2.2. Биологиялық жүйелердің люминисценциясы.

Молекуланың қозған қалыпқа көшуін сол молекуламен жарықтың квантының энергиясын жинақтауы ретінде қарастыруға болады. Бірақ, бұл энергия өте жылдам жұмсалады. Энергия жылуға көшеді де қоршаған ортаға беріледі. Бұл процесстер өте жылдам ағады (10^-13 – 10^-11 с. жеткілікті). Әр түрлі мөлшердегі энергияның квантын жұтқан молекула біраздан кейін қозудың ең төменгі деңгейіне көшеді.

Әрі қарай энергия баяу жұмсалады. Төменгі синглетті қозған қалыптағы (S₁) молекуланың өмір сүру уақыты - 10^-9-10^-8с. Бұл деңгейде жинақталған энергия жылу беруге (S*Sо сәулелендірусіз көшуі), сәулелену квантын шығаруға (S*Sо флуоресценция арқылы көшуі) немесе фотохимиялық реакцияның орындалуына жұмсалуы мүмкін.

Жұту спектрлеріне қарағанда күрделі молекулалардың люминисценция (флуоресценция) спектрлерінің шекаралары анық емес. Ақпаратты көбінесе жолақтардың максимумдерінің толқындарының ұзындықтары емес, қарқындылық, поляризация және сәулеленудің уақыты сияқты параметрлер береді.

2.2.1. Флуоресценцияның кванттық шығуы

Кванттық шығудың шамасы () сәулеленумен көшулердің үлесімен, яғни сингетті деңгейден (S₁) жіберілген флуоресценция кванттарының затпен жұтылған кванттарына ара қатынасымен анықталады және сәулелендіру арқылы синглетті қозған қалыптың дезактивация ықтималдығынан тәуелді. Вавиловтың заңы бойынша синглетті қалыптағы (S₁) өмір сүру уақыты және кванттық шығу () қоздыратын жарықтың толқынының ұзындығынан тәуелсіз болады.

Жұтылған кванттың энергиясы жиі жылулық флуктуацияларға жұмсалады, сондықтан флуоресценция квантының энергиясы төмендеу болуы мүмкін, яғни флуоресценцияның спектрі ұзынтолқынды жұту жолағының ең ұзынтолқынды жағына қарай ығысады (Стокстың заңы, сурет 37).

Сурет 37 – Триптофанның молекуласының жұту, флуоресценция және фосфоресценция спектрлері.

Жұту және қозу

Стокстың заның бейнелейтін схема.

Флуоресценция жолақтарының формасы негізгі қалыптың тербелмелі деңгейлерінің үлестірілуімен анықталады, яғни негізгі қалыптың (So) тербелмелі құрылымын сипаттайды. Негізгі және қозған қалыптар үшін энергия бойынша тербелмелі деңгейлердің таралуы жиі бірдей болады, сондықтан жұту және флуоресценция жолақтары О-О көшуі бойынша айна тәрізді болады (Левшиннің заңы, сурет 38). Органикалық молекулалардың тербелмелі деңгейлерінің жиынтығы өте күрделі болады, сондықтан, анық максимумдердің тізбегінің орнына күрделі молекулаларының спектрінде кең жолақ байқалады.

Флуоресценция әрқашан бірінші қозған қалыптың төменгі деңгейінен пайда болады. Идеалды флуоресценциялайтын молекулалар үшін ( = 1) келесі жайды есте сақтау керек: стационарлы жағдайларда 1 секундасындағы кванттарды шығару акттардың саны жұту акттардың санына тең болады, яғни қозған деңгейден негізгі деңгейге барлық көшулер флуоресценциямен қатар ағады.

Жұту

Сурет 38 – Айна тәрізді симметрия заңын (Левшиннің заның) бейнелейтін схема.

Бірақ, табиғатта байқалатын флуоресценцияның кванттық шығуы әрқашан бірден төмен, өйткені молекулаларда сәулелендірусіз ағатын процестер де болады. Сұйық ерітінділерде люминисценциялайтын қосылымдардың молекулалары бұл қалыптың өмір сүру кезінде еріткіш пен басқа заттардың молекулаларымен бірнеше рет соғылысуға үлгереді. Бұл кезде қозудың энергиясы жартылай жұмсалады (люминисценцияның сөнуі). Люминисценцияның ең тиімді сөндірушілерінің қатарына парамагниттік иондар (Fe²⁺, Mn²⁺, Ni²⁺, Co²⁺ және т.б.), молекулярлы оттек және кейбір галогендер (йод, бром және т.б.) жатады.