Фотобиологические реакции, к которым относится, в частности, фо­тосинтез. инициируются светом, поглощаемым молекулами пигмен­тов. Процессами, исследуемыми пикосекундной и наносекундной ла­зерной спектроскопией, являются миграция энергии по пигментным молекулам, захват возбуждения фотоактивными реакционными цент­рами (ФРЦ), разделение зарядов в последних, перенос электрона по электрон-транспортной цепи. Диапазон скоростей этих процес­сов довольно широк — 10~¹²— 10¹ с; их исследование требует соответствующего аппаратурного обеспечения.

Как правило, пигментные комплексы (ПК), обеспечивающие энер­гией электронного возбуждения ФРЦ, являются образованиями, ин­тенсивно поглощающими свет видимого диапазона спектра. Поэто­му поглощение одного или нескольких фотонов и реализация одно­го или нескольких возбужденных состояний ПК не вызывает замет­ных изменений в его спектре поглощения. С другой стороны, кван­товые выходы флуоресценции молекул ПК, как правило, значитель­ны и достигают 0,1—0,01. Поэтому изучение миграции энергии но молекулам ПК проводят главным образом методом пикосекундной флуорометрии.

Глава III Лазерная спектроскопия

В результате многочисленных актов переноса электронное воз­буждение, возникшее в ПК, захватывается ФРЦ, так что его фото­активный пигмент переходит в возбужденное состояние. Непосред­ственно после локализации возбуждения на фотоактивном пигмен­те ФРЦ за время < Ю^-11 с происходит разделение зарядов: отрыв электрона от возбужденной молекулы — донора и перенос его на первичный акцептор.

Как правило, ФРЦ представляет собой пигмент-белковое образо­вание существенно меньших размеров, чем ПК, и содержит 2—6 мо­лекул пигмента. В результате разделения зарядов в ФРЦ возника­ют два радикала, спектры поглощения которых сильно отличаются от спектров исходных молекул. Поэтому проводить исследование ре­акции разделения зарядов в ФРЦ предпочтительнее методом пико- секундной абсорбционной спектроскопии. Хотя квантовый выход флуоресценции фотоактивного пигмента ФРЦ низок 10~⁴) и прямая регистрация кинетики флуоресценции сопряжена со значи­тельными трудностями, метод импульсной пикосекундной флуоро- метрии также является информативным инструментом в изучении разделения и первичной стабилизации зарядов в ФРЦ.

Дальнейший перенос электрона по электрон-транспортной цепи ФРЦ вообще не сопровождается флуоресценцией, поэтому абсорбци­онные спектрометры пнкосекундного и более медленного диапазо­нов (в совокупности с методами магнитного резонанса) — абсолют­но необходимый инструмент в изучении этого процесса.

На каждом этапе локализации электрона на переносчиках в ФРЦ возможна рекомбинация разделенных зарядов, в результате чего вновь образуется возбужденное состояние фотоактивного пиг­мента. Это возбуждение с определенной вероятностью возвращается в ПК и высвечивается в виде флуоресценции ПК, сам фотоактивный возбужденный пигмент может перейти в основное состояние с ис­пусканием кванта света или в нем произойдет разделение зарядов. Ясно, что рекомбинацию зарядов в ФРЦ можно исследовать как методом пикосекундной флуорометрии, так и методом абсорбцион­ной спектроскопии.

Таким образом, пикосекундную флуорометрию используют прн исследовании миграции энергии в ПК, захвата возбуждения ФРЦ, возврата его из ФРЦ в ПК, разделения зарядов и рекомбинации раз­деленных зарядов. Абсорбционная спектроскопия необходима для изучения реакции разделения и рекомбинации зарядов, а также пос­ледующего переноса электрона по электрон-транспортной цепи ФРЦ.

К методам лазерной спектроскопии относится также спектроско­пия комбинационного рассеяния (КР), с помощью которой можно ис­следовать природу межмолекулярных взаимодействий.

В основе метода КР лежит явление неупругого рассеяния света молекулами исследуемого вещества. При этом если образец воз­буждается монохроматическим излучением с частотой со₀, то за счет неупругого взаимодействия света с молекулами образца часть анергии возбуждающего излучения рассеивается в виде излучения, спектр которого является суперпозицией колебаний всех типов моле­кул исследуемой системы. Иными словами, спектр рассеянного из­лучения представлен набором линий ш₀, ы_п ± м,-, где со,- — часто­ты нормальных колебаний молекулы.

В свою очередь, частоты нормальных колебаний молекулы (набор колебательных мод определенного электронного уровня) зависят от природы межмолекулярных взаимодействий, в которые вступает исследуемая молекула. Именно поэтому спектроскопия КР как средство тонкого исследования природы межмолекулярных взаимодействий органических и неорганических молекул привле­кает внимание ученых различных специальностей.

В настоящее время существует несколько разновидностей спект­роскопии КР- При возбуждении излучением с частотой, не попадаю­щей в полосы поглощения молекул, наблюдается спонтанное КР, интенсивность которого составляет 10~^в — 10~¹⁰ от интенсивности возбуждающего света. При попадании частоты возбуждающего из­лучения в полосу поглощения интенсивность линий в спектре КР тех атомов и групп молекул, чей вибронный переход оказывается в резонансе, усиливается (в 10³ — 10⁶ раз). Это явление названо резонансным комбинационным рассеянием (РКР).

В последние годы реализована возможность записи полного спект­ра КР за короткие, вплоть до 10~^1г с, интервалы времени при им­пульсном возбуждении молекул. Такая разновидность спектроско­пии КР называется динамическим КР.

Ниже будут подробно описаны основы метода спектроскопии КР и используемые экспериментальные установки. Но вначале необ­ходимо рассмотреть основные сведения о лазерах.

Обычно лазеры классифицируют по типу лазерного материала и методу создания инверсной населенности в активной среде. Лазе­ры работают как в непрерывном, так и в импульсном режимах. В импульсном режиме достигаются наибольшие значения мощности излучения. Можно выделить три типа импульсных режимов.

1. Нормальный режим, или режим свободной генерации. В этом случае электрический импульс подается на импульсную лампу на­качки (твердотельный лазер) или на плазменную трубку (газовые лазеры). Длительность импульса в этом режиме меняется от 10"^я до Ю~⁵ с, а пиковая мощность может достигать десятков мегаватт

2. Режим модуляции добротности, при котором для получения мощного короткого импульса света используют ячейку Поккельса (вращение плоскости поляризации под действием электрического поля) или насыщающиеся поглотители. Длительность импульса в таких лазерах составляет Ю^-7 — 10~⁸ с, пиковая мощность дости­гает 100 МВт.

3. Режим синхронизации мод основан на перераспределении энергии электромагнитной волны внутри резонатора между прост­ранственно сближенными частотными компонентами, что приводит к формированию ультракоротких импульсов. Длительность им­пульса составляет 100 фс — 1 не, мощность — 10⁸ — Ю¹² Вт.

В электрическом разряде инверсия населенностей возникает в результате возбуждения атомов или молекул электронным ударом. Примерами газовых лазеров могут служить гелий-неоновый лазер (Я = 0,6; 1,1; 3,4 мкм), аргоновый лазер (X — 0,5 мкм) и С0₂-ла- зер (Я = 10 мкм).

В полупроводниках при иижекции неосновных носителей соз­дается инверсия населенности в тонком переходном слое, распо­ложенном между двумя областями полупроводникового кристал­лам—область с повышенным содержанием электронов (я-область) и «дырок» (р-область).

В химических лазерах источником инверсной населенности яв­ляется химическая реакция, в результате которой образуются ато­мы, молекулы или химические радикалы в возбужденном состоя­нии. Наиболее распространенным химическим лазером является лазер, в котором в качестве рабочего вещества используется CF₃I. Энергия в импульсе такого лазера составляет сотни джоулей.

В лазере на органических красителях используется широкая полоса люминесценции этих веществ; диспергирующий элемент (призма или дифракционная решетка), выделяя необходимый спект­ральный участок, производит перестройку частоты излучения. В параметрических генераторах света применяют анизотропные кристаллы, в которых в результате нелинейно-оптического преоб­разования происходит изменение длины волны возбуждающего света в зависимости от ориентации кристалла.

Таким образом, современные оптические квантовые генераторы позволяют получать монохроматическое слаборасходящееся мощ­ное излучение почти во всех участках электромагнитной шкалы, на­чиная от у-излучения до глубокого ИК-диапазона