31 Лазерные спектрометры, области лазерной спектроскопии

Лазерная спектроскопия позволяет с высокой точностью выделить частоты излучения при исследовании объектов, так как ширина излучения лазера ∆λ может составлять 0,1А⁰. Рассмотрим спектральные области лазерных исследований. На диаграмме отмечены лазерные источники, работающие в соответствующих диапазонах спектра.

Методы лазерной спектроскопии включают:

1. Лазерная абсорбционная спектроскопия.

2. Лазерная флуоресцентная спектроскопия.

3. Лазерная спектроскопия комбинационного рассеяния.

С

7

труктурная схема лазерного спектрометра включает:

1 – лазер; 2 – среда, управляющая режимом работы лазера;

3 – оптическая система;

4 – объект исследования;

5 – спектральный элемент; 6 – схема обработки сигнала;

7 –цифровой обработки;8 – система контроля

Способы управления частотой лазерного излучения следующие:

1. Изменение ширины энергетического зазора в активных средах, обеспечивающих лазерное излучение.

В том числе следующие способы изменения энергетических уровней:

• изменение температуры (твердотельных лазеров) вызывает деформацию ширины запрещенной зоны

• изменение давления (газовые лазеры)

• и зменения магнитного поля

2. селекция мод лазерного излучения.

32 Лазерные методы исследования сверхбыстрых процессов на примере динамики белков

Поглощение и излучение света длятся пикосекунды, поэтому удается изучить состояние молекулы, в котором она может пребывать не более наносекунд. На рис. 35.1 представлена энергетическая структура белковой молекулы. Наблюдаются основное (Е) и возбужденное (Е*) состояния.

Важно, что межъядерное расстояние выступает как параметр, определяющий энергию кулоновского взаимодействия: Е_П(R). По принципу Франка-Кондона внутри каждого из состояний (Е) и (Е*) можно выделить различные промежуточные стояния, например Е₁* и Е₂*, которые различаются уровнями потенциального взаимодействия. Соответствующие квантовые подуровни показаны на рисунке состояниями Е₁* и Е₂*.

Электронные уровни основного (Е) и возбужденного (Е*) состояний молекулы.

При поглощении кванта, за время порядка 10^-15 секунды, происходит переход электрона в состояние Е₁*, показанный стрелкой 1. За время порядка 10^-8 секунды ядра переходят в другое состояние, что соответствует изменению энергии электронов до Е₂*.

Из состояния Е₂* электрон возвращается в исходное состояние S с излучением кванта света, частота которого

ν_л=∆Е/h=(Е₂*–Е)/h,

отличается от частоты поглощенного кванта, равной

ν₀=∆Е/h = (Е₁* – Е)/h

на величину

∆ν₀ = (Е₁* – Е₂*) / h = ∆Е* / h.

Этот параметр, измеряемый лазерными методами, служит сигналом о состоянии молекулы.

Очевидно, что время релаксации электрических свойств определяется состоянием среды. Время релаксации фонового заряда окружения молекулы зависит от удельного электрического сопротивления среды:

,

где σ - удельная проводимость. Квантово-механические исследования позволили сформулировать уравнение, связывающее длину волны люминесценции белков с состоянием молекул:

^,

где λ – длина волны люминесцентного свечения;

λ_∞ - длина волны люминесценции при τ*>> τ_Р;

λ₀ - длина волны люминесценции при τ*<< τ_Р;

τ*- время жизни возбужденного состояния;

τ_Р - время дипольной релаксации фонового заряда окружения молекулы.

Изменение релаксационных свойств среды, например при изменении температуры, влияет на соотношение τ* и τ_Р, следовательно, на длину волны излучения. По спектру флуоресценции определяется состояние белковых молекул, например, подвижность белков. В качестве примера ниже приводится характеристика спектра флуоресценции белка нейротоксина от температуры.