Введение к работе
Актуальность темы: Для понимания процессов, происходящих в биологических системах, необходимо знание энергетического спектра важнейших биологических молекул. Такая информация может быть получена из эксперимента на основе спектральных методов исследования. К таким методам можно отнести спектроскопию комбинационного рассеяния света, адсорбционную спектроскопию, различные виды люминесцентного анализа и др.В связи с этим новые возможности при проведении спектрального анализа в биологических объектах возникают при использовании в качестве источников возбуждающего излучения лазеров на парах металлов. Такие лазеры характеризуются генерацией а видимой (зеленая, желтая, красная) области спектра. Кроме того, такие лазеры работают в режиме коротких импульсов (10~8с) сравнительно малой онергии (Ю-ЗДж). При этом они характеризуются большой частотой следования импульсов генерации <Ю4Гц). Такой режим работы лазеров на парах меди обеспечивает как высокую эффективность возбуждения различного вида спектров, так и отсутствие существенных разрушений структуры анализируемых молекул. Разделенные во времени процессы возбуждения молекул и флуоресценции с помощью специальных методик регистрации в ряде случаев значительно улучшают чувствительность спектральных методов. Кроме того, достаточно высокая интенсивность возбуждающего излучения увеличивает вероятность многофотонных процессов. Это позволяет исследовать биологические и органические вещества с помощью нелинейно-оптических аналогов известных спектральных процессов: гиперкомбинационного рассеяния света, и двухфотонно-возбуждаемой люминесценции. В ряде случаев такие виды спектрального анализа позволяют дополнить информацию об энергетической структуре органических молекул. Кроме того, в случае двухфотонных процессов имеется ряд приемущеста, связанных с
4 .
разнесением спектрального диапазона, в котором наблюдается вторичное и возбуждающее излучения. Другое преимущество двухфотонного возбуждения образца заключается в том, что в случае молекулярных кристаллов возбуждающее излучение часто не попадает в полосу поглощения объекта. При этом в процессах флуоресценции могут участвовать внутренние слои вещества, и полученные спектры несут информацию об объемной энергетической структуре исследуемого молекулярного кристалла.
Цели работы состояли в следующем:
1. Получение спектров вторичного излучения органических молекулярных
кристаллов и фармацевтических объектов в антистоксовой области
спектра на основе использования импульсно-периодического лазера на
парах меди.
2. Исследование вторичного излучения биологических объектов при
импульсно-периодическом лазерном возбуждении в широком
спектральном диапазоне.
3. Изучение спектров комбинационного рассеяния света при импульсно-
периодическом лазерном .возбуждении на внешних колебаниях
поликристаллических аминокислот.
4. Изучение спектров вторичного излучения зеркальных изомеров
аминокислот в стоксовой и антистоксовой областях.
Методика исследований. В качестве источника возбуждающего излучения использовался малогабаритный импульсный газоразрядный лазер на парах меди типа "Фемта" с воздушным охлаждением. Использованный лазер на парах меди имел две линии генерации 510,6нм и 578,2нм. Частота повторения импульсов составляла ЮкГц, средняя мощность излучения - около 3Вт. Длительность импульса генерации составляла 12нс, а пиковая мощность
излучения - 50кВт. Диаметр лазерного пучка на выходе из трубки составлял 12ми.
Регистрация спектров вторичного излучения осуществлялась с использованием монохроматоров МСД-2 или ДФС-24.
Объекты исследования.Для проведения исследований использовались паспортизованные порошки фирмы "Reana!" (Венгрия) органических веществ с размерами частиц 10-100мкм. Количество примесей по паспорту таких образцов не превышало 0,2 %, Поронжи некоторых веществ, таких как стильоен, антрацен, были получены в лабораторных условиях из монокристаллов соответствующих веществ. Размеры частий, таких обоазцов были выдержаны в рамках 10-100мш. Сложные биологические вещества, такие как азотистые основания, твердотельная ДНК. белки - лизоцим. суинсулин были изготовлены фармацевтическими предприятиями России.
Научная новизна. Оригинальные научные результаты данной работы состоят в следующем:
1. В спектрах антистоксова вторичного излучения
органических веществ с элементами ароматической структуры
присутствуют полосы в ближней ультрафиолетовой и фиолетовой
областях спектра. Форма и характер таких полос чувствительны к
структуре и фазовому состоянию данных объектов. Интенсивность таких
полос в спектрах фармацевтических веществ и аминокислотах на
порядок ниже интенсивности аналогичных полос в спектрах
ароматических поликристаллов и на порядок выше интенсивности
аналогичных полос в спектрах белков и нуклеиновых кислот.
2. Обнаружено различие & форме спектров антистоксова
вторичного излучения при двухфотонном возбуждении для зеркальных
изомеров триптофана в поликристаллическои фазе.
3. В спектрах комбинационного рассеяния на внешних
колебаниях кристаллических аминокислот обнаруживаются интенсивные
частоты, относящиеся к либрационным модам. Интенсивность полос,
относящихся к либрациям оказывается на порядок выше интенсивности
полос относящихся к трансляционным колебаниям.
4. В спектрах стоксова вторичного излучения
поликристаллических органических веществ при импульсно-
периодическом возбуждении присутствует широкая полоса,
интенсивность которой обычно на порядок выше интенсивности полос
двухфотонно-возбуждаемого антистоксова вторичного излучения тех же
веществ.
Практическая ценность. Полученные данные могут быть использованы для изучения энергетической структуры молекулярных кристаллов и сложных биологических молекул, а также для расчета параметров экситонов Френкеля в молекулярных кристаллах. Разработанная методика применима для реализации новых способов количественного и качественного анализа гетерогенных молекулярных объектов.
Апробация работы. По полученным результатам проводились семинары в Оптическом отделе ФИАН. Материалы были представлены на международной конференции Европейского Биоэлектромагнитного Общества, Е.В.Е.А., Словения, ноябрь 1993г.
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 7 работ.
Объем работы. Диссертация состоит из четырех глав, введения, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 141 страницу, включая 54 рисунка и 5 таблиц. Список литературы включает 104 наименования.
