1
ВВЕДЕНИЕ.......................................................................4
ГЛАВА I. РАЗДЕЛЕНИЕ ВКЛАДОВ КОМПОНЕНТОВ СМЕСЕЙ СЛОЖНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ПУТЕМ АНАЛИЗА ФОРМЫ ПОЛОСЫ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ.................................................................10
1.1. Введение.................................................................10
1.2. Результаты натурных исследований в прибрежных акваториях Черного моря. .. 11
1.2.1. Аппаратура.............................................................13
1.2.2. Некоторые особенности флуоресценции проб воды из прибрежных акватории Черного моря..................................................................14
1.2.3. Определение концентрации ИЗ модифицированным экстрактным методом ЮНЕСКО........................................................................17
1.2.4. Характерные соотношения концентрации ИЗ и ВГВ в прибрежных акваториях Черного моря..................................................................21
1.2.5. Степень стабильности формы полосы флуоресценции ВГВ в районе работ 22
1.3. Эксперименты с модельными пробами: определение предельно низких вкладов НЗ 24
1.3.1. Приготовление модельных проб...........................................24
1.3.2. Изменение спектров образцов со временем после их приготовления.........25
1.3.3. Проявление взаимодействия ВГВ и НЗ в спектрах флуоресценции их смеси в воде. 26 1.4. Определение вклада НЗ в полосу флуоресценции морской среды с помощью техники искусственных нейронных сетей (ИНС)...................................26
1.4.1. Решение обратных задач с помощью ИНС (краткая литературная справка)....26
1.4.2. Определение вклада НЗ в полосы флуоресценции модельных образцов (результаты численного моделирования).....................................................29
1.4.3. Натурная апробация метода..............................................34
2
ГЛАВА И. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФОТОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФЛУОРОФОРОВ В ДВУХФЛУОРОФОРНЫХ СИСТЕМАХ СЛОЖНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ (ТЕОРИЯ)............................................38
2.1. Модель фотофизических процессов в органическом веществе (по литературе). 38
2.2. Определение фотофизических параметров флуорофоров в двухфлуорофорных
СИСТЕМАХ МЕТОДОМ КИНЕТИЧЕСКОЙ ФЛУОРИМЕТРИИ..................................44
2.2.1. Методы флуориметрии с временным разрешением (по литературе)..........44
2.2.2. Методы флуориметрии с переменным стробированием, используемые в диагностике многокомпонентных смесей СОС (по литературе)....................46
2.2.3. Расчет кинетических кривых (прямая задача)...........................49
2.2.5. Решение обратной задачи с помощью ИНС................................56
2.3. Определения фотофизических параметров флуорофоров в двухфлуорофорных системах методом флуориметрии насыщения.....................................58
2.3.1. Насыщение флуоресценции сложных органических соединений (по литературе).... 58
2.3.2. Представление кривой насыщения.......................................60
2.3.3. Расчет кривых насыщения (прямая задача)..............................61
2.3.5. Решение обратной задачи с помощью ИНС................................64
ГЛАВА Ш. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФОТОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДВУХФЛУОРОФОРНЫХ СИСТЕМ КОМПЛЕКСНЫМ МЕТОДОМ (ЭКСПЕРИМЕНТ)...............................................................66
3.1. Экспериментальная установка............................................66
3.1.1. Лазер................................................................66
3.1.2. Многоканальный анализатор............................................69
3.1.3. Световодный кабель и устройство ввода излучения в пего...............71
3.1.4. Исследование световодного поля на выходе световода...................72
3.1.5. Радиационная стойкость световода и наведенные потери................ 75
з
3.2. Обработка данных........................................................76
3.2.1. Получение кинетических кривых........................................ 76
3.2.2. Получение кривых насыщения............................................77
3.3. Определение фотофизических параметров смеси красителей..................79
3.3.1. Характеристика образцов.............................................. 79
3.3.2. Определение времен жизни и флуоресцентных парциальных вкладов смеси красителей...................................................................80
3.3.3. Определение сечений поглощения смеси красителей.......................82
3.4. Определение фотофизических параметров гумусового вещества...............84
3.4.1. Гипотезы строения и спектрально-люминесцентные свойства водного гумусового вещества (литературная справка)..............................................84
3.4.2. Об определении количества флуорофоров в водном гумусовом веществе.....86
3.4.3. Определение фотофизических параметров флуорофоров гумусового вещества 90
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................95
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................98
4
Введение
Постановка задачи диссертационной работы стимулирована потребностями диагностики смесей сложных органических соединений и сложных органических комплексов, которые возникают в различных областях науки, в том числе в экологии, где бесспорный приоритет имеют неконтактные, в том числе дистанционные методы контроля.
Одной из приоритетных задач экологии является мониторинг природных вод. Под мониторингом понимается, в первую очередь, такая система наблюдений, которая позволяет обнаруживать, идентифицировать и количественно определять "аномалии" в характеристиках экосистемы, например, появление вредных примесей, изменение температуры ("тепловые загрязнения"), изменение характеристик основных естественных компонентов среды - водного гумусового вещества (ВГВ), белковых соединений, фитопланктон и т.п. Поэтому актуальной является задача создания новых методов мониторинга водных сред, позволяющих получать наиболее полную информацию о состоянии водных сред.
Флуоримстрия является эффективным методом исследования вещества и анализа различных объектов. К таким объектам относятся сложные органические соединения (СОС) (прежде всего ароматические и гетероароматические соединения, красители и родственные им органические соединения в различных средах, ВГВ). Основным достоинством флуориметрии является высокая чувствительность, которую она обеспечивает. По-видимому, единственным, серьезным ограничением флуориметрии СОС является ее низкая избирательность, связанная с тем, что в обычных условиях полосы флуоресценции СОС широкие (порядка десятков нанометров) и бесструктурные (если не снимать их в условиях эффекта Шпольского или селективной спектроскопии Персонова, которые реализуются при гелиевых, реже - азотных температурах). Этот недостаток особенно ощутим при анализе смесей СОС, полосы флуоресценции которых перекрываются, и тем более в случае, когда определяемый компонент дает существенно меньших вклад в общую полосу, чем другие (фоновые) компоненты. Именно такая проблема стоит сейчас, например, во флуоресцентной диагностике нефтяных загрязнений (ИЗ) природных вод, в частности прибрежных морских вод: необходимо определить малый вклад нефтяных загрязнений в общую полосу флуоресценции, основным “источником” которой является природное водное гумусовое вещество (ВГВ). Также в природных комплексах часто встречается ситуация, когда не определены носители флуоресценции - флуорофоры, их химическое строение, спектры поглощения и
флуоресценции, фотофизичсские параметры (сечения поглощения, времена жизни, скорости релаксаций). К таким комплексам относятся, например, ВГВ, нефтяные комплексы (пленка, эмульсия). Указанные трудности флуориметрии требуют создания новых подходов в диагностике, наряду с усовершенствованием стандартных.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.
Полным решением задачи диагностики выбранных компонентов среды в их смеси было бы определение контуров полос флуоресценции и их интенсивностей для каждого компонента, а также величин фотофизических параметров - сечения поглощения, времени жизни возбужденного состояния, констант межмолекулярных взаимодействий, которые могут быть использованы для идентификации СОС. Однако эта задача чрезвычайно сложна, и мы в данной работе ограничимся: а) исследованием новых возможностей в спектральном подходе к разделению вкладов, определению интегральных (по спектру) вкладов компонентов в двухкомпонентной смеси СОС; 6) определению двух фотофизических параметров - времен жизни возбужденных состояний и сечений поглощения флуорофоров в двухфлуорофорной системе методами лазерной флуориметрии. Предполагается, что указанные молекулярные фотофизические параметры могут быть использованы в качестве диагностических признаков в дополнении к традиционным параметрам, описывающим форму и положение полос флуоресценции. Эта идея развивачась и реализовывалась ранее для однофлуорофорного случая. В данной работе делается следующий шаг - переход к двухфлуорофорным системам. В качестве примеров таких систем в работе рассмотрены смеси двух красителей и водное гумусовое вещество, в котором, согласно ряду работ, доминируют два флуорофора. Объекты рассматриваются в водной среде, в том числе в морской воде. При этом иредполатется. что приоритетной областью приложения новых методик будет мониторинг морских экосистем.
В диссертации использованы три метода флуориметрии:
• Анализ формы полосы флуоресценции смеси с целью разделения флуоресцентных вкладов компонентов.
• Флуориметрия с временным разрешением (кинетическая флуориметрия в варианте, когда длительности возбуждающего импульса и строба приемника сравнимы со временами затухания флуоресценции СОС и мшут многократно превышать последние);
• Нелинейная флуориметрия.
6
Эти методы рассмотрены при лазерном возбуждении. В первом и втором подходах использование лазерного возбуждения не столь принципиально, однако также весьма существенно, так как обеспечивает необходимое качество полос флуоресценции и кинетических кривых (известно, что характерные величины времен жизни возбужденных состояний молекул СОС лежат в наносскундном диапазоне). В третьем подходе использование лазерного источника принципиально, ибо только при плотностях потока фотонов возбуждающего излучения Ь > 1024 см‘2с’! насыщение флуоресценции СОС проявляется в степени, достаточной для решения поставленной задачи. При решении обратных задач используется наиболее универсальная и эффективная техника обработки первичной информации и построения алгоритмов решения обратных задач - техника искусственных нейронных сетей (ИНС).
Предполагается, что все три метода должны быть реализованы на одном приборе -универсальном лазерном спектрометре в рамках единого методического и алгоритмического подхода.
Таким образом, ЦЕЛЬЮ диссертационной работы было исследование возможностей определения флуоресцентных вкладов и фотофизических параметров компонентов смесей СОС путем применения, в дополнение к спектральному анализу формы полосы флуоресценции, двух методов лазерной флуориметрии - кинетической и нелинейной флуориметрии. Для достижения этой цели решались следующие ЗАДАЧИ.
Исследование возможностей разделения вкладов компонентов в общую полосу флуоресценции смеси СОС в воде путем прецизионного анализа формы полосы - на примере смесей нефтяных углеводородов и водного гумусового вещества, характерных для прибрежных морских вод.
Расчет и анализ кинетики и кривых насыщения флуоресценции двухкомпонентных смесей СОС. Численное моделирование характерных обратных задач.
Экспериментальное исследование возможностей определения фотофизических параметров смесей органических красителей и двухфлуорофорных природных комплексов (на примере ВГВ).
СОДЕРЖАНИЕ.
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы.
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель работы и кратко излагается содержание диссертации.
7
В первой главе приведены результаты натурных исследований. Эта глава носит характер наглядной иллюстрации проблем, стоящих перед создателями методов экологического мониторинга. Рассмотрена задача определения in situ нефтяных загрязнений в прибрежных морских водах. При этом использован наиболее распространенный во флуориметрии подход - анализ спектров флуоресценции, но с применением современной эффективной техники - ИНС. Показано, что с помощью этой техники можно решить задачу определения малых вкладов нефтяных загрязнении (НЗ), но для этого надо распологать априорной информацией о форме полос флуоресценции ВГВ, дающего доминирующий вклад во флуоресценцию прибрежных вод и определяемого объекта - НЗ. Поиски подходов к решению этой сложной проблемы стали одним из стимулов постановки задач, рассматриваемых во 2-ой и 3-ей главах диссертации. Показано, что при наличии указанной спектральной информации, алгоритмы ИНС позволяют определять малые парциааьные вклады НЗ в полосы флуоресценции природной воды, даже при практически полном перекрыгии полос флуоресценции компонент. Проведена натурная апробация алгоритма в экспедиции на Черном море.
Вторая глава посвящена расчету и анализу решений задач кинетической и нелинейной флуориметрии. В первой части главы приведен обзор литературы по спектроскопическим проявлениям структурных особенностей органических молекул. Вторая часть посвящена решению прямых и численному моделированию характерных обратных задач кинетической флуориметрии. В этой части показана возможность одновременного определения времен жизни и отношения парциальных флуоресцентных вкладов флуорофоров, находящихся в смеси. Рассматривается влияние длительности и формы лазерного импульса на кинетические кривые и точность восстанавливаемых из них параметров. Третья часть посвящена расчету и анализу кривых насыщения двухфлуорофорных комплексов. Проведено численное моделирование характерных обратных задач нелинейной флуориметрии. В этой части показана возможность определения сечений поглощения флуорофоров при известных временах жизни и отношении их парциальных вкладов, определенных методом кинетической флуориметрии. Также рассматривается влияние длительности и формы лазерного импульса на кривые насыщения и точность определения сечений поглощения флуорофоров.
Третья глава посвящена экспериментальному исследованию возможностей определения фотофизических параметров смесей органических красителей и двухфлуорофорных природных комплексов (на примере ВГВ). Первая часть главы посвящена описанию характеристик универсального лазерного спектрометра,
- Киев+380960830922