Ультрафиолетовая и видимая спектральная область

Ультрафиолетовая (УФ) и видимая спектральная область соответствует энергетическим переходам порядка 100-1000 кДж∙моль^-1 между основным состоянием и первым возбужденным состоянием (S_o и S₁, соответственно) в небольших молекулах. Энергии таких переходов гораздо больше тепловой энергии при комнатной температуре окружающей среды (2.5 кДж∙моль^-1 при 300 K). Каждый электронный уровень, в свою очередь, состоит из энергетических подуровней, возникающих вследствие вращательных и колебательных переходов самой молекулы (Рис. З1.2). Для небольших молекул разность между колебательными уровнями составляет величину порядка 40 кДж∙моль^-1, что также больше тепловой энергии окружающей среды. Поэтому, как следует из статистической квантовой механики, можно считать, что все молекулы будут обладать колебательными уровнями с наименьшей энергией в основном электронном состоянии.

 

 

Рис. З1.2. Диаграмма потенциальной энергии низшего (S_o) и первого возбужденного (S₁) электронных состояний молекулы. r, v, и e - соответственно вращательные, колебательные и электронные переходы

 

Разность между энергетическими состояниями, соответствующими вращению молекул, составляет менее 5 кДж∙моль^-1, поэтому многие из этих уровней оказываются заселенными при температуре окружающей среды.

Электронные переходы наподобие тех, что изображены на рис. З1.2, становятся возможны, когда на молекулу падает свет подходящей длины волны. Если бы не существовало вращательных и колебательных уровней энергии, спектр поглощения был бы представлен четкими линиями для каждого перехода в молекуле (Рис. З1.3а). В реальности возможны переходы между низшим уровнем S_o и различными колебательными и вращательными уровнями в S₁, в результате чего в спектре поглощения возникает набор близко-стоящих линий, чья интенсивность (поглощение) зависит от вероятности перехода (Рис. 31.3б). На практике, линии не только очень близки друг к другу, но каждая еще и уширена в силу ряда причин, например, из-за гетерогенности локального молекулярного окружения или взаимодействия с растворителем, в результате чего мы наблюдаем лишь плавную огибающую набора спектральных линий (Рис. З1.3в).

 

 

Рис. З1.3. Спектр поглощения молекулы с одним типом электронного перехода: а) теоретический, при очень низкой температуре; б) теоретический при комнатной температуре; в) реально наблюдаемый

 

Для большинства задач спектры поглощения в УФ- и видимой области рассматриваются как полосы отдельных электронных состояний, а форма линии не принимается во внимание. Однако уширение линии и ее форма содержат информацию о колебательных и вращательных состояниях, поэтому существует подход к изучению динамики молекул через анализ поведения их спектров поглощения как функции температуры.

Биологические макромолекулы в основном исследуются в водных растворах. При длине волн менее 170 нм вода сама поглощает настолько сильно, что даже слой микронной толщины будет совершенно непрозрачен, поэтому измерения ограничены областью длин волн выше этого значения.

Электронные полосы макромолекул также претерпевают изменения в результате взаимодействия с полярными молекулами воды. Эти взаимодействия зависят от расстояний между молекулами и их ориентации. А поскольку макромолекулы в растворе обычно неупорядочены, то для отдельных молекул они будут различны, что приводит к еще большему уширению линии поглощения.