Conceptul de „luminescență” include multe fenomene diferite. Există mai multe sisteme pentru clasificarea lor.

În chimia analitică, fotoluminiscența moleculară este cel mai des utilizată. În funcție de natura solului și de stările excitate ale moleculei, aceasta este împărțită în fluorescență și fosforescență.

Principalele caracteristici și modele de luminescență

Principalele caracteristici ale luminiscenței sunt:

· spectrul de excitație,

· spectrul de emisie(spectrul de luminescență),

· randamentele cuantice și energetice,

· polarizare, durata de viață etc.

Spectrul de excitație al luminiscenței(fluorescență, fosforescență) - dependența intensității luminii emise cu o lungime de undă fixă ​​de lungimea de undă sau de altă undă caracteristică luminii excitante.

Prin excitarea unei molecule dintr-o substanță cu lumină cu o lungime de undă corespunzătoare lmax din spectrul de excitație, este posibil să se obțină fluorescență cu intensitate maximă. În soluțiile diluate, spectrul de excitație al fluorescenței coincide cu spectrul de absorbție al substanței.

Spectrul de luminescență- dependența intensității luminii emise de lungimea de undă pentru o lungime de undă fixă ​​a luminii excitante.

În tabel Tabelul 21.1 prezintă principalele proprietăți inerente spectrelor de luminescență.

Proprietățile de bază ale spectrelor de luminescență

Proprietate	Explicaţie
Spectrul de luminescență nu depinde de lungimea de undă a luminii excitante (regula lui M. Kasha)	Indiferent de starea excitată în care intră molecula la absorbția unui foton, emisia are loc întotdeauna în timpul tranziției dintre primul nivel de energie excitat și cel de sol.
De regulă, spectrul de luminescență în ansamblu și maximul său sunt întotdeauna deplasate în comparație cu spectrul de absorbție și maximul său către lungimi de undă mai mari (energii mai scăzute) - regula Stokes-Lommel	O parte din energia absorbită se pierde din cauza relaxării vibrațiilor în timpul ciocnirilor cu alte molecule; în plus, solventul stabilizează starea excitată și îi reduce energia.
Pentru multe substanțe, spectrele de absorbție normalizate (doar banda cu cea mai lungă lungime de undă) și fluorescența, descrise în funcție de frecvențe sau numere de undă, sunt simetrice față de o linie dreaptă care trece perpendicular pe axa absciselor prin punctul de intersecție al acestor spectre ( regula lui V.L. Levshin)	Absorbția (banda cu cea mai mare lungime de undă) și emisia sunt cauzate de aceleași tranziții (S 0 S 1 pentru fluorescență)

Randament cuantic(denumirea V kv, Q, f) - raportul dintre numărul de fotoni emiși și numărul de fotoni absorbiți

Ieșire de energie(V en) - raportul dintre energia luminii emise și energia luminii absorbite

Există următoarea relație între Vkv și Ven

Deoarece de obicei se folosește n< n погл, то В эн < В кв

Randamentul cuantic al luminiscenței nu depinde de l exc până la un anumit l, situat în regiunea în care se suprapun spectrele de absorbție și emisie, după care scade brusc Randamentul energetic depinde de l exc: la început crește direct proporțional. la l exc, apoi într-un anumit interval nu își schimbă valoarea, după care scade brusc ( legea lui Vavilov).

Influența diverșilor factori asupra intensității fluorescenței soluțiilor

Luminescența și, în special, fluorescența sunt mult mai influențate de diverși factori decât absorbția luminii. Intensitatea fluorescenței depinde de:

· natura materiei;

· concentrația unei substanțe în soluție;

· condiţiile în care se află substanţa fluorescentă(temperatură, solvent, pH, prezența altor substanțe în soluție care pot afecta fluorescența).

Natura substanței

Compușii anorganici (cu excepția unor compuși de uraniu și lantanidă) nu sunt de obicei capabili să fluoresceze în soluție. În același timp, există destul de multe substanțe fluorescente printre compușii organici.

Necesar(dar nu suficient!) condiția pentru fotoluminiscență este capacitatea unei substanțe de a absorbi radiația electromagnetică în domeniul UV sau vizibil. De obicei, substanțele cu fluorescență intensă au un sistem lung de legături conjugate. Cele mai comune substanțe fluorescente se găsesc printre compușii aromatici. Introducerea substituenților donatori de electroni în inelul benzenic crește capacitatea substanței de a fluoresce. De exemplu, mulți fenoli și amine aromatice prezintă fluorescență intensă. Introducerea substituenților atrăgătoare de electroni, cu unele excepții, reduce fluorescența. Atomi de halogen grei(Br, I) crește rata de conversie a traversării intersistemului și, astfel, reduce randamentul cuantic al fluorescenței. Cu toate acestea, introducerea de halogeni grei crește capacitatea substanței de a fosforesce. Capacitatea unei substanțe de a fluoresce în soluție crește odată cu condensarea inelelor aromatice și o creștere a „rigidității” moleculei. De exemplu

Concentrația substanței

Relația dintre intensitatea fluorescenței și concentrația substanței fluorescente în soluție este mai complexă decât cea dintre absorbția și concentrația luminii. Acest lucru se datorează faptului că procesul de radiație este secundar și depinde de procesul precedent de absorbție a luminii.

Să luăm în considerare cel mai simplu caz, când există o singură substanță fluorescentă în soluție.

Prin urmare:

Prin urmare, relația dintre intensitatea fluorescenței și concentrația substanței fluorescente nu este liniară.

Funcția poate fi extinsă într-o serie Maclaurin

Dacă produsul (densitatea optică a soluției) este mic, atunci

Prin urmare, la densităţi optice scăzute(la l exc) dependența intensității fluorescenței de concentrație poate fi considerată liniară, care este utilizat în analiza cantitativă. La valori mai mari ale lui A, dependența intensității fluorescenței de concentrație devine mai complexă și se abate de la liniaritate. La A = 0,01, abaterea de la liniaritate este de 1%, 0,05 - 5%; 0,5 - aproximativ 35% (Fig. 21.4).

Orez. 21.4. Relația dintre intensitatea fluorescenței și densitatea optică a soluției

1) calculat folosind formula simplificată I = KC; 2) real

Efectul densității optice a unei soluții asupra intensității fluorescenței se numește „ efect de filtru intern" Acest efect se datorează a două motive:

· absorbția luminii excitante, ca urmare a căreia particulele situate mai departe de sursa de radiație vor primi radiații mai puțin excitante;

· absorbţie doar particule de materie radiatii, emisă de alte particule din aceeași substanță.

1. Luminescență, tipuri de luminescență.

2. Mecanisme de fotoluminiscență.

3. Spectre de excitație și luminiscență. regula Stokes.

4. Chemiluminescență.

5. Utilizarea luminiscenței în biologie și medicină.

6. Concepte și formule de bază.

29.1. Luminescență, tipuri de luminescență

Luminescență numită strălucirea corpurilor, care nu poate fi explicată prin radiația lor termică. De exemplu, în regiunea vizibilă a spectrului, radiația termică devine vizibilă numai la o temperatură de ~10 3 -10 4 K, dar un corp poate luminesce la orice temperatură. Prin urmare, luminiscența este adesea numită strălucire rece. Unul dintre motivele care provoacă luminiscența este radiația externă, care excită moleculele corpului. De exemplu, lumina incidentă. După ce procesul de iradiere se oprește, strălucirea luminiscentă nu se oprește imediat, ci continuă pentru ceva timp. Acest efect secundar distinge luminiscența de fenomene precum reflexia și împrăștierea luminii. În prezent, următoarea definiție a luminiscenței este acceptată în fizică.

Luminescență - radiație, care este un exces față de radiația termică a corpului și durează o perioadă de timp depășind semnificativ perioada oscilațiilor luminii (10 15 s).

Se numesc substanțe capabile să transforme energia pe care o absorb într-o strălucire luminiscentă fosfori.

Luminescența este rezultatul tranzițiilor cuantice în atomi, molecule și cristale excitați. Pe baza tipului de excitație, se disting următoarele tipuri de luminiscență:

fotoluminiscență- apare atunci când atomii sunt excitați de lumină (razele ultraviolete și lumina vizibilă cu lungime de undă scurtă);

Luminescență cu raze X- apare atunci când atomii sunt excitați de raze X și γ - radiații (ecranele aparatelor cu raze X, indicatoare de radiații);

catodoluminiscenţă- apare atunci când atomii sunt excitați de electroni (tuburi de imagine, ecrane de osciloscop, monitoare);

radioluminescență- apare atunci când atomii sunt excitați de produși de descompunere radioactivă;

electroluminiscență- apare atunci când atomii sunt excitați sub influența unui câmp electric (excitarea moleculelor de gaz printr-o descărcare electrică - lămpi cu descărcare în gaz);

chemiluminiscenţă- apare atunci când moleculele sunt excitate în timpul reacțiilor chimice;

bioluminescență- apare in obiectele biologice ca urmare a anumitor reactii biochimice;

sonoluminescență- apare sub influența ultrasunetelor.

După cum sa menționat mai sus, luminiscența continuă chiar și după încetarea excitației externe a fosforului. Pe baza duratei strălucirii reziduale, acestea se disting fluorescenţăȘi fosforescenţă:

fluorescenţă- strălucire reziduală pe termen scurt, a cărei durată este de 10 -9 -10 -8 s;

fosforescenţă- strălucire reziduală lungă, a cărei durată este de 10 -4 -10 4 s.

29.2. Mecanisme de fotoluminiscență

Fotoluminiscența începe cu excitarea unui atom sau a unei molecule de către un foton de radiație externă cu o anumită frecvență ν. Ca rezultat, atomul se deplasează de la nivelul de energie principal (1) la unul dintre nivelurile excitate (2). Apoi sunt trei posibile continuare.

1. Atomul (molecula) revine la nivelul solului cu emisia unui foton, a cărui frecvență este egală cu frecvența fotonului absorbit: v l= ν (Fig. 29.1, a). Această luminiscență se numește rezonant.

Orez. 29.1. Tipuri de luminescență: rezonantă (A), Stokes (b) și anti-Stokes (c)

2. Atomul excitat interacționează cu atomii care îl înconjoară și se deplasează neradiativ la nivelul excitat inferior (2). Apoi trece la nivelul principal, emițând un foton de frecvență mai mică: ν l< ν (Fig. 29.1, b). Această luminiscență se numește Stokes(în onoarea lui J. G. Stokes).

3. Atomul excitat interacționează cu atomii din jurul lui și merge la nivelul excitat superior, apoi merge la nivelul principal, emițând un foton de frecvență mai mare: ν l > ν (Fig. 29.1, c). Această luminiscență se numește anti-Stokes.

29.3. Spectre de excitație și luminiscență. regula Stokes

În procesul de fotoluminiscență, energia luminoasă absorbită este transformată în energie de radiație luminiscentă. Capacitatea de absorbție a unei substanțe este caracterizată prin spectrul său de absorbție (vezi Lectura 28). Se formează unde, după absorbția cărora are loc luminiscența banda de excitație(Fig. 29.2). Pot exista mai multe astfel de dungi. Se formează totalitatea tuturor benzilor de excitație spectrul de excitație.

Distribuția intensității radiației luminiscente pe lungimile de undă emise se numește spectrul de luminescență: eu l = f (λ l). Studiile au arătat că spectrul de luminescență nu se schimbă atunci când lungimea de undă a luminii excitante se modifică în banda de excitație.

Orez. 29.2. Independența spectrului de luminescență față de lungimea de undă a luminii excitante

Fiecare fosfor este caracterizat de propriile sale spectre de luminiscență și absorbție.

Numai Parte energia luminii absorbite. Prin urmare, pentru luminescență avem regula Stokes (legea):

Spectrul de luminescență este deplasat la lungimi de undă mai mari în raport cu spectrul de absorbție al aceluiași compus.

Regula lui Stokes este folosită în tehnologia de iluminat pentru a converti radiația ultravioletă în lumină vizibilă. Un exemplu este o lampă cu mercur, în care vaporii de mercur, excitați de o descărcare electrică, emite lumină ultravioletă. Pe suprafața interioară a lămpii se aplică un strat de fosfor cu un spectru de luminiscență adecvat zona vizibila.În comparație cu lămpile cu incandescență, astfel de lămpi sunt mai economice.

29.4. Chemiluminiscență

Luminescența care apare în reacțiile chimice în care se eliberează energie se numește chemiluminiscenţă.În acest caz, energia chimică este transformată în energie luminoasă.

În chimioluminiscență, lumina este emisă fie direct din produșii de reacție, fie din alte componente către care este transferată excitația. Strălucirea chemiluminiscenței este proporțională cu viteza de reacție.

Chemiluminiscența care apare în obiectele biologice se numește biochimiluminiscență. Biochimiluminiscența este caracteristică celor mai diverse tipuri de ființe vii (aproximativ 250 de specii în total).

Mecanismul biochimiluminiscenței este determinat de reacțiile de oxidare. De exemplu, dacă plasați o bucată de materie putredă strălucitoare sub capota unei pompe de aer și pompați aerul, strălucirea se va opri. Dacă apoi furnizați aer sub capotă, strălucirea va relua. În sistemele biologice, s-a demonstrat că chemiluminiscența provine din recombinarea radicalilor liberi de peroxid lipidic. Strălucirea de la biochimiluminiscență poate fi foarte intensă - există un caz cunoscut când chirurgii operau pe câmp noaptea la lumina borcanelor pline cu licurici tropicali.

29.5. Utilizarea luminiscenței în biologie și medicină

Analize luminiscente, calitative și cantitative

Analiza luminiscente - un set de metode pentru determinarea naturii și compoziției unei substanțe din spectrul său de luminiscență.

Analiza calitativa- determinarea prezenței (sau absenței) oricăror substanțe (molecule) prin forma spectrului de luminescență. În acest caz, puteți studia structura moleculelor unei substanțe; interacțiune intermoleculară; transformări chimice.

Analiza cantitativa- determinarea cantității unei substanțe prin intensitatea spectrului de luminescență (se poate detecta masa unei substanțe m = 10 -10 g).

Dacă luminoforul este un dizolvat, atunci la o densitate optică scăzută a soluției, intensitatea luminiscenței este proporțională cu concentrația soluției. Prin urmare, concentrația soluției poate fi judecată din intensitatea luminiscenței. Pentru a face acest lucru, intensitatea luminiscenței soluției studiate (Ι χ) este comparată cu intensitatea luminiscenței soluției (I 0), a cărei concentrație este cunoscută. Concentrația necunoscută Cx se găsește folosind formula

Conform metodologiei cercetării, analiza luminiscentă poate fi reprezentată prin următoarea diagramă.

Macroanaliza - observarea cu ochiul liber a luminiscenței obiectelor iradiate cu radiații UV:

Controlul calitatii si sortarea produselor alimentare.

Sortarea agenților farmacologici.

Strălucirea părului, solzilor, unghiilor atunci când se diagnostichează deteriorarea lor de către ciuperci și lichen.

Microanaliză- studiul microobiectelor luminiscente folosind special microscoape fluorescente,în care există un iluminator special care conține o lampă cu mercur cu un filtru care transmite radiația UV.

Sonde fluorescente

În unele studii medicale, se folosesc fosfori speciali, introduși în organism și distribuiți în țesuturi în conformitate cu proprietățile lor. Se numesc astfel de fosfori sonde fluorescente. De exemplu, atunci când o soluție dintr-un astfel de fosfor este introdusă în sânge, acesta se răspândește în tot corpul și se difuzează în derm și epidermă. Luminescența este excitată de radiația ultravioletă cu undă lungă și observată în lumina vizibilă. În țesuturile superficiale cu aport de sânge redus, luminiscența apare mai târziu decât în ​​țesuturile cu aport normal de sânge.

Etichete fluorescente

Moleculele fluorescente pot fi legate covalent de anumite molecule, iar apoi acest sistem poate fi introdus în obiectul studiat. Astfel de molecule sunt numite etichete fluorescente. Un exemplu este utilizarea anticorpilor marcați fluorescent. Dacă adăugați astfel de anticorpi la o suspensie dintr-un amestec de celule, atunci se leagă numai de acelea dintre ele pe suprafața cărora.

Luminescența este radiația în exces a unui corp deasupra radiației termice, care are o durată care depășește semnificativ perioada (~10 -15 s) a undelor luminoase emise.

Luminescența este de obicei observată în regiunile vizibile sau ultraviolete ale spectrului. Radiația termică în această regiune are loc numai la temperaturi de câteva sute sau mii de grade, în timp ce luminiscența se observă la orice temperatură, motiv pentru care luminiscența este adesea numită luminiscență rece.

Moleculele excitate electronic (atomii) luminesc. În funcție de metoda de excitare, se disting mai multe tipuri de luminiscență.

Luminescența cauzată de particulele încărcate: ioni - ionoluminiscență, electroni - catodoluminiscență, radiații nucleare - radioluminiscență, luminiscență cu raze X, fotoluminiscență, triboluminiscență, electroluminiscență, chemiluminiscență.

Spectrul de luminescență este dependența intensității radiației luminiscente de lungimea de undă a luminii emise. Cele mai simple sunt spectrele atomice, în care dependența de mai sus este determinată doar de structura electronică a atomului. Spectrele moleculelor sunt mult mai complexe datorită faptului că în moleculă se realizează diverse vibrații de deformare și întindere.

Fotoluminiscență se numește radiația de energie electromagnetică excitată într-o substanță sub influența radiației optice în domeniul ultraviolet sau vizibil, exces față de radiația termică, cu condiția ca o astfel de radiație în exces să aibă o durată care depășește perioada oscilațiilor electromagnetice (luminiscența) și timpul a proceselor de relaxare. Dacă iradiați o substanță (luminofor) în orice stare de agregare cu radiații electromagnetice ultraviolete sau vizibile, atunci este posibilă apariția radiațiilor luminiscente întârziate cu cel puțin 10-12 - 10-10 s. Maximul spectrului acestei radiații este deplasat în raport cu maximul spectrului radiației excitante către frecvențe inferioare (legea Stokes - Lommel).

Chemiluminiscență- luminescența corpurilor cauzată de expunerea chimică, sau în timpul unei reacții chimice.Chemiluminescența este asociată cu procese chimice exoterme. Microscopia prin luminescență este o metodă de microscopie care vă permite să observați luminiscența primară sau secundară a microorganismelor, celulelor, țesuturilor sau structurilor individuale care le alcătuiesc.

49. Spectrofotometrie. Spectrofluorimetrie.

Spectrofotometrie- o metodă fizico-chimică de studiere a soluțiilor și solidelor, bazată pe studiul spectrelor de absorbție în regiunile spectrului ultraviolet (200-400 nm), vizibil (400-760 nm) și infraroșu (>760 nm). Principala dependență studiată în spectrofotometrie este dependența intensității de absorbție a luminii incidente de lungimea de undă. Spectrofotometria este utilizată în studiul structurii și compoziției diverșilor compuși, pentru determinarea calitativă și cantitativă a substanțelor (determinarea oligoelementelor în metale, aliaje, obiecte tehnice). Aparate de spectrofotometrie - spectrofotometre.

Spectrofluorimetrie. Principiul este emisia de lumină a cărei lungime de undă este mai mare decât lungimea de undă a luminii absorbite. . Aplicatie - analiza cantitativa, cinetica, analiza calitativa.

50. Laser – generator cuantic al domeniului vizibil de radiație Tipuri de substanțe de lucru cu laser: gaz, lichid, semiconductor și în stare solidă. Tipuri de surse de pompare a energiei: excitație cu lumină foarte intensă - „pompare optică”, descărcare electrică gazoasă, în lasere semiconductoare - curent electric Distribuția particulelor prin energii potențiale în câmpuri de forță - gravitaționale, electrice etc. - numită distribuţie Boltzmann.În raport cu câmpul gravitațional, această distribuție poate fi scrisă ca o dependență a concentrației n de molecule de înălțimea h deasupra nivelului Pământului sau de energia potențială a moleculei m 0 gh: n = n 0 Această expresie este valabilă. pentru particulele unui gaz ideal. Componentele principale ale proiectării sistemului laser sunt mediul activ laser, energia pompei laser, reflectorul înalt, dispozitivul de cuplare și fasciculul laser.

Radiația laser este unică datorită a trei proprietăți unice.

1) Coerenţă.În fizică, există 2 tipuri de coerență - spațială și temporală. Coerența spațială este exprimată în uniformitatea frontului de undă, adică vârfurile și văile undelor sunt paralele atunci când lumina părăsește laserul. Acest lucru asigură sincronizarea fazelor și concentrarea pe zone foarte mici.

2) Monocrom(coerență temporală). Aceasta înseamnă că undele luminoase au aceeași lungime. Unele lasere emit fascicule de diferite lungimi de undă. Dar acest fenomen este previzibil, iar laserele emit lumină doar de lungimea oferită de mediul utilizat în laser.

3) Colimare. Aceasta înseamnă că toate fasciculele emise de laser sunt paralele și nu se împrăștie cu distanța.

4) Destul de multă putere.

Fluorescența este un proces fizic intramolecular, în urma căruia o moleculă, într-un timp de 10~8-10~9 s, trece în starea fundamentală cu emisia unui cuantum de lumină. Principiul Franck-Condon. O parte din energia electronică în timpul absorbției și emisiei de lumină trebuie cheltuită pentru creșterea vibrațiilor structurii și transformată în căldură. Fenomenul este observat ca urmare a unei schimbări bruște a gradientului de energie electronică în apropierea nucleelor ​​în timpul excitației și relaxării. (Legea lui Stokes). Spectrul de fluorescență în raport cu spectrul de absorbție este deplasat la lungimi de undă mai mari. Această regulă se explică de obicei prin pierderea unei părți din energia absorbită la mișcarea termică a moleculelor. Deoarece, în funcție de energia furnizată, o particulă poate intra în stări excitate diferite din punct de vedere energetic, ne-am putea aștepta la o dependență directă a spectrelor de luminescență de spectrul de excitație al sursei. Regula lui Stokes este folosită în tehnologia de iluminat pentru a converti radiația ultravioletă în lumină vizibilă. Un exemplu este o lampă cu mercur, în care vaporii de mercur, excitați de o descărcare electrică, emite lumină ultravioletă. Pe suprafața interioară a lămpii este aplicat un strat de fosfor cu un spectru de luminiscență adecvat în regiunea vizibilă. În comparație cu lămpile cu incandescență, astfel de lămpi sunt mai economice. regula Kashi. Spectrele de fluorescență nu depind de lungimea de undă a luminii excitante. În ceea ce privește nivelurile de energie, cele mai înalte stări excitate tind să fie mai apropiate decât cea mai joasă stare excitată (singlet sau triplet) și starea fundamentală. Ca urmare a acestei distanțe scurte, ratele de tranziție neradiativă între stările superioare excitate depășesc semnificativ rata de luminescență din aceste stări, astfel încât luminiscența nu apare de la nivelurile superioare. Numai în starea excitată inferioară rata relaxării radiative devine comparabilă cu rata relaxării neradiative, drept urmare doar cea mai scăzută stare excitată este capabilă de luminescență. Regula simetriei oglinzii (Levshin) exprimă faptul că spectrele de absorbție și fluorescență, reprezentate pe o scară de frecvență, sunt aproximativ simetrice față de linia dreaptă care trece prin punctul lor de intersecție. Această regulă se bazează pe apropierea structurii și aranjarea reciprocă a subnivelurilor vibraționale ale solului și pe primele stări electronice excitate ale moleculelor, care este adesea observată în practică, precum și pe natura aproape identică a schimbării relative a probabilităților de tranziții în cadrul benzilor de absorbție și fluorescență. legea lui Vavilov. Setează dependența ieșirii fotoluminiscenței de lungimea de undă a luminii excitante. Randamentul cuantic al luminiscenței - randamentul cuantic - raportul dintre numărul de cuante emise și numărul de cele absorbite. Metoda spectrofluorimetriei se caracterizează printr-o sensibilitate și specificitate excepțional de ridicată și oferă oportunități universale pentru studiul stărilor excitate ale moleculelor, reacțiilor fotochimice, dinamicii proceselor moleculare rapide, structurii și proprietăților obiectelor chimice și biologice complexe. Folosind această metodă, este posibil să se studieze proprietățile substanțelor fluorescente la concentrații mult mai mici decât cele necesare pentru măsurarea spectrelor de absorbție. Spectrele de fluorescență sunt măsurate folosind un instrument numit spectrofluorimetru. Principiul de funcționare al spectrofluorimetrului se bazează pe selecția secțiunilor înguste ale spectrului luminii excitante și emise și pe selectarea lungimilor de undă de excitare și emisie folosind monocromatoare cu control automat al funcționării dispozitivului, înregistrarea și procesarea fluorescentelor. rezultatele măsurătorilor.

75. Procese fotobiologice: clasificare.

Procesele fotobiologice sunt procese care încep cu absorbția cuantelor de lumină de către molecule funcționale biologic și se termină cu o reacție fiziologică corespunzătoare în organism sau țesuturi. Procesele fotobiologice includ: fotosinteza - sinteza moleculelor organice folosind energia luminii solare; fototaxie - mișcarea organismelor (de exemplu, bacterii) către sau departe de lumină; fototropism - întoarcerea frunzelor (tulpinilor) plantelor către sau departe de lumină; fotoperiodism - reglarea ciclurilor zilnice și anuale ale animalelor prin efecte ciclice de „lumină-întuneric”; vedere - percepția luminii de către ochi, însoțită de conversia energiei luminoase în energia unui impuls nervos; cataractă; modificări ale stării pielii sub influența luminii: eritem, edem, bronzare, pigmentare, arsuri, cancer de piele.

76. Procese fotodistructive, caracteristicile lor generale. Fotosensibilizarea, tipurile și mecanismul acesteia.

Procesele fotodistructive includ reacții inițiate de lumină în moleculele unui biosubstrat, care conduc la formarea unor astfel de modificări chimice în moleculă care sunt însoțite de perturbarea sau chiar pierderea completă a proprietăților lor funcționale și, în cele din urmă, provoacă manifestarea unor efecte dăunătoare la nivelul celulelor și nivelurile organismelor. Reacțiile fotodistructive sunt induse cel mai eficient în sistemele biologice de radiațiile ultraviolete cu unde scurte (UV) (< 290 нм), что связано с прямым поглощением этого излучения нуклеиновыми кислотами, белками и некоторыми другими биологически важными внутриклеточными компо-нентами.При определенных условиях фотодеструктивные процессы могут протекать и под действием света более длинноволнового диапазона оптического спектра, который подразделяется на три области: средневолновую УФ (290320 нм), длинноволновую УФ (320-400 нм) и видимую (400-700 нм). Длинноволновое УФ-излучение и видимый свет практически не поглощаются нуклеиновыми кислотами и белками. Поэтому инициация в них деструктивных реакций при действии этих видов оптического излучения осуществляется преимущественно с участием других молекул, выступающих в качестве первичных фо-торецепторов. Такие вещества называются фотосенсибилизаторами, а процессы, в которых они участвуют, - фотосенсибилизированными. Известно несколько типов первичных фотохимических превращений молекул, ответственных за деструктивное действие оптического излучения. К ним относятся реакции фотоокисления, фотоионизации, фотодиссоциации и фотоприсоединения. Основной первичной фотореакцией при УФ-фотолизе остатков триптофана (АН) в белках является его фотоионизация с образованием катион- радикала (АН+) и сольватированного электрона (е-s): АН AH+ + е-s. В цистиновых остатках белков первичная фотохимическая реакция заключается в фотодиссоциации S -S-связей: т. е. фотолиз цистина идет через стадию свободных радикалов с локализацией неспаренного электрона на атоме серы. При относительно низких интенсивностях УФ-света основными фотохимическими реакциями, в которые вступают основания нуклеиновых кислот, являются реакции фотоприсоединения - димеризация, гидратация и образование (6-4) пиримидиновых аддуктов. Фотосенсибилизированные деструктивные реакции в большинстве случаев протекают с участием кислорода.

Aceste procese, numite fotodinamice, sunt împărțite în două tipuri în funcție de mecanismul lor, în funcție de modul în care energia de excitație a luminii este transferată de la sensibilizator la substratul biologic. În reacțiile de tip I, un sensibilizator fotoexcitat poate intra în reacții redox cu diverse molecule importante din punct de vedere biologic, participând la transferul unui electron sau unui atom de hidrogen. Ca rezultat, se formează radicali reactivi (și/sau ionii radicali) ai moleculelor de sensibilizare și substrat biologic, care intră în reacții chimice ulterioare cu oxigenul. În reacțiile fotodinamice de tip II, energia este transferată de la molecula sensibilizatoare excitată la starea triplet la oxigen cu formarea formei sale excitate electronic 1O2; oxigenul singlet rezultat oxidează apoi moleculele substratului biologic. Cu o eficiență mai mică, unii sensibilizatori tripleți sunt capabili să efectueze o reducere cu un electron a oxigenului molecular cu formarea radicalului anion superoxid 0 - 2. Împreună cu procesele distructive fotodinamice, sunt cunoscute mecanisme de fotosensibilizare care nu necesită participarea oxigenului. Astfel de reacții fotosensibilizate, care apar, în special, în ADN, sunt realizate cu participarea moleculelor sensibilizatoare, care fie transferă energia de excitare la bazele azotate, asigurând astfel dimerizarea lor ulterioară, fie reacţionează într-o stare excitată cu mononucleotidele, formând aducti. Primul grup de fotosensibilizatori include unele cetone; a doua grupă este formată din derivați de furocumarină (psoraleni). În timpul fotosensibilizării cu psoraleni, în ADN se formează două tipuri de fotoproduși: (1) monoaducti (o moleculă de psoralen este legată covalent de o pirimidină) și (2) diaducte sau legături încrucișate covalente intercatenare (o moleculă de psoralen este legată covalent la două pirimidine).

Introducere

fluorescență luminescență polarizare colorant

Durata de viață a stării excitate electronic a moleculelor este de 10 -8 -10 -9 s. După aceasta, molecula revine la starea inițială, după ce a cheltuit energie suplimentară în mod neradiativ asupra mișcărilor vibraționale ale nucleelor ​​și mișcărilor de translație ale moleculelor învecinate, adică. risipindu-l sub formă de căldură. Dar această energie poate fi eliberată și sub forma unui foton emis. Acest fenomen se numește luminiscență. În funcție de metoda de excitare a moleculei - lumină, energie electrică, reacții chimice, încălzire etc. - distinge între foto-, electro-, chimio-, sau termoluminiscență. Suntem mai interesați de fotoluminescență, numită în mod obișnuit fluorescență.

Legile fluorescenței

Spectrul de fluorescență este dependența intensității luminii emise de energia fotonului: eu fl =f(h) sau F(). Dar, de obicei, în regiunea vizibilă și ultravioletă este reprezentată dependența intensității luminii fluorescente de lungimea de undă:

fluorescență luminescență polarizare colorant

eu fl = f().

De Legea Stokes, spectrul de fluorescență este deplasat la lungimi de undă mai mari în comparație cu spectrul de absorbție. Această schimbare se numește schimbarea Stokes. Reflectă pierderea unei părți din energia de excitație din cauza disipării termice. Dar adesea spectrele de fluorescență se suprapun parțial cu spectrele de absorbție a luminii (și cu spectrele de excitație a fluorescenței). În regiunea de suprapunere, numită anti-Stokes (Fig. 1), energia fotonilor emiși este mai mare decât energia cuantelor absorbite. În acest caz, se ia energie suplimentară din energia vibrațională a moleculelor atunci când, ca urmare a radiației, are loc o tranziție la un subnivel de vibrație inferior celui de la care a fost absorbit fotonul (Fig. 2).

Orez. 1.

regula lui Kash afirmă că în soluții, tranzițiile radiative au loc, de regulă, de la subnivelurile vibraționale inferioare ale nivelurilor excitate singlet sau triplet. Acest lucru se întâmplă deoarece pe durata de viață a stării excitate de 10 -8 -10 -9 s, toate tranzițiile vibrațional-rotaționale au timp să apară (durata lor tipică este de 10 -13 -10 -12 s). Putem spune că, în momentul în care fotonul este emis, molecula „uită” la ce subnivel a fost excitată. De aceea spectrul de fluorescență nu depinde de lungimea de undă a luminii excitante.

Orez. 2. Scheme de tranziții între cele electronic-vibraționale în timpul fluorescenței Stokes (a) și anti-Stokes (b), când, ca urmare a unei tranziții la un subnivel vibrațional inferior, energia cuantumului emis este mai mare decât energia absorbită. cuantic

De regula lui Levshin, spectrele de fluorescență reprezentate pe o scară de frecvență (energiile fotonilor) sunt simetrice în oglindă în raport cu banda de absorbție a undelor lungi.Acest lucru se datorează faptului că distanțele dintre subnivelurile vibraționale și probabilitățile de tranziție la acestea pentru moleculele din zona excitată. sunt similare cu cele din starea fundamentală.Motivul pentru aceasta este faptul că în timpul tranzițiilor electronice de ordinul a 10 -15 s, pozițiile nucleelor ​​nu au timp să se schimbe, deoarece perioadele tipice ale oscilațiilor lor sunt cu două până la trei ordine de mărime mai lungă - aproximativ 10 -13 -10 -12 s. Prin urmare, conform principiului Franck-Condon, absorbția și emisia fotonilor se datorează acelorași subniveluri vibraționale.

Randamentul cuantic al fluorescenței este raportul dintre numărul de cuante emise și numărul de cele absorbite:

= n fl /n absorbant

Valoarea 0< < 1, deoarece pe lângă emisia de fotoni, există și alte modalități de a utiliza energia de excitație: aceasta poate fi transferată către alte molecule, consumată în reacții chimice sau disipată sub formă de căldură.

În conformitate cu legea lui Vavilov, în regiunea Stokes, randamentul cuantic al fluorescenței moleculelor complexe în soluții nu depinde de lungimea de undă a luminii excitante.

Intensitatea fluorescenței soluțiilor diluate este proporțională cu concentrația de fluorocromi. Într-adevăr, în soluții diluate cu densitate optică scăzută D=cl < 0,05

eu fl = K I absorbant = K I 0 (1-T) = K I 0 (1 -10 -D ) 2,3 kI 0 D,

Unde k- fracția de radiație fluorescentă care intră în fotodetector. Acest lucru permite fluorescenței să determine cantitatea de fluorocrom și modificările acestuia sub diferite influențe. Pentru a măsura cantitativ concentrația unui fluorocrom, utilizați o curbă de calibrare:

c = c std (I fl /I std ),

unde indicele „std” se referă la soluția standard de calibrare.