СТИМУЛИРОВАННОЕ ВИДИМЫМ СВЕТОМ ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В ИССЛЕДОВАНИИ БИОМОЛЕКУЛ И МЕМБРАННЫХ КОМПЛЕКСОВ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ БИОФИЗИКИ КЛЕТКИ Терпугов Е.Л., Дегтярева О.В.

Образец Стимулированная ИК- эмиссия Ви ди м ый св ет 1. ИК -эмиссионный отклик, возникающий в образце под действием полихроматического видимого света низкой интенсивности регистрируется в виде дискретного спектра. Положение ИК -эмиссионных полос и их полуширина соотносятся с тем, что наблюдается в спектрах КР или ИК - поглощения. 2. ИК -эмиссия представляет собой внутренний резонансно-усиленный отклик системы в результате ее нелинейного взаимодействия с внешним излучением. В основе нелинейного взаимодействия лежит эффект смешивания оптических волн в образце, приводящий к появлению биений на разностных частотах, совпадающих с молекулярными колебаниями. 3. ИК -эмиссия является вынужденным излучением. В данных экспериментальных условиях происходит приготовление колебательно-возбужденных состояний и последующая их индуцированная дезактивация. ИК -эмиссия, возбужденная многочастотным видимым светом

Схема экспериментального наблюдения ИК -эмиссии Для эмиссионных измерений стандартный инфракрасный источник был вынесен из прибора. Вместо него устанавливался исследуемый образец, который освещался видимым светом от 100 Вт ксеноновой лампы. В экспериментах, различные диапазоны возбуждающего света получали с помощью стеклянных широкополосных фильтров. Спектры вторичного инфракрасного излучения регистрировали с помощью отечественного повышенной чувствительности ИК -Фурье спектрофотометра ФС-02, снабженного низкотемпературным МСТ (ртуть-кадмий-теллур) приемником (с чувствительностью Вт Гц ), криостат которого имеет окно из германия. Возбуждающее излучение посредством короткофокусной линзы (6 см) фокусировалось на плоскую поверхность образца в виде пятна размером 4мм 2. Угол между лучом и перпендикуляром к поверхности составлял около 13 градусов. Вторичное ИК излучение собиралось в направлении, перпендикулярном поверхности образца, с помощью сферического зеркала, отстоящего от образца на расстоянии 7 см, и системой других зеркал, входящих в оптическую схему спектрофотометра, направлялось в интерферометр. Спектры записывали с разрешением 4 см -1 и накоплением 400 сканов при комнатной температуре.

1. ИК -активные и комбинационно- активные переходы в спектрах ИК - эмиссии На верхнем рисунке приведены спектры эмиссии молекулы полностью -транс изомера ретиналя. Ниже представлены спектры ИК- поглощения и КРС из [Mathies et al. / Annu. Rev. Biophys. Biopys. Chem. 1991, v. 20, pp ]. Наблюдается хорошее соответствие в положении максимумов полос между представленными спектрами. Однако ИК -эмиссионные полосы имеют другое относительное распределение интенсивностей. В спектре эмиссии одновременно присутствуют ИК -активные (IR) и комбинационно- активные колебания (R). При этом также четко выявляются колебания, имеющие слабую интенсивность в спектрах ИК -поглощения или КРС. См., например, полосы в низкочастотной области спектра.

Инфракрасные колебательные спектры тонкой пленки лизина 2. Инфракрасные колебательные спектры тонкой пленки лизина (А) – спектр поглощения; (В и С) – спектры эмиссии, записанные с использованием широкополосного ступенчатого (с >560 нм) и интерференционного ( =633 нм) фильтров, соответственно. Влияние спектрального состава возбуждающего излучения на спектры ИК -эмиссии лизина проявляется в перераспределении интенсивности полос (пояснения см. далее) Внутренний ИК -отклик системы зависит от спектрального состава возбуждающего излучения

2. На верхнем рисунке представлено спектральное распределение интенсивности возбуждающего излучения при использовании интерференционного фильтра ( =633 нм). На нижнем рисунке реальные значения интенсивностей полос в спектрах ИК – эмиссии Lys ( ) сопоставлены с расчетными (). Расчеты строились с учетом cпектрального распределения возбуждающего света и на предположении о том, что ИК- эмиссионный отклик лизина обусловлен появлением в спектре возбуждающего излучения разностных частот, совпадающих с собственными колебаниями лизина. В таком случае интенсивность каждой полосы в спектре должна быть пропорциональна набору комбинаций, обеспечивающей эту разницу. Набор комбинаций, в свою очередь определяется спектром возбуждающего света. На рисунке видно хорошее соответствие между реальными и расчетными данными, когда использовался квадрат интенсивности комбинированного излучения видимого света Интенсивность полос в спектре вторичного ИК -излучения.

3. Обертона и составные частоты

Колебательный инфракрасный спектр излучения лизина в области см -1 В представленном спектре наблюдаются обертона деформационного колебания N-H группы (754 см -1 ) и валентного колебания C-0 группы (1150 см -1 ). Это свидетельствует о возникновении молекул с повышенной реакционной способностью в данных условиях возбуждения.

Колебательные спектры ИК –поглощения DL - лизина и полилизина

Спектры инфракрасного излучения красителя Родамина 6G

На верхнем и нижнем рисунках представлены, соответственно, спектры РКРС и ИК -эмиссии бактериородопсина в области см -1. В спектральном интервале от см -1, где расположены характеристичные колебания молекулы ретиналя Видно хорошее соответствие между двумя спектрами. В спектре ИК -излучения помимо полос, принадлежащих ретиналю, также присутствуют полосы, относящиеся к аминокислотам, которые находятся в непосредственной близости к ретиналю и принимают участие в процессе переноса Н + через клеточную мембрану.

Идентификация бактерий

Заключение Возможности феномена стимулированного видимым светом испускания собственного ИК -излучения молекул представляются широкими как в фундаментальных исследованиях, так и практическом применении в химии, физике, биологии и медицине.Возможности феномена стимулированного видимым светом испускания собственного ИК -излучения молекул представляются широкими как в фундаментальных исследованиях, так и практическом применении в химии, физике, биологии и медицине. Чрезвычайно важным аспектом наших работ является четкая демонстрация того обстоятельства, что эмиссионная ИК- спектроскопия позволяет получать уникальную информацию о веществе, т.е. одновременно наблюдать ИК- и КР- активные колебания, фундаментальные переходы, обертона и составные частоты, а также кинетически взаимодействующие моды.Чрезвычайно важным аспектом наших работ является четкая демонстрация того обстоятельства, что эмиссионная ИК- спектроскопия позволяет получать уникальную информацию о веществе, т.е. одновременно наблюдать ИК- и КР- активные колебания, фундаментальные переходы, обертона и составные частоты, а также кинетически взаимодействующие моды.

Экспериментальная схема по изучению динамики колебательно-возбужденных состояний кремния на шкале времен от 2-44 пикосекунд 600нм 500 cm -1 – cm -1 – cm -1 – cm -1 – 1.9 A 1 – O – 106.8