonase A
uNP
Fenomen de stingere a
fluorescentei
Metoda
spectroscopicaFenomenul ce sta la baza Tipul de
radiatie
electromagneti
ca
Domeniul de
lungimi de
unda
Domeniul de
frecventa
Numar de
unda
Spectroscopia IR
schimbarea starii de oscilatie
Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor
radiatie IR 100 μm ndash 1μm 3middot1012Hz - 3middot1014Hz 100 - 104 cm-1Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor atunci cind sint insotite de o modificare in
momentul dipolului
Spectroscopie
Raman
II
SPECTROSCOPIE IR si Raman3
Fiecare atom are 3 grade de libertate gt o molecula cu n atomi are 3n grade de libertate
3 grade de libertate descriu translatia
moleculei
3 grade de libertate descriu rotatia moleculei
+
3n-6 grade de libertate descriu vibratiile fundamentale
in momentul dipolului
pot da o activitate IR
in polarizare pot da
o activitate Raman
Cele care produc o modificare neta
Sunt vibratii active atat IR cat si Raman
Pentru o molecula liniara rotatia in jurul
axei nu conteaza (nu afecteaza energia
moleculei)
3n ndash 5 grade de liberate descriu vibratiile fundamentale
bull H2O ndash molecula neliniara cu 3 atomi 3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
Exemple
bull CO2 ndash molecula liniara cu 3 atomi 3n ndash 5 = 4 stari vibrationale
bull C6H6 (benzen) ndash molecula foarte mica dar cu 30 de benzi de vibratie in IR si Raman
bull molecula polimer ndash polistiren ndash contine 1000 de unitati monomere (16000 atomi) rarr rarr aproximativ 50000 de vibratii diferite
Este imposibili identificarea tuturor starilor vibrationale rarr simplificam luand in considerare numai gruparile chimice repetitive (ex benzile nucleului aromatic vibratiile C-H C-C sau C=C
Teoria spectroscopiei de absorbtie in infrarosu
Pentru ca o molecula sa absoarba radiatia IR vibratiile sau rotatiile in
interiorul ei trebuie sa determine o schimbare neta in momentul de dipol
Campul electric oscilant al radiatiei electromagnetice
interactioneaza cu fluctuatiile momentului de dipol al
moleculei
Daca frecventa radiatiei se potriveste cu frecventa
vibrationala a moleculei atunci radiatia va fi absorbita
Va aparea o modificare in amplitudinea vibratiei moleculare
Factori care afecteaza pozitia vibratiilor moleculelor in spectrul absorbtiilor
(ii) Taria legaturii
Exemplu
Legatura C - N C - N absoarbe la
1050ndash 1650 cm-1
Energie mai mica
Exemplu
Legatura C equiv N C equiv N absoarbe la
asymp 2200 cm-1
Energie mai mare
In cazul unor legaturi similare diferenta in
energia de absorbtie este data de masa
atomilor constituentiAtomul cu masa mai
mica va vibra mai
puternic
Atomul cu masa mai mare
va vibra mai putin
Legatura C ndash ClC ndash Cl
absoarbe la 600 ndash 800
cm-1
Legatura C ndash Br C ndash Br
absoarbe la 500 ndash 600
cm-1
Atomul de Br e mai greu gt energie mai mica de
vibratie
Atomul de Cl e mai usor gt energie mai mare de
vibratie
I Cazul unor molecule liniare
(i) Tipul de vibratii
Exemplu
Legatura C - H bendC - H bend in alkene
absoarbe la 1365 ndash 1485 cm-1
Exemplu
Legatura C - H stretchC - H stretch in alkene
absoarbe la 2600 ndash 2800 cm-1
Energie mai mare
Energie mai mica
I I Cazul unor molecule neliniare
Exemplu apa (H2O) ndash molecula neliniara cu 3 atomi
3 benzi de absorbtie in IR si Raman
n ndash 1 = 2 rarr vibratii
streching 2n ndash 5 = 1 rarr vibratii
bending
3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
pentru legaturile H - O pentru structura H ndash O - H
Spectru IR
Spectru Raman
Acid benzoic
Felul in care radiatia este utilizata difera in spectroscopia Raman fata de spectroscopia IR
in FTIR energia care acopera un interval de frecvente este directionata catre
proba
gt absorbtia are loc cand frecventa radiatiei incidente se identifica cu cea la
care molecula trece intr-o stare excitata vibrationala
in Raman se utilizeaza o singura frecventa a radiatiei pentru iradierea probei
gt radiatia este imprastiata de molecula detectandu-se unitatile de energie
vibrationale diferite de cele incidente (lumina care interactioneaza cu moleculele distorsioneaza ndash
polarizeaza ndash norul electronic)
Imprasierea Raman trebuie exprimata ca o deplasare in energie fata de radiatia de excitatie
Pentru legaturi cu un moment puternic de dipol (care sunt active IR) mobilitatea electronilor sau polarizabilitatea este de obicei scazuta
Pentru legaturi cu un moment slab de dipol (care sunt inactive IR) polarizabilitatea este de obicei mare si starile vibrationale ale legaturilor
sint active Raman
Spectroscopie Raman
Radiatia IR incidenta determina miscarea electronilor in legaturi si poate fi
absorbita
difuzata fara a i se modifica lungimea de unda gt difuzie Rayleigh
- intensitatea Rayleigh depinde puternic de lungimea de unda I ~ λ-4
imprastiata Raman-Stokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mare decacirct cea a radiatiei
incidente)
imprastiata Raman-antiStokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mica decacirct cea a
radiatiei incidente)
Nu implica nici absorbtia nici emisia ci imprastierea radiatiei
Este sensibila la
mobilitatea electronilor in
legaturi
(polarizabilitatea legaturilor)Masoara cit de usor este sa misti un
electron si implicit sa polarizezi o
legatura
Energia asociata radiatiilor IR este suficienta sa stimuleze vibratiile moleculare (ale
legaturilor chimice)
Spectrul IR rezultat reprezinta absorbtia si transmisia
moleculara fiind amprenta moleculara a probei
Conditii pentru ca o molecula sa absoarba radiatia icircn domeniul IR
1048708 sa aiba o structura de dipol sau sa poata dobandi o astfel de structura prin
excitatie
1048708 perioada de vibratie trebuie sa fie in faza cu perioada de oscilatie a radiatiei
incidente
1048708 cantitatea de energie a radiaţiei IR trebuie sa fie permisa de restrictiile
cuantice
Spectroscopie IR
Spectrele utilizate curent sunt de fapt spectre asupra carora s-a aplicat transformata Fourier
Spectroscopia FTIR - o metoda de masura a tuturor frecventelor IR simultan utilizand
interferometria
Fasciculul IR incident este
divizat in 2 fascicule optice
Un fascicul se reflecta pe
o oglinda plata fixa
Al 2-lea fascicul se reflecta pe o
oglinda plata care se deplaseaza
pe distante scurte (inainte ndash
inapoi)
Se recombina cind se reintilnesc in splitter
Pentru ca au parcurcurs drumuri optice diferite semnalul
rezultat este un semnal de interferenta
Fiecare punct contine o
informatie despre fiecare
frecventa IR care vine de la
sursa
Schema de detectie
Spectrul FTIR pentru o solutie de etanol
Observatii
- o molecula contine legaturi care dau mai multe vibratii posibile gt in spectrul IR trebuie sa se
regaseasca mai multe absorbtii care sa defineasca o molecula (nu numai o legatura chimica)
- se pot identifica legaturile specifice ale unei molecule (gruparile functionale) pentru a
determina structura
O-H
C-H
C-0
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelor
procesul de clusterizare a particulelor in suspensieSe obtin in plus informatii despre
procesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie
proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi
luminoase
daca particulele ar fi fixe gt imaginea de pe ecran ar fi
stationara
fiind in miscare browniana gt imaginea nu este stationaraproba
Particule in
suspensie
Intensitatea
luminoasa va fluctua
in timp
III
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
Definitie generala
Spectroscopia presupune analiza efectului interactiei radiatiei
electromagnetice cu proba
Proprietatile radiatiei
electromagnetice
energia
viteza
amplitudinea
frecventa
unghiul de faza
polarizarea
directia de
propagare
Modificarea a cel putin una din
proprietati are loc la interactia
radiatiei electromagnetice cu
proba
Lungine de undaAmplitudin
e
raze X
excitatia
electronilor adanci
UV Vis
excitatia
electronilor de
valenta
IR
vibratii
moleculare
unde Radio
starile de spin nuclear
(in camp magnetic)
Excitarea electronica a electronilor intre orbitalii moleculari
radiatie
Nivele energetice libere
(posibile stari excitate gt
Ee)
Nivele energetice
ocupate (stari
fundamentale gt Ef)
λ
ΔE = Ee ndash Ef = hcλ
Orbitalii legaturilor simple
σ ndash de legatura (ocupati)
Orbitalii legaturilor simple
σ ndash de antilegatura (neocupati)
Orbitalii legaturilor duble
π ndash de legatura (ocupati)
Orbitalii legaturilor duble
π ndash de antilegatura (neocupati)
σ rarr σ necesita cea mai mare energie
(λlt150nm rarr UV indepartat)
n rarr σ sunt caracteristice sistemelor cu
heteroatomi (N O etc) care contin electroni
neparticipanti (λ asymp 180 - 370 nm)
π rarr π şi n rarr π sunt caracteristice in
cazul moleculelor cu legături duble (λ asymp 200
- 700 nm)
Nivelele vibrationale si rotationale superimpuse peste nivelele
electronice
Nivele rotationale
Nivele rotationale
Nivele vibrationale
Nivele vibrationale
Stari electronice excitate
Stari electronice fundamentale
4 tipuri de tranzitii posibile
Metoda
spectroscopicaFenomenul ce sta la baza Tipul de
radiatie
electromagneti
ca
Domeniul de
lungimi de
unda
Domeniul de
frecventa
Numar de
unda
Spectroscopie UV Visschimbare
a starii electronilor exteriori
masoara absorbtia pentru a avea tranzitii din starea
fundamentalain starea excitata Lumina vizibila
Radiatie UV1000 nm ndash 100
nm 3middot1014Hz - 3middot1016Hz 104 ndash 106 cm-1
Spectroscopie de
fluorescenta
masoara tranzitiile din starea excitata in starea
fundamentala
Spectroscopia IR
schimbarea starii de oscilatie
Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelorradiatie IR
100 μm ndash 1μm 3middot1012Hz - 3middot1014Hz 100 - 104 cm-1Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor atunci cind sint insotite de o modificare in
momentul dipolului
Spectroscopie Raman
Spectroscopie de
electroni (ESCA)schimbarea starii electronilor adanci radiatia
Rőntgen
10 nm -100 pm
3middot1016Hz - 3middot1018Hz 106 ndash 108 cm-1
Spectroscopia de
rezonanta de spin
(ESR)
schimbarea starii de spin a electronului sau a starii hiperfine
microunde 1 m ndash 1 cm 300 MHz ndash 30 GHz
001 ndash 1 cm-1
Spectroscopia de
rezonanta magnetica
nucleara (RMN)
schimbarea starii de spin a nucleului unde radio 100 m ndash 1 m 3 MHz - 300 MHz 10-4 ndash 001 cm-1
Electronii exteriori rarr determina comportarea chimica
Metoda
spectroscopicaFenomenul ce sta la baza Tipul de
radiatie
electromagneti
ca
Domeniul de
lungimi de
unda
Domeniul de
frecventa
Numar de
unda
Spectroscopie UV
Visschimbare
a starii electronilor exteriori
masoara absorbtia pentru a avea tranzitii din starea
fundamentalain starea excitata Lumina
vizibila Radiatie UV
1000 nm ndash 100 nm 3middot1014Hz - 3middot1016Hz 104 ndash 106 cm-1
Spectroscopie de
fluorescenta
masoara tranzitiile din starea excitata in starea
fundamentala
I
SPECTROSCOPIE UV - VIZ
Frecvente mari
Frecvente mici
Spectrul vizibil
Lungimi de unda (nm)
Violet 400 - 420 nm
Indigo 420 - 440 nm
Blue 440 - 490 nm
Green 490 - 570 nm
Yellow 570 - 585 nm
Orange 585 - 620 nm
Red 620 - 780 nm
gt Cand lumina traverseaza sau este reflectata de o
substanta colorata o parte caracteristica a lungimilor de
unda este absorbita
gt Lumina ramasa din spectru se presupune a fi
complementara in culoare cu lungimile de unda absorbite Absorbtia luminii in domeniul 420-430
nm face ca substanta sa fie galbena iar
Absorbtia luminii in domeniul 500-520
nm face ca substanta sa fie rosie
Absorbtia luminii din spectru este datorata tranzitiilor electronice
1
Spectrometru cu retea de diode
(tot spectrul este obtinut odata)
Spectrometru cu monofascicul
(pentru fiecare lungime de unda este detectata
cantitatea de lumina transmisa reflectata)
Spectrometru dublufascicul
Schema de detectie in spectroscopia UV-Vis
Legea Lambert ndash Beer
Transmitanta T = I I0
Absorbanta A = log10 I0 I= log101T = - log T
A = εmiddotcmiddotl
α ndash coeficient de absorbtie
c ndash concentratia speciilor
absorbante
ε ndash absorbtivitatea molara sau
coeficient
de extincţie molara
α = εc
1 Calcularea concentratiei de specii absorbante
Absorbanta este direct proportionala cu concentratia solutiei gt dublarea concentratiei dubleaza absorbtia
lumina incidenta lumina transmisa lumina incidenta lumina transmisa lumina incidenta
lumina transmisa
Absorbanta este direct proportionala cu distanta parcursa in solutie gt dublarea distantei dubleaza absorbtia
Legea Lambert ndash BeerA = εmiddotcmiddotl
1 Calcularea concentratiei de specii absorbante
Exemplu de
curbe de
absorbţie la
diferite
concentraţii de
analit
curba de etalonare a
absorbantei la maximul de
absorbţie la λmax
Deviatii de la legea Beer ndash descrie corect solutiile diluate
La concentratii mari (gt 10-2 M) apar interactii intre particulele
absorbante
In plus se modifica indicele de refractie al solutiei
Evolutia spectrului de absorbtie pentru
nanocristale cu diametre de la 17 nm pana la
12 nm
(CdSeZnS coreshell QD)
2 Se poate calcula dimensiunea
cristalitelor
Lungimi de unda mai mici energii mai mari
Apare deplasarea spre albastru ndash blue shift ndash odata cu scaderea
dimensiunilor
Ex largirea BI ΔEg = 1eV corespunde unei deplasari Δλ asymp 262 nm
scaderea dimensiunilor unui
cristal pana la valori nanometrice
determina aparitia fenomelor de
confinare cuantica
Apare fenomenul de largire a benzii interzise (BI)
450 nm 700 nm
Eg (CdSebulk) = 175 eV rarr λbulk = 710
nm
Eg (CdSeOD) = 275 eV rarr λQD = 450
nm
Δλ asymp 260 nm
SPECTROSCOPIE DE FLUORESCENTA2
excitare
dezexcitare
Fluorescenta
Schema procesului de aparitie a fluorescentei
detectie complementara spectroscopiei UV-Vis
gt daca in spectroscopia UV-Viz se masoara energia absorbita de o molecula pentru
a trece dintr-o stare fundamentala in stare excitata
gt in spectroscopia de fluorescenta se masoara energia emisa de o molecula pentru
a trece din starea excitata in starea fundamentala
Schema de detectie a unui spectrometru de
fluorescenta cu o geometrie la 90ordm utilizand o
sursa de Xe
Detaliu drum optic
Schema de detectie a fluorescentei in ldquoMicroarray technologyrdquo
Se obtine timpul de viata al
unei specii moleculare
excitate
ns
fluorescenta
μs
fosforescent
a
S0 ndash stare fundamentala
S1 ndash prima stare de tranzitie electronica
excitata
Vi ndash stari energetice de vibratie
Conversie interna gt tranzitii neradiative
Diagrama Jablonski
Time resolve fluorescence Proba este supusa unei iluminari in
pulsuri (durata pulsurilor trebuie sa
fie mai scurta ca timpul de viata) gt
nanoFlash Lamp
Steady state fluorescence
(de fapt este o mediere a fenomenelor lsquotime
resolversquo)
Proba este supusa unei iluminari continue
Se obtine spectrul de emisie
Investigarea constantei de legatura a bioconjugatelor
BSA-Nanoparticule de aur
prin spectroscopia de fluorescenta
M Iosin F Toderas and S Astilean Institutul de Cercetari Experimentale Interdisciplinare Laborator de Nanobiofotonica Universitatea Babes Bolyai
Cluj-Napoca
Sfe
re A
uN
P
Bastonase A
uNP
Fenomen de stingere a
fluorescentei
Metoda
spectroscopicaFenomenul ce sta la baza Tipul de
radiatie
electromagneti
ca
Domeniul de
lungimi de
unda
Domeniul de
frecventa
Numar de
unda
Spectroscopia IR
schimbarea starii de oscilatie
Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor
radiatie IR 100 μm ndash 1μm 3middot1012Hz - 3middot1014Hz 100 - 104 cm-1Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor atunci cind sint insotite de o modificare in
momentul dipolului
Spectroscopie
Raman
II
SPECTROSCOPIE IR si Raman3
Fiecare atom are 3 grade de libertate gt o molecula cu n atomi are 3n grade de libertate
3 grade de libertate descriu translatia
moleculei
3 grade de libertate descriu rotatia moleculei
+
3n-6 grade de libertate descriu vibratiile fundamentale
in momentul dipolului
pot da o activitate IR
in polarizare pot da
o activitate Raman
Cele care produc o modificare neta
Sunt vibratii active atat IR cat si Raman
Pentru o molecula liniara rotatia in jurul
axei nu conteaza (nu afecteaza energia
moleculei)
3n ndash 5 grade de liberate descriu vibratiile fundamentale
bull H2O ndash molecula neliniara cu 3 atomi 3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
Exemple
bull CO2 ndash molecula liniara cu 3 atomi 3n ndash 5 = 4 stari vibrationale
bull C6H6 (benzen) ndash molecula foarte mica dar cu 30 de benzi de vibratie in IR si Raman
bull molecula polimer ndash polistiren ndash contine 1000 de unitati monomere (16000 atomi) rarr rarr aproximativ 50000 de vibratii diferite
Este imposibili identificarea tuturor starilor vibrationale rarr simplificam luand in considerare numai gruparile chimice repetitive (ex benzile nucleului aromatic vibratiile C-H C-C sau C=C
Teoria spectroscopiei de absorbtie in infrarosu
Pentru ca o molecula sa absoarba radiatia IR vibratiile sau rotatiile in
interiorul ei trebuie sa determine o schimbare neta in momentul de dipol
Campul electric oscilant al radiatiei electromagnetice
interactioneaza cu fluctuatiile momentului de dipol al
moleculei
Daca frecventa radiatiei se potriveste cu frecventa
vibrationala a moleculei atunci radiatia va fi absorbita
Va aparea o modificare in amplitudinea vibratiei moleculare
Factori care afecteaza pozitia vibratiilor moleculelor in spectrul absorbtiilor
(ii) Taria legaturii
Exemplu
Legatura C - N C - N absoarbe la
1050ndash 1650 cm-1
Energie mai mica
Exemplu
Legatura C equiv N C equiv N absoarbe la
asymp 2200 cm-1
Energie mai mare
In cazul unor legaturi similare diferenta in
energia de absorbtie este data de masa
atomilor constituentiAtomul cu masa mai
mica va vibra mai
puternic
Atomul cu masa mai mare
va vibra mai putin
Legatura C ndash ClC ndash Cl
absoarbe la 600 ndash 800
cm-1
Legatura C ndash Br C ndash Br
absoarbe la 500 ndash 600
cm-1
Atomul de Br e mai greu gt energie mai mica de
vibratie
Atomul de Cl e mai usor gt energie mai mare de
vibratie
I Cazul unor molecule liniare
(i) Tipul de vibratii
Exemplu
Legatura C - H bendC - H bend in alkene
absoarbe la 1365 ndash 1485 cm-1
Exemplu
Legatura C - H stretchC - H stretch in alkene
absoarbe la 2600 ndash 2800 cm-1
Energie mai mare
Energie mai mica
I I Cazul unor molecule neliniare
Exemplu apa (H2O) ndash molecula neliniara cu 3 atomi
3 benzi de absorbtie in IR si Raman
n ndash 1 = 2 rarr vibratii
streching 2n ndash 5 = 1 rarr vibratii
bending
3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
pentru legaturile H - O pentru structura H ndash O - H
Spectru IR
Spectru Raman
Acid benzoic
Felul in care radiatia este utilizata difera in spectroscopia Raman fata de spectroscopia IR
in FTIR energia care acopera un interval de frecvente este directionata catre
proba
gt absorbtia are loc cand frecventa radiatiei incidente se identifica cu cea la
care molecula trece intr-o stare excitata vibrationala
in Raman se utilizeaza o singura frecventa a radiatiei pentru iradierea probei
gt radiatia este imprastiata de molecula detectandu-se unitatile de energie
vibrationale diferite de cele incidente (lumina care interactioneaza cu moleculele distorsioneaza ndash
polarizeaza ndash norul electronic)
Imprasierea Raman trebuie exprimata ca o deplasare in energie fata de radiatia de excitatie
Pentru legaturi cu un moment puternic de dipol (care sunt active IR) mobilitatea electronilor sau polarizabilitatea este de obicei scazuta
Pentru legaturi cu un moment slab de dipol (care sunt inactive IR) polarizabilitatea este de obicei mare si starile vibrationale ale legaturilor
sint active Raman
Spectroscopie Raman
Radiatia IR incidenta determina miscarea electronilor in legaturi si poate fi
absorbita
difuzata fara a i se modifica lungimea de unda gt difuzie Rayleigh
- intensitatea Rayleigh depinde puternic de lungimea de unda I ~ λ-4
imprastiata Raman-Stokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mare decacirct cea a radiatiei
incidente)
imprastiata Raman-antiStokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mica decacirct cea a
radiatiei incidente)
Nu implica nici absorbtia nici emisia ci imprastierea radiatiei
Este sensibila la
mobilitatea electronilor in
legaturi
(polarizabilitatea legaturilor)Masoara cit de usor este sa misti un
electron si implicit sa polarizezi o
legatura
Energia asociata radiatiilor IR este suficienta sa stimuleze vibratiile moleculare (ale
legaturilor chimice)
Spectrul IR rezultat reprezinta absorbtia si transmisia
moleculara fiind amprenta moleculara a probei
Conditii pentru ca o molecula sa absoarba radiatia icircn domeniul IR
1048708 sa aiba o structura de dipol sau sa poata dobandi o astfel de structura prin
excitatie
1048708 perioada de vibratie trebuie sa fie in faza cu perioada de oscilatie a radiatiei
incidente
1048708 cantitatea de energie a radiaţiei IR trebuie sa fie permisa de restrictiile
cuantice
Spectroscopie IR
Spectrele utilizate curent sunt de fapt spectre asupra carora s-a aplicat transformata Fourier
Spectroscopia FTIR - o metoda de masura a tuturor frecventelor IR simultan utilizand
interferometria
Fasciculul IR incident este
divizat in 2 fascicule optice
Un fascicul se reflecta pe
o oglinda plata fixa
Al 2-lea fascicul se reflecta pe o
oglinda plata care se deplaseaza
pe distante scurte (inainte ndash
inapoi)
Se recombina cind se reintilnesc in splitter
Pentru ca au parcurcurs drumuri optice diferite semnalul
rezultat este un semnal de interferenta
Fiecare punct contine o
informatie despre fiecare
frecventa IR care vine de la
sursa
Schema de detectie
Spectrul FTIR pentru o solutie de etanol
Observatii
- o molecula contine legaturi care dau mai multe vibratii posibile gt in spectrul IR trebuie sa se
regaseasca mai multe absorbtii care sa defineasca o molecula (nu numai o legatura chimica)
- se pot identifica legaturile specifice ale unei molecule (gruparile functionale) pentru a
determina structura
O-H
C-H
C-0
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelor
procesul de clusterizare a particulelor in suspensieSe obtin in plus informatii despre
procesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie
proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi
luminoase
daca particulele ar fi fixe gt imaginea de pe ecran ar fi
stationara
fiind in miscare browniana gt imaginea nu este stationaraproba
Particule in
suspensie
Intensitatea
luminoasa va fluctua
in timp
III
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
raze X
excitatia
electronilor adanci
UV Vis
excitatia
electronilor de
valenta
IR
vibratii
moleculare
unde Radio
starile de spin nuclear
(in camp magnetic)
Excitarea electronica a electronilor intre orbitalii moleculari
radiatie
Nivele energetice libere
(posibile stari excitate gt
Ee)
Nivele energetice
ocupate (stari
fundamentale gt Ef)
λ
ΔE = Ee ndash Ef = hcλ
Orbitalii legaturilor simple
σ ndash de legatura (ocupati)
Orbitalii legaturilor simple
σ ndash de antilegatura (neocupati)
Orbitalii legaturilor duble
π ndash de legatura (ocupati)
Orbitalii legaturilor duble
π ndash de antilegatura (neocupati)
σ rarr σ necesita cea mai mare energie
(λlt150nm rarr UV indepartat)
n rarr σ sunt caracteristice sistemelor cu
heteroatomi (N O etc) care contin electroni
neparticipanti (λ asymp 180 - 370 nm)
π rarr π şi n rarr π sunt caracteristice in
cazul moleculelor cu legături duble (λ asymp 200
- 700 nm)
Nivelele vibrationale si rotationale superimpuse peste nivelele
electronice
Nivele rotationale
Nivele rotationale
Nivele vibrationale
Nivele vibrationale
Stari electronice excitate
Stari electronice fundamentale
4 tipuri de tranzitii posibile
Metoda
spectroscopicaFenomenul ce sta la baza Tipul de
radiatie
electromagneti
ca
Domeniul de
lungimi de
unda
Domeniul de
frecventa
Numar de
unda
Spectroscopie UV Visschimbare
a starii electronilor exteriori
masoara absorbtia pentru a avea tranzitii din starea
fundamentalain starea excitata Lumina vizibila
Radiatie UV1000 nm ndash 100
nm 3middot1014Hz - 3middot1016Hz 104 ndash 106 cm-1
Spectroscopie de
fluorescenta
masoara tranzitiile din starea excitata in starea
fundamentala
Spectroscopia IR
schimbarea starii de oscilatie
Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelorradiatie IR
100 μm ndash 1μm 3middot1012Hz - 3middot1014Hz 100 - 104 cm-1Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor atunci cind sint insotite de o modificare in
momentul dipolului
Spectroscopie Raman
Spectroscopie de
electroni (ESCA)schimbarea starii electronilor adanci radiatia
Rőntgen
10 nm -100 pm
3middot1016Hz - 3middot1018Hz 106 ndash 108 cm-1
Spectroscopia de
rezonanta de spin
(ESR)
schimbarea starii de spin a electronului sau a starii hiperfine
microunde 1 m ndash 1 cm 300 MHz ndash 30 GHz
001 ndash 1 cm-1
Spectroscopia de
rezonanta magnetica
nucleara (RMN)
schimbarea starii de spin a nucleului unde radio 100 m ndash 1 m 3 MHz - 300 MHz 10-4 ndash 001 cm-1
Electronii exteriori rarr determina comportarea chimica
Metoda
spectroscopicaFenomenul ce sta la baza Tipul de
radiatie
electromagneti
ca
Domeniul de
lungimi de
unda
Domeniul de
frecventa
Numar de
unda
Spectroscopie UV
Visschimbare
a starii electronilor exteriori
masoara absorbtia pentru a avea tranzitii din starea
fundamentalain starea excitata Lumina
vizibila Radiatie UV
1000 nm ndash 100 nm 3middot1014Hz - 3middot1016Hz 104 ndash 106 cm-1
Spectroscopie de
fluorescenta
masoara tranzitiile din starea excitata in starea
fundamentala
I
SPECTROSCOPIE UV - VIZ
Frecvente mari
Frecvente mici
Spectrul vizibil
Lungimi de unda (nm)
Violet 400 - 420 nm
Indigo 420 - 440 nm
Blue 440 - 490 nm
Green 490 - 570 nm
Yellow 570 - 585 nm
Orange 585 - 620 nm
Red 620 - 780 nm
gt Cand lumina traverseaza sau este reflectata de o
substanta colorata o parte caracteristica a lungimilor de
unda este absorbita
gt Lumina ramasa din spectru se presupune a fi
complementara in culoare cu lungimile de unda absorbite Absorbtia luminii in domeniul 420-430
nm face ca substanta sa fie galbena iar
Absorbtia luminii in domeniul 500-520
nm face ca substanta sa fie rosie
Absorbtia luminii din spectru este datorata tranzitiilor electronice
1
Spectrometru cu retea de diode
(tot spectrul este obtinut odata)
Spectrometru cu monofascicul
(pentru fiecare lungime de unda este detectata
cantitatea de lumina transmisa reflectata)
Spectrometru dublufascicul
Schema de detectie in spectroscopia UV-Vis
Legea Lambert ndash Beer
Transmitanta T = I I0
Absorbanta A = log10 I0 I= log101T = - log T
A = εmiddotcmiddotl
α ndash coeficient de absorbtie
c ndash concentratia speciilor
absorbante
ε ndash absorbtivitatea molara sau
coeficient
de extincţie molara
α = εc
1 Calcularea concentratiei de specii absorbante
Absorbanta este direct proportionala cu concentratia solutiei gt dublarea concentratiei dubleaza absorbtia
lumina incidenta lumina transmisa lumina incidenta lumina transmisa lumina incidenta
lumina transmisa
Absorbanta este direct proportionala cu distanta parcursa in solutie gt dublarea distantei dubleaza absorbtia
Legea Lambert ndash BeerA = εmiddotcmiddotl
1 Calcularea concentratiei de specii absorbante
Exemplu de
curbe de
absorbţie la
diferite
concentraţii de
analit
curba de etalonare a
absorbantei la maximul de
absorbţie la λmax
Deviatii de la legea Beer ndash descrie corect solutiile diluate
La concentratii mari (gt 10-2 M) apar interactii intre particulele
absorbante
In plus se modifica indicele de refractie al solutiei
Evolutia spectrului de absorbtie pentru
nanocristale cu diametre de la 17 nm pana la
12 nm
(CdSeZnS coreshell QD)
2 Se poate calcula dimensiunea
cristalitelor
Lungimi de unda mai mici energii mai mari
Apare deplasarea spre albastru ndash blue shift ndash odata cu scaderea
dimensiunilor
Ex largirea BI ΔEg = 1eV corespunde unei deplasari Δλ asymp 262 nm
scaderea dimensiunilor unui
cristal pana la valori nanometrice
determina aparitia fenomelor de
confinare cuantica
Apare fenomenul de largire a benzii interzise (BI)
450 nm 700 nm
Eg (CdSebulk) = 175 eV rarr λbulk = 710
nm
Eg (CdSeOD) = 275 eV rarr λQD = 450
nm
Δλ asymp 260 nm
SPECTROSCOPIE DE FLUORESCENTA2
excitare
dezexcitare
Fluorescenta
Schema procesului de aparitie a fluorescentei
detectie complementara spectroscopiei UV-Vis
gt daca in spectroscopia UV-Viz se masoara energia absorbita de o molecula pentru
a trece dintr-o stare fundamentala in stare excitata
gt in spectroscopia de fluorescenta se masoara energia emisa de o molecula pentru
a trece din starea excitata in starea fundamentala
Schema de detectie a unui spectrometru de
fluorescenta cu o geometrie la 90ordm utilizand o
sursa de Xe
Detaliu drum optic
Schema de detectie a fluorescentei in ldquoMicroarray technologyrdquo
Se obtine timpul de viata al
unei specii moleculare
excitate
ns
fluorescenta
μs
fosforescent
a
S0 ndash stare fundamentala
S1 ndash prima stare de tranzitie electronica
excitata
Vi ndash stari energetice de vibratie
Conversie interna gt tranzitii neradiative
Diagrama Jablonski
Time resolve fluorescence Proba este supusa unei iluminari in
pulsuri (durata pulsurilor trebuie sa
fie mai scurta ca timpul de viata) gt
nanoFlash Lamp
Steady state fluorescence
(de fapt este o mediere a fenomenelor lsquotime
resolversquo)
Proba este supusa unei iluminari continue
Se obtine spectrul de emisie
Investigarea constantei de legatura a bioconjugatelor
BSA-Nanoparticule de aur
prin spectroscopia de fluorescenta
M Iosin F Toderas and S Astilean Institutul de Cercetari Experimentale Interdisciplinare Laborator de Nanobiofotonica Universitatea Babes Bolyai
Cluj-Napoca
Sfe
re A
uN
P
Bastonase A
uNP
Fenomen de stingere a
fluorescentei
Metoda
spectroscopicaFenomenul ce sta la baza Tipul de
radiatie
electromagneti
ca
Domeniul de
lungimi de
unda
Domeniul de
frecventa
Numar de
unda
Spectroscopia IR
schimbarea starii de oscilatie
Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor
radiatie IR 100 μm ndash 1μm 3middot1012Hz - 3middot1014Hz 100 - 104 cm-1Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor atunci cind sint insotite de o modificare in
momentul dipolului
Spectroscopie
Raman
II
SPECTROSCOPIE IR si Raman3
Fiecare atom are 3 grade de libertate gt o molecula cu n atomi are 3n grade de libertate
3 grade de libertate descriu translatia
moleculei
3 grade de libertate descriu rotatia moleculei
+
3n-6 grade de libertate descriu vibratiile fundamentale
in momentul dipolului
pot da o activitate IR
in polarizare pot da
o activitate Raman
Cele care produc o modificare neta
Sunt vibratii active atat IR cat si Raman
Pentru o molecula liniara rotatia in jurul
axei nu conteaza (nu afecteaza energia
moleculei)
3n ndash 5 grade de liberate descriu vibratiile fundamentale
bull H2O ndash molecula neliniara cu 3 atomi 3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
Exemple
bull CO2 ndash molecula liniara cu 3 atomi 3n ndash 5 = 4 stari vibrationale
bull C6H6 (benzen) ndash molecula foarte mica dar cu 30 de benzi de vibratie in IR si Raman
bull molecula polimer ndash polistiren ndash contine 1000 de unitati monomere (16000 atomi) rarr rarr aproximativ 50000 de vibratii diferite
Este imposibili identificarea tuturor starilor vibrationale rarr simplificam luand in considerare numai gruparile chimice repetitive (ex benzile nucleului aromatic vibratiile C-H C-C sau C=C
Teoria spectroscopiei de absorbtie in infrarosu
Pentru ca o molecula sa absoarba radiatia IR vibratiile sau rotatiile in
interiorul ei trebuie sa determine o schimbare neta in momentul de dipol
Campul electric oscilant al radiatiei electromagnetice
interactioneaza cu fluctuatiile momentului de dipol al
moleculei
Daca frecventa radiatiei se potriveste cu frecventa
vibrationala a moleculei atunci radiatia va fi absorbita
Va aparea o modificare in amplitudinea vibratiei moleculare
Factori care afecteaza pozitia vibratiilor moleculelor in spectrul absorbtiilor
(ii) Taria legaturii
Exemplu
Legatura C - N C - N absoarbe la
1050ndash 1650 cm-1
Energie mai mica
Exemplu
Legatura C equiv N C equiv N absoarbe la
asymp 2200 cm-1
Energie mai mare
In cazul unor legaturi similare diferenta in
energia de absorbtie este data de masa
atomilor constituentiAtomul cu masa mai
mica va vibra mai
puternic
Atomul cu masa mai mare
va vibra mai putin
Legatura C ndash ClC ndash Cl
absoarbe la 600 ndash 800
cm-1
Legatura C ndash Br C ndash Br
absoarbe la 500 ndash 600
cm-1
Atomul de Br e mai greu gt energie mai mica de
vibratie
Atomul de Cl e mai usor gt energie mai mare de
vibratie
I Cazul unor molecule liniare
(i) Tipul de vibratii
Exemplu
Legatura C - H bendC - H bend in alkene
absoarbe la 1365 ndash 1485 cm-1
Exemplu
Legatura C - H stretchC - H stretch in alkene
absoarbe la 2600 ndash 2800 cm-1
Energie mai mare
Energie mai mica
I I Cazul unor molecule neliniare
Exemplu apa (H2O) ndash molecula neliniara cu 3 atomi
3 benzi de absorbtie in IR si Raman
n ndash 1 = 2 rarr vibratii
streching 2n ndash 5 = 1 rarr vibratii
bending
3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
pentru legaturile H - O pentru structura H ndash O - H
Spectru IR
Spectru Raman
Acid benzoic
Felul in care radiatia este utilizata difera in spectroscopia Raman fata de spectroscopia IR
in FTIR energia care acopera un interval de frecvente este directionata catre
proba
gt absorbtia are loc cand frecventa radiatiei incidente se identifica cu cea la
care molecula trece intr-o stare excitata vibrationala
in Raman se utilizeaza o singura frecventa a radiatiei pentru iradierea probei
gt radiatia este imprastiata de molecula detectandu-se unitatile de energie
vibrationale diferite de cele incidente (lumina care interactioneaza cu moleculele distorsioneaza ndash
polarizeaza ndash norul electronic)
Imprasierea Raman trebuie exprimata ca o deplasare in energie fata de radiatia de excitatie
Pentru legaturi cu un moment puternic de dipol (care sunt active IR) mobilitatea electronilor sau polarizabilitatea este de obicei scazuta
Pentru legaturi cu un moment slab de dipol (care sunt inactive IR) polarizabilitatea este de obicei mare si starile vibrationale ale legaturilor
sint active Raman
Spectroscopie Raman
Radiatia IR incidenta determina miscarea electronilor in legaturi si poate fi
absorbita
difuzata fara a i se modifica lungimea de unda gt difuzie Rayleigh
- intensitatea Rayleigh depinde puternic de lungimea de unda I ~ λ-4
imprastiata Raman-Stokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mare decacirct cea a radiatiei
incidente)
imprastiata Raman-antiStokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mica decacirct cea a
radiatiei incidente)
Nu implica nici absorbtia nici emisia ci imprastierea radiatiei
Este sensibila la
mobilitatea electronilor in
legaturi
(polarizabilitatea legaturilor)Masoara cit de usor este sa misti un
electron si implicit sa polarizezi o
legatura
Energia asociata radiatiilor IR este suficienta sa stimuleze vibratiile moleculare (ale
legaturilor chimice)
Spectrul IR rezultat reprezinta absorbtia si transmisia
moleculara fiind amprenta moleculara a probei
Conditii pentru ca o molecula sa absoarba radiatia icircn domeniul IR
1048708 sa aiba o structura de dipol sau sa poata dobandi o astfel de structura prin
excitatie
1048708 perioada de vibratie trebuie sa fie in faza cu perioada de oscilatie a radiatiei
incidente
1048708 cantitatea de energie a radiaţiei IR trebuie sa fie permisa de restrictiile
cuantice
Spectroscopie IR
Spectrele utilizate curent sunt de fapt spectre asupra carora s-a aplicat transformata Fourier
Spectroscopia FTIR - o metoda de masura a tuturor frecventelor IR simultan utilizand
interferometria
Fasciculul IR incident este
divizat in 2 fascicule optice
Un fascicul se reflecta pe
o oglinda plata fixa
Al 2-lea fascicul se reflecta pe o
oglinda plata care se deplaseaza
pe distante scurte (inainte ndash
inapoi)
Se recombina cind se reintilnesc in splitter
Pentru ca au parcurcurs drumuri optice diferite semnalul
rezultat este un semnal de interferenta
Fiecare punct contine o
informatie despre fiecare
frecventa IR care vine de la
sursa
Schema de detectie
Spectrul FTIR pentru o solutie de etanol
Observatii
- o molecula contine legaturi care dau mai multe vibratii posibile gt in spectrul IR trebuie sa se
regaseasca mai multe absorbtii care sa defineasca o molecula (nu numai o legatura chimica)
- se pot identifica legaturile specifice ale unei molecule (gruparile functionale) pentru a
determina structura
O-H
C-H
C-0
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelor
procesul de clusterizare a particulelor in suspensieSe obtin in plus informatii despre
procesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie
proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi
luminoase
daca particulele ar fi fixe gt imaginea de pe ecran ar fi
stationara
fiind in miscare browniana gt imaginea nu este stationaraproba
Particule in
suspensie
Intensitatea
luminoasa va fluctua
in timp
III
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
Excitarea electronica a electronilor intre orbitalii moleculari
radiatie
Nivele energetice libere
(posibile stari excitate gt
Ee)
Nivele energetice
ocupate (stari
fundamentale gt Ef)
λ
ΔE = Ee ndash Ef = hcλ
Orbitalii legaturilor simple
σ ndash de legatura (ocupati)
Orbitalii legaturilor simple
σ ndash de antilegatura (neocupati)
Orbitalii legaturilor duble
π ndash de legatura (ocupati)
Orbitalii legaturilor duble
π ndash de antilegatura (neocupati)
σ rarr σ necesita cea mai mare energie
(λlt150nm rarr UV indepartat)
n rarr σ sunt caracteristice sistemelor cu
heteroatomi (N O etc) care contin electroni
neparticipanti (λ asymp 180 - 370 nm)
π rarr π şi n rarr π sunt caracteristice in
cazul moleculelor cu legături duble (λ asymp 200
- 700 nm)
Nivelele vibrationale si rotationale superimpuse peste nivelele
electronice
Nivele rotationale
Nivele rotationale
Nivele vibrationale
Nivele vibrationale
Stari electronice excitate
Stari electronice fundamentale
4 tipuri de tranzitii posibile
Metoda
spectroscopicaFenomenul ce sta la baza Tipul de
radiatie
electromagneti
ca
Domeniul de
lungimi de
unda
Domeniul de
frecventa
Numar de
unda
Spectroscopie UV Visschimbare
a starii electronilor exteriori
masoara absorbtia pentru a avea tranzitii din starea
fundamentalain starea excitata Lumina vizibila
Radiatie UV1000 nm ndash 100
nm 3middot1014Hz - 3middot1016Hz 104 ndash 106 cm-1
Spectroscopie de
fluorescenta
masoara tranzitiile din starea excitata in starea
fundamentala
Spectroscopia IR
schimbarea starii de oscilatie
Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelorradiatie IR
100 μm ndash 1μm 3middot1012Hz - 3middot1014Hz 100 - 104 cm-1Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor atunci cind sint insotite de o modificare in
momentul dipolului
Spectroscopie Raman
Spectroscopie de
electroni (ESCA)schimbarea starii electronilor adanci radiatia
Rőntgen
10 nm -100 pm
3middot1016Hz - 3middot1018Hz 106 ndash 108 cm-1
Spectroscopia de
rezonanta de spin
(ESR)
schimbarea starii de spin a electronului sau a starii hiperfine
microunde 1 m ndash 1 cm 300 MHz ndash 30 GHz
001 ndash 1 cm-1
Spectroscopia de
rezonanta magnetica
nucleara (RMN)
schimbarea starii de spin a nucleului unde radio 100 m ndash 1 m 3 MHz - 300 MHz 10-4 ndash 001 cm-1
Electronii exteriori rarr determina comportarea chimica
Metoda
spectroscopicaFenomenul ce sta la baza Tipul de
radiatie
electromagneti
ca
Domeniul de
lungimi de
unda
Domeniul de
frecventa
Numar de
unda
Spectroscopie UV
Visschimbare
a starii electronilor exteriori
masoara absorbtia pentru a avea tranzitii din starea
fundamentalain starea excitata Lumina
vizibila Radiatie UV
1000 nm ndash 100 nm 3middot1014Hz - 3middot1016Hz 104 ndash 106 cm-1
Spectroscopie de
fluorescenta
masoara tranzitiile din starea excitata in starea
fundamentala
I
SPECTROSCOPIE UV - VIZ
Frecvente mari
Frecvente mici
Spectrul vizibil
Lungimi de unda (nm)
Violet 400 - 420 nm
Indigo 420 - 440 nm
Blue 440 - 490 nm
Green 490 - 570 nm
Yellow 570 - 585 nm
Orange 585 - 620 nm
Red 620 - 780 nm
gt Cand lumina traverseaza sau este reflectata de o
substanta colorata o parte caracteristica a lungimilor de
unda este absorbita
gt Lumina ramasa din spectru se presupune a fi
complementara in culoare cu lungimile de unda absorbite Absorbtia luminii in domeniul 420-430
nm face ca substanta sa fie galbena iar
Absorbtia luminii in domeniul 500-520
nm face ca substanta sa fie rosie
Absorbtia luminii din spectru este datorata tranzitiilor electronice
1
Spectrometru cu retea de diode
(tot spectrul este obtinut odata)
Spectrometru cu monofascicul
(pentru fiecare lungime de unda este detectata
cantitatea de lumina transmisa reflectata)
Spectrometru dublufascicul
Schema de detectie in spectroscopia UV-Vis
Legea Lambert ndash Beer
Transmitanta T = I I0
Absorbanta A = log10 I0 I= log101T = - log T
A = εmiddotcmiddotl
α ndash coeficient de absorbtie
c ndash concentratia speciilor
absorbante
ε ndash absorbtivitatea molara sau
coeficient
de extincţie molara
α = εc
1 Calcularea concentratiei de specii absorbante
Absorbanta este direct proportionala cu concentratia solutiei gt dublarea concentratiei dubleaza absorbtia
lumina incidenta lumina transmisa lumina incidenta lumina transmisa lumina incidenta
lumina transmisa
Absorbanta este direct proportionala cu distanta parcursa in solutie gt dublarea distantei dubleaza absorbtia
Legea Lambert ndash BeerA = εmiddotcmiddotl
1 Calcularea concentratiei de specii absorbante
Exemplu de
curbe de
absorbţie la
diferite
concentraţii de
analit
curba de etalonare a
absorbantei la maximul de
absorbţie la λmax
Deviatii de la legea Beer ndash descrie corect solutiile diluate
La concentratii mari (gt 10-2 M) apar interactii intre particulele
absorbante
In plus se modifica indicele de refractie al solutiei
Evolutia spectrului de absorbtie pentru
nanocristale cu diametre de la 17 nm pana la
12 nm
(CdSeZnS coreshell QD)
2 Se poate calcula dimensiunea
cristalitelor
Lungimi de unda mai mici energii mai mari
Apare deplasarea spre albastru ndash blue shift ndash odata cu scaderea
dimensiunilor
Ex largirea BI ΔEg = 1eV corespunde unei deplasari Δλ asymp 262 nm
scaderea dimensiunilor unui
cristal pana la valori nanometrice
determina aparitia fenomelor de
confinare cuantica
Apare fenomenul de largire a benzii interzise (BI)
450 nm 700 nm
Eg (CdSebulk) = 175 eV rarr λbulk = 710
nm
Eg (CdSeOD) = 275 eV rarr λQD = 450
nm
Δλ asymp 260 nm
SPECTROSCOPIE DE FLUORESCENTA2
excitare
dezexcitare
Fluorescenta
Schema procesului de aparitie a fluorescentei
detectie complementara spectroscopiei UV-Vis
gt daca in spectroscopia UV-Viz se masoara energia absorbita de o molecula pentru
a trece dintr-o stare fundamentala in stare excitata
gt in spectroscopia de fluorescenta se masoara energia emisa de o molecula pentru
a trece din starea excitata in starea fundamentala
Schema de detectie a unui spectrometru de
fluorescenta cu o geometrie la 90ordm utilizand o
sursa de Xe
Detaliu drum optic
Schema de detectie a fluorescentei in ldquoMicroarray technologyrdquo
Se obtine timpul de viata al
unei specii moleculare
excitate
ns
fluorescenta
μs
fosforescent
a
S0 ndash stare fundamentala
S1 ndash prima stare de tranzitie electronica
excitata
Vi ndash stari energetice de vibratie
Conversie interna gt tranzitii neradiative
Diagrama Jablonski
Time resolve fluorescence Proba este supusa unei iluminari in
pulsuri (durata pulsurilor trebuie sa
fie mai scurta ca timpul de viata) gt
nanoFlash Lamp
Steady state fluorescence
(de fapt este o mediere a fenomenelor lsquotime
resolversquo)
Proba este supusa unei iluminari continue
Se obtine spectrul de emisie
Investigarea constantei de legatura a bioconjugatelor
BSA-Nanoparticule de aur
prin spectroscopia de fluorescenta
M Iosin F Toderas and S Astilean Institutul de Cercetari Experimentale Interdisciplinare Laborator de Nanobiofotonica Universitatea Babes Bolyai
Cluj-Napoca
Sfe
re A
uN
P
Bastonase A
uNP
Fenomen de stingere a
fluorescentei
Metoda
spectroscopicaFenomenul ce sta la baza Tipul de
radiatie
electromagneti
ca
Domeniul de
lungimi de
unda
Domeniul de
frecventa
Numar de
unda
Spectroscopia IR
schimbarea starii de oscilatie
Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor
radiatie IR 100 μm ndash 1μm 3middot1012Hz - 3middot1014Hz 100 - 104 cm-1Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor atunci cind sint insotite de o modificare in
momentul dipolului
Spectroscopie
Raman
II
SPECTROSCOPIE IR si Raman3
Fiecare atom are 3 grade de libertate gt o molecula cu n atomi are 3n grade de libertate
3 grade de libertate descriu translatia
moleculei
3 grade de libertate descriu rotatia moleculei
+
3n-6 grade de libertate descriu vibratiile fundamentale
in momentul dipolului
pot da o activitate IR
in polarizare pot da
o activitate Raman
Cele care produc o modificare neta
Sunt vibratii active atat IR cat si Raman
Pentru o molecula liniara rotatia in jurul
axei nu conteaza (nu afecteaza energia
moleculei)
3n ndash 5 grade de liberate descriu vibratiile fundamentale
bull H2O ndash molecula neliniara cu 3 atomi 3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
Exemple
bull CO2 ndash molecula liniara cu 3 atomi 3n ndash 5 = 4 stari vibrationale
bull C6H6 (benzen) ndash molecula foarte mica dar cu 30 de benzi de vibratie in IR si Raman
bull molecula polimer ndash polistiren ndash contine 1000 de unitati monomere (16000 atomi) rarr rarr aproximativ 50000 de vibratii diferite
Este imposibili identificarea tuturor starilor vibrationale rarr simplificam luand in considerare numai gruparile chimice repetitive (ex benzile nucleului aromatic vibratiile C-H C-C sau C=C
Teoria spectroscopiei de absorbtie in infrarosu
Pentru ca o molecula sa absoarba radiatia IR vibratiile sau rotatiile in
interiorul ei trebuie sa determine o schimbare neta in momentul de dipol
Campul electric oscilant al radiatiei electromagnetice
interactioneaza cu fluctuatiile momentului de dipol al
moleculei
Daca frecventa radiatiei se potriveste cu frecventa
vibrationala a moleculei atunci radiatia va fi absorbita
Va aparea o modificare in amplitudinea vibratiei moleculare
Factori care afecteaza pozitia vibratiilor moleculelor in spectrul absorbtiilor
(ii) Taria legaturii
Exemplu
Legatura C - N C - N absoarbe la
1050ndash 1650 cm-1
Energie mai mica
Exemplu
Legatura C equiv N C equiv N absoarbe la
asymp 2200 cm-1
Energie mai mare
In cazul unor legaturi similare diferenta in
energia de absorbtie este data de masa
atomilor constituentiAtomul cu masa mai
mica va vibra mai
puternic
Atomul cu masa mai mare
va vibra mai putin
Legatura C ndash ClC ndash Cl
absoarbe la 600 ndash 800
cm-1
Legatura C ndash Br C ndash Br
absoarbe la 500 ndash 600
cm-1
Atomul de Br e mai greu gt energie mai mica de
vibratie
Atomul de Cl e mai usor gt energie mai mare de
vibratie
I Cazul unor molecule liniare
(i) Tipul de vibratii
Exemplu
Legatura C - H bendC - H bend in alkene
absoarbe la 1365 ndash 1485 cm-1
Exemplu
Legatura C - H stretchC - H stretch in alkene
absoarbe la 2600 ndash 2800 cm-1
Energie mai mare
Energie mai mica
I I Cazul unor molecule neliniare
Exemplu apa (H2O) ndash molecula neliniara cu 3 atomi
3 benzi de absorbtie in IR si Raman
n ndash 1 = 2 rarr vibratii
streching 2n ndash 5 = 1 rarr vibratii
bending
3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
pentru legaturile H - O pentru structura H ndash O - H
Spectru IR
Spectru Raman
Acid benzoic
Felul in care radiatia este utilizata difera in spectroscopia Raman fata de spectroscopia IR
in FTIR energia care acopera un interval de frecvente este directionata catre
proba
gt absorbtia are loc cand frecventa radiatiei incidente se identifica cu cea la
care molecula trece intr-o stare excitata vibrationala
in Raman se utilizeaza o singura frecventa a radiatiei pentru iradierea probei
gt radiatia este imprastiata de molecula detectandu-se unitatile de energie
vibrationale diferite de cele incidente (lumina care interactioneaza cu moleculele distorsioneaza ndash
polarizeaza ndash norul electronic)
Imprasierea Raman trebuie exprimata ca o deplasare in energie fata de radiatia de excitatie
Pentru legaturi cu un moment puternic de dipol (care sunt active IR) mobilitatea electronilor sau polarizabilitatea este de obicei scazuta
Pentru legaturi cu un moment slab de dipol (care sunt inactive IR) polarizabilitatea este de obicei mare si starile vibrationale ale legaturilor
sint active Raman
Spectroscopie Raman
Radiatia IR incidenta determina miscarea electronilor in legaturi si poate fi
absorbita
difuzata fara a i se modifica lungimea de unda gt difuzie Rayleigh
- intensitatea Rayleigh depinde puternic de lungimea de unda I ~ λ-4
imprastiata Raman-Stokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mare decacirct cea a radiatiei
incidente)
imprastiata Raman-antiStokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mica decacirct cea a
radiatiei incidente)
Nu implica nici absorbtia nici emisia ci imprastierea radiatiei
Este sensibila la
mobilitatea electronilor in
legaturi
(polarizabilitatea legaturilor)Masoara cit de usor este sa misti un
electron si implicit sa polarizezi o
legatura
Energia asociata radiatiilor IR este suficienta sa stimuleze vibratiile moleculare (ale
legaturilor chimice)
Spectrul IR rezultat reprezinta absorbtia si transmisia
moleculara fiind amprenta moleculara a probei
Conditii pentru ca o molecula sa absoarba radiatia icircn domeniul IR
1048708 sa aiba o structura de dipol sau sa poata dobandi o astfel de structura prin
excitatie
1048708 perioada de vibratie trebuie sa fie in faza cu perioada de oscilatie a radiatiei
incidente
1048708 cantitatea de energie a radiaţiei IR trebuie sa fie permisa de restrictiile
cuantice
Spectroscopie IR
Spectrele utilizate curent sunt de fapt spectre asupra carora s-a aplicat transformata Fourier
Spectroscopia FTIR - o metoda de masura a tuturor frecventelor IR simultan utilizand
interferometria
Fasciculul IR incident este
divizat in 2 fascicule optice
Un fascicul se reflecta pe
o oglinda plata fixa
Al 2-lea fascicul se reflecta pe o
oglinda plata care se deplaseaza
pe distante scurte (inainte ndash
inapoi)
Se recombina cind se reintilnesc in splitter
Pentru ca au parcurcurs drumuri optice diferite semnalul
rezultat este un semnal de interferenta
Fiecare punct contine o
informatie despre fiecare
frecventa IR care vine de la
sursa
Schema de detectie
Spectrul FTIR pentru o solutie de etanol
Observatii
- o molecula contine legaturi care dau mai multe vibratii posibile gt in spectrul IR trebuie sa se
regaseasca mai multe absorbtii care sa defineasca o molecula (nu numai o legatura chimica)
- se pot identifica legaturile specifice ale unei molecule (gruparile functionale) pentru a
determina structura
O-H
C-H
C-0
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelor
procesul de clusterizare a particulelor in suspensieSe obtin in plus informatii despre
procesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie
proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi
luminoase
daca particulele ar fi fixe gt imaginea de pe ecran ar fi
stationara
fiind in miscare browniana gt imaginea nu este stationaraproba
Particule in
suspensie
Intensitatea
luminoasa va fluctua
in timp
III
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
Metoda
spectroscopicaFenomenul ce sta la baza Tipul de
radiatie
electromagneti
ca
Domeniul de
lungimi de
unda
Domeniul de
frecventa
Numar de
unda
Spectroscopie UV Visschimbare
a starii electronilor exteriori
masoara absorbtia pentru a avea tranzitii din starea
fundamentalain starea excitata Lumina vizibila
Radiatie UV1000 nm ndash 100
nm 3middot1014Hz - 3middot1016Hz 104 ndash 106 cm-1
Spectroscopie de
fluorescenta
masoara tranzitiile din starea excitata in starea
fundamentala
Spectroscopia IR
schimbarea starii de oscilatie
Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelorradiatie IR
100 μm ndash 1μm 3middot1012Hz - 3middot1014Hz 100 - 104 cm-1Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor atunci cind sint insotite de o modificare in
momentul dipolului
Spectroscopie Raman
Spectroscopie de
electroni (ESCA)schimbarea starii electronilor adanci radiatia
Rőntgen
10 nm -100 pm
3middot1016Hz - 3middot1018Hz 106 ndash 108 cm-1
Spectroscopia de
rezonanta de spin
(ESR)
schimbarea starii de spin a electronului sau a starii hiperfine
microunde 1 m ndash 1 cm 300 MHz ndash 30 GHz
001 ndash 1 cm-1
Spectroscopia de
rezonanta magnetica
nucleara (RMN)
schimbarea starii de spin a nucleului unde radio 100 m ndash 1 m 3 MHz - 300 MHz 10-4 ndash 001 cm-1
Electronii exteriori rarr determina comportarea chimica
Metoda
spectroscopicaFenomenul ce sta la baza Tipul de
radiatie
electromagneti
ca
Domeniul de
lungimi de
unda
Domeniul de
frecventa
Numar de
unda
Spectroscopie UV
Visschimbare
a starii electronilor exteriori
masoara absorbtia pentru a avea tranzitii din starea
fundamentalain starea excitata Lumina
vizibila Radiatie UV
1000 nm ndash 100 nm 3middot1014Hz - 3middot1016Hz 104 ndash 106 cm-1
Spectroscopie de
fluorescenta
masoara tranzitiile din starea excitata in starea
fundamentala
I
SPECTROSCOPIE UV - VIZ
Frecvente mari
Frecvente mici
Spectrul vizibil
Lungimi de unda (nm)
Violet 400 - 420 nm
Indigo 420 - 440 nm
Blue 440 - 490 nm
Green 490 - 570 nm
Yellow 570 - 585 nm
Orange 585 - 620 nm
Red 620 - 780 nm
gt Cand lumina traverseaza sau este reflectata de o
substanta colorata o parte caracteristica a lungimilor de
unda este absorbita
gt Lumina ramasa din spectru se presupune a fi
complementara in culoare cu lungimile de unda absorbite Absorbtia luminii in domeniul 420-430
nm face ca substanta sa fie galbena iar
Absorbtia luminii in domeniul 500-520
nm face ca substanta sa fie rosie
Absorbtia luminii din spectru este datorata tranzitiilor electronice
1
Spectrometru cu retea de diode
(tot spectrul este obtinut odata)
Spectrometru cu monofascicul
(pentru fiecare lungime de unda este detectata
cantitatea de lumina transmisa reflectata)
Spectrometru dublufascicul
Schema de detectie in spectroscopia UV-Vis
Legea Lambert ndash Beer
Transmitanta T = I I0
Absorbanta A = log10 I0 I= log101T = - log T
A = εmiddotcmiddotl
α ndash coeficient de absorbtie
c ndash concentratia speciilor
absorbante
ε ndash absorbtivitatea molara sau
coeficient
de extincţie molara
α = εc
1 Calcularea concentratiei de specii absorbante
Absorbanta este direct proportionala cu concentratia solutiei gt dublarea concentratiei dubleaza absorbtia
lumina incidenta lumina transmisa lumina incidenta lumina transmisa lumina incidenta
lumina transmisa
Absorbanta este direct proportionala cu distanta parcursa in solutie gt dublarea distantei dubleaza absorbtia
Legea Lambert ndash BeerA = εmiddotcmiddotl
1 Calcularea concentratiei de specii absorbante
Exemplu de
curbe de
absorbţie la
diferite
concentraţii de
analit
curba de etalonare a
absorbantei la maximul de
absorbţie la λmax
Deviatii de la legea Beer ndash descrie corect solutiile diluate
La concentratii mari (gt 10-2 M) apar interactii intre particulele
absorbante
In plus se modifica indicele de refractie al solutiei
Evolutia spectrului de absorbtie pentru
nanocristale cu diametre de la 17 nm pana la
12 nm
(CdSeZnS coreshell QD)
2 Se poate calcula dimensiunea
cristalitelor
Lungimi de unda mai mici energii mai mari
Apare deplasarea spre albastru ndash blue shift ndash odata cu scaderea
dimensiunilor
Ex largirea BI ΔEg = 1eV corespunde unei deplasari Δλ asymp 262 nm
scaderea dimensiunilor unui
cristal pana la valori nanometrice
determina aparitia fenomelor de
confinare cuantica
Apare fenomenul de largire a benzii interzise (BI)
450 nm 700 nm
Eg (CdSebulk) = 175 eV rarr λbulk = 710
nm
Eg (CdSeOD) = 275 eV rarr λQD = 450
nm
Δλ asymp 260 nm
SPECTROSCOPIE DE FLUORESCENTA2
excitare
dezexcitare
Fluorescenta
Schema procesului de aparitie a fluorescentei
detectie complementara spectroscopiei UV-Vis
gt daca in spectroscopia UV-Viz se masoara energia absorbita de o molecula pentru
a trece dintr-o stare fundamentala in stare excitata
gt in spectroscopia de fluorescenta se masoara energia emisa de o molecula pentru
a trece din starea excitata in starea fundamentala
Schema de detectie a unui spectrometru de
fluorescenta cu o geometrie la 90ordm utilizand o
sursa de Xe
Detaliu drum optic
Schema de detectie a fluorescentei in ldquoMicroarray technologyrdquo
Se obtine timpul de viata al
unei specii moleculare
excitate
ns
fluorescenta
μs
fosforescent
a
S0 ndash stare fundamentala
S1 ndash prima stare de tranzitie electronica
excitata
Vi ndash stari energetice de vibratie
Conversie interna gt tranzitii neradiative
Diagrama Jablonski
Time resolve fluorescence Proba este supusa unei iluminari in
pulsuri (durata pulsurilor trebuie sa
fie mai scurta ca timpul de viata) gt
nanoFlash Lamp
Steady state fluorescence
(de fapt este o mediere a fenomenelor lsquotime
resolversquo)
Proba este supusa unei iluminari continue
Se obtine spectrul de emisie
Investigarea constantei de legatura a bioconjugatelor
BSA-Nanoparticule de aur
prin spectroscopia de fluorescenta
M Iosin F Toderas and S Astilean Institutul de Cercetari Experimentale Interdisciplinare Laborator de Nanobiofotonica Universitatea Babes Bolyai
Cluj-Napoca
Sfe
re A
uN
P
Bastonase A
uNP
Fenomen de stingere a
fluorescentei
Metoda
spectroscopicaFenomenul ce sta la baza Tipul de
radiatie
electromagneti
ca
Domeniul de
lungimi de
unda
Domeniul de
frecventa
Numar de
unda
Spectroscopia IR
schimbarea starii de oscilatie
Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor
radiatie IR 100 μm ndash 1μm 3middot1012Hz - 3middot1014Hz 100 - 104 cm-1Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor atunci cind sint insotite de o modificare in
momentul dipolului
Spectroscopie
Raman
II
SPECTROSCOPIE IR si Raman3
Fiecare atom are 3 grade de libertate gt o molecula cu n atomi are 3n grade de libertate
3 grade de libertate descriu translatia
moleculei
3 grade de libertate descriu rotatia moleculei
+
3n-6 grade de libertate descriu vibratiile fundamentale
in momentul dipolului
pot da o activitate IR
in polarizare pot da
o activitate Raman
Cele care produc o modificare neta
Sunt vibratii active atat IR cat si Raman
Pentru o molecula liniara rotatia in jurul
axei nu conteaza (nu afecteaza energia
moleculei)
3n ndash 5 grade de liberate descriu vibratiile fundamentale
bull H2O ndash molecula neliniara cu 3 atomi 3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
Exemple
bull CO2 ndash molecula liniara cu 3 atomi 3n ndash 5 = 4 stari vibrationale
bull C6H6 (benzen) ndash molecula foarte mica dar cu 30 de benzi de vibratie in IR si Raman
bull molecula polimer ndash polistiren ndash contine 1000 de unitati monomere (16000 atomi) rarr rarr aproximativ 50000 de vibratii diferite
Este imposibili identificarea tuturor starilor vibrationale rarr simplificam luand in considerare numai gruparile chimice repetitive (ex benzile nucleului aromatic vibratiile C-H C-C sau C=C
Teoria spectroscopiei de absorbtie in infrarosu
Pentru ca o molecula sa absoarba radiatia IR vibratiile sau rotatiile in
interiorul ei trebuie sa determine o schimbare neta in momentul de dipol
Campul electric oscilant al radiatiei electromagnetice
interactioneaza cu fluctuatiile momentului de dipol al
moleculei
Daca frecventa radiatiei se potriveste cu frecventa
vibrationala a moleculei atunci radiatia va fi absorbita
Va aparea o modificare in amplitudinea vibratiei moleculare
Factori care afecteaza pozitia vibratiilor moleculelor in spectrul absorbtiilor
(ii) Taria legaturii
Exemplu
Legatura C - N C - N absoarbe la
1050ndash 1650 cm-1
Energie mai mica
Exemplu
Legatura C equiv N C equiv N absoarbe la
asymp 2200 cm-1
Energie mai mare
In cazul unor legaturi similare diferenta in
energia de absorbtie este data de masa
atomilor constituentiAtomul cu masa mai
mica va vibra mai
puternic
Atomul cu masa mai mare
va vibra mai putin
Legatura C ndash ClC ndash Cl
absoarbe la 600 ndash 800
cm-1
Legatura C ndash Br C ndash Br
absoarbe la 500 ndash 600
cm-1
Atomul de Br e mai greu gt energie mai mica de
vibratie
Atomul de Cl e mai usor gt energie mai mare de
vibratie
I Cazul unor molecule liniare
(i) Tipul de vibratii
Exemplu
Legatura C - H bendC - H bend in alkene
absoarbe la 1365 ndash 1485 cm-1
Exemplu
Legatura C - H stretchC - H stretch in alkene
absoarbe la 2600 ndash 2800 cm-1
Energie mai mare
Energie mai mica
I I Cazul unor molecule neliniare
Exemplu apa (H2O) ndash molecula neliniara cu 3 atomi
3 benzi de absorbtie in IR si Raman
n ndash 1 = 2 rarr vibratii
streching 2n ndash 5 = 1 rarr vibratii
bending
3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
pentru legaturile H - O pentru structura H ndash O - H
Spectru IR
Spectru Raman
Acid benzoic
Felul in care radiatia este utilizata difera in spectroscopia Raman fata de spectroscopia IR
in FTIR energia care acopera un interval de frecvente este directionata catre
proba
gt absorbtia are loc cand frecventa radiatiei incidente se identifica cu cea la
care molecula trece intr-o stare excitata vibrationala
in Raman se utilizeaza o singura frecventa a radiatiei pentru iradierea probei
gt radiatia este imprastiata de molecula detectandu-se unitatile de energie
vibrationale diferite de cele incidente (lumina care interactioneaza cu moleculele distorsioneaza ndash
polarizeaza ndash norul electronic)
Imprasierea Raman trebuie exprimata ca o deplasare in energie fata de radiatia de excitatie
Pentru legaturi cu un moment puternic de dipol (care sunt active IR) mobilitatea electronilor sau polarizabilitatea este de obicei scazuta
Pentru legaturi cu un moment slab de dipol (care sunt inactive IR) polarizabilitatea este de obicei mare si starile vibrationale ale legaturilor
sint active Raman
Spectroscopie Raman
Radiatia IR incidenta determina miscarea electronilor in legaturi si poate fi
absorbita
difuzata fara a i se modifica lungimea de unda gt difuzie Rayleigh
- intensitatea Rayleigh depinde puternic de lungimea de unda I ~ λ-4
imprastiata Raman-Stokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mare decacirct cea a radiatiei
incidente)
imprastiata Raman-antiStokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mica decacirct cea a
radiatiei incidente)
Nu implica nici absorbtia nici emisia ci imprastierea radiatiei
Este sensibila la
mobilitatea electronilor in
legaturi
(polarizabilitatea legaturilor)Masoara cit de usor este sa misti un
electron si implicit sa polarizezi o
legatura
Energia asociata radiatiilor IR este suficienta sa stimuleze vibratiile moleculare (ale
legaturilor chimice)
Spectrul IR rezultat reprezinta absorbtia si transmisia
moleculara fiind amprenta moleculara a probei
Conditii pentru ca o molecula sa absoarba radiatia icircn domeniul IR
1048708 sa aiba o structura de dipol sau sa poata dobandi o astfel de structura prin
excitatie
1048708 perioada de vibratie trebuie sa fie in faza cu perioada de oscilatie a radiatiei
incidente
1048708 cantitatea de energie a radiaţiei IR trebuie sa fie permisa de restrictiile
cuantice
Spectroscopie IR
Spectrele utilizate curent sunt de fapt spectre asupra carora s-a aplicat transformata Fourier
Spectroscopia FTIR - o metoda de masura a tuturor frecventelor IR simultan utilizand
interferometria
Fasciculul IR incident este
divizat in 2 fascicule optice
Un fascicul se reflecta pe
o oglinda plata fixa
Al 2-lea fascicul se reflecta pe o
oglinda plata care se deplaseaza
pe distante scurte (inainte ndash
inapoi)
Se recombina cind se reintilnesc in splitter
Pentru ca au parcurcurs drumuri optice diferite semnalul
rezultat este un semnal de interferenta
Fiecare punct contine o
informatie despre fiecare
frecventa IR care vine de la
sursa
Schema de detectie
Spectrul FTIR pentru o solutie de etanol
Observatii
- o molecula contine legaturi care dau mai multe vibratii posibile gt in spectrul IR trebuie sa se
regaseasca mai multe absorbtii care sa defineasca o molecula (nu numai o legatura chimica)
- se pot identifica legaturile specifice ale unei molecule (gruparile functionale) pentru a
determina structura
O-H
C-H
C-0
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelor
procesul de clusterizare a particulelor in suspensieSe obtin in plus informatii despre
procesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie
proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi
luminoase
daca particulele ar fi fixe gt imaginea de pe ecran ar fi
stationara
fiind in miscare browniana gt imaginea nu este stationaraproba
Particule in
suspensie
Intensitatea
luminoasa va fluctua
in timp
III
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
Metoda
spectroscopicaFenomenul ce sta la baza Tipul de
radiatie
electromagneti
ca
Domeniul de
lungimi de
unda
Domeniul de
frecventa
Numar de
unda
Spectroscopie UV
Visschimbare
a starii electronilor exteriori
masoara absorbtia pentru a avea tranzitii din starea
fundamentalain starea excitata Lumina
vizibila Radiatie UV
1000 nm ndash 100 nm 3middot1014Hz - 3middot1016Hz 104 ndash 106 cm-1
Spectroscopie de
fluorescenta
masoara tranzitiile din starea excitata in starea
fundamentala
I
SPECTROSCOPIE UV - VIZ
Frecvente mari
Frecvente mici
Spectrul vizibil
Lungimi de unda (nm)
Violet 400 - 420 nm
Indigo 420 - 440 nm
Blue 440 - 490 nm
Green 490 - 570 nm
Yellow 570 - 585 nm
Orange 585 - 620 nm
Red 620 - 780 nm
gt Cand lumina traverseaza sau este reflectata de o
substanta colorata o parte caracteristica a lungimilor de
unda este absorbita
gt Lumina ramasa din spectru se presupune a fi
complementara in culoare cu lungimile de unda absorbite Absorbtia luminii in domeniul 420-430
nm face ca substanta sa fie galbena iar
Absorbtia luminii in domeniul 500-520
nm face ca substanta sa fie rosie
Absorbtia luminii din spectru este datorata tranzitiilor electronice
1
Spectrometru cu retea de diode
(tot spectrul este obtinut odata)
Spectrometru cu monofascicul
(pentru fiecare lungime de unda este detectata
cantitatea de lumina transmisa reflectata)
Spectrometru dublufascicul
Schema de detectie in spectroscopia UV-Vis
Legea Lambert ndash Beer
Transmitanta T = I I0
Absorbanta A = log10 I0 I= log101T = - log T
A = εmiddotcmiddotl
α ndash coeficient de absorbtie
c ndash concentratia speciilor
absorbante
ε ndash absorbtivitatea molara sau
coeficient
de extincţie molara
α = εc
1 Calcularea concentratiei de specii absorbante
Absorbanta este direct proportionala cu concentratia solutiei gt dublarea concentratiei dubleaza absorbtia
lumina incidenta lumina transmisa lumina incidenta lumina transmisa lumina incidenta
lumina transmisa
Absorbanta este direct proportionala cu distanta parcursa in solutie gt dublarea distantei dubleaza absorbtia
Legea Lambert ndash BeerA = εmiddotcmiddotl
1 Calcularea concentratiei de specii absorbante
Exemplu de
curbe de
absorbţie la
diferite
concentraţii de
analit
curba de etalonare a
absorbantei la maximul de
absorbţie la λmax
Deviatii de la legea Beer ndash descrie corect solutiile diluate
La concentratii mari (gt 10-2 M) apar interactii intre particulele
absorbante
In plus se modifica indicele de refractie al solutiei
Evolutia spectrului de absorbtie pentru
nanocristale cu diametre de la 17 nm pana la
12 nm
(CdSeZnS coreshell QD)
2 Se poate calcula dimensiunea
cristalitelor
Lungimi de unda mai mici energii mai mari
Apare deplasarea spre albastru ndash blue shift ndash odata cu scaderea
dimensiunilor
Ex largirea BI ΔEg = 1eV corespunde unei deplasari Δλ asymp 262 nm
scaderea dimensiunilor unui
cristal pana la valori nanometrice
determina aparitia fenomelor de
confinare cuantica
Apare fenomenul de largire a benzii interzise (BI)
450 nm 700 nm
Eg (CdSebulk) = 175 eV rarr λbulk = 710
nm
Eg (CdSeOD) = 275 eV rarr λQD = 450
nm
Δλ asymp 260 nm
SPECTROSCOPIE DE FLUORESCENTA2
excitare
dezexcitare
Fluorescenta
Schema procesului de aparitie a fluorescentei
detectie complementara spectroscopiei UV-Vis
gt daca in spectroscopia UV-Viz se masoara energia absorbita de o molecula pentru
a trece dintr-o stare fundamentala in stare excitata
gt in spectroscopia de fluorescenta se masoara energia emisa de o molecula pentru
a trece din starea excitata in starea fundamentala
Schema de detectie a unui spectrometru de
fluorescenta cu o geometrie la 90ordm utilizand o
sursa de Xe
Detaliu drum optic
Schema de detectie a fluorescentei in ldquoMicroarray technologyrdquo
Se obtine timpul de viata al
unei specii moleculare
excitate
ns
fluorescenta
μs
fosforescent
a
S0 ndash stare fundamentala
S1 ndash prima stare de tranzitie electronica
excitata
Vi ndash stari energetice de vibratie
Conversie interna gt tranzitii neradiative
Diagrama Jablonski
Time resolve fluorescence Proba este supusa unei iluminari in
pulsuri (durata pulsurilor trebuie sa
fie mai scurta ca timpul de viata) gt
nanoFlash Lamp
Steady state fluorescence
(de fapt este o mediere a fenomenelor lsquotime
resolversquo)
Proba este supusa unei iluminari continue
Se obtine spectrul de emisie
Investigarea constantei de legatura a bioconjugatelor
BSA-Nanoparticule de aur
prin spectroscopia de fluorescenta
M Iosin F Toderas and S Astilean Institutul de Cercetari Experimentale Interdisciplinare Laborator de Nanobiofotonica Universitatea Babes Bolyai
Cluj-Napoca
Sfe
re A
uN
P
Bastonase A
uNP
Fenomen de stingere a
fluorescentei
Metoda
spectroscopicaFenomenul ce sta la baza Tipul de
radiatie
electromagneti
ca
Domeniul de
lungimi de
unda
Domeniul de
frecventa
Numar de
unda
Spectroscopia IR
schimbarea starii de oscilatie
Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor
radiatie IR 100 μm ndash 1μm 3middot1012Hz - 3middot1014Hz 100 - 104 cm-1Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor atunci cind sint insotite de o modificare in
momentul dipolului
Spectroscopie
Raman
II
SPECTROSCOPIE IR si Raman3
Fiecare atom are 3 grade de libertate gt o molecula cu n atomi are 3n grade de libertate
3 grade de libertate descriu translatia
moleculei
3 grade de libertate descriu rotatia moleculei
+
3n-6 grade de libertate descriu vibratiile fundamentale
in momentul dipolului
pot da o activitate IR
in polarizare pot da
o activitate Raman
Cele care produc o modificare neta
Sunt vibratii active atat IR cat si Raman
Pentru o molecula liniara rotatia in jurul
axei nu conteaza (nu afecteaza energia
moleculei)
3n ndash 5 grade de liberate descriu vibratiile fundamentale
bull H2O ndash molecula neliniara cu 3 atomi 3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
Exemple
bull CO2 ndash molecula liniara cu 3 atomi 3n ndash 5 = 4 stari vibrationale
bull C6H6 (benzen) ndash molecula foarte mica dar cu 30 de benzi de vibratie in IR si Raman
bull molecula polimer ndash polistiren ndash contine 1000 de unitati monomere (16000 atomi) rarr rarr aproximativ 50000 de vibratii diferite
Este imposibili identificarea tuturor starilor vibrationale rarr simplificam luand in considerare numai gruparile chimice repetitive (ex benzile nucleului aromatic vibratiile C-H C-C sau C=C
Teoria spectroscopiei de absorbtie in infrarosu
Pentru ca o molecula sa absoarba radiatia IR vibratiile sau rotatiile in
interiorul ei trebuie sa determine o schimbare neta in momentul de dipol
Campul electric oscilant al radiatiei electromagnetice
interactioneaza cu fluctuatiile momentului de dipol al
moleculei
Daca frecventa radiatiei se potriveste cu frecventa
vibrationala a moleculei atunci radiatia va fi absorbita
Va aparea o modificare in amplitudinea vibratiei moleculare
Factori care afecteaza pozitia vibratiilor moleculelor in spectrul absorbtiilor
(ii) Taria legaturii
Exemplu
Legatura C - N C - N absoarbe la
1050ndash 1650 cm-1
Energie mai mica
Exemplu
Legatura C equiv N C equiv N absoarbe la
asymp 2200 cm-1
Energie mai mare
In cazul unor legaturi similare diferenta in
energia de absorbtie este data de masa
atomilor constituentiAtomul cu masa mai
mica va vibra mai
puternic
Atomul cu masa mai mare
va vibra mai putin
Legatura C ndash ClC ndash Cl
absoarbe la 600 ndash 800
cm-1
Legatura C ndash Br C ndash Br
absoarbe la 500 ndash 600
cm-1
Atomul de Br e mai greu gt energie mai mica de
vibratie
Atomul de Cl e mai usor gt energie mai mare de
vibratie
I Cazul unor molecule liniare
(i) Tipul de vibratii
Exemplu
Legatura C - H bendC - H bend in alkene
absoarbe la 1365 ndash 1485 cm-1
Exemplu
Legatura C - H stretchC - H stretch in alkene
absoarbe la 2600 ndash 2800 cm-1
Energie mai mare
Energie mai mica
I I Cazul unor molecule neliniare
Exemplu apa (H2O) ndash molecula neliniara cu 3 atomi
3 benzi de absorbtie in IR si Raman
n ndash 1 = 2 rarr vibratii
streching 2n ndash 5 = 1 rarr vibratii
bending
3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
pentru legaturile H - O pentru structura H ndash O - H
Spectru IR
Spectru Raman
Acid benzoic
Felul in care radiatia este utilizata difera in spectroscopia Raman fata de spectroscopia IR
in FTIR energia care acopera un interval de frecvente este directionata catre
proba
gt absorbtia are loc cand frecventa radiatiei incidente se identifica cu cea la
care molecula trece intr-o stare excitata vibrationala
in Raman se utilizeaza o singura frecventa a radiatiei pentru iradierea probei
gt radiatia este imprastiata de molecula detectandu-se unitatile de energie
vibrationale diferite de cele incidente (lumina care interactioneaza cu moleculele distorsioneaza ndash
polarizeaza ndash norul electronic)
Imprasierea Raman trebuie exprimata ca o deplasare in energie fata de radiatia de excitatie
Pentru legaturi cu un moment puternic de dipol (care sunt active IR) mobilitatea electronilor sau polarizabilitatea este de obicei scazuta
Pentru legaturi cu un moment slab de dipol (care sunt inactive IR) polarizabilitatea este de obicei mare si starile vibrationale ale legaturilor
sint active Raman
Spectroscopie Raman
Radiatia IR incidenta determina miscarea electronilor in legaturi si poate fi
absorbita
difuzata fara a i se modifica lungimea de unda gt difuzie Rayleigh
- intensitatea Rayleigh depinde puternic de lungimea de unda I ~ λ-4
imprastiata Raman-Stokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mare decacirct cea a radiatiei
incidente)
imprastiata Raman-antiStokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mica decacirct cea a
radiatiei incidente)
Nu implica nici absorbtia nici emisia ci imprastierea radiatiei
Este sensibila la
mobilitatea electronilor in
legaturi
(polarizabilitatea legaturilor)Masoara cit de usor este sa misti un
electron si implicit sa polarizezi o
legatura
Energia asociata radiatiilor IR este suficienta sa stimuleze vibratiile moleculare (ale
legaturilor chimice)
Spectrul IR rezultat reprezinta absorbtia si transmisia
moleculara fiind amprenta moleculara a probei
Conditii pentru ca o molecula sa absoarba radiatia icircn domeniul IR
1048708 sa aiba o structura de dipol sau sa poata dobandi o astfel de structura prin
excitatie
1048708 perioada de vibratie trebuie sa fie in faza cu perioada de oscilatie a radiatiei
incidente
1048708 cantitatea de energie a radiaţiei IR trebuie sa fie permisa de restrictiile
cuantice
Spectroscopie IR
Spectrele utilizate curent sunt de fapt spectre asupra carora s-a aplicat transformata Fourier
Spectroscopia FTIR - o metoda de masura a tuturor frecventelor IR simultan utilizand
interferometria
Fasciculul IR incident este
divizat in 2 fascicule optice
Un fascicul se reflecta pe
o oglinda plata fixa
Al 2-lea fascicul se reflecta pe o
oglinda plata care se deplaseaza
pe distante scurte (inainte ndash
inapoi)
Se recombina cind se reintilnesc in splitter
Pentru ca au parcurcurs drumuri optice diferite semnalul
rezultat este un semnal de interferenta
Fiecare punct contine o
informatie despre fiecare
frecventa IR care vine de la
sursa
Schema de detectie
Spectrul FTIR pentru o solutie de etanol
Observatii
- o molecula contine legaturi care dau mai multe vibratii posibile gt in spectrul IR trebuie sa se
regaseasca mai multe absorbtii care sa defineasca o molecula (nu numai o legatura chimica)
- se pot identifica legaturile specifice ale unei molecule (gruparile functionale) pentru a
determina structura
O-H
C-H
C-0
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelor
procesul de clusterizare a particulelor in suspensieSe obtin in plus informatii despre
procesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie
proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi
luminoase
daca particulele ar fi fixe gt imaginea de pe ecran ar fi
stationara
fiind in miscare browniana gt imaginea nu este stationaraproba
Particule in
suspensie
Intensitatea
luminoasa va fluctua
in timp
III
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
SPECTROSCOPIE UV - VIZ
Frecvente mari
Frecvente mici
Spectrul vizibil
Lungimi de unda (nm)
Violet 400 - 420 nm
Indigo 420 - 440 nm
Blue 440 - 490 nm
Green 490 - 570 nm
Yellow 570 - 585 nm
Orange 585 - 620 nm
Red 620 - 780 nm
gt Cand lumina traverseaza sau este reflectata de o
substanta colorata o parte caracteristica a lungimilor de
unda este absorbita
gt Lumina ramasa din spectru se presupune a fi
complementara in culoare cu lungimile de unda absorbite Absorbtia luminii in domeniul 420-430
nm face ca substanta sa fie galbena iar
Absorbtia luminii in domeniul 500-520
nm face ca substanta sa fie rosie
Absorbtia luminii din spectru este datorata tranzitiilor electronice
1
Spectrometru cu retea de diode
(tot spectrul este obtinut odata)
Spectrometru cu monofascicul
(pentru fiecare lungime de unda este detectata
cantitatea de lumina transmisa reflectata)
Spectrometru dublufascicul
Schema de detectie in spectroscopia UV-Vis
Legea Lambert ndash Beer
Transmitanta T = I I0
Absorbanta A = log10 I0 I= log101T = - log T
A = εmiddotcmiddotl
α ndash coeficient de absorbtie
c ndash concentratia speciilor
absorbante
ε ndash absorbtivitatea molara sau
coeficient
de extincţie molara
α = εc
1 Calcularea concentratiei de specii absorbante
Absorbanta este direct proportionala cu concentratia solutiei gt dublarea concentratiei dubleaza absorbtia
lumina incidenta lumina transmisa lumina incidenta lumina transmisa lumina incidenta
lumina transmisa
Absorbanta este direct proportionala cu distanta parcursa in solutie gt dublarea distantei dubleaza absorbtia
Legea Lambert ndash BeerA = εmiddotcmiddotl
1 Calcularea concentratiei de specii absorbante
Exemplu de
curbe de
absorbţie la
diferite
concentraţii de
analit
curba de etalonare a
absorbantei la maximul de
absorbţie la λmax
Deviatii de la legea Beer ndash descrie corect solutiile diluate
La concentratii mari (gt 10-2 M) apar interactii intre particulele
absorbante
In plus se modifica indicele de refractie al solutiei
Evolutia spectrului de absorbtie pentru
nanocristale cu diametre de la 17 nm pana la
12 nm
(CdSeZnS coreshell QD)
2 Se poate calcula dimensiunea
cristalitelor
Lungimi de unda mai mici energii mai mari
Apare deplasarea spre albastru ndash blue shift ndash odata cu scaderea
dimensiunilor
Ex largirea BI ΔEg = 1eV corespunde unei deplasari Δλ asymp 262 nm
scaderea dimensiunilor unui
cristal pana la valori nanometrice
determina aparitia fenomelor de
confinare cuantica
Apare fenomenul de largire a benzii interzise (BI)
450 nm 700 nm
Eg (CdSebulk) = 175 eV rarr λbulk = 710
nm
Eg (CdSeOD) = 275 eV rarr λQD = 450
nm
Δλ asymp 260 nm
SPECTROSCOPIE DE FLUORESCENTA2
excitare
dezexcitare
Fluorescenta
Schema procesului de aparitie a fluorescentei
detectie complementara spectroscopiei UV-Vis
gt daca in spectroscopia UV-Viz se masoara energia absorbita de o molecula pentru
a trece dintr-o stare fundamentala in stare excitata
gt in spectroscopia de fluorescenta se masoara energia emisa de o molecula pentru
a trece din starea excitata in starea fundamentala
Schema de detectie a unui spectrometru de
fluorescenta cu o geometrie la 90ordm utilizand o
sursa de Xe
Detaliu drum optic
Schema de detectie a fluorescentei in ldquoMicroarray technologyrdquo
Se obtine timpul de viata al
unei specii moleculare
excitate
ns
fluorescenta
μs
fosforescent
a
S0 ndash stare fundamentala
S1 ndash prima stare de tranzitie electronica
excitata
Vi ndash stari energetice de vibratie
Conversie interna gt tranzitii neradiative
Diagrama Jablonski
Time resolve fluorescence Proba este supusa unei iluminari in
pulsuri (durata pulsurilor trebuie sa
fie mai scurta ca timpul de viata) gt
nanoFlash Lamp
Steady state fluorescence
(de fapt este o mediere a fenomenelor lsquotime
resolversquo)
Proba este supusa unei iluminari continue
Se obtine spectrul de emisie
Investigarea constantei de legatura a bioconjugatelor
BSA-Nanoparticule de aur
prin spectroscopia de fluorescenta
M Iosin F Toderas and S Astilean Institutul de Cercetari Experimentale Interdisciplinare Laborator de Nanobiofotonica Universitatea Babes Bolyai
Cluj-Napoca
Sfe
re A
uN
P
Bastonase A
uNP
Fenomen de stingere a
fluorescentei
Metoda
spectroscopicaFenomenul ce sta la baza Tipul de
radiatie
electromagneti
ca
Domeniul de
lungimi de
unda
Domeniul de
frecventa
Numar de
unda
Spectroscopia IR
schimbarea starii de oscilatie
Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor
radiatie IR 100 μm ndash 1μm 3middot1012Hz - 3middot1014Hz 100 - 104 cm-1Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor atunci cind sint insotite de o modificare in
momentul dipolului
Spectroscopie
Raman
II
SPECTROSCOPIE IR si Raman3
Fiecare atom are 3 grade de libertate gt o molecula cu n atomi are 3n grade de libertate
3 grade de libertate descriu translatia
moleculei
3 grade de libertate descriu rotatia moleculei
+
3n-6 grade de libertate descriu vibratiile fundamentale
in momentul dipolului
pot da o activitate IR
in polarizare pot da
o activitate Raman
Cele care produc o modificare neta
Sunt vibratii active atat IR cat si Raman
Pentru o molecula liniara rotatia in jurul
axei nu conteaza (nu afecteaza energia
moleculei)
3n ndash 5 grade de liberate descriu vibratiile fundamentale
bull H2O ndash molecula neliniara cu 3 atomi 3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
Exemple
bull CO2 ndash molecula liniara cu 3 atomi 3n ndash 5 = 4 stari vibrationale
bull C6H6 (benzen) ndash molecula foarte mica dar cu 30 de benzi de vibratie in IR si Raman
bull molecula polimer ndash polistiren ndash contine 1000 de unitati monomere (16000 atomi) rarr rarr aproximativ 50000 de vibratii diferite
Este imposibili identificarea tuturor starilor vibrationale rarr simplificam luand in considerare numai gruparile chimice repetitive (ex benzile nucleului aromatic vibratiile C-H C-C sau C=C
Teoria spectroscopiei de absorbtie in infrarosu
Pentru ca o molecula sa absoarba radiatia IR vibratiile sau rotatiile in
interiorul ei trebuie sa determine o schimbare neta in momentul de dipol
Campul electric oscilant al radiatiei electromagnetice
interactioneaza cu fluctuatiile momentului de dipol al
moleculei
Daca frecventa radiatiei se potriveste cu frecventa
vibrationala a moleculei atunci radiatia va fi absorbita
Va aparea o modificare in amplitudinea vibratiei moleculare
Factori care afecteaza pozitia vibratiilor moleculelor in spectrul absorbtiilor
(ii) Taria legaturii
Exemplu
Legatura C - N C - N absoarbe la
1050ndash 1650 cm-1
Energie mai mica
Exemplu
Legatura C equiv N C equiv N absoarbe la
asymp 2200 cm-1
Energie mai mare
In cazul unor legaturi similare diferenta in
energia de absorbtie este data de masa
atomilor constituentiAtomul cu masa mai
mica va vibra mai
puternic
Atomul cu masa mai mare
va vibra mai putin
Legatura C ndash ClC ndash Cl
absoarbe la 600 ndash 800
cm-1
Legatura C ndash Br C ndash Br
absoarbe la 500 ndash 600
cm-1
Atomul de Br e mai greu gt energie mai mica de
vibratie
Atomul de Cl e mai usor gt energie mai mare de
vibratie
I Cazul unor molecule liniare
(i) Tipul de vibratii
Exemplu
Legatura C - H bendC - H bend in alkene
absoarbe la 1365 ndash 1485 cm-1
Exemplu
Legatura C - H stretchC - H stretch in alkene
absoarbe la 2600 ndash 2800 cm-1
Energie mai mare
Energie mai mica
I I Cazul unor molecule neliniare
Exemplu apa (H2O) ndash molecula neliniara cu 3 atomi
3 benzi de absorbtie in IR si Raman
n ndash 1 = 2 rarr vibratii
streching 2n ndash 5 = 1 rarr vibratii
bending
3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
pentru legaturile H - O pentru structura H ndash O - H
Spectru IR
Spectru Raman
Acid benzoic
Felul in care radiatia este utilizata difera in spectroscopia Raman fata de spectroscopia IR
in FTIR energia care acopera un interval de frecvente este directionata catre
proba
gt absorbtia are loc cand frecventa radiatiei incidente se identifica cu cea la
care molecula trece intr-o stare excitata vibrationala
in Raman se utilizeaza o singura frecventa a radiatiei pentru iradierea probei
gt radiatia este imprastiata de molecula detectandu-se unitatile de energie
vibrationale diferite de cele incidente (lumina care interactioneaza cu moleculele distorsioneaza ndash
polarizeaza ndash norul electronic)
Imprasierea Raman trebuie exprimata ca o deplasare in energie fata de radiatia de excitatie
Pentru legaturi cu un moment puternic de dipol (care sunt active IR) mobilitatea electronilor sau polarizabilitatea este de obicei scazuta
Pentru legaturi cu un moment slab de dipol (care sunt inactive IR) polarizabilitatea este de obicei mare si starile vibrationale ale legaturilor
sint active Raman
Spectroscopie Raman
Radiatia IR incidenta determina miscarea electronilor in legaturi si poate fi
absorbita
difuzata fara a i se modifica lungimea de unda gt difuzie Rayleigh
- intensitatea Rayleigh depinde puternic de lungimea de unda I ~ λ-4
imprastiata Raman-Stokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mare decacirct cea a radiatiei
incidente)
imprastiata Raman-antiStokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mica decacirct cea a
radiatiei incidente)
Nu implica nici absorbtia nici emisia ci imprastierea radiatiei
Este sensibila la
mobilitatea electronilor in
legaturi
(polarizabilitatea legaturilor)Masoara cit de usor este sa misti un
electron si implicit sa polarizezi o
legatura
Energia asociata radiatiilor IR este suficienta sa stimuleze vibratiile moleculare (ale
legaturilor chimice)
Spectrul IR rezultat reprezinta absorbtia si transmisia
moleculara fiind amprenta moleculara a probei
Conditii pentru ca o molecula sa absoarba radiatia icircn domeniul IR
1048708 sa aiba o structura de dipol sau sa poata dobandi o astfel de structura prin
excitatie
1048708 perioada de vibratie trebuie sa fie in faza cu perioada de oscilatie a radiatiei
incidente
1048708 cantitatea de energie a radiaţiei IR trebuie sa fie permisa de restrictiile
cuantice
Spectroscopie IR
Spectrele utilizate curent sunt de fapt spectre asupra carora s-a aplicat transformata Fourier
Spectroscopia FTIR - o metoda de masura a tuturor frecventelor IR simultan utilizand
interferometria
Fasciculul IR incident este
divizat in 2 fascicule optice
Un fascicul se reflecta pe
o oglinda plata fixa
Al 2-lea fascicul se reflecta pe o
oglinda plata care se deplaseaza
pe distante scurte (inainte ndash
inapoi)
Se recombina cind se reintilnesc in splitter
Pentru ca au parcurcurs drumuri optice diferite semnalul
rezultat este un semnal de interferenta
Fiecare punct contine o
informatie despre fiecare
frecventa IR care vine de la
sursa
Schema de detectie
Spectrul FTIR pentru o solutie de etanol
Observatii
- o molecula contine legaturi care dau mai multe vibratii posibile gt in spectrul IR trebuie sa se
regaseasca mai multe absorbtii care sa defineasca o molecula (nu numai o legatura chimica)
- se pot identifica legaturile specifice ale unei molecule (gruparile functionale) pentru a
determina structura
O-H
C-H
C-0
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelor
procesul de clusterizare a particulelor in suspensieSe obtin in plus informatii despre
procesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie
proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi
luminoase
daca particulele ar fi fixe gt imaginea de pe ecran ar fi
stationara
fiind in miscare browniana gt imaginea nu este stationaraproba
Particule in
suspensie
Intensitatea
luminoasa va fluctua
in timp
III
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
Spectrometru cu retea de diode
(tot spectrul este obtinut odata)
Spectrometru cu monofascicul
(pentru fiecare lungime de unda este detectata
cantitatea de lumina transmisa reflectata)
Spectrometru dublufascicul
Schema de detectie in spectroscopia UV-Vis
Legea Lambert ndash Beer
Transmitanta T = I I0
Absorbanta A = log10 I0 I= log101T = - log T
A = εmiddotcmiddotl
α ndash coeficient de absorbtie
c ndash concentratia speciilor
absorbante
ε ndash absorbtivitatea molara sau
coeficient
de extincţie molara
α = εc
1 Calcularea concentratiei de specii absorbante
Absorbanta este direct proportionala cu concentratia solutiei gt dublarea concentratiei dubleaza absorbtia
lumina incidenta lumina transmisa lumina incidenta lumina transmisa lumina incidenta
lumina transmisa
Absorbanta este direct proportionala cu distanta parcursa in solutie gt dublarea distantei dubleaza absorbtia
Legea Lambert ndash BeerA = εmiddotcmiddotl
1 Calcularea concentratiei de specii absorbante
Exemplu de
curbe de
absorbţie la
diferite
concentraţii de
analit
curba de etalonare a
absorbantei la maximul de
absorbţie la λmax
Deviatii de la legea Beer ndash descrie corect solutiile diluate
La concentratii mari (gt 10-2 M) apar interactii intre particulele
absorbante
In plus se modifica indicele de refractie al solutiei
Evolutia spectrului de absorbtie pentru
nanocristale cu diametre de la 17 nm pana la
12 nm
(CdSeZnS coreshell QD)
2 Se poate calcula dimensiunea
cristalitelor
Lungimi de unda mai mici energii mai mari
Apare deplasarea spre albastru ndash blue shift ndash odata cu scaderea
dimensiunilor
Ex largirea BI ΔEg = 1eV corespunde unei deplasari Δλ asymp 262 nm
scaderea dimensiunilor unui
cristal pana la valori nanometrice
determina aparitia fenomelor de
confinare cuantica
Apare fenomenul de largire a benzii interzise (BI)
450 nm 700 nm
Eg (CdSebulk) = 175 eV rarr λbulk = 710
nm
Eg (CdSeOD) = 275 eV rarr λQD = 450
nm
Δλ asymp 260 nm
SPECTROSCOPIE DE FLUORESCENTA2
excitare
dezexcitare
Fluorescenta
Schema procesului de aparitie a fluorescentei
detectie complementara spectroscopiei UV-Vis
gt daca in spectroscopia UV-Viz se masoara energia absorbita de o molecula pentru
a trece dintr-o stare fundamentala in stare excitata
gt in spectroscopia de fluorescenta se masoara energia emisa de o molecula pentru
a trece din starea excitata in starea fundamentala
Schema de detectie a unui spectrometru de
fluorescenta cu o geometrie la 90ordm utilizand o
sursa de Xe
Detaliu drum optic
Schema de detectie a fluorescentei in ldquoMicroarray technologyrdquo
Se obtine timpul de viata al
unei specii moleculare
excitate
ns
fluorescenta
μs
fosforescent
a
S0 ndash stare fundamentala
S1 ndash prima stare de tranzitie electronica
excitata
Vi ndash stari energetice de vibratie
Conversie interna gt tranzitii neradiative
Diagrama Jablonski
Time resolve fluorescence Proba este supusa unei iluminari in
pulsuri (durata pulsurilor trebuie sa
fie mai scurta ca timpul de viata) gt
nanoFlash Lamp
Steady state fluorescence
(de fapt este o mediere a fenomenelor lsquotime
resolversquo)
Proba este supusa unei iluminari continue
Se obtine spectrul de emisie
Investigarea constantei de legatura a bioconjugatelor
BSA-Nanoparticule de aur
prin spectroscopia de fluorescenta
M Iosin F Toderas and S Astilean Institutul de Cercetari Experimentale Interdisciplinare Laborator de Nanobiofotonica Universitatea Babes Bolyai
Cluj-Napoca
Sfe
re A
uN
P
Bastonase A
uNP
Fenomen de stingere a
fluorescentei
Metoda
spectroscopicaFenomenul ce sta la baza Tipul de
radiatie
electromagneti
ca
Domeniul de
lungimi de
unda
Domeniul de
frecventa
Numar de
unda
Spectroscopia IR
schimbarea starii de oscilatie
Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor
radiatie IR 100 μm ndash 1μm 3middot1012Hz - 3middot1014Hz 100 - 104 cm-1Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor atunci cind sint insotite de o modificare in
momentul dipolului
Spectroscopie
Raman
II
SPECTROSCOPIE IR si Raman3
Fiecare atom are 3 grade de libertate gt o molecula cu n atomi are 3n grade de libertate
3 grade de libertate descriu translatia
moleculei
3 grade de libertate descriu rotatia moleculei
+
3n-6 grade de libertate descriu vibratiile fundamentale
in momentul dipolului
pot da o activitate IR
in polarizare pot da
o activitate Raman
Cele care produc o modificare neta
Sunt vibratii active atat IR cat si Raman
Pentru o molecula liniara rotatia in jurul
axei nu conteaza (nu afecteaza energia
moleculei)
3n ndash 5 grade de liberate descriu vibratiile fundamentale
bull H2O ndash molecula neliniara cu 3 atomi 3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
Exemple
bull CO2 ndash molecula liniara cu 3 atomi 3n ndash 5 = 4 stari vibrationale
bull C6H6 (benzen) ndash molecula foarte mica dar cu 30 de benzi de vibratie in IR si Raman
bull molecula polimer ndash polistiren ndash contine 1000 de unitati monomere (16000 atomi) rarr rarr aproximativ 50000 de vibratii diferite
Este imposibili identificarea tuturor starilor vibrationale rarr simplificam luand in considerare numai gruparile chimice repetitive (ex benzile nucleului aromatic vibratiile C-H C-C sau C=C
Teoria spectroscopiei de absorbtie in infrarosu
Pentru ca o molecula sa absoarba radiatia IR vibratiile sau rotatiile in
interiorul ei trebuie sa determine o schimbare neta in momentul de dipol
Campul electric oscilant al radiatiei electromagnetice
interactioneaza cu fluctuatiile momentului de dipol al
moleculei
Daca frecventa radiatiei se potriveste cu frecventa
vibrationala a moleculei atunci radiatia va fi absorbita
Va aparea o modificare in amplitudinea vibratiei moleculare
Factori care afecteaza pozitia vibratiilor moleculelor in spectrul absorbtiilor
(ii) Taria legaturii
Exemplu
Legatura C - N C - N absoarbe la
1050ndash 1650 cm-1
Energie mai mica
Exemplu
Legatura C equiv N C equiv N absoarbe la
asymp 2200 cm-1
Energie mai mare
In cazul unor legaturi similare diferenta in
energia de absorbtie este data de masa
atomilor constituentiAtomul cu masa mai
mica va vibra mai
puternic
Atomul cu masa mai mare
va vibra mai putin
Legatura C ndash ClC ndash Cl
absoarbe la 600 ndash 800
cm-1
Legatura C ndash Br C ndash Br
absoarbe la 500 ndash 600
cm-1
Atomul de Br e mai greu gt energie mai mica de
vibratie
Atomul de Cl e mai usor gt energie mai mare de
vibratie
I Cazul unor molecule liniare
(i) Tipul de vibratii
Exemplu
Legatura C - H bendC - H bend in alkene
absoarbe la 1365 ndash 1485 cm-1
Exemplu
Legatura C - H stretchC - H stretch in alkene
absoarbe la 2600 ndash 2800 cm-1
Energie mai mare
Energie mai mica
I I Cazul unor molecule neliniare
Exemplu apa (H2O) ndash molecula neliniara cu 3 atomi
3 benzi de absorbtie in IR si Raman
n ndash 1 = 2 rarr vibratii
streching 2n ndash 5 = 1 rarr vibratii
bending
3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
pentru legaturile H - O pentru structura H ndash O - H
Spectru IR
Spectru Raman
Acid benzoic
Felul in care radiatia este utilizata difera in spectroscopia Raman fata de spectroscopia IR
in FTIR energia care acopera un interval de frecvente este directionata catre
proba
gt absorbtia are loc cand frecventa radiatiei incidente se identifica cu cea la
care molecula trece intr-o stare excitata vibrationala
in Raman se utilizeaza o singura frecventa a radiatiei pentru iradierea probei
gt radiatia este imprastiata de molecula detectandu-se unitatile de energie
vibrationale diferite de cele incidente (lumina care interactioneaza cu moleculele distorsioneaza ndash
polarizeaza ndash norul electronic)
Imprasierea Raman trebuie exprimata ca o deplasare in energie fata de radiatia de excitatie
Pentru legaturi cu un moment puternic de dipol (care sunt active IR) mobilitatea electronilor sau polarizabilitatea este de obicei scazuta
Pentru legaturi cu un moment slab de dipol (care sunt inactive IR) polarizabilitatea este de obicei mare si starile vibrationale ale legaturilor
sint active Raman
Spectroscopie Raman
Radiatia IR incidenta determina miscarea electronilor in legaturi si poate fi
absorbita
difuzata fara a i se modifica lungimea de unda gt difuzie Rayleigh
- intensitatea Rayleigh depinde puternic de lungimea de unda I ~ λ-4
imprastiata Raman-Stokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mare decacirct cea a radiatiei
incidente)
imprastiata Raman-antiStokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mica decacirct cea a
radiatiei incidente)
Nu implica nici absorbtia nici emisia ci imprastierea radiatiei
Este sensibila la
mobilitatea electronilor in
legaturi
(polarizabilitatea legaturilor)Masoara cit de usor este sa misti un
electron si implicit sa polarizezi o
legatura
Energia asociata radiatiilor IR este suficienta sa stimuleze vibratiile moleculare (ale
legaturilor chimice)
Spectrul IR rezultat reprezinta absorbtia si transmisia
moleculara fiind amprenta moleculara a probei
Conditii pentru ca o molecula sa absoarba radiatia icircn domeniul IR
1048708 sa aiba o structura de dipol sau sa poata dobandi o astfel de structura prin
excitatie
1048708 perioada de vibratie trebuie sa fie in faza cu perioada de oscilatie a radiatiei
incidente
1048708 cantitatea de energie a radiaţiei IR trebuie sa fie permisa de restrictiile
cuantice
Spectroscopie IR
Spectrele utilizate curent sunt de fapt spectre asupra carora s-a aplicat transformata Fourier
Spectroscopia FTIR - o metoda de masura a tuturor frecventelor IR simultan utilizand
interferometria
Fasciculul IR incident este
divizat in 2 fascicule optice
Un fascicul se reflecta pe
o oglinda plata fixa
Al 2-lea fascicul se reflecta pe o
oglinda plata care se deplaseaza
pe distante scurte (inainte ndash
inapoi)
Se recombina cind se reintilnesc in splitter
Pentru ca au parcurcurs drumuri optice diferite semnalul
rezultat este un semnal de interferenta
Fiecare punct contine o
informatie despre fiecare
frecventa IR care vine de la
sursa
Schema de detectie
Spectrul FTIR pentru o solutie de etanol
Observatii
- o molecula contine legaturi care dau mai multe vibratii posibile gt in spectrul IR trebuie sa se
regaseasca mai multe absorbtii care sa defineasca o molecula (nu numai o legatura chimica)
- se pot identifica legaturile specifice ale unei molecule (gruparile functionale) pentru a
determina structura
O-H
C-H
C-0
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelor
procesul de clusterizare a particulelor in suspensieSe obtin in plus informatii despre
procesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie
proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi
luminoase
daca particulele ar fi fixe gt imaginea de pe ecran ar fi
stationara
fiind in miscare browniana gt imaginea nu este stationaraproba
Particule in
suspensie
Intensitatea
luminoasa va fluctua
in timp
III
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
Legea Lambert ndash Beer
Transmitanta T = I I0
Absorbanta A = log10 I0 I= log101T = - log T
A = εmiddotcmiddotl
α ndash coeficient de absorbtie
c ndash concentratia speciilor
absorbante
ε ndash absorbtivitatea molara sau
coeficient
de extincţie molara
α = εc
1 Calcularea concentratiei de specii absorbante
Absorbanta este direct proportionala cu concentratia solutiei gt dublarea concentratiei dubleaza absorbtia
lumina incidenta lumina transmisa lumina incidenta lumina transmisa lumina incidenta
lumina transmisa
Absorbanta este direct proportionala cu distanta parcursa in solutie gt dublarea distantei dubleaza absorbtia
Legea Lambert ndash BeerA = εmiddotcmiddotl
1 Calcularea concentratiei de specii absorbante
Exemplu de
curbe de
absorbţie la
diferite
concentraţii de
analit
curba de etalonare a
absorbantei la maximul de
absorbţie la λmax
Deviatii de la legea Beer ndash descrie corect solutiile diluate
La concentratii mari (gt 10-2 M) apar interactii intre particulele
absorbante
In plus se modifica indicele de refractie al solutiei
Evolutia spectrului de absorbtie pentru
nanocristale cu diametre de la 17 nm pana la
12 nm
(CdSeZnS coreshell QD)
2 Se poate calcula dimensiunea
cristalitelor
Lungimi de unda mai mici energii mai mari
Apare deplasarea spre albastru ndash blue shift ndash odata cu scaderea
dimensiunilor
Ex largirea BI ΔEg = 1eV corespunde unei deplasari Δλ asymp 262 nm
scaderea dimensiunilor unui
cristal pana la valori nanometrice
determina aparitia fenomelor de
confinare cuantica
Apare fenomenul de largire a benzii interzise (BI)
450 nm 700 nm
Eg (CdSebulk) = 175 eV rarr λbulk = 710
nm
Eg (CdSeOD) = 275 eV rarr λQD = 450
nm
Δλ asymp 260 nm
SPECTROSCOPIE DE FLUORESCENTA2
excitare
dezexcitare
Fluorescenta
Schema procesului de aparitie a fluorescentei
detectie complementara spectroscopiei UV-Vis
gt daca in spectroscopia UV-Viz se masoara energia absorbita de o molecula pentru
a trece dintr-o stare fundamentala in stare excitata
gt in spectroscopia de fluorescenta se masoara energia emisa de o molecula pentru
a trece din starea excitata in starea fundamentala
Schema de detectie a unui spectrometru de
fluorescenta cu o geometrie la 90ordm utilizand o
sursa de Xe
Detaliu drum optic
Schema de detectie a fluorescentei in ldquoMicroarray technologyrdquo
Se obtine timpul de viata al
unei specii moleculare
excitate
ns
fluorescenta
μs
fosforescent
a
S0 ndash stare fundamentala
S1 ndash prima stare de tranzitie electronica
excitata
Vi ndash stari energetice de vibratie
Conversie interna gt tranzitii neradiative
Diagrama Jablonski
Time resolve fluorescence Proba este supusa unei iluminari in
pulsuri (durata pulsurilor trebuie sa
fie mai scurta ca timpul de viata) gt
nanoFlash Lamp
Steady state fluorescence
(de fapt este o mediere a fenomenelor lsquotime
resolversquo)
Proba este supusa unei iluminari continue
Se obtine spectrul de emisie
Investigarea constantei de legatura a bioconjugatelor
BSA-Nanoparticule de aur
prin spectroscopia de fluorescenta
M Iosin F Toderas and S Astilean Institutul de Cercetari Experimentale Interdisciplinare Laborator de Nanobiofotonica Universitatea Babes Bolyai
Cluj-Napoca
Sfe
re A
uN
P
Bastonase A
uNP
Fenomen de stingere a
fluorescentei
Metoda
spectroscopicaFenomenul ce sta la baza Tipul de
radiatie
electromagneti
ca
Domeniul de
lungimi de
unda
Domeniul de
frecventa
Numar de
unda
Spectroscopia IR
schimbarea starii de oscilatie
Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor
radiatie IR 100 μm ndash 1μm 3middot1012Hz - 3middot1014Hz 100 - 104 cm-1Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor atunci cind sint insotite de o modificare in
momentul dipolului
Spectroscopie
Raman
II
SPECTROSCOPIE IR si Raman3
Fiecare atom are 3 grade de libertate gt o molecula cu n atomi are 3n grade de libertate
3 grade de libertate descriu translatia
moleculei
3 grade de libertate descriu rotatia moleculei
+
3n-6 grade de libertate descriu vibratiile fundamentale
in momentul dipolului
pot da o activitate IR
in polarizare pot da
o activitate Raman
Cele care produc o modificare neta
Sunt vibratii active atat IR cat si Raman
Pentru o molecula liniara rotatia in jurul
axei nu conteaza (nu afecteaza energia
moleculei)
3n ndash 5 grade de liberate descriu vibratiile fundamentale
bull H2O ndash molecula neliniara cu 3 atomi 3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
Exemple
bull CO2 ndash molecula liniara cu 3 atomi 3n ndash 5 = 4 stari vibrationale
bull C6H6 (benzen) ndash molecula foarte mica dar cu 30 de benzi de vibratie in IR si Raman
bull molecula polimer ndash polistiren ndash contine 1000 de unitati monomere (16000 atomi) rarr rarr aproximativ 50000 de vibratii diferite
Este imposibili identificarea tuturor starilor vibrationale rarr simplificam luand in considerare numai gruparile chimice repetitive (ex benzile nucleului aromatic vibratiile C-H C-C sau C=C
Teoria spectroscopiei de absorbtie in infrarosu
Pentru ca o molecula sa absoarba radiatia IR vibratiile sau rotatiile in
interiorul ei trebuie sa determine o schimbare neta in momentul de dipol
Campul electric oscilant al radiatiei electromagnetice
interactioneaza cu fluctuatiile momentului de dipol al
moleculei
Daca frecventa radiatiei se potriveste cu frecventa
vibrationala a moleculei atunci radiatia va fi absorbita
Va aparea o modificare in amplitudinea vibratiei moleculare
Factori care afecteaza pozitia vibratiilor moleculelor in spectrul absorbtiilor
(ii) Taria legaturii
Exemplu
Legatura C - N C - N absoarbe la
1050ndash 1650 cm-1
Energie mai mica
Exemplu
Legatura C equiv N C equiv N absoarbe la
asymp 2200 cm-1
Energie mai mare
In cazul unor legaturi similare diferenta in
energia de absorbtie este data de masa
atomilor constituentiAtomul cu masa mai
mica va vibra mai
puternic
Atomul cu masa mai mare
va vibra mai putin
Legatura C ndash ClC ndash Cl
absoarbe la 600 ndash 800
cm-1
Legatura C ndash Br C ndash Br
absoarbe la 500 ndash 600
cm-1
Atomul de Br e mai greu gt energie mai mica de
vibratie
Atomul de Cl e mai usor gt energie mai mare de
vibratie
I Cazul unor molecule liniare
(i) Tipul de vibratii
Exemplu
Legatura C - H bendC - H bend in alkene
absoarbe la 1365 ndash 1485 cm-1
Exemplu
Legatura C - H stretchC - H stretch in alkene
absoarbe la 2600 ndash 2800 cm-1
Energie mai mare
Energie mai mica
I I Cazul unor molecule neliniare
Exemplu apa (H2O) ndash molecula neliniara cu 3 atomi
3 benzi de absorbtie in IR si Raman
n ndash 1 = 2 rarr vibratii
streching 2n ndash 5 = 1 rarr vibratii
bending
3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
pentru legaturile H - O pentru structura H ndash O - H
Spectru IR
Spectru Raman
Acid benzoic
Felul in care radiatia este utilizata difera in spectroscopia Raman fata de spectroscopia IR
in FTIR energia care acopera un interval de frecvente este directionata catre
proba
gt absorbtia are loc cand frecventa radiatiei incidente se identifica cu cea la
care molecula trece intr-o stare excitata vibrationala
in Raman se utilizeaza o singura frecventa a radiatiei pentru iradierea probei
gt radiatia este imprastiata de molecula detectandu-se unitatile de energie
vibrationale diferite de cele incidente (lumina care interactioneaza cu moleculele distorsioneaza ndash
polarizeaza ndash norul electronic)
Imprasierea Raman trebuie exprimata ca o deplasare in energie fata de radiatia de excitatie
Pentru legaturi cu un moment puternic de dipol (care sunt active IR) mobilitatea electronilor sau polarizabilitatea este de obicei scazuta
Pentru legaturi cu un moment slab de dipol (care sunt inactive IR) polarizabilitatea este de obicei mare si starile vibrationale ale legaturilor
sint active Raman
Spectroscopie Raman
Radiatia IR incidenta determina miscarea electronilor in legaturi si poate fi
absorbita
difuzata fara a i se modifica lungimea de unda gt difuzie Rayleigh
- intensitatea Rayleigh depinde puternic de lungimea de unda I ~ λ-4
imprastiata Raman-Stokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mare decacirct cea a radiatiei
incidente)
imprastiata Raman-antiStokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mica decacirct cea a
radiatiei incidente)
Nu implica nici absorbtia nici emisia ci imprastierea radiatiei
Este sensibila la
mobilitatea electronilor in
legaturi
(polarizabilitatea legaturilor)Masoara cit de usor este sa misti un
electron si implicit sa polarizezi o
legatura
Energia asociata radiatiilor IR este suficienta sa stimuleze vibratiile moleculare (ale
legaturilor chimice)
Spectrul IR rezultat reprezinta absorbtia si transmisia
moleculara fiind amprenta moleculara a probei
Conditii pentru ca o molecula sa absoarba radiatia icircn domeniul IR
1048708 sa aiba o structura de dipol sau sa poata dobandi o astfel de structura prin
excitatie
1048708 perioada de vibratie trebuie sa fie in faza cu perioada de oscilatie a radiatiei
incidente
1048708 cantitatea de energie a radiaţiei IR trebuie sa fie permisa de restrictiile
cuantice
Spectroscopie IR
Spectrele utilizate curent sunt de fapt spectre asupra carora s-a aplicat transformata Fourier
Spectroscopia FTIR - o metoda de masura a tuturor frecventelor IR simultan utilizand
interferometria
Fasciculul IR incident este
divizat in 2 fascicule optice
Un fascicul se reflecta pe
o oglinda plata fixa
Al 2-lea fascicul se reflecta pe o
oglinda plata care se deplaseaza
pe distante scurte (inainte ndash
inapoi)
Se recombina cind se reintilnesc in splitter
Pentru ca au parcurcurs drumuri optice diferite semnalul
rezultat este un semnal de interferenta
Fiecare punct contine o
informatie despre fiecare
frecventa IR care vine de la
sursa
Schema de detectie
Spectrul FTIR pentru o solutie de etanol
Observatii
- o molecula contine legaturi care dau mai multe vibratii posibile gt in spectrul IR trebuie sa se
regaseasca mai multe absorbtii care sa defineasca o molecula (nu numai o legatura chimica)
- se pot identifica legaturile specifice ale unei molecule (gruparile functionale) pentru a
determina structura
O-H
C-H
C-0
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelor
procesul de clusterizare a particulelor in suspensieSe obtin in plus informatii despre
procesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie
proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi
luminoase
daca particulele ar fi fixe gt imaginea de pe ecran ar fi
stationara
fiind in miscare browniana gt imaginea nu este stationaraproba
Particule in
suspensie
Intensitatea
luminoasa va fluctua
in timp
III
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
Legea Lambert ndash BeerA = εmiddotcmiddotl
1 Calcularea concentratiei de specii absorbante
Exemplu de
curbe de
absorbţie la
diferite
concentraţii de
analit
curba de etalonare a
absorbantei la maximul de
absorbţie la λmax
Deviatii de la legea Beer ndash descrie corect solutiile diluate
La concentratii mari (gt 10-2 M) apar interactii intre particulele
absorbante
In plus se modifica indicele de refractie al solutiei
Evolutia spectrului de absorbtie pentru
nanocristale cu diametre de la 17 nm pana la
12 nm
(CdSeZnS coreshell QD)
2 Se poate calcula dimensiunea
cristalitelor
Lungimi de unda mai mici energii mai mari
Apare deplasarea spre albastru ndash blue shift ndash odata cu scaderea
dimensiunilor
Ex largirea BI ΔEg = 1eV corespunde unei deplasari Δλ asymp 262 nm
scaderea dimensiunilor unui
cristal pana la valori nanometrice
determina aparitia fenomelor de
confinare cuantica
Apare fenomenul de largire a benzii interzise (BI)
450 nm 700 nm
Eg (CdSebulk) = 175 eV rarr λbulk = 710
nm
Eg (CdSeOD) = 275 eV rarr λQD = 450
nm
Δλ asymp 260 nm
SPECTROSCOPIE DE FLUORESCENTA2
excitare
dezexcitare
Fluorescenta
Schema procesului de aparitie a fluorescentei
detectie complementara spectroscopiei UV-Vis
gt daca in spectroscopia UV-Viz se masoara energia absorbita de o molecula pentru
a trece dintr-o stare fundamentala in stare excitata
gt in spectroscopia de fluorescenta se masoara energia emisa de o molecula pentru
a trece din starea excitata in starea fundamentala
Schema de detectie a unui spectrometru de
fluorescenta cu o geometrie la 90ordm utilizand o
sursa de Xe
Detaliu drum optic
Schema de detectie a fluorescentei in ldquoMicroarray technologyrdquo
Se obtine timpul de viata al
unei specii moleculare
excitate
ns
fluorescenta
μs
fosforescent
a
S0 ndash stare fundamentala
S1 ndash prima stare de tranzitie electronica
excitata
Vi ndash stari energetice de vibratie
Conversie interna gt tranzitii neradiative
Diagrama Jablonski
Time resolve fluorescence Proba este supusa unei iluminari in
pulsuri (durata pulsurilor trebuie sa
fie mai scurta ca timpul de viata) gt
nanoFlash Lamp
Steady state fluorescence
(de fapt este o mediere a fenomenelor lsquotime
resolversquo)
Proba este supusa unei iluminari continue
Se obtine spectrul de emisie
Investigarea constantei de legatura a bioconjugatelor
BSA-Nanoparticule de aur
prin spectroscopia de fluorescenta
M Iosin F Toderas and S Astilean Institutul de Cercetari Experimentale Interdisciplinare Laborator de Nanobiofotonica Universitatea Babes Bolyai
Cluj-Napoca
Sfe
re A
uN
P
Bastonase A
uNP
Fenomen de stingere a
fluorescentei
Metoda
spectroscopicaFenomenul ce sta la baza Tipul de
radiatie
electromagneti
ca
Domeniul de
lungimi de
unda
Domeniul de
frecventa
Numar de
unda
Spectroscopia IR
schimbarea starii de oscilatie
Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor
radiatie IR 100 μm ndash 1μm 3middot1012Hz - 3middot1014Hz 100 - 104 cm-1Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor atunci cind sint insotite de o modificare in
momentul dipolului
Spectroscopie
Raman
II
SPECTROSCOPIE IR si Raman3
Fiecare atom are 3 grade de libertate gt o molecula cu n atomi are 3n grade de libertate
3 grade de libertate descriu translatia
moleculei
3 grade de libertate descriu rotatia moleculei
+
3n-6 grade de libertate descriu vibratiile fundamentale
in momentul dipolului
pot da o activitate IR
in polarizare pot da
o activitate Raman
Cele care produc o modificare neta
Sunt vibratii active atat IR cat si Raman
Pentru o molecula liniara rotatia in jurul
axei nu conteaza (nu afecteaza energia
moleculei)
3n ndash 5 grade de liberate descriu vibratiile fundamentale
bull H2O ndash molecula neliniara cu 3 atomi 3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
Exemple
bull CO2 ndash molecula liniara cu 3 atomi 3n ndash 5 = 4 stari vibrationale
bull C6H6 (benzen) ndash molecula foarte mica dar cu 30 de benzi de vibratie in IR si Raman
bull molecula polimer ndash polistiren ndash contine 1000 de unitati monomere (16000 atomi) rarr rarr aproximativ 50000 de vibratii diferite
Este imposibili identificarea tuturor starilor vibrationale rarr simplificam luand in considerare numai gruparile chimice repetitive (ex benzile nucleului aromatic vibratiile C-H C-C sau C=C
Teoria spectroscopiei de absorbtie in infrarosu
Pentru ca o molecula sa absoarba radiatia IR vibratiile sau rotatiile in
interiorul ei trebuie sa determine o schimbare neta in momentul de dipol
Campul electric oscilant al radiatiei electromagnetice
interactioneaza cu fluctuatiile momentului de dipol al
moleculei
Daca frecventa radiatiei se potriveste cu frecventa
vibrationala a moleculei atunci radiatia va fi absorbita
Va aparea o modificare in amplitudinea vibratiei moleculare
Factori care afecteaza pozitia vibratiilor moleculelor in spectrul absorbtiilor
(ii) Taria legaturii
Exemplu
Legatura C - N C - N absoarbe la
1050ndash 1650 cm-1
Energie mai mica
Exemplu
Legatura C equiv N C equiv N absoarbe la
asymp 2200 cm-1
Energie mai mare
In cazul unor legaturi similare diferenta in
energia de absorbtie este data de masa
atomilor constituentiAtomul cu masa mai
mica va vibra mai
puternic
Atomul cu masa mai mare
va vibra mai putin
Legatura C ndash ClC ndash Cl
absoarbe la 600 ndash 800
cm-1
Legatura C ndash Br C ndash Br
absoarbe la 500 ndash 600
cm-1
Atomul de Br e mai greu gt energie mai mica de
vibratie
Atomul de Cl e mai usor gt energie mai mare de
vibratie
I Cazul unor molecule liniare
(i) Tipul de vibratii
Exemplu
Legatura C - H bendC - H bend in alkene
absoarbe la 1365 ndash 1485 cm-1
Exemplu
Legatura C - H stretchC - H stretch in alkene
absoarbe la 2600 ndash 2800 cm-1
Energie mai mare
Energie mai mica
I I Cazul unor molecule neliniare
Exemplu apa (H2O) ndash molecula neliniara cu 3 atomi
3 benzi de absorbtie in IR si Raman
n ndash 1 = 2 rarr vibratii
streching 2n ndash 5 = 1 rarr vibratii
bending
3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
pentru legaturile H - O pentru structura H ndash O - H
Spectru IR
Spectru Raman
Acid benzoic
Felul in care radiatia este utilizata difera in spectroscopia Raman fata de spectroscopia IR
in FTIR energia care acopera un interval de frecvente este directionata catre
proba
gt absorbtia are loc cand frecventa radiatiei incidente se identifica cu cea la
care molecula trece intr-o stare excitata vibrationala
in Raman se utilizeaza o singura frecventa a radiatiei pentru iradierea probei
gt radiatia este imprastiata de molecula detectandu-se unitatile de energie
vibrationale diferite de cele incidente (lumina care interactioneaza cu moleculele distorsioneaza ndash
polarizeaza ndash norul electronic)
Imprasierea Raman trebuie exprimata ca o deplasare in energie fata de radiatia de excitatie
Pentru legaturi cu un moment puternic de dipol (care sunt active IR) mobilitatea electronilor sau polarizabilitatea este de obicei scazuta
Pentru legaturi cu un moment slab de dipol (care sunt inactive IR) polarizabilitatea este de obicei mare si starile vibrationale ale legaturilor
sint active Raman
Spectroscopie Raman
Radiatia IR incidenta determina miscarea electronilor in legaturi si poate fi
absorbita
difuzata fara a i se modifica lungimea de unda gt difuzie Rayleigh
- intensitatea Rayleigh depinde puternic de lungimea de unda I ~ λ-4
imprastiata Raman-Stokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mare decacirct cea a radiatiei
incidente)
imprastiata Raman-antiStokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mica decacirct cea a
radiatiei incidente)
Nu implica nici absorbtia nici emisia ci imprastierea radiatiei
Este sensibila la
mobilitatea electronilor in
legaturi
(polarizabilitatea legaturilor)Masoara cit de usor este sa misti un
electron si implicit sa polarizezi o
legatura
Energia asociata radiatiilor IR este suficienta sa stimuleze vibratiile moleculare (ale
legaturilor chimice)
Spectrul IR rezultat reprezinta absorbtia si transmisia
moleculara fiind amprenta moleculara a probei
Conditii pentru ca o molecula sa absoarba radiatia icircn domeniul IR
1048708 sa aiba o structura de dipol sau sa poata dobandi o astfel de structura prin
excitatie
1048708 perioada de vibratie trebuie sa fie in faza cu perioada de oscilatie a radiatiei
incidente
1048708 cantitatea de energie a radiaţiei IR trebuie sa fie permisa de restrictiile
cuantice
Spectroscopie IR
Spectrele utilizate curent sunt de fapt spectre asupra carora s-a aplicat transformata Fourier
Spectroscopia FTIR - o metoda de masura a tuturor frecventelor IR simultan utilizand
interferometria
Fasciculul IR incident este
divizat in 2 fascicule optice
Un fascicul se reflecta pe
o oglinda plata fixa
Al 2-lea fascicul se reflecta pe o
oglinda plata care se deplaseaza
pe distante scurte (inainte ndash
inapoi)
Se recombina cind se reintilnesc in splitter
Pentru ca au parcurcurs drumuri optice diferite semnalul
rezultat este un semnal de interferenta
Fiecare punct contine o
informatie despre fiecare
frecventa IR care vine de la
sursa
Schema de detectie
Spectrul FTIR pentru o solutie de etanol
Observatii
- o molecula contine legaturi care dau mai multe vibratii posibile gt in spectrul IR trebuie sa se
regaseasca mai multe absorbtii care sa defineasca o molecula (nu numai o legatura chimica)
- se pot identifica legaturile specifice ale unei molecule (gruparile functionale) pentru a
determina structura
O-H
C-H
C-0
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelor
procesul de clusterizare a particulelor in suspensieSe obtin in plus informatii despre
procesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie
proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi
luminoase
daca particulele ar fi fixe gt imaginea de pe ecran ar fi
stationara
fiind in miscare browniana gt imaginea nu este stationaraproba
Particule in
suspensie
Intensitatea
luminoasa va fluctua
in timp
III
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
Evolutia spectrului de absorbtie pentru
nanocristale cu diametre de la 17 nm pana la
12 nm
(CdSeZnS coreshell QD)
2 Se poate calcula dimensiunea
cristalitelor
Lungimi de unda mai mici energii mai mari
Apare deplasarea spre albastru ndash blue shift ndash odata cu scaderea
dimensiunilor
Ex largirea BI ΔEg = 1eV corespunde unei deplasari Δλ asymp 262 nm
scaderea dimensiunilor unui
cristal pana la valori nanometrice
determina aparitia fenomelor de
confinare cuantica
Apare fenomenul de largire a benzii interzise (BI)
450 nm 700 nm
Eg (CdSebulk) = 175 eV rarr λbulk = 710
nm
Eg (CdSeOD) = 275 eV rarr λQD = 450
nm
Δλ asymp 260 nm
SPECTROSCOPIE DE FLUORESCENTA2
excitare
dezexcitare
Fluorescenta
Schema procesului de aparitie a fluorescentei
detectie complementara spectroscopiei UV-Vis
gt daca in spectroscopia UV-Viz se masoara energia absorbita de o molecula pentru
a trece dintr-o stare fundamentala in stare excitata
gt in spectroscopia de fluorescenta se masoara energia emisa de o molecula pentru
a trece din starea excitata in starea fundamentala
Schema de detectie a unui spectrometru de
fluorescenta cu o geometrie la 90ordm utilizand o
sursa de Xe
Detaliu drum optic
Schema de detectie a fluorescentei in ldquoMicroarray technologyrdquo
Se obtine timpul de viata al
unei specii moleculare
excitate
ns
fluorescenta
μs
fosforescent
a
S0 ndash stare fundamentala
S1 ndash prima stare de tranzitie electronica
excitata
Vi ndash stari energetice de vibratie
Conversie interna gt tranzitii neradiative
Diagrama Jablonski
Time resolve fluorescence Proba este supusa unei iluminari in
pulsuri (durata pulsurilor trebuie sa
fie mai scurta ca timpul de viata) gt
nanoFlash Lamp
Steady state fluorescence
(de fapt este o mediere a fenomenelor lsquotime
resolversquo)
Proba este supusa unei iluminari continue
Se obtine spectrul de emisie
Investigarea constantei de legatura a bioconjugatelor
BSA-Nanoparticule de aur
prin spectroscopia de fluorescenta
M Iosin F Toderas and S Astilean Institutul de Cercetari Experimentale Interdisciplinare Laborator de Nanobiofotonica Universitatea Babes Bolyai
Cluj-Napoca
Sfe
re A
uN
P
Bastonase A
uNP
Fenomen de stingere a
fluorescentei
Metoda
spectroscopicaFenomenul ce sta la baza Tipul de
radiatie
electromagneti
ca
Domeniul de
lungimi de
unda
Domeniul de
frecventa
Numar de
unda
Spectroscopia IR
schimbarea starii de oscilatie
Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor
radiatie IR 100 μm ndash 1μm 3middot1012Hz - 3middot1014Hz 100 - 104 cm-1Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor atunci cind sint insotite de o modificare in
momentul dipolului
Spectroscopie
Raman
II
SPECTROSCOPIE IR si Raman3
Fiecare atom are 3 grade de libertate gt o molecula cu n atomi are 3n grade de libertate
3 grade de libertate descriu translatia
moleculei
3 grade de libertate descriu rotatia moleculei
+
3n-6 grade de libertate descriu vibratiile fundamentale
in momentul dipolului
pot da o activitate IR
in polarizare pot da
o activitate Raman
Cele care produc o modificare neta
Sunt vibratii active atat IR cat si Raman
Pentru o molecula liniara rotatia in jurul
axei nu conteaza (nu afecteaza energia
moleculei)
3n ndash 5 grade de liberate descriu vibratiile fundamentale
bull H2O ndash molecula neliniara cu 3 atomi 3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
Exemple
bull CO2 ndash molecula liniara cu 3 atomi 3n ndash 5 = 4 stari vibrationale
bull C6H6 (benzen) ndash molecula foarte mica dar cu 30 de benzi de vibratie in IR si Raman
bull molecula polimer ndash polistiren ndash contine 1000 de unitati monomere (16000 atomi) rarr rarr aproximativ 50000 de vibratii diferite
Este imposibili identificarea tuturor starilor vibrationale rarr simplificam luand in considerare numai gruparile chimice repetitive (ex benzile nucleului aromatic vibratiile C-H C-C sau C=C
Teoria spectroscopiei de absorbtie in infrarosu
Pentru ca o molecula sa absoarba radiatia IR vibratiile sau rotatiile in
interiorul ei trebuie sa determine o schimbare neta in momentul de dipol
Campul electric oscilant al radiatiei electromagnetice
interactioneaza cu fluctuatiile momentului de dipol al
moleculei
Daca frecventa radiatiei se potriveste cu frecventa
vibrationala a moleculei atunci radiatia va fi absorbita
Va aparea o modificare in amplitudinea vibratiei moleculare
Factori care afecteaza pozitia vibratiilor moleculelor in spectrul absorbtiilor
(ii) Taria legaturii
Exemplu
Legatura C - N C - N absoarbe la
1050ndash 1650 cm-1
Energie mai mica
Exemplu
Legatura C equiv N C equiv N absoarbe la
asymp 2200 cm-1
Energie mai mare
In cazul unor legaturi similare diferenta in
energia de absorbtie este data de masa
atomilor constituentiAtomul cu masa mai
mica va vibra mai
puternic
Atomul cu masa mai mare
va vibra mai putin
Legatura C ndash ClC ndash Cl
absoarbe la 600 ndash 800
cm-1
Legatura C ndash Br C ndash Br
absoarbe la 500 ndash 600
cm-1
Atomul de Br e mai greu gt energie mai mica de
vibratie
Atomul de Cl e mai usor gt energie mai mare de
vibratie
I Cazul unor molecule liniare
(i) Tipul de vibratii
Exemplu
Legatura C - H bendC - H bend in alkene
absoarbe la 1365 ndash 1485 cm-1
Exemplu
Legatura C - H stretchC - H stretch in alkene
absoarbe la 2600 ndash 2800 cm-1
Energie mai mare
Energie mai mica
I I Cazul unor molecule neliniare
Exemplu apa (H2O) ndash molecula neliniara cu 3 atomi
3 benzi de absorbtie in IR si Raman
n ndash 1 = 2 rarr vibratii
streching 2n ndash 5 = 1 rarr vibratii
bending
3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
pentru legaturile H - O pentru structura H ndash O - H
Spectru IR
Spectru Raman
Acid benzoic
Felul in care radiatia este utilizata difera in spectroscopia Raman fata de spectroscopia IR
in FTIR energia care acopera un interval de frecvente este directionata catre
proba
gt absorbtia are loc cand frecventa radiatiei incidente se identifica cu cea la
care molecula trece intr-o stare excitata vibrationala
in Raman se utilizeaza o singura frecventa a radiatiei pentru iradierea probei
gt radiatia este imprastiata de molecula detectandu-se unitatile de energie
vibrationale diferite de cele incidente (lumina care interactioneaza cu moleculele distorsioneaza ndash
polarizeaza ndash norul electronic)
Imprasierea Raman trebuie exprimata ca o deplasare in energie fata de radiatia de excitatie
Pentru legaturi cu un moment puternic de dipol (care sunt active IR) mobilitatea electronilor sau polarizabilitatea este de obicei scazuta
Pentru legaturi cu un moment slab de dipol (care sunt inactive IR) polarizabilitatea este de obicei mare si starile vibrationale ale legaturilor
sint active Raman
Spectroscopie Raman
Radiatia IR incidenta determina miscarea electronilor in legaturi si poate fi
absorbita
difuzata fara a i se modifica lungimea de unda gt difuzie Rayleigh
- intensitatea Rayleigh depinde puternic de lungimea de unda I ~ λ-4
imprastiata Raman-Stokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mare decacirct cea a radiatiei
incidente)
imprastiata Raman-antiStokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mica decacirct cea a
radiatiei incidente)
Nu implica nici absorbtia nici emisia ci imprastierea radiatiei
Este sensibila la
mobilitatea electronilor in
legaturi
(polarizabilitatea legaturilor)Masoara cit de usor este sa misti un
electron si implicit sa polarizezi o
legatura
Energia asociata radiatiilor IR este suficienta sa stimuleze vibratiile moleculare (ale
legaturilor chimice)
Spectrul IR rezultat reprezinta absorbtia si transmisia
moleculara fiind amprenta moleculara a probei
Conditii pentru ca o molecula sa absoarba radiatia icircn domeniul IR
1048708 sa aiba o structura de dipol sau sa poata dobandi o astfel de structura prin
excitatie
1048708 perioada de vibratie trebuie sa fie in faza cu perioada de oscilatie a radiatiei
incidente
1048708 cantitatea de energie a radiaţiei IR trebuie sa fie permisa de restrictiile
cuantice
Spectroscopie IR
Spectrele utilizate curent sunt de fapt spectre asupra carora s-a aplicat transformata Fourier
Spectroscopia FTIR - o metoda de masura a tuturor frecventelor IR simultan utilizand
interferometria
Fasciculul IR incident este
divizat in 2 fascicule optice
Un fascicul se reflecta pe
o oglinda plata fixa
Al 2-lea fascicul se reflecta pe o
oglinda plata care se deplaseaza
pe distante scurte (inainte ndash
inapoi)
Se recombina cind se reintilnesc in splitter
Pentru ca au parcurcurs drumuri optice diferite semnalul
rezultat este un semnal de interferenta
Fiecare punct contine o
informatie despre fiecare
frecventa IR care vine de la
sursa
Schema de detectie
Spectrul FTIR pentru o solutie de etanol
Observatii
- o molecula contine legaturi care dau mai multe vibratii posibile gt in spectrul IR trebuie sa se
regaseasca mai multe absorbtii care sa defineasca o molecula (nu numai o legatura chimica)
- se pot identifica legaturile specifice ale unei molecule (gruparile functionale) pentru a
determina structura
O-H
C-H
C-0
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelor
procesul de clusterizare a particulelor in suspensieSe obtin in plus informatii despre
procesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie
proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi
luminoase
daca particulele ar fi fixe gt imaginea de pe ecran ar fi
stationara
fiind in miscare browniana gt imaginea nu este stationaraproba
Particule in
suspensie
Intensitatea
luminoasa va fluctua
in timp
III
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
SPECTROSCOPIE DE FLUORESCENTA2
excitare
dezexcitare
Fluorescenta
Schema procesului de aparitie a fluorescentei
detectie complementara spectroscopiei UV-Vis
gt daca in spectroscopia UV-Viz se masoara energia absorbita de o molecula pentru
a trece dintr-o stare fundamentala in stare excitata
gt in spectroscopia de fluorescenta se masoara energia emisa de o molecula pentru
a trece din starea excitata in starea fundamentala
Schema de detectie a unui spectrometru de
fluorescenta cu o geometrie la 90ordm utilizand o
sursa de Xe
Detaliu drum optic
Schema de detectie a fluorescentei in ldquoMicroarray technologyrdquo
Se obtine timpul de viata al
unei specii moleculare
excitate
ns
fluorescenta
μs
fosforescent
a
S0 ndash stare fundamentala
S1 ndash prima stare de tranzitie electronica
excitata
Vi ndash stari energetice de vibratie
Conversie interna gt tranzitii neradiative
Diagrama Jablonski
Time resolve fluorescence Proba este supusa unei iluminari in
pulsuri (durata pulsurilor trebuie sa
fie mai scurta ca timpul de viata) gt
nanoFlash Lamp
Steady state fluorescence
(de fapt este o mediere a fenomenelor lsquotime
resolversquo)
Proba este supusa unei iluminari continue
Se obtine spectrul de emisie
Investigarea constantei de legatura a bioconjugatelor
BSA-Nanoparticule de aur
prin spectroscopia de fluorescenta
M Iosin F Toderas and S Astilean Institutul de Cercetari Experimentale Interdisciplinare Laborator de Nanobiofotonica Universitatea Babes Bolyai
Cluj-Napoca
Sfe
re A
uN
P
Bastonase A
uNP
Fenomen de stingere a
fluorescentei
Metoda
spectroscopicaFenomenul ce sta la baza Tipul de
radiatie
electromagneti
ca
Domeniul de
lungimi de
unda
Domeniul de
frecventa
Numar de
unda
Spectroscopia IR
schimbarea starii de oscilatie
Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor
radiatie IR 100 μm ndash 1μm 3middot1012Hz - 3middot1014Hz 100 - 104 cm-1Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor atunci cind sint insotite de o modificare in
momentul dipolului
Spectroscopie
Raman
II
SPECTROSCOPIE IR si Raman3
Fiecare atom are 3 grade de libertate gt o molecula cu n atomi are 3n grade de libertate
3 grade de libertate descriu translatia
moleculei
3 grade de libertate descriu rotatia moleculei
+
3n-6 grade de libertate descriu vibratiile fundamentale
in momentul dipolului
pot da o activitate IR
in polarizare pot da
o activitate Raman
Cele care produc o modificare neta
Sunt vibratii active atat IR cat si Raman
Pentru o molecula liniara rotatia in jurul
axei nu conteaza (nu afecteaza energia
moleculei)
3n ndash 5 grade de liberate descriu vibratiile fundamentale
bull H2O ndash molecula neliniara cu 3 atomi 3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
Exemple
bull CO2 ndash molecula liniara cu 3 atomi 3n ndash 5 = 4 stari vibrationale
bull C6H6 (benzen) ndash molecula foarte mica dar cu 30 de benzi de vibratie in IR si Raman
bull molecula polimer ndash polistiren ndash contine 1000 de unitati monomere (16000 atomi) rarr rarr aproximativ 50000 de vibratii diferite
Este imposibili identificarea tuturor starilor vibrationale rarr simplificam luand in considerare numai gruparile chimice repetitive (ex benzile nucleului aromatic vibratiile C-H C-C sau C=C
Teoria spectroscopiei de absorbtie in infrarosu
Pentru ca o molecula sa absoarba radiatia IR vibratiile sau rotatiile in
interiorul ei trebuie sa determine o schimbare neta in momentul de dipol
Campul electric oscilant al radiatiei electromagnetice
interactioneaza cu fluctuatiile momentului de dipol al
moleculei
Daca frecventa radiatiei se potriveste cu frecventa
vibrationala a moleculei atunci radiatia va fi absorbita
Va aparea o modificare in amplitudinea vibratiei moleculare
Factori care afecteaza pozitia vibratiilor moleculelor in spectrul absorbtiilor
(ii) Taria legaturii
Exemplu
Legatura C - N C - N absoarbe la
1050ndash 1650 cm-1
Energie mai mica
Exemplu
Legatura C equiv N C equiv N absoarbe la
asymp 2200 cm-1
Energie mai mare
In cazul unor legaturi similare diferenta in
energia de absorbtie este data de masa
atomilor constituentiAtomul cu masa mai
mica va vibra mai
puternic
Atomul cu masa mai mare
va vibra mai putin
Legatura C ndash ClC ndash Cl
absoarbe la 600 ndash 800
cm-1
Legatura C ndash Br C ndash Br
absoarbe la 500 ndash 600
cm-1
Atomul de Br e mai greu gt energie mai mica de
vibratie
Atomul de Cl e mai usor gt energie mai mare de
vibratie
I Cazul unor molecule liniare
(i) Tipul de vibratii
Exemplu
Legatura C - H bendC - H bend in alkene
absoarbe la 1365 ndash 1485 cm-1
Exemplu
Legatura C - H stretchC - H stretch in alkene
absoarbe la 2600 ndash 2800 cm-1
Energie mai mare
Energie mai mica
I I Cazul unor molecule neliniare
Exemplu apa (H2O) ndash molecula neliniara cu 3 atomi
3 benzi de absorbtie in IR si Raman
n ndash 1 = 2 rarr vibratii
streching 2n ndash 5 = 1 rarr vibratii
bending
3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
pentru legaturile H - O pentru structura H ndash O - H
Spectru IR
Spectru Raman
Acid benzoic
Felul in care radiatia este utilizata difera in spectroscopia Raman fata de spectroscopia IR
in FTIR energia care acopera un interval de frecvente este directionata catre
proba
gt absorbtia are loc cand frecventa radiatiei incidente se identifica cu cea la
care molecula trece intr-o stare excitata vibrationala
in Raman se utilizeaza o singura frecventa a radiatiei pentru iradierea probei
gt radiatia este imprastiata de molecula detectandu-se unitatile de energie
vibrationale diferite de cele incidente (lumina care interactioneaza cu moleculele distorsioneaza ndash
polarizeaza ndash norul electronic)
Imprasierea Raman trebuie exprimata ca o deplasare in energie fata de radiatia de excitatie
Pentru legaturi cu un moment puternic de dipol (care sunt active IR) mobilitatea electronilor sau polarizabilitatea este de obicei scazuta
Pentru legaturi cu un moment slab de dipol (care sunt inactive IR) polarizabilitatea este de obicei mare si starile vibrationale ale legaturilor
sint active Raman
Spectroscopie Raman
Radiatia IR incidenta determina miscarea electronilor in legaturi si poate fi
absorbita
difuzata fara a i se modifica lungimea de unda gt difuzie Rayleigh
- intensitatea Rayleigh depinde puternic de lungimea de unda I ~ λ-4
imprastiata Raman-Stokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mare decacirct cea a radiatiei
incidente)
imprastiata Raman-antiStokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mica decacirct cea a
radiatiei incidente)
Nu implica nici absorbtia nici emisia ci imprastierea radiatiei
Este sensibila la
mobilitatea electronilor in
legaturi
(polarizabilitatea legaturilor)Masoara cit de usor este sa misti un
electron si implicit sa polarizezi o
legatura
Energia asociata radiatiilor IR este suficienta sa stimuleze vibratiile moleculare (ale
legaturilor chimice)
Spectrul IR rezultat reprezinta absorbtia si transmisia
moleculara fiind amprenta moleculara a probei
Conditii pentru ca o molecula sa absoarba radiatia icircn domeniul IR
1048708 sa aiba o structura de dipol sau sa poata dobandi o astfel de structura prin
excitatie
1048708 perioada de vibratie trebuie sa fie in faza cu perioada de oscilatie a radiatiei
incidente
1048708 cantitatea de energie a radiaţiei IR trebuie sa fie permisa de restrictiile
cuantice
Spectroscopie IR
Spectrele utilizate curent sunt de fapt spectre asupra carora s-a aplicat transformata Fourier
Spectroscopia FTIR - o metoda de masura a tuturor frecventelor IR simultan utilizand
interferometria
Fasciculul IR incident este
divizat in 2 fascicule optice
Un fascicul se reflecta pe
o oglinda plata fixa
Al 2-lea fascicul se reflecta pe o
oglinda plata care se deplaseaza
pe distante scurte (inainte ndash
inapoi)
Se recombina cind se reintilnesc in splitter
Pentru ca au parcurcurs drumuri optice diferite semnalul
rezultat este un semnal de interferenta
Fiecare punct contine o
informatie despre fiecare
frecventa IR care vine de la
sursa
Schema de detectie
Spectrul FTIR pentru o solutie de etanol
Observatii
- o molecula contine legaturi care dau mai multe vibratii posibile gt in spectrul IR trebuie sa se
regaseasca mai multe absorbtii care sa defineasca o molecula (nu numai o legatura chimica)
- se pot identifica legaturile specifice ale unei molecule (gruparile functionale) pentru a
determina structura
O-H
C-H
C-0
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelor
procesul de clusterizare a particulelor in suspensieSe obtin in plus informatii despre
procesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie
proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi
luminoase
daca particulele ar fi fixe gt imaginea de pe ecran ar fi
stationara
fiind in miscare browniana gt imaginea nu este stationaraproba
Particule in
suspensie
Intensitatea
luminoasa va fluctua
in timp
III
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
Schema de detectie a unui spectrometru de
fluorescenta cu o geometrie la 90ordm utilizand o
sursa de Xe
Detaliu drum optic
Schema de detectie a fluorescentei in ldquoMicroarray technologyrdquo
Se obtine timpul de viata al
unei specii moleculare
excitate
ns
fluorescenta
μs
fosforescent
a
S0 ndash stare fundamentala
S1 ndash prima stare de tranzitie electronica
excitata
Vi ndash stari energetice de vibratie
Conversie interna gt tranzitii neradiative
Diagrama Jablonski
Time resolve fluorescence Proba este supusa unei iluminari in
pulsuri (durata pulsurilor trebuie sa
fie mai scurta ca timpul de viata) gt
nanoFlash Lamp
Steady state fluorescence
(de fapt este o mediere a fenomenelor lsquotime
resolversquo)
Proba este supusa unei iluminari continue
Se obtine spectrul de emisie
Investigarea constantei de legatura a bioconjugatelor
BSA-Nanoparticule de aur
prin spectroscopia de fluorescenta
M Iosin F Toderas and S Astilean Institutul de Cercetari Experimentale Interdisciplinare Laborator de Nanobiofotonica Universitatea Babes Bolyai
Cluj-Napoca
Sfe
re A
uN
P
Bastonase A
uNP
Fenomen de stingere a
fluorescentei
Metoda
spectroscopicaFenomenul ce sta la baza Tipul de
radiatie
electromagneti
ca
Domeniul de
lungimi de
unda
Domeniul de
frecventa
Numar de
unda
Spectroscopia IR
schimbarea starii de oscilatie
Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor
radiatie IR 100 μm ndash 1μm 3middot1012Hz - 3middot1014Hz 100 - 104 cm-1Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor atunci cind sint insotite de o modificare in
momentul dipolului
Spectroscopie
Raman
II
SPECTROSCOPIE IR si Raman3
Fiecare atom are 3 grade de libertate gt o molecula cu n atomi are 3n grade de libertate
3 grade de libertate descriu translatia
moleculei
3 grade de libertate descriu rotatia moleculei
+
3n-6 grade de libertate descriu vibratiile fundamentale
in momentul dipolului
pot da o activitate IR
in polarizare pot da
o activitate Raman
Cele care produc o modificare neta
Sunt vibratii active atat IR cat si Raman
Pentru o molecula liniara rotatia in jurul
axei nu conteaza (nu afecteaza energia
moleculei)
3n ndash 5 grade de liberate descriu vibratiile fundamentale
bull H2O ndash molecula neliniara cu 3 atomi 3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
Exemple
bull CO2 ndash molecula liniara cu 3 atomi 3n ndash 5 = 4 stari vibrationale
bull C6H6 (benzen) ndash molecula foarte mica dar cu 30 de benzi de vibratie in IR si Raman
bull molecula polimer ndash polistiren ndash contine 1000 de unitati monomere (16000 atomi) rarr rarr aproximativ 50000 de vibratii diferite
Este imposibili identificarea tuturor starilor vibrationale rarr simplificam luand in considerare numai gruparile chimice repetitive (ex benzile nucleului aromatic vibratiile C-H C-C sau C=C
Teoria spectroscopiei de absorbtie in infrarosu
Pentru ca o molecula sa absoarba radiatia IR vibratiile sau rotatiile in
interiorul ei trebuie sa determine o schimbare neta in momentul de dipol
Campul electric oscilant al radiatiei electromagnetice
interactioneaza cu fluctuatiile momentului de dipol al
moleculei
Daca frecventa radiatiei se potriveste cu frecventa
vibrationala a moleculei atunci radiatia va fi absorbita
Va aparea o modificare in amplitudinea vibratiei moleculare
Factori care afecteaza pozitia vibratiilor moleculelor in spectrul absorbtiilor
(ii) Taria legaturii
Exemplu
Legatura C - N C - N absoarbe la
1050ndash 1650 cm-1
Energie mai mica
Exemplu
Legatura C equiv N C equiv N absoarbe la
asymp 2200 cm-1
Energie mai mare
In cazul unor legaturi similare diferenta in
energia de absorbtie este data de masa
atomilor constituentiAtomul cu masa mai
mica va vibra mai
puternic
Atomul cu masa mai mare
va vibra mai putin
Legatura C ndash ClC ndash Cl
absoarbe la 600 ndash 800
cm-1
Legatura C ndash Br C ndash Br
absoarbe la 500 ndash 600
cm-1
Atomul de Br e mai greu gt energie mai mica de
vibratie
Atomul de Cl e mai usor gt energie mai mare de
vibratie
I Cazul unor molecule liniare
(i) Tipul de vibratii
Exemplu
Legatura C - H bendC - H bend in alkene
absoarbe la 1365 ndash 1485 cm-1
Exemplu
Legatura C - H stretchC - H stretch in alkene
absoarbe la 2600 ndash 2800 cm-1
Energie mai mare
Energie mai mica
I I Cazul unor molecule neliniare
Exemplu apa (H2O) ndash molecula neliniara cu 3 atomi
3 benzi de absorbtie in IR si Raman
n ndash 1 = 2 rarr vibratii
streching 2n ndash 5 = 1 rarr vibratii
bending
3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
pentru legaturile H - O pentru structura H ndash O - H
Spectru IR
Spectru Raman
Acid benzoic
Felul in care radiatia este utilizata difera in spectroscopia Raman fata de spectroscopia IR
in FTIR energia care acopera un interval de frecvente este directionata catre
proba
gt absorbtia are loc cand frecventa radiatiei incidente se identifica cu cea la
care molecula trece intr-o stare excitata vibrationala
in Raman se utilizeaza o singura frecventa a radiatiei pentru iradierea probei
gt radiatia este imprastiata de molecula detectandu-se unitatile de energie
vibrationale diferite de cele incidente (lumina care interactioneaza cu moleculele distorsioneaza ndash
polarizeaza ndash norul electronic)
Imprasierea Raman trebuie exprimata ca o deplasare in energie fata de radiatia de excitatie
Pentru legaturi cu un moment puternic de dipol (care sunt active IR) mobilitatea electronilor sau polarizabilitatea este de obicei scazuta
Pentru legaturi cu un moment slab de dipol (care sunt inactive IR) polarizabilitatea este de obicei mare si starile vibrationale ale legaturilor
sint active Raman
Spectroscopie Raman
Radiatia IR incidenta determina miscarea electronilor in legaturi si poate fi
absorbita
difuzata fara a i se modifica lungimea de unda gt difuzie Rayleigh
- intensitatea Rayleigh depinde puternic de lungimea de unda I ~ λ-4
imprastiata Raman-Stokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mare decacirct cea a radiatiei
incidente)
imprastiata Raman-antiStokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mica decacirct cea a
radiatiei incidente)
Nu implica nici absorbtia nici emisia ci imprastierea radiatiei
Este sensibila la
mobilitatea electronilor in
legaturi
(polarizabilitatea legaturilor)Masoara cit de usor este sa misti un
electron si implicit sa polarizezi o
legatura
Energia asociata radiatiilor IR este suficienta sa stimuleze vibratiile moleculare (ale
legaturilor chimice)
Spectrul IR rezultat reprezinta absorbtia si transmisia
moleculara fiind amprenta moleculara a probei
Conditii pentru ca o molecula sa absoarba radiatia icircn domeniul IR
1048708 sa aiba o structura de dipol sau sa poata dobandi o astfel de structura prin
excitatie
1048708 perioada de vibratie trebuie sa fie in faza cu perioada de oscilatie a radiatiei
incidente
1048708 cantitatea de energie a radiaţiei IR trebuie sa fie permisa de restrictiile
cuantice
Spectroscopie IR
Spectrele utilizate curent sunt de fapt spectre asupra carora s-a aplicat transformata Fourier
Spectroscopia FTIR - o metoda de masura a tuturor frecventelor IR simultan utilizand
interferometria
Fasciculul IR incident este
divizat in 2 fascicule optice
Un fascicul se reflecta pe
o oglinda plata fixa
Al 2-lea fascicul se reflecta pe o
oglinda plata care se deplaseaza
pe distante scurte (inainte ndash
inapoi)
Se recombina cind se reintilnesc in splitter
Pentru ca au parcurcurs drumuri optice diferite semnalul
rezultat este un semnal de interferenta
Fiecare punct contine o
informatie despre fiecare
frecventa IR care vine de la
sursa
Schema de detectie
Spectrul FTIR pentru o solutie de etanol
Observatii
- o molecula contine legaturi care dau mai multe vibratii posibile gt in spectrul IR trebuie sa se
regaseasca mai multe absorbtii care sa defineasca o molecula (nu numai o legatura chimica)
- se pot identifica legaturile specifice ale unei molecule (gruparile functionale) pentru a
determina structura
O-H
C-H
C-0
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelor
procesul de clusterizare a particulelor in suspensieSe obtin in plus informatii despre
procesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie
proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi
luminoase
daca particulele ar fi fixe gt imaginea de pe ecran ar fi
stationara
fiind in miscare browniana gt imaginea nu este stationaraproba
Particule in
suspensie
Intensitatea
luminoasa va fluctua
in timp
III
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
Schema de detectie a fluorescentei in ldquoMicroarray technologyrdquo
Se obtine timpul de viata al
unei specii moleculare
excitate
ns
fluorescenta
μs
fosforescent
a
S0 ndash stare fundamentala
S1 ndash prima stare de tranzitie electronica
excitata
Vi ndash stari energetice de vibratie
Conversie interna gt tranzitii neradiative
Diagrama Jablonski
Time resolve fluorescence Proba este supusa unei iluminari in
pulsuri (durata pulsurilor trebuie sa
fie mai scurta ca timpul de viata) gt
nanoFlash Lamp
Steady state fluorescence
(de fapt este o mediere a fenomenelor lsquotime
resolversquo)
Proba este supusa unei iluminari continue
Se obtine spectrul de emisie
Investigarea constantei de legatura a bioconjugatelor
BSA-Nanoparticule de aur
prin spectroscopia de fluorescenta
M Iosin F Toderas and S Astilean Institutul de Cercetari Experimentale Interdisciplinare Laborator de Nanobiofotonica Universitatea Babes Bolyai
Cluj-Napoca
Sfe
re A
uN
P
Bastonase A
uNP
Fenomen de stingere a
fluorescentei
Metoda
spectroscopicaFenomenul ce sta la baza Tipul de
radiatie
electromagneti
ca
Domeniul de
lungimi de
unda
Domeniul de
frecventa
Numar de
unda
Spectroscopia IR
schimbarea starii de oscilatie
Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor
radiatie IR 100 μm ndash 1μm 3middot1012Hz - 3middot1014Hz 100 - 104 cm-1Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor atunci cind sint insotite de o modificare in
momentul dipolului
Spectroscopie
Raman
II
SPECTROSCOPIE IR si Raman3
Fiecare atom are 3 grade de libertate gt o molecula cu n atomi are 3n grade de libertate
3 grade de libertate descriu translatia
moleculei
3 grade de libertate descriu rotatia moleculei
+
3n-6 grade de libertate descriu vibratiile fundamentale
in momentul dipolului
pot da o activitate IR
in polarizare pot da
o activitate Raman
Cele care produc o modificare neta
Sunt vibratii active atat IR cat si Raman
Pentru o molecula liniara rotatia in jurul
axei nu conteaza (nu afecteaza energia
moleculei)
3n ndash 5 grade de liberate descriu vibratiile fundamentale
bull H2O ndash molecula neliniara cu 3 atomi 3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
Exemple
bull CO2 ndash molecula liniara cu 3 atomi 3n ndash 5 = 4 stari vibrationale
bull C6H6 (benzen) ndash molecula foarte mica dar cu 30 de benzi de vibratie in IR si Raman
bull molecula polimer ndash polistiren ndash contine 1000 de unitati monomere (16000 atomi) rarr rarr aproximativ 50000 de vibratii diferite
Este imposibili identificarea tuturor starilor vibrationale rarr simplificam luand in considerare numai gruparile chimice repetitive (ex benzile nucleului aromatic vibratiile C-H C-C sau C=C
Teoria spectroscopiei de absorbtie in infrarosu
Pentru ca o molecula sa absoarba radiatia IR vibratiile sau rotatiile in
interiorul ei trebuie sa determine o schimbare neta in momentul de dipol
Campul electric oscilant al radiatiei electromagnetice
interactioneaza cu fluctuatiile momentului de dipol al
moleculei
Daca frecventa radiatiei se potriveste cu frecventa
vibrationala a moleculei atunci radiatia va fi absorbita
Va aparea o modificare in amplitudinea vibratiei moleculare
Factori care afecteaza pozitia vibratiilor moleculelor in spectrul absorbtiilor
(ii) Taria legaturii
Exemplu
Legatura C - N C - N absoarbe la
1050ndash 1650 cm-1
Energie mai mica
Exemplu
Legatura C equiv N C equiv N absoarbe la
asymp 2200 cm-1
Energie mai mare
In cazul unor legaturi similare diferenta in
energia de absorbtie este data de masa
atomilor constituentiAtomul cu masa mai
mica va vibra mai
puternic
Atomul cu masa mai mare
va vibra mai putin
Legatura C ndash ClC ndash Cl
absoarbe la 600 ndash 800
cm-1
Legatura C ndash Br C ndash Br
absoarbe la 500 ndash 600
cm-1
Atomul de Br e mai greu gt energie mai mica de
vibratie
Atomul de Cl e mai usor gt energie mai mare de
vibratie
I Cazul unor molecule liniare
(i) Tipul de vibratii
Exemplu
Legatura C - H bendC - H bend in alkene
absoarbe la 1365 ndash 1485 cm-1
Exemplu
Legatura C - H stretchC - H stretch in alkene
absoarbe la 2600 ndash 2800 cm-1
Energie mai mare
Energie mai mica
I I Cazul unor molecule neliniare
Exemplu apa (H2O) ndash molecula neliniara cu 3 atomi
3 benzi de absorbtie in IR si Raman
n ndash 1 = 2 rarr vibratii
streching 2n ndash 5 = 1 rarr vibratii
bending
3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
pentru legaturile H - O pentru structura H ndash O - H
Spectru IR
Spectru Raman
Acid benzoic
Felul in care radiatia este utilizata difera in spectroscopia Raman fata de spectroscopia IR
in FTIR energia care acopera un interval de frecvente este directionata catre
proba
gt absorbtia are loc cand frecventa radiatiei incidente se identifica cu cea la
care molecula trece intr-o stare excitata vibrationala
in Raman se utilizeaza o singura frecventa a radiatiei pentru iradierea probei
gt radiatia este imprastiata de molecula detectandu-se unitatile de energie
vibrationale diferite de cele incidente (lumina care interactioneaza cu moleculele distorsioneaza ndash
polarizeaza ndash norul electronic)
Imprasierea Raman trebuie exprimata ca o deplasare in energie fata de radiatia de excitatie
Pentru legaturi cu un moment puternic de dipol (care sunt active IR) mobilitatea electronilor sau polarizabilitatea este de obicei scazuta
Pentru legaturi cu un moment slab de dipol (care sunt inactive IR) polarizabilitatea este de obicei mare si starile vibrationale ale legaturilor
sint active Raman
Spectroscopie Raman
Radiatia IR incidenta determina miscarea electronilor in legaturi si poate fi
absorbita
difuzata fara a i se modifica lungimea de unda gt difuzie Rayleigh
- intensitatea Rayleigh depinde puternic de lungimea de unda I ~ λ-4
imprastiata Raman-Stokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mare decacirct cea a radiatiei
incidente)
imprastiata Raman-antiStokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mica decacirct cea a
radiatiei incidente)
Nu implica nici absorbtia nici emisia ci imprastierea radiatiei
Este sensibila la
mobilitatea electronilor in
legaturi
(polarizabilitatea legaturilor)Masoara cit de usor este sa misti un
electron si implicit sa polarizezi o
legatura
Energia asociata radiatiilor IR este suficienta sa stimuleze vibratiile moleculare (ale
legaturilor chimice)
Spectrul IR rezultat reprezinta absorbtia si transmisia
moleculara fiind amprenta moleculara a probei
Conditii pentru ca o molecula sa absoarba radiatia icircn domeniul IR
1048708 sa aiba o structura de dipol sau sa poata dobandi o astfel de structura prin
excitatie
1048708 perioada de vibratie trebuie sa fie in faza cu perioada de oscilatie a radiatiei
incidente
1048708 cantitatea de energie a radiaţiei IR trebuie sa fie permisa de restrictiile
cuantice
Spectroscopie IR
Spectrele utilizate curent sunt de fapt spectre asupra carora s-a aplicat transformata Fourier
Spectroscopia FTIR - o metoda de masura a tuturor frecventelor IR simultan utilizand
interferometria
Fasciculul IR incident este
divizat in 2 fascicule optice
Un fascicul se reflecta pe
o oglinda plata fixa
Al 2-lea fascicul se reflecta pe o
oglinda plata care se deplaseaza
pe distante scurte (inainte ndash
inapoi)
Se recombina cind se reintilnesc in splitter
Pentru ca au parcurcurs drumuri optice diferite semnalul
rezultat este un semnal de interferenta
Fiecare punct contine o
informatie despre fiecare
frecventa IR care vine de la
sursa
Schema de detectie
Spectrul FTIR pentru o solutie de etanol
Observatii
- o molecula contine legaturi care dau mai multe vibratii posibile gt in spectrul IR trebuie sa se
regaseasca mai multe absorbtii care sa defineasca o molecula (nu numai o legatura chimica)
- se pot identifica legaturile specifice ale unei molecule (gruparile functionale) pentru a
determina structura
O-H
C-H
C-0
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelor
procesul de clusterizare a particulelor in suspensieSe obtin in plus informatii despre
procesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie
proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi
luminoase
daca particulele ar fi fixe gt imaginea de pe ecran ar fi
stationara
fiind in miscare browniana gt imaginea nu este stationaraproba
Particule in
suspensie
Intensitatea
luminoasa va fluctua
in timp
III
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
Se obtine timpul de viata al
unei specii moleculare
excitate
ns
fluorescenta
μs
fosforescent
a
S0 ndash stare fundamentala
S1 ndash prima stare de tranzitie electronica
excitata
Vi ndash stari energetice de vibratie
Conversie interna gt tranzitii neradiative
Diagrama Jablonski
Time resolve fluorescence Proba este supusa unei iluminari in
pulsuri (durata pulsurilor trebuie sa
fie mai scurta ca timpul de viata) gt
nanoFlash Lamp
Steady state fluorescence
(de fapt este o mediere a fenomenelor lsquotime
resolversquo)
Proba este supusa unei iluminari continue
Se obtine spectrul de emisie
Investigarea constantei de legatura a bioconjugatelor
BSA-Nanoparticule de aur
prin spectroscopia de fluorescenta
M Iosin F Toderas and S Astilean Institutul de Cercetari Experimentale Interdisciplinare Laborator de Nanobiofotonica Universitatea Babes Bolyai
Cluj-Napoca
Sfe
re A
uN
P
Bastonase A
uNP
Fenomen de stingere a
fluorescentei
Metoda
spectroscopicaFenomenul ce sta la baza Tipul de
radiatie
electromagneti
ca
Domeniul de
lungimi de
unda
Domeniul de
frecventa
Numar de
unda
Spectroscopia IR
schimbarea starii de oscilatie
Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor
radiatie IR 100 μm ndash 1μm 3middot1012Hz - 3middot1014Hz 100 - 104 cm-1Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor atunci cind sint insotite de o modificare in
momentul dipolului
Spectroscopie
Raman
II
SPECTROSCOPIE IR si Raman3
Fiecare atom are 3 grade de libertate gt o molecula cu n atomi are 3n grade de libertate
3 grade de libertate descriu translatia
moleculei
3 grade de libertate descriu rotatia moleculei
+
3n-6 grade de libertate descriu vibratiile fundamentale
in momentul dipolului
pot da o activitate IR
in polarizare pot da
o activitate Raman
Cele care produc o modificare neta
Sunt vibratii active atat IR cat si Raman
Pentru o molecula liniara rotatia in jurul
axei nu conteaza (nu afecteaza energia
moleculei)
3n ndash 5 grade de liberate descriu vibratiile fundamentale
bull H2O ndash molecula neliniara cu 3 atomi 3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
Exemple
bull CO2 ndash molecula liniara cu 3 atomi 3n ndash 5 = 4 stari vibrationale
bull C6H6 (benzen) ndash molecula foarte mica dar cu 30 de benzi de vibratie in IR si Raman
bull molecula polimer ndash polistiren ndash contine 1000 de unitati monomere (16000 atomi) rarr rarr aproximativ 50000 de vibratii diferite
Este imposibili identificarea tuturor starilor vibrationale rarr simplificam luand in considerare numai gruparile chimice repetitive (ex benzile nucleului aromatic vibratiile C-H C-C sau C=C
Teoria spectroscopiei de absorbtie in infrarosu
Pentru ca o molecula sa absoarba radiatia IR vibratiile sau rotatiile in
interiorul ei trebuie sa determine o schimbare neta in momentul de dipol
Campul electric oscilant al radiatiei electromagnetice
interactioneaza cu fluctuatiile momentului de dipol al
moleculei
Daca frecventa radiatiei se potriveste cu frecventa
vibrationala a moleculei atunci radiatia va fi absorbita
Va aparea o modificare in amplitudinea vibratiei moleculare
Factori care afecteaza pozitia vibratiilor moleculelor in spectrul absorbtiilor
(ii) Taria legaturii
Exemplu
Legatura C - N C - N absoarbe la
1050ndash 1650 cm-1
Energie mai mica
Exemplu
Legatura C equiv N C equiv N absoarbe la
asymp 2200 cm-1
Energie mai mare
In cazul unor legaturi similare diferenta in
energia de absorbtie este data de masa
atomilor constituentiAtomul cu masa mai
mica va vibra mai
puternic
Atomul cu masa mai mare
va vibra mai putin
Legatura C ndash ClC ndash Cl
absoarbe la 600 ndash 800
cm-1
Legatura C ndash Br C ndash Br
absoarbe la 500 ndash 600
cm-1
Atomul de Br e mai greu gt energie mai mica de
vibratie
Atomul de Cl e mai usor gt energie mai mare de
vibratie
I Cazul unor molecule liniare
(i) Tipul de vibratii
Exemplu
Legatura C - H bendC - H bend in alkene
absoarbe la 1365 ndash 1485 cm-1
Exemplu
Legatura C - H stretchC - H stretch in alkene
absoarbe la 2600 ndash 2800 cm-1
Energie mai mare
Energie mai mica
I I Cazul unor molecule neliniare
Exemplu apa (H2O) ndash molecula neliniara cu 3 atomi
3 benzi de absorbtie in IR si Raman
n ndash 1 = 2 rarr vibratii
streching 2n ndash 5 = 1 rarr vibratii
bending
3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
pentru legaturile H - O pentru structura H ndash O - H
Spectru IR
Spectru Raman
Acid benzoic
Felul in care radiatia este utilizata difera in spectroscopia Raman fata de spectroscopia IR
in FTIR energia care acopera un interval de frecvente este directionata catre
proba
gt absorbtia are loc cand frecventa radiatiei incidente se identifica cu cea la
care molecula trece intr-o stare excitata vibrationala
in Raman se utilizeaza o singura frecventa a radiatiei pentru iradierea probei
gt radiatia este imprastiata de molecula detectandu-se unitatile de energie
vibrationale diferite de cele incidente (lumina care interactioneaza cu moleculele distorsioneaza ndash
polarizeaza ndash norul electronic)
Imprasierea Raman trebuie exprimata ca o deplasare in energie fata de radiatia de excitatie
Pentru legaturi cu un moment puternic de dipol (care sunt active IR) mobilitatea electronilor sau polarizabilitatea este de obicei scazuta
Pentru legaturi cu un moment slab de dipol (care sunt inactive IR) polarizabilitatea este de obicei mare si starile vibrationale ale legaturilor
sint active Raman
Spectroscopie Raman
Radiatia IR incidenta determina miscarea electronilor in legaturi si poate fi
absorbita
difuzata fara a i se modifica lungimea de unda gt difuzie Rayleigh
- intensitatea Rayleigh depinde puternic de lungimea de unda I ~ λ-4
imprastiata Raman-Stokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mare decacirct cea a radiatiei
incidente)
imprastiata Raman-antiStokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mica decacirct cea a
radiatiei incidente)
Nu implica nici absorbtia nici emisia ci imprastierea radiatiei
Este sensibila la
mobilitatea electronilor in
legaturi
(polarizabilitatea legaturilor)Masoara cit de usor este sa misti un
electron si implicit sa polarizezi o
legatura
Energia asociata radiatiilor IR este suficienta sa stimuleze vibratiile moleculare (ale
legaturilor chimice)
Spectrul IR rezultat reprezinta absorbtia si transmisia
moleculara fiind amprenta moleculara a probei
Conditii pentru ca o molecula sa absoarba radiatia icircn domeniul IR
1048708 sa aiba o structura de dipol sau sa poata dobandi o astfel de structura prin
excitatie
1048708 perioada de vibratie trebuie sa fie in faza cu perioada de oscilatie a radiatiei
incidente
1048708 cantitatea de energie a radiaţiei IR trebuie sa fie permisa de restrictiile
cuantice
Spectroscopie IR
Spectrele utilizate curent sunt de fapt spectre asupra carora s-a aplicat transformata Fourier
Spectroscopia FTIR - o metoda de masura a tuturor frecventelor IR simultan utilizand
interferometria
Fasciculul IR incident este
divizat in 2 fascicule optice
Un fascicul se reflecta pe
o oglinda plata fixa
Al 2-lea fascicul se reflecta pe o
oglinda plata care se deplaseaza
pe distante scurte (inainte ndash
inapoi)
Se recombina cind se reintilnesc in splitter
Pentru ca au parcurcurs drumuri optice diferite semnalul
rezultat este un semnal de interferenta
Fiecare punct contine o
informatie despre fiecare
frecventa IR care vine de la
sursa
Schema de detectie
Spectrul FTIR pentru o solutie de etanol
Observatii
- o molecula contine legaturi care dau mai multe vibratii posibile gt in spectrul IR trebuie sa se
regaseasca mai multe absorbtii care sa defineasca o molecula (nu numai o legatura chimica)
- se pot identifica legaturile specifice ale unei molecule (gruparile functionale) pentru a
determina structura
O-H
C-H
C-0
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelor
procesul de clusterizare a particulelor in suspensieSe obtin in plus informatii despre
procesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie
proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi
luminoase
daca particulele ar fi fixe gt imaginea de pe ecran ar fi
stationara
fiind in miscare browniana gt imaginea nu este stationaraproba
Particule in
suspensie
Intensitatea
luminoasa va fluctua
in timp
III
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
Investigarea constantei de legatura a bioconjugatelor
BSA-Nanoparticule de aur
prin spectroscopia de fluorescenta
M Iosin F Toderas and S Astilean Institutul de Cercetari Experimentale Interdisciplinare Laborator de Nanobiofotonica Universitatea Babes Bolyai
Cluj-Napoca
Sfe
re A
uN
P
Bastonase A
uNP
Fenomen de stingere a
fluorescentei
Metoda
spectroscopicaFenomenul ce sta la baza Tipul de
radiatie
electromagneti
ca
Domeniul de
lungimi de
unda
Domeniul de
frecventa
Numar de
unda
Spectroscopia IR
schimbarea starii de oscilatie
Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor
radiatie IR 100 μm ndash 1μm 3middot1012Hz - 3middot1014Hz 100 - 104 cm-1Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor atunci cind sint insotite de o modificare in
momentul dipolului
Spectroscopie
Raman
II
SPECTROSCOPIE IR si Raman3
Fiecare atom are 3 grade de libertate gt o molecula cu n atomi are 3n grade de libertate
3 grade de libertate descriu translatia
moleculei
3 grade de libertate descriu rotatia moleculei
+
3n-6 grade de libertate descriu vibratiile fundamentale
in momentul dipolului
pot da o activitate IR
in polarizare pot da
o activitate Raman
Cele care produc o modificare neta
Sunt vibratii active atat IR cat si Raman
Pentru o molecula liniara rotatia in jurul
axei nu conteaza (nu afecteaza energia
moleculei)
3n ndash 5 grade de liberate descriu vibratiile fundamentale
bull H2O ndash molecula neliniara cu 3 atomi 3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
Exemple
bull CO2 ndash molecula liniara cu 3 atomi 3n ndash 5 = 4 stari vibrationale
bull C6H6 (benzen) ndash molecula foarte mica dar cu 30 de benzi de vibratie in IR si Raman
bull molecula polimer ndash polistiren ndash contine 1000 de unitati monomere (16000 atomi) rarr rarr aproximativ 50000 de vibratii diferite
Este imposibili identificarea tuturor starilor vibrationale rarr simplificam luand in considerare numai gruparile chimice repetitive (ex benzile nucleului aromatic vibratiile C-H C-C sau C=C
Teoria spectroscopiei de absorbtie in infrarosu
Pentru ca o molecula sa absoarba radiatia IR vibratiile sau rotatiile in
interiorul ei trebuie sa determine o schimbare neta in momentul de dipol
Campul electric oscilant al radiatiei electromagnetice
interactioneaza cu fluctuatiile momentului de dipol al
moleculei
Daca frecventa radiatiei se potriveste cu frecventa
vibrationala a moleculei atunci radiatia va fi absorbita
Va aparea o modificare in amplitudinea vibratiei moleculare
Factori care afecteaza pozitia vibratiilor moleculelor in spectrul absorbtiilor
(ii) Taria legaturii
Exemplu
Legatura C - N C - N absoarbe la
1050ndash 1650 cm-1
Energie mai mica
Exemplu
Legatura C equiv N C equiv N absoarbe la
asymp 2200 cm-1
Energie mai mare
In cazul unor legaturi similare diferenta in
energia de absorbtie este data de masa
atomilor constituentiAtomul cu masa mai
mica va vibra mai
puternic
Atomul cu masa mai mare
va vibra mai putin
Legatura C ndash ClC ndash Cl
absoarbe la 600 ndash 800
cm-1
Legatura C ndash Br C ndash Br
absoarbe la 500 ndash 600
cm-1
Atomul de Br e mai greu gt energie mai mica de
vibratie
Atomul de Cl e mai usor gt energie mai mare de
vibratie
I Cazul unor molecule liniare
(i) Tipul de vibratii
Exemplu
Legatura C - H bendC - H bend in alkene
absoarbe la 1365 ndash 1485 cm-1
Exemplu
Legatura C - H stretchC - H stretch in alkene
absoarbe la 2600 ndash 2800 cm-1
Energie mai mare
Energie mai mica
I I Cazul unor molecule neliniare
Exemplu apa (H2O) ndash molecula neliniara cu 3 atomi
3 benzi de absorbtie in IR si Raman
n ndash 1 = 2 rarr vibratii
streching 2n ndash 5 = 1 rarr vibratii
bending
3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
pentru legaturile H - O pentru structura H ndash O - H
Spectru IR
Spectru Raman
Acid benzoic
Felul in care radiatia este utilizata difera in spectroscopia Raman fata de spectroscopia IR
in FTIR energia care acopera un interval de frecvente este directionata catre
proba
gt absorbtia are loc cand frecventa radiatiei incidente se identifica cu cea la
care molecula trece intr-o stare excitata vibrationala
in Raman se utilizeaza o singura frecventa a radiatiei pentru iradierea probei
gt radiatia este imprastiata de molecula detectandu-se unitatile de energie
vibrationale diferite de cele incidente (lumina care interactioneaza cu moleculele distorsioneaza ndash
polarizeaza ndash norul electronic)
Imprasierea Raman trebuie exprimata ca o deplasare in energie fata de radiatia de excitatie
Pentru legaturi cu un moment puternic de dipol (care sunt active IR) mobilitatea electronilor sau polarizabilitatea este de obicei scazuta
Pentru legaturi cu un moment slab de dipol (care sunt inactive IR) polarizabilitatea este de obicei mare si starile vibrationale ale legaturilor
sint active Raman
Spectroscopie Raman
Radiatia IR incidenta determina miscarea electronilor in legaturi si poate fi
absorbita
difuzata fara a i se modifica lungimea de unda gt difuzie Rayleigh
- intensitatea Rayleigh depinde puternic de lungimea de unda I ~ λ-4
imprastiata Raman-Stokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mare decacirct cea a radiatiei
incidente)
imprastiata Raman-antiStokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mica decacirct cea a
radiatiei incidente)
Nu implica nici absorbtia nici emisia ci imprastierea radiatiei
Este sensibila la
mobilitatea electronilor in
legaturi
(polarizabilitatea legaturilor)Masoara cit de usor este sa misti un
electron si implicit sa polarizezi o
legatura
Energia asociata radiatiilor IR este suficienta sa stimuleze vibratiile moleculare (ale
legaturilor chimice)
Spectrul IR rezultat reprezinta absorbtia si transmisia
moleculara fiind amprenta moleculara a probei
Conditii pentru ca o molecula sa absoarba radiatia icircn domeniul IR
1048708 sa aiba o structura de dipol sau sa poata dobandi o astfel de structura prin
excitatie
1048708 perioada de vibratie trebuie sa fie in faza cu perioada de oscilatie a radiatiei
incidente
1048708 cantitatea de energie a radiaţiei IR trebuie sa fie permisa de restrictiile
cuantice
Spectroscopie IR
Spectrele utilizate curent sunt de fapt spectre asupra carora s-a aplicat transformata Fourier
Spectroscopia FTIR - o metoda de masura a tuturor frecventelor IR simultan utilizand
interferometria
Fasciculul IR incident este
divizat in 2 fascicule optice
Un fascicul se reflecta pe
o oglinda plata fixa
Al 2-lea fascicul se reflecta pe o
oglinda plata care se deplaseaza
pe distante scurte (inainte ndash
inapoi)
Se recombina cind se reintilnesc in splitter
Pentru ca au parcurcurs drumuri optice diferite semnalul
rezultat este un semnal de interferenta
Fiecare punct contine o
informatie despre fiecare
frecventa IR care vine de la
sursa
Schema de detectie
Spectrul FTIR pentru o solutie de etanol
Observatii
- o molecula contine legaturi care dau mai multe vibratii posibile gt in spectrul IR trebuie sa se
regaseasca mai multe absorbtii care sa defineasca o molecula (nu numai o legatura chimica)
- se pot identifica legaturile specifice ale unei molecule (gruparile functionale) pentru a
determina structura
O-H
C-H
C-0
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelor
procesul de clusterizare a particulelor in suspensieSe obtin in plus informatii despre
procesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie
proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi
luminoase
daca particulele ar fi fixe gt imaginea de pe ecran ar fi
stationara
fiind in miscare browniana gt imaginea nu este stationaraproba
Particule in
suspensie
Intensitatea
luminoasa va fluctua
in timp
III
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
Metoda
spectroscopicaFenomenul ce sta la baza Tipul de
radiatie
electromagneti
ca
Domeniul de
lungimi de
unda
Domeniul de
frecventa
Numar de
unda
Spectroscopia IR
schimbarea starii de oscilatie
Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor
radiatie IR 100 μm ndash 1μm 3middot1012Hz - 3middot1014Hz 100 - 104 cm-1Inregistreaza aparitia unor miscari vibrationale ale
moleculelor atunci cind sint insotite de o modificare in
momentul dipolului
Spectroscopie
Raman
II
SPECTROSCOPIE IR si Raman3
Fiecare atom are 3 grade de libertate gt o molecula cu n atomi are 3n grade de libertate
3 grade de libertate descriu translatia
moleculei
3 grade de libertate descriu rotatia moleculei
+
3n-6 grade de libertate descriu vibratiile fundamentale
in momentul dipolului
pot da o activitate IR
in polarizare pot da
o activitate Raman
Cele care produc o modificare neta
Sunt vibratii active atat IR cat si Raman
Pentru o molecula liniara rotatia in jurul
axei nu conteaza (nu afecteaza energia
moleculei)
3n ndash 5 grade de liberate descriu vibratiile fundamentale
bull H2O ndash molecula neliniara cu 3 atomi 3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
Exemple
bull CO2 ndash molecula liniara cu 3 atomi 3n ndash 5 = 4 stari vibrationale
bull C6H6 (benzen) ndash molecula foarte mica dar cu 30 de benzi de vibratie in IR si Raman
bull molecula polimer ndash polistiren ndash contine 1000 de unitati monomere (16000 atomi) rarr rarr aproximativ 50000 de vibratii diferite
Este imposibili identificarea tuturor starilor vibrationale rarr simplificam luand in considerare numai gruparile chimice repetitive (ex benzile nucleului aromatic vibratiile C-H C-C sau C=C
Teoria spectroscopiei de absorbtie in infrarosu
Pentru ca o molecula sa absoarba radiatia IR vibratiile sau rotatiile in
interiorul ei trebuie sa determine o schimbare neta in momentul de dipol
Campul electric oscilant al radiatiei electromagnetice
interactioneaza cu fluctuatiile momentului de dipol al
moleculei
Daca frecventa radiatiei se potriveste cu frecventa
vibrationala a moleculei atunci radiatia va fi absorbita
Va aparea o modificare in amplitudinea vibratiei moleculare
Factori care afecteaza pozitia vibratiilor moleculelor in spectrul absorbtiilor
(ii) Taria legaturii
Exemplu
Legatura C - N C - N absoarbe la
1050ndash 1650 cm-1
Energie mai mica
Exemplu
Legatura C equiv N C equiv N absoarbe la
asymp 2200 cm-1
Energie mai mare
In cazul unor legaturi similare diferenta in
energia de absorbtie este data de masa
atomilor constituentiAtomul cu masa mai
mica va vibra mai
puternic
Atomul cu masa mai mare
va vibra mai putin
Legatura C ndash ClC ndash Cl
absoarbe la 600 ndash 800
cm-1
Legatura C ndash Br C ndash Br
absoarbe la 500 ndash 600
cm-1
Atomul de Br e mai greu gt energie mai mica de
vibratie
Atomul de Cl e mai usor gt energie mai mare de
vibratie
I Cazul unor molecule liniare
(i) Tipul de vibratii
Exemplu
Legatura C - H bendC - H bend in alkene
absoarbe la 1365 ndash 1485 cm-1
Exemplu
Legatura C - H stretchC - H stretch in alkene
absoarbe la 2600 ndash 2800 cm-1
Energie mai mare
Energie mai mica
I I Cazul unor molecule neliniare
Exemplu apa (H2O) ndash molecula neliniara cu 3 atomi
3 benzi de absorbtie in IR si Raman
n ndash 1 = 2 rarr vibratii
streching 2n ndash 5 = 1 rarr vibratii
bending
3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
pentru legaturile H - O pentru structura H ndash O - H
Spectru IR
Spectru Raman
Acid benzoic
Felul in care radiatia este utilizata difera in spectroscopia Raman fata de spectroscopia IR
in FTIR energia care acopera un interval de frecvente este directionata catre
proba
gt absorbtia are loc cand frecventa radiatiei incidente se identifica cu cea la
care molecula trece intr-o stare excitata vibrationala
in Raman se utilizeaza o singura frecventa a radiatiei pentru iradierea probei
gt radiatia este imprastiata de molecula detectandu-se unitatile de energie
vibrationale diferite de cele incidente (lumina care interactioneaza cu moleculele distorsioneaza ndash
polarizeaza ndash norul electronic)
Imprasierea Raman trebuie exprimata ca o deplasare in energie fata de radiatia de excitatie
Pentru legaturi cu un moment puternic de dipol (care sunt active IR) mobilitatea electronilor sau polarizabilitatea este de obicei scazuta
Pentru legaturi cu un moment slab de dipol (care sunt inactive IR) polarizabilitatea este de obicei mare si starile vibrationale ale legaturilor
sint active Raman
Spectroscopie Raman
Radiatia IR incidenta determina miscarea electronilor in legaturi si poate fi
absorbita
difuzata fara a i se modifica lungimea de unda gt difuzie Rayleigh
- intensitatea Rayleigh depinde puternic de lungimea de unda I ~ λ-4
imprastiata Raman-Stokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mare decacirct cea a radiatiei
incidente)
imprastiata Raman-antiStokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mica decacirct cea a
radiatiei incidente)
Nu implica nici absorbtia nici emisia ci imprastierea radiatiei
Este sensibila la
mobilitatea electronilor in
legaturi
(polarizabilitatea legaturilor)Masoara cit de usor este sa misti un
electron si implicit sa polarizezi o
legatura
Energia asociata radiatiilor IR este suficienta sa stimuleze vibratiile moleculare (ale
legaturilor chimice)
Spectrul IR rezultat reprezinta absorbtia si transmisia
moleculara fiind amprenta moleculara a probei
Conditii pentru ca o molecula sa absoarba radiatia icircn domeniul IR
1048708 sa aiba o structura de dipol sau sa poata dobandi o astfel de structura prin
excitatie
1048708 perioada de vibratie trebuie sa fie in faza cu perioada de oscilatie a radiatiei
incidente
1048708 cantitatea de energie a radiaţiei IR trebuie sa fie permisa de restrictiile
cuantice
Spectroscopie IR
Spectrele utilizate curent sunt de fapt spectre asupra carora s-a aplicat transformata Fourier
Spectroscopia FTIR - o metoda de masura a tuturor frecventelor IR simultan utilizand
interferometria
Fasciculul IR incident este
divizat in 2 fascicule optice
Un fascicul se reflecta pe
o oglinda plata fixa
Al 2-lea fascicul se reflecta pe o
oglinda plata care se deplaseaza
pe distante scurte (inainte ndash
inapoi)
Se recombina cind se reintilnesc in splitter
Pentru ca au parcurcurs drumuri optice diferite semnalul
rezultat este un semnal de interferenta
Fiecare punct contine o
informatie despre fiecare
frecventa IR care vine de la
sursa
Schema de detectie
Spectrul FTIR pentru o solutie de etanol
Observatii
- o molecula contine legaturi care dau mai multe vibratii posibile gt in spectrul IR trebuie sa se
regaseasca mai multe absorbtii care sa defineasca o molecula (nu numai o legatura chimica)
- se pot identifica legaturile specifice ale unei molecule (gruparile functionale) pentru a
determina structura
O-H
C-H
C-0
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelor
procesul de clusterizare a particulelor in suspensieSe obtin in plus informatii despre
procesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie
proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi
luminoase
daca particulele ar fi fixe gt imaginea de pe ecran ar fi
stationara
fiind in miscare browniana gt imaginea nu este stationaraproba
Particule in
suspensie
Intensitatea
luminoasa va fluctua
in timp
III
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
SPECTROSCOPIE IR si Raman3
Fiecare atom are 3 grade de libertate gt o molecula cu n atomi are 3n grade de libertate
3 grade de libertate descriu translatia
moleculei
3 grade de libertate descriu rotatia moleculei
+
3n-6 grade de libertate descriu vibratiile fundamentale
in momentul dipolului
pot da o activitate IR
in polarizare pot da
o activitate Raman
Cele care produc o modificare neta
Sunt vibratii active atat IR cat si Raman
Pentru o molecula liniara rotatia in jurul
axei nu conteaza (nu afecteaza energia
moleculei)
3n ndash 5 grade de liberate descriu vibratiile fundamentale
bull H2O ndash molecula neliniara cu 3 atomi 3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
Exemple
bull CO2 ndash molecula liniara cu 3 atomi 3n ndash 5 = 4 stari vibrationale
bull C6H6 (benzen) ndash molecula foarte mica dar cu 30 de benzi de vibratie in IR si Raman
bull molecula polimer ndash polistiren ndash contine 1000 de unitati monomere (16000 atomi) rarr rarr aproximativ 50000 de vibratii diferite
Este imposibili identificarea tuturor starilor vibrationale rarr simplificam luand in considerare numai gruparile chimice repetitive (ex benzile nucleului aromatic vibratiile C-H C-C sau C=C
Teoria spectroscopiei de absorbtie in infrarosu
Pentru ca o molecula sa absoarba radiatia IR vibratiile sau rotatiile in
interiorul ei trebuie sa determine o schimbare neta in momentul de dipol
Campul electric oscilant al radiatiei electromagnetice
interactioneaza cu fluctuatiile momentului de dipol al
moleculei
Daca frecventa radiatiei se potriveste cu frecventa
vibrationala a moleculei atunci radiatia va fi absorbita
Va aparea o modificare in amplitudinea vibratiei moleculare
Factori care afecteaza pozitia vibratiilor moleculelor in spectrul absorbtiilor
(ii) Taria legaturii
Exemplu
Legatura C - N C - N absoarbe la
1050ndash 1650 cm-1
Energie mai mica
Exemplu
Legatura C equiv N C equiv N absoarbe la
asymp 2200 cm-1
Energie mai mare
In cazul unor legaturi similare diferenta in
energia de absorbtie este data de masa
atomilor constituentiAtomul cu masa mai
mica va vibra mai
puternic
Atomul cu masa mai mare
va vibra mai putin
Legatura C ndash ClC ndash Cl
absoarbe la 600 ndash 800
cm-1
Legatura C ndash Br C ndash Br
absoarbe la 500 ndash 600
cm-1
Atomul de Br e mai greu gt energie mai mica de
vibratie
Atomul de Cl e mai usor gt energie mai mare de
vibratie
I Cazul unor molecule liniare
(i) Tipul de vibratii
Exemplu
Legatura C - H bendC - H bend in alkene
absoarbe la 1365 ndash 1485 cm-1
Exemplu
Legatura C - H stretchC - H stretch in alkene
absoarbe la 2600 ndash 2800 cm-1
Energie mai mare
Energie mai mica
I I Cazul unor molecule neliniare
Exemplu apa (H2O) ndash molecula neliniara cu 3 atomi
3 benzi de absorbtie in IR si Raman
n ndash 1 = 2 rarr vibratii
streching 2n ndash 5 = 1 rarr vibratii
bending
3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
pentru legaturile H - O pentru structura H ndash O - H
Spectru IR
Spectru Raman
Acid benzoic
Felul in care radiatia este utilizata difera in spectroscopia Raman fata de spectroscopia IR
in FTIR energia care acopera un interval de frecvente este directionata catre
proba
gt absorbtia are loc cand frecventa radiatiei incidente se identifica cu cea la
care molecula trece intr-o stare excitata vibrationala
in Raman se utilizeaza o singura frecventa a radiatiei pentru iradierea probei
gt radiatia este imprastiata de molecula detectandu-se unitatile de energie
vibrationale diferite de cele incidente (lumina care interactioneaza cu moleculele distorsioneaza ndash
polarizeaza ndash norul electronic)
Imprasierea Raman trebuie exprimata ca o deplasare in energie fata de radiatia de excitatie
Pentru legaturi cu un moment puternic de dipol (care sunt active IR) mobilitatea electronilor sau polarizabilitatea este de obicei scazuta
Pentru legaturi cu un moment slab de dipol (care sunt inactive IR) polarizabilitatea este de obicei mare si starile vibrationale ale legaturilor
sint active Raman
Spectroscopie Raman
Radiatia IR incidenta determina miscarea electronilor in legaturi si poate fi
absorbita
difuzata fara a i se modifica lungimea de unda gt difuzie Rayleigh
- intensitatea Rayleigh depinde puternic de lungimea de unda I ~ λ-4
imprastiata Raman-Stokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mare decacirct cea a radiatiei
incidente)
imprastiata Raman-antiStokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mica decacirct cea a
radiatiei incidente)
Nu implica nici absorbtia nici emisia ci imprastierea radiatiei
Este sensibila la
mobilitatea electronilor in
legaturi
(polarizabilitatea legaturilor)Masoara cit de usor este sa misti un
electron si implicit sa polarizezi o
legatura
Energia asociata radiatiilor IR este suficienta sa stimuleze vibratiile moleculare (ale
legaturilor chimice)
Spectrul IR rezultat reprezinta absorbtia si transmisia
moleculara fiind amprenta moleculara a probei
Conditii pentru ca o molecula sa absoarba radiatia icircn domeniul IR
1048708 sa aiba o structura de dipol sau sa poata dobandi o astfel de structura prin
excitatie
1048708 perioada de vibratie trebuie sa fie in faza cu perioada de oscilatie a radiatiei
incidente
1048708 cantitatea de energie a radiaţiei IR trebuie sa fie permisa de restrictiile
cuantice
Spectroscopie IR
Spectrele utilizate curent sunt de fapt spectre asupra carora s-a aplicat transformata Fourier
Spectroscopia FTIR - o metoda de masura a tuturor frecventelor IR simultan utilizand
interferometria
Fasciculul IR incident este
divizat in 2 fascicule optice
Un fascicul se reflecta pe
o oglinda plata fixa
Al 2-lea fascicul se reflecta pe o
oglinda plata care se deplaseaza
pe distante scurte (inainte ndash
inapoi)
Se recombina cind se reintilnesc in splitter
Pentru ca au parcurcurs drumuri optice diferite semnalul
rezultat este un semnal de interferenta
Fiecare punct contine o
informatie despre fiecare
frecventa IR care vine de la
sursa
Schema de detectie
Spectrul FTIR pentru o solutie de etanol
Observatii
- o molecula contine legaturi care dau mai multe vibratii posibile gt in spectrul IR trebuie sa se
regaseasca mai multe absorbtii care sa defineasca o molecula (nu numai o legatura chimica)
- se pot identifica legaturile specifice ale unei molecule (gruparile functionale) pentru a
determina structura
O-H
C-H
C-0
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelor
procesul de clusterizare a particulelor in suspensieSe obtin in plus informatii despre
procesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie
proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi
luminoase
daca particulele ar fi fixe gt imaginea de pe ecran ar fi
stationara
fiind in miscare browniana gt imaginea nu este stationaraproba
Particule in
suspensie
Intensitatea
luminoasa va fluctua
in timp
III
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
Teoria spectroscopiei de absorbtie in infrarosu
Pentru ca o molecula sa absoarba radiatia IR vibratiile sau rotatiile in
interiorul ei trebuie sa determine o schimbare neta in momentul de dipol
Campul electric oscilant al radiatiei electromagnetice
interactioneaza cu fluctuatiile momentului de dipol al
moleculei
Daca frecventa radiatiei se potriveste cu frecventa
vibrationala a moleculei atunci radiatia va fi absorbita
Va aparea o modificare in amplitudinea vibratiei moleculare
Factori care afecteaza pozitia vibratiilor moleculelor in spectrul absorbtiilor
(ii) Taria legaturii
Exemplu
Legatura C - N C - N absoarbe la
1050ndash 1650 cm-1
Energie mai mica
Exemplu
Legatura C equiv N C equiv N absoarbe la
asymp 2200 cm-1
Energie mai mare
In cazul unor legaturi similare diferenta in
energia de absorbtie este data de masa
atomilor constituentiAtomul cu masa mai
mica va vibra mai
puternic
Atomul cu masa mai mare
va vibra mai putin
Legatura C ndash ClC ndash Cl
absoarbe la 600 ndash 800
cm-1
Legatura C ndash Br C ndash Br
absoarbe la 500 ndash 600
cm-1
Atomul de Br e mai greu gt energie mai mica de
vibratie
Atomul de Cl e mai usor gt energie mai mare de
vibratie
I Cazul unor molecule liniare
(i) Tipul de vibratii
Exemplu
Legatura C - H bendC - H bend in alkene
absoarbe la 1365 ndash 1485 cm-1
Exemplu
Legatura C - H stretchC - H stretch in alkene
absoarbe la 2600 ndash 2800 cm-1
Energie mai mare
Energie mai mica
I I Cazul unor molecule neliniare
Exemplu apa (H2O) ndash molecula neliniara cu 3 atomi
3 benzi de absorbtie in IR si Raman
n ndash 1 = 2 rarr vibratii
streching 2n ndash 5 = 1 rarr vibratii
bending
3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
pentru legaturile H - O pentru structura H ndash O - H
Spectru IR
Spectru Raman
Acid benzoic
Felul in care radiatia este utilizata difera in spectroscopia Raman fata de spectroscopia IR
in FTIR energia care acopera un interval de frecvente este directionata catre
proba
gt absorbtia are loc cand frecventa radiatiei incidente se identifica cu cea la
care molecula trece intr-o stare excitata vibrationala
in Raman se utilizeaza o singura frecventa a radiatiei pentru iradierea probei
gt radiatia este imprastiata de molecula detectandu-se unitatile de energie
vibrationale diferite de cele incidente (lumina care interactioneaza cu moleculele distorsioneaza ndash
polarizeaza ndash norul electronic)
Imprasierea Raman trebuie exprimata ca o deplasare in energie fata de radiatia de excitatie
Pentru legaturi cu un moment puternic de dipol (care sunt active IR) mobilitatea electronilor sau polarizabilitatea este de obicei scazuta
Pentru legaturi cu un moment slab de dipol (care sunt inactive IR) polarizabilitatea este de obicei mare si starile vibrationale ale legaturilor
sint active Raman
Spectroscopie Raman
Radiatia IR incidenta determina miscarea electronilor in legaturi si poate fi
absorbita
difuzata fara a i se modifica lungimea de unda gt difuzie Rayleigh
- intensitatea Rayleigh depinde puternic de lungimea de unda I ~ λ-4
imprastiata Raman-Stokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mare decacirct cea a radiatiei
incidente)
imprastiata Raman-antiStokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mica decacirct cea a
radiatiei incidente)
Nu implica nici absorbtia nici emisia ci imprastierea radiatiei
Este sensibila la
mobilitatea electronilor in
legaturi
(polarizabilitatea legaturilor)Masoara cit de usor este sa misti un
electron si implicit sa polarizezi o
legatura
Energia asociata radiatiilor IR este suficienta sa stimuleze vibratiile moleculare (ale
legaturilor chimice)
Spectrul IR rezultat reprezinta absorbtia si transmisia
moleculara fiind amprenta moleculara a probei
Conditii pentru ca o molecula sa absoarba radiatia icircn domeniul IR
1048708 sa aiba o structura de dipol sau sa poata dobandi o astfel de structura prin
excitatie
1048708 perioada de vibratie trebuie sa fie in faza cu perioada de oscilatie a radiatiei
incidente
1048708 cantitatea de energie a radiaţiei IR trebuie sa fie permisa de restrictiile
cuantice
Spectroscopie IR
Spectrele utilizate curent sunt de fapt spectre asupra carora s-a aplicat transformata Fourier
Spectroscopia FTIR - o metoda de masura a tuturor frecventelor IR simultan utilizand
interferometria
Fasciculul IR incident este
divizat in 2 fascicule optice
Un fascicul se reflecta pe
o oglinda plata fixa
Al 2-lea fascicul se reflecta pe o
oglinda plata care se deplaseaza
pe distante scurte (inainte ndash
inapoi)
Se recombina cind se reintilnesc in splitter
Pentru ca au parcurcurs drumuri optice diferite semnalul
rezultat este un semnal de interferenta
Fiecare punct contine o
informatie despre fiecare
frecventa IR care vine de la
sursa
Schema de detectie
Spectrul FTIR pentru o solutie de etanol
Observatii
- o molecula contine legaturi care dau mai multe vibratii posibile gt in spectrul IR trebuie sa se
regaseasca mai multe absorbtii care sa defineasca o molecula (nu numai o legatura chimica)
- se pot identifica legaturile specifice ale unei molecule (gruparile functionale) pentru a
determina structura
O-H
C-H
C-0
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelor
procesul de clusterizare a particulelor in suspensieSe obtin in plus informatii despre
procesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie
proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi
luminoase
daca particulele ar fi fixe gt imaginea de pe ecran ar fi
stationara
fiind in miscare browniana gt imaginea nu este stationaraproba
Particule in
suspensie
Intensitatea
luminoasa va fluctua
in timp
III
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
Factori care afecteaza pozitia vibratiilor moleculelor in spectrul absorbtiilor
(ii) Taria legaturii
Exemplu
Legatura C - N C - N absoarbe la
1050ndash 1650 cm-1
Energie mai mica
Exemplu
Legatura C equiv N C equiv N absoarbe la
asymp 2200 cm-1
Energie mai mare
In cazul unor legaturi similare diferenta in
energia de absorbtie este data de masa
atomilor constituentiAtomul cu masa mai
mica va vibra mai
puternic
Atomul cu masa mai mare
va vibra mai putin
Legatura C ndash ClC ndash Cl
absoarbe la 600 ndash 800
cm-1
Legatura C ndash Br C ndash Br
absoarbe la 500 ndash 600
cm-1
Atomul de Br e mai greu gt energie mai mica de
vibratie
Atomul de Cl e mai usor gt energie mai mare de
vibratie
I Cazul unor molecule liniare
(i) Tipul de vibratii
Exemplu
Legatura C - H bendC - H bend in alkene
absoarbe la 1365 ndash 1485 cm-1
Exemplu
Legatura C - H stretchC - H stretch in alkene
absoarbe la 2600 ndash 2800 cm-1
Energie mai mare
Energie mai mica
I I Cazul unor molecule neliniare
Exemplu apa (H2O) ndash molecula neliniara cu 3 atomi
3 benzi de absorbtie in IR si Raman
n ndash 1 = 2 rarr vibratii
streching 2n ndash 5 = 1 rarr vibratii
bending
3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
pentru legaturile H - O pentru structura H ndash O - H
Spectru IR
Spectru Raman
Acid benzoic
Felul in care radiatia este utilizata difera in spectroscopia Raman fata de spectroscopia IR
in FTIR energia care acopera un interval de frecvente este directionata catre
proba
gt absorbtia are loc cand frecventa radiatiei incidente se identifica cu cea la
care molecula trece intr-o stare excitata vibrationala
in Raman se utilizeaza o singura frecventa a radiatiei pentru iradierea probei
gt radiatia este imprastiata de molecula detectandu-se unitatile de energie
vibrationale diferite de cele incidente (lumina care interactioneaza cu moleculele distorsioneaza ndash
polarizeaza ndash norul electronic)
Imprasierea Raman trebuie exprimata ca o deplasare in energie fata de radiatia de excitatie
Pentru legaturi cu un moment puternic de dipol (care sunt active IR) mobilitatea electronilor sau polarizabilitatea este de obicei scazuta
Pentru legaturi cu un moment slab de dipol (care sunt inactive IR) polarizabilitatea este de obicei mare si starile vibrationale ale legaturilor
sint active Raman
Spectroscopie Raman
Radiatia IR incidenta determina miscarea electronilor in legaturi si poate fi
absorbita
difuzata fara a i se modifica lungimea de unda gt difuzie Rayleigh
- intensitatea Rayleigh depinde puternic de lungimea de unda I ~ λ-4
imprastiata Raman-Stokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mare decacirct cea a radiatiei
incidente)
imprastiata Raman-antiStokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mica decacirct cea a
radiatiei incidente)
Nu implica nici absorbtia nici emisia ci imprastierea radiatiei
Este sensibila la
mobilitatea electronilor in
legaturi
(polarizabilitatea legaturilor)Masoara cit de usor este sa misti un
electron si implicit sa polarizezi o
legatura
Energia asociata radiatiilor IR este suficienta sa stimuleze vibratiile moleculare (ale
legaturilor chimice)
Spectrul IR rezultat reprezinta absorbtia si transmisia
moleculara fiind amprenta moleculara a probei
Conditii pentru ca o molecula sa absoarba radiatia icircn domeniul IR
1048708 sa aiba o structura de dipol sau sa poata dobandi o astfel de structura prin
excitatie
1048708 perioada de vibratie trebuie sa fie in faza cu perioada de oscilatie a radiatiei
incidente
1048708 cantitatea de energie a radiaţiei IR trebuie sa fie permisa de restrictiile
cuantice
Spectroscopie IR
Spectrele utilizate curent sunt de fapt spectre asupra carora s-a aplicat transformata Fourier
Spectroscopia FTIR - o metoda de masura a tuturor frecventelor IR simultan utilizand
interferometria
Fasciculul IR incident este
divizat in 2 fascicule optice
Un fascicul se reflecta pe
o oglinda plata fixa
Al 2-lea fascicul se reflecta pe o
oglinda plata care se deplaseaza
pe distante scurte (inainte ndash
inapoi)
Se recombina cind se reintilnesc in splitter
Pentru ca au parcurcurs drumuri optice diferite semnalul
rezultat este un semnal de interferenta
Fiecare punct contine o
informatie despre fiecare
frecventa IR care vine de la
sursa
Schema de detectie
Spectrul FTIR pentru o solutie de etanol
Observatii
- o molecula contine legaturi care dau mai multe vibratii posibile gt in spectrul IR trebuie sa se
regaseasca mai multe absorbtii care sa defineasca o molecula (nu numai o legatura chimica)
- se pot identifica legaturile specifice ale unei molecule (gruparile functionale) pentru a
determina structura
O-H
C-H
C-0
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelor
procesul de clusterizare a particulelor in suspensieSe obtin in plus informatii despre
procesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie
proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi
luminoase
daca particulele ar fi fixe gt imaginea de pe ecran ar fi
stationara
fiind in miscare browniana gt imaginea nu este stationaraproba
Particule in
suspensie
Intensitatea
luminoasa va fluctua
in timp
III
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
I I Cazul unor molecule neliniare
Exemplu apa (H2O) ndash molecula neliniara cu 3 atomi
3 benzi de absorbtie in IR si Raman
n ndash 1 = 2 rarr vibratii
streching 2n ndash 5 = 1 rarr vibratii
bending
3n ndash 6 = 3 stari vibrationale
pentru legaturile H - O pentru structura H ndash O - H
Spectru IR
Spectru Raman
Acid benzoic
Felul in care radiatia este utilizata difera in spectroscopia Raman fata de spectroscopia IR
in FTIR energia care acopera un interval de frecvente este directionata catre
proba
gt absorbtia are loc cand frecventa radiatiei incidente se identifica cu cea la
care molecula trece intr-o stare excitata vibrationala
in Raman se utilizeaza o singura frecventa a radiatiei pentru iradierea probei
gt radiatia este imprastiata de molecula detectandu-se unitatile de energie
vibrationale diferite de cele incidente (lumina care interactioneaza cu moleculele distorsioneaza ndash
polarizeaza ndash norul electronic)
Imprasierea Raman trebuie exprimata ca o deplasare in energie fata de radiatia de excitatie
Pentru legaturi cu un moment puternic de dipol (care sunt active IR) mobilitatea electronilor sau polarizabilitatea este de obicei scazuta
Pentru legaturi cu un moment slab de dipol (care sunt inactive IR) polarizabilitatea este de obicei mare si starile vibrationale ale legaturilor
sint active Raman
Spectroscopie Raman
Radiatia IR incidenta determina miscarea electronilor in legaturi si poate fi
absorbita
difuzata fara a i se modifica lungimea de unda gt difuzie Rayleigh
- intensitatea Rayleigh depinde puternic de lungimea de unda I ~ λ-4
imprastiata Raman-Stokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mare decacirct cea a radiatiei
incidente)
imprastiata Raman-antiStokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mica decacirct cea a
radiatiei incidente)
Nu implica nici absorbtia nici emisia ci imprastierea radiatiei
Este sensibila la
mobilitatea electronilor in
legaturi
(polarizabilitatea legaturilor)Masoara cit de usor este sa misti un
electron si implicit sa polarizezi o
legatura
Energia asociata radiatiilor IR este suficienta sa stimuleze vibratiile moleculare (ale
legaturilor chimice)
Spectrul IR rezultat reprezinta absorbtia si transmisia
moleculara fiind amprenta moleculara a probei
Conditii pentru ca o molecula sa absoarba radiatia icircn domeniul IR
1048708 sa aiba o structura de dipol sau sa poata dobandi o astfel de structura prin
excitatie
1048708 perioada de vibratie trebuie sa fie in faza cu perioada de oscilatie a radiatiei
incidente
1048708 cantitatea de energie a radiaţiei IR trebuie sa fie permisa de restrictiile
cuantice
Spectroscopie IR
Spectrele utilizate curent sunt de fapt spectre asupra carora s-a aplicat transformata Fourier
Spectroscopia FTIR - o metoda de masura a tuturor frecventelor IR simultan utilizand
interferometria
Fasciculul IR incident este
divizat in 2 fascicule optice
Un fascicul se reflecta pe
o oglinda plata fixa
Al 2-lea fascicul se reflecta pe o
oglinda plata care se deplaseaza
pe distante scurte (inainte ndash
inapoi)
Se recombina cind se reintilnesc in splitter
Pentru ca au parcurcurs drumuri optice diferite semnalul
rezultat este un semnal de interferenta
Fiecare punct contine o
informatie despre fiecare
frecventa IR care vine de la
sursa
Schema de detectie
Spectrul FTIR pentru o solutie de etanol
Observatii
- o molecula contine legaturi care dau mai multe vibratii posibile gt in spectrul IR trebuie sa se
regaseasca mai multe absorbtii care sa defineasca o molecula (nu numai o legatura chimica)
- se pot identifica legaturile specifice ale unei molecule (gruparile functionale) pentru a
determina structura
O-H
C-H
C-0
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelor
procesul de clusterizare a particulelor in suspensieSe obtin in plus informatii despre
procesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie
proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi
luminoase
daca particulele ar fi fixe gt imaginea de pe ecran ar fi
stationara
fiind in miscare browniana gt imaginea nu este stationaraproba
Particule in
suspensie
Intensitatea
luminoasa va fluctua
in timp
III
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
Spectru IR
Spectru Raman
Acid benzoic
Felul in care radiatia este utilizata difera in spectroscopia Raman fata de spectroscopia IR
in FTIR energia care acopera un interval de frecvente este directionata catre
proba
gt absorbtia are loc cand frecventa radiatiei incidente se identifica cu cea la
care molecula trece intr-o stare excitata vibrationala
in Raman se utilizeaza o singura frecventa a radiatiei pentru iradierea probei
gt radiatia este imprastiata de molecula detectandu-se unitatile de energie
vibrationale diferite de cele incidente (lumina care interactioneaza cu moleculele distorsioneaza ndash
polarizeaza ndash norul electronic)
Imprasierea Raman trebuie exprimata ca o deplasare in energie fata de radiatia de excitatie
Pentru legaturi cu un moment puternic de dipol (care sunt active IR) mobilitatea electronilor sau polarizabilitatea este de obicei scazuta
Pentru legaturi cu un moment slab de dipol (care sunt inactive IR) polarizabilitatea este de obicei mare si starile vibrationale ale legaturilor
sint active Raman
Spectroscopie Raman
Radiatia IR incidenta determina miscarea electronilor in legaturi si poate fi
absorbita
difuzata fara a i se modifica lungimea de unda gt difuzie Rayleigh
- intensitatea Rayleigh depinde puternic de lungimea de unda I ~ λ-4
imprastiata Raman-Stokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mare decacirct cea a radiatiei
incidente)
imprastiata Raman-antiStokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mica decacirct cea a
radiatiei incidente)
Nu implica nici absorbtia nici emisia ci imprastierea radiatiei
Este sensibila la
mobilitatea electronilor in
legaturi
(polarizabilitatea legaturilor)Masoara cit de usor este sa misti un
electron si implicit sa polarizezi o
legatura
Energia asociata radiatiilor IR este suficienta sa stimuleze vibratiile moleculare (ale
legaturilor chimice)
Spectrul IR rezultat reprezinta absorbtia si transmisia
moleculara fiind amprenta moleculara a probei
Conditii pentru ca o molecula sa absoarba radiatia icircn domeniul IR
1048708 sa aiba o structura de dipol sau sa poata dobandi o astfel de structura prin
excitatie
1048708 perioada de vibratie trebuie sa fie in faza cu perioada de oscilatie a radiatiei
incidente
1048708 cantitatea de energie a radiaţiei IR trebuie sa fie permisa de restrictiile
cuantice
Spectroscopie IR
Spectrele utilizate curent sunt de fapt spectre asupra carora s-a aplicat transformata Fourier
Spectroscopia FTIR - o metoda de masura a tuturor frecventelor IR simultan utilizand
interferometria
Fasciculul IR incident este
divizat in 2 fascicule optice
Un fascicul se reflecta pe
o oglinda plata fixa
Al 2-lea fascicul se reflecta pe o
oglinda plata care se deplaseaza
pe distante scurte (inainte ndash
inapoi)
Se recombina cind se reintilnesc in splitter
Pentru ca au parcurcurs drumuri optice diferite semnalul
rezultat este un semnal de interferenta
Fiecare punct contine o
informatie despre fiecare
frecventa IR care vine de la
sursa
Schema de detectie
Spectrul FTIR pentru o solutie de etanol
Observatii
- o molecula contine legaturi care dau mai multe vibratii posibile gt in spectrul IR trebuie sa se
regaseasca mai multe absorbtii care sa defineasca o molecula (nu numai o legatura chimica)
- se pot identifica legaturile specifice ale unei molecule (gruparile functionale) pentru a
determina structura
O-H
C-H
C-0
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelor
procesul de clusterizare a particulelor in suspensieSe obtin in plus informatii despre
procesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie
proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi
luminoase
daca particulele ar fi fixe gt imaginea de pe ecran ar fi
stationara
fiind in miscare browniana gt imaginea nu este stationaraproba
Particule in
suspensie
Intensitatea
luminoasa va fluctua
in timp
III
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
Spectroscopie Raman
Radiatia IR incidenta determina miscarea electronilor in legaturi si poate fi
absorbita
difuzata fara a i se modifica lungimea de unda gt difuzie Rayleigh
- intensitatea Rayleigh depinde puternic de lungimea de unda I ~ λ-4
imprastiata Raman-Stokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mare decacirct cea a radiatiei
incidente)
imprastiata Raman-antiStokes (daca lungimea de unda a radiatiei difuzate este mai mica decacirct cea a
radiatiei incidente)
Nu implica nici absorbtia nici emisia ci imprastierea radiatiei
Este sensibila la
mobilitatea electronilor in
legaturi
(polarizabilitatea legaturilor)Masoara cit de usor este sa misti un
electron si implicit sa polarizezi o
legatura
Energia asociata radiatiilor IR este suficienta sa stimuleze vibratiile moleculare (ale
legaturilor chimice)
Spectrul IR rezultat reprezinta absorbtia si transmisia
moleculara fiind amprenta moleculara a probei
Conditii pentru ca o molecula sa absoarba radiatia icircn domeniul IR
1048708 sa aiba o structura de dipol sau sa poata dobandi o astfel de structura prin
excitatie
1048708 perioada de vibratie trebuie sa fie in faza cu perioada de oscilatie a radiatiei
incidente
1048708 cantitatea de energie a radiaţiei IR trebuie sa fie permisa de restrictiile
cuantice
Spectroscopie IR
Spectrele utilizate curent sunt de fapt spectre asupra carora s-a aplicat transformata Fourier
Spectroscopia FTIR - o metoda de masura a tuturor frecventelor IR simultan utilizand
interferometria
Fasciculul IR incident este
divizat in 2 fascicule optice
Un fascicul se reflecta pe
o oglinda plata fixa
Al 2-lea fascicul se reflecta pe o
oglinda plata care se deplaseaza
pe distante scurte (inainte ndash
inapoi)
Se recombina cind se reintilnesc in splitter
Pentru ca au parcurcurs drumuri optice diferite semnalul
rezultat este un semnal de interferenta
Fiecare punct contine o
informatie despre fiecare
frecventa IR care vine de la
sursa
Schema de detectie
Spectrul FTIR pentru o solutie de etanol
Observatii
- o molecula contine legaturi care dau mai multe vibratii posibile gt in spectrul IR trebuie sa se
regaseasca mai multe absorbtii care sa defineasca o molecula (nu numai o legatura chimica)
- se pot identifica legaturile specifice ale unei molecule (gruparile functionale) pentru a
determina structura
O-H
C-H
C-0
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelor
procesul de clusterizare a particulelor in suspensieSe obtin in plus informatii despre
procesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie
proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi
luminoase
daca particulele ar fi fixe gt imaginea de pe ecran ar fi
stationara
fiind in miscare browniana gt imaginea nu este stationaraproba
Particule in
suspensie
Intensitatea
luminoasa va fluctua
in timp
III
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
Energia asociata radiatiilor IR este suficienta sa stimuleze vibratiile moleculare (ale
legaturilor chimice)
Spectrul IR rezultat reprezinta absorbtia si transmisia
moleculara fiind amprenta moleculara a probei
Conditii pentru ca o molecula sa absoarba radiatia icircn domeniul IR
1048708 sa aiba o structura de dipol sau sa poata dobandi o astfel de structura prin
excitatie
1048708 perioada de vibratie trebuie sa fie in faza cu perioada de oscilatie a radiatiei
incidente
1048708 cantitatea de energie a radiaţiei IR trebuie sa fie permisa de restrictiile
cuantice
Spectroscopie IR
Spectrele utilizate curent sunt de fapt spectre asupra carora s-a aplicat transformata Fourier
Spectroscopia FTIR - o metoda de masura a tuturor frecventelor IR simultan utilizand
interferometria
Fasciculul IR incident este
divizat in 2 fascicule optice
Un fascicul se reflecta pe
o oglinda plata fixa
Al 2-lea fascicul se reflecta pe o
oglinda plata care se deplaseaza
pe distante scurte (inainte ndash
inapoi)
Se recombina cind se reintilnesc in splitter
Pentru ca au parcurcurs drumuri optice diferite semnalul
rezultat este un semnal de interferenta
Fiecare punct contine o
informatie despre fiecare
frecventa IR care vine de la
sursa
Schema de detectie
Spectrul FTIR pentru o solutie de etanol
Observatii
- o molecula contine legaturi care dau mai multe vibratii posibile gt in spectrul IR trebuie sa se
regaseasca mai multe absorbtii care sa defineasca o molecula (nu numai o legatura chimica)
- se pot identifica legaturile specifice ale unei molecule (gruparile functionale) pentru a
determina structura
O-H
C-H
C-0
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelor
procesul de clusterizare a particulelor in suspensieSe obtin in plus informatii despre
procesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie
proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi
luminoase
daca particulele ar fi fixe gt imaginea de pe ecran ar fi
stationara
fiind in miscare browniana gt imaginea nu este stationaraproba
Particule in
suspensie
Intensitatea
luminoasa va fluctua
in timp
III
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
Spectrele utilizate curent sunt de fapt spectre asupra carora s-a aplicat transformata Fourier
Spectroscopia FTIR - o metoda de masura a tuturor frecventelor IR simultan utilizand
interferometria
Fasciculul IR incident este
divizat in 2 fascicule optice
Un fascicul se reflecta pe
o oglinda plata fixa
Al 2-lea fascicul se reflecta pe o
oglinda plata care se deplaseaza
pe distante scurte (inainte ndash
inapoi)
Se recombina cind se reintilnesc in splitter
Pentru ca au parcurcurs drumuri optice diferite semnalul
rezultat este un semnal de interferenta
Fiecare punct contine o
informatie despre fiecare
frecventa IR care vine de la
sursa
Schema de detectie
Spectrul FTIR pentru o solutie de etanol
Observatii
- o molecula contine legaturi care dau mai multe vibratii posibile gt in spectrul IR trebuie sa se
regaseasca mai multe absorbtii care sa defineasca o molecula (nu numai o legatura chimica)
- se pot identifica legaturile specifice ale unei molecule (gruparile functionale) pentru a
determina structura
O-H
C-H
C-0
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelor
procesul de clusterizare a particulelor in suspensieSe obtin in plus informatii despre
procesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie
proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi
luminoase
daca particulele ar fi fixe gt imaginea de pe ecran ar fi
stationara
fiind in miscare browniana gt imaginea nu este stationaraproba
Particule in
suspensie
Intensitatea
luminoasa va fluctua
in timp
III
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
Spectrul FTIR pentru o solutie de etanol
Observatii
- o molecula contine legaturi care dau mai multe vibratii posibile gt in spectrul IR trebuie sa se
regaseasca mai multe absorbtii care sa defineasca o molecula (nu numai o legatura chimica)
- se pot identifica legaturile specifice ale unei molecule (gruparile functionale) pentru a
determina structura
O-H
C-H
C-0
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelor
procesul de clusterizare a particulelor in suspensieSe obtin in plus informatii despre
procesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie
proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi
luminoase
daca particulele ar fi fixe gt imaginea de pe ecran ar fi
stationara
fiind in miscare browniana gt imaginea nu este stationaraproba
Particule in
suspensie
Intensitatea
luminoasa va fluctua
in timp
III
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
III
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelor
procesul de clusterizare a particulelor in suspensieSe obtin in plus informatii despre
procesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie
proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi
luminoase
daca particulele ar fi fixe gt imaginea de pe ecran ar fi
stationara
fiind in miscare browniana gt imaginea nu este stationaraproba
Particule in
suspensie
Intensitatea
luminoasa va fluctua
in timp
III
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
PHOTON CORRELATION SPECTROSCOPY (DYNAMIC LIGHT SCATTERING)
tehnica utilizata pentru determinarea dimensiunilor nanoparticulelor
procesul de clusterizare a particulelor in suspensieSe obtin in plus informatii despre
procesul de adsorbtie a anticorpilor pe particule
Principiul de detectie
proba cu particule in suspensie este iluminata
particulele vor imprastia lumina in toate directiile
pe un ecran situat in vecinatate vor aparea spoturi
luminoase
daca particulele ar fi fixe gt imaginea de pe ecran ar fi
stationara
fiind in miscare browniana gt imaginea nu este stationaraproba
Particule in
suspensie
Intensitatea
luminoasa va fluctua
in timp
III
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
Este posibila obtinerea distributia de dimensiuni ale
sferelor si sa ai implicit o descriere a miscarii
particulelor in mediul respectiv masurand coeficientul
de difuzie al particulelor si utilizand functia de
autocorelatie
Din punct de vedere fizic
- Atunci cand un fascicul de lumina traverseaza o solutie cu particule sferice aflate in miscare
Browniana interactiile cu particulele determina o deplasare Doppler modificand lungimea de unda
initiala
Depinde de marimea particulelor
Particulele sau macromoleculele suspendate intr-un mediu lichid
aflate in miscare Browniana determina fluctuatiii ale concentratiei
locale a particulelor apar neomogenitati locale ale indicelui de
refractie
Rezulta fluctuatii ale intensitatii luminii imprastiate
Semi-largimea emisiei la semi-inaltime (HWHM) este
proportionala cu coeficientul de difuzie al
particulelor D
Γ = Dk2
unde
lungimea de unda a LASER-ului
unghiul de imprastiere
O functie caracteristica de autocorelatie a
luminii imprastiate - determinate
experimental
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA IV
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
SPECTROSCOPIE DE IMPEDANTA
In curent continuu
E = I x R
In curent alternativ
E = I x Z
Sistem analizatE I
Sistem analizatE E0 + ΔE sin(ωt) ZI0 + ΔI sin(ωt +θ)
I E
timp
θ ndash deplasare de faza
IV
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
Prezentarea rezultatelor masuratorilor de impedanta
Z (iωi) = E (iωi) I (iωi)
Prezentare in coordonate Carteziene
Z (iωi) = Rei + iImi
indicele i = 1 2 hellipn ndash frecventele din
interval
Se realizeaza o scanare descrescatoare
ndash de la frecvente mari la frecvente mici ndash
Prezentare in coordonate Polare
Z (iωi) = =Zejφi
Z= (Rei2 + iImi
2)12 - modul
f i = arc tan ImiRei - faza
numar complex
-Im
ReR1 R
2
Grafic in plan complex (Nyquist) Grafice Bode
Set de date 3DD3 [ Rei Imi ωi] D3 [ ωi Zi f i ]
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
Avantaje si dezavantaje ale EIS
Pe de o parte functia impedanta contine toate informatiile pentru un sistem investigat
(daca ipotezele de lucru sunt alese corespunzator)
Pe de alta parte aceasta informatie trebuie extrasa din datele experimentale
(identificarea procedurii de analiza a datelor)
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
Utilizarea spectroscopiei de impedanta (i)
caracterizarea materialelor si proceselor tehnologice
structura cristalina
- evaluare rapida pentru un material cu o structura
policristalina a contributiei individuale la conductia electrica
sau la polarizare
(efectele regiunilor de contact intergranulare sau a
volumului)caracterizarea electrozilor
-potentialul de flat-band densitatea de sarcina (masuratori Mott-
Schottky)
- proprietatile catalitice ale nanoparticulelor metalicetransferul electric in materiale nanocompozite
- contributia starilor electronice de suprafatala transportul
electronilor
caracterizarea dinamica pentru extragerea parametrilor celulelor solare
caracterizarea densitatii de impachetare si
distributia de defecte in straturile auto-
asamblate
transferul electronilor prin stratul auto-
asamblat de alkanethiol si implicit prin
straturile corespunzatoare de
recunoastere moleculara
- concentratia de dopare a junctiunii
- timpul de viata efectiv
- efectul straturilor tampon asupra timpului de viata a purtatorilor
minoritari
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
caracterizarea sistemelor electrochimice fenomenelor fizico-chimice care apar la interfetele electrochimice
- transportul de masa transferul de sarcina prin interfata sau efectele
adsorbtiei
- parametrii de reactie (relatia intre geometria electrozilor si cinetica la
electrod monitorizarea incarcarii surprafetei electrozilor datorita speciilor
intermediare adsorbite
- efectele straturilor de interfata in cazul structurilor poroase
dezvoltare
a de
senzori
Utilizarea spectroscopiei de impedanta electrochimica (ii)
1
- mecanismele ne-faradaice
(pierderile ohmice conductivitatea ionica in membranele cu schimb protonic)
- investigarea integritatii oxidului straturilor de acoperire
- ratele de corodare (proprietatile straturilor organice de acoperire in contact cu solutiile
corozive
2
caracterizarea sistemelor bio-electrochimice
- instrument de detectie in care marcarea nu este necesara (label-free) a
modificarii proprietatilor de interfata prin legarea unor biomolecule incarcate
pe suprafata
- analiza hibridizarii AND-ului pe electrozi
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
Electrical Impedance detection
Binding of DNA inside the PSi matrix induces a change in capacitance and conductanceMott-Schottky plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The capacitance of the ElectrolytePSSi
has been measured as function of DC
potential and the data recorded for
different concentration of DNA in
electrolyte solution are presented The
figure illustrate that the test structure
capacitance plots suffer modifications
by adding different concentrations of
DNA in electrolyte solution the flat
band potential is shifted to lower
values as DNA immobilization starts
from 031V to 024V and 021V
respectively
Experimental dataPhosphate buffered saline- PBS) is a buffer solution commonly used in biological research It is a salty solution containing sodium chloride sodium phosphate and (in some formulations) potassium chloride and potassium phosphate The buffer helps to maintain a constant pH DNA 1 1 microM 50 ml PBS solutionDNA 2 2 microM50ml PBS solution
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
Bode (a b) and Nyquist (c) plots for different concentration of DNA in electrolyte solution
The Bode phase angle plots (a) reveal that phase angle attained a maximum at the value of -30deg at
higher frequency region which tends to -20deg as the concentration of DNA is increased opposing in
lower frequencies domain the maximum is initially around -70deg and its value increases to -80deg going
concomitantly with a gradual shift to lower frequencies proving that the interface phenomena
became dominant The corresponding impedance module plots fig (b) show a similar behavior with
a more evident decrease of values in low frequencies domain The Nyquist graphs presented in fig (c)
indicate that the data are not well separated above 200 Hz and clear distinct below with a dominant
interface capacitance
