Biofysische Scheikunde
Hoofdstuk 1: Principes van de spectroscopie
Men maakt gebruik van spectroscopische methodes om biologische processen op atomair
niveau te verklaren. De spectroscopie is de studie van de interactie van EM golven met materie.
Men onderscheidt 3 typen:
- Absorptie: de fractie straling die getransmitteerd wordt door het staal wordt gemeten
+ metingen worden uitgevoerd met straling bij verschillende golflengtes => absorptie
spectrum.
- Secundaire effecten na absorptie (= fluorescentie en fosforescentie). Deze effecten
zijn ten gevolge van de opname van energie van het staal bij blootstelling aan EM
straling = excitatie => emissie metingen.
- Verstrooiing: hierbij wordt de afbuiging van de straling door de interactie met het staal
gemeten. Analoog aan het menselijk oog.
Verstrooiing
Verstrooiing van EM straling levert een globaal zicht + een idee van de grootteorde van EM
straling op. Echter is hierbij meestal een beperkte resonantie aan gelinkt, die niet groter is als
de gyratiestraal ~ weergeeft enkel de grootteorde van het molecule weer. Bovendien is het een
statisch beeld doordat het weinig/geen tijdsresolutie heeft.
Een uitzondering op de beperkte resolutie is X-stralen diffractie door kristallen. Deze methode
levert wel een gedetailleerd globaal beeld dat uitgemiddeld is over een groot aantal moleculen.
Echter is dit nog altijd een statisch beeld of soms snapshots. Het nadeel van deze methode is
dat de metingen in vaste stof moeten plaatgrijpen, wat meestal niet de meest voor de hand
liggende toestand is bij het bestuderen van macromoleculen.
Absorptie + secundaire effecten
Absorptie metingen leveren aan de andere kant wel zeer gedetailleerde beelden op, maar geen
globaal overzicht. Doordat dit soort metingen rap gebeurt kunnen deze wel tijds-geresolveerd
plaatsgrijpen. Vloeistofmetingen zijn mogelijk, maar beperken de resolutie. Dit type metingen
laat toe de individuele moleculen te analyseren.
Een uitzondering op het globaal overzicht is bij NMR spectroscopie dat ook een absorptie
methode is dat gebruik maakt van een statisch magnetisch veld + radio of microgolven stuurt
op het analyt en spinflips veroorzaakt.
1
,Absorptie Spectroscopie
Absorptie metingen zijn altijd gelinkt aan energetische transities in een molecule. De
voorwaarde hiervoor is dat de invallende EM golf dezelfde frequentie heeft als het
energieverschil tussen beide energetische toestanden.
E = hv
Vb. H2O
De energie om een watermolecule te vormen (= vorming van 10 elektronen, 10 protonen en 6
neutronen) bedraagt 1010 eV => E = mc2. De bindingsenergie van water is negatief wat aantoont
dat dit spontaan zal plaatsgrijpen.
De zero-point vibrationeel energy (ZPVE) is de minimale vibrationele energie dat atomen in
een gebonden toestand bezitten. Atomen die geïsoleerd zijn hebben een ZPVE = 0 eV. De
ionisatie energie is de vereiste energie voor het onttrekken van een elektron. De eerste IE is
kleiner als de 2e.
Andere elektronische transities kunnen verkregen worden door gebruik te maken van
verschillende EM golflengtes doordat deze verschillende frequenties bezitten en dus
verschillende energiegaps zullen overbruggen. Zo zal een kleine energie gap eerder straling
met een grote golflengte absorberen.
NMR gebruikt radio of microgolven die kleine energetische transities veroorzaken => spinflip
(enkel in aanwezigheid van een extern magnetisch veld, anders zijn up en down op gelijke
hoogte in het energiespectrum en is er geen transitie mogelijk).
De rotationele en vibrationele bewegingen van atomen ten opzichte van elkaar worden
bestudeerd bij IR straling.
UV en VIS veroorzaken elektronische transities in bindingen. Π-bindingen zullen makkelijker
een elektron naar het anti-bindend orbitaal overbrengen omdat deze π* orbitalen lager liggen
als de 𝜎* orbitalen.
Ook X-stralen veroorzaken elektronische transities.
Klassiek mechanische beschrijving van absorptie en dispersie
Absorptie vindt enkel plaats indien de energie overeenkomend met de golflengte van de EM
straling juist gelijk is aan de energietransitie in het systeem. Indien E ≠ hv grijpt er geen
absorptie plaats, maar kan het sample nog altijd interageren met de straling via verstrooiing of
brekingsindex.
Het beschrijven van de absorptie gebeurt met behulp van het harmonisch oscillator model.
Hiervoor zegt men dat een kracht zal inwerken op het systeem en een trilling van een massa
rond een evenwichtspunt zal veroorzaken en het systeem dus uit evenwicht zal brengen.
Rotationele en vibrationele bewegingen zijn trillingen rond een evenwichtspunt, maar ook
elektrische transities kunnen als dergelijke beschouwd worden omdat de elektronen continu
geëxciteerd en gerelaxeerd worden indien de lichtbundel continu aanstaat.
2
,Men beschouwt het systeem waarin een gewicht aan veer hangt en er een oscillerende
drijfkracht inwerkt. 2 soort metingen kunnen worden uitgevoerd:
- Steady state response ~ reactie op de invallende EM straling => frequentie bepalen
- Relaxatie ~ terugval van de aangeslagen toestand => tijdsbepaling
Beide situaties zijn verbonden aan elkaar (f = 1/T) en de overgang is mogelijk via Fourrier
transformaties. Echter is de meting van 1 van beiden genoeg.
Klassieke beweging vergelijking: F = -K.x (Wet van Hooke)
met x de afstand tot de evenwichtspositie
𝑑2 𝑥
F = m. 𝑑𝑡 2
De oplossing van de klassieke harmonische bewegingsvergelijking is: x = x0 cos (𝜔0 t), waarbij
𝜔0 de eigenfrequentie.
De invoer van de lichtbundel => oscillerende kracht gegeven door: F0 cos (𝜔 t), waarbij 𝜔 de
frequentie van de EM straling is die we variëren bij de metingen. Het inwerken van deze kracht
zou moeten leiden tot het steeds heviger oscilleren omdat er meer en meer energie aan het
systeem wordt toegevoegd.
Echter wordt dit voorkomen door gebruik te maken van een wrijving die de oscillatie dempt
en het systeem naar een steady state terugbrengt, zodanig dat de frequentie kan gemeten
𝑑𝑥
worden. De wrijving wordt gegeven door: f. 𝑑𝑡 en is afkomstig van de omgeving van het
beschouwde elektron.
De totale beweging vergelijking is dan:
𝑑2 𝑥 𝑑𝑥
F = m. 𝑑𝑡 2 = - K.x - f. 𝑑𝑡 + F0 cos (𝜔 t)
Het gewichtje oscilleert met een frequentie 𝜔 die verschillend is van de eigenfrequentie 𝜔0,
waardoor men een uit-fase respons verwacht. Deze respons kan beschouwd worden als de som
van 2 harmonische oscillatoren, waarin 1 deel in fase is en 1 deel dat 90° uit fase is.
3
, Deze opsplitsing zal
resulteren in het toevoegen van een sinus en cosinus term bij x.
Het uitvoeren van een spectroscopisch absorptie experiment gebeurt door:
- Intensiteit lichtbundel constant + varieer de golflengte
- Meet hoeveelheid fotonen die geabsorbeerd worden in functie van de golflengte
De rechter grafiek het gedeelte van de response dat 90° uit fase is met als aandrijfkracht de
absorptie. Absorptie van een eenvoudig molecule grijpt plaats met de grootste
waarschijnlijkheid wanneer 𝜔0 = 𝜔 (=> resonantiefrequentie).
De linker grafiek is het gedeelte van de respons in fase met als aandrijfkracht de dispersie ~
brekingsindex. De linker grafiek is de afgeleide van de rechter, en doordat beiden verbonden
zijn volstaat het enkel absorptie metingen uit te voeren.
4
Hoofdstuk 1: Principes van de spectroscopie
Men maakt gebruik van spectroscopische methodes om biologische processen op atomair
niveau te verklaren. De spectroscopie is de studie van de interactie van EM golven met materie.
Men onderscheidt 3 typen:
- Absorptie: de fractie straling die getransmitteerd wordt door het staal wordt gemeten
+ metingen worden uitgevoerd met straling bij verschillende golflengtes => absorptie
spectrum.
- Secundaire effecten na absorptie (= fluorescentie en fosforescentie). Deze effecten
zijn ten gevolge van de opname van energie van het staal bij blootstelling aan EM
straling = excitatie => emissie metingen.
- Verstrooiing: hierbij wordt de afbuiging van de straling door de interactie met het staal
gemeten. Analoog aan het menselijk oog.
Verstrooiing
Verstrooiing van EM straling levert een globaal zicht + een idee van de grootteorde van EM
straling op. Echter is hierbij meestal een beperkte resonantie aan gelinkt, die niet groter is als
de gyratiestraal ~ weergeeft enkel de grootteorde van het molecule weer. Bovendien is het een
statisch beeld doordat het weinig/geen tijdsresolutie heeft.
Een uitzondering op de beperkte resolutie is X-stralen diffractie door kristallen. Deze methode
levert wel een gedetailleerd globaal beeld dat uitgemiddeld is over een groot aantal moleculen.
Echter is dit nog altijd een statisch beeld of soms snapshots. Het nadeel van deze methode is
dat de metingen in vaste stof moeten plaatgrijpen, wat meestal niet de meest voor de hand
liggende toestand is bij het bestuderen van macromoleculen.
Absorptie + secundaire effecten
Absorptie metingen leveren aan de andere kant wel zeer gedetailleerde beelden op, maar geen
globaal overzicht. Doordat dit soort metingen rap gebeurt kunnen deze wel tijds-geresolveerd
plaatsgrijpen. Vloeistofmetingen zijn mogelijk, maar beperken de resolutie. Dit type metingen
laat toe de individuele moleculen te analyseren.
Een uitzondering op het globaal overzicht is bij NMR spectroscopie dat ook een absorptie
methode is dat gebruik maakt van een statisch magnetisch veld + radio of microgolven stuurt
op het analyt en spinflips veroorzaakt.
1
,Absorptie Spectroscopie
Absorptie metingen zijn altijd gelinkt aan energetische transities in een molecule. De
voorwaarde hiervoor is dat de invallende EM golf dezelfde frequentie heeft als het
energieverschil tussen beide energetische toestanden.
E = hv
Vb. H2O
De energie om een watermolecule te vormen (= vorming van 10 elektronen, 10 protonen en 6
neutronen) bedraagt 1010 eV => E = mc2. De bindingsenergie van water is negatief wat aantoont
dat dit spontaan zal plaatsgrijpen.
De zero-point vibrationeel energy (ZPVE) is de minimale vibrationele energie dat atomen in
een gebonden toestand bezitten. Atomen die geïsoleerd zijn hebben een ZPVE = 0 eV. De
ionisatie energie is de vereiste energie voor het onttrekken van een elektron. De eerste IE is
kleiner als de 2e.
Andere elektronische transities kunnen verkregen worden door gebruik te maken van
verschillende EM golflengtes doordat deze verschillende frequenties bezitten en dus
verschillende energiegaps zullen overbruggen. Zo zal een kleine energie gap eerder straling
met een grote golflengte absorberen.
NMR gebruikt radio of microgolven die kleine energetische transities veroorzaken => spinflip
(enkel in aanwezigheid van een extern magnetisch veld, anders zijn up en down op gelijke
hoogte in het energiespectrum en is er geen transitie mogelijk).
De rotationele en vibrationele bewegingen van atomen ten opzichte van elkaar worden
bestudeerd bij IR straling.
UV en VIS veroorzaken elektronische transities in bindingen. Π-bindingen zullen makkelijker
een elektron naar het anti-bindend orbitaal overbrengen omdat deze π* orbitalen lager liggen
als de 𝜎* orbitalen.
Ook X-stralen veroorzaken elektronische transities.
Klassiek mechanische beschrijving van absorptie en dispersie
Absorptie vindt enkel plaats indien de energie overeenkomend met de golflengte van de EM
straling juist gelijk is aan de energietransitie in het systeem. Indien E ≠ hv grijpt er geen
absorptie plaats, maar kan het sample nog altijd interageren met de straling via verstrooiing of
brekingsindex.
Het beschrijven van de absorptie gebeurt met behulp van het harmonisch oscillator model.
Hiervoor zegt men dat een kracht zal inwerken op het systeem en een trilling van een massa
rond een evenwichtspunt zal veroorzaken en het systeem dus uit evenwicht zal brengen.
Rotationele en vibrationele bewegingen zijn trillingen rond een evenwichtspunt, maar ook
elektrische transities kunnen als dergelijke beschouwd worden omdat de elektronen continu
geëxciteerd en gerelaxeerd worden indien de lichtbundel continu aanstaat.
2
,Men beschouwt het systeem waarin een gewicht aan veer hangt en er een oscillerende
drijfkracht inwerkt. 2 soort metingen kunnen worden uitgevoerd:
- Steady state response ~ reactie op de invallende EM straling => frequentie bepalen
- Relaxatie ~ terugval van de aangeslagen toestand => tijdsbepaling
Beide situaties zijn verbonden aan elkaar (f = 1/T) en de overgang is mogelijk via Fourrier
transformaties. Echter is de meting van 1 van beiden genoeg.
Klassieke beweging vergelijking: F = -K.x (Wet van Hooke)
met x de afstand tot de evenwichtspositie
𝑑2 𝑥
F = m. 𝑑𝑡 2
De oplossing van de klassieke harmonische bewegingsvergelijking is: x = x0 cos (𝜔0 t), waarbij
𝜔0 de eigenfrequentie.
De invoer van de lichtbundel => oscillerende kracht gegeven door: F0 cos (𝜔 t), waarbij 𝜔 de
frequentie van de EM straling is die we variëren bij de metingen. Het inwerken van deze kracht
zou moeten leiden tot het steeds heviger oscilleren omdat er meer en meer energie aan het
systeem wordt toegevoegd.
Echter wordt dit voorkomen door gebruik te maken van een wrijving die de oscillatie dempt
en het systeem naar een steady state terugbrengt, zodanig dat de frequentie kan gemeten
𝑑𝑥
worden. De wrijving wordt gegeven door: f. 𝑑𝑡 en is afkomstig van de omgeving van het
beschouwde elektron.
De totale beweging vergelijking is dan:
𝑑2 𝑥 𝑑𝑥
F = m. 𝑑𝑡 2 = - K.x - f. 𝑑𝑡 + F0 cos (𝜔 t)
Het gewichtje oscilleert met een frequentie 𝜔 die verschillend is van de eigenfrequentie 𝜔0,
waardoor men een uit-fase respons verwacht. Deze respons kan beschouwd worden als de som
van 2 harmonische oscillatoren, waarin 1 deel in fase is en 1 deel dat 90° uit fase is.
3
, Deze opsplitsing zal
resulteren in het toevoegen van een sinus en cosinus term bij x.
Het uitvoeren van een spectroscopisch absorptie experiment gebeurt door:
- Intensiteit lichtbundel constant + varieer de golflengte
- Meet hoeveelheid fotonen die geabsorbeerd worden in functie van de golflengte
De rechter grafiek het gedeelte van de response dat 90° uit fase is met als aandrijfkracht de
absorptie. Absorptie van een eenvoudig molecule grijpt plaats met de grootste
waarschijnlijkheid wanneer 𝜔0 = 𝜔 (=> resonantiefrequentie).
De linker grafiek is het gedeelte van de respons in fase met als aandrijfkracht de dispersie ~
brekingsindex. De linker grafiek is de afgeleide van de rechter, en doordat beiden verbonden
zijn volstaat het enkel absorptie metingen uit te voeren.
4
