§ 7.2 Оптичні методи дослідження біооб'єктів

1. Поляризація світла

Видиме світло утворюють електромагнітні хвилі з довжиною від 400 до 700 нм_, які є поперечними, оскільки напрям коливання векторів напруженості електрично­го і магнітного полів перпендикулярні до швидкості поширення світла і один до одного.

Розрізняють світло природне і поляризоване.

Світло, у якого вектор напруженості електричного поля змінює свою орієн­тацію у просторі, називається природним. Це зумовлено тим, що ми одночасно спостерігаємо випромінювання величезної кількості атомів. Джерелами світла є Сонце, лампи розжарення, випромінювання нагрітих тіл тощо. Світло, у якого век­тор напруженості електричного поля не змінює своєї орієнтації у просторі, нази­вають поляризованим

Площину, що проходить через вектор напруженості електричного поля Е і вектор швидкості світла називають площиною поляризації. Світло може поляризу­ватися при відбиванні, заломленні і розсіюванні. Око людини не відрізняє поляризо­ваного світла від природного, тому для дослідження поляризації світла використо­вують поляризаційні прилади - поляриметри.

До природних кристалів, що поляризують світло, належить турмалін. Природ­ний промінь, проходячи через пластинку турмаліну (рис. 3.4) вирізану паралельно оптичній осі 0'0' кристалу, що являє собою напрямок, відносно якого атоми (чи іони) кристалічної решітки розташовані симетрично (в деяких кристалах таких напрямків може бути два) повністю поляризується. Якщо за пластинкою 1 розта­шована інша пластинка турмаліну 2_, яка орієнтована так, що її оптична вісь пер­пендикулярна оптичній осі пластинки 1, то через другу пластинку промінь не пройде, оскільки коливання вектора напруженості електричного поля Е будуть пер­пендикулярні до головної площини пластинки 2, тобто до площини, що містить оп­тичну вісь і промінь.

Рисунок 3.4

Якщо ж оптичні осі пластинок 1 і 2 складуть кут а, відмінний від 90°, то світло (промінь) проходитиме через пластинку 2. Проте, як видно з рис. 3.8, амплі­туда світлових коливань Е, що пройшли через пластинку 2, буде меншою від амп­літуди світлових коливань, що падають на пластинку Е_о:

Е = Е₀ ( 7.4)

Оскільки інтенсивність світла пропорційна квадрату амплітуди світлових ко­ливань, то

І = І₀ , (7.5)

де І_{0 –} інтенсивність світла, що падає на пластинку 2,

І – інтенсивність світла, що проходить через пластинку.

Співвідношення (7.5) називають законом Малюса.

Рисунок 3.5

Пластинка 1, що поляризує природне світло, називається поляризатором, а пластинка 2, за допомогою якої змінюється інтенсивність поляризованого світла -аналізатором. Прилад, що складається з поляризатора і аналізатора, називають поляриметром.

При проходженні поляризованого світла через певні середовища площина ко­ливань вектора повертається на деякий кут . Це явище називається явищем повороту площини поляризації і обумовлене структурою речовини, будовою моле­кул. Речовини, що здатні повертати площину поляризації, називаються оптично-активними речовинами. Розрізняють праве і ліве обертання площини поляризації. Напрям обертання визначають по відношенню до спостерігача, який дивиться на­зустріч променю. Якщо обертання площини поляризації відбувається за напрям­ком (проти) годинникової стрілки, то обертання називається правим (лівим), а сама речовина – право обертаючою (лівообертаючою).

Величина кута повороту площини поляризації пропорційна довжині ходу променя у речовині, а для розчину залежить ще й від концентрації оптично-актив­ної речовини у розчині, а також від роду речовини і довжини хвилі світла. Ця за­лежність виражається формулою:

= ІС (7.6)

Де –кут повороту площини поляризації, І-довжина ходу променя у розчині, С - концентрація речовини у розчині, - називається питомим обертанням і ха­рактеризує кут повороту площини поляризації світла певної довжини хвилі на оди­ницю відстані, пройденій світлом у даному розчині. Питоме обертання чисельно рівне куту повороту площини поляризації шаром розчину одиничної товщини, що містить 1 г речовини на 100 см³ розчину.

Величина залежить від роду розчиненої речовини, від вибору розчинника і обернено пропорційна квадрату довжини хвилі (закон Біо):

= (7.7)

Ця залежність використовується для дослідження структури білків та нуклеї­нових кислот, оскільки, значна кількість біомолекул містить оптично активні цент­ри. Прилади для дослідження вказаної залежності називаються спектрополяри-метрами. Для визначення кута повороту площини поляризації використовують по­ляриметри. Конструкція найпростішого поляриметра зображена на рис. 3.6.

Найпростіший поляриметр складається із двох призм Ніколя. Через одну з них пропускають монохроматичне світло і спостерігають його через другу призму (аналізатор). При обертанні аналізатора навколо променя, як осі, яскравість світла буде змінюватися : буде найбільшою, якщо головні площини призм Ніколя паралельні, і найменшою ( поле зору темне) , якщо вони будуть перпендикулярні.

Рисунок 6.5

Якщо при цьому між призмами Ніколя розмістити оптично активний розчин, то яскравість поля зменшиться, оскільки площина поляризації променя повернеть­ся на певний кут. Щоб отримати поле зору такої ж яскравості, аналізатор необхід­но повернути у протилежному напрямку на той самий кут.

Вимірявши на досліді кут обертання площини поляризації ф, за відомими α і d формули визначають концентрацію розчиненої речовини. Мето вимірювання концентрації оптично активних речовин у розчині називається поляриметрією, а прилади, що застосовують для цього, — поляриметрами. Най частіше їх використовують для визначення концентрації цукру в розчинах, зокрема вмісту цукру в сечі хворих. І тому за поляриметрами закріпилася назв сахариметрів (від рос. сахар — цукор), а сам метод вимірювання називають сахариметрією.

Явище поляризації світла використовують у гістології для дослідження властивостей і внутрішньої структури тканин, яким при­таманна оптична анізотропія. Оптична анізотропія виявлена в м'язо­вих, нервових, кісткових та колагенових (сполучнотканинних) волок­нах. Анізотропними також є й міцели в м'якушевій оболонці нейро­фібрил. Дослідження в поляризованому світлі виконують за допомогою поляризаційного мікроскопа. Це звичайний біологічний мікроскоп, в оптичну систему якого вмонтовані поляризатор і аналізатор. Поля­ризатор розміщений перед конденсором, а аналізатор — між об'єкти­вом і окуляром. Таким чином, досліджуваний зразок освітлюють по­ляризованим світлом і розглядають крізь аналізатор.

У разі освітлення тканин поляризованим світлом з анізотропною структурою частина волокон затримує поляризоване світло й зали­шається затемнена, а крізь інші волокна поляризоване світло прохо­дить вільно, й вони спостерігаються в полі зору мікроскопа. Таким способом зручно досліджувати структуру анізотропних волокон, не препаруючи досліджуваних зразків. У живих організмах вони настільки щільно переплетені між собою, що їх препарування часто просто неможливе. Застосування поляризованого світла до деякої міри усуває ці труднощі.