Поглощение света

Согласно основному закону фотохимии, который яв­ляется следствием закона сохранения энергии, фотохи­мическое действие может оказывать только тот свет, который поглощается данной системой. Тот свет, кото­рый не поглощается данной системой, фотохимических реакций вызывать не будет. Поэтому для рассмотрения энергетики фотобиологического процесса необходимо знать поглощательную способность системы. В этом от­ношении наиболее существенны два фактора: 1) общее количество поглощаемой энергии или число квантов, поглощаемых в единицу времени (первый фактор). Этот показатель обычно оценивается с помощью опти­ческой плотности объекта; 2) величина поглощаемого кванта (второй фактор). Первый фактор определяет возможное число реакций, совершающихся в единицу времени, т. е. скорость процесса. Второй фактор опре­деляет энергетику самой фотореакции, т. е. определяет, какая реакция возможна.

Поток световых квантов, проходя через систему, со­держащую молекулы вещества, ослабляется. Ослабле­ние потока квантов происходит вследствие того, что часть квантов поглощается (захватывается) молекула­ми. Пусть I — интенсивность светового потока, т. е. ко­личество квантов, проходящих через данный образец в единицу времени. Ослабление интенсивности света dI будет зависеть от количества столкновений квантов с молекулами вещества. Очевидно, что число этих столк­новений пропорционально числу молекул на пути све-

75

тового потока, т. е. пропорционально концентрации С вещества. С другой стороны, оно должно быть также пропорционально количеству самих квантов, проходя­щих через систему в единицу времени, т. е. интенсив­ности светового потока I. Если взять достаточно малое расстояние dI, на котором происходит поглощение, то ослабление интенсивности потока dI будет пропорцио­нально этому расстоянию. Установленные зависимости можно выразить уравнением:

^— dI ^{= k • I • С • d l , (3)}

где k — коэффициент пропорциональности; знак «ми­нус» перед dI показывает, что световой поток уменьша­ется. Уравнение (3) представляет собой линейное диф­ференциальное уравнение первого порядка. Запишем его в следующем виде:

Проинтегрировав левую и правую части, получим:

где l — толщина образца (длина оптического пути); В— константа интегрирования, которую необходимо определить. Пусть l = 0, Тогда

^{В= -ln I0,}

где ^I0 — интенсивность потока, входящего в вещество. Подставляя значение В в предыдущее уравнение, полу­чаем:

^{l n I0— 1n I =k • C • l , или}

(4)

Отсюда

I = I₀ ^{• e- k C l} (5)

где е — основание натуральных логарифмов.

Уравнения (4) и (5) являются выражением закона Ламберта—Бера: интенсивность светового потока, про­ходящего через вещество, экспоненциально уменьшает­ся в зависимости от длины оптического пути и концент­рации вещества в образце.

76

В уравнении (4) заменим натуральный логарифм на десятичный и новый коэффициент пропорционально­сти обозначим ε. Тогда.

(6)

Десятичный логарифм отношения интенсивности падающего света к интенсивности выходящего из образца, света называется оптической плотностью. Обозначив ее через D, получим:

(7)

В этом случае закон Ламберта—Бера можно сформулировать следующим образом: оптическая плотность об­разца прямо пропорциональна концентрации вещества в образце и длине светового пути. В уравнении (7) ε называется молярным коэффициентом поглощения. Если l=1 и С=1, то ε=D т. е. — это оптическая плотность образца толщиной в одну единицу (1 см) при концентрации вещества 1 моль/л.

Оптическая плотность показывает поглощательную способность вещества. Поглощение тем больше, чем больше отношение I₀/I, т. е. чем больше оптическая плотность.

Вещество неодинаково поглощает свет различной длины волны. Кривая зависимости оптической плотно­сти вещества от длины волны поглощаемого света на­зывается спектром поглощения. Обычно спектры погло­щения молекул имеют непрерывный характер, но обна­руживают максимумы на той длине волны света, где имеется максимальное поглощение квантов света. На рис. 10 приведены спектры поглощения некоторых био­логически важных соединений, поглощающих свет в ви­димой и ультрафиолетовой областях солнечного спект­ра. Белки имеют максимум поглощения на длине волны 280 нм, нуклеиновые кислоты — в области 260 нм, родоп­син— 500 нм, хлорофилл а имеет два максимума погло­щения: 430 и 680 нм.

Как видно из рисунка, спектры поглощения имеют иногда довольно сложный вид, характерный для данного вещества и зависящий от структуры и свойств молекул данного вещества.

₇₇

Изучение спектров поглощения какого-либо фотобиологического процесса позволяет выяснить, какое ве­щество ответственно в данном процессе за поглощение света. Это достигается в результате сравнения спект­ров исследуемого процесса и спектров известных ве­ществ. Кроме этого, по положению максимумов на шка­ле длин. волн можно определить длину волны света, преимущественно поглощаемого этим веществом. Зна­ние длины волны поглощаемого света позволяет опре­делить энергию поглощаемых квантов. А по величине энергии поглощаемых квантов можно рассчитывать рас­положение электронных и колебательных энергетиче­ских уровней молекулы, а также переходы молекул из одного энергетического состояния в другое. Кроме всей этой информации, величина оптической плотности дает сведения о концентрации вещества в исследуемой про­бе. По величине максимумов поглощения на основании уравнения (7) можно делать заключения о концентра­ции вещества в исследуемом объекте.

Метод исследования фотобиологических процессов с помощью спектров поглощения называется абсорбцион­ной спектрофотометрией. Спектры поглощения получа­ют с помощью специальных приборов — спектрофото­метров. На рис. 11 изображена схема строения спект­рофотометра. Свет от источника света Л попадает в монохроматор М, который дает излучение строго опре­деленной длины волны. Из монохроматора свет попа-

78

д ает в кювету К с раствором ис­следуемого вещества. Из кюветы ослабленный поток квантов на­правляется в ФЭУ — фотоэлект­ронный умножитель, который преобразовывает энергию кван­тов в электрическую энергию и усиливает ее. В некоторых слу­чаях вместо ФЭУ может быть использован обыкновенный фото­элемент с усилителем. От ФЭУ электрический ток поступает на регистрирующее устройство Г, прокалиброванное в единицах оп­тической плотности. Им может быть гальванометр или самопи­сец. Поворачивая ручку монохроматора, на объект посылают свет различной длины волны и с регистрирующего уст­ройства снимают показания.

В современных спектрофо­тометрах спектр монохроматора развертывается автома­тически и также автоматически записываются показа­ния на движущейся ленте самописца. В этом случае кю­вету с раствором ставят в камеру, включают прибор и получают готовую кривую — спектр поглощения.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПЕРЕХОДЫ ПРИ ПОГЛОЩЕНИИ СВЕТА И ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ

Если молекула вещества находится в невозбужден­ном состоянии, то электроны расположены на самом нижнем энергетическом уровне. Электронная оболочка молекулы находится при этом в синглетном состоянии, т. е. таком состоянии, когда все электроны спарены и суммарный спиновый момент равен нулю. Это состоя­ние называется основным синглетным состоянием, а уровень, на котором в это время находятся электроны, называется основным энергетическим уровнем. Обозначим его S₀ (рис. 12). Рассмотрим электронные перехо­ды в молекулах на примере электронных переходов в молекуле тирозина. Если молекулы поглощают кванты света, то электроны внешних оболочек молекул перехо­дят на более высокий энергетический уровень S₂^* (пе-

79

Рис. 12. Схема электронных энергетических уровней молекулы тиро­зина (Б), полученная на основании изучения спектров поглощения и излучения (А) тирозина (по Ю. А. Владимирову, 1965).

реход 1 на рис. 12). При этом электронные оболочки остаются в синглетном состоянии, хотя молекула становится возбужденной. Величина энергии поглощенного кванта равна разности двух энергетических уровней между которыми осуществляется переход электрона:

(8)

где ν_{погл .}— частота поглощаемого света, Е₂ и Е₀— энергия уровней, между которыми осуществляется пе­реход. Таким образом, переход электрона с основного синглетного уровня на возбужденный синглетный уро­вень будет соответствовать поглощению света, которое кратко записывается: S_о^:—>S*.

Если молекула может поглощать свет другой дли­ны волны, то электрон перейдет уже не на уровень S₂^*, а на другой уровень, соответствующий энергии погло­щаемого кванта. Если энергия этого кванта будет мень­ше, то энергетический уровень будет расположен ниже S₂^* (на рис. 12 это уровень S₁^* и переход 2). Таких воз­бужденных синглетных уровней молекула может иметь несколько. Каждому из них на спектре поглощения бу­дет соответствовать свой максимум оптической плотно­сти. На рис. 12 показаны только электронные уровни молекулы и не показаны колебательные и вращатель­ные подуровни. Если бы молекулы обладали только электронными уровнями, то количество энергетических

₈₀

переходов было бы ограничено и молекулярные спект­ры имели бы линейчатый характер, а вещества облада­ли бы высокой избирательностью поглощения. В действительности из-за расщепления электронных уровней на колебательные и вращательные подуровни количест­во энергетических переходов молекул значительно воз­растает и молекулярные спектры являются сплошны­ми. При этом наиболее вероятным электронным перехо­дам в спектре поглощения соответствуют максимумы. Кроме этого, большое значение в возникновении сплош­ных спектров молекул имеет взаимодействие молекул с растворителем, характер которого различен для разных молекул.

В возбужденном состоянии молекулы долго находиться не могут; обычно продолжительность периода, пока молекула находится в возбужденном состоянии, не превышает 10^-8 с. Электронная энергия возбужденной молекулы может расходоваться в результате протека­ния нескольких процессов: может передаваться другой молекуле — миграция энергии; может быть использова­на для увеличения колебательной (тепловой) энергии молекулы. Во всех этих случаях электрон либо возвращается на основной энергетический уровень S_о, либо переходит на какой-либо уровень, лежащий ниже дан­ного возбужденного уровня. Штрих-пунктирные стрелки 5 на рис. 12 изображают электронные безизлучательные переходы, сопровождающиеся растратой энергии в тепло.

Кроме вышеназванных процессов, может происхо­дить свечение молекул, сопровождающее их переход в невозбужденное состояние. Электроны при этом возвращаются на основной энергетический уровень. Процесс свечения молекул, сопровождающий переход электронов с возбужденных уровней на основной, называется люминесценцией. Люминесценция делится на два вида: флюоресценцию и фосфоресценцию (послесвече­ние).

Переход электронов с возбужденных уровней на основной всегда начинается с перехода электронов с верхних возбужденных уровней на самый нижний возбужденный уровень.

Это переходы S₂^* —> S₁^* S₁^*—>S₀^*, S₂^*—>S₀^*. Кванты при этом не высвечиваются и элект­ронная энергия молекулы переходит в тепло. Этот про­цесс растраты энергии происходит очень быстро — за

5. Медицинская биофизика

81

10^-13—10^-12 с. Следующий этап перехода электронов заключается в переходе с нижнего возбужденного уров­ня S₀^* на основной уровень S₀. При этом будет высвечи­ваться квант люминесценции. Так как часть запасенной при поглощении света энергии растратилась в тепло, то энергия кванта люминесценции всегда будет меньше энергии поглощенного кванта. Она будет меньше на величину растраченной в тепло энергии Е_тепл:

г де ν_люм — частота света, испускаемого при люминесценции. Следовательно, излучаемый свет будет иметь меньшую частоту и большую длину волны, чем погло­щаемый свет. Эта зависимость носит название закона Стокса: длина волны света, испускаемого при люминесценции, всегда больше длины волны света, который ее вызвал: λ_люм >λ _погл. Данная закономерность является отражением второго закона термодинамики, согласно которому переход энергии из одной формы в другую сопровождается рассеиванием энергии в тепло.

Интенсивность люминесценции оценивается c помощью специального понятия — квантового выхода. Под квантовым выходом люминесценции <φ понимается отношение количества квантов люминесценции п к количеству поглощенных квантов N:

( 10)

Так как люминесценция всегда наблюдается при пере­ходе электронов с нижнего возбужденного уровня на основной, то интенсивность люминесценции не будет за­висеть от того, на какой уровень перед этим был забро­шен электрон при поглощении кванта. Это положение носит название закона Вавилова: квантовый выход (ве­роятность) люминесценции не зависит от длины волны света, вызвавшего люминесценцию.

Люминесценция, которая наблюдается при переходе электрона с нижнего возбужденного синглетного уров­ня на основной S₀^*—>S₀, называется флюоресценцией. Так как длительность жизни молекул в возбужденном состоянии составляет 10^-9—10^-8 с, то флюоресценция наблюдается только непосредственно во время освеще­ния объекта. Однако давно обнаружено, что многие ве­щества (особенно при низкой температуре) продолжа-

82

ют интенсивно светиться даже после выключения света. Это свечение обусловлено переходом электронов с так называемого триплетного уровня. Выше уже говори­лось о триплетном состоянии электронных оболочек, при котором имеются два неспаренных электрона. Триплетный уровень (Т на рис. 12) расположен несколько ниже нижнего синглетного возбужденного уровня S₀^*. Триплетный уровень является запрещенным — сюда электрон не может попасть с основного уровня (пере­ходы S₀—T маловероятны). На триплетный уровень электрон может попасть с возбужденного синглетного уровня; тогда весь его путь будет S₀—>S^*—>Т. Элект­рон часть энергии расходует в тепло и переходит с ниж­него возбужденного синглетного уровня на триплетный. При этом переходе спин электрона меняется на проти­воположный, в результате чего два электрона стано­вятся неспаренными, а молекула превращается в бирадикал.

Продолжительность жизни молекулы в триплет­ном состоянии составляет от 10^-3 с до нескольких се­кунд. Так как в триплетном состоянии молекула имеет два неспаренных электрона, то она обладает высокой химической активностью и может вступать в химиче­ское взаимодействие. Кроме того, электрон может пере­ходить с триплетного уровня на основной и освобожда­емая при этом энергия или рассеивается в тепло, или высвечивается в виде кванта люминесценции. Люмине­сценция, которая сопровождает переход электронов с триплетного уровня на основной Т—>S₀ (переход 4 на рис. 12), называется фосфоресценцией. Так как три­плетный уровень находится ниже синглетного возбуж­денного уровня, то длина волны света, испускаемого при фосфоресценции, еще больше, чем испускаемого при флюоресценции.

Если по одной оси отложить длину волны излучае­мого при люминесценции света, а по другой оси — ин­тенсивность люминесценции, то получим кривую спект­ра люминесценции. Спектры люминесценции делятся на спектры флюоресценции и спектры фосфоресценции. На рис. 12, А изображены спектры поглощения и люминесценции тирозина. Уровень S₀ — основной синглетный уровень молекулы тирозина — условно обладает энер­гией, равной нулю. Тогда переход электрона S₀—S₂^* при поглощении света требует энергии 5,7 эВ (электрон-вольт). Этому переходу будет соответствовать макси-

6* 83

мум в спектре поглощения на длине волны 217 нм. Другому электронному переходу при поглощении кван­та S₀—>S₁^* соответствует запасание энергии 4,5 эВ и в спектре поглощения соответствует максимум при λ = = 275 нм. Флюоресценция происходит, когда электрон возвращается с нижнего возбужденного синглетного уровня на основной. При этом выделяющийся квант обладает энергией 4,1 эВ. Эта энергия меньше энергии поглощенных квантов (5,7 и 4,5 эВ). Данному переходу соответствует максимум в спектре флюоресценции при λ = 304 нм. Так как длина волны света, испускаемого при флюоресценции, больше длины волны поглощенно­го света, то спектр флюоресценции смещен вправо по шкале длин волн относительно спектра поглощения. Фосфоресценции соответствует переход Т—>S₀. При этом излучается квант с энергией 3,2 эВ. Данному пе­реходу в спектре фосфоресценции соответствует макси­мум при λ = 387 нм. Спектр фосфоресценции смещен еще правее по шкале длин волн, чем спектр флюорес­ценции.

Спектры люминесценции, как и спектры поглоще­ния, получают с помощью спектрофотометров. Эти спектрофотометры имеют несколько иную конструкцию, чем рассмотренные выше. В частности, они содержат ряд светофильтров.

На основании данных о люминесценции можно су­дить о величине квантов энергии, запасаемой в моле­куле. Наряду с данными о квантах поглощаемой энергии это позволяет рассчитывать расположение энер­гетических уровней молекулы. На основании люминес­центного метода можно судить о времени жизни моле­кул в возбужденном состоянии — по скорости возникно­вения и исчезновения люминесценции. Исходя из ин­тенсивности люминесценции, можно делать заключения о процессах растраты энергии молекулой. Наконец, с помощью люминесцентного метода очень удобно иссле­довать состояние вещества; даже его незначительное изменение (агрегация, комплексообразование, изменение рН и т. д.) сказывается на люминесцентных свойствах.

ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ И ЕЕ ДИАГНОСТИЧЕСКОЕ