Элементы спектрального анализа (стр. 2 из 14)

соих работах теоретически исследовали влияние кинетики фотопроцессов в молекулах красителей, используемых для маркировки биологических молекул, на разрешение флуоресцентного микроскопа с двухфотонным возбуждением флуоресценции наносекундным лазером. Рассмотренная схема фото-процессов в молекуле красителя при двухфотонном возбуждении, влияющих на разрешение микроскопа, приведена на Рис1.

В качестве меры аксиального разрешения флуоресцентного микроскопа использовалась полуширина кривой дифференциального z-отклика (DZR - зависимость интенсивности флуоресценции из тонкого поперечного (по отношению к оптической оси) слоя исследуемого образца от расстояния между этим слоем и геометрическим фокусом объектива конфокального флуоресцентного микроскопа). Результаты модельных расчетов кривых дифференциального z-отклика приведены на pис.2.

Кривые свидетельствуют о том, что для реальных молекул красителей уже при небольших мощностях возбуждающего излучения, эффект насыщения двухфотонного поглощения и эффект светового тушения флуоресценции за счет поглощения третьего кванта возбуждающего излучения молекулой, находящейся в низшем возбужденном синглетном состоянии, могут существенно ухудшить разрешение микроскопа. Предложены подходы к решению вопросов уменьшения роли таких эффектов.

В связи с бурными темпами НТП в последние годы все активнее в жизнедеятельность человека внедряется лазерная техника. Везде от медицины до судостроения лазеры стали удобными и надежными помощниками человека. В первую очередь это связано с фундаментальными исследованиями, по этой тематике, проведенные в нашей стране во второй половине прошлого столетия академиками Басовым, Прохоровым и др., а также американским ученым Таунсом . Сейчас спектр исследований очень широк: новые типы лазеров, вещества активной среды, улучшение параметров, интеграция с различными программными комплексами и т.д. исследуются и двухквантовые механизмы, протекающие под воздействием лазерного излучения, а также процессы, происходяцие в активной среде лазера.

В работе Амбарцумян Р.В. исследуется экспериментальное определение доли захватываемых частиц и уровня возбуждения при многофотонном возбуждении молекул ИК лазерным излучением.

Чернов П. В.в своей статье исследует фотохимию примесных молекул при двухквантовом возбуждении свободного объема полимерных оптических материалов. Показаны пути улучшения свойств активной среды лазеров на красителях.

Исследователи Корнельского университета в журнале Science от 30 мая, 2003 г. опубликовали статью о применении квантовых точек для 3D визуализации биологических структур с помощью многофотонной флуоресцентной микроскопии.

Многофотонная флуоресцентная микроскопия используется при диагностики объемных микроструктур с субмикронным пространственным разрешением на основе многофотонной флуоресценции. Основные области применения: считывание информации с трехмерного носителя, мониторинг объемной лазерной модификации материалов и диагностика биотканей с субклеточным разрешением.

Сулимов В.Б., Соколов В.О., Дианов Е.М. провели исследования воздействия УФ- лазерного излучения азотного лазера на функциональную активность иммунокомпетентных клеток методом хемилюминесценции цельной крови. Исследования показали что облучение в режиме жесткой фокусировки излучения приводит к выраженной модуляции функциональной активности иммунокомпетентных клеток, которая выражается в зависимости эффекта действия от исходной активности клеток и в целом носит нормализующий характер. Проведенные исследования показали, что основной механизм следует искать не в фотохимических изменениях, а в фотофизических процессах происходящих в системе NADPH-(Субстрат) отвечающей за реакцию фазоцитоза. Вероятными фотофизическими процессами могут выступать двухквантовая ионизация NADPH, фотоабляция фермент-субстратного комплекса.

Мешалкин Ю.П. исследует сечение двухфотонного поглощения ароматических аминокислот и белков. В статье приводятся результаты по эффективности поглощения света при переходе от одноквантового возбуждения к двухквантовому на конкретных органических системах. При двухквантовом механизме поглощение света резко усиливается и это служит хорошим катализатором для многих биопроцессов.

Весьма интересна с точки зрения практического применения лазера, и возбуждаемого с помощью него люминесценция в генетических структурах

,проходящая также по двухквантовому механизму, работа Агальтсова А.М., Гаряева П.П., Горелик В.С., Щеглова В.А.

Как говорилось выше очень много исследований по двухквантовым фотопроцессам связаны с лазерной техникой.

Кузнецова Р.Т., Копылова Т.Н., Дегтяренко К.М., Сергеев А.К., Майер Г.В., Афанасьев Н.Б. в своих статьях исследуют фотохимические и фотофизические процессы в лазерно-активных средах диапазона 400 нм. Причем многоие из из них рассматриваются как двухквантовые(фотоионизация ароматических углелеводородных соединений с выбросим электрона в среду). Показано что при определённых условиях процессы могут менять свой характер, переходя от двухквантового к одноквантовому и наоборот.

Лохмана В.Н., Макарова Г.Н., Рябова Е.А. показана возможность разделения изотопов углерода методом ИК многофотонной диссоциации молекул CF₂HClс разделительным реактором в резонаторе лазера как это влияет на мощностно- временные характеристики газового лазера.

Босый О.Н., Ефимов О.М. вывели и исследовали закономерности и механизм эффекта накопления в условиях многофотонной генерации центров окраски.

Также рассматривалась работа Акманова А.Г., Жданова Б.В., Шакирова Б.Г. , где они исследовали двухфотонное поглощение и оптическое ограничение ИК излучения в антимониде галлия n-типа, и связанные с этим явлением преимущества и возникающие сложности в полупроводниковых лазерах.

Глава I.

§1. Эффект Шпольского. Методы количественного анализа.

В настоящее время огромное значение в физико-химических исследованиях приобрели спектральные методы. Важное практическое значение имеют разнообразные спектрально-аналитические методы, к числу которых относится молекулярный спектральный анализ.

Широкие возможности для развития молекулярного спектрального анализа появились благодаря открытию в 1952 г. профессором Э. В. Шпольским с сотрудниками эффекта тонкой квазилинейчатой структуры электронных спектров многоатомных молекул [6]. Такие спектры получили название квазилинейчатых, а эффект расщепления молекулярных спектральных максимумов в узкие квазилинии—«эффекта Шпольского».

Смысл эффекта, открытого Э. В. Шпольским, в том, что исследуемые молекулы, внедряясь в кристаллическую решетку соответствующим образом подобранной матрицы, при низкой температуре находятся в состоянии, к которому применима модель «ориентированного газа». В этом состоянии молекулы лишены возможности свободно вращаться, находятся на больших расстояниях друг от друга, не могут взаимодействовать между собой, а из-за нейтральности растворителя и с молекулами последнего. Все это снимает сильные взаимодействия, вызывавшие размывание спектра, И благодаря этому молекула обнаруживает свои электронные и колебательные состояния [7, 8].

Такой эффект достигается растворением в одном из специально подобранных растворителей и последующим замораживанием при температуре кипения азота (t = —196°С) или более низкой.

Растворитель должен при замерзании легко кристаллизоваться,
быть нейтральным по отношению к внедренным молекулами оптически прозрачным в той области, где поглощают и излучают
внедренные в него молекулы. Этим качествам очень хорошо удовлетворяет класс нормальных парафиновых углеводородов от н-пентана до н-декана и выше [7, 8].

В последнее время диапазон растворителей, в которых соблюдаются описанные выше условия, значительно расширился, включив в себя и высшие спирты и в некоторых случаях даже такие соединения, как дибензиламиноэтанол [9]. Кристаллическая решетка, в которую внедряются исследуемые молекулы, является для них жесткой матрицей, куда молекулы помещаются, по-видимому, без существенной деформации, но и без излишней свободы [8, 11]. При этом было выяснено, что если для соединений линейной структуры (нафталин, антрацен и т. д.) необходима близость линейных размеров у молекул растворителя и примеси [12—14], то для более сложных молекул такое соответствие не является необходимым условием возникновения квазилинейчатого спектра [15, 16]. Решающая в ряде случаев роль геометрии (аналогии размеров и формы примесных молекул и молекул растворителя) наталкивает авторов [10, 13] на мысль, что характер внедрения примесной молекулы в кристаллическую решетку растворителя похож на химические системы, называемые соединениями включения [18], где примесные молекулы могут находиться или в полости отдельной молекулы растворителя (но для этого требуются относительно большие молекулы последнего, молекулярный вес которых больше 1000) или в полости, образованной в пространственной решетке растворителя в результате совместного расположения многих маленьких молекул [10,11, 14]. Такие соединения образуют однородную систему, где молекулы объединены не химическими, а ван-дер-ваальсовыми силами связи. В первую очередь здесь важна чисто пространственная конфигурация компонентов соединения.

Способность растворителя при замерзании кристаллизоваться имеет большое значение для получения таких дискретных спектров, так как в растворителях, дающих при замерзании стеклообразную массу (например, в спиртах или их смесях), эффект столь резкого сужения спектральных полос не наблюдался [19].