Введение к работе
Актуальность темы
В последнее время большое внимание исследователей уделяется разработке и применению новых лазерных методов диагпостки живых .фотосинтезирующих организмов (ФСО) или их препаратов г І 1. Исследования в этом направлении стимулируются потребностями таких актуальных в. настоящее время проблем как: создание фотоэлектронных преобразователей, моделирующих ФСО г 2 ]; рациональное использование биологических ресурсов Мирового океана Г 3 1; обмен кислородом и углекислым газом между атмосферой и, океаном - процесс, который во многом определяет состояние глобальной акосистемы; биотестиронание природных вод г 3 і и др.
Среди методов диагностика ФСО все большее место занимают метода лазерной спектроскопии г 4-6 1. Разработка алгоритмов решения обратных задач лазерной спектроскопии ФСО возможна лишь на основе моделей взаимодействия лазерного излучения с ФСО, максимально полно учитывающих особенности построения пигментного аппарата а взаимодействия между светособирающей антенной (ССА) и реакционным центром (РЦ) С I ].
Одним из основных каналов информации о состоянии ФСО является флуоресценция, интенсивность которой при мощном лазерном возбуждении сложным образом зависит «от интенсивности возбуждающего излучения с 4-7 1. В частности, при возбуждении наносекундшми импульсами лазерного излучения с , \ = 532 нм. интенсивность флуоресцэяции нелинейно зависит от плотности потока возбуждающего излучения в широком динамическом диапазоне значений
V - іог,-іог7фотон см^с"' г 4-7 j. На основании предположенной в работе с 6 } модели ФСО удалось объяснить далеко не все особенности экспериментально зарегистрированных кривых насыщения флуоресценции ФСО, что потребовало разработки новой модели взаимодействия лазерного излучения в ФСО в большей степени учитывающей строение ССА и РЦ и особенности фотсфюических процессов в них.
С точки зрения расширения возможностей лазерной спектроскопии ФСО вполне естественным представляется использование помимо обычно применяемого источника импульсного лазерного возбуждения с Л. « 532 нм (2-я гармоника YAG:Nd4na3epa) также и источник малоинтенсивного непрерывного лазерного излучения, длина волны которого попадает в полосу Соре хл"а". Например, излучение He-Cd лазера (мощность ~21 мВт, X .440 нм). В тоже время, особенности флуоресцентного отклика на такое возбуждение и соответствующие ему модели ФСО в литературе не рассматривались. Тем не менее обнаруженный нами экспериментально ' нелинейный характер поведения ФСО при малоинтенсивном стационарном лазерном возбуждении на А.^.440 нм (f=io,5-io17) требовал теоретического осмысления. Из самых общих соображений следовало ожидать, что при возбуждении на A.JM=*40 нм должна возрасти чувствительность количественного определения ФСО в воде методом внутреннего репера г 8 1, а результаты, определения концентрации хл"а" (Си..) в значительно меньшей степени зависят от соотношения между См.а. и концентрацией вспомогательный пигментов в ФСО. Эти предположения необходимо было подвергнуть экспериментальной и теоретической проверке. В случае их подтверждения открывались новые возможности в
диагностики фитопланктона в олиготрофных водах, соотавляющия большую часть Мирового океана.
. Решению поставленных задач лазерной диагностики ФСО и посвящена настоящая диссертация.
Целью диссертационной работы - являлись создание модели взаимодействия лазерного излучения с ФСО более полно и строго, чем это было ранее, учитаващей особенности строения ICE и специфику фотофизических процессов в ней и дальнейшее развитие на втой основе методов лазерной диагностики ФСО.
Научная новизна
1. Разработана модель ФСБ фотосинтезирупцих организмов с
учетом пространственной и спектральной гетерогенности входящих в
нее пигментов. В этой модели реакционный центр (РЦ) рассмотрен
как многокомпонентная "нелинейная" нагрузка для светособирапдвй
антенны (ССА).
2. Теоретически " изучены тенденции поведения
возбужденных синглетных состояний молекул хл"а" ССА и состояний
РЦ в различных временных диапазонах при наяо- и пикосекундном
возбуждениях.
3. В рамках разработанной модели наблюдается существенно
лучшее совпадение экспериментальных и теоретических кривых
. насыщения флуоресценции в значительно более широком интервале мощностей, чем это было получено ранее.
4. Экспериментально обнаружен эффект нелинейной
флуоресценции СССО при стационарном малоинтенсшшом лазерном
возбуадении f=io15-io17 фотон-см^с"1.
Пред л оженая выше модель адаптирована для случая
стационарного возбуждения и на ее основе теоретически описана, экспериментально наблвдаемая нелинейная зависимость флуоресценции, . ФСО от мощности возбуадения при малоинтенсивном возбуждении.
5. Оценен вклад рекомбинационной флуоресценции в общуп
флуоресценцию ССА. ФСО при стационарном возбуждении.
6. Разработаны методики определения концентрации пигментов
фитопланктона в пробах морской воды и в экстрактах с
использованием непрерывного He-Cd лазвра \ =440 'нм. Показана
возможность применения этих методик для диагностики
фитопланктона в олиготрофных районах мирового океана.
. Практическая ценность
Разработанные в диссертационной работе модели ОСЕ ФСО могут быть применены для адекватного описания процессов . миграции энергии между фрагментами ФСЕ, включая РЦ при непрерывном, пико-и наноевкундном режимах возбуждения. Предложении методы измерения скоростных характеристик ФСБ» в частности, скоростей переноса энергии "между спектральными формами хл"а"; а также скоростей обратного переноса энергии из РЦ в ССА и внутри РЦ. .
Обнаруженный эффект нелинейной флуоресценции ФСО при малоинтенсивном стационарном лазерном возбуждении может быть использован '.для разработки новых методов исследования миграции анергии в фотосинтвзирупцих организмах и определения фотосинтвтической активности клеток ФСО.
Лазерные методики измерения концентраций хлорофилла "а" и феофитина "а" в нативных пробах^ и экстрактах фитопланктона (при возбуждении непрерывным He-Cd лазером) могут быть -использованы для практического применения в исследованиях Мирового океана,
вюшчая его.олиготрофнне райони.
