LA RADIAZIONE INFRAROSSA DI SINCROTRONE Massimo Piccinini LNF- INFN Incontri di Fisica Frascati, 4-6 ottobre 2005 •La spettroscopia IR che informazioni può dare? •La tecnica sperimentale •La luce di sincrotrone •La linea di luce di sincrotrone SINBAD •Alcune applicazioni della spettroscopia IR La parte infrarossa dello spettro elettromagnetico Unità di misura : cm-1 1 eV ~ 8065 cm-1 1 THz ~ 33 cm-1 Lontano IR: 5-500 cm-1 Medio IR: 500-5000 cm-1 Vicino IR: 5000-15000 cm-1 da 1 meV a 1 eV Quando un fascio di radiazione elettromagnetica di intensità Io passa attraverso un materiale, può essere assorbito o trasmesso*, a seconda della frequenza della radiazione e delle proprietà fisiche delle molecole che incontra: I0 Assorbimento I=I0 e-ax Trasmissione x a coeff. di assorbimento Assorbimento Quando una molecola assorbe energia avviene una transizione dal suo stato iniziale (Einiziale) ad uno finale (Efinale). La frequenza della radiazione assorbita è legata all’energia della transizione dalla legge di Planck: Efinale - Einiziale = hn = hc/l . Dunque, se la frequenza della radiazione incidente soddisfa questa legge per una coppia di stati iniziale e finale la radiazione viene assorbita, altrimenti trasmessa. * Per la riflessione si vedano diapositive successive Quali informazioni si ottengono dalla spettroscopia infrarossa? • Gli assorbimenti di una molecola avvengono a frequenze IR: rotazioni, vibrazioni. • Analisi chimiche: gli assorbimenti a frequenze caratteristiche per ogni molecola sono le “impronte digitali” delle molecole stesse. • Proprietà elettroniche: band gap dei superconduttori; metalli, isolanti, semiconduttori. • Possibilità di studiare le proprietà ottiche di un sistema in funzione di altre variabili (temperatura, pressione, campi magnetici). Analisi non distruttive Ogni molecola formata da N atomi ha 3N gradi di libertà: 3 g.d.l. traslazionali Etrasl = mv2/2= mvx2/2+ mvy2/2+ mvz2/2 3 g.d.l. rotazionali Erot = Iw2/2= Iwx2/2+ Iwy2/2+ Iwz2/2 ( per le molecole lineari I=0 per la rotazione attorno all’asse principale, dunque i gdl sono 2) (3N – 6) g.d.l. vibrazionali H2O (3N – 5 per le molecole lineari) stretching bending Un modo è attivo nell’IR se ad esso è associata una variazione del momento di dipolo della molecola La molecola di CO2 Momento di dipolo 0 attiva nell’IR Momento di dipolo 0 attiva nell’IR Momento di dipolo = 0 non attiva nell’IR Spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FT-IR) Albert Michelson (1852-1931) Edward Morley (1838-1923) Il primo interferometro fu usato nel 1881 da Michelson e Morley per dimostrare l’esistenza dell'etere, sfruttando il fenomeno dell’interferenza tra due fasci di luce che percorrono cammini ottici diversi. Come funziona un interferometro sorgente I ( x) S (n ) cos(2xn )dn detector Onda monocromatica Onda non monocromatica x= nl/2 n 0,2,4... x= nl/2 n= 1,3,5... I ( x) S (n ) cos(2nx) 1 I ( ) I 1 cos2 0 d 2 La trasformata di Fourier La grandezza misurata dal rivelatore è I(x). Per ottenere lo spettro S(n) se ne calcola la trasformata di Fourier S (n ) I ( x) cos(2xn )dx I ( x) S (n ) cos(2xn )dn L’interferometro della linea SINBAD: Bruker Equinox 55 Sorgenti convenzionali SR Ricapitolando... - L’interferometro (A) produce un interferogramma I(x). - L’interferogramma (B) viene campionato dalle frange del laser (C). - Il computer calcola la trasformata di Fourier dell’interferogramma per ottenere lo spettro. - Si acquisisce uno spettro sul campione (A), poi uno sul riferimento (B) e si calcola la trasmissione (C) T=I/I0 Detectors IR La microscopia IR Il primo microscopio IR (Perkin Elmer) Un moderno microscopio IR: Bruker Hyperion 3000 La risoluzione massima è legata al limite di diffrazione L’immagine di una sorgente puntiforme di lunghezza d’onda l ha un diametro d = 1.22 l /(NAobbiettivo + NAcondensatore) dove NA è l’apertura numerica (si assume n=1 per l’aria). In pratica d~ l. Per la regione dell’ IR in cui si osservano le “impronte digitali” di una molecola, l ~ 5 dunque la risoluzione spaziale del microscopio è ~ 5 LA RADIAZIONE INFRAROSSA DI SINCROTRONE Le sorgenti di radiazione IR • Sorgenti Convenzionali: • Corpo nero (lampade alogene, Globar, lampade Hg) • • • • • Sincrotrone (a banda larga): Magnete curvante (guadagno in brillanza 102) Ondulatore (5-10) Emissione da edge (103) Bunch-Coherence (108 : solo nel lontanissimo IR THz) • Sincrotrone o LINAC: • Free Electron Laser (guadagno in brillanza 108 ) InfraRed Synchrotron Radiation - cronologia 1976 Prima osservazione di IRSR (Stevenson, Lagarde) 1985 Primo spettro IRSR (Berlin) 1985 Prima beamline a UVSOR (Giappone) 1987 Beamline con utenti a (Brookhaven) 1995 Primo workshop internazionale su IRSR (Roma). 1995 Osservazione di emissione da bordo magnete (Madison). 2001 Prima beamline che sfrutta emissione da bordo magnete (Karlsruhe) 2002 Emissione coerente nel THz da bunches (Berlin) Quale funziona meglio? Sorgente termica convenzionale Sorgente di sincrotrone Radiazione attraverso un pinhole da 10 µm (microscopio) Guadagno in intensità della IRSR rispetto ad un corpo nero L’emissione di radiazione IR da magnete curvante Brillanza Polarizzazione Struttura temporale Emissione dal centro del magnete curvante B = const Angolo di apertura: ~ (l )1 3 (l lc ) E = 2.5 GeV B = 1.56 T ( 5.3 m) I = 500 mA r 0.7 m ax = 40 mm (~57 mr) ay = 32 mm (~45 mr) Distribuzione di intensità Flusso che attraversa un’apertura rettangolare Emissione dal bordo del magnete curvante Magnetic Field [T] 1.5 1.0 0.5 0.0 1.0m 0.5 0.0 -0.5 -1.0 Position on particle trajectory [m] 40 150 100 0 -20 50 2.0 0 -20 1.5 -40mm 9 9 -40mm 20 y [mm] 20 2.5 0 -40mm -20 0 20 x [mm] 40 Photons/s/.1%bw/mm^2 x10 Photons/s/.1%bw/mm^2 x10 40 y [mm] Emissione dal centro del magnete curvante -40mm -20 0 20 x [mm] 40 1000 µm Photons/s/mm 2/mrad2 /0.1%bw wavelength (µm) 10 16 10 14 12398 124 1.24 0.012 0.00012 ESRF SLS ALS 10 12 10 10 Elettra 10 8 10 DA FNE 6 Blackbody (1200°K) 10 4 10 2 10 -4 10 -2 10 0 10 2 10 4 Photon energy (eV) 5000 eV 10 6 La struttura temporale La struttura pulsata della radiazione IR di sincrotrone rappresenta uno strumento di analisi estremamente potente per investigare fenomeni che dipendono dal tempo su scale molto piccole (nanosecondi). La spettroscopia risolta in tempo può essere, per ora, applicata nella regione del medio IR, dove sono disponibili detectors veloci. STEP scan vs. RAPID scan La sequenza temporale dei bunches di DAFNE Struttura della sorgente ottenuta osservando l’immagine IR alla fine della linea con un rivelatore IR (ottimizato per l= 10.6 m) posto all’ ingresso dell’inteferometro COME E’ FATTA UNA BEAMLINE PER L’INFRAROSSO 60x60 mrad - M2 ellissoide Propagazione di un fronte d’onda Apertur e 45 mr H x 15 mr V M1 M2 Flat Be Toroid Rt3.3 m, Rs1.65 m fxfz1.167 m W1 Diamond D = 20 mm M3 Toroid Rt3.3 m, Rs1.65 m fxfz1.167 m BM 2.166 m 0.98 m Flux at 10 m Wavelength: 4.08 x 1013 Photons/s/0.1%bw 0.35 m 1.75 m ~4.2 m Intensity Distributions at 10 m Wavelength Assumption of perfect alignment of all mirrors Optical scheme: Y.-L.Mathis, F. Polack, H. Mozer LA LINEA IRSR SINBAD @ DAFNE Interferometer SR Microscope Chamber of the thoroid SORGENTI IRSR NEL MONDO ED IN ITALIA Numero di beamlines IR nel mondo Beamlines IR in Europa DAFNE (LNF – INFN) e+ e- collider Alta corrente: I > 1 A Bassa energia: E= 0.51 GeV Ampio range spettrale NIR – MIR - FIR Brillanza Segnale intenso – alto rapporto segnale/rumore Alta risoluzione (Diffraction Limited) Sorgente puntiforme – massima risoluzione spaziale Emissione impulsata Bunches di elettroni – esperimenti risolti in tempo (ns) Polarizzazione Polarizzazione lineare e circolare IR La hall di DAFNE e il front-end della linea Lo schema ottico della linea SINBAD SR SOURCE Specchio di estrazione: 17 mrad (H) x 45 mrad (V) Spot Size : NIR (1x1.5) mm2 Microscopio Bruker IRscope I - Risoluzione spaziale: ~10 m - in ambiente di azoto - MIR range (500-8000 cm-1) •Interferometro Bruker Equinox 55 - Modificato per lavorare in alto vuoto (10-3 mbar) - Intervallo spettrale: 20-15000 cm-1 - Risoluzione: 0.5 cm-1 •Apparati criogenici -T= 6 - 300 K -T= 90 – 540 K •Bolometro 4.2 K e 1.6 K Brillanza della sorgente: Confronto tra SR e corpo nero Guadagno di SINBAD rispetto alle sorgenti convenzionali: Experimental values Theory 2 10 8 6 l00m I SR / I BB 4 2 1 8 6 l2m 4 2 0.1 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Pinhole diameter (mm) l=2 m Globar l =100 m Hg lamp Theory: A. Marcelli et al. 1998, Nuovo Cimento 20, 463 APPLICAZIONI DELLA LUCE DI SINCROTRONE IR Riflettività di micro-cristalli nel lontano IR Riflettività di micro-cristalli nel lontano IR assorbimento IR da cariche libere + stati legati nel Bi2Sr2CuO6 con Tc = 20 K (Lupi et al., PRB 2000) Microscopia IR Adjustable aperture Sample visualisation Synchrotron beam Schwarzschild Objectives X-Y microstages Adjustable aperture Interferometer White light IR detector Simulazione del flusso di fotoni attraverso un microscopio IR al massimo della risoluzione spaziale Globar Flux Flux sync 100 bb Sincrotrone Rapporto S/N (Dumas, LURE) Microspettroscopia Infrarossa Spot: 10 m, Ris. 8 cm-1 Acquisizione: 8 min. La scala dei 10 m: •Inclusioni nei minerali •Pollini •Biomasse •Linfociti •Cellule ematiche •Virus SINBAD spot I n t e n s i t y Analisi non distruttive di tessuti e cellule Mapping delle specie chimiche nei sistemi biologici con analisi non distruttive Variazioni conformazionali in aggregati proteici subcellulari. Spettroscopia single-cell e imaging delle componenti durante il ciclo cellulare Adapted from N.Jamin, P.Dumas, J.Moncuit, W-H.Fridman, J-L.Teillaud, G.L.Carr, G.P.Williams Proc.Natl.Acad.USA 95, 4837-4840 (1998) Caratterizzazione di complessi DNA-lipidi su supporto solido Prof. A. Congiu – Università di Roma “La Sapienza” Membrane di lipidi condensano spontaneamente il DNA sulla loro superficie per attrazione elettrostatica. Queste strutture agiscono come mezzi per portare il DNA nelle cellule. La struttura delle catene di lipidi è influenzata dall’interazione con il DNA. Variata la concentrazione DNA-lipidi per studiare l’interazione reciproca Luce polarizzata per studiare l’orientazione preferenziale del DNA rispetto alla catena di lipidi Cellule umane: cancro della prostata Prof. W. Kwiatek – Università di Cracovia Sezione sottile di cellule umane di prostata Mapping con pin-hole da 20 micron di diametro Deposizione in situ di film mesoporosi Prof. P. Innocenzi – Università di Sassari • Film di SiO2 autoassemblanti mesoporosi prodotti per evaporazione del solvente (etanolo). • Pori di diametro 2 – 50 nm (alto ordine su volumi di cm x cm x m). H2O content / a.u. 6 (a) 14 13 5 12 11 10 4 3 9 • Monitoraggio della formazione del film (picco della SiO2 a 1100 cm-1) 8 7 3 sec 6 5 0 5 10 15 20 25 Time / sec 2 0 24 sec 6 5 4 3 H2O content / a. u. Absorbance 1 30 (b) 25 • Monitoraggio dell’evaporazione del solvente (picchi dell’etanolo a 1044 e 1095 cm-1) 20 15 10 15 sec 5 0 5 10 15 20 25 • Monitoraggio del contenuto d’acqua con il picco a 1610 cm-1, indice della formazione del film. 30 Time / sec. 2 1 0 27 sec 1200 1100 -1 Wavenumber / cm 1000 Lapis Lacedaemonius Master INFN-Roma Tre, Dr. Konstantina Kostourou Marmo verde decorativo • Caratterizzazione del marmo • Caratterizzazione delle inclusioni di quarzo • Cura e restauro • Interesse mineralogico 500 m Sezioni sottili: spessore ~30 m • Mapping delle inclusioni di quarzo (su aree di diametro 20 m) • Distribuzione del contenuto d’acqua nelle inclusioni dal centro verso i bordi.
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