Спектральные методы в биофизике

1. Спектральные методы в биофизике

2.

Уровни энергии и электронно-колебательные переходы молекул.
Процессы дезактивации перво-го синглетного электронно-возбужденного состояния:
1)тепло; 2)флуоресценция;3)интеркомбинационная конверсия; 4)миграция энергии; 5) фотохимия.

3. Вероятность самопроизвольного перехода на более высокий энергетический уровень

n n0e
E / kT
где n0 и n – числа молекул в основном и возбужденном состояниях;
ΔE – разность энергий уровней; k – постоянная Больцмана;
T – абсолютная температура

4. Основные характеристики фотолюминесценции (флуоресценции):

• 1. Спектр флуоресценции – зависимость
интенсивности испускания от длины волны света.

5. Закон Стокса

Спектр флуоресценции лежит в более
длинноволновой области по сравнению со
спектром поглощения того же соединения (за
счет превращения части энергии
поглощенного фотона в тепловую энергию
окружающих молекул).

6. Правило Коши

Спектр флуоресценции (и фосфоресценции)
не зависит от длины волны возбуждающего
света, поскольку испускание кванта
флуоресценции происходит с нижнего
колебательного подуровня состояния S1

7. Правило Левшина

Спектры флуоресценции по форме зеркально
симметричны длинноволновой полосе
спектра поглощения, если они построены в
шкале частот (энергий)

8.

Спектры поглощения (1) и люминесценции (2) азоантрацена в гептане

9. Основные характеристики фотолюминесценции (флуоресценции):

• 2. Квантовый выход флуоресценции – отношение
числа квантов, высвеченных в виде флуоресценции,
к числу квантов, поглощенных образцом: φфл =
nфл/nпогл.

10. Закон Вавилова

• Квантовый выход флуоресценции (люминесценции) не
зависит от длины волны возбуждающего света
(аналогично правилу Коши)

11. Основные характеристики фотолюминесценции (флуоресценции):

• 3. Спектр возбуждения флуоресценции – зависимость
интенсивности флуоресценции от длины волны
возбуждающего света. Приведенный спектр возбуждения
флуоресценции: Iфл/I0 = f (λ), где интенсивность
монохроматического возбуждающего света I0 при длине
волны λ выражена числом фотонов/c.
• Спектр возбуждения флуоресценции должен совпадать
(по форме) со спектром поглощения вещества.

12.

Спектры возбуждения флуоресценции (λфл = 350 нм) целых клеток (1),
митохондрий (2) и спектр поглощения белков (3).

13. Основные характеристики фотолюминесценции (флуоресценции):

4. Длительность флуоресценции. Одномоментно
возбужденные молекулы дезактивируются по
экспоненциальному закону:
I I 0 e t /
(τ представляет собой время, в течение которого
интенсивность свечения уменьшается в e раз).

14. Основные характеристики фотолюминесценции (флуоресценции):

I I
P
• 5. Степень поляризации флуоресценции
I I
(поляризовано аналогично возбуждающему свету).

15. Миграция энергии

• Под миграцией энергии понимается безызлучательный обмен
энергией между электронно-возбужденной молекулой
(донором) и молекулой в основном состоянии (акцептором):
M1* + M2 → M1 + M2*.
• В биологических системах наблюдаются два основных типа
миграции энергии:
1. Индуктивно-резонансный механизм;
2. Обменно-резонансный механизм.

16.

Спектры поглощения биологически важных хромофоров: 1 – белок; 2 –
ДНК; 3 – β-карногтин; 4 – родопсин; 5 – хлорофилл а; 6 – фитохром.