Квантовая биофизика

2.Квантовая биофизика.

2.1.Природа света и его физические характеристики. Понятие кванта. Орбитальная структура атомов и молекул и энергетические уровни.

Квантовая биофизика изучает электронную структуру биологических макромолекул (белков и нуклеиновых кислот), электронные переходы в этих молекулах и пути превращения энергии возбужденного состояния исходных молекул и их продуктов.

Фотобиологические процессы можно подразделить на следующие группы:

1).Физиологические процессы:

– энергетические;

– фотосинтетические;

– информационные.

2).Деструктивно–модификационные процессы:

– патофизиологические процессы (временное нарушение процессов жизнедеятельности);

– мутации;

– летальные повреждения.

Свет имеет двойственную природу: с одной стороны, свет – это поток квантов, с другой стороны, свет имеет волновую природу. В связи с этим его основными характеристиками считаются частота () и длина волны (), а также энергия кванта:

Е = h · (h – постоянная Планка).

Чем выше частота света (а значит меньше длина волны), тем больше энергия кванта, так как их произведение дает скорость света (с):

с = · .

Каждый электрон занимает в молекуле определенный энергетический уровень, характеризующийся определенной энергией. В невозбужденной молекуле электроны занимают уровни с наименьшей энергией. Это электронные уровни. На каждом заполненном уровне может находиться два электрона с противоположными (антипараллельными) спинами +1/2 и –1/2. Суммарный спиновый момент в этом случае равен 0. Такие уровни называют синглетными. Состояние молекулы, в которой электроны находятся на низших синглетных уровнях в невозбужденном состоянии, называется основным (рис.2.1).

Под воздействием света электроны могут переходить с основного синглетного на другой возбужденный синглетный уровень, с более высокой энергией. Такие переходы не сопровождаются изменением спина.

Рис. 2.1. Образование возбужденных энергетических уровней, которые характеризуются определенной энергией: 1 – синглетного; 2 – триплетного.

Время жизни электрона в возбужденном синглетном состоянии очень мал (108 – 109 с). Переход электрона на другой уровень осуществляется при поглощении 1 кванта света.

Ряд молекул обладает так называемыми триплетными уровнями, на которых находятся неспаренные электроны, особенностью которых является проявление возможности однонаправленного спинового момента. Суммарный спиновый момент в этом случае может быть равен трем значениям: –1, 0 или +1.

Переход из основного синглетного состояния в триплетное запрещен, т.к. этот переход должен сопровождаться обращением спина электрона, а для этого необходима энергия. На триплетный уровень электрон попадает из возбужденного синглетного состояния.

Время жизни электрона в триплетном состоянии намного дольше, чем в синглетном, и составляет 104 – 10 сек.

Многоатомные макромолекулы кроме электронных энергетических уровней имеют вращательные и колебательные подуровни. Их существование и энергетические характеристики связаны с внутримолекулярными движениями, например ядер атомов.

В зависимости от величины энергии состояния они представляют следующую последовательность: электронный > колебательный > вращательный уровни.

2.2.Взаимодействие света с веществом.

Спектр поглощения. Способность молекулы поглощать свет зависит от ее электронной конфигурации. При поглощении света происходит переход электронов в возбужденное состояние. Данным веществом поглощается свет определенной длины волны. Поглощательную способность вещества отражает спектр поглощения.

Спектр поглощения представляет собой сумму индивидуальных полос поглощения, каждая из которых соответствует переходу между двумя электронными уровнями. Так как сложные молекулы обладают не только электронными, но и вращательными и колебательными подуровнями, то их спектр поглощения представляет собой сплошную линию – зависимость интенсивности поглощения света от его длины волны.

Обычно спектр поглощения имеет вид кривой с одним или несколькими максимумами, которые отражают наибольшую способность поглощать свет именно этой длины волны и являющейся одной из главных спектральных характеристик.

Закон поглощения света Бугера – Ламберта – Бера. Мерой интенсивности поглощения служит оптическая плотность (D). Эта величина вводится через закон поглощения Бугера – Ламберта – Бера: интенсивность поглощенного света (Iо–I) уменьшается по экспоненциальному закону в зависимости от концентрации растворенного вещества (С) и длины оптического пути (l).

В дифференциальной форме изменение интенсивности равно:

dI = – k · C · dl.

Решение уравнения с учетом константы интегрирования I = Iо при l = 0:

I = Iо · е– k · C · l или: ln (I/Iо) = k · C · l.

При переходе к десятичному логарифму: D = lg (I/Iо) = · C · l,

где: Iо – интенсивность падающего света, I – интенсивность света, прошедшего через объект, k и – константы пропускания света веществом. Их соотношение друг с другом определяется тем, что:

2,303 · ln = lg и тогда: 2,303 · k · ln = · lg.

Закон Бугера – Ламберта – Бера выполняется при условиях:

1).Свет монохроматический – одной длины волны (частоты).

2).Отсутствие взаимодействия между молекулами.

3).Беспорядочная ориентация молекул.

Последние два условия выполняются в случае разбавленных растворов.

Закон Бугера – Ламберт – Бера является основой для абсорбционной спектрометрии, позволяющей определять концентрацию веществ, основываясь на линейной зависимости их содержания в растворе от степени поглощения – оптической плотности. Фотоэлектроколориметр и спектрофотометр – приборы абсорбционной спектрофотометрии. Последний отличает способность устанавливать постоянную волну возбуждающего света монохроматором.

2.3.Пути размена энергии возбужденного состояния молекулы.

При поглощении кванта света молекула переходит в возбужденное состояние. Так как долго находиться в этом состоянии молекула не может, она возвращается в основное состояние. Энергия возбужденного состояния может тратиться (размениваться) на разные процессы при наличии следующих условий:

– при переходе в основное состояние с выделением энергии в виде тепла;

– при высвечивании квантов света: люминесценция (флуоресценция и фосфоресценция);

– при миграции энергии;

– при фотохимической реакции.

По своей сути, все фотобиологические процессы – это пути размена энергии возбужденного состояния молекул.

Люминесценция (флуоресценция и фосфоресценция), ее механизмы, законы и методы исследования. Высвечивание кванта света при переходе от возбужденного состояния к основному называется люминесценцией. Она подразделяется на флуоресценцию и фосфоресценцию.

Флуоресценция – высвечивание кванта света при переходе с нижнего возбужденного синглетного состояния в основное. Переход с высшего возбужденного синглетного уровня на нижний синглетный возбужденный уровень сопровождается выделением тепла и называется внутренней конверсией.

Характеристики флуоресценции:

1.Спектр флуоресценции: зависимость интенсивности флуоресценции от длины волны.

2.Квантовый выход флуоресценции: отношение числа квантов высветившихся к числу квантов поглощенных.

3.Время жизни возбужденного состояния (затухания флуоресценции) 108 – 109 сек.

Законы флуоресценции:

1.Закон Стокса: спектр флуоресценции сдвинут в длинноволновую область по сравнению со спектром поглощения (рис. 2.2).

2.Правило Левшина: коротковолновая часть спектра флуоресценции симметрична длинноволновой области спектра поглощения.

3.Закон Вавилова: квантовый выход флуоресценции не зависит от длины волны возбуждающего света.

Рис. 2.2. Спектральные характеристики при поглощении света и люминесценции.

Методы изучения: флуорометрические исследования отличает от спектрофотометрических необходимость применения особого светофильтра после объекта, не пропускающего длину волны возбуждающего света, но позволяющего регистрировать длину волны флуоресценции образца.

Фосфоресценция – высвечивание кванта света при переходе с триплетного уровня в основное состояние. Переход с высшего синглетного возбужденного уровня на триплетный уровень сопровождается выделением тепла и называется интеркомбинационной конверсией.

Характеристики и законы фосфоресценции – те же, что и для флуоресценции.

2.4.Миграция энергии. Виды и условия миграции. Правила Ферстера.

Миграция энергии – безизлучательный обмен энергией между возбужденной молекулой (донором) и молекулой в основном состоянии (акцептором) без кинетических соударений донора и акцептора и на расстояния, превышающие межатомные.

Виды миграции:

1.Индуктивно–резонансная миграция. Для этого необходимо, чтобы донор и акцептор имели одинаковые разности энергии между определенными энергетическими уровнями, взаимодействие должно быть достаточно интенсивным.

Выполняется при соблюдении трех правил Ферстера:

– Донор должен обладать способностью к флуоресценции.

– Длинноволновая часть спектра флуоресценции донора должна перекрываться с коротковолновой частью спектра поглощения акцептора.

– Донор и акцептор должны располагаться на определенном (не далее 2 нм) расстоянии друг от друга.

2.Обменно-резонансный тип миграции происходит в результате переноса энергии с триплетного уровня донора на триплетный уровень акцептора, происходит при перекрывании триплетных уровней на расстоянии 1–2 нм.

3.Полупроводниковая миграция энергии. Полупроводники характеризуются наличием валентной зоны и зоны проводимости, которые разделены запрещенной зоной. Переход из валентной зоны в зону проводимости может произойти вследствие влияния кванта света (фотопроводимость).

4.Экситонная миграция наблюдается в кристаллах. Пара «электрон – дырка» называется экситоном. Переноса заряда нет.

Методы исследования миграции энергии:

Сенсибилизированная люминесценция:

А + h · погл. А*; А* + В А + В*; В* В + h · фл.

(возбуждающий свет поглощается веществом А, регистрируется флуоресценция вещества В).

Сенсибилизированная фотохимическая реакция:

А + h · погл. А*; А* + В А + В*; В* С

(возбуждающий свет поглощается веществом А, вступает в фотохимическую реакцию вещество В).

2.5.Фотохимические реакции. Законы фотохимии.

Фотохимическими реакциями называют реакции, идущие под действием света. В этом случае энергия поглощенного кванта трансформируется в энергию химической связи.

Виды фотохимических реакций:

– Фотоокисление (в фотосинтезе);

– Фотовосстановление;

– Фотоизомеризация (реакции превращения фотопигмента в палочках); – Фотодиссоциация.

Законы фотохимии:

1.Гротгуса–Дрейпера: фотохимическое действие оказывает поглощенный свет.

2.Эквивалентности: один квант вызывает один фотохимический акт.

3.Правило Бунзен – Роско: количество фотопродукта зависит от дозы облучения P = I · t (I – интенсивность, t – время):

I1 · t1 = I2 · t2 = … = In · tn, P1 = P2 = … = Pn.

Скорость фотохимических реакций пропорциональна количеству квантов, поглощенных в единицу времени:

dC/dt dN/dt.

Но следует учесть, что не все поглощенные кванты вызывают фотохимическую реакцию, поэтому следует учесть квантовый выход реакции (), определяющий отношение числа квантов, участвующих в химической реакции, к общему числу поглощенных квантов.

В результате скорость реакции будет равна:

dC/dt = · dN/dt.

Скорость поглощения квантов пропорциональна интенсивности падающего света (Iо), концентрации вещества (С), участвующего в поглощении, и эффективному поперечному сечению молекулы – площади (S), при попадании в которую квант поглощается:

dN/dt = S · Iо · С.

С учетом квантового выхода реакции уравнение для скорости примет вид:

dC/dt = – · S · Iо · С.

Решая дифференциальное уравнение, имеем:

dC/С = – · S · Iо · dt; и далее, интегрируя, получаем:

dC/С = – · S · Iо · dt.

В итоге с учетом константы интегрирования:

С = Со · е– · S · Iо · t,

где: · S = – поперечное сечение фотореакции. Поперечное сечение – это площадь, при попадании в которую квант не только поглощается, но и вызывает реакцию. Можно заключить, что концентрация реагирующего вещества убывает экспоненциально в зависимости от интенсивности действующего света.

Квантовая биофизика