Лазерная диагностика органических комплексов в природных водах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

и .1 п п I | и V

' л»,

РДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М. В. ЛОМОНОСОВА

Физический факультет

На правах рукописи УДК 535. 3: 551. 463. 5

ФИЛИППОВА ЕЛЕНА МИХАЙЛОВНА ЛАЗЕРНАЯ ДИАГНОСТИКА ОРГАНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ В ПРИРОДНЫЙ ВОДАХ 01.04.21 лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1994

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Одной из приоритетных задач охраны окружающей среды является мониторинг природных вод. В большой мере состояние водной среды характеризуется содержанием в воде природных и антропогенных органических соединений. Благодаря способности многих веществ флуоресцировать, одним из чувствительных и' эффективных методов экологического контроля является флуоресцентная спектроскопия. Настоящая диссертационная работа посвящена развитию этого метода применительно к диагностике природных вод. В качестве объектов исследования в данной работе выбраны два класса флуоресцирующих, природных комплексов - растворенное гумусовое вещество и белковые соединения - и класс наиболее распространенных органических загрязнений природных вод - нефтяные ароматические углеводороды.

Однако аналитическими приложениями не исчерпываются возможносгги спектроскопии. Флуоресцентная спектроскопия является эффективным методом установления структуры объекта, изучения процессов внутри- и межмолекулярного переноса энергии, ассоциации молекул и комплексообразования. С этой точки зрения исследование спектрально-люминесцентных свойств водного гумусового вещества (ВГВ), нефтяных углеводородов (НУ) и белковых соединений (аминокислот, пептидов, белков) представляет самостоятельный научный интерес.

Для трех выбранных в работе объектов исследования акценты при проведении подобных исследований расставлены не одинаково, в зависимости от степени изученности каждого вопроса на данный момент. Как известно, флуоресцентные свойства нефтей, в основном, связаны с присутствием в них ароматических НУ, а структура спектров флуоресценции - с химическим составом нефтей, содержащих различные

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Еще раз кратко перечислим цели диссертационной работы:

1. Исследование .спектрально-люминесцентных . свойств сложных органических комплексов (водного гумусового вещества, нефтяных углеводородов и белковых соединений) в природных водах.

2. По результатам этих исследований:

а) установление структуры и природы полосы флуоресценции ВГВ;

б) модификация старых и разработка новых методов лазерной диагностики ВГВ, НУ и белков в природных водах.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ Научная новизна данной. работы состоит в систематическом и комплексном исследовании флуоресцентных свойств органических комплексов - ВГВ, НУ и белковых соединений- вносящих основной вклад в полосу флуоресценции природных вод при их ультрафиолетовом возбуждении; в формулировке, на основе результатов этого исследования, гипотезы о природе полосы флуоресценции ВГВ и разработке физических основ методов лазерной флуоресцентной диагностики указанных комплексов в природных водах.

Практическая ценность состоит в разработке и ■ практической апробации методов лазерной диагностики органических комплексов в природных водах: экстрактного метода определения НУ с возбуждением на длине волны 266 нм (модификация методики ЮНЕСКО) и прямого (непрепаративного) метода раздельного определения ВГВ. НУ и белков в воде.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ: 1. Гипотеза о структуре и природе полосы флуоресценции водного

списка литературы.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации,

формулируется цель работы и кратко излагается содержание диссертации. t

Первая глава посвящена изучению спектрально-люминесцентных характеристик ВГВ, формулировке на этой основе гипотезы о структуре и природе полосы флуоресценции комплекса, получению данных, необходимых для диагностики ВГВ в природных водах.

В разделе 1.1 обсуждается актуальность поставленной для ВГВ задачи исследования и приводится краткий литературный обзор современных представлений о химическом строении и структуре комплекса, что необходимо для правильного понимания спектральных свойств объекта.. Как следует из обзора, вопрос о строении ВГВ пока не решен. Однако уже сейчас доминирующей в литературе является точка зрения, что ВГВ - это органический комплекс, а не набор невзаимодействующих молекул. С этих позиций в данной работе делается попытка трактовать полученные экспериментальные результаты.

Раздел 1.2 посвящен экспериментальному исследованию спектрально-люминесцентных характеристик ВГВ.

В параграфе 1.2.1 кратко описана экспериментальная техника, использованная в работе. Спектры поглощения регистрировались на спектрофотометре "Varian-DMS 100S" (США)- Корректированные спектры возбуждения и флуоресценции были сняты на стандартных ламповых флуориметрах "Jobin Yvon 3CS" с термостатированной кварцевой кюветой (Франция) и HITACHI-850 (Япония). Паралельно этим измерениям спектрй флуоресценции ВГВ были изучены на лазерных спектрометрах в широком диапазоне интенсивностей возбуждающего излучения с Аехс=337 нм (азотный лазер), Аехс=308 нм (эксимерный лазер). Для регистрации спектров флуоресценции использовались оптические многоканальные

предприняты попытки использовать корректированный спектр возбуждения ВГВ в качестве спектра поглощения флуорофоров. Для оптически тонких слоев растворов органических соединений имеет место известное соотношения:

'V

1$Л(1>)=£ 10 Вфл<'!/) !><»> (1) .

В этой формуле 10~ интенсивность падающего света (для корректированного спектра возбуждения (у)=сопзЪ), т}(1>)- квантовый выход флуоресценции флуорофора (о-частота возбуждающего излучения; частота регистрации флуоресценции постоянна), коэффициент,

зависящий от геометрических параметров эксперимента, Бфл(и) оптическая плотность слоя раствора, определяемая поглощением флуорофоров. Для большинства моно-флуоресцирующих (поглощают и флуоресцируют одни и те же молекулы) органических молекул т>( у) =сопэ1 и корректированный спектр возбуждения • повторяет по форме спектр поглощения флуорофоров. В случае комплексов ВГВ форма корректированного спектра возбуждения определяется произведением величин Вфл (V) т)( у ) и после нормировки на и форма именно такого спектра сравнивалась с двумя другими спектрами. Как видно из рис. 1, корректировка и описанная выше процедура приведения спектров не изменили вывода предыдущих работ о существенных различиях форм спектров поглощения и флуоресценции ВГВ. Сохранилось и значительное отличие спектра возбуждения флуоресценции от спектра поглощения (хотя оно стало и не столь сильным, как для некоррелированных спектров, приводимых в ряде более ранних работ). Все это подтверждает предположение о том, что флуорофоры составляют лишь часть хромофоров. Рис. 1 впервые демонстрирует удовлетворительное выполнение правила зеркальной симметрии для спектров испускания и возбуждения флуоресценции ВГВ (в области 290.... 500 ям). Это указывает на то, что в

В #1.2.4 сделаны оценки значений квантовых эффективностей флуоресценции (Т)) для фракций ВГВ двумя различными способами: 1) с использованием в качестве эталона сигнала флуоресценции вещества с известным значением квантового выхода флуоресценции (0.1 нормальный раствор бисульфата хинина в серной кислоте); 2) с использованием в качестве' эталона сигнала комбинационного рассеяния (КР) растворителя. В первом случае для вычисления квантового выхода было использовано соотношение (1). Измерив в одинаковых условиях для эталона и

вещества и, зная П|ЛШ • т)ЭТ(Х), из отношения (А) получили

величину 'В^л(А) • Т}(Л). При втором способе калибровки значение 1? получается из соотношения:

фО=1фл/1КР=Вфлаехс)- ^ехд^^крпкр1 (2)

где 1фл и 1кр - интегральные интенсивности флуоресценции и КР в

линейном режиме возбуждения флуоресценции с длиной волны ^ехс, о^р и

п^р - дифференциальное сечение комбинационного рассеяния и

концентрация комбинационно-активных молекул растворителя, 1-толщина

кюветы. Зная <г^р, пщ, и определяя из спектров 1фл и находим

''фл^ехс'" "'^ехс' ФлУ0РесчиРУ*>щих молекул. Для дальнейших вычислений т>

необходима априорная информация об объекте. В простейшем случае моно-

флуоресцирующих молекул "=0фЛ. Для сложного органического комплекса

ВГВ абсолютное значение оптической плотности флуорофоров не известно

(в общем случае 0^0фл). В данной работе оценка т) выполнена в

предположении Рфл(А>=В(А), что меняет физический смысл этой величины.

Теперь т) не квантовый выход флуорофоров, а эффективность флуоресценции

образца ВГВ равная отношению числа фотонов флуоресценции к числу

поглощенных фотонов раствором ВГВ. Вычисленные по формулам (1) и (2)

значения т) для длины волны возбуждения 308 нм представлены в табл.1.

Хорошее согласие величин между собой свидетельствует о правильном

с формой корректированного спектра возбуждения при ^епйБ^таэГ Увеличение Лехс от 320 нм и выше сдвигает максимум спектра в длинноволновую область {"скорость" движения Аиах меньше "скорости" движения Лехс>. При этом незначительно уменьшается полуширина спектра флуоресценции (не более чем на 30 нм), резко падает интенсивность и все корректированные спектры "вписываются" в контур флуоресценции, полученный при Лехс<320 нм.

В #1.2.6 изучены корректированные спектры испускания и возбуждения флуоресценции ВГВ при различных температурах водной среды. В данной работе было получено, что в диапазоне температур 0... 80®.С форма корректированных спектров не деформируется, значения Лтах и ДЛ не изменяются, уменьшение интенсивности полос апроксимируется экспоненциальной зависимостью. Таким образом, признаков неоднородного уширения полосы флуоресценции ВГВ в ходе эксперимента не обнаружено. Определены поправочные коэфициенты, с помощью которых следует корректировать величины сигналов флуоресценции при различных температурах (в том числе при флуоресцентной диагностике ВГВ в натурных условиях, в природных водоемах).

#1.2.7 посвящен изучению влияния ультрафиолетового излучения как непрерывного (лампа), так и-импульсного (лазер) источников возбуждения на спектральные характеристики ВГВ. Проведеннный краткий анализ литературных данных указывает на качественные и количественные разногласия в результатах различных работ. В данной работе показано, что облучение проб всем спектром ртутной лампы и выборочными участками спектра УФ излучения всегда приводит к уменьшений интенсивности спектров испускания и возбуждения флуоресценции, а облучение светом с Аехс<325 нм - еще и к сдвигу максимума (в область больших длин волн на 10... 15 нм) и деформации контура. Аналогично влияет на спектры ВГВ

близкую природу флуорофоров во всех фракциях. Обметим; что значения сечения поглощения хромофоров, вычисленные из спектров поглощения, отличаются более, чем в 20 раз для двух крайних фракций. В работе были найдены значения поправочных коэффициентов, с помощью которых необходимо корректировать сигнал флуоресценции ВГВ, полученный при различных значениях Г в лабораторных и натурных условиях .

В разделе 1.3 предлагается объяснение результатов, полученных в ##1.2.2-1.2.8, формулируется гипотеза о структуре и природе полосы флуоресценции ВГВ. Наиболее полно и непротиворечиво всё полученные в предыдущих параграфах результаты укладываются в следующую модель. ВГВ - сложные комплексы органических молекул, молекулярная масса которых меняется в широком диапазоне. Комплексы - обладают способностью поглощать УФ свет и флуоресцировать. Во всех комплексах независимо от их массы существуют очень близкие по природе и строению флуорофоры, содержащие один • единственный вид флуоресцирующих центров. Последние внедрены в матрицу окружающих их молекул флуорофора и испытывают воздействия разной степени со сторон» окружения. Вероятностное распределение флуоресцирующих центров по их состояниям в матрице флуорофора определяет спектр всего комплекса ВГВ. Механизм фотофизических процессов, протекающих во флуорофорах при поглощении и испускании света,- скорее свего, отличен от мономолекулярного. Возможно образование возбужденнных состояний флуоресцирующих молекул происходит как путем переноса энергии возбуждения от части поглощающих молекул к цевтрам флуоресценции,, так и в . результате собственного поглощения центрами квантов «^возбуждающего „излучения. - , Однако ., строгие количественные данныег^^ ¡характеризующие.^ро^ека^ие /этих процессов можно Йр1лучить лишь методом и средствами, ;»имщ^Ь1|й9Й :.спектр"оскопии (флеш-фотолиза), скорее всего,т с субнано-т<даи^ гшкосёкундным разрешением.

^ЮСОТАТЮЛ —266 нм

250

250

310 370

(а)

X, нм

310 370,

(Ь)

Рис.2 Корректированные спектры флуоресценции гексановых экстрактов мазута (1), Саратовской нефти (2) и Дизельного топлива (3). Длины волн возбуждения флуоресценции - 266 нм (а) .и 310 нм (б).

15

Таким образом, результаты исследования показали, что выбор новых длин волн возбуждения и регистрации (Лехс=266 нм, Xem^g=308+3 нм) имеет преимущества по сравнению с длинами волн, рекомендуемыми стандартной методикой ЮНЕСКО (Лехс=310 нм, *emis=36° нм): заметно возрастает чувствительность экстрактного метода (благодаря более эффективному возбуждению флуоресценции), информативность (благодаря появившейся возможности идентификации нефтей й нефтепродуктов на' основные классы) и универсальность (благодаря возбуждению большего числа Ароматических углеводородов). Предложенный метод апробирован в лабораторных и натурных условиях.

Раздел 2.3 посвящен прямой (нёпрепаративной) лазерной диагностике НУ в природных водах. Основные проблемы на пути решения задачи обозначены в кратком обзоре ¡забот, посвященных исследованию этого*вопроса. В данной работе был предложен новый подход к решению проблемы прямой диагностики: поиск оптимального возбуждения флуоресценции НУ в• воде. С этой 1 целью исследованы (на "ламповом флуориметре HITACHI-850) корректированные спектры испускания и возбуждения флуоресценции десяти нефтей и нефтепродуктов (з растворенно-эмульгированном состоянии) в воде при различных Хехс и ^emis соответственно'. Из анализа спектральных данных был определен оптимальный по чувствительности метода диапазон длин волн возбуждения флуоресценции:. 260...280 нм. В диссертационной работе было предложено использовать структуру спектров флуоресценции различных нефтяных образцов (при оптимальном возбуждении) для идентификации нефтей и нефтепродуктов по основным классам. Для определения концентрации НУ в воде наиболее эффективной оказалась полоса Amax=32Ö±3 нм. Значения "^коэффициентов связи « представлены в табл.2. Другим важным 'преимуществом длин волн возбуждений из диапазона 260... 280 нм является

нашей и существующей в литературе точками зрения. Также дан обзор научных работ, посвященных изучению флуоресцентных свойств белковых соединений, определению их содержания в природных водах. Имеющиеся в литературе данные и полученные в диссертационной работе результаты исследования спектральных свойств некоторых белков и ароматических аминокислот (на лазерном спектрометре с Аехс=266 нм) свидетельствуют о подобии спектров флуоресценции морской воды ' со -спектрами приготовленных растворов белков. Также экспериментально было показано, что чувствительность лазерного спектрометра позволяет детектировать флуоресценцию белковых соединений на уровне их естественной концентрации в морской воде. Эти экспериментальные факты являются аргументами в • пользу гипотезы о "белковой" природе полосы флуоресценции природных вод с Атах=330 нм (в отсутствии антропогенного загрязнения нефтяными углеводородами).

В разделе 3.3 обсуждаются возможности прямой лазерной диагностики., белковых соединений в природных 'водах.' В данной работе было предложено для •возбуждения флуоресценции различных органических веществ (ВГВ, НУ и белковых.1 соединений) использовать лазерный спектрометр с Аехс=266 нм, а для оценки их концентраций -разработанный., алгоритм определения парциальных вкладов всех' трех классов соединений в полосу флуоресценции природных' вод.'

Приведенные в. разделах 3.2 и 1 3.3 литературные данные свидетельствуют ,том„ что 'проблема диагностйки белково- и гумусоподобных органических.соединений в природных' водах 8.последнее время становится, все - более : актуальной, ' ибо ' дискутируются новые гипотезы о структуре с и генезисе во дного растворенного Органического вещества. Полученные в - данной работе результаты' по флуоресцентным свойствам белковых соединений И" ВГВ и предложенный алгоритм их

сравнению со стандартам методом ЮНЕСКО по чувствительности, информативности и универсальности.

6. Исследованы корректированные спектры испускания и возбуждения флуоресценции нефтей и нефтепродуктов в растворенно-эмульгированном состоянии в воде. Показано, что оптимальным по чувствительности метода диагностики нефтяных углеводородов- jb воде является диапазон длин волн возбуждения флуоресценции 260... 280 нм.

7. Разработан алгоритм определения парциальных вкладов трех классов органических соединений (ВГВ, НУ и белков ) в полосу флуоресценции природных вод при возбуждении на длине волны 266 нм.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Пацаева С. Вг, Фадеев В. В., Филиппова Е. М., Чубаров В. В., Южаков В. И. Изменения полосы флуоресценции природного растворенного органического вещества под действием лазерного ультрафиолетового излучения. // Вестник МГУ, сер. 3, Физика. Астрономия, 1991, , т. 32, N. 4, с. 76-80.

2. Пацаева C.B., Фадеев В.. В;-., Филиппова ; Е. М., Чубаров В. В., Южаков В. И. Влияние температуры и ультрафиолетового излучения на спектрально-люминесцентные характеристики растворенного органического вещества. // Вестник, МГУ, сер. 3, Физика. Астрономия, 1991, т. 32, N. 6, с. 71-75.

3. Пацаева С. В,, Фадеев В. В., Филиппова Е. М., Чубаров В. В., Южаков В. И. Эффект насыщения флуоресценции природного растворенного органического вещества. // Вестник МГУ, Сер. Физика, Астрономия, 1992, т. 33, N. 5, с. 38-42.

4. Пацаева C.B., Фадеев В. В., Филиппова Е. М., Чубаров В. В.,, Южаков В. И. Диагностика органических примесей в кислотах методом - лазерной флуориметрии., // Известия РАН, серия физическая, 1992, т. 56, N12.

5. Filippova Е.М., Chubarov V.V., Fadeev V.V. New possibilities of