LA RADIAZIONE INFRAROSSA DI SINCROTRONELA RADIAZIONE INFRAROSSA DI SINCROTRONE

Massimo PiccininiLNF- INFN

Incontri di FisicaFrascati, 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

Unità di misura : cm-1 1 eV ~ 8065 cm-1

1 THz ~ 33 cm-1

La parte infrarossa dello spettro elettromagnetico

Lontano IR: 5-500 cm-1 Medio IR: 500-5000 cm-1 da 1 meV a 1 eV Vicino IR: 5000-15000 cm-1

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:

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 = h = hc/ .

Dunque, se la frequenza della radiazione incidente soddisfa questa legge per una coppia di stati iniziale e finale la radiazione viene assorbita, altrimenti trasmessa.

Assorbimento

Trasmissione

Assorbimento

I0

I=I0 e-x

coeff. di assorbimentox

* Per la riflessione si vedano diapositive successive

• 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

Quali informazioni si ottengono dalla spettroscopia infrarossa?Quali informazioni si ottengono dalla spettroscopia infrarossa?

Ogni molecola formata da N atomi ha 3N gradi di libertà:

3 g.d.l. traslazionali Etrasl = mv2/2= mvx2/2+ mvy

2/2+ mvz2/2

3 g.d.l. rotazionali Erot = I2/2= Ix2/2+ Iy

2/2+ Iz2/2

(3N – 6) g.d.l. vibrazionali

( per le molecole lineari I=0 per la rotazione attorno all’asse principale, dunque i gdl sono 2)

(3N – 5 per le molecole lineari)bendingstretching

H2O

Un modo è attivo nell’IR se ad esso è associata una variazionedel momento di dipolo della molecola

La molecola di COLa molecola di CO22

Momento di dipolo = 0 non attiva nell’IR

Momento di dipolo 0 attiva nell’IR

Momento di dipolo 0 attiva nell’IR

Spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FT-IR)Spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FT-IR)

Albert Michelson (1852-1931)

Il primo interferometro fu usato nel 1881 da Michelson e Morleyper dimostrare l’esistenza dell'etere, sfruttando il fenomeno dell’interferenza tra due fasci di luce che percorrono cammini ottici diversi.

Edward Morley (1838-1923)

Onda monocromatica Onda non monocromatica

dII

1

2

02cos1)(

Come funziona un interferometro

x= nn

x= nn= 1,3,5...

)2cos()()( xSxI

sorgente

detector

dxSxI )2cos()()(

La trasformata di Fourier

dxSxI )2cos()()(

dxxxIS )2cos()()(

La grandezza misurata dalrivelatore è I(x).Per ottenere lo spettro S()se ne calcola la trasformata di Fourier

SR

L’interferometro della linea SINBAD: Bruker Equinox 55

Sorgenti convenzionali

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 IRDetectors IR

La microscopia IRLa 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 ha un diametro d = 1.22 /(NAobbiettivo + NAcondensatore)

dove NA è l’apertura numerica (si assume n=1 per l’aria).

In pratica d~ Per la regione dell’ IR in cui si osservano le “impronte digitali”

di una molecola, ~ 5dunque la risoluzione spaziale del microscopio è ~ 5

LA RADIAZIONE INFRAROSSALA RADIAZIONE INFRAROSSADI SINCROTRONEDI SINCROTRONE

Le sorgenti di radiazione IRLe 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 IRSRGuadagno in intensità della IRSRrispetto ad un corpo nerorispetto ad un corpo nero

L’emissione di radiazione IR L’emissione di radiazione IR da magnete curvanteda magnete curvante

BrillanzaPolarizzazione

Struttura temporale

B = const

Flusso che attraversa un’apertura Flusso che attraversa un’apertura rettangolarerettangolare

Distribuzione di intensitàDistribuzione di intensità

E = 2.5 GeVB = 1.56 T ( 5.3 m)I = 500 mA

r 0.7 max = 40 mm (~57 mr)ay = 32 mm (~45 mr)

31)(~ )( c

Angolo di aperturaAngolo di apertura::

Emissione dal centro del magnete curvanteEmissione dal centro del magnete curvante

1.5

1.0

0.5

0.0M

agne

tic

Fiel

d [T

]

1.0m 0.5 0.0 -0.5 -1.0Position on particle trajectory [m]

-40mm

-20

0

20

40

y [m

m]

-40mm -20 0 20 40x [mm]

150

100

50

0

Photons/s/.1%bw

/mm

^2 x109 -40mm

-20

0

20

40

y [m

m]

-40mm -20 0 20 40x [mm]

2.5

2.0

1.5

Photons/s/.1%bw

/mm

^2 x109

Emissione dal centro del magnete curvante

Emissione dal bordo del magnete curvante

Blackbody(1200°K)

DANE

Elettra

ALS

SLSESRF

10 -4 10 -2 100 10 2 10 4 10 610 2

10 4

10 6

10 8

10 10

10 12

10 14

10 1612398 124 1.24 0.012 0.00012

wavelength (µm)

Photon energy (eV)

Ph

oton

s/s/

mm

2 /m

rad

2 /0.

1%b

w

1000 µm

5000 eV

La struttura temporaleLa 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 DANE

Struttura della sorgente ottenuta osservando l’immagine IR alla fine della linea Struttura della sorgente ottenuta osservando l’immagine IR alla fine della linea con un rivelatore IR (ottimizato per con un rivelatore IR (ottimizato per = 10.6 = 10.6 m) posto all’ ingresso dell’inteferometrom) posto all’ ingresso dell’inteferometro

COME E’ FATTA UNA BEAMLINE PER L’INFRAROSSO

60x60 mrad - M2 ellissoide

Propagazione di un fronte d’ondaPropagazione di un fronte d’onda

Aperture45 mr H x 15 mr V

M1Flat Be

M2 ToroidRt3.3 m, Rs1.65 mfxfz1.167 m

M3 ToroidRt3.3 m, Rs1.65 mfxfz1.167 m

W1DiamondD = 20 mm

BM

2.166 m 0.98 m

0.35 m

1.75 m

Intensity Distributions at 10 m WavelengthFlux at 10 m Wavelength: 4.08 x 1013 Photons/s/0.1%bw

Assumption of perfect alignment of all mirrors

Optical scheme: Y.-L.Mathis, F. Polack, H. Mozer

~4.2 m

LA LINEA IRSR SINBAD @ DALA LINEA IRSR SINBAD @ DANENE

Interferometer

Microscope

Chamber of the thoroid

SR

SORGENTI IRSRSORGENTI IRSRNEL MONDO ED IN ITALIANEL MONDO ED IN ITALIA

Numero di beamlines IR Numero di beamlines IR nel mondo nel mondo

Beamlines IR in EuropaBeamlines IR in Europa

DANE (LNF – INFN)

IR

ee++ e e-- collider colliderAlta corrente: I > 1 A

Bassa energia: E= 0.51 GeV

Ampio range spettrale Ampio range spettrale

NIR – MIR - FIR

BrillanzaBrillanza

Segnale intenso – alto rapporto segnale/rumore

Alta risoluzione (Diffraction Limited)Alta risoluzione (Diffraction Limited)

Sorgente puntiforme – massima risoluzione spaziale

Emissione impulsataEmissione impulsata

Bunches di elettroni – esperimenti risolti in tempo (ns)

PolarizzazionePolarizzazione

Polarizzazione lineare e circolare

La hall di DALa hall di DANE e il front-end della lineaNE e il front-end della linea

Lo schema ottico della linea SINBADLo schema ottico della linea SINBAD

Specchio di estrazione:17 mrad (H) x 45 mrad (V)

SR SOURCESR SOURCE

Spot Size : NIR (1x1.5) mm2

Microscopio Bruker IRscope I

- Risoluzione spaziale: ~10m- 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:Brillanza della sorgente:Confronto tra SR e corpo neroConfronto tra SR e corpo nero

Guadagno di SINBAD rispetto alle sorgenti Guadagno di SINBAD rispetto alle sorgenti convenzionali:convenzionali:

=2 m Globar =100 m Hg lamp Theory: A. Marcelli et al. 1998, Nuovo Cimento 20, 463

0.1

2

4

6

81

2

4

6

810

2

I SR

/ I

BB

4.03.53.02.52.01.51.00.5

Pinhole diameter (mm)

Experimental values Theory

m

m

APPLICAZIONI DELLA LUCE DI SINCROTRONE IR

Riflettività di micro-cristalli nel lontano IR

assorbimento IR dacariche libere + stati

legati

nel Bi2Sr2CuO6 con Tc = 20 K (Lupi et al., PRB 2000)

Riflettività di micro-cristalli nel lontano IR

Synchrotronbeam

Interferometer

IR detector

White light

X-Y microstages

SchwarzschildObjectives

Sample visualisation

Adjustable aperture

Adjustable aperture

Microscopia IRMicroscopia IR

100bb

sync

Flux

Flux

Simulazione del flusso di fotoni attraverso un microscopio IRal massimo della risoluzione spaziale

Globar

Sincrotrone

Rapporto S/N (Dumas, LURE)

Spot: 10 m, Ris. 8 cm-1 Acquisizione: 8 min.

Microspettroscopia InfrarossaMicrospettroscopia Infrarossa

La scala dei 10 m:•Inclusioni nei minerali •Pollini•Biomasse•Linfociti•Cellule ematiche•Virus

Intensity

SINBAD spot

Analisi non distruttive di tessuti e celluleAnalisi non distruttive di tessuti e celluleMapping 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 prostataProf. 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).

1200 1100 1000

0

1

2

3

4

5

6

Ab

sorb

an

ce

Wavenumber / cm-1

0

1

2

3

4

5

6

3 sec

24 sec

0 5 10 15 20 255

6

7

8

9

10

11

12

13

14

H2O

con

tent

/ a.

u.

Time / sec

15 sec

27 sec

0 5 10 15 20 25 30

5

10

15

20

25

30

H2O

con

tent

/ a.

u.

Time / sec.

(a)

(b)

• Monitoraggio della formazione del film (picco della SiO2 a 1100 cm-1)

• Monitoraggio dell’evaporazione del solvente (picchi dell’etanolo a 1044 e 1095 cm-1)

• Monitoraggio del contenuto d’acqua con il picco a 1610 cm-1, indice della formazione del film.

Lapis LacedaemoniusMaster INFN-Roma Tre, Dr. Konstantina Kostourou

Marmo verde decorativo

• Caratterizzazione del marmo • Caratterizzazione delle inclusioni di quarzo• Cura e restauro • Interesse mineralogico

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.

500 m