Биофизика - Владимиров Ю.А.
Скачать (прямая ссылка):
другой молекуле; 5) обращение спина электрона и переход молекулы в
триплетное возбужденное состояние 7\: S1-w*-7\. Переход из триплетного
состояния в основное запрещен, так как спины электронов одинаковы.
Поэтому в состоянии Ti молекула находится значительно дольше (10~4-10 с),
чем в S1(10-8- 10~в с).
32
Рис. 6. Электронные переходы в биомолекулах.
Прямые стрелки - поглощательные и излучательные переходы, волнистые -
безнзлучательные переходы. Жирные горизонтальные линии - "чисто"
электронные уровни энергии; тонкие - колебательные подуровни. Около
каждого уровня в клетках (соответствующих разным орбиталям) показано
направление спииа возбуждённого электрона по отношению к спнну
оставшегося
электрона.
Г
Т.-
/
=f
О
Ф
а
о
-в-
с
о
в
о . 2 с;
в
О
с:
и
О
С
Существует несколько путей растраты энергии из три-плетного (7\)
состояния молекулы: 1) безизлучательный переход в S0 с обращением спина:
0; 2) испускание
кванта фосфоресценции: 7\ S0 4- hv, 3) фотохимическая реакция; 4)
передача энергии возбуждения другой молекуле (см. рис. 6).
Общее название для любых излучательных переходов в молекуле
(флюоресценции, фосфоресценции) - люминесценция.
2.2. ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА БИОСИСТЕМАМИ
Способность молекул поглощать свет лежит в основе спектрофотометрии,
широко используемой в биологии и медицине для качественного и
количественного анализа и для выяснения химической структуры веществ.
Поглощение света проявляется в ослаблении светового потока после
прохождения через исследуемый объект, и оно тем
2-1042
33
больше, чем выше концентрация вещества (с, моль • л-1), толщина раствора
(1, см), способность вещества к поглощению. Для монохроматического света
эти закономерности выражаются законом Бугера - Ламберта - Бера:
D=lg-y-=?d, (2.1)
где D - так называемая оптическая плотность образца, /0 и / -
интенсивности падающего и прошедшего света. Величину е (л • моль-1 •
см'1) называют молярным коэффициентом поглощения. Если заменить
десятичный логарифм на натуральный и концентрацию выражать в числе
молекул на 1 см3, то вместо е используют поперечное сечение поглощения s
1см21, связанное с е соотношением: s = 3,8 • 10~21 е. Физический смысл s
- эффективное сечение молекулы, при попадании в которое происходит
поглощение фотона данной длины волны.
Графики, выражающие зависимости D, в или s от длины волны, называются
спектрами поглощения.
Поглощение видимого и ультрафиолетового света происходит главным образом
с участием л - и л-электронов (я -> л* - и п -у я*-переходы). Чем длиннее
система сопряженных двойных связей в молекуле, т. е. чем сильнее де-
локализованы по молекуле л-электроны, тем при большей длине волны
располагается самый длинноволновый максимум поглощения (рис. 7).
В биологии и медицине часто измеряют спектры поглощения не растворов, а
мутных суспензий биологических частиц: эритроцитов, митохондрий,
микроорганизмов. В таких оптически неоднородных средах наблюдается
значительное светорассеяние и обусловленное этим кажущееся увеличение
оптической плотности:
^измеренная ^поглощения'Г^рассеяния. (2-2)
На многих специально сконструированных для измерения мутных образцов
спектрофотометрах поправка на ДрассеЯния вводится автоматически. Чаще
всего с этой целью кюветы помещают в интегрирующую сферу, собирающую
рассеянный свет на фотоприемник.
В некоторых случаях количественную оценку содержания поглощающего свет
вещества в образце проводят, регистрируя не спектры поглощения, а спектры
отражения. Так, например, оценивают содержание гемоглобина в коже.
Падающий монохроматический свет (У0), прони-
34
Рис. 7. Спектры поглощения и флюоресценции некоторых биологически важных
соединений (структурные формулы хромофоров этих молекул приведены рядом
со спектрами).
Сплошные кривые - оптическая плотность; точечные кривые - интенсивность
флюоресценции.
кая в кожу, ослабляется за счет поглощения. Часть света после
многократного рассеивания клетками кожи выходит обратно - отражается.
Отношение интенсивности отраженного света (/) к падающему называется
отражательной
2"
35
Рис. 8. Спектры отражения кожи человека.
способностью (///"). При эритеме, когда резко усиливается микроциркуляция
и повышается содержание гемоглобина в коже, уменьшение отражательной
способности в области поглощения гемоглобина (около 540 и 578 нм) служит
количественным критерием эритемы (рис. 8).
2.3. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ БИОСИСТЕМ
Регистрация люминесценции в биологии и медицине используется для
качественного и количественного анализа, а также для изучения структуры и
функции биосистем различной сложности: от
мембран до целых органов и организмов. Из-
Рис. 9. Схема спектро-флуориметра.
1-лампа; 2 - линзы; 3, 5 - монохромзторы; 4 - кювета с обрззцом; 6 - ФЭУ;
7 - блок питания ФЭУ; 8 - усилитель; 9 - самописец. 10 - возбуждающий
свет: 1л - люминесценция образца.
36
мерение люминесценции проводят на спектрофлюори-метрах (рис. 9). Главными
