Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Rozpraszanie światła. Światło fala elektromagnetyczna o długości z zakresu widzialnego (400-700nm) strumień fotonów.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Rozpraszanie światła. Światło fala elektromagnetyczna o długości z zakresu widzialnego (400-700nm) strumień fotonów."— Zapis prezentacji:

1 Rozpraszanie światła

2 Światło fala elektromagnetyczna o długości z zakresu widzialnego ( nm) strumień fotonów

3 Natura falowa światła E z (t)=E o sin(2πυt-ky) H x (t)=H o sin(2πυt-ky) E o,H o - amplitudy υ - częstotliwość k=(2π/λ)=ω/c - wektor falowy w kierunku rozchodzenia się fali ω= 2πυ=2πc/ λ - częstość kątowa

4 Natura falowa światła w liczbach: prędkość światła c = 2,9979×10 8 m/s długość fali λ = ( )nm (1 nm = m = 10 Å) częstotliwość υ = (7,7 - 3,8)×10 14 Hz (fioletowe-czerwone) liczba falowa (częstość υ = 1/λ) cm -1 rozmiar cząsteczek rozpraszających: Å ( nm)

5 promieniowanie EM jest strumieniem fotonów E=hν=hνc, energia fotonu o częstotliwości ν Natura korpuskularna światła Hemoglobina ma kolor czerwony! - silnie absorbuje promieniowanie żółte, zielone i niebieskie a przepuszcza czerwone Zaabsorbowany foton odpowiadający światłu żółtemu (λ=550nm) to energia 3,61× J

6 Rozpraszanie światła Prawo elektrodynamiki klasycznej: drgający ładunek jest źródłem promieniowania rozchodzącego się we wszystkich kierunkach w płaszczyźnie prostopadłej do oscylacji Cechy: częstość i intensywność

7 Cechy promieniowania rozproszonego Intensywność (natężenie), I ~ E o 2 (kwadrat amplitudy pola elektrycznego) I ~ λ -4 (fale krótsze rozpraszają się silniej niż dłuższe) I zależy od kąta rozpraszania θ Częstość: –równa częstości promieniowania padającego = rozpraszanie Rayleigha (1871r.) = elastyczne –różna od częstości promieniowania padającego = rozpraszanie Ramana (1928r.) = nieelastyczne

8 Dlaczego niebo jest niebieskie?

9 Dlaczego niebo jest niebieskie! I ~ 1/ 4 (700 nm / 400 nm) 4 = = 9.4 Światło czerwone rozprasza się nawet 9-krotnie słabiej niż fioletowe.

10 Rozpraszanie w roztworze v-mikroskopijnie mały element objętości zawierający molekuły rozpraszające światło, k i, k s – wektory falowe światła padającego i rozproszonego. q- wektor rozpraszania, P- punkt obserwacji natężenia pola elektrycznego E s, odległy o R od środka układu rozpraszającego, W elastycznym rozpraszaniu światła, k i i k s są sobie równe, |q| = |k i ­ k s | = 4  n/ sin(  /2).

11 Częstotliwość światła rozproszonego Częstotliwość: –równa częstotliwości promieniowania padającego = (rozpraszanie Rayleigha) = elastyczne oddziaływanie pola fali EM z dipolem elektrycznym cząsteczki –różna od częstotliwości promieniowania padającego = (rozpraszanie Ramana) = nieelastyczne oddziaływanie- zmiana stanu energetycznego atomu lub cząsteczki !!Ale zmiana częstotliwości może wyniknąć z ruchu cząsteczek rozpraszających - efekt Dopplera

12 Zmiana częstotliwości

13 Widmo światła rozproszonego

14 Fluktuacje natężenia

15 Wielkość mierzona - rodzaj eksperymentu Natężenie całkowite (rozpraszanie statyczne) - SLS Widmo światła rozproszonego (Interferometria Fabry- Perota) Fluktuacje natężenia światła rozproszonego (rozpraszanie dynamiczne) - DLS lub spektroskopia korelacji fotonów

16 Układ pomiarowy

17

18 Rozpraszanie promieniowania przez roztwory gdzie: R Θ jest współczynnikiem Rayleigha q - wektor rozpraszania, K - stała zależna od przyrządu oraz kontrastu optycznego dn/dc, c - stężenie wagowe, M - masa cząsteczkowa (wagowo średnia), P(q) - czynnik kształtu (interferencja wewnątrzcząsteczkowa), S(q) - czynnik struktury (interferencja międzycząsteczkowa) Natężenie promieniowania rozproszonego I(q):

19 Indykatrysy rozpraszania światła Dla cząsteczek małych w porównaniu z długością fali światła: d << Dla cząsteczek porównywalnych z długością fali światła: d 

20   = e ikR 2   0  = k d sin    = e ikR 1   d  = 0  = 0   = e ikR   = e ikR k = 2  n / Wektor falowy q = 4  n/ sin  /2 Wektor rozpraszania q = 2 k sin  /2 Efekt interferencji wewnętrznej - spojrzenie I

21 Efekt interferencji wewnętrznej - spojrzenie II  = 180°  = 2 k d   = e ikR   = e ik(R+2d)    = e ik(R+d)   = e ik(R+d)  = 0°  = 0

22  1/I q2q2 tg  = 1/3 q 2 R g 2 Rozpraszanie statyczne w roztworze

23 Wymiary: R = 10 nm R = 17.7 nm, h = 1 nm L=333 nm, d = 20 nm

24 1/M c Kc/R siła jonowa Rozpraszanie statyczne w roztworze

25 radial distribution function (-> theory)

26 Rozpraszanie dynamiczne  g(  )  t t II  widmo natężenie funkcja korelacji światło lasera światło rozproszone

27

28 Spektroskopia Korelacji Fotonów (Photon Correlation Spectroscopy - PCS) Zastosowanie do badań submikrosopowych obiektów biologicznych. Co można zmierzyć: Współczynnik dyfuzji translacyjnej (D T ):  makrocząsteczek biologicznych (białka, kwasy nukleinowe),  biologicznych układów supramolekularnych (organella komórkowe, pęcherzyki utworzone z błony lipidowej, asocjaty białkowe, mniejsze komórki) G(t) = g (2) (t) = 1 + exp(-2 q 2 D T t).

29 D T = k B T/(6  R h ) Informacje z pomiaru spektroskopii korelacji fotonów (PCS) Pomiar D T - informacje o rozmiarze i kształcie obiektu rozpraszającego –kula –elipsoida obrotowa –pałeczka –„model kulkowy”

30 odpychanie kompensacja przyciąganie c DTDT 2. Z zależności D T od stężenia otrzymuje się informacje o sile i naturze oddziaływań między obiektami. Spektroskopia Korelacji Fotonów

31 Kula -najprostszy model hydrodynamiczy D T R H D T = kT/(6πηR H ) Interpretacja np. współczynnika dyfuzji (+) Rozmiar (?) Kształt (?) Upakowanie (?) Hydratacja Interpretacja np. współczynnika dyfuzji (+) Rozmiar (?) Kształt (?) Upakowanie (?) Hydratacja RHRHRHRH

32 V h = (M w /N A )(v 2 + δ 1 v 1 ) v 2 - objętość właściwa cząsteczki, dla białek (cm 3 /g), średnio 0.73 (cm 3 /g) [na podstawie sekwencji] δ 1 - hydratacja, dla białek (g H 2 O/g białka), średnio 0.35(g H 2 O/g białka) [na podstawie sekwencji] v 1 – objętość właściwa wody związanej z makrocząsteczką, v 1 = (cm 3 /g) V h = (M w /N A )(v 2 + δ 1 v 1 ) v 2 - objętość właściwa cząsteczki, dla białek (cm 3 /g), średnio 0.73 (cm 3 /g) [na podstawie sekwencji] δ 1 - hydratacja, dla białek (g H 2 O/g białka), średnio 0.35(g H 2 O/g białka) [na podstawie sekwencji] v 1 – objętość właściwa wody związanej z makrocząsteczką, v 1 = (cm 3 /g) R h = [(3/4π)V h ] 1/3 = [(3/4π)(M w /N A )(v 2 + δ 1 v 1 )] 1/3 R H = R h F V o = (M w /N A )v 2 (objętość „suchego” białka) V H2O = δ 1 (M w /N A )v 1 (objętość dołączonej wody) V h = V o = V H2O (objętość hydratowanego białka) Kombinacja R H z v 2 i δ 1 v 1

33 Lizozym - model elipsoidy

34 L d Może się zdarzyć, że różne cząsteczki (modele) będą miały taki sam współczynnik dyfuzji. Trudniej (niemożliwe) jest znaleźć dwie różne cząsteczki z dwoma takimi samymi parametrami hydrodynamicznymi (np. współczynnikiem dyfuzji translacyjnej i rotacyjnej)

35 Kombinacje różnych parametrów D T - współczynnik dyfuzji S - współczynnik sedymentacji τ - czas relaksacji rotacyjnej [η] - graniczna liczba lepkościowa M w (masa), R H, R g (rozmiar), υ 1, ρ (objętość właściwa, hydratacja) a/b (kształt) giętkość stopień asocjacji parametry hydrodynamiczneinformacje

36 Kombinacja parametrów D T i D R (lub τ ) S i D T D T i [η] D T i R g p=b/a lub p=L/d + informacje o objętości właściwej i hydratacji

37 Proste modele hydrodynamiczne elipsoida obrotowa wydłużona (p=a/b) elipsoida obrotowa spłaszczona (p=a/b) pałeczka (cylinder) (p=L/d) BPTI aktyna 20mer DNA

38 Modele kulkowe Wymagają informacji o budowie (np. z NMR lub krystalografii) i (F = -fv), i = 1, 2,..., N vivi D T = kT  -1 Programy obliczające parametry hydrodynamiczne na podstawie modelu kolkowego: HYDRO: HYDROPRO: HI4 (R. Pastor - u autora)

39 Różne typy modeli kulkowych a) b) c) a) model kula-atom domeny katalitycznej CBD, b) model kulka- aminokwas inhibitora trypsyny, BPTI, c) model dużych podjednostek dla immunoglobuliny IgG3.

40 Model „powłokowy” Kulka na atom powłokowy model lizozymu (pusty w środku, shell model) pierwotny model lizozymu, model wypełniony (filling model)

41 Kulka na aminokwas

42 Kulka na nukleotyd Jedna kulka na nukleotydDwie kulki na nukleotyd

43 Zastosowania modelu kulkowe - celulaza Kombinacja parametrów hydrodynamicznych z danymi krystalograficznymi, NMR i symulacją MC

44 Symulacja Rozkład współczynników dyfuzji dla modelu kulkowego giętkiego łącznika polipeptydowego. Rozmiar kulek  = 4.5 Å.

45 a) Rozkład odległości między środkami domen dla celulazy b) zależność współczynnika dyfuzji od odległości między domenami, pozioma linia określa wyznaczony eksperymentalnie współczynnik dyfuzji, któremu odpowiada szeroki przedział konformacji modelu. a) b) Wyniki symulacji

46 Podsumowanie Informacje najczęściej wykorzystywane w badaniach biologicznych: Współczynnik dyfuzji translacyjnej (D T ),  Promień hydrodynamiczny (R h ),  Liczba składników w roztworze,  Masa cząsteczkowa (dla każdego składnika osobno) w połączeniu z rozpraszaniem statycznym,  Procentowy udział poszczególnych składników (w połączeniu z rozpraszaniem statycznym),  Zjawiska asocjacji i agregacji,  Kinetyka agregacji,  Oddziaływania w roztworze,  Ładunek efektywny cząsteczek,  Mody drgań wewnętrznych dla dużych obiektów (np. długie fragmenty DNA),  Kształt dużych obiektów (czynnik kształtu – pomiary kątowe).

47 Koniec


Pobierz ppt "Rozpraszanie światła. Światło fala elektromagnetyczna o długości z zakresu widzialnego (400-700nm) strumień fotonów."

Podobne prezentacje


Reklamy Google