Содержание к диссертации
Введение
1 Хиральность в живой природе 14
1.1 Оптическая активность 14
1.2 Хиральность 20
1.3 Хиральная чистота 21
1.4 Хиральная безопасность 27
2 Генерация поверхностной второй оптической гармоники 35
2.1 Нелинейно-оптическая диагностика поверхностей 36
2.2 Нелинейная восприимчивость х 40
2.3 Методы изучения поляризационных свойств ПГВГ 50
3 Экспериментальная установка 54
3.1 Установка для измерение линейного эффекта вращения плоскости поляризации линейно-поляризованного излучения . 54
3.2 Установка для изучения ПГВГ в геометрии полного внутреннего отражения 56
3.2.1 Кюветы для свободной и несвободной поверхностей . 59
3.3 Материалы 61
4 Результаты изучения хиральных растворов методом ПГВГ 63
4.1 Угловая зависимость ГВГ в условиях ПВО 63
4.2 Изучение поляризационных свойств ВГ методом ГВГ-ЛД и ГВГ-КД 64
4.3 Сравнение результатов для свободной и несвободной поверхностей 67
4.3.1 В компонента 68
4.3.2 Другие компоненты (р, ps и sp) 72
Результаты и выводы 77
Список литературы 80
- Хиральная безопасность
- Методы изучения поляризационных свойств ПГВГ
- Установка для изучения ПГВГ в геометрии полного внутреннего отражения
- Изучение поляризационных свойств ВГ методом ГВГ-ЛД и ГВГ-КД
Введение к работе
Биосфера Земли обладает уникальной особенностью - хиральной чистотой включенных в живые организмы биомолекул. К хиральным веществам относятся соединения, включающие атом углерода с четырьмя различными заместителями, имеющими с ним ковалентные связи. Они образуют зеркальные изомеры - энантиомеры, обладающие оптической активностью, то есть способностью вращать плоскость поляризации света (L - влево, D -вправо).
Необходимое условие для синтеза белков и нуклеиновых кислот - хи-ральная чистота мономеров, L-аминокислот и D-сахаров. Поэтому только эти энантиомеры содержатся и продуцируются в живых клетках. Система, построенная на основе хиральной асимметрии, термодинамически неравновесна и со временем ее компоненты должны подвергаться рацемизации. В клетках поддержание хиральной чистоты внутренней среды обеспечивается за счет стереоспецифического - хирального - синтеза и ассимиляции энантиомеров только определенного типа из окружающей среды.
Один из важных вопросов теоретической биологии состоит в том, как в ходе эволюции возникла хиральная чистота химических компонентов клетки, каковы были механизмы выбора определенных типов энантиомеров аминокислот и Сахаров и эволюционного закрепления этого выбора.
Неравновесные границы раздела фаз вода/атмосфер а, лед/вода и поверхность наноразмерных водных кластеров способны к частичному фрак-
ционированию L- и D-изомеров хиральных соединений. Граница океан /атмосфера является термодинамически неравновесной структурой, поскольку за счет испарения воды и инфракрасного излучение тонкий поверхностный слой сильно охлаждается - градиент температуры достигает 1000К/м. В таком неравновесном поверхностном слое - холодной пленке - могут формироваться колебательные и волновые регулярные динамические структуры и происходить электротермодиффузионные процессы разделения ионов и органических веществ.
Более 20 лет назад В.А. Твердислов предложил гипотезу происхождения предшественников живых клеток на Земле, согласно которой возникновение исходно термодинамически неравновесных дискретных предшественников живых клеток связано с неравновесной холодной поверхностной пленкой Мирового океана.
Экспериментальная проверка этой гипотезы подтвердила, что в тонком поверхностном слое водного раствора электролита перераспределяются неорганические и органические компоненты, в отсутствие термодинамического равновесия происходят термодиффузионные, конвекционные и электрохимические процессы, вызывающие перераспределение ионов и хиральных органических молекул между объемной фазой воды и холодной пленкой.
Поверхностная пленка обогащается ионами калия и кальция, а также одним из энантиомеров рацемической смеси аминокислот. В условиях термодинамического равновесия между водной и воздушной фазами фракционирования ионов и энантиомеров хиральных веществ не происходит.
Теоретическое описание процессов фракционирования ионов и хиральных веществ в тонком поверхностном слое сталкивается со значительными математическими трудностями. Кроме того, эксперименты по фракциони-
рованию аминокислот в поверхностном слое были проведены при их концентрациях, близких к насыщающим, что затрудняет однозначное определение механизмов фракционирования.
По этой причине весьма актуальны исследования перераспределения хи-ральных соединений в поверхностном слое водного раствора с помощью прямых физических методов.
Обычные линейно-оптические методы, такие как оптическое вращение плоскости поляризации и эллипсометрия, для этой цели мало пригодны, так как имеют ограниченную чувствительность и требуют большого количества вещества, а обнаружение хиральности в тонком слое, затруднительно. Наиболее распространенным оптическим методом получения информации о структуре молекул (в том числе и органических), находящихся на границе-раздел а или в тонкой пленке, является генерация поверхностной (оптической) второй гармоники (ПГВГ). Анализ зависимости интенсивности второй гармоники от параметров падающего излучения позволяет получать уникальную информацию о строении исследуемых молекул.
Цели и задачи работы:
Целью настоящей работы является изучение перераспределения энан-тиомеров хиральных соединений - аминокислот и Сахаров - между объемной фазой их водного раствора и поверхностной тонкой пленкой с помощью нелинейной лазерной диагностики для выяснения биофизических механизмов возникновения хиральной асимметрии в биосфере и решения задач экологической безопасности.
В ходе работы были поставлены следующие задачи:
1. Создание экспериментальной установки для изучения ПГВГ от свободной поверхности, то есть от границы раздела воздух/жидкость в
нерезонансном случае (при отсутствии поглощения на основной и удвоенной частоте). Экспериментальное исследование разных геометрий установки, в том числе геометрии полного внутреннего отражения, с целью оптимизации эффективности генерации второй оптической гармоники.
2. Сравнение разных методов изучения поляризационных свойств ПГВГ:
нелинейной оптической вращательной дисперсии, то есть измерение вращения плоскости поляризации второй гармоники (ГВГ-ОКД).
сравнение интенсивности второй гармоники при основном излучении с лево- и право-циркулярной поляризацией (ГВГ-КД).
сравнение интенсивности второй гармоники при основном излучении с линейной поляризацией, когда поляризация направлена в* противоположные стороны, под углом 45 относительно плоскости падения (ГВГ-ЛД).
Применение метода ПГВГ для изучения поверхностей растворов, содержащих разные энантиомеры аминокислот и Сахаров и их рацематы, в частности, для определения концентраций энантиомеров в тонких поверхностных слоях растворов индивидуальных энантиомеров и их смесей, включая рацематы.
Экспериментальное исследование влияния на эффективность генерации и поляризационные свойства второй оптической гармоники физических и химических факторов - рН, температуры и влажности.
Научная новизна:
1. Впервые экспериментально исследован процесс усиления генерации второй оптической гармоники в условиях полного внутреннего отражения,
когда активная среда более плотная, то есть излучение проходит через нее. Проведено сравнение с противоположным случаем - менее плотной активной средой,
Впервые Экспериментально исследован процесс ГВГ от поверхности в нерезонансном случае, то есть при отсутствии поглощения на основной и удвоенной частотах.
Предложен новый способ для определения соотношения концентраций энантиомеров в тонком поверхностном слое растворов биологически важных молекул - аминокислот и Сахаров - методом ПГВГ, который может быть использован для установления зависимости распределения энантиомеров между раствором и его поверхностным слоем от физических и химических параметров, таких как влажность (мера нерав-' новесности) и концентрации.
Экспериментально исследована форма поляризационных зависимостей интенсивности ПГВГ для двух разных энантиомеров аминокислоты валина и сахара арабинозы и их рацемических смесей; обнаруженные существенные различия этих зависимостей позволяют определять содержание энантиомеров в поверхностном слое.
Практическая значимость:
Разработанная схема эксперимента может быть использована для детального исследования процессов, происходящих на поверхности раствора. Ряд физических и химических свойств поверхности могут быть измерены с помощью ПГВГ. Более того, возможно исследовать динамику химических реакций на границе раздела двух фаз и в тонких слоях, которая, как правило, отличается от динамики объемных реакций.
Разработанный в настоящей работе подход может быть использован в
экологических исследованиях для мониторинга хирального загрязнения окружающей среды. В фармацевтике этот подход может быть использован для контроля хиральных загрязнений в условиях асимметричного синтеза хиральных лекарственных препаратов, когда необходимо получить только один из энантиомеров.
Основные положения, выносимые на защиту:
Созданная экспериментальная установка позволяет измерять разницу интенсивности ГВГ от свободной поверхности прозрачных (при отсутствии поглощения на основной и удвоенной частоте) растворов биологических веществ при изменении концентрации и типа хиральности в этих веществах. Поляризационные свойства генерируемой ВГ от свободной и несвободной поверхностей отличаются._
Интенсивность поверхностной второй оптической гармоники усиливается (в 10-2О раз) когда излучение проходит сквозь активную оптически более плотную среду и падает на свободную поверхность под углом полного внутреннего отражения. В случае молекул арабинозы и валина поляризационные свойства поверхностной второй гармоники определяются главным образом магнитнодипольным взаимодействием.
В неравновесном тонком поверхностном слое раствора происходит фракционирование энантиомеров хиральных веществ - аминокислот и Сахаров. Метод генерации поверхностной второй гармоники в условиях полного внутреннего отражения позволяет исследовать перераспределение энантиомеров хиральных веществ в тонких поверхностных слоях водных растворов и на границах раздела фаз. Метод может быть использован в экологических исследованиях.
Апробация работы:
Вошедшие в диссертацию результаты докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях и семинарах: Международная конференция студентов и молодых ученых по фундаментальным наукам Ломоносов -2003, секция Физика, Москва, 2003; Международная конференция студентов и молодых ученых по фундаментальным наукам Ломоносов-2004, секция Физика, Москва, 2004; Второя научная конференция "Проблемы биохимической физики" (памяти Л.А. Блюменфельда), 2003г 29 ноября; семинарах кафедры биофизики и кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.
Список публикаций по теме диссертации:
Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях:
Шоджаи Багини М., Назаров М.М., Шкуринов А.П., "Генерация второй гармоники от свободной поверхности биологических растворов", Международная конференция студентов и молодых ученых по фундаментальным наукам Ломоносов-2003, секция Физика, Москва, 2003.
Назаров М.М., Шоджаи Багини М., Шкуринов А.П., Яковенко Л.В "Изучение хиральных свойств биологических молекул методом генерации поверхностной второй оптической гармоники", Международная конференция студентов и молодых ученых по фундаментальным наукам Ломоносов-2004, секция Физика, Москва, 2004.
Shojaei М., Nazarov М., "Interfacial surface second harmonic generation from chiral solutions". 10th Iranian conference on photonics, Kerman, Iran. Jan. 2004 (на персидском языке).
M. Шоджаеи Багини, В.В. Сидорова, Л.В. Яковенко, А.В. Балакин,
М.М. Назаров, А.П. Шкуринов, "Исследование содержания хиральных соединений в поверхностном водном слое методом генерации второй гармоники в условиях полного внутреннего отражения", Препринт Физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, М., 2004, 20 с.
Структура и объем диссертации:
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав (главы 1 и 2 - обзора литературы, оригинальные главы 3 и 4 содержащих описание экспериментальных работ и обсуждения результатов), заключения, и списка цитированной литературы.
В первой главе представлен обзор работ, посвященных хиралъпости. Определяется хиральность и оптическая активность. Рассматриваются разные виды хиральности, понятие антиподов или энантиомеров и фундаментальная проблема хиралъной чистоты живой природы. Описывается термодинамически неравновесное состояние холодной пленки на поверхности Мирового океана как возможное место, создающее необходимые условия для возникновения предшественников живых клеток на Земле.
В этой главе также обсуждается проблема хиралъной безопасности в качестве новой угрозы для окружающей среды.
Во второй главе представлен обзор работ, посвященных генерации второй оптической гармоники отраженной от центросимметричных и нецентр осимметричных поверхностей, В рамках теории взаимодействия света и вещества описывается механизмы нелинейных процессов четного порядка. Рассматривается нелинейный тензор восприимчивости второго порядка Х^ и выделяются хиральные и нехиральные компоненты этого тензора.
В третьей главе описана экспериментальная техника, использовавшаяся для исследования нелинейного отклика поверхности.
В четвертой главе изложены результаты экспериментальных исследований генерации второй гармоники в растворах валина и арабинозы.
В заключении сформулированы основные выводы и результаты, полученные в диссертационной работе.
Хиральная безопасность
Биосфера со свойственной ей хиральной асимметрией, закрепившейся на генетическом уровне в ходе биологической эволюции на уровне L- аминокислот и D- Сахаров, а также некоторых биологически активных веществ (БАВ) биогенного происхождения, сталкивается с мощным потоком хи-ральных соединений, формируемым химической, перерабатывающей, фармацевтической, аграрной, пищевой промышленностью и так далее. Эффективное использование одних энантиомеров в медицине или агрокомплексе сопровождается токсическим и даже мутагенным действием их зеркальных антиподов.
Под экологической безопасностью в настоящее время понимается защищенность населения и экосистем от негативных последствий техногенных и природных антропогенно индуцированных катастроф, а также последствий антропогенного воздействия на качество компонентов окружающей среды. В связи с тем, что многие органические вещества природного и антропогенного происхождения имеют изомерные формы, существенно различающиеся по эффектам воздействия на живые организмы, вплоть до токсического и мутагенного, проблема "хиральной чистоты биосферы" приобретает все большее значение в результате интенсивного использования энантиомеров различных веществ в различных отраслях промышленности [14].
Область применения хиральных соединений широка: от фармацевтических препаратов до сельского хозяйства. Традиционный химический синтез органических соединений, не включающий участие хиральных катализаторов, приводит к образованию рацематов, содержащих равное количество D-и L-энантиомеров. Но и при их разделении и очистке, при хирально- специфическом синтезе, при трансформации хиральных соединений в искусстзенных и природных условиях образуются токсические хиральные продукты,
Хиральные соединения применяются в электронной оптике в многокомпонентных волокнах, включающих полимеры полимолочной кислоты с различным отношением L и D, что придает волокну свойства биодеградации и делает волокно легким в переработке. Волокно может быть использовано при изготовлении нетканых структур, например - одноразовых абсорбирующих изделиях. Также разработаны методы синтеза новых хиральных жидкокристаллических полимеров и осуществлен синтез широкого круга новых хиральных полимерных соединений, содержащих бинафтолпроизводные с целенаправленно меняющимися заместителями.
Природная нефть также является смесью изомеров. Оптическая активность природных нефтей связана главным образом с углеводородами типа тритерпанов и стеранов. По стереохимическим особенностям нефтяные стераны и тритерпаны несколько отличаются от исходных биологических соединений, что связано с изменениями при термическом превращении пространственного строения одного или нескольких хиральных центров биомолекул. Последствия воздействия хиральных продуктов нефтепромышленности на население никогда не изучались, есть предположения, что в определенных случаях изомерные формы соединений нефтеуглеводов с тяжелыми металлами могут вызывать онкологические заболевания, однако исследованиями подобные предположения не подтверждены.
Также представляется важным вопрос о хиральной чистоте метаболитов хиральных соединений. В природе мало биологических видов, способных использовать зеркальные изомеры биологически активных веществ, менять их хиральность или делать ахиральными (к их числу можно отнести некоторые виды бактерий, использующих сахара другой хиральности в качестве естественной защиты), однако, организмы используют и синтезируют хиральные соединения одной хиральной конфигурации, это витамины, гормоны, антибиотики, эйкозаноиды, терпеноиды, метаболиты хвойных пород, пигменты фотосинтеза.
Таким образом, сегодня существует и нарастает новая опасность, угрожающая здоровью человека и связанная с токсическим и мутагенным воздействием хиральных соединений, часто используемых в фармацевтической, пищевой, химической, топливной промышленности, оптической индустрии.
Принцип воздействия биологически активных веществ на организм состоит в восприимчивости к ним определенных рецепторов. Рецептор и молекула вещества должны подходить друг другу по форме ("ключ - замок"), взаимосвязь между пространственной структурой и такой активностью называют "стереоспецифичностью действия". Другими словами, пространственная структура чувствительного участка клеточной мембраны должна быть комплементарно повторена и в структуре молекул активного вещества. Система распознавания - "свой" изомер или "чужой" - очень тонкая и может осуществляться не только при соединении ферментов с рецепторами, но и при прохождении изомера через мембраны, при распределении вещества между тканями или во внутриклеточных процессах.
Взаимодействие асимметричной молекулы биологически активных веществ с активным центром рецептора, определяется контактом в ряде точек. При этом в структурах вещества и рецептора могут существовать как точки связи, так и точки взаимного отталкивания. Если силы взаимодействия асимметрично построенной молекулы биологически активных веществ с активным участком рецептора (или фермента) сосредоточены в трех точках, то два изомера вещества могут одинаково ориентировать в от-ношении данной поверхности только две из трех групп, участвующих в процессе. Различная ориентация третьей группы может объяснить различие в биологической активности оптических изомеров. Если третья группа пространственно препятствует контакту вещества с рецептором в двух других точках, то появляется различие между биологической активностью энан-тиомеров. Так, три группы молекулы D (-)-адреналина могут соединяться с соответствующими группами рецептора. У L (+)-адреналина спиртовая гидроксильная группа ориентирована так по отношению к поверхности рецептора, что взаимодействие с рецептором возможно только в двух точках, поэтому D (-)-адреналин обладает в десятки раз большей фармакологической активностью, чем синтезированный L (+)-изомер. Положительное или отрицательное действие лекарственных веществ, инсектицидов, органолептических проявлений принципиальным образом свя-зано с их хиральной чистотой. Хиральные соединения обладают иммуномо-дулирующими, цитостатическими, тератогенными, мутагенными свойствами по причине стереоспецифичности действия. Ряд фармпрепаратов, используемых при лечении заболеваний ферментативной, иммунной систем, представляют собой смесь двух и более оптических изомеров, отличающихся по своему биологическому действию.
Методы изучения поляризационных свойств ПГВГ
Для изучение приповерхностных слоев и тонких пленок с помощью генерация поверхностной оптической второй гармоники существует четыре разных метода. Суть этих методов заключается в исследованием поляризационных свойств генерируемой гармоники. Первый метод - это измерение вращения плоскости поляризации второй гармоники . Здесь рассматривается поляризационное состояние второй гармоники, генерируемой при определённом состоянии линейно-поляризованного излучения основной частоты (обычно р). Измеряется вращение плоскости поляризации второй гармоники по сравнение с направлением поляризации основного излучения.
Этот метод является нелинейным аналогом оптической вращательной дисперсии и поэтому называется ГВГ-ОКД [30, 77, 78, 79]. Второй метод сравнение интенсивности второй гармоники при основном излучении с лево- и право-циркуляри ой поляризацией (ГВГ-КД) [68, 79, 80, 81], а третий - сравнение интенсивности второй гармоники при основном излучении с линейной поляризацией, когда поляризация направлена в противоположные стороны, под углом 45 относительно плоскости падения (ГВГ-ЛД) [79]. Этот метод не имеет аналога в линейной оптике. Четвертый метод - нелинейная эллипсометрия (НОНЭ) (см. например [82, 83]). Так как наличие хиральных веществ на границе раздела двух фаз влияет на поляризационные свойства генерируемой гармоники, с помощью изучения на частоте ВГ можно получить ценную информацию о хиральных свойств поверхности. Рассмотрим эти методы в рамках модели предыдущего параграфа. Если поверхность является ахиральной, тогда fa и дв равны нулю и генерируемая вторая гармоника будет в поляризационном состоянии р. Из этого следует, что любое вращение плоскости поляризации в эксперименте связано с хи-ральностью. Соответствующее вращение плоскости поляризации в случае, когда коэффициенты fs, fp, gs и gp действительные, имеет вид для s-поляризации.
Однако, при наличии хиральных молекул из-за магнитного вклада коэффициенты станут комплексными, вследствие чего вторая гармоника больше не будет линейно-поляризованной. Учитывая комплексный характер коэффициентов, будем писать их как fSrP — f s + if"p, где / действительная и /" мнимая части. Хотя в этом случае вторая гармоника не является линейно-поляризованной и кажется, что нельзя говорить о вращении плоскости поляризации, но можно определить угол Ф как сдвиг в положения минимума сигнала второй гармоники проходящей через анализатор, тогда получим [77]: В случае ГВГ-ЛД, в качестве показателя хиральности можно определить величину лд как [67]: для s- или р-анализатора. В данном случае, изменение интенсивности второй гармоники в зависимости от угля поляризации получает вид: Подобным образом в случае ГВГ-КД, то есть при основном излучении с лево- и право-циркулярной поляризацией, соответствующую величину -кд - можно писать как [67] а изменение интенсивности второй гармоники в зависимости от угла поворота А/4 пластинки (6): Таким образом, видно, что появление хиральных молекул должно проявится в поляризационной зависимости s-компоненты поля ВГ, при этом должна появиться ассиметрия величины сигнала при 7 = +45 и 7 = —45. Для противоположного энантиомера зависимость должна "отразиться" относительно положения 7 = 90, для рацемата эта зависимость должна быть симметричной - все эти явления можно экспериментально измерить, р-компонента ВГ значительно менее чувствительна к наличию хирально-сти.
Установка для изучения ПГВГ в геометрии полного внутреннего отражения
Для исследования оптических свойств ВГ, генерируемой при отражении от поверхности изотропного раствора хиральных іМолекул в геометрии полного внутреннего отражения, нами была создана установка, схема которой приведена на Рис. 3.3. В качестве источника излучения основной частоты использовался фемтосекундный лазер на кристалле Ti:Sapphire (TiSalOO
Avesta), накачиваемый всеми линиями аргонового (Аг+) лазера (Innova 310, Coherent Inc.). Основные параметры фемтосекундного лазерного излучения следующие: длина волны 773 нм (перестройка 740-830 нм), длительность импульсов 100 фс (перестройка 60-300 фс), ширина спектра Л А а Юнм, частота следования импульсов 100 МГц, средняя мощность излучения на образце 100 мВт.
Лазерное излучение проходного через поляризатор (призма Глана - Тейлора) модулировался с помощью опто-механического прерывателя (ОМП, Stanford Research Systems Inc., модель SR540), затем проходил через двойной ромб Френеля (ДРФ) для поворота плоскости поляризации и фокусируется линзой (Линза 1) с фокусным расстоянием / = 55 мм в кювету на поверхность исследуемого раствора (Кюветное Отделение).
Для наших экспериментов были изготовлены две специальные кюветы, которые будут описаны далее в тексте. Спектральный фильтр (СФ1) представляет собой цветное стекло марки КС 19 и служит для "отсечки" засветок спектральном диапазоне ниже 700 нм. Отраженное излучение, состоящее из отраженного луча на основной частоте и генерируемой ВГ на длине волны 386,5 нм, коллимируется линзой (Линза 2) с фокусным расстоянием / = 55 мм и направляется через (Анализатор) и стеклянный фильтр (СФ2, марка СЗС-21, пропускающий излучение ВГ и "отрезающий" излучение основной частоты), на фотоэлектронный умножитель (ФЭУ, Hamamatsu R106UH).
С помощью Анализатора (используется призма Глана-Тэйлора) выделяется только р-, s-, либо промежуточная компонента ВГ. В экспериментальной схеме предусмотрено автоматическое управление углом поворота ДРФ, задающего угол поворота плоскости поляризации излучения основной частоты (7) относительно р-направления. Управление угловым положением анализатора (а) осуществляется в ручном или автоматическом режиме используя шаговый двигатель, положение которого контролируется компьютером с помощью программного обеспечения, написанного на языке Pascal.
ФЭУ включен в схему синхронного детектирования, использующую синхронный усилитель (Stanford Research Systems Inc., модель SR830). Синхронизация осуществляется на частоте 1100 Гц, задаваемой ОМП. Заметим, что схема синхронного детектирования позволяет существенно (104) повысить соотношение "сигнал/шум" при регистрации слабого сигнала ВГ (Ръ /Ри 10 12). Оцифрованный сигнал ВГ через GPIB-порт записывается в память персонального компьютера (ПК). Программное обеспечение, написанное в среде Lab View, позволяет измерять и сохранять в память ПК зависимости величины сигнала "отраженной" В Г от угла поворота плоскости поляризации 7, а также от угла падения в излучения основной частоты.
В наших экспериментах раствор помещался в специально изготовленную кювету. Для целей исследования процесса ГВГ в геометрии ПВО от свободной и несвободной поверхности были изготовлены кюветы двух типов. Схемы кювет показаны на Рис. 3.4. Входное и выходное окно кюветы типа А представляет собой полусферу, изготовленную из плавленого кварца (радиус полусферы 15 мм, показатель преломления по — 1,42), а исследуемый раствор помещается на плоское основание полусферы. Такая форма кюветы позволяет изменять угол падения в пределах от 0 до 85 градусов в режиме сканирования углов падения отражения "0 — 20" без дополнительной подстройки положения Линзы 1 и углового положения регистрационного тракта. С помощью такой кюветы можно точно настроится на условия ПВО для растворов с показателем преломления щ щ.
В кювете типа Б (полая полусфера с радиусом 25 мм), раствор находится внутри полусферы, при этом уровень раствора совпадает с плоскостью, содержащей геометрический центр полусферы. Следовательно, ПВО происходит на границе раздела раствор воздух. Таким образом, в кювете типа А реализуется случай несвободной поверхности, а в кювете типа Б - случай свободной поверхности. Заметим, что в последнем случае реализована ситуация, моделирующая свободную поверхность Мирового океана.
Кювета А закреплена на оси вращения гониометра ГУР-4 таким образом, что ось вращения проходит через центр полусферы и лежит в плоскости границы раствора, а регистрационный тракт экспериментальной установки (включает в себя Линзу 2, Анализатор, СФ2, ФЭУ) закреплен на вращающемся кронштейне гониометра. При повороте кюветы на угол 9 гониометр обеспечивает поворот приемного тракта на угол, вдвое больший угла поворота кюветы. Отметим, что возможность изменения угла падения в в широких пределах необходима для обеспечения условия ПВО при исследовании растворов с различными показателями преломления, а также для измерения угловых зависимостей.
Изучение поляризационных свойств ВГ методом ГВГ-ЛД и ГВГ-КД
В главе 2 обсуждались различные методы изучения поляризационных свойств ВГ. В линейной оптике, наличие хиральных молекул (оптически активных веществ) в среде появиться в эффектах кругового дихроизма и вращения плоскости поляризации проходящего через нее света. Чтобы наблюдать эти эффекты используется циркулярно- и линейно-поляризованный свет соответственно. Подобные эффекты наблюдаются в нелинейных процессах, в том числе в ПГВГ. В качестве одного из методов изучения поляризационных свойств отраженной ВГ от поверхности хиральных молекул использовался метод ГВГ-ЛД.
Суть этого метода заключается в сравнением интенсивности второй гармоники при основном излучении с линейной поляризацией, когда поляризация основного излучения направлена в противоположные стороны, под углом 45 относительно плоскости падения. Раньше мы видели как эта асимметрия изменяет формы зависимости для разных энантиомеров, сей ный и разница между откликами разных энантиомеров станет существенным, только тогда, когда существует поглощение на основной или на удвоенной частотах. В наших случаях растворы прозрачные и не являются поглощающими, поэтому этот метод для наших целей не информативен. Надо отметить, что в растворах пинена, этот эффект наблюдался.
Были исследованы поляризационные зависимости мощности сигнала ВГ, генерируемой при отражении от поверхности водных растворов хиральных молекул арабинозы и валина в кюветах обоих типов. Измерения проводились для угла падения соответствующего ПВО - вкр. Были исследованы как хиральные растворы (с преобладанием одного из энантиомеров), так и рацемические растворы (с одинаковым содержанием правого и левого энантиомеров). Линейная оптическая активность растворов контролировалась путём измерения угла поворота плоскости поляризации излучения HeNe-лазера при прохождении 30 мм раствора. Угол поворота плоскости поляризации падающего на поверхность излучения задавался с помощью поляризатора - двойного ромба Ференеля (см. Рис. 3.3) и изменялся согласно формуле:
что соответствует линейно-поляризованному излучению, плоскость поляризации которого повернута на угол 7 относительно направления задающего р-поляризацию. Здесь 7 имеет смысл удвоенного угла поворота ДРФ. Отметим, что в исследованных растворах отсутствовало оптическое поглощение как на основной частоте, так и на частоте В Г.
Были исследованы поляризационные зависимости р-(« = 0), s-(a = 90) и промежуточной (а — 45) компонент отраженной ВГ, селекция которых осуществлялась при помощи Анализатора. В ходе экспериментальных исследований было отмечено, что наиболее наглядно хиральные или рацемические свойства раствора отражает поляризационная зависимость s-компоненты ВГ. Заметим, что, измерив дополнительно поляризационные зависимости р- и промежуточной компонент ВГ, представляется возможным определить относительные величины всех компонент тензора нелинейной оптической восприимчивости поверхности второго порядка.
На Рис. 4.4 показана поляризационная зависимость мощности ВГ, генерируемой при отражении от поверхности хиральных растворов L-арабинозы и D-арабинозы. Эксперимент проводился в кювете типа А, то есть на границе раздела кварц-раствор, анализировалась s-компонента ВГ. Из рисунка видно, что в случае, когда световое излучение, падающее на поверхность р-поляризовано, величина s-компоненты ВГ практически равна нулю, а при 7 = 45 и 7 = 135 величина сигнала ВГ достигает максимального значения. Однако величина максимумов в этих точках различна. Более того, для L- и D-энантиомеров, измеренные зависимости являются зеркальными отображениями друг друга относительно вертикальной оси 7s = 90. Различие в величине сигнала ВГ в зеркально асимметричных точках 7 7s + 45 свидетельствует о наличии хиральных молекул в приповерхностном слое раствора и демонстрирует возможность определения знака хиральности вещества.
