CC BY
9
УДК 621.378.9
ГЕНЕРАЦИЯ ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПЛЕНОК ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ШИРОКОПОЛОСНОЙ
ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКИ
Е. Л. Терпугов1'2, О. В. Дегтярева2, А. Г. Гагаринов2, В. В. Савранский1
В тонких пленках наблюдали генерацию инфракрасного излучения в средней ИК-области спектра между 400 и 4000 см~г при использовании широкополосного источника видимого света мощностью 100 Вт. Обнаружено, что интенсивность спектральных полос имеет нелинейную зависимость от мощности возбуждающего света. Полученный эффект обсуждается с позиции превалирующего действия комбинированного оптического излучения.
Ключевые слова: стимулированное ИК-излучение, нелинейные эффекты, ИК-Фурье спектроскопия.
В 1997 г. впервые было экспериментально зарегистрировано ИК-излучение от молекулы бактериородопсина в виде дискретного спектра в среднем ИК-диапазоне при использовании широкополосного источника видимого света умеренной мощности [1]. Затем было обнаружено, что интенсивности спектральных линий в ИК-спектрах эмиссии бактериородопсина нелинейно зависят от мощности, что было приписано обратным фотохимическим реакциям, которые могут иметь место в этом фотохромном белке при данных условиях освещения [2]. Дальнейшие исследования на разнообразных образцах с широкой вариацией условий возбуждения показали, что обнаруженный феномен отличается от того, что наблюдается при термальной эмиссии или при поглощении энергии (первичном поглощении и последующем ее излучении в виде спонтанного процесса
1 Центр естественно-научных исследований Института общей физики им. A.M. Прохорова РАН, 117942 Москва, ул. Вавилова, 38 корп. А-2.
2Институт биофизики клетки РАН, 142290 г. Пущино Московской области, ул. Институтская, 3.
1У-1 /1 ГУУ1 (VШ Л ЛЛ л/члп ЙИ/Л1 /Т <Г» Л 7/Г /1 /Т
Л^/Ы/ИЫЫИ/ ^/и/^и/гьи Т ЖЛ- 1 А- -А- Л
■иг. ие>п /9 2 -------^ ----г с.
инфракрасной флуоресценции) [3]. Во-первых, наблюдаемая ИК-эмиссия всегда характеризуется дискретным распределением в виде набора отдельных линий в спектре; во-вторых, испускание инфракрасного излучения в данных экспериментальных условиях представляет собой неравновесный процесс [4]. В-третьих, зависимость от спектрального состава действующего света проявляется весьма своеобразно, например, при возбуждении монохроматическим видимым светом генерацию ИК-излучения не удается зарегистрировать даже с использованием более мощного лазерного излучения. Было высказано предположение и получены первые свидетельства о том, что ИК-эмиссия может быть обусловлена комбинированным действием на исследуемый объект различных частот широкого спектра оптического излучения.
Настоящая работа посвящена изучению закономерностей генерации ИК-излучения в зависимости от мощности действующего света на примере аминокислотной пленки лизина. Предпринята попытка объяснить полученные данные на основе представлений о нелинейных оптических процессах.
Рис. 1. Схема установки, используемой для возбуждения эмиссии: 1 - ксеноновая лампа (100 Вт), 2 - короткофокусная стеклянная линза, 3 - широкополосные стеклянные фильтры, 4 ~ сферическое зеркало, 5 - образец: пленка лизиновой аминокислоты, 6 - интерферометр Майкельсона, 7 - диафрагма.
рая была детально описана ранее [3]. В качестве источника видимого излучения света была взята ксеноновая лампа мощностью 100 Вт.
6
_______ m л/1/i / „
П/lSitnistS L , I/ \J jj C-.
Для наблюдения влияния спектрального состава и мощности падающего излучения в качестве образца использовали пленку лизиновой аминокислоты (Sigma), высаженной тонким слоем из концентрированного водного раствора на подложку из кремния.
Инфракрасное излучение регистрировали с помощью отечественного повышенной чувствительности ИК-Фурье спектрофотометра ФС-02 с низкотемпературными (ртуть-кадмий-теллур) приемниками, специально приспособленного к регистрации эмиссии. ИК-Фурье спектры эмиссии лизина записывали в диапазоне от 400 до 4000 см~х со спектральным разрешением 4 см~х. Накопление и усреднение сигнала проводили по 400 сканам.
Все эксперименты проводили при комнатной температуре.
1500 1000
Wavenumber, спг1
aim
^>-4000 Д '1400 ^
1800 ^1
Рис. 2. а - ИК-спектры излучения лизина представлены в области между 500 и 2000 см~\ Спектры записаны на ИК-Фурье спектрометре ФС-02 при спектральном разрешении 4 см-1 с усреднением по 400 сканам. Образец освещали участком видимого света между 610 и 750 нм (красный полосовой фильтр) при разной апертуре ирисовой диафрагмы: (а) - диаметр ирисовой диафрагмы равен 12 мм, мощность действующего света равна 73 мВт/мм2 (кривая 1); (б) - диаметр диафрагмы - 20 мм, мощность действующего света -185 мВт/мм2 (кривая 2); (в) - диаметр диафрагмы - 25 мм, мощность действующего света равна 270 мВт/мм2 (кривая 3); (г) - диаметр диафрагмы - 29 мм, мощность действующего света 340 мВт/мм2 (кривая 4)> б - трехмерное изображение спектров ИК-излучения лизина в зависимости от мощности и размера ирисовой диафрагмы.
Результаты и обсуждение. На рис. 2 представлены спектры ИК-эмиссии лизина в диапазоне от 500 до 2000 см~л в зависимости от мощности падающего свеча, которую варьировали с помощью ирисовой диафрагмы, установленной на кожухе ксеноно-вой лампы. Образец освещали участком видимого света от 610 до 750 сж-1, используя
стеклянный окрашенный фильтр. Для наглядности спектры представлены в пространственном и двухмерном изображении при 4-х значениях размера диаметра раскрытой диафрагмы: 12, 20, 25 и 29 мм. Из рис. 2 можно видеть, что повышение мощности зондирующего излучения за счет изменения размера диафрагмы сопровождается, в целом, немонотонным ростом интенсивности ИК-эмиссии, причем возрастание интенсивности происходит неравномерно по всему спектру. Наряду с этим в спектрах происходят качественные изменения (рис. 2а и б). Например, спектр, записанный при самом малом раскрытии диафрагмы и, соответственно, при самой малой мощности действующего света (73 мВт/мм2) (кривая 1), демонстрирует не только меньшую интенсивность всех полос, но значительно меньший их набор. Эти полосы группируются, в основном, в узком интервале между 700 и 900 см~г. Среди них наблюдается только одна сильная полоса с максимумом при 779 см~1, которая в дальнейшем остается наиболее интенсивной узкой линией во всех представленных спектрах. На рис. 2 (кривая 2) можно видеть изменения, которые произошли с увеличением мощности приблизительно в 2.5 раза (этот спектр записан при мощности 185 мВт/мм2). Из рисунка видно, что резкое (почти в 2.5 раза) увеличение интенсивности произошло у самой сильной и других менее интенсивных полос, так что в этом спектре наблюдается не одна, а несколько достаточно интенсивных линий, например, при 761, 788, 864 и 1003 см~1. Наряду с этим в спектре можно видеть много новых, достаточно четких спектральных линий, которые локализованы в высокочастотной области спектра в интервале между 1000 и 1600 см~'. например, полосы, максимумы которых расположены при 1003, 1136 и 1583 см~г. Самая высокочастотная линия в этом спектре более наглядно проявляется в трехмерном изображении (рис. 2а). Заметим, что в низкочастотной области спектра ниже 650 см~1 не наблюдается практически никаких изменений. Спектр (кривая 3), представленный на рис. 2, записан при мощности падающего света 270 мВт/мм2. В отличие от предыдущего случая мощность действующего света увеличилась всего в ~ 1.5 раза. Однако это привело к более сильному возрастанию интенсивности почти всех полос в спектре. Хотя, как и в предыдущем спектре, это возрастание было неравномерным по всему спектру. Так, в два раза увеличилась интенсивность наиболее сильной полосы при 792 сми соседних с ней полос при 761 и 864 с-и-1, а в 2,5 и 3 раза увеличилась интенсивность высокочастотных полос при 1136 и 1003 см'1, соответственно, в то время как интенсивность низкочастотных полос в области ниже 650 см'1 практически не изменилась. Также как и в предыдущем, в этом спектре можно видеть дополнительные полосы, например, с положением максимумов при 1187, 1328 (дублет) и 1400 см-1, так что общее
номер 12, 2004 г-_Краткие сообщения по физике ФИ АН
число наблюдаемых полос увеличилось. Также увеличилось число интенсивных линий, например, это полосы с положением максимумов при 761, 792, 864, 912, 1003, 1136, 1187, 1328 см'1.
На рис. 2 кривая 4 представляет спектр, записанный при мощности 340 мВт/мм2. В этот раз мощность действующего света увеличилась приблизительно во столько же раз, что и в предыдущем случае (в ~ 1.3 раза), что, однако, не вызвало аналогичных изменений. Как видно, в данном случае наибольшее увеличение интенсивности составило величину ~ 1.7 раз и наблюдается только у нескольких полос, расположенных в высокочастотной области спектра, например, при 1103, 1136, 1187 и 1328 см'1. Интенсивность наиболее сильной полосы и соседних с ней высокочастотных полос изменилась менее, чем в 1.2 раза, тогда как интенсивность низкочастотной полосы при 761 см'1 не изменилась, а интенсивность других полос, расположенных между 760 и 650 см'1, даже слегка уменьшилась. Также следует отметить, что у наиболее сильной полосы наблюдается сдвиг положения ее максимума в высокочастотную область на ~ 7 см'1.
Таким образом, из представленного следует, что увеличение мощности действующего света приводит к немонотонному росту интенсивностей полос во всех изображенных на рис. 2 спектрах ИК-излучения лизина.
Что же характеризует эти спектры? Детальный анализ показал, что при малой мощности действующего света в спектрах отсутствуют высокочастотные полосы, а в низкочастотной области наблюдается их ограниченное число, которое располагается, в основном, в узком частотном интервале. С увеличением мощности возбуждающего света наибольшие изменения происходят в высокочастотной области спектра - увеличивается как число новых линий, так и их интенсивность. Такое поведение не объяснимо с точки зрения линейной спектроскопии, за счет общего изменения интенсивности воз буждающего света. Однако этому найдено свое объяснение, которое будет представлено несколько позже.
Прежде рассмотрим данные еще одного эксперимента, в котором мы варьировали мощность и, одновременно, спектральный состав действующего света.
На рис. 3 представлены результаты двух вариаций условий возбуждения. Спектр (1) записан при мощности действующего света 125 мВт/мм2 и использовании стеклянного окрашенного фильтра, который выделяет "синюю" область между 340 и 460 нм. Другой спектр (2) записан при освещении участком видимого "красного" света между 530 и 750 нм при мощности 210 мВт/мм2. Как видно из рисунка, в этом случае, в отличие от рассмотренного выше, увеличение мощности действующего света в ~ 1.7 раза не вы-
2000 1500 1000 500
\Vavenumber, сш"1
Рис. 3. Колебательные ИК-спектры излучения лизина в области между 500 и 2000 см~1 Спектры записаны с помощью И К-Фурье спектрометра ФС-02 при спектральном разрешении 4 смс усреднением по 400 сканам. Образец освещали с использованием стеклянных фильтров, выделяющих интервал: (а) - между 340 и 460 нм, при мощности 125 мВт/мм2 (кривая1); (б) - между 530 и 750 нм при мощности 210 мВт/мм2 (кривая 2).
звало соответствующего изменения интенсивностей всех полос в наблюдаемом спектре ИК-испускания образца. В этом случае кратное увеличение интенсивности наблюдалось лишь у одной, наиболее сильной полосы, максимум которой сместился от 779 к 784 см*1. Интенсивность других полос или не изменилась, или слегка уменьшилась, и в целом отношение интенсивностей одинаковых по своему положению полос (за исключением упомянутой выше) в этих двух спектрах осталось неизменным и составило величину ~ 1.0.
Таким образом, воздействие меньшего по интенсивности "синего" света вызвало эффект, сопоставимый по тому, что инициировал более интенсивный "красный" свет. Следовательно, наблюдаемая в данном случае генерация ИК-излучения зависит в большей степени от частоты, чем от мощности. Это станет более очевидным, если в обоих спектрах интенсивности полос нормировать на мощность действующего света. В этом случае получается, что нормированная величина интенсивностей полос для спектра, записанного при мощности 125 мВт/мм2 (кривая 1), почти в два раза больше, чем
„,„...-.„, 14) 19ПП / ~ ТУ___________- -_______г АГ/1 Г7
iivmofi , o. Jl UUillMlC L.UUIJ ЩСН11. И lilt ППМ ПКГ. П/Л П
для спектра, записанного при мощности 210 мВт/мм2 (кривая 2). Такая разница при освещении разными участками видимого света, которые мы условно определили как "синий" и "красный", может быть результатом разной эффективности синего и красного действующего света в заселении возбужденных колебательных подуровней, по аналогии с комбинационным (стоксовым) рассеянием света [5, 6].
Следовательно, рассматриваемый оптический эффект включает в себя обычный процесс комбинационного рассеяния (КР) света с большим числом промежуточных квантовых состояний, что также означает, что в процессе генерации ИК-излучения участвуют комбинационно-активные переходы, заселение которых происходит в соответствии с правилами отбора, справедливыми для КР. В соответствии с теорией КР (см., напри мер, [5 - 7]) суммарная интенсивность рассеянного света I
I ~ /о * w4
пропорциональна произведению интенсивности возбуждающего света на его частоту ш в 4-й степени.
Следует заметить, что рассматривая эту теорию, мы имеем в виду прежде всего то, что при стоксовом КР заселение горячих колебательных состояний происходит через виртуальные уровни, расположенные ниже первого возбужденного электронного уровня S1. При этом полагаем, что рассеяние света происходит с рождением ИК-квантов, которые в наших экспериментальных условиях, потенциально, могут быть источником наблюдаемого ИК-излучения. Тогда в нулевом приближении соотношение, приведенное для интенсивности рассеянного света, должно соблюдаться для интенсивности испускаемого ИК-излучения. Сопоставим отношение интенсивностей 1С и 1К при возбуждении синим и красным светом, которые определили как среднее для всех наблюдаемых ли ний в двух спектрах (рис. 3), с отношением расчетных интенсивностей Д и /г, которые определили по формуле, приведенной выше:
h = a h = Р*ш4к,
где Рс и Рк - мощности падающего излучения при синей и красной подсветке, соответственно, а а>с (шс = 7673) и шк (и>к = 5898) - значение частоты середины соответствующих интервалов между 340 - 460 им и между 530 и 750 им, в см"1. В результате
______ ___ _^ Т I Т т It / т I т л т/г - п\
получаем равную величину оiношении 1i/12 и 1 с/1 к у1 с/1 к =~ 1, тогда как 11/12 -> Аналогичный результат получается, если в расчетной формуле вместо значения интенсивности действующего света взять его квадрат. Однако, если в последнем случае
вместо среднего значения ш взять величину спектрального интервала До> (в см~1), то между экспериментально определенными интенсивностями и их расчетными значениями наблюдается полное соответствие. Таким образом, получается, что интенсивность испускаемого ИК-излучения пропорциональна /д и (До;)4 возбуждающего света:
/ ~ 1д(Лш)4.
Из этого следует, что рассматриваемый оптический эффект при отсутствии поглощения в образце включает в себя не только обычное спонтанное КР. Из-за смешения электромагнитных полей в плоскости образца определенный вклад дают нелинейные оптические эффекты, обусловленные резонансным взаимодействием комбинационного типа [8, 9], на что указывает квадратичная зависимость от мощности.
Рис. 4. Векторное представление падающих лучей при разных диаметрах ирисовой диафрагмы. Кх, К2 ~ "длинный" и "короткий" вектора, АК - набор их разностей.
С позиции резонансного взаимодействия двух волн с частотами и в плоскости образца, когда последний имеет резонанс комбинационного типа на частоте П = ыг — и>2, где П - частота собственной колебательной моды, рассмотрим результаты эксперимента, описанного в самом начале. В данном случае логично дать геометрическое объяснение, как, например, представлено на рис. 4, на котором изображен векторный ход лучей в падающем световом пучке при разном раскрытии диафрагмы. Видно, что изменяя
.. „ ____1 /П fitfI / _ TS ^ г л тг л тт
пим,с¡j it,, ¿ии^ _лратпкие сооощения по физике талп
размер диафрагмы, мы одновременно изменяем угол фокусировки падающего на образец света. Это, в свою очередь, приводит к изменению модуля векторной разности ДА' длинного К\ и короткого векторов, которые нарисованы с реальным соотношением длин волновых векторов на границах интервала между 610 и 750 см-1 (они различаются ~ 1.23 раза), а также к изменению числа возможных комбинаций, определяющих эту разность. Из этого рисунка следует, что при небольшом раскрытии диафрагмы результирующая разность АК всегда имеет небольшую длину, какими бы комбинациями векторной разности она не определялась. А поскольку длина этого вектора определяет прежде всего частоту возбуждаемого им колебания, то в этом случае становится понятным наличие в спектре только низкочастотных полос, их ограниченное число и малая интенсивность. По мере раскрытия диафрагмы увеличивается диаметр пучка и угол фокусировки действующего света. Соответственно, увеличивается как длина результирующего вектора (что проявляется в наличии высокочастотных полос), так и число комбинаций, задающих эту разность (что проявляется в общем росте интенсивности полос). Из этого рисунка становится также очевидным отсутствие заметных изменений ниже определенной частоты в низкочастотной области спектра.
Таким образом, наблюдаемый эффект генерации ИК-излучения под действием оптического излучения в большей степени обусловлен резонансным взаимодействием комбинационного типа, что подтверждает высказанное ранее предположение о комбиш; рованном действии световых полей [4]. Очевидно, что обнаруженный эффект намного сложнее, однако полное обсуждение его выходит за рамки данной статьи.
Заключение. В настоящей работе представлено экспериментальное подтверждение существования резонансного взаимодействия комбинационного типа при освещении образца низкоинтенсивным видимым светом от широкополосного источника и обусловленного им эффекта генерации ИК-излучения тонкой пленки лизиновой аминокислоты в широком диапазоне средней ИК-области спектра.
Обнаруженный нами эффект, как представляется, полезен с точки зрения расширения возможностей получения генерации ИК-излучения. Прежде всего, он позволяет создавать и изучать возбужденные колебательные состояния, а также управлять ими, что актуально в фотохимии, биофизике, квантовой электронике.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Т е г р u g о v Е. L., Degtyareva О. V. 11th International Conference on Fourier Transform Infrared Spectroscopy (Athens, USA, 1997).
С1 Г гТ\ ТЖ Л ТТ 4 Л ЛЛ/1 J
¿краткие ссоощекия ПО физике УЦ/IU_иимг.р щ. ¿иил
[2] Terpugov Е. L., Degtyareva О. V. J. Mol. Struct., 565-566, 289 (2001). [3j Terpugov Е. L., Degtyareva О. V. Proceed. SPIE, 4129, 97 (2000).
[4] T e p п у г о в Е. JL, Дегтярева О. В. Письма в ЖЭТФ, 73, 320 (2001).
[5] С у щ и н с к и й М. М. Комбинационное рассеяние света и строение вещества. М., Наука, 1981.
[6] Т a n g J., А 1 b г е с h t А. С. In: Raman Spectroscopy Theory and Practice (N.Y., Plenum Press, 1970), p. 33.
[7] Ш о p ы г и н П. П., Овандер JI. Н. В сб.: Современные проблемы спектроскопии комбинационного рассеяния света. М., Наука, 1978.
[8] А х м а н о в С. А., Коротеев Н. И. Методы нелинейной оптики и спектроскопии рассеяния света. М., Наука, 1981.
[9] К о р о т е е в Н. И., Ш у м а й И. JI. Физика мощного лазерного излучения. М., Наука, 1991.
Институт общей физики
им. А. М. Прохорова РАН Поступила в редакцию 14 июля 2004 г.
