Файл: Жевандров, Н. Д. Анизотропия и оптика.pdf

щеипе плоскости поляризации в веществе. Однако фото­ электрическая регистрация сигнала пампого повышает точность. Чтобы еще увеличить чувствительность И точ­ ность, сигнал превращают в переменный, модулируют. Один из лучших способов модуляции осиовап па эффек­ те Фарадея в переменном магнитном поле, создающем ка­ чания плоскости поляризации около нулевого положения. Модулированный сигнал с известной частотой подается с ФЭУ па специальное радиотехническое устройство. Точ­ ность измерений вращения плоскости поляризации в та­

С помощью поляризации люминесценции можно исследо­ вать взаимодействие молекул в жидких п твердых телах.

Важный и весьма распространенный в живой и нежи­ вой природе вид межмолекулярного взаимодействия—об­ мен энергией возбуждения. Вели молекула, поглотив квант энергии (за счет внешнего возбуждения любого типа), перешла в возбужденное, неустойчивое состояние, то через очень краткий интервал времени (долю секун­ ды) она этот избыток энергии вновь отдает в окружаю­ щую среду, либо излучив квант света, либо увеличив тем­ пературу среды. Но возможен еще один процесс — воз­ бужденная молекула может безызлучательно передать энергию возбуждения другой молекуле, до этого невозбуждеиной. Конечно, вторая молекула должна быть рас­ положена не слишком далеко. Такой процесс называют миграцией энергии или переносом энергии возбуждения. Интересен он хотя бы потому, что представляет собой новый тпп распрострапеипя энергии в пространстве. Кро­ ме того, песомиеппа огромная роль миграции энергии в важнейших биологических процессах (в частности, в фо­ тосинтезе), а также во миогпх явлениях, относящихся к фотохимии, радиационной химии, физике твердого тела и ряду других областей науки. Тончайший метод исследо­ вания этого процесса — поляризованная люминесценция.

Сначала рассмотрим растворы.

Люминесценция растворов частично поляризована, если ее возбуждать лииейно-поляризовапиым светом. Сте­ пень поляризации люмппесцепцип Р зависит от анизотро-

89

пип молекул, а также от температуры и вязкости рас­ твора.

Кроме того, Р зависит от концентрации раствора.

На рис. 42 приведены результаты экспериментальных измерений коицептрацпоппоіі зависимости поляризации люминесценции растворов флуоресцеина (ярко люминесцнрующего красителя) в глицерине (глицерин выбирает­ ся из-за большой вязкости). Пока концентрации невелики (от миллионных до тысячных долей процента), степень поляризации остается постоянной. Но в области, где

Рис. 42. Зависимость поляризации люминесценции от концентрации раствора

концентрации равны сотым и десятым долям процента, степень поляризации резко уменьшается и падает до пуля при концентрации порядка процента.

При относительно больших концентрациях средние расстояния между растворенными молекулами становят­ ся сравнительно маленькими (несколько десятков анг­ стрем) . На таких расстояниях возможен перенос эиергпп возбуждения от одной молекулы к другой. Но флуоресцен­ ция раствора поляризована только потому, что она возбуждается линейно-поляризованным светом. Возбужда­ ются преимущественно те молекулы, осциллятор погло­ щения которых имеет направление, близкое к направле­ нию электрического вектора возбуждающего света. Если же за то время, пока молекула находится в возбужденном состоянии, произойдет перенос энергии к другой молеку­ ле, то эта вторая молекула, вообще говоря, окажется ори­ ентированной иначе, чем первая. Произойдет, следова­ тельно, утрата анизотропии, созданной в растворе при возбуждении. Другими словами, произойдет деполярнза-

90

ция люминесценции. Достаточно сравнительно небольшо­ го числа актов переноса, чтобы деполяризация была полной.

Таким образом можно легко обнаружить и исследо­ вать очень топкий процесс па молекулярном уровне. Из хода графика зависимости Р (С) (см. рис. 42) определя­ ют концентрации, а следовательно, и межмолекулярные расстояния, при которых происходит перепое энергии.

Сравпенпе поляризации люминесценции хлорофилла в жидких растворах малой концентрации и в суспензиях хлоропластов показало, что во втором случае степень по­ ляризации значительно меньше. Этот факт рассматрива­ ется как экспериментальное доказательство миграции эпергии между молекулами хлорофилла в гранах хлоро­ пластов. Несомненна существенная роль миграции в сложном процессе фотосинтеза. Столь же несомненна п полезность простого и эффективного поляризационного метода, позволяющего на молекулярпом уровпе изучать это явлеппе. Поэтому исследования такого рода успешпо развиваются в последние годы. Определение эффектив­ ных расстояний переноса эпергпп позволяет делать выводы о механизмах этого переноса. Создавая и исследуя мо­ дельные гетерогенные растворы, приближающиеся по свой­ ствам к биологическим системам, можно предположитель­ но переносить эти выводы тг па механизмы миграции энергии in vivo. В связи с этим представляют интерес мицеллярные растворы пигментов (хлорофилла или феофптпиа) как модель биосуспепзпй. Гетерогеппые системы отличаются от обычных гомогенных растворов тем, что средняя концентрация молекул в них может быть мала, а локальная — высока. Для создания модельных мицеллярпых растворов в основпой растворптель (воду) добав­ ляются детергенты — поверхностно-активные вещества, образующие мицеллы (устойчивые агрегаты пз большого числа молекул детергента). В этих мицеллах и концент­ рируются молекулы пигментов, практически нераствори­ мых в воде. Поэтому концентрационная деполяризация люминесцепцпп пигментов наступает уже при весьма ма­ лых средних концентрациях всего гетерогенного раствора. Постепенно увеличивая число молекул пигментов, связан­ ных с мицеллой, можно исследовать развитие и особенно­ сти миграции энергии между молекулами хлорофилла в гетерогенном мицеллярном комплексе.

91

Такие модельные системы достаточно хорошо имити­ руют свойства пигментных комплексов в листьях растений.

Другой пример относится к изучению белков. Некото­ рые аминокислоты (важпейіппе элементы в структуре белка), например триптофан, обладают интенсивной ультрафиолетовой люминесценцией. Сравнение поляриза­ ции люминесценции свободного триптофана в растворе и люминесценции белков, содержащих триптофан, показало, что во втором случае степепь поляризации значительно меньше. Не исключепо, что определенную роль здесь иг­ рает структура белка, характер и ориентация трпптофаповых групп в макромолекуле белка и влияние соседних групп. Но подробный и всесторонний апалпз эксперимен­ тов позволил исследователям прийти к выводу, что глав­ ная причина деполяризации — миграция энергии между трпптофаповымп группами. Это дало возможность исполь­ зовать деполяризацию люмпнесцепцпп триптофана как топкий инструмент исследования энергетических процес­ сов, происходящих внутри белковой молекулы. По вели­ чине деполяризации удалось рассчитать эффективность миграции в различных белках, а также в ядрах и мито­ хондриях клеток. Оказалось, что эффективность миграции весьма различна в разных белках.

С помощью поляризации люминесценции можно ис­ следовать миграцию энергии в кристаллах. Только метод здесь применяется иной. Ведь описанный выше метод концентрационной деполяризации в растворах основан на хаотичной ориентации молекул растворенного вещест­ ва в жидкости, а в кристаллах все молекулы находятся в упорядоченном, ориентированпом состоянии. Кроме того, в кристалле невозможно менять концентрацию молекул, она задана строением решетки.

В применении к кристаллам метод основан на следую­ щих соображениях. Как уже говорилось, в молекулярных кристаллах молекулы ориентированы несколькими спосо­ бами, чаще всего двумя (см. кристалл антрацена на рис. 10). Разберем вопрос о поляризации люминесценции такого кристалла при возбуждении линейно-поляризован­ ным светом (рис. 43). Штриховые линии а и Ь схематиче­ ски обозначают некоторые кристаллографические осп, а стрелки Оі и О2 — направления осцилляторов излучения молекул одного и другого вида ориентации. Будем изме­ нять направление электрического вектора Е возбуждаю-

92

Ог определяется проекциями Et и Е2 электрического век­ тора Е на их направления. В свою очередь Ц и Е опреде­

Рис. 43. Схема возбуждения люминесценции молекуляр­ ного кристалла линеино-по- лярпзоваішым светом

Рис. 44. Два частных случая возбуждения люмннесцспции

I

Поэтому степень поляризации люминесценции должна зависеть от ориентации вектора Е, т. е. от угла ц. Для то­ го чтобы это стало вполне ясно, рассмотрим два случая (рис. 44), когда Е совпадает с O¡ (а) и когда Е совпада­ ет с 02 (б). В первом случае O¡ возбуждается сильнее, чем 02, во втором случае — наоборот. С другой стороны, вертикальная компонента осциллятора 0і больше горизон­ тальной, следовательно, излучение осциллятора 0і имеет положительную степень поляризации. Степень поляриза­ ции излучения осциллятора 02, наоборот, отрицательна. Степепь поляризации суммарной люминесценции кристал­ ла зависит от соотношения интенсивностей излучения ос-

93

угла а между осцилляторами. На рпс. 45 приведена рас­ четная кривая (7) (для кристалла стильбена), показыва­ ющая, какой должна быть зависимость степени поляри­ зации люминесценции Р от угла ц, определяющего поло­

жение вектора Е. Зависимость получается очень сильная и характерная. Одиако на том же рисунке приведены экс­ периментальные результаты (2), и они показывают

Рис. <55. Зависимость поляри­ зации люмипссцепции от по­ ляризации возбуждения для кристалла стильбена

7 — расчетная кривая;

2 — экспериментальная

совсем ипую картину — полную независимость Р от гр Дальнейшие исследования показали, что этот, на первый взгляд парадоксальный, результат можпо объяснить толь­ ко миграцией энергии между молекулами в кристалле. В результате миграции энергия возбуждения перераспре­ деляется между молекулами и осцилляторы разной ориен­ тации оказываются возбужденными в равной степени, не­ зависимо от положеппя электрического вектора возбуж­

дающего света.

Этим же способом можно исследовать миграцию энер­ гии между молекулами примеси, внедренной в инородный кристалл. Расстояния между молекулами зависят от кон­ центрации примеси, и их можно сделать пампого больши­ ми, чем постоянная кристаллической решетки.

Приведем еще одни пример — изучение внутрен­ ней структуры пленок полимеров. Для этой цели в пленку вводятся молекулы двух веществ — D (донор) и А (ак­ цептор), свойства которых подобраны так, чтобы осущест­ влялась миграция энергии от D к А. Линейпо-полярпзо- ванным светом возбуждаются только молекулы D (для этого соответствующим образом подобраны спектры погло­ щения D и Л), а пабл издается поляризация люмппесцеп- цпп вещества А, молекулы которого возбуждаются только за счет миграции энергии от молекул D. Если опыт про-

94

изводится в вязком жидком растворе, то люминесценция акцептора А оказывается иеполярпзоваппой, так как мо­ лекулы А ориентированы хаотично относительно молекул D. Казалось бы, в пленках полимера, изготовлен­ ных без какого-либо механического растяжения и в целом изотропных (в этом легко убедиться, исследуя их между скрещенными николямп), естественно ожидать такого же результата, как в жидком растворе. Однако в пленках люминесценция акцептора оказывается частично поляри­ зованной.

Этот факт объясняется особенностями структуры по­ лимерных пленок, обладающих своеобразной скрытой ани­ зотропией. Не все длинные полимерные макромолекулы в пленке расположены и ориентированы хаотично одна от­ носительно другой. Определенные группы этих молекул образуют так называемые пачки, внутри которых они рас­ полагаются параллельно (рис. 46). Ориентация осуще­ ствляется за счет взаимодействия молекул. Пачкп же ори­ ентированы произвольно, так что в целом пленка изотропна. Поперечный размер пачек составляет от нескольких со­ тен до тысячи ангстрем. Этот размер больше расстояния, на котором происходит миграция энергии между молеку­ лами D и А, внедренными в пленку, поэтому перенос энер­ гии между молекулами, находящимися в одной пачке, имеет большую вероятность. Но молекулы в пачке ориен­ тированы примерно одинаково, следовательно, перенос энергии от D к А в этом случае не приводит к деполяриза­ ции люминесценции.

На физических и химических свойствах полимеров сильно сказывается внутримолекулярная подвижность макромолекул, т. е. свобода перемещения и вращения частей макромолекулы друг относительно друга. Эти свой­ ства изучают, присоединяя в различные места макромо­ лекул те или иные люмпиесцпрующпе молекулы (напри­ мер, молекулы антрацена) и изучая свойства поляризации их люминесценции.

С помощью поляризованного света можно также иссле­ довать анизотропию полимерных пленок, подвергнутых механическим деформациям (например, растяжению — это важный ii распространенный технологический процесс в производстве полимеров и пластмасс). Для этой цели может служить двойное преломление, дихроизм и опять же поляризованная люминесценция. В последнем случае

95

можно воспользоваться как собственной люминесценцией полимера (если таковая пмеется), так и люминесценцией специально введенного в полимер красителя с анизотроп­ ными молекулами, которые ориентируются длинной осью вдоль направления растяжения пленки. Ориентация, ко­ нечно, получается неполной и зависят от степени растя­ жения. Мерой ориентации н служит степень поляризации люминесценции, возбуждаемой естественным светом и наблюдаемой в направлении возбуждения.

Немного более сложными приемами можно исследовать

плоское растяжение, также важное в технологическом отношении. Аналогичную информацию о частичной ори­ ентации пленок можно получать независимым путем, из­ меряя степень дихроизма пленки. Наличие двух разных способов экспериментального исследования повышает до­ стоверность выводов. С помощью этих довольно простых методов можно, например, осуществлять технологический контроль в производстве полимеров.

Поляризация люминесценции молекулярных кристал­ лов позволяет определять ориентацию молекул в решетке. Особеипо полную информацию дает измерение зависимости поляризации от направления наблюдения по отношению к осям кристаллов (поляризационных диаграмм).

Один из наиболее ценных результатов — определение ориентации молекул посторонней примеси в основной решетке при малых концентрациях примеси. Дело в том, что чувствительность других методов (например, рентгеноструктурного анализа) позволяет проводить исследование только до концентраций порядка процента. Поляризаци-

96