Введение к работе
Актуальность темы. Измерения флуоресценции в поляризованном свете являются основным инструментом для исследования ориеитационного порядка з квазиупорядоченных средах, таких как жидкие кристаллы и липидные мембраны. Опубликовано более тысячи работ, оснооанных на измерении поляризованной флуоресценции только в липидных мембранах. Теория вращательной деполяризации флуоресценции, лежащая в ссноое определения ориентационного порядка', основана на предположении о том, что константа радиационного затухания флуоресценции, или, иными словами, вероятность спонтанного излучения, не зависит от ориентации флуоресцентной молекулы. Независимость вероятности излучения от ориентации дс ,<ствительно имеет место в изотропных средау, однако жидкие кристаллы и липидные мембраны таковыми не являются. Вопрос о влиянии ориентационной зависимости вероятности излучения на законы затухания и деполяризации флуоресценции о квазиупорядоченных средах является столь же актуальным, сколь и само определение ориентационного порядка флуоресцентными методами. Данный вопрос теоретически и экспериментально изучен в настоящей работе.
Другой вопрос, тесно связанный с первым, это - влияние параметров
среды на вероятность излучения фотона возбуждённой флуоресцентной
молекулой. Этот вопрос является актуальным при исследовании затухания
флуоресценции в любых конденсированных средах. Известно, что показатель
преломления среды влияет на вероятность излучения. Так, а идеальной
однородной среде, в которой молекулы размазаны по пространству, в том числе
и по той его части, которая занята флуоррсцентной молекулой, вероятность
4иэл0| ,, А
излучения равна т-ІРІ гДе Щ " показатель преломления среды. В
' ЗЪ с3
реальной изотропной среде вероятность излучения оказывается в г раз выше,
где f представляет собой соотношение между электрическими векторами
локального и макроскопического поля световой волны. Лорентц2 получил
' C.Zannoni, A.Arcioni, and P.Cavatorta, Chem.Phys.Lipids 32, 179 (1983).
2 H.A.Lorentz, The Theory of Electrons and /ts Applications to the Phenomena of Light and Radiant Heat (Teubner, Leipzig, 1909).
следующее выражение для коэффициента пропорциональности между локальным электрическим полом, действующим на молекул/ среды, и макроскопическим электрическим полем в этой среде: f=~^ . К сожалению, локальное поле, действующее на примесную молекулу в среде, не равно локальному полю, действующему на молекулу самой среды3. Данное обстоятельство затрудняет теоретическое предсказание зависимости времени затухания от показателя преломления изотропной среды, е которой находится флуореецэнтная молекула. Значительно проще предсказать зависимость времени затухания флуоресценции примесной молекулы & тонкой гЫнке (мембране) при изменении показателя преломления среды, в которой взвешена эта мембрана. Экспериментальное исследование последней зависимости дает новый способ определение ориентационного порядка в мембране, что представляет практический интерес.
Целью работы являлось развитие и применение различных флуоресцентных методов исследования ориентационного порядка в каазиупорядоченных системах, а именно, в жидких кристаллах и в лмпидных мембранах. Всего исследовано три различных метода, первый из которых основан на Фёрстеровском переносе энергии, второй - на затухании флуоресценции в поляризованном свете, а третий метод, предложенный в настоящей работе, основан на зависимости времени затухания флуоресценции от показателя преломления окружающей среды.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту.
1. В рамках второго приближения теории возмущений получены выражения для сечения поглощения и вероятности спонтанного излучения фотона флуореецзнтной молекулой, находящейся внутри тонкой липидной мембраны. Определена функциональная зависимость этих величин при изменениях ориентации молекулы и при изменении показателя преломления среды, в которой взвешена мембрана.
3 Строгое доказательство данного утверждения приводится в приложении к реферируемой диссертации.
-
Предложена и экспериментально осуществлена новая методика измерения ориентационного порядка а липидной мембране, основанная на исследовании зависимости среднего радиационного времени затухания флуоресценции от показателя преломления среды, в которой взвешена мембрана.
-
Учитывая ориентационную зависимость вероятности спонтанного излучения фотона в мембране, предсказаны законы затухания полной интенсивности и анизотропии флуоресценции в суспензиях макроскопически неориентированных мембран. Показано, что в данной система затухание полной интенсивности флуоресценции не может рассматриваться отдельно от вращательной динамики.
-
Экспериментально исследована поляризованная. флуоресценция дифенилгексатриена в суспензиях однородных тонких мембран. Показано, что неэкспоненциальное затухание флуоресценции может быть объяснено в рамках модели, учитывающей ориентационную зависимость вероятности спонтанного излучения.
5. Исследовано влияние ориентационного порядка в жидких кристаллах на
закон затухания флуоресценции донора при Фёрстеровском переносе энергии.
Показано, что определение ориентационного порядка в жидких коисталлах не
может быть осуществлено путём измерения Фёрстеровского переноса энергии.
Практическая ценность. Результаты, полученные в диссертационной работе, существенно изменяют подход к интерпретации экспериментальных данных, получаемых при исследовании затухания и деполяризации флуоресценции в анизотропных средах. Существенно изменяются и представления об ориентационном порядке в липидных мембранах. Так, при переходе мембраны из жидкого состояния в гелеоб. >зное, что достигается понижением температуры, параметр ориентационного порядка <Р2> не увеличивается, как это считалось ранее. В гелеобразном состоянии <Р2)*0.3, в то время как применявшийся ранее метод даёт (Р^*0.9. Полученные результаты могут иметь широкое применение в биологии и биофизике.
Аппробаїіия работы и публикации. Материалы диссертационной работы неоднократно докладывались на семинарах отдела люминесценции ФИАН, на семинарах Фахулывта Биологии Университета Джонса Хопкинса и на международных конференциях: "Biophysics'' в Сан-Франциско в 1991 г. (стендовый доклад), SPIE conference 1640 "Time-Resolved Laser Spectroscopy In Biochemistry ІіГ в Лос-Анджелесе в 1992 г. (устный доклад) и 'Biophysics' в Вашингтоне в-199С г. (стендовый доклад).
Основные результаты диссертации опубликованы в пяти реферирузмых научных журналах.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложения, и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 140 страницах, включая 19 рисунков. Список литературы содержит 64 наименования.
