Введение к работе
Актуальность темы
Двухфотонное поглощение (ДФП) теоретически было рассмотрено в начале тридцатых годов Марией Гипперт-Майер [1], экспериментально впервые было получено в микроволновой области [2]. В оптическом диапазоне ДФП обнаружено только после появления лазеров [3].
Двухфотонные переходы имеют ряд важных для спектроскопии особенностей [4]: Двухфотонные переходы основаны на других правилах отбора по сравнению с однофотонными. По двухфотонному механизму можно возбудить состояние частицы, для возбуждения которого при однофотонном возбуждении требуется более коротковолновые фотоны, как правило, сильно поглощаемые матрицей, окружением частицы или даже окнами кюветы. При встречном поглощении двух фотонов компенсируется доплеровский эффект.
Сечение ДФП является основной величиной, определяющей двухфотонные (ДФ) свойства молекул. Считается, что для органических молекул значения сечений двухфотонного поглощения лежат в пределах от 10"48 до 10"57 см4-с/фот-мол. Минимальная интенсивность, при которой возможно наблюдение двухфотонных процессов, составляет 1020 фот/см2с, а при интенсивностях порядка 1030 фот/см2с двухфотонные процессы становятся не только наблюдаемыми, но и более эффективными, чем однофотонные процессы.
На сегодняшний день активно развиваются исследования по нескольким направлениям практического использования ДФ процессов. В фотодинамической терапии онкологических заболеваний при двухфотонном механизме возбуждения фотосенсибилизатора улучшается селективность и увеличивается глубина проникновения излучения в ткани [5-8]. ДФ процессы используются в генной инженерии для селективного фоторазрезания ДНК [9]. Использование фотохромних материалов с двухфотонной записью и считыванием открывает перспективы создания объемных оптических носителей информации с уникальными характеристиками по плотности записи и скорости считывания [10-14]. Обнаруженные в последнее время вещества с экстремально высоким значением сечения ДФП (10"4 см -с/фот-мол.) позволяют создавать
нелинейные оптические ограничители для защиты глаз и чувствительных оптических приборов от воздействия мощного лазерного излучения [15].
Применение мощных лазеров в хирургии и фотодииамической терапии указывает на необходимость исследования нелинейных процессов при взаимодействии лазерного излучения со сложными органическими и биологическими молекулами. Сравнение различных компонентов тканей и органов по эффективности двухфотонного взаимодействия с лазерным излучением определенной длины волны позволяет выявить наиболее уязвимые биомолекулы и спрогнозировать возможный отдаленный побочный результат такого взаимодействия.
Исследование ДФ процессов при комнатной температуре (именно в этих условиях сохраняются естественные свойства биологических молекул) представляют существенные трудности из-за сильного уширения спектральных линий. По этой же причине исследование ДФ процессов в биологических молекулах дает меньше спектральной информации, чем изучение ДФ процессов в газах и кристаллах, и для биологических молекул особое значение имеет определение количественных характеристик ДФ процессов. Поэтому основное внимание в настоящей работе будет уделено методам измерения таких характеристик. К моменту начала проведения представленных исследований практически не было данных о количественной характеристике двухфотонного поглощения -сечении двухфотонного биомолекул. Как известно, значения сечения двухфотонного поглощения для всех веществ являются достаточно малыми величинами, поэтому экспериментальное исследование двухфотонного взаимодействия сопряжено с рядом трудностей, как в проведении эксперимента, так и в интерпретации результатов.
Данная работа посвящена разработке автоматизированного нелинейного спектрометра и экспериментальному исследованию двухфотонных свойств органических и биологических молекул.
Цель работы
-
Разработка автоматизированного нелинейного спектрометра для исследования спектров двухфотонного возбуждения (ДФВ) и двухфотонновозбуждаемой люминесценции (ДФВЛ).
-
Экспериментальные исследования двухфотонных свойств органических и биологических молекул.
-
Разработка метода измерения сечения ДФП молекул в растворах при комнатной температуре.
-
Измерение сечения ДФП ряда органических и биологических молекул.
Научная новизна
-
Впервые получены и исследованы спектры ДФВЛ ряда органических молекул, ароматических аминокислот (триптофан, тирозин, фенилаланин), ряда белков и нуклеотидов (аденин, гуанин, тимин и цитозин).
-
Предложена и реализована методика измерений сечений ДФП молекул в растворах при комнатной температуре.
-
Впервые измерены сечения ДФП ряда органических и биологических молекул.
Положения, выдвигаемые на защиту.
-
Методика проектирования резонаторов твердотельных лазеров с непрерывной накачкой с учетом особенностей промышленных кристаллов.
-
Результаты исследований, впервые полученных спектров ДФВЛ органических молекул, ароматических аминокислот (триптофан, тирозин, фенилаланин), ряда белков и нуклеотидов.
-
Метод измерения сечения ДФП молекул в растворах при комнатной температуре и значения сечений ДФП ряда органических и биологических молекул.
Практическая ценность работы
Предложена методика расчета параметров резонаторов твердотельных лазеров с непрерывной накачкой, для получения максимальной выходной мощности при минимальной чувствительности к внешним возмущениям с учетом особенностей промышленных квантронов.
Разработан автоматизированный спектрометр и методика для измерения сечений ДФП молекул в растворах при комнатной температуре, позволяющий оценивать сечение ДФП в диапазоне от 10"46 до Ю"55 см4с/фот моль
Спектрометр может быть использован для широкого круга исследований, таких как исследование нелинейных оптических свойств
фотохромиых веществ, используемых в качестве оптических носителей информации, исследование механизмов лежащих в основе фотодинамической терапии онкологических заболеваний и подбор красителей для нее. Создание нелинейных оптических ограничителей, исследование механизмов лазерного фоторазрезания ДНК с интеркаллированными молекулами красителей и многих других.
Апробация работы и публикации
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на отечественных и международных конференциях по соответствующей тематике:
Международная конференция по нелинейной и когергентной оптике (Минск, 1988),
Всесоюзная научная сессия, посвященная дню радио (Москва, 1989),
X Международная Вавиловская конференция (Новосибирск, 1990).
Международная конференция «Лазер-91» (Сан-Диего, США,1991).
Международные конференции «Актуальные вопросы электронного приборостроения» АПЭП-92, АПЭП-94, АПЭП-96 (Новосибирск, 1992, 1994, 1996),
Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы коммуникаций» (Новосибирск, 1994),
XV Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург, 1995),
Российско-Корейский симпозиум «КОРУС-97» (Ульсан, Южная Корея, 1997)
По тематике диссертации соискателем с соавторами опубликовано 19 печатных работ в отечественных и зарубежных журналах и трудах вышеназванных конференций.
Структура и объем диссертационной работы.
