Rezonansowe rozpraszanie światła (RLS)

Resonance Light Scattering (RLS)

           Technika rezonansowego rozpraszania światła RLS oparta jest na pomiarach fluorescencyjnych tzw. widm synchronicznych. Polega ona w odróżnieniu od konwencjonalnego rozpraszania światła (które opisane zostało przez Rayleigha) na detekcji wzmocnionego sygnału od rozproszonego światła w pobliżu regionu absorpcji układu zagregowanych molekuł. Technika RLS to wysoce czułe i selektywne narzędzie, które umożliwia badanie agregacji cząsteczek, które tworzą agregaty molekularne poprzez oddziaływania chromoforów [1, 2]. Jest ona również cennym źródłem informacji na temat struktury, rozmiarów oraz rozkładu agregatów chromoforowych [1].

           W zjawisku przechodzenia światła przez próbkę cząsteczek zagregowanych chromoforowi w nie absorbującym ośrodku, całkowita energia utracona przez falę padającą musi odnaleźć się w energii zaabsorbowanej przez układ oraz w tej, która została na nim rozproszona. Generalnie można stwierdzić, że w zjawisku tym występują przynajmniej dwa procesy: po pierwsze: absorpcji oraz po drugie: rozpraszania. Składowa rozpraszania światła to zdecydowana konsekwencja różnic między polaryzowalnością pomiędzy strukturami zagregowanymi a rozpuszczalnikiem. Pole elektryczne fali elektromagnetycznej powoduje polaryzację elektronową cząsteczek w wyniku czego następuje w nich indukowanie chwilowych momentów dipolowych, które zmieniają się z częstością odpowiadającą częstości padającego światła. Wydajność absorpcji i rozpraszania jest definiowana przez przekrój czynny na absorpcję (Cabs) oraz rozpraszanie (Csca):

\[ C_{sca} = \frac{ 8 }{ 3 } \pi^{3} \tilde{ \nu }^{4} [Re(\alpha)^{2} + Im(\alpha)^{2} ] \qquad \qquad \qquad (12) \]

\[ C_{abs} = 2 \pi \tilde{ \nu } Im(\alpha) \qquad \qquad \qquad (13) \]

gdzie: Re(α) i Im(α) – oznaczają wartości rzeczywistej oraz urojonej składowej polaryzowalności agregatów. Polaryzowalność jest wyrażona w cm3/cząsteczkę natomiast przekrój czynny w cm2/cząsteczkę. Dla dużych wartości procesem dominującym jest rozpraszanie natomiast dla małych absorpcja. Im większe rozmiary struktur zagregowanych, tym wartość Csca jest większa.

Kwantowo mechaniczne wyrażenie rzeczywistej i urojonej składowej polaryzowalności zaprezentowano poniżej. Zakładamy tu, że wektor momentu dipolowego ma tylko jedną składową [2]:

\[ Re \alpha (\tilde{ \nu }) = \frac{1}{2\pi \varepsilon_{0} hc } \displaystyle \sum_{ m } \frac{(\tilde{ \nu }^{2}_{m} – \tilde{ \nu }^{2}) \tilde{ \nu }_{m} }{(\tilde{ \nu }^{2}_{m} – \tilde{ \nu }^{2})^2 + \tilde{ \nu }^{2} \Gamma^{2}_{m} } | \mu_{m} |^{2} \qquad \qquad \qquad (14) \]

\[ IM \alpha (\tilde{ \nu }) = \frac{1}{2\pi \varepsilon_{0} hc } \displaystyle \sum_{ m } \frac{ \tilde{ \nu } \tilde{ \nu }_{m} \Gamma_{m} }{(\tilde{ \nu }^{2}_{m} – \tilde{ \nu }^{2})^2 + \tilde{ \nu }^{2} \Gamma^{2}_{m} } | \mu_{m} |^{2} \qquad \qquad \qquad (15) \]

Gdzie jest wartością liczby falowej maksimum formy zagregowanej natomiast wartością jej dipolowego momentu przejścia, m oznacza szerokość połówkową przejścia elektronowego do m-tego stanu.

Ważną przyczyną, z powodu której proces agregacji jest bardzo istotnym czynnikiem powodującym wzmocnienie sygnału RLS jest fakt, że wartość absorpcji A(0) oraz rozpraszania Isca(0) opisana równaniami: (16) oraz (17) zależy od rozmiarów agregatów w następujący sposób [1]:

\[ A(\lambda_{0}) = 2.3^{-1} (\frac{N}{V}) C_{abs} L \qquad \qquad \qquad (16) \]

\[ I_{sca} = C_{sca} (\frac{N}{V}) I_{0} (\lambda_{0}) \qquad \qquad \qquad (17) \]

Gdzie: czynnik N/V określa liczbę agregatów znajdujących się w objętości próbki, natomiast I0(0) – natężenie wiązki padającej, zaś L – grubość warstwy absorbującej (próbki).


Literatura:

  1. Pasternack, R.F. and P.J. Collings, Resonance light scattering: a new technique for studying chromophore aggregation. Science, 1995. 269(5226): p. 935-9.
  2. Parkash, J., et al., Depolarized resonance light scattering by porphyrin and chlorophyll a aggregates. Biophys J, 1998. 74(4): p. 2089-99.