4.8 Методы люминесцентной спектроскопии в биологии и медицине

Излучение телом электромагнитных волн, интенсивность которых превышает равновесное (температурное), определяемое законом Кирхгофа, известно как холодное свечение или люминесценция.

Как и всякое излучение, люминесценция характеризуется спектральной плотностью излучаемых сигналов и состоянием поляризации. При изучении люминесценции часто энергетические характеристики выражают в относительном виде, например, пользуются величиной отношения излучаемой энергии к поглощаемой, называемой выходом люминесценции.

В случае фотолюминесценции используется понятие спектр выхода, – зависимость выхода от частоты возбуждающего света, и спектр поляризации – зависимость степени поляризации от частоты возбуждающего света.

Процессы, связанные с люминесценцией подчиняются правилу Стокса: длина излучаемой волны больше длины волны возбуждающего света (максимум спектра люминесценции смещен в длинноволновую сторону от максимума спектра поглощения), т.е:

(4.20)

где ,

- энергия, затраченная на другие процессы, кроме фотолюминесценции.

Однако в ряде случаев, когда к энергии возбуждающего фотона добавляется энергия теплового движения атомов, молекул или ионов люминофора, наблюдают антистоксово излучение, т.е. , при этом:

(4.21)

где – коэффициент, зависящий от природы люминофора,

Дж/К – постоянная Больцмана,

– абсолютная температура люминофора.

С ростом температуры люминофора антистоксово излучение проявляется более ярко.

Энергетическим выходом люминесценции называют отношение излучаемой веществом энергии к поглощенной энергии возбуждения :

(4.22)

С течением времени интенсивность люминесценции изменяется по экспоненциальному закону:

(4.23)

где – интенсивность свечения в текущий момент ,

– интенсивность свечения в момент возбуждения люминесценции,

– время, в течение которого интенсивность свечения уменьшается в раз, называют средней продолжительностью возбужденного состояния атомов или молекул люминофора, и величина его, как правило, лежит в пределах с. При отсутствии гасящих процессов характерное время определяется в основном внутримолекулярными процессами.

По времени протекания люминесценция разделяется на флуоресценцию и фосфоресценцию.

Флуоресценция обусловлена переходами атомов, молекул или ионов из возбужденного состояния в нормальное и прекращается сразу после окончания действия возбудителя свечения.

Фосфоресценция является длительным свечением (до нескольких секунд) и обусловлена наличием метастабильных возбужденных состояний атомов и молекул, переход из которых в нормальное состояние задерживается, или стимулируется дополнительным возбуждением, например, тепловым (замедленная флуоресценция).

Отметим, что разделение на флуоресценцию и фосфоресценцию является достаточно условным.

По типу возбуждения различают: ионолюминесценцию, кандолюминесценцию, катодолюминесценцию, фотолюминесценцию, радиотермолюминесценция, рентгенолюминесценцию, электролюминесценцию, триболюминесценцию, кристаллолюминесценцию, биолюминесценцию, хемилюминесценцию, из которых два последних вида представляют особый интерес для исследований БО.

Биолюминесценцией называют свечение БО, связанное с протеканием биохимических реакций, при которых возбуждаются определенные молекулы и излучается свет при переходе их из возбужденного состояния в основное. Свечение наблюдается у нескольких видов бактерий, низших растений (грибов), беспозвоночных животных (от простейших до насекомых включительно), а также у рыб (рис. 4.11).

Рис. 4.11 Примеры биолюминесцентного свечения.

Биолюминесценция более широко распространена среди обитателей морей и океанов. Здесь светящиеся организмы иногда размножаются в большом количестве и вызывают свечение воды в морях и океанах. У многих организмов (бактерии, простейшие, ракообразные, грибы и др.) свечение происходит постоянно и непрерывно, если в окружающей среде есть кислород. У других биолюминесценция происходит отдельными вспышками и связана с условиями жизнедеятельности (голод, период размножения и др.).

Хемилюминесценция (ХЛ) является примером непосредственного преобразования химической энергии в электромагнитную. Спектр ХЛ может лежать в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой области диапазона ЭМВ.

Частным случаем ХЛ является биолюминесценция.

Отметим, что механизм ХЛ лежит в основе работы химических лазеров.