8.5. Люминисценция. Миграция энергии

Люминесценцией называют излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела при данной температуре и при условии, если это излучение обладает послесвечением от 10^-10с и более. Люминесценция делится на флюоресценцию и фосфоресценцию (послесвечение). При люминесценции наблюдаем переход с нижнего возбужденного подуровня на основной. При этом излучается фотон с энергией, меньшей энергии падающего фотона. Поэтому длина волны света, испускаемого при люминесценции, больше длины волны падающего света. Это положение называется правилом Стокса . Интенсивность люминесценции расценивается с помощью квантового выхода

, (8.6)

где n - количество квантов люминесценции; N - количество поглощенных квантов.

Согласно закону Вавилова, квантовый выход (вероятность) люминесценции не зависит от длины волны света, вызвавшего люминесценцию.

Миграция энергии - это безызлучательная передача энергии от молекулы к молекуле на расстоянии, значительно превышающем межатомное. Эта энергия происходит без растраты в тепло и без кинетических соударений донора и акцептора энергии. Когда молекула поглощает энергию, то электрон с основного энергетического уровня переходит на более высокий. При движении такого рода электронов в молекуле создается переменное электромагнитное поле, частота которого определяется уровнем возбужденного электрона. Если рядом с такой молекулой находится невозбужденная молекула, которая имеет такой же энергетический уровень, то возникает явление резонанса. При этом невозбужденные молекулы возбуждаются, и наоборот, таким образом, энергия невозбужденной молекулы целиком передается возбужденной.

- миграция энергии от А к В. Таким образом, для миграции энергии необходимо, чтобы:

1) донор энергии обладал способностью к созданию распространяющегося электромагнитного поля, то есть к способности люминесценции;

2) частота колебаний электромагнитного поля донора совпадала с частотой колебаний акцептора;

3) донор и акцептор были сближены на достаточное расстояние (1-10 нм).

Наличие миграции энергии определяют с помощью спектральных методов. Если обнаруживается, что вещество, не участвующее в фотохимической реакции начинает люминесцировать, это говорит о наличии миграции, то есть о том, что молекулы этого вещества получили энергию от других молекул, непосредственно участвующих в поглощении света. Рассмотренный вид миграции энергии называется резонансным, поскольку он осуществляется в результате резонанса донора и акцептора энергии. Вероятность миграции: 5% у белков, 30% - нуклеиновых кислот, 100% - веществ с высокой концентрацией хромофоров - соединений, которые содержат систему сопряженных кратных связей.

Второй вид миграции энергии называется акситонной миграцией. В отличие от резонансной, акситонная миграция осуществляется на сравнительно большом расстоянии. Возбужденный электрон перемещается от одной молекулы к другой вдоль возбужденного уровня. "Дырка", которая возникает после ухода электрона, перемещается вслед за ним по этому же уровню. Такая перемещающаяся пара электрон-дырка называется акситоном.

Биолюминесценция представляет собой свечение в видимой области оптического спектра, свойственное некоторым живым организмам. Этому виду люминесценции характерна высокая эффективность превращения химической энергии в световую. Этот механизм определяется реакциями окисления.

Бойль Р. помещал кусок гнилого пня под колпак воздушного насоса. При откачивании воздуха свечение прекращалось и возобновлялось после пускания под колпак воздуха. В организме некоторых животных происходит ферментативное окисление богатых водородом органических соединений - люциферинов (лат. lux (lucis) свет + ferre носить, букв. Носитель света). Сами ферменты, катализирующие окисление, называются люциферазами. Под действием люциферазы интенсивность люминесценции повышается в 10000 раз. Достаточно 10^-9 молекул АТФ в растворе люциферина с люциферазой, чтобы возникло свечение.

У медузы свечение может возникнуть при контакте особого белка экварина с ионами кальция.

Сверхмалое свечение (СС) - это свечение очень низкой интенсивности - 10-100 фотонов на 1 см² поверхности ткани можно было зафиксировать только фотоэлектроумножителем. Коэффициент усиления 10⁵-10⁹. Максимум СС приходится на 360-800 нм. В отличие от биолюминесценции, СС обусловлено не ферментативными процессами, а представляет собой цепную реакцию окисления липидных структур клетки с образованием перекисных радикалов. Таким образом, СС представляет собой характерный признак живого организма. Ферментативная же люминесценция характерна только для некоторых представителей животного мира.

Люминесцентным анализом называют метод исследования различных объектов под действием УФ-облучения, вызывающего люминесценцию этих объектов.

При люминесцентном анализе наблюдают или собственное свечение исследуемых тел или свечение люминофоров, которые вводят в эти тела. Такой анализ позволяет исследовать вещество без его разрушения и при очень малых его количествах. Например, содержание флуорисцина, который светится под действием УФ - облучения, можно обнаружить, когда в 1 мл воды находится 10^-10 этого вещества. Источником УФ служат газоразрядные лампы, которые содержат ртутные пары, дающие в спектр УФ – излучение с длиной волна 370 нм. Люминесцентный анализ применяют в самых различных областях. Например, в криминалистике. Облучение УФ позволяет обнаружить невидимые следы крови. Причем свечение крови человека в корне отличается от свечения крови животных и птиц, Люминесцентный анализ в считанные минуты позволяет определить начальную стадию порчи продуктов питания. Широкое применение получила люминесцентная микроскопия. Обычный биологический микроскоп снабжают источником УФ-освещения и соответствующими светофильтрами. По виду свечения можно распознать возбудителей инфекционных заболеваний - туберкулеза, сибирской язвы и т.д.

Основную информацию об окружающем мире человек получает с помощью зрения. Восприятие света человеком – это цепь биохимических реакций, которые протекают под действием света и являются частью фотобиологического процесса. Важной характеристикой фотобиологического процесса является зависимость его интенсивности от длины волны действующего света.

Процесс поглощения света биологической тканью определяется ее оптической плотностью, которая зависит от длины волны.

Фотобиологические процессы можно исследовать путем определения спектров поглощения, то есть установить, какое вещество в данном процессе ответственно за поглощение света. С этой целью используются люминесцентная, инфракрасная и лазерная спектроскопии, а также термографические методы исследований.