D.Nikolopoulou, M.Keteoglou, P.Gkinou, Department of Molecular Biology and Genetics, Dimocritus University of Thrace, Alexandroupoli, Greece, December 2018 Physics Project on Infrared Radiation, 1st Semester, score: 2/2

1. Μοριακή Μουσική:
Οι Υπέρυθρες Συχνότητες του DNA
Τμήμα Μοριακής Βιολογίας και Γενετικής, Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης
Εργασία Φυσικής, Α’ εξάμηνο
05/12/2018
Γκίνου Πολυξένη
Κετέογλου Μακρίνα
Νικολοπούλου Δροσούλα

2. Είδη φασματοσκοπίας
● Φασματοσκοπία υπέρυθρης ακτινοβολίας(IR)
● Φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού(NMR)
● Φασματοσκοπία υπεριώδους ακτινοβολίας(UV-Vis)
● Φασματομετρία μάζας
Τι είναι η φασματοσκοπία IR;
➔ Είναι η μέθοδος που βασίζεται στην απορρόφηση υπέρυθρης
ακτινοβολίας από μόρια τα οποία διεγείρονται σε ενεργειακές
καταστάσεις δόνησης.

3. Η φασματοσκοπία IR χρησιμεύει :
Βιομηχανία
τροφίμων και
φαρμάκων:
● Μη
καταστροφικές
αναλύσεις
● Ποιοτική και
ποσοτική
ανάλυση
ενώσεων
Περιβάλλον:
● Ανάλυση
πετρελαιοειδών
● Μέτρηση αέριων
ρυπάντων
Επιστήμη:
● Ταυτοποίηση
οργανικών ενώσεων
Ακόμα και στην
καθημερινότητα:
● Ανάλυση αλκοόλ στην
αναπνοή
και σε άλλους τομείς

4. i. Το εγγύς υπέρυθρο(NIR) : 0,8-2,5 μm και αντιστοιχεί στους κυματάριθμους
13.300-4.000 cm-1
ii. Το μέσο υπέρυθρο (ΜIR) : 2,5-25 μm και αντιστοιχεί στους
κυματάριθμους 4.000-400 cm-1
iii.Το άπω υπέρυθρο (FIR) : 25-1000 μm και αντιστοιχεί στους
κυματαριθμούς 400-10 cm-1
➔ Τα μόρια απορροφούν υπέρυθρη ακτινοβολία και δονούνται χάρη στους
δεσμούς τους
➔ Τα περισσότερα μόρια απορροφούν στο μέσο υπέρυθρο
➔ Υπάρχουν μόρια που δεν απορροφούν υπέρυθρη ακτινοβολία
Περιοχή φάσματος IR

5. Γιατί απορρόφηση λόγω δεσμού;
➔ Ύπαρξη επιπλέον ενεργειακών επιπέδων (δόνησης και
περιστροφής) για κάθε ενεργειακή κατάσταση, καθώς μερικά
ηλεκτρόνια μοιράζονται μεταξύ ατόμων.
➔ Τα επιπλέον ενεργειακά επίπεδα οφείλονται στην λεπτή και
υπέρλεπτη υφή.
➔ Η απορρόφηση φωτονίων υπέρυθρης ακτινοβολίας από τα μόρια
διεγείρει τα δεσμικά ηλεκτρόνια στα παραπάνω ενεργειακά επίπεδα.
➔ Έτσι τα μόρια δονούνται.

6. Χαρακτηριστικά ενώσεων που απορροφούν στο IR:
● Αλληλεπίδραση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με το ηλεκτρικό
δίπολο ενός ασύμμετρου δεσμού.
● Ενεργά υπέρυθρες ενώσεις (IR-active): Μόρια με μόνιμη διπολική ροπή
(CO, HCL, NO) ή μόρια των οποίων η διπολική ροπή αλλάζει κατά τη
διάρκεια της δονητικής και περιστροφικής διαδικασίας.
Η διπολική ροπή δίνεται από τον τύπο :
μ = e x d
e : η ισχύς των μερικών φορτίων (δ+,δ-)
d : η απόσταση αυτών

7. Οι επιτρεπτές ενεργειακές καταστάσεις δόνησης είναι καθορισμένες:
Ε= , όπου υ=0,1,2,... : κβαντικός αριθμός δόνησης και
f=συχνότητα
Η ενέργεια δόνησης επηρεάζεται από :
1 . Επαγωγικά και συζυγιακά φαινόμενα
2 . Υβριδισμό
u+1/2
hf
Ενέργεια

8. Κυματάριθμος
Κυματάριθμος (ν) = f / c (cm-1)
● Εξαρτάται από: 1. Το βάρος ένωσης
2. Την ισχύς δεσμού
● Για ένα διατομικό μόριο προσεγγιστικά η συχνότητα απορρόφησης (σε
κυματάριθμο) υπολογίζεται ως:
ν = ( )1/2 , F= σταθερά δύναμης δεσμού
m,m’ = οι μάζες των δύο ατόμων
1
2πc
F(m+m’)
mm’

10. 1. Τάσης ν (streching)
Είδη δονήσεων σε πολυατομικά μόρια

11. 2. Κάμψης δ (bending)
Είδη δονήσεων σε πολυατομικά μόρια

12. 3. Ψαλιδιού (scissoring)
Είδη δονήσεων σε πολυατομικά μόρια

13. 4. Αιώρησης (rocking)
Είδη δονήσεων σε πολυατομικά μόρια

14. 5. Σείσης (wagging)
Είδη δονήσεων σε πολυατομικά
μόρια

15. 6. Συστροφής (twisting)
Είδη δονήσεων σε πολυατομικά
μόρια

16. Οργανολογία

17. Τύποι IR φασματόμετρων
➔ Όργανα διασποράς
➔ Μη διασπείροντα IR
➔ FT-IR (ταυτόχρονη ανάλυση με συμβολομετρία)
Είδη
➔ Συμβατικά φασματόμετρα με μονοχρωμάτωρα
➔ Φασματόμετρα FT-IR
➔ Φασματόμετρα IR για ειδικού τύπου αναλύσεις
Τεχνικές
➔ Διάχυτης ανάκλασης
Φασματόμετρα

18. Χειρισμός δείγματος - προετοιμασία για την τεχνική διάχυτης
ανάκλασης
Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι προετοιμασίας δείγματος για αυτή την τεχνική.
Μία από αυτές γίνεται με τη χρήση KBr και είναι η εξής :
➔ Για αδιάλυτα στερεά δείγματα:
1. Ανάμειξη καθαρού δείγματος σε μορφή σκόνης με σκόνη KBr
2. Ισχυρή συμπίεση μείγματος
3. Δημιουργία διαφανούς δισκίου, με πάχος το πολύ 5 mm
4. Ανάλυση σε φασματόμετρο

19. Χειρισμός δείγματος - προετοιμασία για την τεχνική διάχυτης
ανάκλασης
➔ Για διαλυτά στερεά :
1. Διάλυση σε κατάλληλο διαλύτη
2. Τοποθέτηση μιας σταγόνας διαλυμένου δείγματος ανάμεσα σε δισκία
KBr
3. Συμπίεση των δύο δισκίων, προς δημιουργία λεπτού, υγρού φιλμ
ανάμεσά τους και ανάλυση σε φασματόμετρο

20. Χειρισμός δείγματος - προετοιμασία για την τεχνική διάχυτης
ανάκλασης
➔ Για υγρά δείγματα :
1. Τοποθέτηση μιας σταγόνας καθαρού δείγματος ανάμεσα σε δισκία
καθαρού KBr
2. Συμπίεση των δύο δισκίων, προς δημιουργία λεπτού, υγρού φιλμ ανάμεσά
τους και ανάλυση σε φασματόμετρο
(Απουσία διαλύτη)
Σημειώσεις:
● Τα δείγματα δεν πρέπει να περιέχουν νερό, γιατί τα δισκία είναι υδατοδιαλυτά
και γιατί το νερό απορροφά ισχυρά στην υπέρυθρη ακτινοβολία,
δημιουργώντας θόρυβο στα αποτελέσματά μας.

21. Χειρισμός δείγματος - προετοιμασία για την τεχνική ATR
➔ Δεν απαιτείται οποιαδήποτε επεξεργασία δείγματος ή ομογενοποίηση για τον
σχηματισμό δισκίων με σκόνη KBr, παρά μόνο τοποθετείται ελάχιστη
ποσότητα δείγματος πάνω σε κρύσταλλο (π.χ.διαμάντι, γερμάνιο).
➔ Ο κατάλληλος εξοπλισμός πιέζει το δείγμα πάνω στον κρύσταλλο για καλύτερη
επαφή.
➔ Φαινόμενα ανάκλασης και διάθλασης δίνουν το τελικό αποτέλεσμα.

22. Κλασικό φασματόμετρο IR

23. Φασματόμετρο FT-IR:

24. Η φυσική της μουσικής
➔ Μουσική είναι μια τέχνη που ασχολείται με την σύνθεση ενός έργου, που
στηρίζεται στην αλληλουχία ήχων
➔ Τέλεια οκτάβα είναι το διάστημα μεταξύ ενός φθόγγου και ενός άλλου με
τη μισή ή τη διπλάσια συχνότητα
➔ Η μουσική γίνεται αντιληπτή μέσω της ακοής, η οποία εκτείνεται στον
άνθρωπο από 20-20,000 Hz. ‘Αρα οι συχνότητες για την σύνθεση ενός
κομματιού πρέπει να κυμαίνονται σε τιμές εντός αυτού του φάσματος. Το
ανθρώπινο αυτί μπορεί να εντοπίσει περίπου 10 οκτάβες.

25. Μοριακή Μουσική
➔ Ορισμός: Μοριακή Μουσική (Γονιδιακή Μουσική), είναι η μουσική που
προέρχεται από την μετάφραση -μέσω ποικίλων μη επιστημονικών τρόπων- των
αζωτούχων βάσεων του γενετικού υλικού (DNA, RNA) ή των αμινοξέων των
πρωτεϊνών σε αλληλουχία ήχων που ικανοποιούν την ανθρώπινη ακοή.
➔ Πρώτη αναφορά στον όρο: από τον γάλλο φυσικό Joel Sternheimer
➔ Συνεργασία καλλιτεχνών και επιστημόνων για τη μετάφραση βιολογικών
μορίων σε ήχους

26. Πώς έγινε η μετάφραση;
1. Φασματοσκοπία υπερύθρου
2. Με τη χρήση αλγορίθμων
3. Άλλοι μέθοδοι

27. ➔ DNA: αποτελείται από τις
αζωτούχες βάσεις θυμίνη,
αδενίνη, γουανίνη και κυτοσίνη
➔ Οι αζωτούχες βάσεις είναι
οργανικές ενώσεις που περιέχουν
υδρογόνο και άζωτο και καθεμία
απορροφά σε διαφορετικές τιμές
υπέρυθρης ακτινοβολίας
Το γενετικό υλικό

28. Η διαδικασία
➔ Συνεργασία: η καλλιτέχνης, Susan Alexjander και ο κυτταρικός βιολόγος, David
Deamer
1. Λήψη αποτελεσμάτων από τη φασματοσκοπική διαδικασία υπερύθρου
2. Mετατροπή του κυματάριθμου κάθε βάσης σε συχνότητα ηχητικών κυμάτων
μέσω της εξίσωσης:
Συχνότητα(hz) = ταχύτητα φωτός (m/s) x κυματάριθμος(cm-1)

29. Η διαδικασία
Για παράδειγμα, σε μια γενική περίπτωση, ο απλός δεσμός μεταξύ άνθρακα(C) -
υδρογόνου(H) απορροφά στην τιμή 2,900cm-1
Έτσι, εφαρμόζοντας τον παραπάνω τύπο:
f(hz) = 3x108 x 2,900 => f(hz) = 8.7x1011

30. Η διαδικασία
3. Διαίρεση των συχνοτήτων, που προκύπτουν από την εξίσωση, πολλές φορές
Το βήμα αυτό είναι απαραίτητο διότι αυτές οι τιμές συχνοτήτων είναι εξαιρετικά
υψηλές για να γίνουν αντιληπτές από την ανθρώπινη αίσθηση της ακοής.
➔ Οι συνολικές διαφορετικές τιμές που προκύπτουν από την παραπάνω
διαδικασία: περίπου 60, 15-18 τιμές για κάθε βάση του DNA
➔ Η διαφορά στις τιμές των συχνοτήτων συχνά δεν συμπίπτει με τη σχέση τόνου
ή ημιτόνου της ευρωπαϊκης μουσικής

32. Η διαδικασία
Τελικά για τη δημιουργία μουσικής αλληλουχίας από τις συχνότητες των βάσεων:
➔ Απαραίτητα μουσικά όργανα ικανά να αποδώσουν τέτοιες ηχητικές σχέσεις
➔ Χρήση του synthesizer (με ειδικό πληκτρολόγιο) Yamaha DX7 IID, το οποίο
έχει τη δυνατότητα σχηματισμού μουσικών ομάδων(κλίμακες)
➔ Η σύνθεση κλιμάκων είναι απαραίτητη για την αισθητική ορθότητα των έργων
Μοριακής Μουσικής

33. Σας ευχαριστούμε για την
προσοχή σας!!!

34. Βιβλιογραφία
“Οργανική χημεία για τις επιστήμες της ζωής”, David Klein, σελίδες 662-679, Φασματοσκοπία IR (14.2)
https://oursounduniverse.com/the-infrared-frequencies-of-dna-bases-science-and-art-by-s-
alexjander/?fbclid=IwAR1iH9IAcNGe1YwEkDr_meR21H1hHvKPfQzJSICqBJS6OjoiReARN7mPwMA
Σελίδα 7-15, από https://repository.kallipos.gr/bitstream/11419/5390/3/02_chapter_13.pdf
https://slideplayer.gr/slide/2294560/?fbclid=IwAR0sWvTQxZUF0eb4iWhfkk7RdSPn6HEMZTie-
HFIS4geeJYpWA60lEygDaA
http://www.biochemist.org/bio/02406/0039/024060039.pdf?fbclid=IwAR1XPX9zy3nyR7_AjGPGbkuWO2OmF
3hSw_vC5EfLonqYfZujkfmkcekaIJQ
https://docplayer.gr/30318280-Enorgani-analysi-ergastirio-fasmatoskopia-yperythroy-infra-red-spectroscopy-
ir.html?fbclid=IwAR0sWvTQxZUF0eb4iWhfkk7RdSPn6HEMZTie-HFIS4geeJYpWA60lEygDaA
http://artemis.library.tuc.gr/DT2013-0357/DT2013-0357.pdf
https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/good_vibrations_k-8.pdf

35. http://ikee.lib.auth.gr/record/299029?fbclid=IwAR264ucPYh_OSGdOjbhK1tIK6T955qFba_LjpF0NAIfEXgIAAs
NUqkWg37w
https://de.wikipedia.org/wiki/ATR-
Infrarotspektroskopie?fbclid=IwAR1ZtTGER5868BUpCBX4zUWKcyWbj7P6M_HegM2w1ymoFRHBmKm-
t3yT0Q4
https://repository.kallipos.gr/bitstream/11419/6175/2/01_chapter_7.pdf?fbclid=IwAR2S_fhQNcb1v9k0fr_WZY
HC4ReTt8vvrEegUCiOreEJ2cFCFi48cALFEZY
https://eclass.uoa.gr/modules/document/file.php/PHARM197/IR%20%5B%CE%9B%CE%B5%CE%B9%CF
%84%CE%BF%CF%85%CF%81%CE%B3%CE%AF%CE%B1%20%CF%83%CF%85%CE%BC%CE%B2
%CE%B1%CF%84%CF%8C%CF%84%CE%B7%CF%84%CE%B1%CF%82%5D.pdf
http://www.nuance.northwestern.edu/docs/keckii-pdf/how-to-prepare-ir-
samples.pdf?fbclid=IwAR2YFMoTofJbo1GlQ0p6yexUN2-H3LvsRpRB20jAI0huXNJOqs9p9kl6ASs
https://www.musical-u.com/learn/how-many-octaves-are-there-from-20hz-20khz/