Введение к работе
Актуальность темы диссертации определяется тем, что в настоящее время спектроскопия одиночных молекул превратилась в эффективный инструмент исследования как локальных условий, в которых находятся одиночные примесные молекулы, внедрённые в органические плёнки и стёкла [1-7], так и квантовой динамики сложных органических молекул, находящихся в твёрдом растворителе [8-13]. Последовательность фотонов флуоресценции одиночной молекулы, возбуждаемой светом непрерывного лазера, содержит информацию о динамических процессах, происходящих в исследуемой системе. Извлечение этой информации является одной из актуальных задач теории.
Весьма важно, что исследование одиночных молекул может успешно проводиться при комнатных температурах, при которых спектральные методы оказываются неэффективными из-за большого уширения оптических полос, вызванного электрон-фононным взаимодействием. Такое исследование становится возможным благодаря тому, что флуоресценция одиночной молекулы, возбуждаемая светом непрерывного лазера, всегда имеет флуктуирующий характер. Флуктуации флуоресценции возникают потому, что испускание фотонов флуоресценции происходит в случайные моменты времени, определяемые квантовой динамикой молекулы. Использование флуктуации флуоресценции, а не только спектральных характеристик, даёт возможность исследовать широкий класс молекул, включая биологически активные молекулы, которые выполняют свои функции именно при комнатных температурах. Разработка методов исследования флуктуирующей флуоресценции одиночных молекул определяет актуальность диссертационной работы.
Целью диссертационной работы является теоретическое исследование флуктуирующей флуоресценции, т.е. нахождение математических выражений для функций распределения случайных событий, важнейшей из которых
является функция распределения фотонов флуоресценции wN(T), определяющая статистику фотонов флуоресценции. При этом в диссертации решаются следующие задачи.
Нахождение связи между квантовой динамикой молекулы и статистикой фотонов её флуоресценции.
Вычисление функций распределения фотонов wN(T) мерцающей флуоресценции для различных методов счёта фотонов.
Исследование влияния сильного лазерного возбуждения молекул на
функцию распределения фотонов wN(T) и на параметр Манделя,
определяющий статистику фотонов флуоресценции.
4. Вывод теоретических формул, способных описать статистику излучения
мерцающей флуоресценции одиночных молекул, в том числе и таких,
флуоресценция которых дуальна.
5. Разработка метода расчёта функции распределения фотонов wN(T) на основе последовательности случайных событий с помощью вероятностного подхода Монте Карло.
Научная новизна результатов диссертации
1. На основе функции распределения фотонов wN(T) мерцающей
флуоресценции найдена связь между квантовой динамикой одиночной молекулы и статистикой её флуоресценции.
2. Проведено обобщение теории для функции распределения фотонов
wN{T) для случая двойной флуоресценции молекулы, подверженной конформационным изменениям.
Разработан метод расчёта функции распределения фотонов wN(T) на основе последовательности случайных событий, рассчитываемой методом Монте Карло.
Проведено сравнение теории с экспериментом. Показано, что теоретический результат описывает результат эксперимента без подбора параметров.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что разработанные в диссертации методы исследования флуктуации флуоресценции одиночных молекул эффективны при всех значениях температур, в том числе и при комнатной температуре. Последнее является чрезвычайно важным обстоятельством, так как люминесцентные методы исследования сложных органических молекул получили широкое распространение в медицине и биологии, где актуальны именно комнатные температуры. Проведённая в диссертации обработка с помощью нашей теории экспериментальных данных доказала эффективность данной теории и для научных исследований.
Положения, выносимые на защиту:
Во всех рассмотренных в диссертации случаях каждому экспоненциальному процессу в квантовой динамике молекулы соответствует пуассоновская функция с той же релаксационной константой в формуле для функции распределения фотонов.
Теоретические формулы, выведенные в диссертации, позволяют проводить численный расчёт функции распределения фотонов мерцающей флуоресценции одиночных молекул, в том числе и таких, флуоресценция которых дуальна.
Разработанный метод расчёта функции распределения фотонов во флуоресценции одиночных молекул с помощью вероятностного подхода Монте Карло даёт результаты, идентичные результатам расчёта по теоретическим формулам для функции распределения фотонов.
4. Выведенные формулы хорошо описывают без подбора величины теоретических параметров функции распределения фотонов, измеренные в люминесценции двух сложных органических молекул.
Вклад автора
Все представленные в диссертационной работе результаты были получены автором самостоятельно либо при его непосредственном участии. Автором разработан метод расчёта функции распределения фотонов, последовательности случайных событий в квантовой системе и флуктуирующей флуоресценции одиночных молекул на основе вероятностного подхода Монте Карло. Сравнение результатов вычислений, проводившихся различными способами, выявило их совпадение, что доказывает их достоверность.
Результаты диссертации прошли апробацию на семинаре отдела молекулярной спектроскопии Института спектроскопии РАН, семинарах отдела люминесценции Физического института РАН им. П.Н. Лебедева и следующих научных конференциях: . IX Международный Симпозиум по фотонному эхо и когерентной
спектроскопии (ФЭКС'2009), Казань, Россия, 2009 . XIII Международная молодежная научная школа «Когерентная оптика и
оптическая спектроскопия», Казань, Россия, 2009 . XIV Международная молодежная научная школа «Когерентная оптика и
оптическая спектроскопия», Казань, Россия, 2010
Награды
. Диплом за лучший доклад на XIII Международной молодежной научной школе «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия» (Казань, 2009)
. Диплом I степени лауреата конкурса МИГУ на лучшую научную работу студентов, бакалавров и магистрантов (2008)
Публикации
По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, список которых приведён в конце автореферата (5 из них входят в список ВАК).
Объём и структура диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений, списков сокращений, рисунков и формул и списка литературы. Диссертация содержит 142 страниц, 35 рисунков. Библиография включает 106 наименований.
