Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Динамическое рассеяние света как спектроскопия очень высокого разрешения



 

В соответствии с фундаментальными законами статистической физики система из многих частиц никогда не проявляет полного однообразия. Описывающие систему термодинамические параметры, постоянно флуктуируют относительно своих наиболее вероятных значений. Поскольку эти флуктуации происходят очень медленно, по сравнению с частотой световой волны, то для регистрации таких флуктуаций требуется спектрометры с очень высокой разрешающей способностью. Требуемое разрешение столь велико, что традиционная оптическая спектроскопия не может решать такого рода задачи и приходится использовать технику спектроскопии оптического смешения.

Лазерный луч, проходящий в среде рассеяния, может рассматриваться как «несущая волна», колеблющаяся с оптической частотой 5×1014 Гц (рис. 31.1(а)). Процесс рассеяния создает новую волну рассеяния, основная частота которой совпадает с таковой для падающей волны, но амплитуда и фаза рассеянной волны модулируются синхронно флуктуациями среды. Такой модулированный сигнал показан на рисунке 31.1(б). Его уширение для большинства биологических макромолекул очень мало (смотри ниже). Очевидно, что для получения информации, содержащейся в модуляционном сигнале, его необходимо демодулировать. Необходимость такой демодуляции предопределила одно из первоначальных названий метода - демодуляционный анализ рассеянного света. Очевидно, что при использовании обычного немонохроматического источника, ширина его линии будет намного больше полезного сигнала и демодуляция последнего станет практически не решаемой задачей.

Сделаем некоторые оценки разрешающей способности метода ДРС, которые ясно показывают необходимость монохроматического источника (лазера) в таких измерениях. На характерных углах рассеяния (~ 90о) ожидаемая расчетная ширина спектральной линии (на половине максимальной высоты), обусловленная флуктуациями концентрации, которые в свою очередь возникают благодаря трансляционной диффузии макромолекул растворенного вещества, составляет величину около 1000 Гц для белка с молекулярной массой 50 кДа. Поскольку сам падающий (видимый) свет имеет частоту около 5·1014 Гц, то прямое определение формы спектральной линии рассеянного света требует разрешающей силы, больше чем 1014/103=1011.

 

Рис. 31.1. (a) Сигнал одномодового лазера до рассеяния с частотой ω0. (б) Лазерный сигнал после рассеяния на флуктуациях среды располагается на несущей частоте ω0 (в) Демодулированный сигнал располагается в радиочастотном диапазоне ω –ω0

 

Демодуляция быстрых процессов, протекающих в шкале времен 10−11−10−10 секунд осуществляется спектрометрами с дифракционной решеткой; для исследования процессов, протекающих в шкале времени 10−10−10−7 сек, используются интерферометр Фабри-Перо. Перечисленные приборы действуют как оптические фильтры и, следовательно, не могут быть использованы для разрешения спектральных компонентов уже, чем ~ 10 MГц (меньше чем 10−7 сек).

Динамические процессы, описывающие подвижность биологических макромолекул в растворе, относятся к медленным процессам, имеющим ширину спектральной линии уже, чем 10 Гц, что на шесть порядков меньше, регистрируемых оптически. Поэтому возникает необходимость в технике с очень высоким разрешением. Такая техника называется спектроскопией оптического смешения. Техника смешения хорошо известна в радиотехнике. По аналогии лазер и спектрометры оптического смешения можно рассматривать как расширение диапазона устройств и методов, общепринятых в радиочастотных линиях связи. Для того, чтобы понять как можно разрешать узкие спектральные линии в оптическом диапазоне, мы должны вспомнить, что сходные проблемы возникают в радиочастотном диапазоне. В последнем случае решение проблемы сводится к применению «гомодинированных» и «гетеродинированных» приемников. В этих устройствах основная частота несущей волны сдвигается в область более низких частот с помощью нелинейного смещения. Затем, на этой низкой частоте спектр анализируется с помощью узкополосных фильтров. Таким образом, тогда как оптический спектрометр фильтрует на оптической частоте, в радиочастотных устройствах фильтрация осуществляется только после того, как несущая частота с помощью смесителя сдвинута до подходящей низкой частоты. Поэтому спектроскопию оптического смешения можно рассматривать как приложение радиочастотной техники к области оптической частоты, где смешивающим элементом является фотоумножитель.

 

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.