18.Классификация электронных переходов. Основные хромофоры некоторых многоатомных молекул (белков и нуклеиновых кислот) и их спектры поглощения.

Интенсивность поглощения в спектре связанно с вероятностью данного типа электронного перехода. Для установления связи электронных спектров со строением органических соединений необходимо сделать отнесение полос поглощения к определенным электронным переходам. Наиболее широко применяются в решении задач электронных спектров метод молекулярных орбиталей(МО), при котором предполагается что для атомов, входящих в состав молекулы, внутренние электроны и электроны, не участвующие в образовании связей, сохраняют ту же энергию, что и в индиви-дуальном атоме(находятся на атомных орбиталях). Валентные же электроны располагаются на новых энергетических уровнях, отличающиеся от атомных. Эти уровни– МО– характеризуются своими волновыми функциями(ψ1– ψn). Электронные переходы при поглощении УФ и видимого излучения мо-гут быть квалифицированны с точки зрения их МО между которыми проис-ходят переходы, или в соответствии с симметрией состояний. Малликен Р. (1941 г.) предложил рассматривать нормальное состояние N, возбужденные состояния валентной оболочки Q и V и состояния, в кото-рых один из валентных электронов возбуждается до уровня, соответствую-щего более высокой валентной оболочки R. Соответственно переходы под-разделяются на:

(R – ридберговы переходы, с изменением главного квантового числа с последующей фотоионизацией молекулы). Если неподеленная пара вступает в π-сопряжение(р-π-сопряжение), то это l-тип электрона. По-скольку для таких молекул не верно обозначение π и π∗ , то вводятся обозначения aπ и bπ для антисвязывающей и связывающей орбиталей π-происхождения. Для электронных переходов существует правила отбора: 1. По мультиплетности: запрещены переходы между состояниями различной мультиплетности(с поворотом электрона). Разрешены S→S(синг-лет–синглетные переходы) и запрещены S→Т(синглет–триплетные). 2. По симметрии: Разрешены переходы, для которых симметрия ВЗМО совпадает с симметрией одного из компонентов момента перехода. 3. Запрещены переходы, при которых происходит возбуждение более чем одного электрона. Интенсивность поглощения, соответствующего раз-решенным переходам, обычно высока, lg ε ≥4, тогда как запрещенных пере-ходов значение ε составляет1–2. Лучше изучены первичные фотофизические процессы многоатомных молекул: хромофор, поглотив квант энергии излучения, переходит из основного синглетного состояния S₀ в некоторое синглетное возбужденное состояние, а затем, теряя часть энергии вследствие колебательной релаксации и внутренней конверсии, очень быстро, за доли пикосекунды, переходит в первое синглетное возбужденное состояние S₁, излучательное время жизни которого составляет наносекунды. В состоянии S₁ существует больцмановское распределение по колебательным степеням свободы, однако при температуре глаза T = 310 K максимально заселен нулевой колебательный уровень. При этом колебательная энергия будет сосредоточена именно на колебаниях связей с водородом вследствие их большой ангармоничности, а не на колебаниях связей углеродного скелета хромофора [5], так что перенос протона от возбужденного хромофора к опсину весьма вероятен. Из этой картины следуют выводы, аналогичные известным законам фотоэлектрического эффекта (А.Г. Столетов, А. Эйнштейн), люминесценции (С.И. Вавилов, М. Каша), фотохимии (Й. Штарк, А. Эйнштейн): а) наименьшую энергию возбуждающего кванта определяет энергетическая щель между нулевыми колебательными уровнями состояний S₁ и S_o ("красная граница"); б) число возбужденных комплексов ретинилидена с опсином, вступающих в реакцию изомеризации в условиях термодинамического равновесия с окружением, равно числу поглощенных квантов независимо от их энергии, исключая, вероятно, только окрестность "красной границы". Этому соответствует экспериментальный факт: квантовый выход фотоизомеризации ретинилидена Ф = 1 [4]. Таким образом, глаз представляет собой счетчик квантов, и поэтому для характеристики визуально наблюдаемых излучений важны не энергетические, а квантовые величины, в частности, спектральная плотность потока квантов (квантовый спектр). Поэтому именно спектральный состав световых квантов является определяющим параметром адаптации дневного зрения к дневному свету.

19.Принципы и инструментальное использование электронной абсорбционной спектроскопии. Стандартный диапазон измерений в абсорбционной спектрофотометрии 180-1100 нм. Он включает в себя три области спектра: ближнюю ультрафиолетовую область - 180-380 нм; видимую -380-760 нм и ближнюю инфракрасную - 760-1100 нм. Электронные спектры молекул охватывают область от ~ 100 нм до ~1000 нм, которая подразделяется на две: видимую с интервалом длин волн от 400 до 1000 нм и ультрафиолетовую (УФ) с интервалом от 400 до 100 нм. Причем такое различие делается по чисто физиологическим причинам: видимая область воспринимается человеческим глазом, ультрафиолетовая нет. В свою очередь УФ-область также делится на две части: ближнюю от 200 до 400 нм и далекую, или вакуумную, - от 100 до 200 нм. Термин «вакуумная» применяют в связи с тем, что воздух имеет полосы поглощения, лежащие в данной области, и поэтому для исследования необходимо применять вакуумные спектрометры. Электронные спектры поглощения как и другие методы молекулярной спектроскопии применяются для решения самых разнообразных задач при исследовании строения и свойств органических соединений и их количественном анализе: определение структуры и идентификация веществ, контроль чистоты исследуемых молекул, изучение кинетики и механизма химических реакций, количественное определение состава одно- и многокомпонентных систем, точное измерение констант диссоциации кислот и оснований, исследование процессов комплексообразования (особенно донорно-акцепторного характера) и т.д. Свойство атомов и молекул поглощать свет с определенной длиной волны, характерной для данного вещества, широко используется в различных областях народного хозяйства, медицине и фармации для качественных и количественных исследований. Измерение спектров поглощения позволяет судить о химическом составе вещества и его состоянии в биологических структурах. Для регистрации спектров поглощения используются приборы спектрофотометры.

20.Электронная абсорбционная спектроскопия( назначение, устройство и принцип работы спектрофотометров). Для регистрации спектров поглощения используются приборы спектрофотометры. Спектрофотометры, предназначенные для работы в оптическом диапазоне частот, по спектральному интервалу подразделяются на приборы инфракрасной, видимой, ультрафиолетовой и вакуумной областей Каждый прибор независимо от спектрального диапазона включает три основных узла: а) источник электромагнитного излучения; б) монохроматор, в) нриемно-регистрирующее устройство. На рисунке представлена его принципиальная схема. Источник 1 направляет луч сложного спектрального состава на линзу 2, фокусирующую источник на входную щель 3. Коллиматорный объектив 4 превращает расходящийся пучок в параллельный, который попадает на диспергирующий элемент 5 (призма, дифракционная решетка). Последний разлагает сложный свет на составляющие (спектр), т.е. осуществляет пространственное разделение лучей света с различными длинами волн. Камерный объектив 6 предназначен для создания из системы параллельных пучков разных длин волн системы монохроматических изображений входной щели. Выходная щель 7 «вырезает» нужную длину волны. Вращая призму 5, получают развертку спектра, т.е. проецируют на щель различные длины волн Световой поток 11 проходя через кювету с исследуемым образцом 8, ослабляется вследствие поглощения . Величина регистрируется системой 9 (фотоэлемент, фотоумножитель). В спектрофотометрах для снятия электронных спектров применяются два источника света: водородная (дейтериевая) лампа в диапазоне 200-350 нм и лампа накаливания от 350 нм и далее. Источник (И) испускает свет, монохроматор (М) выделяет из него нужный участок спектра. Этот свет далее проходит либо через измерительную кювету (К.1), в которую помещают исследуемый раствор, либо через кювету сравнения (К2), заполненную растворителем (в этом случае кювету К2 помещают вместо кюветы К1). Свет, прошедший через кювету, регистрируют фотоприемником (Ф), и его интенсивность либо записывают каким-либо регистратором, либо отображают на индикаторе. В качестве индикатора можно использовать стрелочный прибор. Две кюветы используют для того, чтобы исключить паразитные эффекты, связанные с поглощением света в растворителе и его отражениями от стенок кюветы.

Спектрофотометр состоит из следующих основных блоков: источника света (И); монохроматора (М); измерительной кюветы (К1) и кюветы сравнения (К2); фотоприемника (Ф) и регистратора (индикатора) (Р) .Рисунок — Принципиальная схема спектрофотометра. Спектрофотометрия используется в химии, биологии, медицине, фармации и других науках для следующих целей: - измерение концентрации белков и нуклеиновых кислот; - оценка кровоснабжения тканей на основе измерений степени оксигенации гемоглобина; - измерение рН среды с помощью красителей, изменяющих спектр поглощения с изменением рН;- определение концентрации различных лекарственных средств, имеющих характерные спектры поглощения (рутин, берберин); - отслеживание динамики размножения микроорганизмов по изменению оптической плотности среды, в которой они находятся.

21.Электронная абсорбционная спектроскопия( назначение, устройство и принцип работы фотоэлектроколориметров). Фотоэлектроколориметры применяются в науке (биохимии, биологии, медицине, фармации и др.), пищевой и фармацевтической промышленности для следующих целей: измерение концентрации окрашенных веществ, например,некоторых витаминов и лекарств, в растворе;- определение рН среды по цвету добавленных в раствор рН-индикаторов; - определение активности ферментов по интенсивности окрашивания раствора после добавления соответствующих химических реагентов, дающих окрашенные реакции с продуктами ферментативной реакции (например, оценка активности АТФ-аз по скорости образования неорганического фосфата); - оценка скорости роста микроорганизмов по увеличению оптической плотности культуральной жидкости вследствие рассеяния света на микроорганизмах. Фотоэлектроколоримегр состоит из следующих основных блоков (рисунок ): источника света (И), светофильтров (СФ), двух кювет - К1 - кюветы сравнения, заполненной растворителем, и К2 - кюветы для исследуемого

раствора, полупрозрачного зеркала (3), расщепляющего прошедший пучок света на два фотоэлемента (Ф1) и (Ф2). Источник света создает излучение в широком диапазоне длин волн, светофильтр выделяет из него нужный участок спектра. Этот свет далее проходит либо через кювету (К2), в которую помещают исследуемый раствор, либо через кювету сравнения (К1), в которой находится растворитель Пучок света, прошедший через кювету, расщепляется полупрозрачным зеркалом на два пучка, интенсивности которых регистрируются фотоприемниками Ф1 и Ф2. Два фотоприемника используются для измерений в разных участках спектра.