Люминесценция – процесс свечения молекул, сопровождающий переход электронов с возбужденных уровней на основной:
1. флюоресценция – свечение молекулы в момент облучения;
2. фосфоресценция – свечение после прекращения облучения.
При переходе электронов с возбужденных уровней на основной происходит испускание кванта люминесценции.
Закон Стокса устанавливает, что «Длина волны света испускаемого при люминесценции всегда больше длины волны света, который ее вызвал».
Это связано с тем, что электроны с возбужденных уровней не сразу попадают на основной.
Изначально электроны переходят с более высоких уровней на менее, но которые являются также возбужденными. Переходы сопровождаются потерей части энергии, которая переходит в тепло. Электроны должны перейти на самый низкий возбужденный уровень (S0*-уровень), с которого могут возвращаться на основной (S0-уровень). Квант люминесценции выделяется при этом переходе, при этом часть энергии растрачена, поэтому длина волны кванта люминесценции будет больше.
Возбуждение молекулы, которое происходит при флюоресценции, длится 10-9-10-8 c, поэтому ее можем наблюдать в момент освещения, ибо период возбуждения имеет короток.
Процесс фосфоресценции связан с переходом электронов с триплетного уровня (Т-уровень) на основной (S0-уровень), что длится от 10-3 с до нескольких секунд. Триплетный уровень располагается ниже минимального возбужденного S0*. Электроны при поглощении энергии не попадают на триплетный уровень, а могут попадать на него при переходе с нижнего возбужденного. При этом электрон меняет свой спин на противоположный. На уровне появляются не спаренные электроны, переход с триплетного уровня на основной сопровождается высвечиванием кванта, при этом квант будет иметь еще большую длину волну, чем при флюоресценции.
Процессы люминесценции оцениваются квантовым выходом - отношение количества квантов люминесценции к числу поглощенных квантов, φ = n / N.
Закон Вавилова устанавливает: «Квантовый выход люминесценции не зависит от длины волны света, вызвавшего люминесценцию».
Изучение спектров люминесценции позволяет судить о величине квантов энергии, запасаемых в молекуле, рассчитать положение энергетических уровней, определить время возбужденного состояния по скорости появления и ухода люминесценции, исследовать состояние вещества.
При химических реакциях может высвобождаться энергия, достаточная для высвечивания кванта люминесценции – хемилюминесценция – свечение молекул, сопряженное с химическими реакциями:
1. биохемилюминесценция;
2. фотохемилюминесценция - наблюдается при обратных фотохимических реакциях.
Светлячки, грибы, морские организмы обладают биохемилюминесценцией, которая связана с ферментативными процессами.
Связано свечение с веществами люцеферинами, которые приобретают свойство свечения при действии фермента люциферазы. Свечение происходит, когда энергия АТФ в присутствии кислорода и ионов магния переходит с люциферазы на люциферин.
При исследовании процессов в биологических объектах было обнаружено слабое свечение. Гурвич 1924 год обнаружил свечение в корешках лука, что усиливало процессы митоза в других клетках (митогенетические лучи). Тарусов выявил процессы свечения при неферментативном окислении липидов. Обнаружено свечение митохондрий при нарушении их нормальной функции. Изучение биолюминесценции позволяет исследовать состояние молекул на молекулярном и субмолекулярном уровне.
Миграция энергии
Миграция энергии – безизлучательная передача энергии от молекулы к молекуле на расстояние, значительно превышающее межатомные, происходящее без растраты в тепло и без кинетических соударений донора и акцептора.
Рассматривают в миграции три теории:
1. электронная теория (экситонная) - наблюдается в кристаллических структурах. В составе кристаллических решеток обнаружены электроны, которые не принадлежат определенным атомам кристалла, являются общим компонентом кристаллов, образуют энергетические уровни проводимости. При поглощение кванта электроны могут переходить на другой уровень, при этом освобождается место, образуется пара «электрон – дырка», что получило название экситон. При действии фотона электрон перемещается по более высокому энергетическому уровню в кристалле до атома, которому передает энергию, а затем возвращается к своему положению.
Миграция была обнаружена в кристаллах сернистого цинка с примесью атомов меди, при этом энергию поглощают сера и цинк, а свечение осуществляется за счет меди, свечение происходит на расстояние 50 ангстрем.
Белки имеют упорядоченную структуру, по мостикам могут передаваться энергия. Блюменфельд и Кальмансон обнаружили в аминокислотах и белках свободные электроны. Бюхер и Касперсон объясняют миграцию электронов в осуществлении дыхательной функции при участии цитохромов, в которых изменяется валентность атомов железа. Миграция происходит по протеиновым мостикам, энергия передается за счет электронов;
2. резонансная теория была предложена Вавиловым и Перреном. Считали, что не требуется кристаллической структуры для миграции энергии, но необходимо, чтобы донатор энергии обладал способностью к люминесценции. Спектр поглощения донатора должен перекрываться спектром поглощения акцептора, но при этом максимум поглощение должен у донатора находиться в более коротковолновой части, то есть более донатор должен иметь более высокий энергетический уровень. Расстояние не должно превышать 10 нм между донатором и акцептором. Молекулы вступают в резонансные отношения друг с другом и осуществляется передача энергии:
A + hv = A*, A* + B = A + B*;
3. протонная теория была предложена Теренином и Красновским, которые пологали, что миграция энергии происходит вибрационным путем по цепочкам молекул. Энергия распространяется по белковой цепочке до протонов, которые образуют мостики водородной связи, при этом квант энергии расходуется на образование аксония. Протон взаимодействует с молекулой воды в сольватной оболочке, образуется Н3О (аксоний), который нестабилен и распадается на воду и протон, который несет энергию далее. Так происходит передача энергии.