Вращательная диффузия описывает случайное вращательное движение молекул в жидких средах, обусловленное тепловым движением окружающих частиц. Для флуоресцентных молекул это движение напрямую влияет на поляризацию излучения и временные характеристики флуоресценции. Молекулы не остаются неподвижными в пространстве; их ориентация изменяется с течением времени, что отражается на спектральных и поляризационных свойствах света, излучаемого при возбуждении.
Математически вращательная диффузия характеризуется коэффициентом вращательной диффузии (D_r), который определяется формулой Стокса–Эйнштейна для сферических молекул:
[ D_r = ]
где (k_B) — постоянная Больцмана, (T) — абсолютная температура, () — вязкость среды, (r) — радиус молекулы. Для анизотропных молекул, имеющих форму эллипсоида или цилиндра, рассматриваются три независимых коэффициента вращательной диффузии вдоль главных осей молекулы.
Вращательное движение молекул влияет на поляризацию испускаемого света. При возбуждении линейно поляризованным светом ориентация молекул относительно вектора возбуждения определяет вероятность перехода. Если молекула успевает значительно повернуться за время жизни возбужденного состояния, поляризация флуоресценции теряется — наблюдается деполяризация излучения.
Временная зависимость анизотропии (r(t)) описывается выражением:
[ r(t) = r_0 e^{-t/}]
где (r_0) — исходная анизотропия, зависящая от углового распределения моментов перехода, (= 1/(6 D_r)) — характерное время вращательной диффузии. Эта зависимость используется для изучения размеров и формы молекул, а также вязкости среды.
Основной метод — поляризационная флуориметрия. Измеряются интенсивности испускаемого света, поляризованного параллельно ((I_)) и перпендикулярно ((I_)) направлению возбуждения. Анизотропия вычисляется по формуле:
[ r = ]
Эта величина позволяет оценить как динамику вращения молекул, так и их взаимодействие с окружающей средой. Для временной флуоресценции анизотропия определяется через флуоресцентное декей-время, что позволяет получать кинетические характеристики молекулярного вращения.
Форма молекул оказывает существенное влияние на вращательную диффузию. Сферические молекулы демонстрируют одинаковую скорость вращения во всех направлениях, а анизотропные молекулы имеют различные коэффициенты вращательной диффузии вдоль своих осей. В таких случаях наблюдается мультиэкспоненциальный декей анизотропии:
[ r(t) = _i r_i e^{-t/_i}]
где (i) соответствует разным направлениям вращения. Анализ этих компонентов позволяет выявить геометрические параметры молекул и характер их взаимодействия с растворителем.
Вязкость и температура среды напрямую влияют на скорость вращательного движения молекул. Увеличение вязкости приводит к замедлению вращения и увеличению времени анизотропного декея, в то время как повышение температуры ускоряет движение. Кроме того, присутствие макромолекул или полимерных матриц может ограничивать вращение флуорофоров, вызывая «застревание» ориентации и увеличение исходной анизотропии.
Современная флуоресцентная спектроскопия использует как стационарные, так и временные методы для измерения анизотропии. Технологии с быстрым детектированием позволяют регистрировать вращение молекул в наносекундном диапазоне, обеспечивая высокую точность измерений. Использование многофотонного возбуждения и поляризационной микроскопии расширяет возможности пространственного анализа вращательной динамики внутри клеток и сложных биологических систем.
Эта область сочетает фундаментальные законы молекулярной динамики с практическими инструментами анализа, предоставляя уникальные сведения о структуре, взаимодействиях и свойствах молекул в растворах и биомембранах.