Биофизическая химия. Том 2 - Кантон Ч.
Скачать (прямая ссылка):
Происхождение большинства полос здесь установлено с меньшей
определенностью. Главное внимание было уделено спектральной области между
1500 и 1800 см -в которой сосредоточены колебания кар-
ДРУГИЕ ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
119
V, СМ-' V, см-1
А Б
РИС. 8.28. Изменения инфракрасных спектров при образовании пар оснований.
А. Спектр двойной спирали poly (г А ¦ rU) (сплошная линия) и сумма
спектров poly (г А) и poly(rU) (штриховая линия). Б. Двойная спираль poly
(rG ¦ гС) (сплошная линия) и сумма спектров мононуклеотидов G и С
(штриховая линия). Все измерения проводились в DzO при pH 7 н температуре
^65 °С. [G. J. Thomas, Biopolymers, 7, 325 (1969).]
бонильной группы, а также колебания, отвечающие изменению длины двойных
связей пуринового и пиримидинового колец. Эти колебания чрезвычайно
чувствительны к образованию пар оснований, поскольку колеблющиеся атомы
непосредственно участвуют в образовании водородных связей. Типичный
пример такого рода представлен на рис. 8.28. Из него ясно видно, что
разрыв водородных связей приводит к изменению ИК-спектров, причем эти
изменения оказываются более существенными, чем в случае УФ-спектров (см.
гл. 7). Это преимущество отчасти компенсирует те трудности, которые
сопряжены с проведением ИК-измерений. К тому же каждому из четырех
обычных оснований соответствует в этой спектральной области характерный
ИК-спектр, что позволяет исследовать пары GC и AU по отдельности.
Вопросы, связанные с влиянием конформационных изменений нуклеиновых
кислот на их ИК-спектры, исследованы гораздо менее детально, чем в случае
УФ-спектров. Развитие этого потенциально очень мощного метода тормозит
то, что для проведения исследований необходимы большие количества
вещества; кроме того, здесь имеются и большие экспериментальные
трудности.
СПЕКТРОСКОПИЯ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ
Еще одним методом, позволяющим получить информацию о колебательных
состояниях молекул, является спектроскопия комбинационного рассеяния.
Пусть на образец падает интенсивный пучок света частоты v. В молекулах
образца будет индуцироваться осциллирующий дипольный момент, даже если
при частоте v не происходит электронное или колебательное возбуждение.
Пусть, далее, электрическое поле световой волны меняется во времени как
Е(/) = Е0 cos 2irvt; тогда в соответствии с уравнением (7.57)
индуцированный дипольный момент молекулы будет равен
p(t) = a(v) ¦ Е0 cos 2лvf
(8.86)
120
ГЛАВА 8
Поляризуемость о, вообще говоря, представляет собой тензор, но мы можем
считать ее скалярной величиной а(р).
Поляризуемость колеблющейся молекулы не остается постоянной во времени.
Движения ядер вызывают смещения электронов, и любому данному положению
ядер отвечает своя поляризуемость. Эту зависимость можно представить в
виде
a(v) = a0(v) + a'(v) cos 2nv't (8.87)
где a0 - поляризуемость молекулы при равновесном положении ядер, а'(г)
описывает изменение поляризуемости при смещениях ядер, у' - частота
колебаний. Решая совместно уравнения (8.86) и (8.87), получаем
ц(Г) = E0[a0(v) + a'(v) cos27tv't] cos2nvt =
= E0a0( v) cos 2nvt + E0a'(v) cos 2nv't cos 2nvt = (8.88)
= p(t) + p'(t)
Первый член в этом выражении соответствует колебаниям индуцированного
диполя с частотой V. Эти колебания ответственны за рассеяние и за
преломление света. Второй член отвечает комбинационному рассеянию. Это
можно понять, воспользовавшись равенством cos A cos В = (!/2)[cos(y4 +
В)+ cos(^4 - В)] и переписав p'(t) в виде
ц'(Г) = 2{E0a(v)[cos2n(v + v')t + cos2n(v - v')t]} (8.89)
Диполь, совершающий колебания с заданной частотой, излучает свет этой же
частоты, причем интенсивность излучения пропорциональна (р')2. Из
уравнения (8.89) следует, что при облучении колеблющейся молекулы светом
частоты у излучается свет с частотами у + у' ну - Положение полос
испускания (относительно положения возбуждающего
пика) дает значение колебательной частоты у'. Спектральная полоса с
частотой, меньшей, чем у возбуждающего света, называется стоксовой, а с
большей - антистоксовой. Может показаться парадоксальным, что образец
способен испускать фотоны, энергия которых больше, чем у возбуждающих
фотонов. Отметим, однако, что спектры комбинационного рассеяния
порождаются двухфотонными процессами. Если система поглощает два фотона
частоты у и испускает один фотон частоты у - у', а другой - у + у', то
суммарное изменение энергии равно нулю 1).
В случае малых молекул спектроскопия комбинационного рассеяния дополняет
инфракрасную спектроскопию. Для появления полос комбинационного рассеяния
необходимо, чтобы движения ядер приводили к изменению поляризуемости, а
не постоянного диполь-ного момента. Поэтому некоторые переходы, с трудом
наблюдаемые одним методом, могут проявиться в виде весьма интенсивных
полос, если воспользоваться другим. В случае больших асимметричных
молекул оба метода регистрируют одни и те же полосы. Основным
преимуществом спектроскопии комбинационного рассеяния является то, что
