39. Поглъщане на оптичните лъчения от веществото. Закон на Буге-Ламберт.

При преминаване на светлината през веществото, интензитетът и намалява поради различни процеси при взаимодействие на светлината с веществото, основните от които са поглъщане и разсейване на лъчението. Поглъщането зависи от химичния състав на веществото, а разсейването от наличието на нееднородности в него – частици, клетки и т.н. При прозрачно вещество или бистър разтвор намалението на лъчението е свързано основно с поглъщане.

Нека върху слой вещество с дебелина d попада успореден сноп монохроматичо лъчение с интензитет I_o.

Фиг. 39.1.

Тогава интензитетът на преминалото лъчение ще бъде , където μ е коефициент на поглъщане, който зависи от дължината на вълната на лъчението и от вида на веществото, а е е неперовото число.. Следователно интензитета на лъчението при преминаване през веществото намалява по експоненциален закон. Тази формула се нарича закон на Буге-Ламбурт за поглъщане на лъчението във веществото. Тъй като коефициента на поглъщане зависи от дължината на вълната и вида на веществото, то понякога малки разлики в строежа на две близки молекули предизвиква съществени различия в поглъщането на светлината.

Физическите процеси, водещи до поглъщане на светлината започват с поглъщане на фотон от електронната обвивка на атомите или молекулите. В зависимост от енергията на фотона, възможно е да протекат два процеса - възбуждане на атомите и фотоефект. При възбуждане на атомите те могат да се върнат в основното си състояние по няколко начина:

– чрез безизлъчвателни преходи, при които допълнителната енергия се разсейва в пространството във вид на топлина

– чрез излъчване на един или няколко фотона - луминесценция

– чрез протичане на фотохимична реакция

В биофизиката особено важна роля играят последните два процеса.

40. Фотохимични реакции. Видове.

Фотохимични реакции се наричат реакциите, които протичат под действие на светлината. Основните типове фотохимични реакции са фотоприсъединяване, фоторазпад, фотосинтеза и фотоизомеризация.

Фотоприсъединяване е реакция, при която към възбуден атом или молекула се присъединява неутрална молекула. Към този тип реакции се отнасят:

– фотополимеризация

А + А + hν → А + А* → АА*

–  фотооксидиране

А + О₂ + hν → А* + О₂ → ОАО

– фотохидратация

А + Н₂О + hν → А* + Н₂О → НАОН

Фоторазпад - при този процес под действие на лъчението се разкъсват химични връзки и се получават радикали, йони или неутрални молекули.

АВ + hν → (АВ)* → А + В

АВ + hν → (АВ)* → А⁺ + В^-

Такива реакции се получават при облъчване на аминокиселини, белтъци, нуклеинови киселини и др.

Пример за фоторазпад е например важната за живота на Земята реакция, при която се образува озон. Под действие на ултравиолетовото излъчване на Слънцето в стратосферата става дисоциация на молекулата на кислорода.

О₂ + hν → 2О

Образуваните атоми на кислорода се свързват с молекула кислород

О + О₂ → О₃

Разлагането на озона също чрез фотохимична реакция

О₃ + hν → О₂ + О

По този начин на височина около 25 километра в атмосферата се образува слой озон с дебелина 2-3 километра. Този слой озон почти напълно поглъща ултравиолетовото лъчение на Слънцето с дължина на вълната по-малка от 290nm. Освен това озона поглъща инфрачервеното лъчение с дължина на вълната около 10μm., а именно там е максимума на топлинно излъчване на Земята. По този начин озонът задържа около 20% от топлинното излъчване на Земята и служи като топлинен екран. В последните години се наблюдава частично разрушаване на озоновия слой от отделените в атмосферата азотни окиси и други съединения. Над Антарктида има озонова дупка с площ около 5 милиона квадратни километра. Ако се разпространи това и над населените територии, това може да доведе до увеличаване на различни заболявания и др.

Друга известна фотохимична реакция е разпадане на сребърния бромид във фоточувствителните материали и образуване на частици метално сребро. На тази реакция е основана класическата фотография.

Фотосинтеза - физикохимична реакция на синтез на органични вещества от СО₂ и вода с образуване на О₂, протичащи в растения и бактерии с участието на някои пигменти - хлорофил, каротиноиди и др., играещи роля на катализатори. Фотосинтезата е единствения процес, при който се получава органично вещество за сметка на енергията на лъчение на Слънцето. Счита се, че за образуването на 1 молекула кислород са необходими 8 фотона. Фотосинтезата има огромно значение за живота на Земята. Около 2% от енергията, достигаща до Земята от Слънцето, се поглъща от фотосинтезиращите вещества. При това се поглъща 2.10¹² тона въглероден диоксид и се отделя 1.3.10¹¹ тона кислород годишно и се синтезира приблизително 10¹¹ тона органично вещество. До 80% от това количество се пада на фотосинтезата във фитопланктона в океаните и моретата.

Фотоизомеризация.

Обикновено за дадено съединение един от изомерите е по-устойчив, а другия е по-малко устойчив и преминава в другия под действието на определени физически фактори като осветяване и др. Една от важните фотобиологични реакции на фотоизомеризация става в ретината на човека под въздействие на светлина.

41. Луминесценция. Видове. Механизъм на фотолуминисценцията. Биохемилуминесценция.

41.1.Луминесценция

Луминесценция - това е нетоплинно излъчване от газове, течности и твърди тела. В зависимост от начините, чрез които се възбужда луминесценцията, можем да я разделим на няколко вида:

– фотолуминесценция - при осветяване с видима и ултравиолетова светлина

– хемилуминесценция - светене, съпровождащо екзотермични химични реакции

– катодолуминесценция - в резултат на въздействие с катодни лъчи (сноп ускорени електрони). Наблюдава се в газоразрядните тръби.

– Рентгенолуминесценция и радиолуминесценция - под въздействие на рентгенови лъчи или йонизиращи радиоактивни лъчения.

– триболуминесценция - причинена при триене или разтапяне на някои вещества.

В зависимост от времето, след което се появява светене, луминесценцията се разделя на флуоресценция (светенето се появява след време от 1.10^-8 до 1.10^-7s след възбуждането) и фосфоресценция (светене се появява след повече от 10^-4 s).

41.2.Фотолуминесценция.

Фотолуминесценцията започва с акт на поглъщане на фотон с енергия hυ от атом или молекула, която преминава във възбудено състояние. В най простият случай, когато веществото се състои от практически невзаимодействащи си атоми, възбуденият атом се връща в основното си състояние като излъчва фотон със същата енергия и честота (Фиг. 41.1). Това явление става за време от порядъка на 10^-8s и се нарича резонансна флуоресценция.

Фиг. 41.1.

На енергията на електроните в молекулите оказват влияние и колебателните и въртеливи движения на атомите в молекулата, затова на всяко електронно ниво съответствува система от близко разположени колебателни и ротационни нива.

Фиг. 41.2.

При сложни молекули е възможен такъв процес - електронът от възбудено състояние 3 без излъчване преминава на ниво 2, а след това спонтанно с излъчване преминава в основно състояние (Фиг. 41.2).

hυ_лум = hυ_пог - Е_топл

υ_лум < υ_пог

λ_лум > λ_пог

При фосфоресценцията е възможно възбуденият електрон чрез безизлъчвателен преход да премине в метастабилна ниво, прехода от който до основното да е слабовероятен. Електронът от това ниво може да премине в друго възбудено ниво за сметка на нов акт на поглъщане на фотон или да сметка на топлинната енергия на околните частици след известно време.

Луминесцентен анализ се нарича метода за изследване на различни обекти под действие на ултравиолетово лъчение, което предизвиква луминесценция на тези обекти. Много биологични молекули, например белтъци, могат да флуоресцират. В последните години се използват и специални флуоресциращи молекули, които се добавят към биологичните мембрани. Те могат да играят роля на флуоресцентни сонди, при нековалентни връзки с мембраните, или флуоресцентни белези, при свързването им с химични връзки с мембраната.

Луминесцентен анализ се използва за контрол на хранителни продукти. Например цвета на месото при облъчване с ултравиолетово лъчение з зависимост от степента на разваляне се променя от червено-виолетов до зелено-сив., на рибите от сив до жълто-зелен, на млякото от зелено-жълт до син и др.

Проницаемостта на капилярите може да се определи като се вкара подкожно луминесциращи оцветяващи вещества.

В криминалистиката чрез ултравиолетово облъчване могат да се откриват невидими с просто око следи от кръв, като кръвта на човек може да се разграничи от кръвта на други животни. Различно луминесцират и истински и фалшиви банкноти, различни мастила и др.

В биологията се използват и луминесцентни микроскопи. При облъчване с ултравиолетово лъчение на различни препарати могат да се диагностицират различни инфекциозни заболявания, например гъбични инфекции, аномалии в пигментацията и др.

41.3.Биолуминесценция и свръхслабо светене.

Биолуминесценцията е частен случай на хемилуминесценцията. Може да се раздели на два вида - биолуминесценция и свръхслабо светене. Биолуминесценцията е светене във видимата част на спектъра, свойствено на някои живи организми. Излъчването става обикновено от специализирани органи. Затова за луминисценцията е характерна висока степен на превръщане на химическата енергия в светлинна. Свързано е с реакции на окисление на богати на водород органични съединения-люциферини. Ензимите, катализиращи окислението се наричат люциферази. Органите, които излъчват светлината, се наричат фотофори. Биолуминесценцията е присъща на различни видове организми - бактерии, насекоми, риби и др.(фиг. 41.3). Някои от тях използват светенето за примамване на жертви или партньори, други за отблъскване на хищници като светулките, дълбоководни скариди и др., трети за комуникации или маскиране на фона на естествени източници на светлина.

Lampyris noctiluca

Aequorea victoria

Фиг. 41.3. Биолуминесценция при различни организми.

Свръхслабо светене. Това е светене с много ниска интензивност - 10-100 фотона на 1 квадратен сантиметър от повърхността на дадена тъкан, което може да се регистрира с фотоелектронен умножител. Максимума на интензивност се пада на видимата и инфрачервената област от спектъра - от 360 до 800nm. Свръхслабото светене е свързано с неензимни процеси и съпровожда реакции на окисление на липидни структури в клетките. Това дава допълнителна информация за процесите в клетъчните мембрани и може да бъде използвано за някои диагностични цели.