Затухание и деполяризация флуоресценции в квазиупорядоченных средах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. П. Н. ЛЕБЕДЕВА

Г, Г Ч Г' ' На правая рукописи

ТОПТЫГИН ДМИТРИЙ ДМИТРИЕВИЧ

УДК 636.371

ЗАТУХАНИЕ И ДЕПОЛЯРИЗАЦИЯ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ В КВАЗИУПОРЯДОЧЕННЫХ СРЕДАХ

01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва, 1994.

Работа выполнена з отделе люминесценции Физического Института им. П.Н.Лебедева Российской Академии Наук, в Карловом Университете, г. Прага, и в Университете Джонса Хопкинса, г. Балтимор.

Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор Э. А. Саирадениов, профессор биологии, профессор биофизики Л. Брэнд.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук В. В. Михашмн, ' кандидат физико-математических наук В. А. Петухов.

Ведущая организация - Институт Спектроскопии АН России.

Защита диссертации состоится ялрАа 1994 г. в часов на заседании специализированного совета К002.39.01 по присуждению учёной степени кандидата физико-математических наук в Физическом институте им. П.Н.Лебедева РАН по адресу: 117924, ГСП, Москва, Ленинский лр„ дом 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического института . им. П.Н.Лебедева РАН.

Автореферат разослан •19 1994 г.

Учёный секретарь специализированного совета, кандидат физико-математических наук

В. А. Чуемо»

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Измерения флуоресценции в поляризованном свете являются основным инструментом для исследования ориентационного порядка з квазиупорядоченных средах, таких как жидкие кристаллы и липидные мембраны. Опубликовано более тысячи работ, оснооанных на измерении поляризованной флуоресценции только в липидгных мембранах. Теория вращательной деполяризации флуоресценции, лежащая в ссноое определения ориентационного порядка', основана на предположении о том, что константа радиационного затухания флуоресценции, или, иными словами, йероятность спонтанного излучения, не зависит от ориентации флуоресцентной молекулы. Независимость вероятности излучения от ориентации дс ¿ствительно имеет место в изотропных средау, однако жидкие кристаллы и липидные мембраны таковыми не являются. Вопрос о влиянии ориентационной зависимости вероятности излучения на законы затухания и деполяризации флуоресценции о квазиупорядоченных средах является столь же актуальным, сколь и само определение ориентационного порядка флуоресцентными методами. Данный вопрос теоретически и экспериментально изучен в настоящей работе.

Другой вопрос, тесно связанный с первым, это - влияние параметров среды на вероятность излучения фотона возбуждённой флуоресцентной молекулой. Этот вопрос является актуальным при исследовании затухания флуоресценции в любых конденсированных средах. Известно, что показатель преломления среды влияет на вероятность излучения. Так, а идеальной однородной среде, в которой молекулы размазаны по пространству, в том числе и по той его части, которая занята флуоррсцентной молекулой, вероятность

4<|)3Л0| А

излечения равна -• гДе Щ * показатель преломления среды. В

реальной изотропной среде вероятность излучения оказывается в г раз выше, где Г представляет собой соотношение между электрическими векторами локального и макроскопического поля световой волны. Лорентц2 получил

' C.Zannoni, A.Arcioni, and P.Cavatorta, Chem.Phys.Lipids 32, 179 (1983).

2 H.A.Lorentz, The Theory of Electrons and Its Applications to the Phenomena of Light and Radiant Heat (Teubner, Leipzig, 1909).

следующее выражение для коэффициента пропорциональности между локальным алеетрическим полом, действующим на молекул/ среды, и макроскопическим электрическим полем в этой среде: . К сожалению, локальное поле,

действующее на примесную молекулу в срсде, не равно локальному полю, действующему на молекулу самой среды3. Данное обстоятельство затрудняет теоретическое предсказание зависимости времени затухания от показателя преломления изотропной среды, в которой находится флуоресцентная молекула. Значительно проще предсказать зависимость времени затухания флуоресценции примесной молекулы & тонкой плкЗнке (мембране) при изменении показателя преломления среды, в которой взвешена эта мембрана. Экспериментальное исследование последней зависимости дайт нозый способ определение ориентацмонного порядка в мембране, что представляет практический интерес.

Целью работы являлось развитие и применение различных флуоресцентных методов исследования ориентационного порядка в квазиупорчдоченных системах, а именно, в жидких кристаллах и в лмпидных мембранах. Всего исследовано три различных метода, первый из которых основан на Фёрстеровеком переносе энергии, второй - на затухании флуоресценции в поляризованном свете, а третий метод, предложенный в настоящей работе, основан на зависимости времени затухания флуоресценции от показателя преломления окружающей среды.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту.

1. В рамках второго приближения теории возмущений получены выражения для сечения поглощения и вероятности спонтанного излучения фотона флуореецзнтной молекулой, находящейся внутри тонкой липидной мембраны. Определена функциональная зависимость этих величин при изменениях ориентации молекулы и при изменении показателя преломления среды, в которой взвешена мембрана.

3 Строгое доказательство данного утверждения приводится в приложении к реферируемой диссертации.

2. Предложена и экспериментально осуществлена новая методика измерения ориентационного порядка а липидной мембране, основанная на исследовании зависимости среднего радиационного времени затухания флуоресценции от показателя преломления среды, в которой взвешена мембрана.

3. Учитывая ориентационную зависимость вероятности спонтанного излучения фотона в мембране, предсказаны законы затухания полной интенсивности и анизотропии флуоресценции в суспензиях макроскопически неориентированных мембран. Показано, что в данной система затухание полной интенсивности флуоресценции не может рассматриваться отдельно от вращательной динамики.

4. Экспериментально исследована поляризованная. флуоресценция дифенипгексатриена в суспензиях однородных тонких мембран. Показано, что неэкспоненциальное затухание флуоресценции может быть объяснено в рамках модели, учитывающей ориентационную зависимость вероятности спонтанного излучения.

5. Исследовано влияние ориентационного порядка в жидких кристаллах на закон затухания флуоресценции донора при Фёрстеровском переносе энергии. Показано, что определение ориентационного порядка в жидких коисталлах не может быть осуществлено путём измерения Фёрстеровского переноса энергии.

Практическая ценность. Результаты, полученные в диссертационной работе, существенно изменяют подход к интерпретации экспериментальных данных, получаемых при исследовании затухания и деполяризации флуоресцаиции в анизотропных средах. Существенно изменяются й представления об ориентационном порядке в липидных мембранах. Так, при переходе мембраны из жидкого состояния в гелеоб. >зное, что достигается понижением температуры, параметр ориентационного порядка <Р2> не увеличивается, как это считалось ранее. В гелеобразном состоянии <Ра)«0.3, в то время как применявшийся ранее метод даёт (Р2>Ю.9. Полученные результаты могут иметь широкое применение в биологии и биофизике.

Аппробачия работы и публикации. Материалы диссертационной работы неоднократно докладывались на семинарах отдела люминесценции ФИАН, на семинарах Факультета Биологии Университета Джонса Холки пса и на мездународных конференциях: "Biophysics'' а Сан-Франциско в 1991 г. (стендовый доклад), SPIE conference 1640 "Time-Resolved Laser Spectroscopy In Biochemistry НГ в Лос-Анджелесе в 1592 г. (устный доклад) и 'Biophysics' в Вашингтоне в-199С г. (стендовый доклад).

Основные результаты диссертации опубликованы в пяти реферируомых научных журналах.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложения, и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 140 страницах, включая 19 рисунков. Список литературы содержит 64 наименования.

Содержание работы.

Во владении производится постановка задачи, дан исторический обзор исследований, предшествовавши* настоящей работе, детально обоснован выбор объекта исследования и конкретных химических материалов, используемых при его получении, а также изложено краткое содержание работы и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе производится анализ влияния анизотропного ориентационного распределения примесных молекул в одноосной жидкокристаллической матрице на вращательнуюдеполяризацию флуоресценции и на диполь-дипольный перенос энергии. Вообще говоря, в анизотропной среде должна иметь место ориентационная зависимость сечения поглощения и скорости радиационного распада. В первой главе мы полностью пренебрегаем этой зависимостью, точно так же, как это сделано в классических работах по вращательной деполяризации флуоресценции в жидких. кристаллах и в мембранах. Эта глава состоит из двух относительно независимых частей.

в

В первой части первой главы, которая соответствует работе [1] в списке публикаций, производится определение параметров ориентационного порядка (Рз) и <Р4) в жидком кристалле из экспериментальных данных по затуханию поляризованной флуоресценции примесных молекул. Полученное значение (Р4) оказывается отрицательным, что противоречит существующей теории жидких кристаллов. Предлагается несколько возможных объяснений полученного результата, "одно из которых состоит в том, что в жидком кристалло нользя пренебрегать ориентационной зависимостью сечения поглощения и скорости радиационного распада.

Во второй части первой главы, которая соответствует работе [2] в списке публикаций, производится исследование влияния ориентационного порядка в К1 дком кристалле на закон затухания флуоресценции донора при Фёрстеровском переносе энергии. Показано, что закон затухания донора с высокой степенью точности описывается уравнением

Значение параметра ($ зависит от Фёрстеровского радиуса, от концентрации акцептора, от ориентационного порядка в жидком кристалле,. а также от соотношения между характерным временем вращательной релаксации и временем затухания флуоресценции донора. В случае продольно высокого ориентационного порядка, (Р2)=1, все молекулы имеют одну и ту же ориентацию, так что величина 1} не зависит от скорости вращательной релаксации. Эта величина на 11.5% выше, чем величина ф для изотропно распределённых неподвижных молекул и на 6% нижа, чем величина 19 для изотропно распределённых быстро вращающихся молекул. Последний пример показыегег, что даже скорость вращения окгзыоает большее влияние на парзкос энергии, чем ориэнтациониый порядок в жидком кристалле. Еща больший эффоюг ноуот произвести изменение концентрации акцептора или Сёрстепоеского радиуса. Если задаться умеренной величиной параметра порядка, <Р~>=0.4, то изменение значения параметра д при переходе от изотропного к анизотропному состоянию жидкого кристалла на должно превышать 0.2%. Ошибка определения

1(0 = Х0ехр (-

N ь

с

параметра 4 из экспериментальных данных составляет примерно 10%, следовательно, определение ориентационного порядка в жидких кристаллах не может быть осуществлено путём измерения Фёрстеровского переноса энергии.

Во второй глава рассматривается спонтанное излучение, а также -поглощение и излучение поляризованного света флуоресцентными молекулами в средах, являющихся однородными и изотропными на макроскопическом уровне, но не являющихся таковыми на микроскопическом уровне. Если размеры неоднородностей малы по сравнению с длиной волны, то рассеяние света »«значительно, что позволяет измерять затухание и поляризацию флуоресценции. Только такие среды рассматриваются в этой главе.

Предложен формализм кажущегося дипольного момэнта, состоящий в следующем: поглощение/излучение света флуоресцентной молекулой с дипольным моментом перехода ц в микронеоднородной среде формально описывается теми же уравнениями, что и поглощение/излучение света воображаемой молекулой с кажущимся дипольным моментом М в идеальной однородной изотропной среде того же показателя преломления п,, , что и макроскопический показатель преломдекия реальной среды. Кажущийся дипольный момент определяется как М^Р^ц , где Р" - транспонированный картезианский тензор Р, который выражает соотношение между электрическими векторами локального и макроскопического полей световой волны: е-КЕ . Предложенный формализм позволяет сразу написать выражение для вероятности спонтанного излучения (константы радиационного распада):

Ориентационная зависимость константы радиационного распада содержится в тензоре Рг. В случае тонкой плёнки одной диэлектрической проницаемости, находящейся в среде другой диэлектрической проницаемости, тензор Р1 диагонализируется при выборе системы координат, у которой одна ось, например, ось 2, направлена перпендикулярно к поверхности мембраны. Если толщина плёнки мала по сравнению с длиной волны света, то диагональмыэ

в

элементы этого тензора могут быть выражены используя граничные условия для электрического поля на границе двух диэлектриков. Окончательно это даёт следующее выражение для константы радиационного распада:

Зле л*

где множитель Гвыражает соотношение между локальным и макроскопическим полями внутри тонкой плёнки (при этом мы пренебрегаем незначительной анизотропией показателя преломления самой плёнки), п, и ц, ■' показатели преломления мембраны и окружающей среды, а угол 0 измеряется между направлением вектора ц и осью 1. В рамках класса .еской электродинамики В.Лукошем' было получено аналогичное выражение для ориентациомной зависимости мощности излучения классического диполя в тонкой плёнке.

В третьей главе описана методика получения суспензий тонких фссфолипидных мембран из Ь.а-дипальмитоилфосфатидилхолина. окрашенного всюду-гра/:с-1,6-дифонил-1,3,5-гэксатриеном в растворах с различными показателями преломления. В этой же глзое описаны две экспериментальные установки, на которыхпроизчодились измерения поляризованной флуоресценции с субнзносекундным временным разрешением. Первая установка представляет собой кросс-корелляционный фазово-демодуляциенный флуорометр, а вторая -лазерный импульсный флуорометр, основанный на принципе однофотонного счёта. В этой же главе описаны вычислительный процедуры, использовавшиеся при анализе экспериментальных данных. Материал третьей главы ориентирован на тех, кто заинтересован в воспроизведении экспериментов, описываемых в главах 4, 5 и 6.

В четвёртой глзве. которая соответствует работе [3] в списке публикаций, построена теоретическая модель, описызающая затухание и деполяризацию флуоресценции в макроскопически неориентированных суспензиях мембран. В

4 \V.Luko3z, РИуз.Не^В 22, 3030 (1980).

основу данной модели положена комбинация следующих двух аффектов: (I) ориентационной зависимости конст анты радиационного распада, обсуждавшейся в главе 2, и (II) модели вращательной диффузии флуоресцентной молекулы в • одноосном ориентирующем поле. Основные уравнения модели выводятся с применением сферических тензоров второго ранга и матриц вращения Вигнера. Особенностью данной модели является неунитарное преобразование, выражаемое уравнением М=Р"ц, в результате которого не может существовать таких функций, которые вели бы себя как сферические тензоры как при вращениях флуоресцентной молекулы внутри мембраны, так и при вращениях самой мембраны относительно лабораторной системы координат. Модель приводит к системе уравнений, которая не может быть помещена в автореферат по причине ограничения объёма последнего. Уравнения модели решались численно, и решение сопоставлялось с экспериментальными данными по затуханию и деполяризации флуоресценции в мембранах, полученных на фазоео-демодуляционном флуорометре, описанном в главе 3.

Экспериментальные данные были получены при десяти различных температурах, расположенных как ниже, так и выше температуры фазового перехода мембраны, и на двадцати шести различных частотах модуляции в диапазоне от 2 до 125 МГц. Точность измерения на средних частотах модуляции 5-50МГЦ, наиболее важных в информативном смысле, была не хуже 0,2' для фазовых сдвигов и 0.2% для амплитуд модуляции. Ошибки определялись статистическими методами, для чего каждое измерение повторялось десять раз.

Подгонка экспериментальных данных уравнениями модели дала хорошее соответствие теории с экспериментом, однако лишь, после того, как в уравнениях модели была учтена неоднородность константы вращательной диффузии. При этом оказалось достаточным предположить существование в мембране областей (доменов) двух типов с различной вращательной динамикой. Неоднородность физических свойств мембраны хорошо известна и не представляет собой открытия. Эта неоднородность ведёт к увеличению числа подгоночных параметров, что затрудняет определение физически осмысленных значений этих параметров. Основной результат данной работы состоит в том, что в принципе предложенная модель позволяет объяснить как неэкспонекциальный закон

затухания флуоресценции, так и сложный закон деполяризации флуоресценции, обыкновенно наблюдаемые в мембранах и не наблюдаемые при помещении тех же флуоресцентных молекул в жидкие изотропные органические растворители.

В пятой главе, которая соответствует работе [4] в списке публикаций, производится попытка получения законов затухания интенсивности и анизотропии флуоресценции безотносительно к модели ориентационного движения флуоресцентной молекулы. При этом рассматриваются два предельных случая: случай быстрого вращения и случай, в котором вращение вообще отсутствует. Для того, чтобы получить закон затухания флуоресценции в промежуточной ситуации, необходимо предварительно определить модель ориентационного движения, как это было сделано в главе 4, однако сложность получаемых при этом уравнений и неоднородность константы вращательной диффузии в мембране практически лишают смысла такую работу.

При полном отсутствии вращения перемешивание различных ориентаций не происходит и каждая ориентация затухает экспоненциально, причём константа затухания равна azsin'!8+b''!cos20+icg, где 0 - угол между излучающим диполем и нормалью к поверхности мембраны, отношение констант аг и Ь2 примерно равно четвёртой степени отношения показателей преломления л, и п0 , а кч - скорость нерадиационного распада. Для того, чтобы получить закон затухания при 6-возбуждении, необходимо перемножить следующие функции ориентации: (¡) ориентационное распределение невозбуждённых молекул, (¡¡) вероятность возбуждения, (ш) экспоненту, описывающую затухание, и (iv) вероятность спонтанного излучения; и проинтегрировать полученное произведение по всем ориентациям.

Одноосное ориентационное распределение невозбуждённых молекул может быть представлено в виде Р(в, ф) =ехр [ СпРп (cos0) ] ,гдеР„(х)-полиномы Лежандра. В большинстве случаев достаточно сохранить в последней сумме только первый член, не тождественно равный константе, а именно, C^P2(cos9). Такой подход известен под названием модели Мэйер и Coon (Maier and Saupe). Значение единственного параметра Q, и весь вид функции НО.Ф) однозначно определяется параметром порядка <Р2>.

В случае, когда поглощающий и излучающий диполи параллельны, ориентационная зависимость вероятностей поглощения и спонтанного излучения описывается одним и тем же выражением а^иЛ+Ь^соя^, так что в закон затухания должен войти квадрат этого выражения. После интегрирования по сферическим углам 9,ф получаем

л

Г( С) =с / (а2з1п2е+Ь2соз20)2ехр[-С2Р2(созв)1х о

хехр [- (а2Бл.п20+Ь2со820+&ч) С] з1п0с0

где С, - нормировочный множитель, который выбирается так, чтобы 7(0)= 1.

В случае быстрого вращения перемешивание различных ориентаций приводит к тому, что полное число возбуждённых молекул затухает экспоненциально. Полная интенсивность флуоресценции представляет собой произведение числа возбуждённых молекул на среднюю вероятность излучения, которая зависит от ориентационного распределения возбуждённых молекул. Благодаря ориентационной зависимости вероятности возбуждения, ориентационное распределение возбуждённых молекул в момент возбуждения отличается от стационарного однако по прошествии короткого промежутка времени оно релаксирует к стационарному распределению. В результате закон затухания полной интенсивности помимо основной экспоненты с длинным временем затухания содержит незначительный вклад от одной или нескольких экспонент с короткими временами затухания.

• Предсказания модели для случаев медленного и быстрого вращения сопоставлялись с экспериментальными данными, полученными при температурах ниже и выше температуры фазового перехода мембраны соответственно. Использовались данные, полученные на импульсном лазерном флуорометре, работающем на принципе однофотонного счёта, устройство которого описано в главе 3. Аппаратная функция прибора составляла около ЮОпс на полувысоте, в то время как характерное время затухания дифенилгексатриэна в мембранах близко к 10нс. Высокое временное разрешение позволило зарегистрировать крайне незначительный вклад двух коротких экспонент при температуре выше фазового перехода, как это и было предсказано качественной моделью для

случая быстрого вращения. Данные, полученные при темпэратуре нижа фазового перехода, количественно согласовываются с предсказанием уравнения (2).

!, которая соответствует работе [5] в списке публикаций,

исследуется зависимость времени затухания флуоресценции в мембране от показателя преломления п,, раствора, в котором взвешена мембрана. Из уравнения (1) следует, что влияние этого показателя преломления на скорость радиационного распада будет различным для различных ориентации молекулы флуоресцентной пробы. Например, если 0=0, то к, должно изменяться пропорционально пятой степени П(„ а если 9=90', то к, должно изменяться пропорционально первой степени п„. В действительности мы имеем смесь всевозможных ориентация, что, вообще говоря, приводит к неэкспоненциальному закону затухания. В описываемой работе показано, что при незначительном изменении показателя преломления, которое доступно экспериментально, основная компонента закона .затухания флуоресценции должна иметь время затухания т, определяемое следующим уравнением:

где у - комбинация нескольких констант из уравнения (1), a {P^íSccs^-l}^) есть не что иное, как параметр ориентационного порядка. Предварительно определив показатель преломления мембраны л, по данным о рассеянии света, а константу нерадиационного распада - из измерения квантового выхода флуоресценции, можно использовать зависимость т(по) для определения величины параметра ориентационного порядка (Р2>.

С целью снижения вероятности ошибки, связанной с возможностью прямого воздействия добавки, используемой для изменения показателя преломления еоды, на физические характеристики самой мембраны, измерения были провздэны в водных растворах двух различных химических веществ: глицерина и сахарозы. Экспериментально измеренные зависимости т<Пй) для основной гюпонзнциальной компоненты закона затухания, вкладывающей Срлее

¿ = </c,*Jcnx> = |y <3in20>n0 + jyní' <cos2e> r>a*k¡ = y<l-<P2>)n0+yn1-i(<P1>+j)n0s+Jc1

'ПГ

лх

(3)

80% от интеграла под кривой затухания, показаны на рис.1. Кружками и .крестиками показаны времена затухания дифенилгексатриена в мембранах из дипальми-тоилфосфатидилхолина при Т=20'С, взвешенных в растворах глицерина и сахарозы соответственно, а кривыми показаны различные степени показателя преломления. Для орионтации 0=0' скорость радиационного распада пропорциональна По*. Если учесть квантовый въезд} п*0.83, .то время затухания для этой ориентации должно быть примерно пропорционально л,,'44. Как видно из рис.1, зависимость времени затухания основной компоненты от показатели преломления ложится между п,, * и п,,"'. Для ориентации 6=90' время затухания должно бы было вести себя примерно как л,,'1. Можно сделать вывод, чтооснсвчая компонента обусловлена неразрешённой смесью вкладов различных ориентаций.

Из данных, показанных на рис.1, может быть определён параметр порядка. При этом удобно перейти в систему координат А=п1,<> У=(1Л-к,1РУп,. , в которой уравнение (3) линеаризуется. Для такого перехода требуется значение каг , - которое было определено следующим образом. При п,,=п, рассеянна света в суспензиях мембран значительно уменьшается (что также использовалось для опрелеления величины л,=1.425), что позволило впервые измерить квантовый выходдифенилгехсатрисна в мембранах из дипаг.ьмитоилфосфатидилхолина при температуре 20'С, который оказался равным 0.8810.02. Используя г)=0.8в, 1=8.</9не, получаем значение к„=(1-г1)/т=1.33°10'!ис"\

Рмс.1. Основная компонента закона затухания.

Зависимости х(гц) в

линеаризованной системе

координат показана на

рис.2. Положение прямой

определялось методом

линейной регрессии.

Вычисленная из положения

и наклона этой прямой

величина параметра

ориентационного порядка

(Р2) составила 0.235. Эта

величина значительно ниже,

чем та, которая может быть

вычислена из широко

используемого уравнения Данные в линеаризованной системе

координат.

г»=г0(Р2г, в котором г0 и г„

представляют собой значения анизотропии флуоресценции в момент возбуждения и по прошествии достаточно большого времени посла возбуждения. Используя экспериментальные величины г0=0.4 и г„=0.33, получаем <Р2>=0.91. Данный пример показывает, что применение уравнения r„=r()<Pг>, к мембранам, находящимся в гелеобразном состоянии даёт ошибочные результаты. По-видимому, некоторые из времён вращательной релаксации, присущих гелеобразным мембранам, оказываются намного длиннее, чем время затухания флуоресценции. Низкое значение параметра порядка, впервые полученное в настоящей работе, разрушаэт представления о том, что гелеобразиая мембрана есть высокоупорядоченное образование, что может иметь практическое значение в биологии и биофизике.

Помимо практического значения полученных результатов, мнтерэозм сам факт, что изменяя показатель преломления одной среды, можно управлять временем затухания флуоресценции молекулы, находящейся в другой среде.

В приложении приводится вычисление локального поля, действующего на молекулу в изотропной среде, согласно Лорентцу. Показано, что локальное поле, действующего на молекулу примеси не совпадает с локальным полем, действующим на молекулу самой среды.

Основные результаты.

1. Теоретически и экспериментально исследована зависимость скорости радиационного распада возбуждённого состояния флуоресцентной молекулы от ориентации излучающего диполя в оптически тонкой мембране. Показано, что при исследовании затухания полной интенсивности и анизотропии флуоресценции в оптически анизотропных системах необходимо учитывать зависимость скорости радиационного распада возбуждённого состояния от ориентации излуюкхцего диполя. Получены выражения, списывающие затухание поляризованной флуоресценции в макроскопически неориентированных суспензиях липидных мембран. Методика определения параметра ориентационного порядка (Р2) из закона затухания анизотропии флуоресценции модифицирована с учётом ориентационной зависимости скорости радиационного распада.

2. Теоретически и экспериментально исследовано поведение времени затукания флуоресценции в мембране при изменении показателя преломления среды, в которой находится мембрана. Получено выражение, описывающее поведение времени затухания флуоресценции в мембране при изменении показатель преломления окружающей среды. Полученное выражение положено в основу нового метода исследования ориентационного порядка в липидных мембранах. Практическая реализация предложенного метода позволила получить принципиально новые сведения об ориентационном порядке в липидных мембранах. Обнаружено, что общепринятый способ измерения ориентационного порядка в мембране, основанный на уравнении г„=г0<Р,)2, неприменим к мембранам, частично или полностью состоящим из гелеобразной фазы.

Установлено, что в гелеобразном состоянии мембрана имеет низкий ориентационный порядок. При переходе из жидкого состояния в гелеобразноа параметр ориенТаоионного порядка <Р2> на увеличивается, как это считалось до настоящего времени. Полученные результаты меняют существующие представления об ориентационном порядке 8 мембранах.

Э. Показано, что закон затухания флуоресценции донора при Фёрстероэском переносе энергии практически не зависит от ориентационного порядка а жидкой кристалле. Закон затухания донора в среде с предельно сьсоким ориентацию иным порядком занимает промежуточное положение мехду законом затухания в неупорядоченной среде с быстрой ориецтационной релаксацией и законом затухания в неупорядоченной среде с медленной ориемтационной релаксацией, причём различие между двумя последними также незначительно. Таким образом, определение ориентационного порядка в жидких кристаллах ¡->э мохсет быть осуществлено путём измерения Фёрстеровсхого переноса энергии.

Публикации.

1. В.А.Кизель, В.А.Склярук, Д.Д.Топтыгин, Ш.Д.Хан-Магомэтоза, "Кинетика вращательной деполяризации люминесценции примесных молекул а жидкокристаллической матрице." Письма в ЖЭТФ 44 (1), 29-31 (1986).

2. В.А.Склярук, Д.Д.Топиыгин, Ш.Д.Хан-Магометова, "Влияние углового распределения примесных молекул в жидкокристаллической матрице ка диполь-дипольный перенос энергии." Оптика и спектроскопия 62 (6), 1272-1279 (1987).

3. D.Toptygin, J.Svobodova, I.Konopasek, and LBrand, "Fluorescence decay and depolarization in membranes." J.Chem.Phys. 93, 7919-7930 (1992).

4. D.Toptygin, J.Svcbodova, I.Konopasek, and L.Brand, "Fluorescence decay and depolarization in membranes." SPIE 15340, Time-Resolved Laser Spectroscopy in Biochemistry III 739-751 (1992).

5. D.Toptygin and LBrand, "Fluorescence decay of DPH in lipid membranes: Influence of the external refractive index", Biophysical Chemistry 43, 205-220 (Elsevier Science Publishers, Amsterdam, 1993).