Jan Marcus Marci z Kronlandu Optické vlastnosti látek Isaac Newton 1642 – 1727 Jan Marcus Marci z Kronlandu 1595 – 1677

Světlo je elektromagnetické vlnění Maxwellovy rovnice James Clerk Maxwell 1831–1879 Elektromagentické vlny jsou tvoeny elementárními částicemi – fotony Energie elektromagnetických vln je kvantována Max Planck 1858–1947 Albert Einstein 1879–1955

Rovinná monochromatická vlna A0 amplituda  vlnová délka T perioda  frekvence  kruhová frekvence vlnočet k vlnové číslo rychlost šíření vlny

Elektromagnetická vlna elektrická složka magnetická složka E B Poyntingův vektor S: velikost vyjadřuje plošnou hustotu výkonu elektromagnetické vlny k Polarizace vlny: Orientace vektoru E, resp. B v rovině kolmé k směru šíření S || k střední hodnota E Interakce magnetických momentů atomů a molekul s B jsou ca. 105 krát slabší než interakce elektrických dipólových momentů s E B

Fotony Fotony jsou elementární částice tvořící elektromagnetické pole. Jejich energie je přímo úměrná frekvenci pole: h = 6,626.10-34 J s – Planckova konstanta hybnost fotonu E2 h = E2 – E1 E1, E2: energetické hladiny kvantového systému (molekula, atom, atomové jádro...) absorpce emise E1 Fotoionizace Ei ionizační potenciál T kinetická energie elektronu, u rychlost

Viditelná oblast spektra 390 – 750 nm 0,75–1,4 m blízká IR 1,4–3 m krátkovlnná IR 3–8 m středovlnná IR 8–15 m dlouhovlnná IR 15–1000 m daleká IR 390–300 nm blízká UV 390–315 nm UVA 300–200 nm střední UV 315–280 nm UVB 200–120 nm daleká UV 280–100 nm UVC 120–10 nm extrémní UV 200–10 nm vakuová UV infračervená oblast (IR) ultrafialová oblast (UV) Interakce viditelného světla (blízkého IR záření, UV záření) s molekulami: Rozměry molekuly jsou zanedbatelné proti vlnové délce světla, proto lze prostorovou závislost E(r,t) zanedbat a přihlížet jen k časové. Orientační i deformační polarizace molekul jsou vzhledem k frekvenci světla pomalé, na polarizaci v optické oblasti se podílejí pouze elektrony.

Molekula v elektromagnetickém poli světelné vlny Model v rámci klasické fyziky: Elektrony se chovají jako harmonické oscilátory, konající kmity vynucené oscilujícím elektrickým polem. 0 vlastní frekvence elektronu  frekvence elektrického pole me hmotnost elektronu e náboj elektronu x(t) výchylka z rovnovážné polohy E0 amplituda elektrického pole d2x(t)/dt2 zrychlení elektronu síla, kterou na elektron působí elektrické pole síla poutající elektron k atomu amplituda závisí na frekvenci indukovaný dipólový moment: polarizovatelnost absorpce:  = 0 (p0  ) emise: dipól vysílá záření o frekvencí 0

Rychlost šíření světla v látkách vakuum: hmotné prostředí: absolutní index lomu: c = 2,998.108 m s-1 rychlost světla ve vakuu 0 = 8,854.10-12 F m-1 permitivita vakua 0 = 4.10-7 N A-2 permeabilita vakua , , permitivita a permeabilita hmotného prostředí r, r relativní permitivita a permeabilita hmotného prostředí neferomagnetické látky: Disperze záření – v důsledku interakce s látkou se fáze kmitů pole opožďuje či předchází ve srovnání s šířením vlny ve vakuu: vlnová délka, a tím i index lomu jsou frekvenčně závislé. anomální disperze v okolí absorpčních pásů n() n() () ()  (m)

Interakce látky se světelným zářením emise lom odraz absorpce rozptyl Rozptyl světla: elastický – nedochází k výměně energie mezi fotonem a molekulou = rozptýlené záření má stejnou frekvenci jako dopadající záření neelastický – dochází k excitaci nebo deexcitaci molekuly = rozptýlené záření má nižší nebo vyšší frekvenci než dopadající záření

Lom světla (refrakce) Lom světla (změna směru šíření světelné vlny) na rozhraní dvou optických prostředí je způsoben rozdílnou rychlostí šíření světla v obou prostředích. Snellův zákon: n21 relativní index lomu indexy lomu při 589 nm: vzduch (1 atm, 0°C) 1,0003 voda (20°C) 1,333 sklo pyrex (20°C) 1,470 diamant (20°C) 2,419

Elastický (Rayleighův) rozptyl světla Elektrické pole světelné vlny indukuje v molekule dipólový moment oscilující se stejnou frekvencí jako je frekvence pole. Tento oscilující dipól je zdrojem rozptýleného záření. Vyzařovací diagram dipólu rovina kolmá k rovině polarizace rovina polarizace primárního záření p  Ir intenzita rozptýleného záření  úhel mezi vektorem dipólu a směrem měření I0 intenzita primárního záření r vzdálenost od dipólu  vlnová délka záření

Aplikace elastického rozptylu světla V opticky homogenním prostředí se vlny rozptýlené z různých míst vzájemně ruší destruktivní interferencí – rozptyl nepozorujeme. V kapalinách se rozptyl světla pozoruje díky fluktuacím indexu lomu (hustotním, teplotním, koncentračním) způsobeným chaotickým pohybem molekul. Velikost koncentračních fluktuací je úměrná molekulové hmotnosti rozptylujících částic – měření intenzity rozptylu světla lze použít ke stanovení molekulové hmotnosti makromolekul. Rozptyl světla na velkých částicích (D > ): Vlny rozptýlené z různých míst částice navzájem interferují, intenzita rozptýleného záření je úhlově závislá, což umožňuje určit velikost částic (u částic o srovnatelné velikosti s  i tvar) Fosfolipidové vesikuly, R=225 nm: úhlová závislost intenzity rozptylu  rozptylový úhel Kvazielastický (dynamický) rozptyl světla: Měření rychlosti časových fluktuací intenzity rozptýleného světla poskytuje informace o pohybech rozptylujících částic v roztoku.

Neelastický (Ramanův) rozptyl světla Vibrační pohyb molekuly způsobuje oscilace její polarizovatelnosti: Rozptýlené světlo tvoří vlny frekvencích  (elastický rozptyl) a +vib, vib. Při srážce fotonu s molekulou je molekule předána (frekvence vib) nebo odebrána (frekvence +vib) energie Evib = hvib: hh(vib) + Evib Stokesův pás hh(+vib)  Evib anti-Stokesův pás Rayleigh Stokes anti-Stokes virtuální hladiny Ramanův rozptyl má ca. 107 krát nižší intenzitu než Rayleighův rozptyl, Stokesovy pásy jsou intenzivnější než anti-Stokesovy.  vib  +vib   vibrační hladiny

Aplikace Ramanova rozptylu Vibrační spektroskopie: analýza vibračních frekvencí molekul i pevných látek poskytuje informace o struktuře.

Absorpce světla V tenké vrstvě o tloušťce dx je pohlcený výkon –dI(x) přímo úměrný tloušťce vrstvy a výkonu záření ve vzdálenosti x: –dI(x) = I(x)dx ( – absorpční koeficient) dx I(0)=I0 I(x) x Výkon záření exponenciálně klesá s tloušťkou absorbující vrstvy.

Aplikace měření absorpce světla: Spektrofotometrie Lambertův-Beerův zákon: A absorbance, T=I/I0 transmitance c molární koncentrace absorbující látky l tloušťka vrstvy roztoku (tloušťka kyvety) dekadický molární absorpční koeficient [] = m2 mol-1 (obvyklá jednotka dm3 mol-1 cm-1). Je charakteristický pro danou látku a závisí na vlnové délce záření. Měření T, resp. A, lze užít ke stanovení koncentrace absorbující látky. Analýza k-složkové směsi: Je nutno změřit absorbanci pro k vlnových délek a znát  všech k složek pro těchto k vlnových délek () (dm3 mol-1 cm-1)  (nm)

Polarizované světlo Lineárně polarizovanou vlnu lze popsat jako součet dvou kruhově polarizovaných vln otáčejících se se stejnou frekvencí, ale v opačném směru: Nepolarizované světlo Vektor E kmitá ve všech směrech E Lineárně polarizované světlo Vektor E kmitá v jednom směru EL=EP x E Kruhově polarizované světlo Fáze složek Ey a Ex jsou posunuty o /2. Vektor E rotuje s frekvencí rovnající se frekvenci pole. EL EP E=0 EL= EP V některých, tzv. opticky aktivních látkách se pravotočivě a levotočivě kruhově polarizovaná světelná vlna otáčí s různými frekvencemi. To vede ke stáčení roviny lineárně polarizovaného světla.

Optická aktivita Optickou aktivitu vykazují látky vytvářející enantiomery (optické izomery), jejichž struktury jsou vzájemně zrcadlově symetrické. Centrální chiralita – centrem většinou uhlík se 4 různými. substituenty. Racemická směs – směs obsahující 50 mol. % pravotočivého a 50 mol. % levotočivého izomeru – je opticky neaktivní Molární otáčivost []:  úhel otočení (doprava +, doleva ) c molární koncentrace opticky aktivní látky l tloušťka vrstvy roztoku (tloušťka kyvety) Závislost [] na vlnové délce: optická rotační disperze Axiální chiralita Cirkulární dichroismus: rozdíl molárních absorpčních koeficientů pro levotočivě a pravotočivě polarizované světlo: () = L() – P()

Spektra cirkulárního dichroismu Analýza sekundární struktury proteinů: CD spektrum proteinu je váženým průměrem spekter jednotlivých typů sekundární struktury, lze z něj tedy určit poměrné zastoupení těchto typů v jeho sekundární struktuře.  skládaný list () (dm3 mol-1 cm-1)  ohyb  helix nerozlišené struktury  (nm)