Жорина Л.В., Змиевской Г.Н. Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами (2006) (1095846), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Таким образом, двойная связь в непредельных соединениях состоит из одной о-связи и одной л-связи. Если в углеродной цепочке двойные связи чередуются с одиночными, то имеет место эффект сопряжения связей, заключающийся в том, что облака я-электронов всех атомов, образующих в молекуле двойные связи, взаимно перекрываются. При этом х-электроны уже не локализо- 98 ваны на двойных связях, а принадлежат всей взаимодействующей (сопряженной) системе в целом (делокализованы). Делокализация л-электронов в цепочке сопряженных связей может быть представлена как движение их вдоль цепочки.
Движение электронов в квантовой механике описывается уравнением волнового типа, в котором квадрат амплитуды характеризует вероятность нахождения электрона в данной точке пространства, а длина волны Х связана со скоростью электрона и и его массой ~не ' )" реп В линейной цепочке конечных размеров а электроны не могут выйти за пределы цепочки и вероятность нахождения их на границах равна нулю, что описывается моделью стоячих волн, причем на концах цепочки располагаются их узлы.
Значит, от границы до границы должно укладываться целое число полуволн: и — = а, где 2 Ь Ьл л = 1, 2, 3, ... Следовательно, и„= = . Значения энергии, ше)" 2 реп т,пз Ьзпз которые может иметь электрон, Е„= 2 8 2' Если система содержит Ф атомов и длина связи 1, то а = (У вЂ” 1)1. В результате расчетов можно получить энергию оптий2 ческого перехода Лб = .
Следовательно, чем больше про8а 1 )ь' тяженность системы сопряжения (чем больше У), тем меньше энергия оптического перехода и, соответственно, оптическое поглощение смещается в более длинноволновую область. Обратимся к конкретным примерам биомолекул [32). Собственным поглощением в видимой области обладают гемоглобин (самая сильная полоса поглощения в области 400 нм — полоса Соре), меланин, липофусцин, родопсин, цитохром, хлорофилл и др. В области УФ-излучения поглощают НК, белки, свободные нуклеотиды, лигнин, некоторые витамины, гормоны. Однако спектр поглощения клетки определяется практически НК и белками, так как прочие соединения встречаются в ничтожных концентрациях.
Для белков максимум поглощения приходится на Х = 280 нм, при этом показатель поглощения белков в 10 — 30 раз меньше, чем у НК. Свет в организме поглощается также кислородом, а в области Х = 3...1 000 мкм — молекулами воды, кислорода и С02. В биоткани собственное поглощение различных молекул клетки ведет к отклонению поглощения от закона Бугера— Ламберта — Бера. Пропускание биотканями когерентного (лазерного) излучения тоже имеет свои особенности. Распределение интенсивности света, проникающего в биоткань, имеет отклонение от закона экспоненциального распределения ввиду разной плотности «упаковки» клеток и многократного переотражения излучения.
Поляризованное излучение поглощается менее активно, чем неполяризованное. В ряде экспериментов установлено, что при прохождении через образцы различных тканей толщиной 200 мкм лазерный луч (Х = 632,8 нм) не сохраняет когерентности и поляризованности, следовательно, в глубине биоткани излучение лазерного источника действует наподобие обычного неполяризованного и некогерентного света в соответствующей спектральной области. Однако это не означает, что когерентность никак не сказывается на взаимодействии излучения с биотканью. Во-первых, диффузно отраженное излучение имеет спекл-структуру, что свидетельствует о сохранении когерентности, во-вторых, в процессе распространения его внутри биоткани и, соответственна, потери когерентности при переизлучении образуются пространственно неоднородные зоны взаимодействия, что можно рассматривать как «след» когерентности с соответствующими вторичными эффектами.
Энергия лазерного излучения, поглощенная участком биоткани, с учетом его оптических свойств может быть оценена по формуле (р +т )1 2 где ń— плотность поглощенной энергии, Джlм; Ре — мощность излучения лазера, Вт; Т~ — время воздействия, с; 5 — плошадь об- 2 лучения, м; р — коэффициент отражения участка облучаемой биоткани; т — коэффициент пропускания участка облучаемой биоткани, Люминесценции биомолекул: основные параметры.
Слово «люминесценция» объединяет совокупность явлений, завершающихся излучательным переходом молекулы из возбужденного со- 100 стояния в основное (см. В2). Такой переход, как правило, является термодинамически неравновесным. Люминесценция делится на хемилюминесценцию, флуоресценцию, фосфоресценцию и др.
Напомним, что хемилюминесценция обусловлена преобразованием энергии химических процессов в излучение. В данном случае нас интересует биолюминесценция, т, е, разновидность хемилюминесценции, представляющая собой те виды люминесценции живых тканей, которые не связаны с воздействием на них какой- либо внешней энергии излучения. Биолюминесценция обусловлена определенными химическими процессами, протекающими в живых клетках, и, к примеру, сопровождает образование свободных радикалов.
Биолюминесцентные тесты используются в качестве индикаторов определенных биохимических реакций. Биолюминесцентное излучение может захватывать как ультрафиолетовую, так и видимую область спектра. В природе преобладает биолюминесценция желто-зеленой области, отчетливо выраженная у микроорганизмов, беспозвоночных, глубоководных рыб. Теплокровные обладают весьма слабой по сравнению с другими представителями флоры и фауны биолюминесценцией. Этот факт является источником диагностической информации (увеличение фона биолюминесценции тканей означает наличие патологии). Для количественного анализа биолюминесценции необходимы чувствительные приборы, способные измерять интенсивность излучения на уровне отдельных квантов.
Видимый свет подавляет биолюминесценцию клеток, что было изучено еше С.И. Вавиловым, высказавшим ряд весьма плодотворных идей касательно изучения люминесценции. Флуоресценция и фосфоресценция представляют собой пере- излучение предварительно поглощенного света (см. В2). Они обусловлены переходами внешних валентных электронов.
Именно эти электроны ответственны за химические связи, поэтому люминесцентный анализ исключительно информативен при изучении динамики молекулярных структур, Временнбй диапазон между поглощением излучения и его последующим испусканием достаточен для протекания целого ряда процессов, каждый из которых ведет к изменению наблюдаемой характерисгики флуоресценцин. К таким процессам относятся: столкновения с молекулами тушителя флуоресценции (например, 02), вращательная и поступательная диффузия, образование комплексов с растворителем или растворенными веществами и т. д. 101 Основные параметры флуоресиениии ~9). 1. Интенсивность флуоресценции — число излучаемых фотонов ЫФФ, в полосе ЫХФ на длине волны Хф при данной интенсивности возбуждения: /фл а~/фл /а~ фл 2.
Спектр возбуждения — зависимость интенсивности флуоресценции /ф, на длине волны Хф от длины волны возбуждающего излучения ),,: 1фл (Х,) = ЫД/ф /НХ„).фл — - сопзп Спектр возбуждения подобен спектру поглощения и его изучение позволяет ответить на вопрос, какая длина волны возбуждения ) л вызывает наиболее интенсивную флуоресценцию, а также, если в растворе находится набор флуоресцирующих молекул, какому именно флуорофору отвечает данная ).фл. 3. Спектр флуоресценции — зависимость интенсивности флуоресценции /ф при данной длине волны возбуждения ),л от длины волны флуоресценции Хфл.' 1ф () л) =с/л/Фл/И),фл, 3. =сонэ~, т, е, распределение интенсивности излучаемого света по частотам (длинам волн).
Согласно правилу Стокса, максимум в спектре люминесценции всегда сдвинут в сторону длинных волн по отношению к спектру поглощения, порождающему люминесценцию. Это легко объяснить, придерживаясь приближения Бориа — Оппенгеймера (см. В2). Запишем полную энергию молекулы: бэл ь бкол ь гавр Она представляет собой сумму энергии движения электронов в разрсшснных состояниях, энергии колебаний атомов в молекуле и энсргии вращения молекулы как целого. Спектры люминесценции опрсдсляются ~олько электронной составляющей полной энергии, тогда как поглощенная энергия распределяется между всеми тремя составляющими.
В принципе, знание спектров поглощения и люминесценции позволяет полностью описать процесс, но на практике эта задача 102 очень трудно разрешима. Как уже указывалось, люминесценция биообъектов обладает очень слабой интенсивностью. Для измерения эмиссионного спектра требуется аппаратура с чувствительностью на уровне счета отдельных квантов. Казалось бы, несколько лучше обстоит дело со спектром поглощения — для просвечивания образца можно использовать достаточно мощный источник света, и на пределе чувствительности работать необязательно.
Однако, как только интенсивность падающего света возрастает, начинает проявляться нелинейность биосреды, поскольку коэффициент поглощения существенно зависит от интенсивности. В результате измеряется вовсе не тот спектр, который требуется. Экспериментаторы давно сумели преодолеть эту трудность с помощью определения спектра возбуждения. При этом нелинейность спектра поглощения исключается из рассмотрения вследствие того, что измеряется интегральная интенсивность, которая достаточно велика и, что особенно важно, не требует установления характера спектральной зависимости испускания.
В то же время длину волны зондирующего излучения можно задавать с высокой точностью, и тогда спектр возбуждения получается идентичным спектру поглощения, но без нелинейных особенностей. 4. Квантовый выход флуоресценции т)фл — отношение числа излучаемых за секунду квантов Фф к числу поглощенных за секунду квантов Мл: ')фл '/фл///л Согласно закону Вавилова, квантовый выход люминесценции постоянен и не зависит от того, светом какой длины волны облучается молекула. Квантовый выход флуоресценции меняется при наличии тушителей флуоресценции, олигомеризации и т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
