Основы молекулярной спектроскопии

Лектор - проф. Ф.Ф. Литвин

Введение

Роль спектроскопических методов исследования в области биохимии, молекулярной и физико-химической биологии.

Основные закономерности взаимодействия излучения с молекулами.

Виды движения, соотношение вращательной, колебательной и электронной энергии. Единицы измерения длины волны, частоты и энергии кванта излучения, соотношение между ними. Шкала электромагнитного излучения и различные области спектроскопии; электронно-колебательные, колебательные и вращательные спектры, спектры ЭПР и ЯМР, фотоэлектронная и γ-резонансная спектроскопия. Взаимодействие квантов излучения с молекулами. Корпускулярно-волновой дуализм, соотношения Де-Бройля. Энергия, импульс, момент импульса кванта и их роль при взаимодействии квантов с молекулами, эффект Доплера. Смещение и уширение спектральных линий. Мессбауэровская спектроскопия. Фотоэффект и фотоионизация. Принципы фотоэлектронной спектроскопии. Молекула как электрический диполь. Дипольное приближение, условие частот Бора. Уравнение Шредингера. Частица в потенциальной яме. Электронные спектры полиенов. Дипольный момент перехода. Разрешенные и запрещенные электронные переходы, роль пространственного перекрывания и симметрии волновых функций, запреты по спину.

Молекула как ротатор, уровни вращательной энергии и правило отбора, характер спектров поглощения. Постоянный дипольный момент молекулы и правила отбора для вращательных и колебательных переходов. Молекула как гармонический и ангармонический осциллятор, правила отбора, колебательные спектры. Приближение Борна-Опергеймера.

Электронная спектроскопия. Электронные уровни молекулы и переходы между ними

Основы электронной спектроскопии. Молекулярные орбитали, принцип метода МО-ЛКАО, энергия и волновые функции состояний, их симметрия. Типы переходов &sigma → &sigma*, π → π* и n → &pi* переходы, синглетные и триплетные состояния и переходы между ними. Синглетные электронные уровни и колебательные подуровни.

Электронные переходы при поглощении и излучении квантов. Соотношение поглощения и флуоресценции, квантовый выход флуоресценции. Правила Каша, Стокса, Вавилова, зеркальной симметрии спектров поглощения и флуоресценции. Время жизни возбужденных состояний. Триплетные состояния, фосфоресценция, время жизни, парамагнитные свойства. Триплет-триплетные и синглет-триплетные переходы, запреты по спину, замедленная флуоресценция. Соотношение между экспериментально наблюдаемыми спектрами поглощения, флуоресценции, фосфоресценции и схемой переходов между электронно-колебательными уровнями молекулы.

Основы абсорбционной спектроскопии

Поглощение излучения в тонком слое, закон Ламберта-Беера. Эффективное сечение поглощения и молярный коэффициент поглощения, оптическая плотность. Проверка соблюдения закона Ламберта-Беера. Использование его для качественного и количественного анализа вещества. Свойства оптической плотности при последовательном и параллельном прохождении лучей через объекты. Двухлучевой способ измерения оптической плотности D. Спектры поглощения, форма контура спектральных полос, гауссовские полосы, полуширина и площадь. Спектры поглощения биологически важных соединений (белки, нуклеиновые кислоты, пигменты).

Особенности применения закона Ламберта-Беера к биологическим объектам. Отклонения при высокой интенсивности света (лазерное облучение, двухфотонное поглощение). Отклонения, связанные с межмолекулярными взаимодействиями (агрегация) при высокой концентрации вещества. Эффект сита (проскока). Влияние светорассеяния на результаты измерения концентрации и на форму спектров поглощения. Способы уменьшения эффекта светорассеяния.

Специальные методы абсорбционной спектроскопии

Измерение спектров при низкой температуре. Влияние температуры на ширину полос. Повышение разрешения перекрывающихся полос при понижении температуры. Техника измерения спектров при низкой температуре. Анализ смеси веществ. Определение концентрации в смеси двух и более веществ. Разложение спектра на составляющие (гауссовские) компоненты.

Производные спектры поглощения. Форма первой и второй производной гауссовской полосы, зависимость амплитуды от полуширины первообразной кривой. Преимущество измерения производных кривых для анализа сильно перекрывающихся полос. Методы получения производных спектров. Сочетание производной и низкотемпературной спектроскопии.

Дифференциальная спектроскопия. Происхождение дифференциальных спектров (изменение концентрации или коэффициента поглощения). Однолучевой, двухлучевой метод измерения. Форма дифференциальных спектров при стехиометрическом превращении веществ и при небольших смещениях спектральных полос (связь с производными кривыми). Дифференциальные спектры при электрохромном эффекте.

Принципы выбора оптимальных условий при измерении спектров поглощения. Оптимальная величина оптической плотности для измерения концентрации вещества. Влияние ширины щели на регистрацию формы полос, выбор ширины щели. Искажения спектров при слишком высокой скорости записи. Выбор величины шага и времени отдельного измерения.

Исследование флуоресценции и фосфоресценции биологических объектов

Принципиальная схема измерения флуоресценции для определения концентрации веществ. Геометрия системы, выбор и проверка скрещенных светофильтров. Количественный флуоресцентный анализ. Зависимость интенсивности флуоресценции от концентрации вещества, D и (1 - Т), особенности измерения при низкой оптической плотности. Квантовый выход флуоресценции и фосфоресценции. Формула Штерна-Фольмера. Измерение спектров флуоресценции, качественный анализ вещества. Флуоресценция веществ в смеси. Эффект экранирования и эффект реабсорбции флуоресценции, оптимальные условия измерения. Анализ сложных спектров флуоресценции, производная спектроскопия, применение низких температур. Дифференциальные спектры флуоресценции.

Кинетика процессов дезактивации возбужденных состояний. Кривые затухания флуоресценции и время жизни. Разрешенные во времени спектры флуоресценции. Использование времени жизни для анализа процессов релаксации, взаимодействия с окружением, вращения молекул, микровязкости, переноса энергии электронного возбуждения. Стационарные условия, стационарные концентрации возбужденных состояний. Интенсивность флуоресценции и скорость процессов.

Тушение флуоресценции. Уравнение Штерна-Фольмера. Влияние диффузии, вязкости, размеров и формы молекул. Динамическое и статическое тушение, смешанное тушение. Использование для исследования макромолекул и биомембран.

Перенос энергии электронного возбуждения. Индуктивно-резонансный (диполь-дипольный) перенос энергии. Формула Ферстера, факторы, определяющие константу переноса и его эффективность. Ферстеровский радиус переноса. Ориентационный фактор. Интеграл перекрывания спектров донора и акцептора. Экспериментальное исследование переноса. Использование для исследования макромолекул и их комплексов. Анизотропия флуоресценции. Исследование поляризации флуоресценции (Р) и анизотропии (г). Влияние фотоселекции, предельная анизотропия, зависимость от угла между моментами поглощения и излучения. Спектры анизотропии флуоресценции. Роль вращательной диффузии, время вращательной корреляции. Формула Перрена, график.

Временная зависимость анизотропии. Использование методов исследования анизотропии флуоресценции в биохимии и молекулярной биологии.

Литература

1. Дж.Орир Физика. М.: Мир, 1981, т.2 Электричество, волны, квантовая физика.
2. Теренин А.Н. Фотоника молекул красителей. Ленинград.: Наука, 1962 (первые главы).
3. Эткинс П. Физическая химия М.: Мир, 1980, т. 1,2.
4. Бенуэлл К. Основы молекулярной спектроскопии. М.:Мир, 1975.
5. Грибов Л.А. Введение в молекулярную спектроскопию. Наука, 1976.
6. Фрайфельдер Д. Физическая химия. М.: Мир, 1980.
7. Балтроп Дж., Койл Дж. Возбужденные состояния в органической химии . М.:Мир, 1978.
8. Берклеевский курс физики. М.: Наука, 1976. т. III. Крауфорд Ф. Волны, изд.2, т .IV, Вихман Э. Квантовая физика.
9. Мейстор Т.Г. Электронные спектры многоатомных молекул. Изд. ЛГУ, 1969.
10. Дж. Лакович, Основы флуоресцентной спектроскопии, М., Мир, 1986.
11. Ч. Кантор, П. Шиммел, Биофизическая химия, М., Мир, 1984.
12. Campbell L.D., Dwek R.A. Bioioqial Spectroscopy of Oxford.
13. Harris D.C., Bertolucci M.D. Symmetry and Spectrscopy. An Introduction to Vibrational and Electronic Spectroscopy.
14. J. Michael Hollas. Modern Spectroscopy Second Edition John Wiley and Sons, 1995.
15. Jeanne L. McHale, Molecular spectoscopy 1999, Prentice Hall ?9.

2009 г.

версия для печати
Страница последний раз обновлялась 02.05.2010