Структура энергетических уровней многоатомных молекул усложняется расщеплением электронных уровней на колебательные и вращательные подуровни [1, 2]. Теоретически ей должны соответствовать линейчатые спектры поглощения, излучения и возбуждения люминесценции. Однако, в растворах при комнатной температуре спектры молекул представляют собой широкие полосы [3-16]. При понижении температуры (77К) спектры люминесценции молекул имеют колебательную структуру (эффект Шпольского) [2, 7, 8], однако этот метод практически невозможен для экспериментов с биологически значимыми молекулами в их наиболее естественной среде — водных растворах при комнатной температуре. Структуру колебательных уровней молекул в водной среде также трудно получить с помощью ИК-спектроскопии, так как вода не пропускает свет в ИК-диапазоне [9].

Мы предположили, что кажущиеся случайными «шумовые» плечи и небольшие «пики» спектров люминесценции распределены не случайным образом.

Проанализировав спектры люминесценции тимина в водных растворах, мы построили гистограммы распределения таких пиков и плеч по длинам волн. Оказалось, что они действительно распределены не случайно, а чаще всего наблюдаются на 295нм (33898 см-1), 303нм (33003 см-1), 312нм (32051 см-1). , 319 нм (31348 см-1), 327 нм (30581 см-1), 336 нм (29762 см-1), 344 нм (29068 см-1), 353 нм (28329 см-1), 363 нм (27548 см-1) , 372 нм (26882 см-1).

Мы полагаем, что статистическая обработка позволяет наблюдать в спектрах испускания люминесценции проявления колебательной структуры основного энергетического уровня тимина в водном растворе, и что каждая полоса на гистограмме распределения «шума» соответствует переходу с нулевого или первого колебательного уровня возбужденного состояния на один из колебательных уровней основного состояния. На основании полученных данных удалось получить частоты колебаний ИК-спектра тимина 895 см-1 (близкие к 889 см-1, полученным экспериментально в неводном растворе [10] и теоретическим 907 см-1). [11]), 952 см-1 (ср. 959 см-1[10] и 965 см-1 [11]), 1655 см-1 (ср. 1668 см-1[10] и 1696 см-1 [11]. ]), 767 см-1 (ср. 763 см-1[10] и 767 см-1 [11]), 739 см-1 (ср. 727 см-1[10] и 733 см-1 [11]) , 781 см-1, 666 см-1 (ср. 662 см-1[10] и 667 см-1 [11]), 704 см-1 и т.д.



Литература:

[1] А.Н.Теренин «Фотоника молекул красителей». М-Л, 1967

[2] C.A.Parker «Photoluminescence of Solutions», 1968

[3] Malkin V.M., Rapoport V.L. Luminescence of aqueous thymine solutions at room temperature // Biophysics. 1999 V.44 (6) pp. 992-996

[4] Kononov A.I., Bakulev V.M., Rapoport V.L. Exciton effects in dinucleotides and polynucleotides // Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 1993 V.19 pp. 139-144

[5] Bukina M.N., Bakulev V.M., Barmasov A.V., Zhakhov A.V., Ischenko A.V. Luminescence diagnostics of conformational changes of the Hsp70 protein in the course of thermal denaturation // Optics and Spectroscopy. 2015 V. 118 (6) 899-901

[6] Kononov A.I., Bakulev V.M. Red-shifted fluorescence from polyguanylic acid in aqueous solution at room temperature // Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 1996 V.24 (2-3) pp. 211-216

[7] Шпольский Э.В. «Успехи физических наук» 1960 Т. 71, стр. 215

[8] Шпольский Э.В. «Успехи физических наук» 1959 Т. 68, стр. 51

[9] А. Смит «Прикладная ИК-спектроскопия». М. 1982

[10] Степаньян С.Г., Е.Д. Радченко, Г.Г. Шеина и др. Конформационный анализ 5-замещённых производных урацила // Биофизика. 1988 Т. 34 вып. 5 стр. 753-758

[11] Г.Н. Тен, В.В. Нечаев, А.Н. Панкратов и др. Влияние водородной связи на структуру и колебательные спектры комплементарных пар оснований нуклеиновых кислот. II. Аденин — тимин // Журнал структурной химии. 2010 Т. 51 № 5 стр. 889-895

The structure of the energy levels of polyatomic molecules is complicated by the splitting of electronic levels into vibrational and rotational sublevels [1, 2]. Theoretically, it should correspond to the line spectra of absorption, emission, and excitation of luminescence. However, in solutions at room temperature, the spectra of molecules are broad bands [3-16]. As the temperature decreases (77 K), the luminescence spectra of molecules have a vibrational structure (the Shpol'skii effect) [2, 7, 8], but this method is practically impossible for experiments with biologically significant molecules in their most natural medium, aqueous solutions, at room temperature. The structure of the vibrational levels of molecules in an aqueous medium is also difficult to obtain using IR spectroscopy, since water does not transmit light in the IR range [9].

We assumed that the seemingly random "noise" shoulders and small "peaks" of the luminescence spectra are not randomly distributed.

After analyzing the luminescence spectra of thymine in aqueous solutions, we constructed histograms of the distribution of such peaks and shoulders over wavelengths. It turned out that they are indeed distributed not randomly, but are most often observed at 295nm (33898 cm-1), 303nm (33003 cm-1), 312nm (32051 cm-1). , 319 nm (31348 cm-1), 327 nm (30581 cm-1), 336 nm (29762 cm-1), 344 nm (29068 cm-1), 353 nm (28329 cm-1), 363 nm (27548 cm-1), 372 nm (26882 cm-1).

We believe that statistical processing makes it possible to observe manifestations of the vibrational structure of the ground energy level of thymine in an aqueous solution in the luminescence emission spectra, and that each band on the histogram of the “noise” distribution corresponds to a transition from the zero or first vibrational level of the excited state to one of the vibrational levels of the ground state . Based on the data obtained, it was possible to obtain the vibrational frequencies of the IR spectrum of thymine at 895 cm-1 (close to 889 cm-1, obtained experimentally in a non-aqueous solution [10] and theoretically 907 cm-1). [11]), 952 cm-1 (cf. 959 cm-1[10] and 965 cm-1 [11]), 1655 cm-1 (cf. ]. ]), 767 cm-1 (cf. 763 cm-1[10] and 767 cm-1 [11]), 739 cm-1 (cf. ]), 781 cm-1, 666 cm-1 (cf. 662 cm-1[10] and 667 cm-1 [11]), 704 cm-1, etc.



References:

[1] Terenin A.N. "Photonics of Dye Molecules. M-L, 1967.

[2] C.A.Parker "Photoluminescence of Solutions", 1968.

[3] Malkin V.M., Rapoport V.L. Luminescence of aqueous thymine solutions at room temperature // Biophysics. 1999 V. 44 (6) pp. 992-996

[4] Kononov A.I., Bakulev V.M., Rapoport V.L. Exciton effects in dinucleotides and polynucleotides // Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 1993 V.19 pp. 139-144

[5] Bukina M.N., Bakulev V.M., Barmasov A.V., Zhakhov A.V., Ischenko A.V. Luminescence diagnostics of conformational changes of the Hsp70 protein in the course of thermal denaturation // Optics and Spectroscopy. 2015 V. 118 (6) 899-901

[6] Kononov A.I., Bakulev V.M. Red-shifted fluorescence from polyguanylic acid in aqueous solution at room temperature // Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 1996 V.24 (2-3) pp. 211-216

[7] E.V. Shpolsky, "Advances in Physical Sciences," 1960, Vol. 71, p. 215

[8] Shpolsky E.V. "Uspekhi physicheskikh nauk" 1959 Vol. 68, p. 51

[9] A. Smith "Applied Infrared Spectroscopy". М. 1982

[10] Stepanyan S.G., E.D. Radchenko, G.G. Sheina et al. Conformational analysis of 5-substituted derivatives of uracil // Biophys. 1988 Т. 34 vol. 5 pp. 753-758

[11] G.N. Ten, V.V. Nechaev, A.N. Pankratov et al. Effect of hydrogen bonding on the structure and vibrational spectra of complementary base pairs of nucleic acids. II. Adenine - Thymine // Journal of Structural Chemistry. 2010 Т. 51 no. 5 p. 889-895