Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение

высшего образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт фундаментальной биологии и биотехнологии

институт

кафедра биофизики

кафедра

Отчет по лабораторной работе

«Абсорбционная спектроскопия пигментов растений»

	Преподаватель						И. Г. Торгашина
					подпись, дата		инициалы, фамилия
	Студент
		номер группы, зачетной книжки			подпись, дата		инициалы, фамилия

Красноярск 2020

Цель работы: Освоение метода адсорбционной спектроскопии при помощи спектрофотометра Genesis 105.

Краткие теоретические сведения

Введение

Изучение вещества по их спектрам поглощения является в настоящее время одним из наиболее распространенных методов исследования. Применение этого метода в биологических исследованиях в значительной степени облегчает наблюдение за ходом превращений химических соединений непосредственно в клетках и тканях, не разрушая их целостности. Так как поглощение света связано с электронными переходами между энергетическими уровнями в молекулах, измерение спектров поглощения позволяет судить о строении молекул, состоянии веществ в биологических структурах и их ближайшем окружении.

Форма спектров поглощения зависит не только от типа вещества, но и от его состояния, характера молекулярного окружения (например, растворителя). Восстановление, окисление молекул, их агрегация, комплексообразование, водородные связи, изомеризация, изменение полярности (гидрофобности) окружения - все эти факторы существенно сказываются на спектрах поглощения , что позволяет, исходя из измерения спектров, делать определенные выводы о состоянии исследуемых веществ, кон­ формации молекул и т.д.

Классификация электронных состояний и переходов

Общепринята система обозначения электронных состояний, основанная на симметрии распределения электронов в молекулярных орбиталях: σ, π, n, π*, σ* - состояния. В неорганических соединениях, особенно комплексных, имеют значения также δ и δ* - орбитали. В соответствии с этим электронные переходы кратко обозначают: σ → σ*, π → π*, n → π*, n → σ* и т.д. (рис.1). Кроме того σ, π, n, π* и σ* электронные состояния могут отличаться по спиновой мультиплетности М: М = 2 | S | + 1, где S - суммарное спиновое квантовое число. В молекулах с четным числом электронов при антипараллельной ориентации электронных спинов | S | = 0, а мультиплетность соответствующего электронного состояния равна 1.

Состояния с мультиплетностью 1 называют синглетными и обозначают S. Возрастание цифрового индекса соответствует увеличению энергии состояния. Так, So — это основное, т.е. низшее по энергии, синглетное состояние; S₁, S₂ — это возбужденные синглетные состояния. Если в некотором электронном состоянии молекулы спины двух электронов параллельны, то | S | = 1. Мультиплетность таких состояний равна 3, их называют триплетными состояниями и обозначают символами Т₁, Т₂, Т₃... В случае радикалов, радикал-анионов и радикал-катионов рассматривают дублетные D и квартетные Q состояния. Для первых | S | = 1/2, М = 2; для вторых | S | = 3/2, М = 4.

Правила отбора. Переходы не могут происходить между любыми уровнями энергии в молекуле, даже если имеется излучение подходящей частоты, удовлетворяющее резонансным условиям (Е2 – E1 = hv). Переходы подчиняются правилам отбора, которые устанавливаются квантово-механическими расчетами. Переходы, удовлетворяющие этим правилам, называются разрешенными (т.е. имеющими высокую вероятность), а остальные - запрещенными (имеют низкую вероятность). Теория предсказывает два типа запрещенных переходов: запрещенных по спину и запрещенных по симметрии.

Переходы, запрещенные по спину. Переходы, запрещенные по спину, сопровождаются изменением спиновой мультиплетности. Правило отбора состоит в том, что при переходе между уровнями спиновая мультиплетность не должна меняться. Например, в большинстве случаев запрещены переходы из синглетного в триплетное состояние и обратно.

Переходы, запрещенные по симметрии. Количественной мерой интенсивности перехода является величина, называемая дипольным моментом перехода:

где ψ_i ψ_j – волновые функции i-го и j-го состояний, а µ - вектор дипольного момента, связывающего эти состояния; dτ - элемент объема (dτ = dxdydz), µ_ijx, µ_ijy, µ_ijz - проекции вектора µ_ij на координатные оси. Если произведение не удовлетворяет некоторым требованиям симметрии, то интеграл обращается в нуль.

При переходе молекулы из основного состояния в возбужденное происходит перераспределение зарядов, связанное с поглощением света. Лишь те переходы обладают заметной вероятностью, которые вызывают изменение в распределении зарядов в молекуле.

Квадрат момента перехода называется дипольной силой перехода D_ij = | µ_ij | ². Соотношение компонентов момента перехода определяет направление, в котором поляризован электронный переход (направление поляризации).

Дипольная сила перехода D_ij определяет значение безразмерной величины, называемой силой осциллятора f_ij. Силу осциллятора можно рассматривать как эффектив­ное число электронов, переход которых из основного состояния в возбужденное дает полосу поглощения в электронном спектре. Порядок величины силы осциллятора разрешенных переходов составляет 1.

или

где m и е - масса и заряд электрона; с - скорость света; g - степень вырождения возбужденного состояния; V_ij - волновое число полосы поглощения; ΔE_ij - энергия электронного перехода.

Связь между силой осциллятора и находимыми в опыте молярными коэффициентами экстинкции устанавливается зависимостью:

где - интегральный молярный коэффициент экстинкции, равный площади под кривой поглощения (рис.2); F - поправочный множитель, близкий к 1, учитывающий влияние растворителя и зависящий от показателя преломления среды. В случае не перекрывающихся с другими полос поглощения интегральный молярный коэффициент экстинкции можно приближенно представить как произведение ε_v на полуширину полосы поглощения Δv_1/2, т.е. ширину полосы поглощения в см^-1, соответствующую половине максимального коэффициента поглощения: