- •Глава III Лазерная спектроскопия
- •§ 1. Основы метода импульсной флуорометрии
- •1 § 2. Метод пикосекундной абсорбционной спектроскопии
- •§ 3. Способ селекции лазерных импульсов по длительности
- •§ 4. Пикосекундный импульсный флуорометр
- •§ 5. Пикосекундный абсорбционный спектрометр
- •§ 6. Абсорбционный спектрометр наномиллисекундного временного диапазона
- •§ 7. Спектрометр комбинационного рассеяния
Фотобиологические реакции, к которым относится, в частности, фотосинтез. инициируются светом, поглощаемым молекулами пигментов. Процессами, исследуемыми пикосекундной и наносекундной лазерной спектроскопией, являются миграция энергии по пигментным молекулам, захват возбуждения фотоактивными реакционными центрами (ФРЦ), разделение зарядов в последних, перенос электрона по электрон-транспортной цепи. Диапазон скоростей этих процессов довольно широк — 10~12— 101 с; их исследование требует соответствующего аппаратурного обеспечения.
Как правило, пигментные комплексы (ПК), обеспечивающие энергией электронного возбуждения ФРЦ, являются образованиями, интенсивно поглощающими свет видимого диапазона спектра. Поэтому поглощение одного или нескольких фотонов и реализация одного или нескольких возбужденных состояний ПК не вызывает заметных изменений в его спектре поглощения. С другой стороны, квантовые выходы флуоресценции молекул ПК, как правило, значительны и достигают 0,1—0,01. Поэтому изучение миграции энергии но молекулам ПК проводят главным образом методом пикосекундной флуорометрии.
Глава III Лазерная спектроскопия
В
результате многочисленных актов
переноса электронное возбуждение,
возникшее в ПК, захватывается ФРЦ, так
что его фотоактивный пигмент переходит
в возбужденное состояние. Непосредственно
после локализации возбуждения на
фотоактивном пигменте ФРЦ за время
< Ю-11 с происходит разделение
зарядов: отрыв электрона от возбужденной
молекулы — донора и перенос его на
первичный акцептор.
Как правило, ФРЦ представляет собой пигмент-белковое образование существенно меньших размеров, чем ПК, и содержит 2—6 молекул пигмента. В результате разделения зарядов в ФРЦ возникают два радикала, спектры поглощения которых сильно отличаются от спектров исходных молекул. Поэтому проводить исследование реакции разделения зарядов в ФРЦ предпочтительнее методом пико- секундной абсорбционной спектроскопии. Хотя квантовый выход флуоресценции фотоактивного пигмента ФРЦ низок 10~4) и прямая регистрация кинетики флуоресценции сопряжена со значительными трудностями, метод импульсной пикосекундной флуоро- метрии также является информативным инструментом в изучении разделения и первичной стабилизации зарядов в ФРЦ.
Дальнейший перенос электрона по электрон-транспортной цепи ФРЦ вообще не сопровождается флуоресценцией, поэтому абсорбционные спектрометры пнкосекундного и более медленного диапазонов (в совокупности с методами магнитного резонанса) — абсолютно необходимый инструмент в изучении этого процесса.
На каждом этапе локализации электрона на переносчиках в ФРЦ возможна рекомбинация разделенных зарядов, в результате чего вновь образуется возбужденное состояние фотоактивного пигмента. Это возбуждение с определенной вероятностью возвращается в ПК и высвечивается в виде флуоресценции ПК, сам фотоактивный возбужденный пигмент может перейти в основное состояние с испусканием кванта света или в нем произойдет разделение зарядов. Ясно, что рекомбинацию зарядов в ФРЦ можно исследовать как методом пикосекундной флуорометрии, так и методом абсорбционной спектроскопии.
Таким образом, пикосекундную флуорометрию используют прн исследовании миграции энергии в ПК, захвата возбуждения ФРЦ, возврата его из ФРЦ в ПК, разделения зарядов и рекомбинации разделенных зарядов. Абсорбционная спектроскопия необходима для изучения реакции разделения и рекомбинации зарядов, а также последующего переноса электрона по электрон-транспортной цепи ФРЦ.
К методам лазерной спектроскопии относится также спектроскопия комбинационного рассеяния (КР), с помощью которой можно исследовать природу межмолекулярных взаимодействий.
В основе метода КР лежит явление неупругого рассеяния света молекулами исследуемого вещества. При этом если образец возбуждается монохроматическим излучением с частотой со0, то за счет неупругого взаимодействия света с молекулами образца часть анергии возбуждающего излучения рассеивается в виде излучения, спектр которого является суперпозицией колебаний всех типов молекул исследуемой системы. Иными словами, спектр рассеянного излучения представлен набором линий ш0, ып ± м,-, где со,- — частоты нормальных колебаний молекулы.
В свою очередь, частоты нормальных колебаний молекулы (набор колебательных мод определенного электронного уровня) зависят от природы межмолекулярных взаимодействий, в которые вступает исследуемая молекула. Именно поэтому спектроскопия КР как средство тонкого исследования природы межмолекулярных взаимодействий органических и неорганических молекул привлекает внимание ученых различных специальностей.
В настоящее время существует несколько разновидностей спектроскопии КР- При возбуждении излучением с частотой, не попадающей в полосы поглощения молекул, наблюдается спонтанное КР, интенсивность которого составляет 10~в — 10~10 от интенсивности возбуждающего света. При попадании частоты возбуждающего излучения в полосу поглощения интенсивность линий в спектре КР тех атомов и групп молекул, чей вибронный переход оказывается в резонансе, усиливается (в 103 — 106 раз). Это явление названо резонансным комбинационным рассеянием (РКР).
В последние годы реализована возможность записи полного спектра КР за короткие, вплоть до 10~1г с, интервалы времени при импульсном возбуждении молекул. Такая разновидность спектроскопии КР называется динамическим КР.
Ниже будут подробно описаны основы метода спектроскопии КР и используемые экспериментальные установки. Но вначале необходимо рассмотреть основные сведения о лазерах.
Обычно лазеры классифицируют по типу лазерного материала и методу создания инверсной населенности в активной среде. Лазеры работают как в непрерывном, так и в импульсном режимах. В импульсном режиме достигаются наибольшие значения мощности излучения. Можно выделить три типа импульсных режимов.
Нормальный режим, или режим свободной генерации. В этом случае электрический импульс подается на импульсную лампу накачки (твердотельный лазер) или на плазменную трубку (газовые лазеры). Длительность импульса в этом режиме меняется от 10"я до Ю~5 с, а пиковая мощность может достигать десятков мегаватт
Режим модуляции добротности, при котором для получения мощного короткого импульса света используют ячейку Поккельса (вращение плоскости поляризации под действием электрического поля) или насыщающиеся поглотители. Длительность импульса в таких лазерах составляет Ю-7 — 10~8 с, пиковая мощность достигает 100 МВт.
Режим синхронизации мод основан на перераспределении энергии электромагнитной волны внутри резонатора между пространственно сближенными частотными компонентами, что приводит к формированию ультракоротких импульсов. Длительность импульса составляет 100 фс — 1 не, мощность — 108 — Ю12 Вт.
В электрическом разряде инверсия населенностей возникает в результате возбуждения атомов или молекул электронным ударом. Примерами газовых лазеров могут служить гелий-неоновый лазер (Я = 0,6; 1,1; 3,4 мкм), аргоновый лазер (X — 0,5 мкм) и С02-ла- зер (Я = 10 мкм).
В полупроводниках при иижекции неосновных носителей создается инверсия населенности в тонком переходном слое, расположенном между двумя областями полупроводникового кристаллам—область с повышенным содержанием электронов (я-область) и «дырок» (р-область).
В химических лазерах источником инверсной населенности является химическая реакция, в результате которой образуются атомы, молекулы или химические радикалы в возбужденном состоянии. Наиболее распространенным химическим лазером является лазер, в котором в качестве рабочего вещества используется CF3I. Энергия в импульсе такого лазера составляет сотни джоулей.
В лазере на органических красителях используется широкая полоса люминесценции этих веществ; диспергирующий элемент (призма или дифракционная решетка), выделяя необходимый спектральный участок, производит перестройку частоты излучения. В параметрических генераторах света применяют анизотропные кристаллы, в которых в результате нелинейно-оптического преобразования происходит изменение длины волны возбуждающего света в зависимости от ориентации кристалла.
Таким образом, современные оптические квантовые генераторы позволяют получать монохроматическое слаборасходящееся мощное излучение почти во всех участках электромагнитной шкалы, начиная от у-излучения до глубокого ИК-диапазона