Физические методы исследования белков и нуклеиновых кислот - Лазуркина Ю.С.
Скачать (прямая ссылка):
18 Физические методы исследование белков
273
информацию о применениях Метода равновесного градиента плотности читатель может найти в обзоре Винограда и Хирс-та [29].
3. Двойное лучепреломление в потоке
Метод двойного лучепреломления (ДЛП) в потоке сочетает в себе оптический и гидродинамический подход к изучению строения макромолекул. В комбинации с другими методами, прежде всего с вискозиметрией, метод ДЛП в потоке широко характеризует исследуемые молекулы, позволяя определить разность главных поляризуемостей молекул, коэффициент вращательной диффузии, жесткость молекулы и другие параметры.
С явлением двойного лучепреломления мы сталкиваемся, изучая тела анизотропные, т. е. такие тела, свойства которых (и в частности, скорость распространения света) зависят от направления приложенного воздействия. Таковы, например, почти все кристаллы, волокнистые и слоистые структуры, такие, как асбест, слюда.
Анизотропия может быть создана и в телах изотропных, свойства которых одинаковы во всех направлениях. Так, анизотропия обнаруживается в упруго деформированных телах, в растянутых полимерных пленках, в некоторых жидкостях при их течении.
Оптически анизотропная среда 1 характеризуется избранным направлением, называемым оптической осью, по которому поляризованный свет распространяется в среде со скоростью Уц, отличной от скорости распространения v±_ света, поляризованного перпендикулярно этому направлению. Свет с любым другим направлением поляризации, проходя сквозь оптически анизотропную среду, становится эллиптически поляризованным.
Двум различным скоростям v ц и v± отвечают соответственно два разных коэффициента преломления — Пц и nj_. Оптически анизотропная среда, следовательно, является двулучепрелом-ляющей. Рассмотрим механизм возникновения оптической анизотропии.
а. Механизм ДЛП
Молекулы вещества, сквозь которое проходит световая волна, способны электрически поляризоваться в поле, создаваемом волной. Дипольный момент р данной молекулы, возникший под действием возбуждающего электрического поля Е, связан с ним соотношением
р= Т Е.
1 Здесь и в дальнейшем речь будет идти об одноосных анизотропных средах.
Здесь-у — поляризуемость молекулы в направлении поля. В результате поляризации молекул возникает вторичное электромагнитное поле, так что суммарная электромагнитная волна, распространяющаяся в данной среде, отлична от падающей волны. Это выражается прежде всего в изменении скорости распространения и в преломлении света.
Из мол.екулярной оптики известно (см., например, [59]), что коэффициент преломления п связан с поляризуемостью у молекул соотношением
я2 = 1—4nNy, (36)
где N — число молекул в единице объема.
Молекулы могут обладать разной поляризуемостью в различных направлениях. Пусть, например, поляризуемость молекулы равна у || для некоторого направления (назовем его оптической осью молекулы) иу_]_для любого направления, перпендикулярного оптической оси. Предположим также, что молекулы одинаково ориентированы. Пусть свет падает перпендикулярно оптическим осям молекул. Тогда для компонентов световой волны, поляризованных соответственно параллельно и перпендикулярно оптическим осям, коэффициенты преломления будут различны:
п\ =1—4лЯуц, (36а)
п]_ — 1—4n;Vr_i_. (366)
Таким образом, анизотропия поляризуемости молекул приводит к двойному лучепреломлению. Оптическая ось анизотропной среды параллельна оптическим осям ориентированных молекул.
Предположим, что падающий свет линейно поляризован и направление его поляризации не совпадает с направлением оптической оси среды. Разложим этот свет на составляющие, поляризованные параллельно и перпендикулярно оптической оси среды. Колебания электрических векторов этих составляющих до проникновения в анизотропную среду синфазны. В среде, вследствие различия в скоростях распространения этих компонентов падающего света, синфазность нарушается, и свет становится эллипти-
чески поляризованным.
Образовавшуюся разность фаз можно компенсировать, например, помещая на пути света, выходящего из данного анизотропного слоя, другой оптически анизотропный слой с осью, пер^ пендикулярной к оси первой среды. Тогда компоненты света с поляризацией вдоль и поперек оптической оси, попадая во второй анизотропный слой, меняются ролями и при соответствующем выборе толщины компенсирующего слоя суммарный сдвиг фаз после прохождения сквозь обе среды становится равным 0. Для этой цели в оптике применяются специальные компенсаторы различных конструкций. На рис. 34 изображена принципиальная
оптическая схема определения ориентации оптической оси и разности фаз, возникающих в анизотропной среде. Ориентация оптической оси исследуемой среды определяется при помощи скрещенных поляризатора П и анализатора А. Если исследуемая среда изотропна, то сквозь систему поляризатор — среда — анализатор свет не проходит ни при какой ориентации скрещенных П и А (перед наблюдателем — темное поле зрения). Если среда анизотропна и направления ее главных поляризуемостей совпадают с направлениями осей поляризатора и анализатора, свет
