Биологический каталог




Фотобиология

Автор С.В.Конев, И.Д.Волотовский

поглощения и его логарифмом соблюдается близкая к линейной зависимость. При D>2 практически все кванты поглощаются образцом и спектр действия превращается в прямую линию, параллельную оси абсцисс (длин волн) в соответствии с законом Вавилова.

Длительность флуоресценции, или время жизни возбужденного состояния (т), непосредственно связана с вероятностью излучательного перехода (Р) и отражает среднестатическое время существования возбужденного состояния. Одномоментно возбужденные молекулы дезактивируются по мономолекулярному (экспоненциальному) закону: / = /0е"'/х (т представляет собой время, в течение которого интенсивность свечения уменьшается в е (2,7) раз). Измеренное в эксперименте т имеет заниженное по сравнению с естественным (то), определяемым только внутренними свойствами молекулы, значение. Причиной этого является безызлучательная, тепловая диссипация энергии — тушение второго рода, происходящее в течение всего времени жизни возбужденного состояния. Если то= 1/Л то т=1/(/>+?), где q — вероятность тушения. Между Вит часто соблюдается пропорциональность, и В/Во=г/го. Длительность затухания флуоресценции в различных участках ее спектра обычно одинакова.

Поляризация флуоресценции. В молекулах осцилляторы прямого (поглощение) и обратного (флуоресценция) переходов S0+±S ориентированы одинаково. Поэтому при освещении раствора поляризованным светом флуоресценция будет также поляризована, если за время возбужденного состояния молекулы не успеют переориентироваться. Поляризованность флуоресценции оценивается по степени поляризации:

р 7П-'х

фл~ 'n + 'j. '

где /ци/i — интенсивности световых потоков флуоресценции, поляризованных взаимно перпендикулярно (In поляризована аналогично возбуждающему свету).

При этом степень поляризации флуоресценции всегда меньше, чем возбуждающего света (Р—\). (Теоретически РфЛ может достигать значения 0,5 *>.)

Объясняется это тем, что линейно-поляризованный свет возбуждает не только молекулы, осцилляторы которых параллельны электрическому вектору, но и молекулы, которые имеют составляющие своих осцилляторов, параллельные электрическому вектору (рис. 5). Вероятность возбуждения пропорциональна косинусу угла между осциллятором и электрическим вектором возбуждающего света. Интегрирование по всем ориентациям дает предельные значения етерени поляризации (РфЛ = 0,5). Реальные значения РфЛ зависят от степени релаксации молекулы за время возбужденного состояния и связываются с предельными значениями А> формулой Перрена:

4" Г = {~к ~~ ~Н (т"ТтГ + 1)'

где R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура; т1 —вязкость среды; V — молекулярной объем флуоресцирующих молекул; Pq — предельные значения поляризации при Г/тр-Ю.

*) Для плоских осцилляторов, поглощающих свет в двух измерениях (симметричные молекулы), предельные значения Р$л еще меньшие — 0,14.

Отсюда может быть определено т, если известен молекулярный объем (вес). При возбуждении объектов поляризованным монохроматическим светом различных длин волн (Я) Рфл изменяется, принимая как положительные, так и отрицательные значения.

Зависимость РфЛ=/(Яв) называется поляризационным спектром флуоресценции (по поглощению). Обычно осцилляторы, соответствующие электронным переходам SQ—bSt и S0—bS2, ответственным за первую и вторую полосы поглощения, взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости молекулы (для я—>-л;*-переходов). Именно поэтому РфЛ при возбуждении во второй полосе поглощения имеет отрицательные значения. В промежуточных точках значения РфЛ связаны с углом между эффективным осциллятором поглощения (сумма взаимно перпендикулярных векторов-осцилляторов с учетом их вкладов в поглощение) и осциллятором флуоресценции. Следовательно, поляризационные спектры флуоресценции по поглощению выявляют взаимоориентацию осцилляторов различных электронных переходов. После расположения молекул в одном преимущественном направлении (наложение электрического поля или механическое растяжение полимерной пленки с включенными в нее молекулами флуорохрома) может быть установлена и абсолютная ориентация осцилляторов относительно скелета молекулы. Осцилляторы, соответствующие п—м1*-поглощению и л*—^«-флуоресценции, перпендикулярны к плоскости молекулы.

Поляризационные спектры флуоресценции по испусканию отражают зависимость РфЛ от длины волны регистрации по ее спектру при фиксированной длине волны возбуждения: РфЛ=/(Ярег). Обычно соблюдается постоянство РфЛ по всему спектру флуоресценции, что подтверждает испускание с одного и того же возбужденного уровня.

Наконец, из-за поперечного характера световой волны даже при возбуждении объектов естественным (неполя-ризованным) светом наблюдается частично поляризованная флуоресценция (спонтанная поляризация Рсп). При этом наибольшая поляризация флуоресценции, меньшая, однако, чем при использовании линейно-поляризованного возбуждающего света, наблюдается при регистрации свечения под углом 90° к направлению распространения луча возбуждения: Рспг=Р/(2—Р). Ориентация молекул в образце влияет на степень как обычной, так и спонтанной поляризации, а также на поляризационные спектры флуоресценции. Варьируя угол наблюдения поляризации флуоресценции, можно установить направление и степень ориентации молекул в образце.

5. ИНТЕРКОМБИНАЦИОННАЯ КОНВЕРСИЯ, ТРИПЛЕТНЫЕ СОСТОЯНИЯ И ФОСФОРЕСЦЕНЦИЯ

Наряду с синглетными (S) молекула обладает три-плетными (Т) электронными уровнями, расположенными в шкале энергий ниже, чем синглетные. Переход синглет-ного возбужденного состояния за время около Ю-12 с в триплетное называется интеркомбинационной конверсией: Si—*Т. Эта внутримолекулярная физическая реакция происходит в местах пересечения кривых потенциальной энергии синглетного и триплетного состояний. При интеркомбинационной конверсии ориентация спина фотоэлектрона меняется на противоположную, в результате чего спины двух ранее спаренных электронов становятся параллельными. Триплетная молекула приобретает парамагнитные свойства, приближаясь к бирадикалу. Во внешнем магнитном поле триплетный уровень расщепляется на три составляющих уровня, каждый из которых соответствует одному из трех типов ориентации суммарного спина: по полю, перпендикулярно и против поля. Так появился термин «триплетное состояние». Переход син-глетное—^-триплетное состояние (состояния разной муль-типлетности) запрещен квантовомеханическими правилами отбора: спиновый запрет и запрет по симметрии. Однако из-за спин-орбитальных взаимодействий (между спиновым магнитным моментом фотоэлектрона и орбитальным моментом) в триплетном состоянии всегда есть примесь синглетного (и наоборот) и вероятность синглет-триплетного перехода резко возрастает, особенно в присутствии тяжелых атомов.

Триплетное состояние дезактивируется теми же путями, что и синглетное. При излучательной дезактивации (Т—^So-переход) триплетной молекулы высвечивается квант фосфоресценции. Фосфоресценция характеризуется теми же специфическими параметрами, что и флуоресценция: спектром, квантовым выходом, длительностью возбужденного состояния и поляризацией. Спектры фосфоресценции сдвинуты в длинноволновую область по

сравнению со спектрами флуоресценции и формируются при излучательных переходах фотоэлектрона с нижнего колебательного подуровня «триплета» на различные колебательные подуровни основного состояния.

Вследствие квантовомеханических запретов длительность фосфоресценции имеет довольно большие значения. У различных органических соединений она колеблется от 10~4 до 102с. Обычно осциллятор излучательного перехода Т—bSo у ароматических соединений перпендикулярен к плоскости кольца и не совпадает по направлению с осциллятором поглощения и флуоресценции, т. е. Рф0Сф имеет отрицательные значения. Триплетное состояние дезактивируется также тепловым, миграционным и фотохимическим путями. Триплетная молекула может переходить в синглетное возбужденное состояние либо за счет тепловой энергии, либо при взаимодействии с другой три-плетной молекулой. В обоих случаях наблюдается замедленное свечение, сходное по спектрам с флуоресценцией, а по длительности — с фосфоресценцией. Кроме того, триплетная молекула может поглотить второй квант света, в результате чего фотоэлектрон переходит на второй три-плетный уровень — триплет (Ti)-триплетное (Г2) поглощение.

в. МИГРАЦИЯ ЭНЕРГИИ

Под миграцией энергии понимается безызлучатель-ный обмен энергией между электронно-возбужденной молекулой (донором) и молекулой в основном состоянии (акцептором):

Миграция энергии — чисто физический процесс, не сопровождающийся химическим изменением вещества. Она может происходить как между одинаковыми (М—»-М), так и между разными (Mi—ьМ2) молекулами в направлении от более высокого к более низкому или одинаковому энергетическому уровню. Известно несколько механизмов миграции энергии: индуктивно-резонансный, экситонный, обменно-резонансный и полупроводниковый (зонная проводимость).

Индуктивно-резонансная миграция энергии. Исходным фактом, который заставил принять концепцию индуктивно-резонансной миграции энергии, было явление сенсибилизированной флуоресценции красителей, т. е. эффективное возбуждение флуоресценции молекул М2 светом, поглощаемым молекулами Mi (Вавилов, Левшин, Галанин, Перрен, Ферстер и др.). При этом для эффекта сенсибилизации не требовалось ни соударений между Mi и М2 (опыты в вязких средах), ни реабсорбции — поглощения М2 света флуоресценции Mi (опыты в тонких слоях).

При определенных условиях к М2 безызлучательным путем передавалась практически вся энергия Mi* (эффективность миграции энергии равна единице) через боль01

шие межмолекулярные расстояния порядка 20—100 А. Передача энергии осуществляется за счет диполь-ди-польных взаимодействий между Mi* и М2 без переноса каких-либо частиц вещества или световых квантов. В этом случае энергия взаимодействия обратно пропорциональна третьей степени межмолекулярных расстояний (R), а вероятность миграции, в свою очередь, пропорциональна квадрату энергии взаимодействия, т. е. обратно пропорциональна Я6. Следует четко различать возбуждение М2 энерги

страница 3
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69

Скачать книгу "Фотобиология" (3.60Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(21.09.2019)