Материал: спектроскопические методы анализа

Среди примеров использования этого метода для исследования биологических объектов и процессов можно отметить следующие:

определение относительного содержания α-спирали, β- структур и беспорядочных клубков в белках по интенсивности «амидных» полос (по поглощению NH2-группы и C=O группы);

установление количества водородных связей и функциональных групп, участвующих в образовании водородных связей в макромолекулах;

изучение процессов денатурации и ренатурации молекул белков и нуклеиновых кислот по изменению числа водородных связей;

определение относительного содержания комплементарных пар азотистых оснований А-Т (У) и Г-Ц в молекулах нуклеиновых кислот;

изучение взаимодействия между небольшими молекулами и биополимерами, например, белка с лигандом, фермента с ингибитором, ДНК с катионами металлов и т.д.;

при исследовании тонкостей процесса фотосинтеза ИКспектроскопия активно используется для исследования: структуры и превращений активных центров ферментов, взаимодействий кофакторов переноса электрона с белковым окружением в фотосинтетических реакционных центрах, молекулярного механизма функционирования кислород-выделяющего комплекса фотосистемы II, переноса протона, связанного с переносом электрона, свойств лигандов ионов металлов, свойств и роли молекул воды в структуре фотосинтетических комплексов.

Биологические жидкости чаще всего изучаются в объеме 5 – 10 мкл методом пропускания через стекла из CaF2 или BaF2. При необходимости из получаемых спектров математически вычитается спектр воды. Также воду можно предварительно удалить высушиванием образца и изучать остаток в виде тонкой пленки, однако в этом случае теряется информация

олетучих компонентах образца и о его гидратации. Спектры тканей также получают подобным образом, вырезая и изучая образцы объемом около 1

мм³ (рис. 3.42).

Основные задачи ИК-спектроскопии в судебной экспертизе: анализ волокон с места преступления, анализ пищевых и физиологических образцов, установление принадлежности образцов химических веществ к

76

списку наркотических веществ и контролируемых сильнодействующих препаратов, установление происхождения и марки автомобильных красок, исследование и сравнение типа чернил или тонеров на документах.

Рис. 3.42. Области основных характеристических групп биологических объектов

Из-за специфики анализируемых материалов эксперты применяют ряд необычных модификаций инфракрасной спектроскопии. Например, часто используется ячейка с алмазными наковальнями, позволяющая под действием высокого давления расплющить даже очень небольшой образец (порядка 5 мкм) до приемлемой площади, позволяющей запись инфракрасного спектра пропускания. Если образец невозможно переместить, либо если он имеет отражающую поверхность, ИК-спектр записывают в отражении через микроскоп или обычную ячейку. Иногда используется запись спектра из диффузного отражения.

77

Многие газообразные вещества имеют характерное поглощение в ИК-области спектра, что позволяет регистрировать большинство газов, в том числе оксиды углерода, азота, серы, метан, аммиак, пары органических растворителей и многие другие вещества. Жидкие вещества можно также исследовать, переводя их в газовую фазу. Основные области применения ИК-спектрофотометрии газообразных объектов:

анализ газов в химической и нефтехимической промышленности;

анализ природного газа и продукции газовой промышленности;

контроль токсичных газов в полупроводниковом производстве;

контроль следов примесей в газах медицинского назначения;

контроль атмосферного воздуха, воздуха рабочей зоны и выбросов промышленных предприятий.

Благодаря своим преимуществам и высокой степени автоматизации процесса измерений ИК-спектроскопия может использоваться как эффективное средство контроля при проведении экологических мониторингов, например, для контроля следов углеводородов и определения массовой концентрации углеводородов в воде и почве по интенсивности поглощения метиленовых групп в ИК-спектре.

Таким образом, основываясь на вышеизложенном материале, можно заключить, что, хотя ИК-спектроскопия и не является исключительным методом для определения структуры органических соединений, тем не менее, она находит широкое применение в самых разных отраслях и особенно в химии и технологии биологически активных веществ.

3.2.3. Молекулярная эмиссионная спектроскопия

Люминесценция – это испускание УФ, видимых или ИК фотонов электронно-возбужденной молекулой. Слово «люминесценция», которое пришло из латинского языка (от лат. lumen, род. падеж luminis – свет и escens – суффикс, означающий процесс или состояние), было впервые введено физиком и историком науки Эйльхардтом Вейдеманном как luminescenz в 1888 году для того, чтобы описать «все эти световые

78

явления, которые не обуславливаются только повышением температуры», в противоположность накалу. Люминесценция – холодный свет, в то время как накаливание – горячий свет. Различные типы люминесценции классифицируются согласно виду возбуждения (табл. 3.6).

Люминесцентные вещества могут иметь самое разнообразное строение:

•органические соединения: ароматические углеводороды (нафталин, антрацен, фенантрен, пирен, перилен и др.), флюоресцеин, родамины, кумарины, оксазины, полиены, дифенилполиены, аминокислоты (триптофан, тирозин, фенилаланин) и др. Чем больше органическое соединение поглощает электромагнитное излучение УФдиапазона, тем сильнее его возможная флуоресценция.

Способностью к флуоресценции обладают органические соединения различных классов: алифатические, насыщенные циклические, ароматические и прочие, содержащие систему сопряженных связей, ароматические с гетероатомами. Следует отметить, что флуоресценция отсутствует, если возможно вращение одной части молекулы относительно другой. Примером может служить реакция комплексообразования

79

салицилаль-о-аминофенола с ионом алюминия, которая используется в качественном анализе (рис. 3.43).

Рис. 3.43. Салицилаль-о-аминофенол и его комплекс с катионом алюминия

Молекула салицилаль-о-аминофенола не проявляет флуоресценции из-за того, что энергия, которая могла бы излучаться, расходуется на вращение ароматических фрагментов вокруг двойной связи. Однако ее комплекс с алюминием, образование которого исключает возможность свободного вращения ароматических фрагментов вокруг простых связей, обладает ярко-зеленой флуоресценцией.

•неорганические соединения: катион уранила (UO2+), ионы лантаноидов (Eu3+, Tb3+), легированные стекла (напр. c Nd, Mn, Ce, Sn, Cu, Ag), кристаллы (ZnS, CdS, ZnSe, CdSe, GaS, GaP, Al2O3/Cr3+ (рубин)), и др.

•металлорганические соединения: комплексы рутения, комплексы с ионами лантаноидов, комплексы с флуорогенными хелатными добавками (например, 8-гидроксихинолин, также называемый оксином) и др.

Флуоресценция и фосфоресценция – частные случаи люминесценции.

Видом возбуждения является поглощение фотонов, которое переводит поглощающую молекулу в электронно-возбужденное состояние.

Флуоресценция – это испускание, происходящее при возвращении спаренного электрона на более низкую орбиталь. Такие переходы квантово-механически «разрешены», а типичные величины скоростей испускания для них ~108 с-1. Высокие значения скоростей испускания приводят к временам затухания флуоресценции ~10 8 с (10 нс). Время жизни – это средний период времени, в течение которого флуорофор находится в возбужденном состоянии.

Фосфоресценция – это испускание, происходящее при переходе между состояниями различной мультиплетности, как правило, из

80