Lasery – Ramanova spektrometrie Ramanův rozptyl poskytuje vysoce specifické a nedestruktivní informace o molekulárních vibracích, což umožňuje analýzu, kterou často nelze získat jinými technikami, jako je fluorescenční nebo infračervená spektroskopie. 2 Ramanova spektroskopie  Každá čára Ramanova spektra je svými vlastnostmi závislá:  na počtu a hmotě společně kmitajících atomů molekuly  na jejich prostorovém uspořádání  na vnitřně molekulovém silovém poli  Je zřejmé, že Ramanových spekter lze použíti analyticky,zvláště při řešení některých, chemicky těžko dokazovatelných rozdílů konstitučních Prof. Dr.Arnošt Okáč:Výklad k základním operacím v chemické analyse, JČMF 1948 3 4 Podstata Ramanova jevu ROZPTYL ZÁŘENÍ rozptýlený foton má odlišnou energii oproti dopadajícímu zářivý dvoufotonový přechod mezi dvěma stacionárními vibračními stavy molekuly jejichž energie jsou E1 a E2, vyvolaný interakcí s fotonem dopadajícího záření o frekvenci ν0 >( E2 - E1) / h, provázený vyzářením rozptýleného fotonu o energii hνR= hν0 ± ( E2 - E1 ), kde hνvib = E2 - E1 Rozptýlené fotony nesou informace o energetickém spektru rozptylového centra i prostorové orientaci konkrétní chemické vazby, tedy jakési molekulární „vizitky“. Bez speciálních opatření je však tímto způsobem rozptylován pouze jediný foton ze stovek miliónů až stovek miliard dopadajících fotonů. Účinný průřez Ramanova rozptylu je zhruba 10−30 cm2. 5 Rozptyl světla se děje ve všech směrech kolem rozptylující částice. 6 Rayleighův (molekulární) rozptyl Lord John Rayleigh správně shledal, že intenzita rozptýleného záření je přímo úměrná čtvrté mocnině frekvence záření, čili nepřímo úměrná téže mocnině jeho vlnové délky; rozptyl světla se děje ve všech směrech kolem rozptylující částice a že je dokonce trojího druhu: rozptyl skalární,u něhož je intenzita ve všech směrech stejná, rozptyl symetrický a antisymetrický, jejichž intenzita je různá v různých směrech, stejně jako polarizace rozptýleného záření. Přitom dopadá-li na částici jednobarevné světlo frekvence υ0 pak také rozptýlené záření má tutéž frekvenci υ0´, jeho intenzita je však mnohem nižší než intenzita dopadajícího záření; v tom případě říkáme, že spektrum rozptýleného záření je tvořeno jedinou spektrální čarou. Při všech experimentech Rayleighových současníků se tato teorie potvrzovala. Ani on ani nikdo z jeho současníků ovšem nemohl tehdy tušit, že existuje nejméně deset typů rozptylu světla, ani to, že modř oblohy není způsobena rozptylem světla na jednotlivých molekulách, ale na tzv. fluktuacích hustoty atmosféry, tj. na nahodilých okamžitých shlucích molekul obsažených v atmosféře, které trvají nesmírně krátkou dobu, totiž jen po dobu srážky nejméně tří takových molekul. 7 8 Princip Ramanovy spektrometrie  Podstatou Ramanova rozptylu je zářivý dvoufotonový přechod mezi dvěma stacionárními vibračními stavy molekuly, jejichž energie jsou E1 a E2, vyvolaný interakcí s fotonem dopadajícího záření o frekvenci ν0 > | E2 - E1 | / h, kde h je Planckova konstanta, a provázený vyzářením fotonu rozptýleného záření o frekvenci νR.Tento rozptylový efekt si lze zjednodušeně představit jako současnou absorpci fotonu budícího záření molekulou, kdy molekula přechází na virtuální energetickou hladinu, a emisi sekundárního fotonu, za splnění podmínky zachování energie: hνR = hν0 ± (E2 - E1) (1)  Existuje několik možností takto uskutečněného přechodu podle polohy virtuální energetické hladiny vůči vlastním stavům molekuly (např. normální a resonanční Ramanův jev). 9 Princip Ramanovy spektrometrie 2 V klasickém přiblížení platí pro molekulu interagující se zářením, že v molekule je indukován dipólový moment p: kde ν0 je frekvence budícího záření, νvib je vibrační frekvence, E je vektor intenzity elektrického pole dopadajícího záření, q jsou vnitřní souřadnice molekuly a α je polarizovatelnost molekuly (polarizibilita, tj. míra „obtížnosti“, s níž se vychylují negativní náboje elektrickým polem). Z rovnice vyplývá, že molekula emituje záření s nezměněnou frekvencí ( ν0 - Rayleighův rozptyl ) a dále záření s frekvencemi ( ν0 + νvib ) a ( ν0 – νvib ), které se souhrnně nazývají Ramanův rozptyl, při čemž nižší frekvence ( ν0 – νvib) odpovídá Stokesovu rozptylu, zatímco vyšší frekvence ( ν0 + νvib) náleží anti-Stokesovu rozptylu. Z rovnice je též zřejmé, že pro vznik Ramanovy linie je nutné, aby při daném vibračním pohybu docházelo ke změně polarizovatelnosti, tedy aby 10 Ramanova spektra nerezonanční Velikost frekvenčního posuvu ωv nezávisí na frekvenci dopadajícího záření Pravděpodobnost Ramanova jevu roste se čtvrtou mocninou frekvence dopadajícího záření a má o tři řády menší pravděpodobnost než rozptyl Rayleighův 11 Ramanovo spektrum 12 Ramanovo spektrum látek přítomných v atmosféře Spektrum ramanovského lidaru 13 Ramanova spektra rezonanční K rezonančnímu Ramanovu rozptylu dochází v případě, kdy frekvence záření dopadajícího na rozptylující částici souhlasí nebo se blíží frekvenci kvantového přechodu částice. Proti intenzitě záření nerezonančního Ramanova rozptylu může být intenzita vyšší o 3 až 6 řádů. 14 Rezonanční Ramanův rozptyl  virtuální hladina v blízkosti elektronově excitovaného stavu  UV rezonanční Ramanova spektroskopie –nukleové kyseliny, proteiny  Viditelná oblast –koordinanční sloučeniny, organická barviva, hemoproteiny  NIR –„prerezonance“ ? – nízkoenergetické elektronové přechody  Excitační profily – závislost Ramanových spekter (vybraných pásů) na excitační vlnové délce 15 Rezonanční Ramanova spektrometrie  Faktor zesílení 102–104  Praktické aspekty  U roztoků – otázka volby koncentrace a pozice excitačního paprsku  Samoabsorpce  Fluorescence  Volba geometrie paprsku, fokusace  Koncentrační profil 16 Instrumentace pro Ramanovu spektrometrii Pevný, resp. kapalný vzorek se umístí před štěrbinu spektrometru. Vzorek se ozáří fokusovaným svazkem z laseru s výstupním výkonem větším než 100mW, obvykle iontového Ar (λ=514,5 nm – zelená a 488 nm – modrá) nebo He-Ne laseru(λ=632,8 nm). Často se v poslední době využívá Nd:YAG laser s násobičem frekvence a laseroých diod. Monochromátor musí mít velmi nízké rozptýlené záření (obvykle dvojitý). Detektorem je obvykle fotonásobič, příp. intenzifikovaný CCD detektor. 17 Schéma Ramanova disperzního přístroje 18 Technologický pokrok v Ramanově spektroskopii v uplynulých 20 letech 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 Metody nelineární – SRS a ASRS SRS (Stimulated Raman Scattering) je variantou metody dvojí rezonance (a), při níž laserem ( frekvence ωL ) buzená hladina 2 je virtuální. Je-li ωV frekvence vibračního přechodu, pak ωL – ωV = ωS . Zavedeme-li do kyvety pomocný paprsek s frekvencí ωS , tedy se Stokesovou frekvencí Ramanova spektra, dojde k zesílení na této frekvenci. V případě ASRS (Antistokes SRS) dochází k vybuzení dvou virtuálních hladin 2 a 4 a platí ωL + ωV = ωAS . Metody se používají k měření s vysokým rozlišením až 0,01 cm-1. Na jejich principu jsou založeny i laditelné infračervené (ramanovské) lasery. 32 Inverzní Ramanova spektrometrie (a) Using a laser dye to generate a continuum (b) Using a white light continuum produced by slffocusing of picosecond laser pulses in water (c) Illustratinon of the spectrum • 33 Experimentální výhody  možnost měření ve vodném prostředí ➥ nízká intenzita Ramanova rozptylu pro vodu ➥ používané optické materiály nejsou citlivé na vlhkost  možnost měření ve skleněných nádobách ➥ měření v uzavřených ampulích - např. pod vakuuem  snadné využití skelné vláknové optiky  minimální požadavky na úpravu pevných vzorků  intenzivní pásy -C=C-, -N=N-, -S-S a dalších symetrických vibrací 34 Aplikace RS v geologii  identifikace a analýza fází: v některých případech je RS nejjednodušší či dokonce jedinou použitelnou metodou k identifikaci minerálu, zvláště tehdy, je-li uzavřen v jiném průhledném, nefluoreskujícím minerálu. Umožňuje rozlišovat členy izomorfních řad snáze, než rtg-difrakce.  k identifikaci plynů v plyno - kapalných uzavřeninách  studium struktury (zvláště vazba OH skupin), uspořádanosti struktury  Fázové přechody(teplotní změna struktury perovskitu v podmínkách pláště)  Určování termodynamických vlastností minerálů 35 Další aplikace RS v geologii  rezonanční Ramanova spektroskopie  Elektronická Ramanova spektroskopie  hyper-Ramanova spektroskopie  koherentní antistokesovský Ramanův rozptyl (CARS) 36 Geologické materiály - hematit 37 Identifikace drog 38 Identifikace léčiv 39 Studium komplexů 40 Archeologie - keramika 41 Analýza sloučenin ve výbojce 42 Analýza sloučenin ve výbojce 43 Analýza uhlíkatých materiálů 44 DORISS system (depth of 3607 meters in Monterey Bay) 45 46 47 Ramanova mikrosonda 48 Analýza obilných zrn 49 Mapování povrchu papíru 50 Prostorové rozložení aerosolu 51 Detekce infikovaných erytrocytů 52 Konfokální mikroskop 53 Laserový skenovací konfokální mikroskop 54 Řádkovací zrcadla 55 Konfokální Ramanův mikroskop 56 Ramanova mikrospektroskopie 57 Ramanova nanospektroskopie  Techniky blízkého pole  sonda v blízkosti povrchu („blízké pole“)  Spektroskopie blízkého pole  (near-field spectroscopy)  Mikroskopie blízkého pole  SNOM – scanning near-field optical microscopy  UV-vis, IR (IR-SNOM), Ramanova spektroskopie +TERS  fotoluminiscence, fluorescence  rozlišení lepší než 50 nm  spektroskopie jedné molekuly 58 Aplikace SNOM  Single Molecule DetectionJ.K.Trautmanet al. Nature 369,40, (1994)  Raman ScatteringC.L. Jahnckeet al. Appl. Phy. Lett. 67 (17), 2483 (1995)  Polarization and OrientationB. McDaniel et al. , Appl. Opt. 37, 84 (1998)  Magnetic-ImagingU. Hartman, J. Magn.& Magn. Mater. (1996)  Data StorageH.J. Mamin, IBM J. Res. Develop. (1995)  Biological Imaging. VanHulstet al. J. Struct. Bio., 119,222 (1997)  Quantum Dots, QuantumWires H.F. Hess et al. Science 264, 1740 (1994)  Lithography S. Madsen et al. J.App. Phy.82 (1) 49(1997).  Photonic Device Characterization S.K. Burrattoet al. App. Phy. Lett.65, 2654 (1994)  Semiconductor/ Defect Characterization LaRosaet al. Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 406,189-194 (1996) 59 Raman - NSOM  vzdálenost sondy – do 10 nm  • apertura sondy  • režimy snímání  transmisní (jen transparentní vzorky)  reflexní – ostrá sonda – vysílač, přijímač, obojí  rozptyl – vysílač, přijímač, obojí 60 Raman-NSOM vzdálenost sondy –do 10 nm •apertura sondy •režimy snímání kolmá či šikmá laserová excitace 61 Separace fází AFM zobrazení směsi polymerů PMMA-SBR, odstředivě nanesené na skleněnou podložku. Sken 20x20 µm, topografické měřítko 30 nm Ramanovské zobrazení směsi polymerů PMMA-SBR. Plochy PMMA jsou barevně kódovány modře, plochy SBR jsou zobrazeny červeně. zobrazení: 200x200 spekter 62 Měření napětí v materiálu AFM měření vtisku ze zkoušky tvrdosti Si dleVickerse. Vtisk o úhlopříčce 2,75 µm a hloubce 210 nm byl vytvořen silou 50 mN.Velikost skenované plochy: 10x10 µm. Ramanovské zobrazení stejné oblasti jako na vedlejším obr. Zobrazení bylo vypočteno z polohy píku parabolické aproximace 63 Měření napětí v materiálu _ fonony  Fonon – kvazičástice vibrací krystalové mříže, vibrační kvantum šířící se krystalovou mříží. Pomocí fononů lze popisovat šíření zvukových vln v pevných látkách. Samotný název fonon vznikl jako analogie k fotonu. Foton je částicí elektromagnetického pole, fonon je kvazičásticí netlumeného zvukového pole v pevné látce. Řadí se mezi bosony. 64 Mechanické napětí v nanostrukturách 65 Speciální techniky  rezonanční - RR  povrchem zesílený - SERS  rezonanční povrchem zesílený - SERRS  fotoakustický – PARS (nelineární, pulzní)  hyperRaman (two photon pumping)  koherentní anti-Stokes - CARS  koherentní Stokes - CSRS 66 RRS (Resonance Raman Scattering  Excitace do absorpčního pásu molekuly, ale hrozí fotodegradace a rušení výsledného Ramanova signálu fluorescencí RRS 10-6 M porphyrin 67 Metody nelineární - CARS U metody CARS („čtyřfrekvenční směšování“), na rozdíl od ASRS, je relaxace z prvé virtuální hladiny 2 vynucená zářením druhého laseru s frekvencí ω2 , které způsobí zvýšení populace hladiny 3 a antistokesův přechod má charakter stimulované emise koherentního a směrovaného záření. Emise záření ωAS vychází v podobě úzkého kužele. U disperzních vzorků (kapalin) se vlnové vektory sčítají vektorově (c), takže k oddělení detekovaného záření není potřeba žádný disperzní prvek, na rozdíl od plynů (b). 68 Coherent Anti-Stokes Raman Scattering  CARS can stimulate the production of a significantly larger amount of signal than spontaneous Raman microscopy. Like spontaneous Raman, CARS probes vibrational modes in molecules and does not require the introduction of exogenous dyes or markers, which is advantageous in imaging small molecules, such as metabolites, for which labeling may significantly affect their molecular properties.  CARS is a process that involves four photons that interact with the third order nonlinear susceptibility of the sample, which is a function of the vibrational frequencies .To understand a CARS event, consider two photons: a pump, of energy , and a Stokes, of lower energy . Consider also a molecule with a single resonance, represented by a third order susceptibility.A CARS event can be understood in two steps. Upon the illumination of the molecule with the pump and Stokes photons,the first step is initiated if the condition is met; that is, if the diference in energy between the pump and Stokes photons matches the energy of the excited vibrational state of the molecule, so that the molecule is excited. Once this happens, the second step is the result of the interaction of this excited state with a third photon,known as the probe, of energy .This photon gains the energy of excitation of the molecule, and an anti-Stokes photon is emitted with an energy that has a higher frequency than any of the incident photons. 69 CARS instrumentace CARS vyžaduje především výkonové laditelné lasery, které jsou technicky i ekonomicky náročné. Na rozdíl od klasické Ramanovy spektrometrie jsou zářivé toky v CARS velmi intenzívní, takže nároky na detekci signálu jsou minimální. Např. při sledování vibračního přechodu benzenu u 992 cm-1 (totálně symetrická vibrace vibrace benzenového kruhu), buzení do virtuálních hladin na 513 nm, P=100 kW/6μs, stimulace na 540 nm, P=30 kW/6μs, výkon koherentního záření z interakčního prostoru 300W! Účinnost může dosáhnout až 10%, u spontánního Ramanova rozptylu je to 10-5 až 10-8 %. 70 Coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy (CARS):  F-CARS and ECARS microscopy with co- propagating incident beams, forward and backward signal collection, respectively  Obj., objective lens; F., filter; BC., beam combiner; L., lens; M., mirror 71 CARS microscopy 72 Broadband Coherent anti-Stokes Raman Microscope for Materials Research – CARS 73 epi-CARS microscopy We used epi-CARS microscopy to image ex vivo mouse brain tissues. Epi-CARS microscopy suppresses the nonresonant background from the aqueous medium. Mosaic picture of an epi CARS mouse brain image. The brain tumor is on the left side and extends across the center line and distorts the symmetry of thebrain.The magnification was 20x. Image is displayed in pseudo-color. 74 Plasmonová resonance (SPR) 75 Použití SPR  zvětšení citlivosti spektroskopických technik vč. fluorescence, Ramanovy spektroskopie ... (povrchové zesílení Ramanovy spektroskopie ~ 1014 – 1015x umožňuje identifikaci jediné molekuly)  změna refrakčního indexu adsorpcí molekul na mezifází kovu a dielektrika  posun resonance v důsledku adsorpce molekul na mezifází  nanočástice vzácných kovů projevují silné UV-Vis absorpční pásy (nejsou přítomny u „makro“)  měření tloušťky adsorbovaných vrstev, vazebné konstanty ligandů... 76 Základní pojmy  SERS – povrchem zesílený Ramanův rozptyl (Surface Enhanced Raman Scattering). Při Ramanově rozptylu na molekulách navázaných na povrch drahého kovu (zlata, stříbra) může dojít k zesílení jak rozptýleného tak dopadajícího záření díky rezonanční interakci fotonů s kvanty kmitů elektronového plynu v poli iontů krystalové mříže vázaných na povrch.  Plazmon – kvazičástice (kvantum) podélných oscilací elektronového plynu v pevných látkách (v krystalové mříži kovů, v nekovech, v plastech). Například v kovech je možné vybudit oscilace plazmatu jako kolektivní excitace plynu vodivostních elektronů na pozadí kationtů krystalové mříže. Odražené či prošlé elektrony nebo fotony interagující s plazmony vykazují ztráty energie rovné celistvým násobkům energie plazmonu.Vytváření plazmonů (ve většině materiálů o energii 10÷20 eV) vede k energetickým ztrátám, které se projeví ve formě tzv. Ferrelova záření (objeveno v roce 1960) v UV nebo vizuálním oboru.  Povrchové plazmony – plazmony vyskytující se na rozhraní vakua či materiálu s kladnou relativní permitivitou a prostředí se zápornou relativní permitivitou (obvykle kovy či dotované polovodiče). Silně interagují s fotony a vytvářejí tak další kvazičástici – polariton. 77 SERS  Surface Enhanced Raman Scattering – metoda přinesla velké zlepšení RS tím, že na zkoumaný povrch jsou naneseny vhodné molekuly nebo nanočástice kovů (např.Ag).  Zesílení Ramanových signálů je řádu 104 – 106 , v některých systémech může být i větší.  Zlepšení citlivosti metody souvisí s tím, že u molekul v blízkostiAg nebo Au nanočástic se projevuje povrchová plasmonová rezonance.Toto vysvětlení není však jediné.  Povrchový plasmon je kvazičástice. Je to kolektivní excitace volných elektronů na mezifázi vodiče a izolátoru. 78 Povrchem zesílený Ramanův rozptyl, SERS Rozdíl mezi SERS spektrem 2- merkaptoethanolové monomolekulární vrstvy na povrchu zdrsnělého stříbra (a) a spektrem tekutého 2-merkaptoethanolu (b). V důsledku přitažlivých sil povrchu, které modifikují strukturu elektronového obalu, se obě spektra liší. (Pro názornost jsou spektra vzájemně posunuta a zobrazena v různých měřítcích.) Zdroj: Wikipedie. 79 Povrchové plazmony Povrchový Plasmon - polariton = koherentní „kolektivní“ oscilace elektronů ve vodivostním pásu Jeho elektromagnetické stavy jsou vázané k rozhraní kov/dielektrikum tvořen nábojem v kovu (e-) a elmg. polem v obou fázích - projevy: spojené oscilace e-hustot a elmg. pole (= „hladiny“ oscilací elektronových hustot) - Intenzita pole exponenciálně klesá se vzdáleností od povrchu kovové fáze (=> lokalizace v mezifází) šíří se jako podélné vlny na mezifází Vlastnosti plasmonu závisí na - složení mezifází (ε, Ra) - refraktivním indexu dielektrika (světlovod, detekce chem. vazeb, nanostruktur) 80 Mechanismus povrchové plasmonové resonance (Surface Plasmon Resonance)  Dopadající světlo λ (hν) excituje oscilace oblaku elektronů vodivostního pásu s následným zesílením elmg. pole na fázovém rozhraní (povrchu)  ⇒ v resonanci absorpce světla λSPEC vzroste o několik řádů (= povrchová plasmonová resonance)  Kovová nanostruktura funguje jako anténa. 81 Nanočásticové plazmony  Nanočásticový plasmon již neexistují lokalizované energetické hladiny (tvoří pás/oblak). Min. rozměr částic: > 2 nm.  Interakce se světlem => excitace oscilací eoblaku => polariton (el.polarizace)  Interakce malé nanočástice se světlem => dipólová radiace (E-pole) (a, b)  větší nanočástice => kvadrupólová radiace (c, d) 82 Povrchově zesílená Ramanova spektroskopie Surface Enhanced Raman Spectroscopy  Podmínky:  Max. zesílení (dopadající i rozptýlené světlo (Raman) je zesílené plasmonovou resonancí) pro frekvence s minimálním posunem Δλ (velmi posunuté nemohou být obě v rezonanci => menší zesílení)  plasmonové oscilace musí být kolmé k povrchu  použití Au,Ag, Cu (NIR-Vis) nanostruktur  „Hot-Spots“ (signál není reprezentativní vzhledem k povrchu)  kombinuje výhody  fluorescence - vysoký světelný zisk  Ramanovy spektroskopie - strukturní informace  Teorie:  vazebná - přenos náboje, vznik vazeb  excitace povrchových plasmonů  ? 83 SERS Spectroscopy  giant enhancement of Raman signal  two mechanisms involved  electromagnetic-long range, depends on metalsubstrate properties (surface plasmonsare involved)–coinmetals –Au, Ag, Cu  chemical-local, molecular structure plays an important role (formation of surface complex) 84 SERS - historie  Významným mezníkem k využití kombinačního rozptylu byl objev povrchově zesíleného Ramanova rozptylu uskutečněný roku 1977 dvěma skupinami výzkumníků nezávisle na sobě. Historicky první SERS – povrchem zesílený Ramanův rozptyl (Surface Enhanced Raman Scattering) pyridinu adsorbovaného na povrch elektrochemicky zdrsnělého stříbra byl naměřen již v roce 1974, ale nebyl správně interpretován. Obě skupiny zároveň navrhly dvě primární teorie SERS, uznávané dodnes: elektromagnetickou, založenou na excitaci plazmonů vázaných na povrch, zatímco chemická teorie je založena na tvorbě komplexů s přenosem náboje.  Nejčastěji užívanými materiály pro SERS jsou zlato a stříbro s povrchem s nerovnostmi alespoň o řád menšími než je vlnová délka dopadajícího světla. Rezonanční frekvence těchto materiálů spadají do oblasti viditelného světla a blízkého infračerveného záření. Zesílení kombinačního rozptylu při plošném substrátu se pohybuje v rozsahu 103÷106. 85 SERS na nanohvězdičkách  Vypočtené hodnoty zesílení a účinného průřezu pro hypotetickou nanohvězdičku se dvěma hroty.  Zdroj: P. S. Kumar et al; Nanotechnology 19 (2008). 86 Nanohvězdičky Obrázek nanohvězdičky v transmisním rastrovém elektronovém mikroskopuTEM –Transmisní Elektronová Mikroskopie, vytváření obrazu tenkého předmětu průchodem energetických elektronů. Obraz tvořený prošlými elektrony je následně zvětšen a zaostřen elektronovou optikou a na stínítku převeden na viditelné záření, které je většinou dále zaznamenáváno CCD kamerou. Jinou technikou je SEM, při které se obraz vytváří z odražených elektronů. Je doplněn snímkem jediné zlaté nanohvězdy pomocí mikroskopie na atomových silách AFM – Atomic Force Microscope, mikroskop atomárních sil. Zařízení skenuje povrch materiálu pomocí hrotu zavěšeného na pružném výkyvném raménku. Hrot je přitahován elektrostatickými a van derWaalsovými silami. Výkyvy raménka nad povrchem jsou sledovány laserem. Mikroskop je tak citlivý, že může sledovat elektronové orbitaly molekul materiálu. AFM mikroskop byl vynalezen v roce 1986 G. Binnigem, C. Quatem a C. Gerberem. (vlevo dole) a fázovým portrétem nanohvězdičky pomocí mikroskopie na elektrostatických silách (vpravo dole, bílá místa ukazují oblasti s kumulací náboje na ostrých vrcholech hvězdičky. Zdroj: Nanotechweb. 87 Izolované nanohvězdičky Zdroj: NIST 88 Nanohvězdičky pronikají do živé buňky  Videoklip ukazuje pohyb jednotlivých nanohvězdiček navázaných na molekuly bílkoviny EGFR (Receptor epidermálního růstového faktoru) v živé lidské buňce vypěstované ze zhoubného nádoru děložního čípku. Povšimněte si nenavázaných nanočástic rychle se pohybujících přes zorné pole. Navázané nanočástice se pohybují pomalu, směrem k buněčnému jádru.  Zdroj:Aaron et al.: Opt. Express 16/3 (2008). 89 Hrotem zesílená Ramanova spektroskopie (Tip Enhanced Raman Spectroscopy) Řez oblastí TER(S) (A = IRT/IR0) λ = 541 nm, dT-S = 4 nm Od nanočásticové plasmonové resonance (SE) k hrotovému zesílení (TE) P. Hewageegana, M. I. Stockman: Plasmonics enhancing nanoantennas Infrared Physics & Technology 50 (2007) 177– 181 90 TERS instrumentace Zdroj: He-Ne laser (632.8 nm) ~0.3 mW na vzorku 91 Příklad použití TERS Monovrstva barviva adsorbovaného na Au filmu, STM Ag-hrot G. Picardi, K. Domke, D.Zhang, B. Ren, J. Steidtner B. Pettinger, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft 92 Instrumentace-integrované AFM + TERS 93 Instrumentace - integrované AFM + TERS dva optické porty 94 Kombinace – AFM, Raman nanomapování Paralelní obrazy křemíkového polovodiče AFM obraz –9 x 7 μm Obraz Ramanovy intensity–520 cm-1, stejná oblast 95 Aplikace  podle typu zkoumaného materiálu  anorganický  organický  geologický  biologický …  podle vhodné instrumentace  disperzní vs. FT  makro x mikrox nano  podle způsobu vyhodnocování dat  knihovny spekter, „luštění“, chemometrika… 96 Studované materiály  VZORKY – pevné látky, kapaliny, fázové rozhraní  příklady  anorganické -korozní vrstvy,povrchy pevných disků, křemík, amorfní uhlík, diamanty  organické -supramolekulární systémy, kontaminanty v životním prostředí  polymery -fotolabilní materiály  biologické-in vitro, in vivo  geologické -minerály, horniny  archeologické -od paleolitu po novověk 97 Terénní měření Seleničitan sodný Kyselina pikrová 98 Terénní měření 99 Přenosný dispersní Ramanův spektrometr – AHURA Život na Marsu? 100 Metodická příprava  vývoj spektrometru MaRS (microscope and Raman spectrometer)  miniaturní, lehký, a přitom robustní  prototyp -Montana State University D.L. Dickensheets, D.D.Wynn-Williams, H.G.M. Edwards, C. Schoen, C. Crowder, E.M. Newton, Journal of Raman Spectroscopy31(2000) 633.