Физические методы исследования белков и нуклеиновых кислот - Лазуркина Ю.С.
Скачать (прямая ссылка):
1. Спектрофотометрия в области электронных переходов
а. Молекулярные спектры
При слиянии атомов в молекулу валентный электрон начинает испытывать влияние со стороны атомов, окружающих атом, к которому электрон принадлежал до слияния. Это приводит к тому, что взамен атомных орбит (энергетических уровней)
возникают молекулярные орбиты, которые могут быть в той илн иной степени делокализованы по молекуле. Находясь на одних орбитах, электрон сильно взаимодействует лишь с одним или двумя атомами молекулы. На других орбитах, напротив, электрон взаимодействует одинаково сильно с большим числом атомов или даже практически со всеми атомами молекулы. Электрон, находящийся на такой орбите, является размазанным (делокализованным) по молекуле. Делокализованные орбиты имеются у молекул с сопряженными связями. Такие орбиты называются я-орбитами, а находящиеся на них электроны — я-элек-тронами. я-электроны в основном (невозбужденном) состоянии занимают нижние я-орбиты молекулы и под действием света переходят на более высокие незанятые я*-орбиты. Такие переходы называются я-*я*-переходами. К локализованным орбитам относятся сг-орбиты, заполненные электронами, образующими прочные межатомные связи. Для возбуждения этих электронов необходимо затратить значительно большую энергию, чем для возбуждения я-электронов, поэтому соответствующие переходам сг-электронов полосы лежат в значительно более коротковолновой части спектра. Их мы рассматривать не будем. К другому типу локализованных орбит относятся орбиты, занимаемые не связывающими (т. е. не участвующими в образовании химических связей) электронами некоторых атомов (кислорода, азота). Такие орбиты называются n-орбитами, они всегда заполнены. Находящиеся на них пары электронов называются неподелен-ными парами. Под действием света n-электрон может перейти на незанятую я*-орбиту, т. е. может произойти п—>я*-переход. Таким образом, при образовании молекулы возникают новые энергетические уровни и, соответственно, новые линии в спектре поглощения системы. Колебания атомов в молекуле, а также вращение молекулы приводят к тому, что каждый электронный уровень расщепляется на множество близко отстоящих один от другого уровней, образующих полосу поглощения. Колебательная структура полос для молекул, находящихся в растворе, обычно не разрешена и на опыте измеряется огибающая полосы: В разреженном газе колебательные уровни, как правило, ясно разрешены; в молекулярных кристаллах этого можно добиться понижением температуры.
Пусть монохроматический поляризованный свет проходит сквозь слой вещества. Рассмотрим взаимодействие света с отдельной молекулой вещества.
Согласно классической физике, электрический вектор световой волны, действуя на молекулу, индуцирует в ней дипольный момент, и энергия волны затрачивается на раскачку колебаний образовавшегося диполя. Поглощение зависит от взаимной ориентации молекулы и электрического поля. Если частота падающего света находится вблизи максимума некоторой полосы
поглощения, то направление электрического вектора волны, отвечающее наибольшему поглощению, определяет поляризацию электронного перехода, отвечающего данной полосе, или, выражаясь классическим языком, направление колебаний осциллятора, отвечающего данной полосе.
Интенсивность света изменяется при прохождении через среду, согласно закону Бугера — Ламберта — Бэра:
/ = I0e~knL, (4)
где п-—число молекул в см3; k — коэффициент поглощения; L — длина пути, пройденного светом в веществе.
Поскольку форма кривой поглощения определяется колебательной структурой полосы и может сильно меняться, то имеет смысл характеризовать «силу» полосы только суммарной интенсивностью. В качестве такой интегральной характеристики принято использовать величину
которая называется силой осциллятора, отвечающего рассматриваемой полосе.
Формулу (4) обычно записывают в виде
/=70.1(Гл=/0.1(Гер/', (6)
где р—концентрация, имеющая размерность моль/л; е — молярный коэффициент поглощения (экстинкции), его размерность л • моль~1 • см~х\ L измеряется в см, D — оптическая плотность, она, очевидно, безразмерна.
Для определения силы осциллятора обычно по оси абсцисс откладывают волновые числа v. Тогда имеет место
f =4,33-\e(y)dv. (7)
Квантовая теория дает возможность вычислить силу осциллятора для перехода из одного состояния (0) в другое состояние (г), исходя из строения молекулы:
2 т
А>/ = 7^7ш/°К/|2> (8)
где т, е, % — соответственно масса, заряд электрона и постоянная Планка; (ог0 = = (Ei — ?0)/Й, где Е0 — энергии состояния 0, а Е(- — энергия состояния i;
^ О)
Здесь г[з* и г|);. — электронные волновые функции состояний 0 и i при равио-
N
вееном расположении атомов; |л = 2 егп — оператор дипольного момента для
