Тиманюк В.А., Животова Е.Н. Биофизика

Подождите немного. Документ загружается.

541

Â áîëüøèíñòâå æå ñëó÷àåâ ñâå÷åíèå æèâîòíûõ è ðàñòåíèé ÿâ-

ëÿåòñÿ ñâåðõñëàáûì, ïîýòîìó ýòî ÿâëåíèå áûëî îáíàðóæåíî ëèøü

âî âòîðîé ïîëîâèíå ÕÕ âåêà, êîãäà ïîÿâèëèñü ÷óâñòâèòåëüíûå ïðè-

áîðû, ñïîñîáíûå ðåãèñòðèðîâàòü åäèíè÷íûå êâàíòû èçëó÷åíèÿ.

Õåìèëþìèíåñöåíöèÿ ñîïðîâîæäàåò ðÿä áèîõèìè÷åñêèõ ðåàêöèé,

íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûì è èçó÷åííûì ïðèìåðîì êîòîðûõ ÿâ-

ëÿþòñÿ ðåàêöèè ïåðåêèñíîãî îêèñëåíèÿ ëèïèäîâ. Êðîìå òîãî, õå-

ìèëþìèíåñöåíöèÿ ìîæåò áûòü âûçâàíà âîçäåéñòâèåì íà áèîëîãè-

÷åñêèå ñèñòåìû âíåøíèõ ôèçè÷åñêèõ ôàêòîðîâ: îáëó÷åíèåì

èîíèçèðóþùåé ðàäèàöèåé (ðàäèîõåìèëþìèíåñöåíöèÿ), âèäèìûì

èëè óëüòðàôèîëåòîâûì èçëó÷åíèåì (ôîòîõåìèëþìèíåñöåíöèÿ),

âîçäåéñòâèåì óëüòðàçâóêà (ñîíîõåìèëþìèíåñöåíöèÿ) è äð.

Õåìèëþìèíåñöåíöèÿ âîçíèêàåò â òîì ñëó÷àå, åñëè ýíåðãèè

êàêîé-ëèáî õèìè÷åñêîé ðåàêöèè äîñòàòî÷íî äëÿ îáðàçîâàíèÿ ïðî-

äóêòîâ â ýëåêòðîííî-âîçáóæäåííîì ñîñòîÿíèè (Ð *). Ïåðåõîä ïîñ-

ëåäíèõ â îñíîâíîå ñîñòîÿíèå (Ð ) ñîïðîâîæäàåòñÿ èçëó÷åíèåì êâàíòà

ñâåòà:

+→ +*  



AB P

; (17.3.1)

→+ν*PPh. (17.3.2)

Ðåàêöèè, ñîïðîâîæäàþùèåñÿ èçëó÷åíèåì, ïðîèñõîäÿò ñ ó÷àñ-

òèåì ðåàãåíòîâ, èìåþùèõ íåñïàðåííûå ýëåêòðîíû (ñâîáîäíûå ðà-

äèêàëû), èëè öèêëè÷åñêèõ ïåðîêñèäíûõ âåùåñòâ. Â ïðîöåññå ðå-

àêöèè ïðîèñõîäèò ïåðåíîñ ýëåêòðîíà (ìåæäó ìîëåêóëàìè èëè

âíóòðè îäíîé ìîëåêóëû îò îäíîé õèìè÷åñêîé ãðóïïû ê äðóãîé),

íî íå íà îñíîâíîé, à íà âîçáóæäåííûé óðîâåíü. Òàêîé ïåðåíîñ

ìîæåò ïðîèñõîäèòü êàê íà òðèïëåòíûé, òàê è íà âîçáóæäåííûé

ñèíãëåòíûé óðîâíè, íî ïîñêîëüêó ýíåðãèÿ òðèïëåòíîãî óðîâíÿ

íèæå, òî â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ ïåðåíîñ ïðîèñõîäèò èìåííî íà

ýòîò óðîâåíü. Ñîîòâåòñòâåííî áèîëþìèíåñöåíöèÿ ÷àùå ÿâëÿåòñÿ

ôîñôîðåñöåíöèåé, ÷åì ôëóîðåñöåíöèåé.

Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûìè áèîõèìè÷åñêèìè ðåàêöèÿìè,

ñîïðîâîæäàþùèìèñÿ ëþìèíåñöåíöèåé, ÿâëÿþòñÿ ïðîöåññû ïåðå-

êèñíîãî îêèñëåíèÿ ëèïèäîâ:

+→+ii

RO RH R ROOH

, (17.3.3)

ãäå RO

• — ïåðåêèñíûé ðàäèêàë; RÍ — ëèïèä; R• — ðàäèêàë

ëèïèäà; RÎÎÍ — ãèäðîïåðåêèñü; k

— êîíñòàíòà ñêîðîñòè ðåàê-

öèè.

Ðåàêöèåé, îòâåòñòâåííîé çà ñâå÷åíèå â öåïè ðåàêöèé ïåðåêèñ-

íîãî îêèñëåíèÿ, ÿâëÿåòñÿ ðåàêöèÿ äèñïðîïîðöèîíèðîâàíèÿ ïåðå-

êèñíûõ ðàäèêàëîâ ëèïèäîâ, â õîäå êîòîðîé îáðàçóþòñÿ ïðîäóêòû

â âîçáóæäåííîì ñîñòîÿíèè:

§ 17.3. Áèîëþìèíåñöåíöèÿ

542

+→ii

RO RO *

. (17.3.4)

Èõ ïåðåõîä â îñíîâíîå ñîñòîÿíèå ñîïðîâîæäàåòñÿ èñïóñêàíè-

åì êâàíòà ëþìèíåñöåíöèè:

→+ν*PPh. (17.3.5)

Ïîýòîìó èíòåíñèâíîñòü ëþìèíåñöåíöèè ðàâíà ñêîðîñòè óáû-

ëè â ñèñòåìå ÷èñëà âîçáóæäåííûõ ìîëåêóë è ïðÿìî ïðîïîðöèî-

íàëüíà êâàäðàòó êîíöåíòðàöèè â ñèñòåìå ïåðåêèñíûõ ðàäèêàëîâ

•:



=Φ =Φ





[RO ]

, (17.3.6)

ãäå I — èíòåíñèâíîñòü õåìèëþìèíåñöåíöèè âî âñåõ íàïðàâëåíèÿõ

è íà âñåõ äëèíàõ âîëí; Φ — êâàíòîâûé âûõîä õåìèëþìèíåñöåíöèè

(îòíîøåíèå ÷èñëà èñïóùåííûõ ôîòîíîâ ê ÷èñëó ïðîðåàãèðîâàâ-

øèõ ìîëåêóë).

Èç ðåàêöèé (17.3.3) è (17.3.6) ñëåäóåò, ÷òî ñêîðîñòü ïåðåêèñíî-

ãî îêèñëåíèÿ ëèïèäîâ v îïðåäåëÿåòñÿ êàê

222

[RH][RO ] [RH]

vk k

. (17.3.7)

Òàêèì îáðàçîì, ÿâëåíèå ëþìèíåñöåíöèè ïîçâîëÿåò êîëè÷å-

ñòâåííî îïðåäåëèòü ñêîðîñòü ïðîöåññîâ ïåðåêèñíîãî îêèñëåíèÿ

ëèïèäîâ.

Èññëåäîâàíèå ëþìèíåñöåíöèè, ñîïðîâîæäàþùåé ðåàêöèè ïå-

ðåêèñíîãî îêèñëåíèÿ ëèïèäîâ, ñûãðàëî áîëüøóþ ðîëü â óñòàíîâ-

ëåíèè ñõåìû ýòèõ ðåàêöèé, ìåõàíèçìà äåéñòâèÿ è ýôôåêòèâíîñòè

àíòè- è ïðîîêñèäàíòîâ (âåùåñòâ ñîîòâåòñòâåííî çàìåäëÿþùèõ

è óñèëèâàþùèõ ïåðåêèñíîå îêèñëåíèå). Îïðåäåëåíèå ñêîðîñòè ïå-

ðåêèñíîãî îêèñëåíèÿ ïîçâîëÿåò ñóäèòü îá óðîâíå îáìåííûõ ïðî-

öåññîâ â êëåòêå ïðè âîçäåéñòâèè õèìè÷åñêèõ è ôèçè÷åñêèõ ôàêòî-

ðîâ, ïàòîëîãè÷åñêèõ ñîñòîÿíèÿõ è ò. ï.

Èçìåðåíèå èíòåíñèâíîñòè ëþìèíåñöåíöèè èñïîëüçóåòñÿ â ìå-

äèöèíå. Íàïðèìåð, èíòåíñèâíîñòü ñïîíòàííîé ëþìèíåñöåíöèè

ñûâîðîòêè êðîâè áîëüíûõ òóáåðêóëåçîì çíà÷èòåëüíî âûøå, ÷åì

ó çäîðîâûõ ëþäåé, à áîëüíûõ ðàêîì ëåãêèõ — çíà÷èòåëüíî íèæå.

Ïðè íåêîòîðûõ çàáîëåâàíèÿõ (íàïðèìåð íåêðîçàõ, îñòðûõ âîñ-

ïàëèòåëüíûõ ðåàêöèÿõ) èíòåíñèâíîñòü õåìèëþìèíåñöåíòíîãî îò-

âåòà ðåçêî óâåëè÷èâàåòñÿ. Íàïðèìåð, ó ïàöèåíòîâ, ïåðåíåñøèõ

èíôàðêò ìèîêàðäà, õåìèëþìèíåñöåíòíûé îòâåò íàìíîãî âûøå, ÷åì

ó ïàöèåíòîâ, ñòðàäàþùèõ èøåìè÷åñêîé áîëåçíüþ ñåðäöà.

Ãëàâà 17. Ñîáñòâåííûå ôèçè÷åñêèå ïîëÿ ÷åëîâåêà

543

Ôàãîöèòèðóþùèå êëåòêè êðîâè è òêàíåé â îòâåò íà äåéñòâèå

ðÿäà âíåøíèõ ôàêòîðîâ (íàïðèìåð íåêîòîðûõ õèìè÷åñêèõ ñîåäè-

íåíèé, ïûëåé, êîìïîíåíòîâ áàêòåðèàëüíûõ ñòåíîê è äð.) ñïîñîá-

íû âûðàáàòûâàòü ñóïåðîêñèäíûå ðàäèêàëû Î

–

• â ðåçóëüòàòå ðåàê-

öèè ñ íèêîòèíàìèäàäåíèíäèíóêëåîòèäîì (ÍÀÄ):

++ −

+= ++i

 2O   2 ( O ) . (17.3.8)

Íà ñïîñîáíîñòè ôàãîöèòîâ ëþìèíåñöèðîâàòü â îòâåò íà äåé-

ñòâèå ðàçäðàæàþùèõ ôàêòîðîâ îñíîâàí öåëûé ðÿä ìåòîäîâ ìåäèêî-

áèîëîãè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé. Â ÷àñòíîñòè, äåéñòâèå íåêîòîðûõ

ôàêòîðîâ (íàïðèìåð êàëüöèåâûõ èîíîôîðîâ, èìïóëüñîâ ýëåêòðè÷å-

ñêèõ ïîëåé è äðóãèõ) âûçûâàþò óâåëè÷åíèå ïðîíèöàåìîñòè ìåì-

áðàíû äëÿ èîíîâ Ñà

, êîòîðûå çàïóñêàþò ïîñëåäîâàòåëüíîñòü ðå-

àêöèé, ñîïðîâîæäàþùèõñÿ âûäåëåíèåì ñóïåðîêñèäíûõ ðàäèêàëîâ,

à ñëåäîâàòåëüíî,— ëþìèíåñöåíöèåé. Òàêèì îáðàçîì, äàííûé ìå-

òîä ïîçâîëÿåò èçó÷àòü âëèÿíèå íåêîòîðûõ àãåíòîâ íà ïðîíèöàåìîñòü

ìåìáðàí.

×óâñòâèòåëüíîñòü ëþäåé ê äåéñòâèþ ðàçëè÷íûõ âåùåñòâ, â ÷à-

ñòíîñòè ëåêàðñòâåííûõ ïðåïàðàòîâ, íåîäèíàêîâà. Âçàèìîäåéñòâèå

ýòèõ âåùåñòâ ñ ôàãîöèòàìè ñîïðîâîæäàåòñÿ õåìèëþìèíåñöåíòíîé

ðåàêöèåé ðàçëè÷íîé èíòåíñèâíîñòè. Ýòî ïîçâîëÿåò âûÿâëÿòü ïî-

âûøåííóþ ÷óâñòâèòåëüíîñòü ÷åëîâåêà ê äàííîìó àëëåðãåíó.

ÏÐÀÊÒÈ×ÅÑÊÈÅ È ÒÅÑÒÎÂÛÅ ÇÀÄÀÍÈß

ÏÐÈÌÅÐÛ ÐÅØÅÍÈß ÇÀÄÀ×

Çàäà÷à 17.1. Ïðè ñíÿòèè ýëåêòðîêàðäèîãðàììû â îäíîì èç îòâåäåíèé

áûëà ïîëó÷åíà ìàêñèìàëüíàÿ ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ ∆ϕ = 1 ìÂ. Âû÷èñëè-

òå ìîäóëü ýëåêòðè÷åñêîãî âåêòîðà ñåðäöà D, åñëè óäåëüíîå ýëåêòðè÷åñêîå

ñîïðîòèâëåíèå ñðåäû ρ = 15 Îì•ì, ðàññòîÿíèå îò òîêîâîãî ãåíåðàòîðà äî

âåðøèí ðàâíîñòîðîííåãî òðåóãîëüíèêà Ýéíòõîâåíà r = 0,2 ì.

Ðåøåíèå. Ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ ìåæäó äâóìÿ òî÷êàìè, íàõîäÿùèìèñÿ

íà îäèíàêîâîì ðàññòîÿíèè r îò äèïîëÿ, ðàâíà:

ρβ γ

∆ϕ =

sin( / 2)cos

îòêóäà

π∆ϕ

ρβ γ

sin( / 2)cos

.(17.1)

Ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ çàâèñèò îò óãëà γ ìåæäó îñüþ äèïîëÿ è îñüþ

îòâåäåíèÿ è ìàêñèìàëüíà ïðè èõ ïàðàëëåëüíîé îðèåíòàöèè (ñì. ðèñ. 17.1.4).

Ïðàêòè÷åñêèå è òåñòîâûå çàäàíèÿ

544

Ïðè γ = 0 γ=cos 1 (ñì. ðèñ. 17.1.3). Òàê êàê òðåóãîëüíèê Ýéíòõîâåíà ðàâ-

íîñòîðîííèé, òî β = 120°. Ïîäñòàâèâ ÷èñëåííûå äàííûå â ôîðìóëó (17.1),

ïîëó÷àåì:

−

π⋅

==⋅⋅



2(0,2) 10

1, 9 10

15 sin(120 / 2) cos 0

Çàäà÷à 17.2. Íà ñêîëüêî ïðîöåíòîâ óâåëè÷èòñÿ ýíåðãåòè÷åñêàÿ ñâåòè-

ìîñòü òåëà ÷åëîâåêà, åñëè åãî òåìïåðàòóðà (37 °Ñ) óâåëè÷èòñÿ íà 1 °Ñ.

Òåëî ÷åëîâåêà ñ÷èòàòü ñåðûì òåëîì.

Ðåøåíèå. Ñîãëàñíî çàêîíó Ñòåôàíà—Áîëüöìàíà, ýíåðãåòè÷åñêàÿ ñâå-

òèìîñòü ñåðîãî òåëà ñîñòàâëÿåò:

= ασT

ãäå σ — ïîñòîÿííàÿ Ñòåôàíà—Áîëüöìàíà, σ = 5,6696•10

–8

Âò/(ì

•Ê

α — êîýôôèöèåíò ïîãëîùåíèÿ ñåðîãî òåëà.

Òîãäà îòíîøåíèå ýíåðãåòè÷åñêèõ ñâåòèìîñòåé äëÿ äâóõ ðàçíûõ òåìïå-

ðàòóð ñîñòàâèò:







310 1

310

= 1,013.

Òî åñòü ýíåðãåòè÷åñêàÿ ñâåòèìîñòü òåëà ÷åëîâåêà â ýòîì ñëó÷àå óâåëè-

÷èòñÿ íà 1,3 %, â òî âðåìÿ êàê òåìïåðàòóðà óâåëè÷èëàñü òîëüêî íà 0,3 %.

ÇÀÄÀ×È ÄËß ÑÀÌÎÑÒÎßÒÅËÜÍÎÃÎ ÐÅØÅÍÈß

17.1. Âû÷èñëèòå ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ ∆ϕ ìåæäó äâóìÿ âåðøèíàìè

ðàâíîñòîðîííåãî òðåóãîëüíèêà Ýéíòõîâåíà, åñëè ýëåêòðè÷åñêèé âåêòîð

ñåðäöà îðèåíòèðîâàí ïîä óãëîì γ= °60 ê îñè îòâåäåíèÿ è ðàâåí

1, 5•10 А • мD

−



. Ðàññòîÿíèå îò ýëåêòðè÷åñêîãî âåêòîðà äî âåðøèí òðå-

óãîëüíèêà = 25 r , óäåëüíîå ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå ñðåäû

ρ=

Îì•ì.

17.2. Ïîä êàêèì óãëîì

γ íàõîäèòñÿ â äàííûé ìîìåíò ýëåêòðè÷åñêèé

âåêòîð ñåðäöà ê îñè îòâåäåíèÿ, åñëè çàôèêñèðîâàíà ðàçíîñòü ïîòåíöèà-

ëîâ ∆ϕ = 0, 68 ìÂ, à ìàêñèìàëüíàÿ ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ â ýòîì îòâåäå-

íèè ∆ϕ =

max

0,80 ìÂ.

17.3. Îïðåäåëèòå ìîùíîñòü òåïëîâîãî èçëó÷åíèÿ ðàçäåòîãî ÷åëîâåêà

ñ = 1S ì

ïîâåðõíîñòè òåëà, åñëè òåìïåðàòóðà êîæè

=°

30 Ct

, îêðóæàþ-

ùåé ñðåäû — =°

20 Ct . Êîýôôèöèåíò ïîãëîùåíèÿ êîæè = 0, 9k .

17.4. Èíòåíñèâíîñòü èçëó÷åíèÿ òåëà ÷åëîâåêà óâåëè÷èëàñü íà 2,62 %.

Íà ñêîëüêî ïðîöåíòîâ âîçðîñëà òåìïåðàòóðà?

17.5. Îïðåäåëèòå äëèíó âîëíû λ

max

, ñîîòâåòñòâóþùóþ ìàêñèìóìó

ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè ýíåðãåòè÷åñêîé ñâåòèìîñòè òåëà ÷åëîâåêà, ñ÷è-

òàÿ åãî ñåðûì òåëîì. Òåìïåðàòóðà êîæè t = 30 °C.

Ãëàâà 17. Ñîáñòâåííûå ôèçè÷åñêèå ïîëÿ ÷åëîâåêà

545

17.6. Íà ñêîëüêî ñìåñòèòñÿ ìàêñèìóì ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè ýíåð-

ãåòè÷åñêîé ñâåòèìîñòè, åñëè òåìïåðàòóðà òåëà ÷åëîâåêà ïîâûñèòñÿ îò

= 36 äî t

= 37 °C.

ÂÎÏÐÎÑÛ ÒÅÑÒÎÂÎÃÎ ÊÎÍÒÐÎËß

17.1. Ïîòåíöèàë ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ äèïîëÿ ñîñòàâëÿåò:

à)

πρ

ϕ=

4 I

;á)

ϕ=

4 r

;â)

ϕ=

;ã)

ϕ=

π4

;ä)

ϕ=

π4 Ir

17.2. Èíôðàêðàñíîå èçëó÷åíèå ïðîíèêàåò íàðóæó èç ãëóáèíû òåëà íå

áîëåå, ÷åì íà:

à) 1 íì; á) 1 ìêì; â) 0,1 ìì ã) 1 ñì; ä) 1ì.

17.3. ÑÂ×-èçëó÷åíèå ïðîíèêàåò íàðóæó èç ãëóáèíû òåëà íå áîëåå,

÷åì íà:

à) 1 íì; á) 1 ìêì; â) 0,1 ìì ã) 1 ñì; ä) 1ì.

17.4. Õåìèëþìèíåñöåíöèÿ âîçíèêàåò â òîì ñëó÷àå, åñëè â õîäå ðåàê-

öèè îáðàçóþòñÿ:

à) öèêëè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ;

á) ïðîäóêòû â ýëåêòðîííî-âîçáóæäåííîì ñîñòîÿíèè;

â) ñîåäèíåíèÿ, ñîäåðæàùèå ìàêðîýðãè÷åñêèå ñâÿçè;

ã) ñîåäèíåíèÿ, ñîäåðæàùèå ñîïðÿæåííûå äâîéíûå ñâÿçè;

ä) èîíû.

17.5. Êâàíòîâûì âûõîäîì õåìèëþìèíåñöåíöèè íàçûâàåòñÿ:

à) îòíîøåíèå ÷èñëà âûïóùåííûõ ôîòîíîâ ê ÷èñëó ïðîðåàãèðîâàâøèõ

ìîëåêóë;

á) îòíîøåíèå ÷èñëà ïîãëîùåííûõ ôîòîíîâ ê ÷èñëó ïðîðåàãèðîâàâ-

øèõ ìîëåêóë;

â) òî æå ñàìîå, ÷òî è ñêîðîñòü ðåàêöèè;

ã) âåëè÷èíà, êîòîðàÿ ÷èñëåííî ðàâíà êâàäðàòíîìó êîðíþ èç èíòåí-

ñèâíîñòè ëþìèíåñöåíöèè;

ä) êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè ìåæäó ñêîðîñòüþ ðåàêöèè è êîí-

öåíòðàöèåé ðåàãèðóþùåãî âåùåñòâà.

17.6. Ñêîðîñòü ïåðåêèñíîãî îêèñëåíèÿ ëèïèäîâ ñîñòàâëÿåò:

à) v = k

[RH]

;ã) v = k

[RH]

;

á) v = k

[RH]

/( )Ik

;ä) v = k

[RH]

/( )Ik

â) v = k

[RH]

[/( )]Ik

;

Ïðàêòè÷åñêèå è òåñòîâûå çàäàíèÿ

Ãëàâà 18

ÔÈÇÈ×ÅÑÊÈÅ ÌÅÒÎÄÛ ÀÍÀËÈÇÀ

ËÅÊÀÐÑÒÂÅÍÍÛÕ ÑÐÅÄÑÒÂ

Ñîçäàíèå íîâûõ ëåêàðñòâåííûõ ïðåïàðàòîâ è èõ àíàëèç, ìîäè-

ôèêàöèÿ ðàíåå ðàçðàáîòàííûõ ñîåäèíåíèé, êîíòðîëü êà÷åñòâà,

÷èñòîòû è äðóãèå ïîäîáíûå çàäà÷è òðåáóþò îò õèìèêà-ôàðìàöåâòà

îáøèðíûõ çíàíèé âî ìíîãèõ îáëàñòÿõ íàóêè. Òàê, õîðîøî îòðàáî-

òàííûå ôèçè÷åñêèå ìåòîäû èññëåäîâàíèÿ âåùåñòâ âî âñåõ àãðåãàò-

íûõ ñîñòîÿíèÿõ îòêðûâàþò øèðîêèå âîçìîæíîñòè äëÿ õèìèêîâ-

ôàðìàöåâòîâ â èõ ïðàêòè÷åñêîé ðàáîòå.

Â äàííîé ãëàâå äàí êðàòêèé îáçîð ôèçè÷åñêèõ ìåòîäîâ, êîòî-

ðûå èñïîëüçóþòñÿ èëè ìîãóò áûòü èñïîëüçîâàíû ïðè èññëåäîâà-

íèÿõ è ïðîèçâîäñòâå â ôàðìàöèè. Ïîêàçàíî, êàêèìè ôèçè÷åñêèìè

ìåòîäàìè âîçìîæíî ðåøèòü íåêîòîðûå èç îñíîâíûõ âîïðîñîâ, ñ êî-

òîðûìè ìîãóò ñòîëêíóòüñÿ âûïóñêíèêè ôàðìàöåâòè÷åñêèõ âóçîâ

â ñâîåé ïðîôåññèîíàëüíîé äåÿòåëüíîñòè. Åñòåñòâåííî, ÷òî ïðî-

ôåññèîíàëüíîå îâëàäåíèå ëþáûì ôèçè÷åñêèì ìåòîäîì èññëåäîâà-

íèÿ òðåáóåò ãëóáîêîãî èçó÷åíèÿ ñïåöèàëüíîé ëèòåðàòóðû è ïðèîá-

ðåòåíèÿ óñòîé÷èâûõ íàâûêîâ ðàáîòû ñ îáîðóäîâàíèåì. Öåëü äàííîé

ãëàâû — ïîêàçàòü âîçìîæíîñòè êàæäîé èç ïðèâåäåííûõ ìåòîäèê

è ôèçè÷åñêèå ïðèíöèïû, ëåæàùèå â åå îñíîâå, à òàêæå ñïîñîáû

ïîëó÷åíèÿ íåîáõîäèìîé èíôîðìàöèè â ïðîöåññå èññëåäîâàíèé.

Â Ïðèëîæåíèè ïðèâåäåíà ñâîäíàÿ òàáëèöà, ïîçâîëÿþùàÿ îïðåäå-

ëèòü ìåòîäû, íåîáõîäèìûå äëÿ ðåøåíèÿ êîíêðåòíûõ ïðèêëàäíûõ

çàäà÷.

§ 18.1. ÑÏÅÊÒÐÀËÜÍÛÉ ÀÍÀËÈÇ. ÑÏÅÊÒÐÎÑÊÎÏÈß

Â ÂÈÄÈÌÎÉ È ÓËÜÒÐÀÔÈÎËÅÒÎÂÎÉ ÎÁËÀÑÒÈ

Ñïåêòðîñêîïèÿ (ñïåêòðàëüíûé àíàëèç) — îáëàñòü ôèçèêè, èñ-

ïîëüçóåìàÿ äëÿ èäåíòèôèêàöèè ñîåäèíåíèé, èññëåäîâàíèÿ ñîñòà-

âà, ñòðîåíèÿ è êîëè÷åñòâåííîãî àíàëèçà èíäèâèäóàëüíûõ âåùåñòâ

è ìíîãîêîìïîíåíòíûõ ñèñòåì.

547

Â îðãàíè÷åñêîé õèìèè èëè áèîõèìèè ïðàêòè÷åñêè íè îäèí

ýêñïåðèìåíò íå îáõîäèòñÿ áåç ïðèìåíåíèÿ ñïåêòðîñêîïè÷åñêèõ

ìåòîäîâ. Îíè øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ äëÿ èäåíòèôèêàöèè ïðîäóê-

òîâ õèìè÷åñêèõ è ôåðìåíòàòèâíûõ ðåàêöèé èëè áîëåå ñëîæíûõ

áèîëîãè÷åñêèõ ïðîöåññîâ îáíàðóæåíèÿ ïðîìåæóòî÷íûõ ñîåäèíå-

íèé (è òåì ñàìûì äëÿ ïîëó÷åíèÿ öåííîé èíôîðìàöèè î ìåõàíèç-

ìàõ ïðåâðàùåíèé), èññëåäîâàíèÿ êèíåòèêè è ñòåðåîõèìèè õèìè-

÷åñêèõ ðåàêöèé, ïðîñòðàíñòâåííîé ñòðóêòóðû è äèíàìèêè ìîëåêóë

è íàäìîëåêóëÿðíûõ ñèñòåì, âûÿñíåíèÿ ñòðîåíèÿ âíîâü âûäåëåí-

íûõ ïðèðîäíûõ ñîåäèíåíèé è ò. ä.

Ñïåêòðîñêîïèÿ â îïòè÷åñêîé îáëàñòè ñïåêòðà (óëüòðàôèîëåòî-

âàÿ, âèäèìàÿ, èíôðàêðàñíàÿ) èñïîëüçóåòñÿ ïðåæäå âñåãî â ñëåäóþ-

ùèõ ñëó÷àÿõ: 1) äëÿ îïðåäåëåíèÿ êîíöåíòðàöèè; 2) èäåíòèôèêà-

öèè âåùåñòâà; 3) îïðåäåëåíèÿ ÷èñëà ÷àñòèö â ðàñòâîðå (íàïðèìåð

ñ ïîìîùüþ èçîáåñòè÷åñêèõ òî÷åê).

Ôèçè÷åñêèå îñíîâû ìåòîäà. Èç êóðñà îáùåé ôèçèêè èçâåñòíî, ÷òî

ëþáîå ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå ñâÿçàíî ñ ïðîöåññàìè, ïðîèñ-

õîäÿùèìè â àòîìàõ èëè ìîëåêóëàõ. Ñïîñîáíîñòü èçëó÷àòü è ïîãëî-

ùàòü ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå ÿâëÿåòñÿ îáùèì ñâîéñòâîì âñåõ

àòîìîâ è ìîëåêóë. Èçëó÷åíèå (ïîãëîùåíèå) âåñüìà èçáèðàòåëüíî,

òî åñòü èçëó÷åíèå òîëüêî îïðåäåëåííîé äëèíû âîëíû äàííîé ìî-

ëåêóëîé èíòåíñèâíî ïîãëîùàåòñÿ, òîãäà êàê èçëó÷åíèå äðóãèõ äëèí

âîëí ïîãëîùàåòñÿ ñëàáî èëè ñîâñåì íå ïîãëîùàåòñÿ. Êðèâàÿ çàâè-

ñèìîñòè ïîãëîùåíèÿ îò äëèíû èçëó÷àåìîé âîëíû (èëè ÷àñòîòû

èçëó÷åíèÿ) íàçûâàåòñÿ ñïåêòðîì ïîãëîùåíèÿ âåùåñòâà, êîòîðûé ÿâ-

ëÿåòñÿ ñïåöèôè÷åñêîé õàðàêòåðèñòèêîé äàííîãî âåùåñòâà.

Â çàâèñèìîñòè îò àãðåãàòíîãî ñîñòîÿíèÿ âåùåñòâà ñïåêòðû ðàç-

äåëÿþòñÿ íà òðè ãðóïïû: ë è í å é ÷ à ò û é (äëÿ ãàçîâ ïðè íèçêèõ

äàâëåíèÿõ, ñîñòîÿùèõ èç îäíîàòîìíûõ ìîëåêóë); ï î ë î ñ à ò û é

(äëÿ ãàçîâ, ïàðîâ, æèäêîñòåé, ñîñòîÿùèõ èç ìíîãîàòîìíûõ ìîëå-

êóë) è ñ ï ë î ø í î é (äëÿ ðàñêàëåííûõ òâåðäûõ è æèäêèõ òåë).

Åñëè ïîãëîòèòåëü — òâåðäîå òåëî (ñòåêëî, ïëàñòìàññû è äðóãîå),

îáëàñòè ïîãëîùåíèÿ øèðîêèå è ãðàíèöà ïîëîñû ïîãëîùåíèÿ, êàê

ïðàâèëî, íå ðåçêàÿ. Äëÿ ìîëåêóëÿðíûõ æèäêîñòåé, ðàñòâîðîâ

è ïàðîâ îáëàñòè ïîãëîùåíèÿ íàáëþäàþòñÿ â âèäå ïîëîñ, êîòîðûå

íåñóò èíôîðìàöèþ î ñòðîåíèè èññëåäóåìûõ âåùåñòâ è èõ êîíöåíò-

ðàöèè. Èçìåíåíèÿ ñïåêòðà ïîçâîëÿþò ñäåëàòü âûâîäû î ïðîèñõî-

äÿùèõ â âåùåñòâå ïðîöåññàõ.

Ïðè èññëåäîâàíèè ëåêàðñòâåííûõ îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé

âàæíîå ìåñòî çàíèìàåò ìîëåêóëÿðíûé ñïåêòðàëüíûé àíàëèç (ÌÑÀ).

Â åãî îñíîâå ëåæèò êà÷åñòâåííîå è êîëè÷åñòâåííîå ñðàâíåíèå ñïåê-

òðà èññëåäóåìîãî îáðàçöà ñî ñïåêòðàìè äðóãèõ âåùåñòâ.

Â ñïåêòðîôîòîìåòðè÷åñêèõ ìåòîäàõ ïðèìåíÿþòñÿ ñ ï å ê ò ð î-

ô î ò î ì å ò ð û — ïðèáîðû, ïîçâîëÿþùèå ïðîâîäèòü àíàëèç êàê

§ 18.1. Ñïåêòðàëüíûé àíàëèç. Âèäèìàÿ è ÓÔ-îáëàñòü

548

îêðàøåííûõ, òàê è áåñöâåòíûõ ñîåäèíåíèé ïî èçáèðàòåëüíîìó

ïîãëîùåíèþ ìîíîõðîìàòè÷åñêîãî èçëó÷åíèÿ â âèäèìîé, óëüòðà-

ôèîëåòîâîé (ÓÔ) è èíôðàêðàñíîé (ÈÊ) îáëàñòÿõ ñïåêòðà.

Äëÿ âîçáóæäåíèÿ ýëåêòðîííûõ ïåðåõîäîâ ìîëåêóë îáû÷íî íå-

îáõîäèìî âèäèìîå èëè óëüòðàôèîëåòîâîå èçëó÷åíèå. Íèçêîýíåð-

ãåòè÷åñêîå èíôðàêðàñíîå èçëó÷åíèå âîçáóæäàåò êîëåáàòåëüíûå

ïåðåõîäû â àòîìíîé ïîäñèñòåìå ìîëåêóë, òîãäà êàê ÷èñòûå âðàùà-

òåëüíûå ïåðåõîäû ïðè âðàùåíèè ìîëåêóëû êàê öåëîãî íàáëþäà-

þòñÿ â åùå ìåíåå ýíåðãåòè÷åñêèõ ìèêðîâîëíîâûõ è ðàäèî÷àñòîò-

íûõ äèàïàçîíàõ.

Òàêèì îáðàçîì, ïðèðîäà ïîëîñ ïîãëîùåíèÿ (ìîëåêóëÿðíûõ

ñïåêòðîâ) â ÓÔ- è âèäèìîé ÷àñòÿõ ñïåêòðà ñâÿçàíà ñ ðàçëè÷íûìè

ýëåêòðîííûìè ïåðåõîäàìè â ïîãëîùàþùèõ ìîëåêóëàõ è èîíàõ

(ýëåêòðîííàÿ ñïåêòðîñêîïèÿ). Â ÈÊ-îáëàñòè îíà ñâÿçàíà ñ êîëåáà-

òåëüíûìè ïåðåõîäàìè â ìîëåêóëàõ (êîëåáàòåëüíàÿ ñïåêòðîñêîïèÿ).

Â ÌÑÀ ðàçëè÷àþò òàêæå ñïåêòðû êîìáèíàöèîííîãî ðàññåÿíèÿ ñâåòà

(ÊÐÑ) è ñïåêòðû ôëóîðåñöåíöèè.

Èñïîëüçóåìàÿ â íàñòîÿùåå âðåìÿ àïïàðàòóðà ïîçâîëÿåò èçìå-

ðÿòü ÓÔ-ñïåêòðû â îáëàñòè îò 190 äî 380 íì, âèäèìûå — îò 380 äî

780 íì, ÈÊ-ñïåêòðû — îò 780 íì äî 1 ìì.

Êîëè÷åñòâåííûé ÌÑÀ, ñâÿçàííûé ñ èçìåðåíèåì ïîãëîùåíèÿ

ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ, îñíîâàí íà çàêîíå Áóãåðà—Ëàìáåð-

òà—Áåðà, óñòàíàâëèâàþùåì ñâÿçü ìåæäó èíòåíñèâíîñòÿìè ïàäàþ-

ùåãî

è ïðîøåäøåãî

÷åðåç âåùåñòâî ñâåòà â çàâèñèìîñòè îò

òîëùèíû l ïîãëîùàþùåãî ñëîÿ è êîíöåíòðàöèè ñ âåùåñòâà.

exp ( )II cl

=−ε

(18.1.1)

èëè

′

−ε

II . (18.1.2)

Ìîëÿðíûé ïîêàçàòåëü ïîãëîùåíèÿ ε (

′

ε= ε0, 43

) ÿâëÿåòñÿ ñïå-

öèôè÷åñêîé ôèçè÷åñêîé êîíñòàíòîé äëÿ êàæäîãî âåùåñòâà è ìî-

æåò áûòü èñïîëüçîâàí â öåëÿõ åãî èäåíòèôèêàöèè. Åãî îïðåäåëå-

íèå ïîçâîëÿåò óñòàíîâèòü ñîäåðæàíèå äàííîãî âåùåñòâà â ðàñòâîðàõ

íåèçâåñòíîé êîíöåíòðàöèè íà îñíîâå èçìåðåíèÿ îïòè÷åñêîé ïëîò-

íîñòè.

Çàêîí Áóãåðà—Ëàìáåðòà—Áåðà ñòðîãî íå âûïîëíÿåòñÿ, åñëè

ïàäàþùåå èçëó÷åíèå íåìîíîõðîìàòè÷íî (êîëîðèìåòðè÷åñêèé è ôî-

òîêîëîðèìåòðè÷åñêèé àíàëèç). Â äàííîì ñëó÷àå ýòîò çàêîí ïðèìå-

íèì ñ áîëüøèì èëè ìåíüøèì ïðèáëèæåíèåì â çàâèñèìîñòè îò

ñòåïåíè ïîñòîÿíñòâà îïòè÷åñêîé ïëîòíîñòè â èññëåäóåìîì èíòåð-

âàëå äëèí âîëí. Îòêëîíåíèÿ îò çàêîíà Áóãåðà—Ëàìáåðòà—Áåðà

íàáëþäàþòñÿ òàêæå â ñëåäóþùèõ ñëó÷àÿõ: 1) åñëè ðàçëè÷íûå ôîð-

ìû ïîãëîùàþùèõ ÷àñòèö íàõîäÿòñÿ â ðàâíîâåñèè, êàê, íàïðèìåð,

Ãëàâà 18. Ôèçè÷åñêèå ìåòîäû àíàëèçà ëåêàðñòâåííûõ ñðåäñòâ

549

â ñëó÷àå òàóòîìåòðèè èëè êèñëîòíî-îñíîâíîãî ðàâíîâåñèÿ; 2) åñëè

ñèñòåìû èìåþò ÿâíî âûðàæåííóþ òåíäåíöèþ ê àññîöèàöèè ìîëå-

êóë ðàñòâîðåííîãî âåùåñòâà ìåæäó ñîáîé, ëèáî ìåæäó ìîëåêóëàìè

ðàñòâîðåííîãî âåùåñòâà è ðàñòâîðèòåëÿ. Âçàèìîäåéñòâèå ðàñòâî-

ðåííîãî âåùåñòâà ñ ðàñòâîðèòåëåì øèðîêî ðàñïðîñòðàíåíî, è åãî

ñëåäû ìîæíî íàáëþäàòü â êàæäîì ñïåêòðå.

Ïîëó÷åíèå ýëåêòðîííûõ ñïåêòðîâ è ïðèíöèïû èõ àíàëèçà. Îñ-

íîâíûìè ÷àñòÿìè îáû÷íîãî ñïåêòðîôîòîìåòðà ÿâëÿþòñÿ: èñòî÷-

íèê ñâåòà, ìîíîõðîìàòîð è äåòåêòîð ïðîøåäøåãî ÷åðåç âåùåñòâî

èçëó÷åíèÿ. Ðàáî÷èé äèàïàçîí áîëüøèíñòâà ñïåêòðîôîòîìåòðîâ

ñîñòàâëÿåò 190…750 íì. Èñòî÷íèêîì èçëó÷åíèÿ ñ λ = 190…450 íì

ñëóæèò äåéòåðèåâàÿ ðàçðÿäíàÿ ëàìïà, èçëó÷åíèå êîòîðîé íåïðå-

ðûâíî â ýòîì äèàïàçîíå, à îñòàëüíóþ ÷àñòü äèàïàçîíà îáåñïå÷èâàåò

ëàìïà íàêàëèâàíèÿ. Äëÿ ðàçëîæåíèÿ èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ â ñïåêòð

èñïîëüçóåòñÿ äèñïåðãèðóþùèé ýëåìåíò. Èç ïîëó÷àþùåãîñÿ ñïåêò-

ðà ñ ïîìîùüþ ùåëè âûáèðàåòñÿ óçêèé èíòåðâàë äëèí âîëí. Òàêîå

èçëó÷åíèå ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ìîíîõðîìàòè÷åñêîå.

Ìîíîõðîìàòè÷åñêèé ñâåò ðàñùåïëÿþò íà äâà ëó÷à, îäèí èç

êîòîðûõ ïðîõîäèò ÷åðåç ÿ÷åéêó (êþâåòó), ñîäåðæàùóþ ðàñòâîð

èçó÷àåìîãî âåùåñòâà, à äðóãîé — ÷åðåç òàêóþ æå ÿ÷åéêó, èìåþ-

ùóþ òîëüêî ðàñòâîðèòåëü. Çàòåì ïðîøåäøèå ÷åðåç îáå ÿ÷åéêè ëó÷è

àâòîìàòè÷åñêè ñðàâíèâàþòñÿ, è ðåçóëüòàòû ñðàâíåíèÿ ðåãèñòðèðó-

þòñÿ ïðè íåïðåðûâíîì èçìåíåíèè äëèíû âîëíû. Â ñîâðåìåííûõ

ïðèáîðàõ èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ I è I

, ïðîøåäøèå ÷åðåç ðà-

ñòâîð è ðàñòâîðèòåëü, èçìåðÿþòñÿ ôîòîýëåêòðè÷åñêè. Êðèâàÿ, âû-

ðàæàþùàÿ çàâèñèìîñòü èíòåíñèâíîñòè ïîãëîùåíèÿ îò äëèíû âîë-

íû èëè ÷àñòîòû, íàçûâàåòñÿ ñïåêòðàëüíîé êðèâîé ïîãëîùåíèÿ, èëè

ñïåêòðîì ïîãëîùåíèÿ. Èçìåðèòåëüíàÿ øêàëà ñïåêòðîôîòîìåòðà

ïðîãðàäóèðîâàíà â ïðîöåíòàõ ïðîïóñêàíèÿ T:

100 %

, (18.1.3)

ãäå I

— èíòåíñèâíîñòü ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ, è â âåëè÷èíàõ îï-

òè÷åñêîé ïëîòíîñòè D :

′

==ε

Dcl

, (18.1.4)

à øêàëà äëèí âîëí èëè âîëíîâûõ ÷èñåë (k = 1/λ) — â íàíîìåòðàõ

èëè â ñì

–1

ñîîòâåòñòâåííî.

Îáû÷íî ýëåêòðîííûé ñïåêòð èçîáðàæàåòñÿ â âèäå ãðàôèêà çà-

âèñèìîñòè D îò λ. Åñëè èçâåñòíà ìîëÿðíàÿ êîíöåíòðàöèÿ, òî ïî

òàêîìó ñïåêòðó íåñëîæíî ðàññ÷èòàòü ìîëÿðíûé êîýôôèöèåíò ïî-

ãëîùåíèÿ ε. ×àñòî ïîñëå ýòîãî ñòðîÿò ãðàôèê çàâèñèìîñòè ε èëè

§ 18.1. Ñïåêòðàëüíûé àíàëèç. Âèäèìàÿ è ÓÔ-îáëàñòü

550

îò äëèíû âîëíû λ. Ãðàôèê ëîãàðèôìè÷åñêîé çàâèñèìîñòè ïðåä-

ñòàâëÿåò îñîáûé èíòåðåñ â òåõ ñëó÷àÿõ, êîãäà â îäíîì ñïåêòðå èìå-

þòñÿ ïîëîñû ðàçëè÷íîé èíòåíñèâíîñòè.

Ýëåêòðîííûå ñïåêòðû ïîãëîùåíèÿ îáû÷íî ñîñòîÿò èç íåñêîëü-

êèõ øèðîêèõ ïîëîñ è íå èìåþò óçêèõ ïèêîâ, ïîñêîëüêó ëþáîé

ýëåêòðîííûé ïåðåõîä ñîïðîâîæäàåòñÿ òåìè èëè èíûìè èçìåíåíè-

ÿìè âî âðàùàòåëüíûõ èëè êîëåáàòåëüíûõ ñîñòîÿíèÿõ ìîëåêóë.

Âàæíåéøåé õàðàêòåðèñòèêîé ïîëîñ ÿâëÿåòñÿ äëèíà âîëíû, ïðè

êîòîðîé íàáëþäàåòñÿ ìàêñèìóì ïîãëîùåíèÿ. Èíîãäà, åñëè ñîñåä-

íèå ïîëîñû ÷àñòè÷íî ïåðåêðûâàþòñÿ, óêàçûâàåòñÿ ìèíèìóì ïî-

ãëîùåíèÿ.

Ðàññìîòðèì èñïîëüçîâàíèå ýëåêòðîííûõ ñïåêòðîâ ïîãëîùåíèÿ

äëÿ ïîëó÷åíèÿ äàííûõ î ñòðóêòóðå ìîëåêóë. Õàðàêòåð ýëåêòðîí-

íûõ ñïåêòðîâ ìîëåêóë îðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ îáóñëîâëåí òðåìÿ

îñíîâíûìè ñòðóêòóðíûìè ýëåìåíòàìè: ñâÿçûâàþùèìè σ- è π-îð-

áèòàëÿìè, ðàçðûõëÿþùèìè σ

- è π

-îðáèòàëÿìè (âîçáóæäåííîå ñî-

ñòîÿíèå) è íåñâÿçûâàþùèìè îðáèòàëÿìè íåïîäåëåííûõ ïàð ýëåê-

òðîíîâ ãåòåðîàòîìîâ, èëè n-îðáèòàëÿìè, êîòîðûå ïî îïðåäåëåíèþ

íå èìåþò ñîîòâåòñòâóþùåãî âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ (ðèñ. 18.1.1).

Íà ðèñóíêå ñõåìàòè÷åñêè ïðåäñòàâëåíû îòíîñèòåëüíûå ýíåðãèè

ýòèõ ýëåêòðîííûõ ñîñòîÿíèé ñ âîçìîæíûìè ýíåðãåòè÷åñêèìè ïå-

ðåõîäàìè ïðè âîçáóæäåíèè ìîëåêóëû êâàíòàìè èçëó÷åíèÿ â ÓÔ-

äèàïàçîíå. Ñîåäèíåíèÿ, ñîäåðæàùèå òîëüêî îäèíàðíûå ñâÿçè,

ïîãëîùàþò â îáëàñòè äëèí âîëí ìåíåå 190 íì; ïðîñòûå ñîåäèíå-

íèÿ ñ êðàòíûìè ñâÿçÿìè — íèæå 240 íì; ïðîñòûå ñîåäèíåíèÿ ñî

Ýíåðãèÿ

Ðàçðûõëÿþùèå

è p

îðáèòàëè

s *

p *

Íåñâÿçûâàþùèå

n-îðáèòàëè

Ñâÿçûâàþùèå

s - è p-îðáèòàëè

Ðèñ. 18.1.1. Ìîëåêóëÿðíûå îðáèòàëè è âîçìîæíûå ýíåðãåòè÷åñêèå ïåðåõîäû ìåæ-

äó íèìè:

à è à' — îäèíàðíàÿ ñâÿçü ýëåêòðîíîâ â ìîëåêóëå; á è á' — êðàòíàÿ ñâÿçü; â — íåñâÿçûâàþùèå

n-ýëåêòðîíû íåïîäåëåííûõ ïàð ãåòåðîàòîìîâ

Ãëàâà 18. Ôèçè÷åñêèå ìåòîäû àíàëèçà ëåêàðñòâåííûõ ñðåäñòâ