Кинетический метод измерения квантового выхода фотохимических реакций

В основе практически всех фотобиологических процессов лежат фотохимические реакции в биологически значимых молекулах. Поскольку вероятный вклад конкретной фотохимической реакции в фотобиологический эффект заранее неизвестен, при фотобиологических исследования часто бывает необходимо выяснить, насколько эффективно идет тот или иной фотохимический процесс в изучаемом объекте.

Главной характеристикой эффективности индукции фотохимической реакции под действием излучения в той или иной молекуле является квантовый выход данной фотохимической реакции. Обозначим этот показатель . По определению,будет равен:

Или, что то же самое:

Для определения величины наиболее удобно применять так называемый кинетический метод. Суть приема состоит в том, что тем или иным образом исследуется зависимость от дозы излучения либо количества исходных (неразрушенных) молекул, либо количество молекул продукта исследуемой фотохимической реакции. Этот метод применим при соблюдении следующих граничных условий:

• Рассматриваемая фотохимическая реакция является одноквантовой (одноударной), т.е. для полного превращения исходной молекулы в продукт реакции достаточно поглощения ею одногокванта действующего излучения.

• Продукты рассматриваемой реакции квантов действующего излучения не поглощают в области облучения.

Если оба эти условия соблюдены, то вид дозовой зависимости количества исходного соединения в образце будет описываться формулой:

где N – количество молекул неразрушенного вещества в образце, облученном в дозеЕ, а- так называемое поперечное сечение фотолиза, которое есть произведение на(- поперечное сечение поглощения молекул фотолизируемого соединения, численно=3,810^-21),N₀ –количество молекул вещества в исходном (необлученном) образце.

Поскольку объем образца во время облучения не меняется, уравнение (1) будет справедливо и для концентраций исследуемого соединения в нем. Полный вывод уравнения (1) содержится в первом издании данного практикума (Рощупкин Д.И., Потапенко А.Я., Клебанов Г.И. Практикум по биофизике. ЧастьI. Спектральные методы исследования и фотобиология. Под редакцией Ю.А. Владимирова. М.: 1975, с. 96-97).

Если мы прологарифмируем обе части выражения (1), то получим следующий вид его представления:

Из уравнения (2) следует, что зависимость натурального логарифма отношения концентраций исследуемого вещества в образце после облучения в некоторой дозе Е(N) к его концентрации до начала облучения (N₀) от дозы облученияЕ носитлинейныйхарактер, причем коэффициентом пропорциональности служит величина поперечного сечения фотолиза. На практике тем или иным образом анализируется зависимостьN=f(E), на основании полученных данных строится зависимость согласно уравнению (2), по этой зависимости определяется величина, а затем по ее величине рассчитывается, который равен:

При определении величины  кинетическим методом в оптически плотных объектах (приD>>0,1)оказывается заниженным. Это связано с тем, что при выводе уравнения (1) предполагается, что оптическая плотность объекта мала. Физически такое предположение означает, что у молекулы-хромофора вероятность поглощения кванта не зависит от ее расположения в объекте: молекулы, находящиеся в глубине объекта, столь же вероятно поглотят квант, как и молекулы, находящиеся вблизи его поверхности со стороны падения излучения. На самом деле, это условие невыполнимо, поскольку вглубь объекта всегда проникает только часть попадающего на его поверхность излучения, а другая часть поглощается вышерасположенными слоями. Это особенно значимо при исследовании биологических объектов, которые чаще всего по составу химически сложны и содержат сразу большое количество разных хромофоров. Для того, чтобы выправить ситуацию, в работе Mortovitz H.J. Absorbtion effects in volume irradiation of microorganisms. Science, 1950,111,№2879,p. 229-230 было предложено при расчете доз облучения оптически плотных и плохо перемешиваемых объектов использовать не падающую на их поверхность интенсивность излученияJ₀, а некоторую усредненную величинуJ’, которая рассчитывается путем умноженияJ₀на коэффициентk, зависящий от оптической плотности объекта:

D_об в этой формуле – оптическая плотность объекта на длине волны облучения. Коэффициентkпо имени автора принято называтькоэффициентом Моровитца.