Физические методы исследования белков и нуклеиновых кислот - Лазуркина Ю.С.
Скачать (прямая ссылка):
а. Определение и классификация явлений люминесценции
Определение люминесценции. Термин «люминесценция» был введен в 1888 г. Видеманом для того, чтобы подчеркнуть различие между равновесными («тепловыми») и неравновесными процессами излучения. Всякое тело, находящееся в тепловом равновесии с окружающей средой, т. е. могущее характеризоваться определенной температурой, является источником излучения, которое называют «тепловым», или «температурным». При обычных температурах это излучение лежит в инфракрасной области, и лишь при температуре свыше 800° в его составе появляются с заметной интенсивностью видимые (красные) лучи. Только за счет теплового излучения никакое тело при обычных температурах не могло бы испускать видимые и тем более ультрафиолетовые лучи с измеримой интенсивностью. Между тем на практике мы часто встречаемся со случаями довольно сильного видимого или ультрафиолетового свечения различных тел не только при комнатной температуре, но и при сильном охлаждении. Такое свечение, например, сопровождает ряд химических реакций, в том числе и реакций, протекающих в живых организмах. Многие тела становятся источниками видимого и ультрафиолетового излучения под действием различных внешних факторов (рентгеновское или ультрафиолетовое облучение, удары быстрых электронов и др.). Во всех этих случаях,-очевидно, на равновесное излучение, свойственное этим телам, как и всяким другим, накладывается излучение, обусловленное какими-то иными, неравновесными процессами. Именно для этих неравновесных процессов Видеман и предложил термин «люминесценция».
Чрезвычайно важное и плодотворное уточнение понятия о люминесценции было дано С. И. Вавиловым [50], который показал, что наиболее характерная особенность явлений люминесценции— это конечная длительность излучения (или, что то же, конечная длительность жизни возбужденных молекул), существенно превышающая период световых колебаний. По предельно
сжатому и точному определению Вавилова [51], «люминесценцией тела в данной спектральной области называют избыток излучения над температурным при условии, что это избыточное излучение обладает конечной длительностью, превышающей период световых колебаний».
Во избежание недоразумений заметим, что различие между люминесценцией и другими процессами излучения заключается не в природе элементарного акта излучения. Этот акт всегда связан с переходом возбужденной молекулы с более высокого энергетического уровня на более низкий. Но в случае теплового излучения населенность различных уровней соответствует тепловому равновесию; в случае неравновесных процессов на том или ином уровне образуется избыток возбужденных молекул над равновесным распределением. Различие между телами, лю-минесцирующими под действием внешних факторов (например, под облучением), и телами, не люминесцирующими, заключается в том, что в первых возбужденное состояние молекулы сохраняется в течение некоторого более или менее значительного (по атомным масштабам) промежутка времени, на протяжении которого энергия может быть излучена или использована иным способом, тогда как во вторых энергия возбуждения молекулы чрезвычайно быстро, «мгновенно», разменивается по внутренним степеням свободы и превращается, как правило, в тепло.
Введение критерия длительности как основной характеристики явлений люминесценции прежде всего позволило четко отграничить эти явления от ряда других физически совершенно отличных процессов неравновесного излучения (комбинационное рассеяние света, эффект Вавилова—Черенкова и др.). Однако, по Вавилову, конечная длительность есть не простой классификационный признак. По существу это очень важный стержень, на который нанизываются основные явления люминесценции. Этот признак во многом определяет главные свойства люминесценции, доступные прямому наблюдению, а именно, спектр, яркость, выход, поляризацию. При практическом применении люминесцентных методов, в частности в проблемах молекулярной биологии, также очень важное значение имеет не только изучение указанных экспериментальных характеристик, зависящих от длительности возбужденных состояний косвенно, но и прямое измерение этой величины.
Классификация явлений люминесценции. Весьма многообразные по своей природе и характеристикам явления люминесценции можно классифицировать по различным признакам. Очень часто их классифицируют по признаку природы того физического агента, который вызывает свечение. Различают фотолюминесценцию — свечение, возбуждаемое ультрафиолетовым или видимым излучением, хемилюминесценцию —
свечение, сопровождающее ряд химических реакций (частным случаем является биолюминесценция — свечение организмов, связанное с их жизнедеятельностью), рентгено- и радиолюми-несцещию — свечение, вызываемое действием рентгеновских лучей или других ионизирующих излучений, катодолюминесцен-цию, вызываемую ударами быстрых электронов (телевизионные экраны) и т. п.
С другой стороны, иногда классифицируют явления по характерным особенностям люминесцирующих тел. Различают, например, люминесценцию паров и газов, люминесценцию растворов, кристаллов и т. п. Эти два способа классификации, очевидно, перекрываются, так как одно и то же тело может люмине-сцировать под действием разных агентов и один и тот же агент может вызывать люминесценцию разных тел. Во всяком случае обе эти системы классификации преследуют только цели практического удобства и не претендуют на более глубокий физический смысл.
