Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского

Л.И. Карнаухова, Е.Н. Тупицын

УФ-спектроскопия биологических макромолекул

(учебно-методическое пособие)

Саратов 2002

Общая теория поглощения света молекулами.

Световая волна состоит из взаимно перпендикулярных электрического и магнитного полей, амплитуды которых по мере распространения в пространстве изменяются по синусоиде. Энергия волны Е равна

где h- постоянная Планка, с- скорость света, - длина волны, - частота. Когда волна сталкивается с молекулой, она может либо рассеиваться (т.е. изменять направление её распространения), либо поглощаться (т.е. её энергия передаётся молекуле). Относительная вероятность протекания того или иного процесса является свойством той молекулы, с которой произошло столкновение. Если произошло поглощение электромагнитной энергии света, о молекуле говорят, что она возбуждена или перешла в возбужденное состояние.

Молекула или часть молекулы, которая может быть возбуждена посредством поглощения света в видимой и ближней УФ-области, называется хромофором.

Ультрафиолетовая область является коротковолновой областью спектра, с одной стороны примыкающей к видимой её части, а с другой переходящей на рентгеновский спектр. Весь УФ-спектр делят на ближний с длиной волны 400-300 нм, примыкающий к видимой области (400-800 нм), дальний УФ (300-200 нм) и вакуумный (200-50 нм). 1 нанометр=10^-9м = 10Å).

Абсорбционная УФ-спектроскопия изучает спектры поглощения.

Поглощение энергии происходит с наибольшей вероятностью только в том случае, если количество поглощенной энергии соответствует разности энергий квантованных состояний. Таким образом, свет с длиной волны  поглощается только тогда, когда

где Е₁- энергетический уровень молекулы до поглощения, а Е₂- энергетический уровень, достигаемый в результате поглощения.

Изменение энергетического состояния при испускании или поглощении кванта называется переходом. Упрощенно переход между электронными энергетическими уровнями соответствует энергии, необходимой для перемещения электрона с одной орбитали на другую. Зависимость вероятности поглощения от длины волны называется спектром поглощения. Задача абсорбционной спектроскопии состоит в накоплении и анализе данных по поглощению.

Итак, поглощение световой энергии в видимой и УФ-области связано с различным типом электронных переходов. Оптические спектры атомов связаны с квантовыми переходами электронов внешней электронной оболочки. При объединении атомов в молекулу обобществленные (валентные) электроны образуют внешнюю оболочку и остаются ответственными за оптические спектры.

1. Типы электронных переходов.

Как следует из литературы [1-3] различают молекулярные орбитали  и -типа. Орбиты обоих типов могут быть связывающими  и  (с объединением атомов) и разрыхляющими (с разъединением атомов). Поглощение света сопровождается переходом со связывающей  или  орбитали на разрыхляющую (* или *). В связи с этим различают -* и -* переходы.

Не участвующие в образовании химических связей электроны неподеленных пар (например 2s² у азота) образуют несвязывающие n-орбитали. Энергия неподеленной пары электронов в молекуле равна её энергии в изолированном атоме. Несвязываюшие n-орбитали локализованы на отдельных атомах, тогда как  и - орбитали обычно распространяются на два или более атома в молекуле.

Как видно из рис. 1 уровень n несвязывающей орбитали расположен выше уровней связывающих  и -орбиталей. В основном состоянии  ,  и n орбитали обычно заняты электронами, а * и *-орбитали свободны. Поглощение света происходит в результате переходов с занятых орбиталей на свободные. Наибольшей энергии требует -* переход, характерный для насыщенных молекул и соответствующих поглощению в вакуумном УФ (<200 нм). Переходы -* происходят в молекулах с сопряженными связями и в ароматических молекулах. Они связаны с поглощением в видимой области или ближнем УФ. Переходы n-* и n-* происходят в молекулах, содержащих гетероатомы (N, O, S и т.п.). Для биологических макромолекул типичны переходы в дальней УФ области спектра.

E
Рис.1 Типы электронных переходов