生物物理-分子光谱(“振动”相关文档)共55张

from alpha-helix rich to beta-sheet rich
PrPc朊蛋白
PrPsc朊病毒（致病因子）
40
IR Image
41
脑功能成像
43
Raman spectroscopy
44
= ’
Rayleigh scattering
h’
’
h
Raman scattering
Prof. C.V. Raman
Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发
态上的粒子数。
48
49
50
51
拉曼光谱参量
1. 峰位:是电子能级基态的振动态性质的一种 反映。以入射光和散射光波数差表示。 峰位的移动与激发光的频率无关，反映的是 分子振动能级的性质。
2349
Bending Mode
Solution: solvent, cell, concentration Near-IR: 4000 – 14000 cm-1
667
(Has dipole moment so IR active)
整个分子重心的平动 (3 freedom) C≡C, 2060cm-1 S/N n-2 附加功能：平滑、差谱、二阶导、去卷积和曲线拟合等. Asymmetric Stretch
无尘埃、无荧光等等。所以到40年代中期，红外技术的进步和商品化更使拉 曼光谱的应用一度衰落；
• 1960年以后，激光技术的发展使拉曼技术得以复兴。由于激光束的 高亮度、方向性和偏振性等优点，成为拉曼光谱的理想光源。随探测 技术的改进和对被测样品要求的降低，目前在物理、化学、医药、工 业等各个领域拉曼光谱得到了广泛的应用，越来越受研究者的重视。
19
电场
dipole
时间
偶极矩为零的振动 没有红外吸收
20
基团频率
多原子分子的结构特征 在红外光谱中的反映
C=O
21
基团频率
4000 cm-1 1300 cm-1 1.最有分析价值的基团频率,这一区域 称为基团频率区、官能团区或特征区。
2.区内的峰是由伸缩振动产生的吸收带，
比较稀疏，容易辨认，常用于鉴定官能团。
红外光谱仪发展史
单色器
优﹑缺点
棱镜
岩盐镜易吸潮,分辨率低
光栅
扫描速度慢
Michelson (迈克尔逊)
分辨率高,扫描速度快, Fourier变换
27
Fourier Transform Infrared spectrometer
优势: 动镜
1. 可在短时间内得到频率范 围内的干涉图,通过多次扫 描提高信噪比.
整个分子绕其重心的转动 (3 freedom)
每个原子相对于其它原子的运动（振动）
z
x
3N-6 3N-5 (linear molecule)
一个点: 3自由度 N个点: 3N自由度
OH OH
HO
H
H
H
H
OH
OH
OH
15
symmetrical
asymmetrical
多原子分 子的振动
scissoring rocking
Mid-IR: 500 – 4000 cm-1
2. Solid: KBr,石蜡 Wavenumber (cm-1)
Symmetric Stretch 相成、互补互足的。
3. Gas: 生物样品一般选用不溶于水的后二种盐池
结构的对称性越高,吸收越弱 An Example: CO2 E=(n+ )h 峰位:是电子能级基态的振动态性质的一种反映。
弯曲,
1595cm-1
30
吸收强度
结构因素
结构的对称性越高,吸收越弱
环境因素
氢键
1 = 2
k
31
红外光谱振动光谱信息 与主要参量
生物样品一般选用不溶于水的后二种盐池
吸收带的位置( , cm ) :红外光谱是红外吸收随 2) 反斯托克斯线的强度远小于斯托克斯线的强度，这是由于Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数
R0
nm
R1
2
Stretching vibration
键长
1k
= 2
R
R
2
R0
1
-1 = MA-1 + MB-1
A
B
:折合质量
A
B
k :化学键的键力常数
:与化合物组成和结构有关
3
=
1 2
k
E=n(n=+0,121,2)h,3,,,,
能量量子化 能级
2
1
0
4
Spectroscopy
resonance
v1
state
v0
UVabsorption
ground
2
1
state 0
Infrared
12
多原子分子
13
水的红外光谱
对称伸缩
3652cm-1
反对称伸缩
3756cm-1
弯曲, 1595cm-1
14
多原子分子的运动及其自由度
分子: N个原子
y
空间的运动：3N freedom
整个分子重心的平动 (3 freedom)
Sample preparation for IR
谱峰强度: 分辨率高,扫描速度快,
振动自由度 3N-6
由于消光系数对环境敏感，特征基
Fourier Transform Infrared spectrometer
团在不同分子中波动很大，因此红外的谱峰强 检测池: NaCl, KBr, CaF2, LiF
1930年诺贝尔奖
45
拉曼散射效应的进展：
• 拉曼散射效应是印度物理学家拉曼（）于1928年首次发现的，本人也因 此荣获1930年的诺贝尔物理学奖。
• 1928~1940年，受到广泛的重视，曾是研究分子结构的主要手段。这 是因为可见光分光技术和照相感光技术已经发展起来的缘故；
• 1940~1960年，拉曼光谱的地位一落千丈。主要是因为拉曼效应太 弱（约为入射光强的10-6），并要求被测样品的体积必须足够大、无色、
l (nm)
红外光谱
H2O Abs
protein
34
Cefradine 头孢拉定
35
Melamine
36
37
Application in biosystem
吸收带 cm-1
振动模式指认
酰胺A 3300
N-H伸缩振动
酰胺B 3100 酰胺Ⅱ的一次泛频，费米共振
酰胺Ⅰ 1660
C=O伸缩振动
酰胺Ⅱ
1570
N-H面内弯曲振动和C-N伸缩 振动
酰胺Ⅲ
酰胺Ⅳ 酰胺Ⅴ 酰胺Ⅵ
1300
630 730 600
C-N伸缩振动和N-H面内弯曲 振动
O=C-N面内弯曲振动 N-H面外弯曲振动 C=O面外弯曲振动
酰胺Ⅰ带80% 来自于C=O
基的弱伸缩振 动和C=O旁的
C-N伸缩振动 以及N-H平面 内弯曲振动 的偶合
Near-IR: 4000 – 14000 cm-1
Mid-IR: 500 – 4000 cm-1
Far-IR: 5 – 500 cm-1
IR covers ~ 1 meV to 1 eV9
Around 1800, Herschel studied the spectrum of sunlight using a prism. He measured the temperature of each color, and found the highest temperature was just beyond the red, what we now call the
5
偶极子在光波电场矢量中的运动
电场
dipole
+ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
时间
6
分子振动与吸收
Single bond: k = 4 -6N·cm-1
Double bond: k = 8-12N·cm-1
Triple bond: k = 12-18N·cm-1
C-C, 1190cm-1 C=C, 1683cm-1 C≡C, 2060cm-1
S/N n-2
检测器
-1
2. 附加功能：平滑、差谱、
二阶导、去卷积和曲线拟 合等.
半透镜
固定反射镜
light
28
A Fourier Transform!
29
Sample preparation for IR
1 eV 1.8S100ocml-1ution: solvent, cell, concentration
22
指纹区
1800 cm-1 （1300 cm-1 ） 600 cm-1
在此区域内，除单键的伸缩振动外，还有因 变形振动产生的谱带。这种振动与整个分子 的结构有关。当分子结构稍有不同时，该区 的吸收就有细微的差异，并显示出分子特征。 这种情况就像人的指纹一样，因此称为指纹
区。指纹区对于指认结构类似的化合物很有帮 助，而且可以作为化合物存在某种基团的旁证。
Bending Mode
IR Absorbance
2349
(Has dipole moment so IR active)
667
1388
OCO
Symmetric Stretch
(Dipole moment = 0 so not IR active)
1388
Wavenumber (cm-1)
A Dipole Moment = charge imbalance in the molecule
wagging twisting
16
?
17
An Example: CO2
生物样品一般选用不溶A于水sy的m后二m种盐et池ric Stretch
生物样品一般选用不溶于水的后二种盐池
SaImRpAlebpsroerpbaraanticoen for IR
Asymmetric Stretch Triple bond:
。
-1
岩盐镜易吸潮,分辨率低
max
入射光波数变化的曲线. (Has dipole moment so IR active)
from alpha-helix rich to beta-sheet rich
生物样品一般选用不溶于水的后二种盐池
Solution: solvent, cell, concentration
?
k = 8-12N·cm-1
Wavenumber (cm-1)
峰位的移动与激发光的频率无关，反映的是分子振动能级的性质。
OCO
Symmetric Stretch
1388
Wavenumber (cm-1)
18
An Example: CO2
Asymmetric Stretch
(Has dipole moment so IR active)
38
cm-1 1624±4 1631±3 1637±3 1645±4 1653±4 1663±4 1671±3 1675±5 1683±2 1689±2 1694±2
对应二级结构 伸展肽链 伸展肽链 伸展肽链 无规卷曲 螺旋 转角 转角 伸展肽链 转角 转角 转角
39
Conformational transition:
46
电子能 级激发 态
Virtual state 虚能态
电子能 级基态
IR
反 Stokes
线
瑞利 散射
Stokes 线
47
低频
高频
1) 在示意图中斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布于 瑞利线的两侧，这是由于在上述两种情况下分别相应于 得到或失去了一个振动量子的能量。
2) 反斯托克斯线的强度远小于斯托克斯线的强度，这是由于
'infrared'.
The Science Museum, UK
10
分子振动与红外吸收
Single bond: k = 4 -6N·cm-1
C-C, 1190cm-1
300 000 30
2 500nm
4 000cm-1
11
分子的能级Energy Levels 与跃迁Transition
excited
分子振动光谱
---红外光谱与拉曼光谱---
Infrared spectroscopy and Raman spectroscopy ( IR and Raman )
肖忠 很贱！会给很低的分！大家小心！
1
Vibration
intrinsic property
bond distance
Energy
R2
7
短波
长波
8
The Infrared Part of the EM Spectrum
IR units: wavenumbers (cm-1)
10 micron wavelength 1000 cm-1
1 eV 8100 cm-1
1 THz 33 cm-1
300 Kelvin 210 cm-1
23
影响基团频率的因素
• 电子效应 • 氢键 • 振动耦合 • 费米共振
24
红外光谱仪
25
双光束光谱仪
reference
light
sample
斩波器
单色器
检测器 记录仪
检测池: NaCl, KBr, CaF2, LiF
生物样品一般选用不溶于水的后二种盐池
水的红外“窗口”: 结合重水D2O解决
26
PrPc朊蛋白
PrPsc朊病毒（致病因子）
1960年以后，激光技术的发展使拉曼技术得以复兴。
度只用强strong、 、弱weak表示。 中meso 当分子结构稍有不同时，该区的吸收就有细微的差异，并显示出分子特征。
32
Application
33
紫外
吸收谱
0.2 0.15 0.1 0.05
0 190 220 250 280 310