Laboratorija za molekulsku spektroskopiju

Laboratorija za molekulsku spektroskopiju Fakulteta za fizičku hemiju raspolaže UV-VIS spektrofotometrom firme Thermo Scientific (model Evolution 220), FT-IR spektrofotometrom firme Thermo Nicolet (model Avatar 370) i ramanskim spektrometrom sa mikroskopom firme Thermo Scientific (model DXR Raman Microscope).

U Laboratoriji za molekulsku spektroskopiju  se realizuju studentske vežbe i završni radovi na svim nivoim studija, kao i naučno-istraživački rad nastavnika i saradnika fakulteta koji se finansira sredstvima dobijenim učestvovanjem na nacionalnim i međunarodnim naučnim projektima. U laboratoriji se odvija naučno-istraživački rad u okviru različitih oblasti: fizičke hemije materijala (polimernih materijala, ugljeničnih materijala, zeolita, oksida, kompozitnih materijala…), nanotehnologija, biofizičke hemije, fizičke hemije kompleksnih jedinjenja, fizičke hemije u forenzici,  zaštiti životne sredine, arheologiji i drugih.

Elektronska (UV-VIS) spektroskopija se primenjuje u kvalitativnoj i kvantitativnoj analizi jedinjenja. Kvalitativna spektrofotometrijska analiza se zasniva  na karakteristikama UV-VIS spektara kao što su: položaj, intenzitet i  oblik apsorpcionih traka  određenih hromofora. Pouzdana identifikacija jedinjenja postiže se  samo u kombinaciji elektronske spektroskopije sa drugim spektroskopskim metodama (IR, ramanska, NMR, MS). Mogućnosti primene elektronske spektroskopije su mnogobrojne: u praćenju kinetike više ili manje složenih reakcija (npr. reakcija polimerizacije), ispitivanjima reakcija kompleksiranja, u oblasti zaštite životne sredine (analiza tekućih i otpadnih voda, analiza zemljišta, zagađivača…), analizi farmaceutskih proizvoda  (vitamini, antibiotici, hormoni, analgetici, …), analizi prehrambenih i kozmetičkih proizvoda, ispitivanjima materijala, industriji boja i lakova, forenzici (analiza droga i psihotropnih supstancija, određivanje sadržaja alkohola – test izdisaja) i dr. Veliki broj reakcija i jedinjenja navedenog tipa proučava se u ovoj laboratoriji. UV-Vis spektrofotometar Evolution  220 radi u opsegu talasnih dužina 190-1100 nm. Pored merenja sa standardnim i mikrokivetama, pomoću mikroprobe (sa optičkim vlaknom) od nerđajućeg čelika, malog prečnika, omogućena su merenja u sistemima malih zapremina, van kućišta instrumenta, npr. u toku reakcije. Merenja na različitim temperaturama omogućava dodatak- Peltier recirculator.

Infracrvena (IR) i ramanska spektroskopija su komplementarne vibracione spektroskopske metode koje pružaju isti vid informacija o ispitivanim molekulima.

Metode IR spektroskopije, transmisione i refleksione, pružaju mogućnost analize jedinjenja najrazličitijih karakteristika. Mogućnosti primene IR spektroskopije su brojne, mogu se analizirati različita organska (alifatična i  aromatična jedinjenja, jedinjenja silicijuma, halogena, bora, kiseonika, sumpora,…) i neorganska jedinjenja (metalni karbonili, organometalna jedinjenja, minerali…), polimeri (identifikacija, proces polimerizacije, struktura novih polimera, analiza površina, degradacija,…), kompoziti, biološki aktivni molekuli (lipidi, proteini, peptidi, nukleinske kiseline, …), ugljenični materijali i dr. Metoda ima takođe veliku primenu u medicinskim ispitivanjima (dijagnostika bolesti), industriji (farmaceutskoj, prehrambenoj, industriji boja i lakova, industriji za preradu papira, poljoprivredi…) kao i u oblasti zaštite životne sredine (analiza voda, zemljišta, vazduha,…). FTIR spektrometrom Avatar 370 u Laboratoriji se ispituju različiti čvrsti i tečni uzorci, kao i gelovi. Uređaj ima dobru spektralnu rezoluciju i snima u opsegu 7800-375 cm-1.

Tehnike ramanske spektroskopije (tzv. normalna – NR, rezonantna – RR, površinski pojačana – SERS i površinski pojačana rezonantna ramanska spektroskopija – SERRS) su nedestruktivne vibracione tehnike koje se mogu vršiti i in situ. Ove tehnike se primenjuju u mnogim oblastima, uvek kada je neophodan nedestruktivni pristup hemijskoj analizi. Bez obzira da li se radi o kvalitativnoj ili kvantitativnoj analizi, ramanska spektroskopija može pružiti ključne informacije o strukturi  uzoraka koji se analiziraju.

Instrument DXR Raman Microscope ima mogućnost snimanja spektara pomoću tri lasera, talasnih dužina 532 nm, 633 nm i 780 nm, u opsegu talasnih brojeva 50–3500 cm-1. Važni kvaliteti instrumenta su: jednostavna priprema uzoraka, softverski omogućena automatska korekcija neželjenog efekta fluorescencije, mogućnost vizuelnog praćenja dela površine uzorka čiji se ramanski spektar snima (pomoću optičkog mikroskopa sa objektivima uvećanja 10x, 50x i 100x i digitalne kamere), visoka spektralna i prostorna rezolucija, mogućnost spektralnog mapiranja uzoraka na mikronskoj skali, profiliranje uzoraka po dubini i analiza raspodele komponenata, defekata i preseka uzoraka. Instrumentom je moguće snimati spektre čvrstih uzoraka (kompaktnih i praškastih, kao i filmova na različitim površinama), gelova i tečnih uzoraka, a uz pomoć sonde sa optičkim vlaknom i spektre udaljenih i velikih uzoraka. Obimna biblioteka spektara olakšava identifikaciju nepoznatih komponenata.

U analizi uzoraka koji sadrže vodu tehnike ramanske spektroskopije su nezamenljive iz razloga malog efikasnog preseka za ramansko rasejanje na molekulima vode što olakšava analizu uzoraka sa njenim visokim sadržajem. U nekim slučajevima se na osnovu analize ramanskih spektara, posebno u niskofrekventnoj oblasti, mogu dobiti veoma važne dodatne informacije o strukturi molekula koje nisu dostupne iz IR spektara koji se u u niskofrekventnoj oblasti teško mogu registrovati.

Tehnika tzv. normalne ramanske (NR) spektroskopije ima velike mogućnosti primene na onim uzorcima koji pokazuju veliki efikasni presek za ramansko rasejanje. Ovom tehnikom se mogu analizirati minerali, drago kamenje, ugljenični (sastav, defekti, čistoća, … ), polimerni (sastav, kristaliničnost, polimerizacija, degradacija, …), kompozitni, poluprovodnički (čistoća, kontaminacija, defekti, efekti dopiranja,…) i drugi materijali. Metoda je takođe primenljiva na biološkim uzorcima. Izuzetno je značajna u oblasti nanotehnologija- npr. omogućava in situ praćenje evolucije nanostruktura provodnih polimera (nanotuba, nanoštapića) preko karakterističnih traka, kao i identifikaciju specifičnih strukturnih karakteristika nanomaterijala (ugljeničnih nanotuba, grafena, nanostrukturnih provodnih polimera…).

Pored tehnike  NR spektroskopije u sve većoj primeni su i tehnike RR, SERS i SERRS spektroskopije koje se odlikuju velikim pojačanjem poprečnog preseka za ramansko rasejanje a što ima za posledicu veliki intenzitet traka i nisku granicu detekcije.

Svojstvo selektivnosti hromofora čini tehniku rezonantnog ramanskog rasejanja (RR spektroskopiju) posebno atraktivnom za studije multihromofornih polimernih sistema. Trake u RR spektrima su znatno intenzivnije (102-106 puta) u odnosu na trake u NR  spektrima. Selektivno pojačanje intenziteta rasejanog zračenja omogućava analizu uzoraka koncentracija i do 10-8 M. Metoda se u okviru Laboratorije koristi u velikoj meri u analizi makromolekulskih jedinjenja- proteina i elektroprovodnih polimera, gde nudi dvostruke prednosti –  kako u pogledu osetljivosti tako i selektivnosti.  Kako je položaj hromofore u proteinu često od velikog značaja za samu funkciju proteina, RR spektroskopija se koristi u cilju ispitivanja i analize funkcije proteina. Ova tehnika se takođe primenjuje u analizi veza na nivou hromofora-protein  (hem proteini, vitamini klase B, hlorofili, karotenoidi, vidni pigmenti, flavin nukleotidi i drugi metalo-proteini), obeležavanju u enzimskim reakcijama (analiza interakcija  lek-protein i drugih enzim-inhibitor kompleksa, reakcije na nivou enzim-supstrat  kao i reakcije na nivou nukleinske kiseline-membrane), analizi nukleinskih kiselina i njihovih kompleksa sa proteinima kao i u analizi membrana, lipida i ugljenih hidrata. U oblasti elektroprovodnih polimera, RR spektroskopija izborom odgovarajuće talasne dužine ekscitacionog laserskog zračenja omogućava identifikaciju molekulskih segmenata odgovornih za električnu provodljivost polimera, detaljnih vibracionih karakteristika nosioca naelektrisanja u polimeru (polarona, bipolarona) i drugih strukturnih jedinica (benzenoidnih, hinonoidnih…).

Tehnike SERS i SERRS spektroskopije se izvode na površinama SERS (SERRS) aktivnih supstrata različitih morfologija. SERS (SERRS) aktivnost zavisi od vrste i morfologije supstrata koji mogu biti metalni koloidi srebra, zlata, bakra ili drugih metala. SERS  tehnika našla je veliku primenu u biofizičkoj hemiji i medicini (praćenje in situ interakcije na nivou lek-složeni biomolekuli kao što su DNK, proteini, amino kiseline, nukleinske kiseline i dr.), hemiji površina, hemiji polimera (analiza površine polimera,  geometrije, orijentacija bočnih grupa blizu površine metala),  forenzici  (analiza tragova, droga, lekova, bioloških tečnosti, vlakana,…), ispitivanju korozije i drugim oblastima. Izuzetno velika primena SERS i SERRS tehnika je u oblasti biosenzora na bazi rezonancije površinskog plazmona koji omogućavaju analizu veoma širokog dijapazona analita.