382 Глава 13

13. 7. В общем случае вязкость повышается при добавлении различных солей в воду, это означает, что г)_отн>1. Однако в нескольких случаях для разбавленных растворов г|₀тн^1. Предложите возможное объяснение.

13. 8. При некоторых значениях ионной силы и pH индивидуальный поли­нуклеотид обладает достаточно малой зависимостью т|_уд/с от с и [г\] почти не зависит от сдвига. При изменениях pH зависимость от концентрации и от сдвига заметно повышается так же, как истинное значение [г)1. Каково воз­можное действие изменения pH?

13. 9. Обычно в растворах нативной ДНК из-за жесткости молекулы наблюдается относительно небольшая зависимость [ті] от ионной силы. Одна­ко отдельные препараты ДНК, выделенные из бактерий, обладают таким свойством, что при низкой ионной силе [т]] становится существенно меньше. Более того, если раствор разбавить прежде, чем понизить ионную силу, Т|₀тп оказывается выше, чем в том случае, если ионную силу понизили перед раз­бавлением раствора. Это не соблюдается для всех препаратов ДНК из этой бактерии. Какое возможное объяснение такого эффекта для данного образца?

13. 10. Препарат суперепирализованной ДНК подвергли обработке, при которой с постоянной скоростью через каждые 30 мин происходит один одно­цепочечный разрыв. В среднем требуется 10 таких одноцепочечных разрывов прежде, чем произойдет разрыв двойной спирали. Предположим, что измере­ния можно производить достаточно быстро, так что вязкость существенно не изменится за время измерения. Нарисуйте график зависимости Т)отн ОТ времени.

Глава 14

Абсорбционная спектроскопия

Молекулы поглощают свет. Длины волн, при которых происхо­дит поглощение, и степень поглощения зависят от структуры и от окружения молекулы, поэтому абсорбционная спектроско­пия является полезным инструментом для характеристики ма­кромолекул различного размера.

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 (рис. 14-1).

Энергия волны Е равна

где h — постоянная Планка, с — скорость света, λ — длина вол­ны, v — частота. Когда волна сталкивается с молекулой, она мо­жет либо рассеиваться (т. е. изменяется направление ее распро­странения), либо поглощаться (т. е. ее энергия передается 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 хромофо-

(1)

РИС. 14-1.

Распространение электромагнитной волны в пространстве. Векторы Е и Н все время взаимно перпендикулярны.

ром. Обычно энергия возбуждения превращается в тепло (кине­тическую энергию) в результате столкновения возбужденной молекулы с другой молекулой (например, молекулой раствори­теля). В случае некоторых молекул она вновь излучается (в гл. 15 детально обсуждается механизм флуоресценции). В обоих случаях интенсивность света, прошедшего через моле­кулу, содержащую набор хромофоров, меньше интенсивности па­дающего света.

Возбужденная молекула обладает набором дискретных кван­тованных энергетических состояний, описываемых законами квантовой механики. Эти состояния называются энергетическими уровнями молекулы. Главные энергетические уровни определя­ются возможным пространственным распределением электронов и называются электронными энергетическими уровнями; на них накладываются колебательные уровни, которые указывают на различные типы колебаний молекулы [например, растягивание и изменение углов различных ковалентных связей]. Имеются и еще более близко расположенные уровни, называемые вращательны­ми, но они не очень важны в абсорбционной спектроскопии и не будут обсуждаться. Все эти энергетические уровни обычно опи­сываются схемой энергетических уровней (рис. 14-2). Самый низкий электронный уровень называется основным состоянием, а все другие — возбужденными.

Поглощение энергии происходит с наибольшей вероятностью только в том случае, если количество поглощенной энергии соот­ветствует разности энергий квантованных состояний. Это можно выразить, констатируя, что свет с длиной волны λ поглощается только тогда, когда

(2)

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. На схеме энергетических уровней переходы изображаются вертикальными стрелками. Зависимость вероят­ности поглощения от длины волны называется спектром погло­щения. Задача абсорбционной спектроскопии состоит в накоп­лении и анализе данных по поглощению. Если бы все переходы происходили только между самыми низкими колебательными уровнями основного состояния и первого возбужденного состоя­ния, тогда спектр поглощения состоял бы из узких, дискретных линий. Однако, поскольку возможны переходы с основного со­стояния на любой колебательный и вращательный уровни пер­вого возбужденного состояния, а линии имеют конечную ширину, то спектр проявляется в виде относительно плавной кривой (рис. 14-6). Для большинства молекул длины волн, соответствую­щие переходам между основным состоянием и любым колеба-

• Далеко не все переходы происходят с высокой вероятностью; в реаль­ных системах действуют определенные ограничения, или правила отбора квантовой механики. Эти правила не будут здесь обсуждаться.

13—383

АБСОРБЦИОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ 385