Хемилюминесценция

ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ.

Химиялық реакция нәтижесінде  пайда болатын суық жарықты хемолюминесценция  дейді. Осындай жарықталынудың болуы  химиялық рекцияға қатынасатын кейбір заттардың электрондық – қозған күйге өтуінен болады.

Мысалы: А + В → Р* + басқа заттар;

                Р*→ Р → ћ ν (хемилюминисценция).

Химиялық реакциялар шексіз көп, бірақ солардың ішінде кейбіреулері ғана көрінетін жарық немесе ультракүлгін сәуле шығарады. Мысалы, биолюминесценция – кейбір бактериялардың, құрттардың,балықтардың және т.б.биологиялық заттардың қарапайым көзге көрінетін люминесценттік жарық шығаруын айтады.

Хемилюминесценция , әдетте, органикалық қосылыстардың тотығу процесімен қатар жүреді. Липидтердің  пероксидті тотығуы тіндердің, гомогенаттардың, қанықпаған майлы қышқылдар суспензияларының өте әлсіз жарық шығаруымен қатар  жүреді.

Физикалық фактордың әсерінен пайда болған бос радикалдардың  хемилюминесценциясы мынандай түрлерге бөлінеді: радиохемилюминесценция (иондағыш сәуленің әсерінен); фотохемилюминесценция (көрінетін жарық немесе ультракүлгін сәуле әсерінен); электрохемилюминесценция (ерітіндіден электр тогын өткізгенде, сонолюминесценция (ультрадыбыстың әсерінен); триболюминесценция (ерітінділер қозғанда) және т.б.

Қатты фазадағы затқа жарық  түскенде бос радикалдардың қозғалғыштығы  кенет шектеледі. Егер осы заттың температурасы артса немесе олардың  тығыздығы азайса, онда олардың реакцияға  түсуі және хемилюминесценцияның белсенді фазасына өтуі артады. Осындай жарық  шығаруды термолюминесценция дейді.

Хемилюминесценцияны қадағалау – люминесценттік жарық шығаратын химиялық реакцияның өту процесін бақылауға мүмкіншілік береді. Бос радикалдарды тіркеу үшін де хемилюминесценцияның маңызы аса зор. Адам қанының плазмасынан екі валентті темір иондарын шығарғандағы хемилюминесценцияның графигі. Темір иондары липидтердің пероксидті тотығуын күшейтеді. Хемилюминесценция кванттары пероксидті бос радикалдардың (қалың нүктемен белгіленген) әсерінен триплетті қозған кетондардың әсерінен болады:

ROO•+ROO•+H⁺→RO^*+ROH+O₂;

RO^*→RO+ћν.

Фагоцидті қан жасушаларына өндіріс шаңдары, газдар және т.б. жеңіл  заттар араласқанда хемилюминесцинцияның спектрі өзгереді. Соған қарап  шаңның тегін анықтауға болады. Улы  газдар супероксидті O₂^• және гидроксилді ^•OH радикалдарын және оттегінің басқадай формаларын тудырып, ұлпаның ферментативтік жүйесін арттырады. Мысалы жүректің ишемиялық науқасында, миокарда инфарктісінде ұлпалардың фагоциттік белсенділігі кенет өзгереді. Осы өзгеріс диагностикалық тәсіл ретінде қолданылады.

 

ФОТОБИОЛОГИЯЛЫҚ ПРОЦЕСТЕР

 

Фотобиологиялық процестердің биофизикалық негізін зерттеу кванттық биофизиканың басты бөлімі. Биологиялық маңызды  молекулалардың жарық кванттарын жұтуынан бастап, ағза деңгейінде физиологиялық реакциямен аяқталатын процестерді фотобиологиялық процестер дейді. Оған мыналар жатады:

• Фотосинтез – Күн сәулесі әсер еткен кездегі органикалық молекулалардың синтезі.
• Фототаксис – организмдердің қозғалысы, мысалы бактериялардың жарыққа қарай, не одан кері қарай қозғалысы.
• Фототропизм – өсімдіктердің жапырақтарынан немесе сабағының жарыққа қарай немесе кері қарай бұрылуы.
• Көру – жарық энергиясының көз торында нерв импульсінің энергиясына түрленуі.
• Ультракүлгін сәуленің әсері (микроорганизмдердегі бактерияларды өлтіру немесе оларды тұрақтандыру, провиаминдерден Д витаминін түзу, адам терісіне эритемалық әсер, терапевтік эффект және т.б).

Фотобиологиялық процестер көп сатылы болады. Олардың әрқайсысы жарық квантын жұту процесінен бастап ағзада өтетін күрделі физиологиялық реакциялармен аяқталатын көптеген топтардан тұрады. Шартты түрде фотобиологиялық процесстердің өту сатысын мына топтарға бөлуге болады:

1)жарық квантының жұтылуы; 2)молекулалар ішінде өзара энергиямен  алмасуы;3) қозған молекулалар арасында  энергия тасымалдануы; 4) алғашқы  фотохимиялық акт; 5) тұрақты өнімдер  түзетін қараңғылық реакциялары; 6) фотоөнім түзетін биохимиялық  реакциялар; 7) жарықтың әсеріне жалпы  физиологиялық жауап.

Бастапқы үш фотохимиялық процесс фотохимия және люминесценция  процестері үшін бірдей. Алғашқы фотохимиялық акт – молекуланың төменгі  синглетті S, немесе қозған күйдегі триплетті Т, әсерлеуінен туындайтын процесс.

Кванттық шығым S-ол қозған молекулалар санының жұтылған кванттар санына қатынасы. Фотохимиялық реакцияның алғашқы сатысындағы кванттың шығым деп фотохимиялық процеске қатынасатын қозған молекулалар санының жалпы молекулалар санына қатынасын айтады:

^* Р (реакция өнімі)

                                           ^* А

Ф = dP\dA^*=k₁\ (k₁+k₂).

Мұндағы k₁ және k₂ тәжірибенің тұрақтылары.

Қалыпты жағдайда кванттың шығымды объектіге объектіге  интенсивтілігі J (эйнштейн/с) монохромат жарықпен Δt уақыт аралығында әсер еткенде  бастапқы заттың азаюын (ΔА) немесе реакция  өнімінің жинақталуын (ΔР) өлшеу арқылы анықтауға болады:

Ф=-ΔА/[I_t (1-T)].

Мұндағы (1-T) – жұтылу коэффициенті; I_t – сәулендіру дозасы. Кванттық шығымды (Ф) анықтау – ол тәжірибенің шартына байланысты. Мысалы, реакция өнімдерінде немесе бөгде заттарда әсер етуші жарықтың жұтылуы кванттық шығымды (Ф) азайтады.

Пайда болған алғашқы радикалдардың  әсерінен тізбекті реакцияның өсуі кванттық шығымды өсіреді. Алғашқы реакцияның кванттық шығымын 1- формуламен анықтып, фотохимиялық процестерді түсіндіруге  болады.

 

 

Фотобиологиялық әсер спектрі

 

Келіп түскен сәулені жұтып, соның нәтижесінде бастапқы фотобиологиялық  процесі қатынасатын затты анықтау  фотобиологиялық процестерді зерттеудің басты мәселесі. Ол үшін фотохимиялық әсерді анықтап, оны рекцияға қатынасатын  заттарда жарықтың жұтылу спектрімен салыстырады. Бұл реакция бір  бағытта және өте қысқа уақытта  өтеді: жұтылған жарық кванттың әсерінен молекула өзгермейді немесе толығымен  белсенділігі артады. Белсенділігінің  арту ықтималдығын оның кванттық шығымы Ф деп атайды.

Рсы процестің гинетикасын  қарастырайық. Қалыңдығы l=1см астаушыға 1см ³ көлемде таралымы n молекулалары бар ферменттің ерітіндісі құйылсын. S (см²) – ферменттің квантты жұту көлденең қимасы; I₀ (см^-2 ·см^-1) секундына 1см ² ауданға келетін квант санымен өлшенетін ертіндіге түскен жарық сәулесінің интенсивтілігі және Iерітіндіден өткен сәуленің интенсивтілігі болсын.

Ерітінді әр секундта мынандай:

ΔI= (I₀-I) см^-2·с^-1

Жарықтың интенсивтлігін жұтады. Сонда ерітіндінің 1см²ауданында секунд сайын белсенділігі артатын молекулалар саны мынаған тең болады:

• =Ф (I₀-I).

Мұндағы Ф – фотохимиялық реакциясының кванттық шығымы.

I₀, I,S және l Бугер-Бер-Ламберт (3) заңына сәйкес бір-бірімен байланыстағы шамалар Бугер-Бер-Ламберт заңы бойынша кез келген ортада жарық жұтылса, онда ол жарықты өткізу  (Т = I/_Iо) коэффициентімен сипатталады.

Сонда:                              T=I/I=e^-Snl.

Мұндағы: n – жарықты жұтатын  молекулалардың таралымы (см³) Бугер-Бер-Ламберт заңынан (3) және (2) теңдеулерден мынаны табамыз:

 

-l =ФI₀ (l-e^-Snl)

Ерітінділер үшін Snl<0,l олай болса, (4) теңдеудегі жақша ішіндегі шама

( 1- e^-Snl) = Snl.

Егер l=1см болса, онда

• =ФI₀Sn.

Осы шаманы интегралдап мынаны табамыз:

ln =I₀tSФ=Д σ.

Мұнда Д=I_оt – сәулендіру дозасы; σ=SФ – ферменттің сәулемен әсерленетін көлденең қимасының ауданы ln(n_о/n_t)=f (Д) тәуелділігінің салу арқылы σ-ны табуға  болады. Егер n_о/n_t = e, ln =l болса, онда σ –ны белсенділікті арттыратын дозаның қисығы арқылы табуға болады

σ = l/Д _37%

Мұндағы: Д _37% - молекулалардың 37% әсерлеспей қалған сәулендіру дозасы.

Әр молеуланың жарықты  жұту мүмкіншілікті басқа молекулалар  әсерінен азаюы мүмкін. Себебі жарықтың таралу жолындағы алғашқы молекулалар  жарықты көп жұтып, кейінгі қабаттағы  молекулаларға «көлеңке» түсіруі  мүмкін. Сондықтан жарықтың жұтылуы  барлық молекулаларда біртекті болуы  үшін ерітіндіні үнемі араласытырып отыру керек. Оптикалық тығыздығы (Д) өзгермейтін күрделі ертітінділер үшін (2) формуланы былай жазуға болады:

• =Фl₀ (1-Т)

 

Жарықтың белгілі бір  толқын ұзындығында үлгінің оптикалық  тығыздығын және көлеңкелеу коэффициентін (К-ны) табу арқылы σ –ны табуға болады.

Фотохимияда әсерлік спектрі деп σ – ферменттің белсенділігін арттыратын көлденең қимасының жарықтың толқын ұзындығына тәуелділігін айтады.

Ертіндідегі органикалық  молекулалардың фотохимиялық реакцияның кванттық шығымы әсер етуші жарықтың толқын ұзындыңына тәуелді емес. Олай болса жекеленген зат үшін әсерлік  спектрінің пішіні жұтылу спектрімен S(λ) сәйкес келеді. Ерітіндідегі әсерлік  спектрді дозалық қисық арқылы анықтап,одан кейін жарықтың жұтылу спектрі бойынша  ерітіндідегі заттың құрамын анықтауға  болады. Фотобиологиядағы әсерлік спектрді тіркеудің  басты мағынасы осында.