Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Лазерная искровая спектроскопия и лазерно-индуцированная флуоресценция для элементного анализа морской воды и состояния клеток фитопланктона .
1.1. Лазерная искровая спектроскопия (ЛИС) конденсированных сред 11
1.2. Минимально обнаружимые концентрации элементов при использовании метода ЛИС и методы повышения контраста эмиссионных линий . 21
1.3. Лазерная индуцированная флуоресценция (ЛИФ) морской воды и фитопланктона 28
1.4. ЛИФ для оценки состояния клеток фитопланктона 32
Глава 2 Экспериментальное оборудование для лазерной искровой спектроскопии и лазерно-индуцированной флуоресценции .
2.1. Техническое обеспечение метода лазерной искровой спектроскопии морской воды и фитопланктона 38
2.2. Экспериментальные комплексы для метода лазерной индуцированной флуоресценции 49
Глава 3. Лазерная искровая спектроскопия морской воды и фитопланктона .
3.1. Определение аналитических характеристик метода лазерной искровой спектроскопии 54
3.2. Чувствительность метода ЛИС при элементном анализе 60
3.3. Мониторинг элементного состава морской воды и фитопланктона методом ЛИС 66
Глава 4. Методы лазерной спектроскопии в задачах мониторинга фитопланктонных сообществ .
4.1. Выделение основных и дополнительных пигментов по ЛИФ спектрам фитопланктона 76
4.2. Характеристики спектров флуоресценции растворенного в морской воде органического вещества 80
4.3. Комплексное использование методов ЛИФ и ЛИС для мониторинга состояния фитопланктонных сообществ 85
Заключение s3
Литература 91
- Минимально обнаружимые концентрации элементов при использовании метода ЛИС и методы повышения контраста эмиссионных линий
- Экспериментальные комплексы для метода лазерной индуцированной флуоресценции
- Чувствительность метода ЛИС при элементном анализе
- Характеристики спектров флуоресценции растворенного в морской воде органического вещества
Введение к работе
Разработка новых оперативных методов зондирования окружающей среды приобретает все более важное значение, в связи с теми изменениями, которые происходят в биосфере. Особое значение придается мониторингу фитопланктонных сообществ, которые являются основными продуцентами органического вещества в океане, тем самым, определяя биопродуктивность морских экосистем, а так же участвуют в обеспечение баланса газовых компонент атмосферы.
В диагностике водных сред и состояния биологических объектов все большее внимание уделяется оптическим методам, среди которых метод лазерно-индуцированной флуориметрии (ЛИФ) является одним из наиболее эффективных. Эффективность данного метода определяется высокой чувствительностью, экспрессностью и возможностью проведения дистанционных измерений. Исследование спектров лазерно-индуцированной флуоресценции, например, позволяет оценивать состояние
фотосинтезирующих клеток фитопланктона по соотношению интенсивностей линий флуоресценции от различных пигментов, входящих в состав клеток, а по динамическим параметрам спектров флуоресценции хлорофилла - а возможно определение величин скоростей электронного транспорта при фотосинтезе [1, 2]. Метод ЛИФ спектроскопии позволяет получать большие массивы непрерывных измерений концентрации хлорофилла - а и флуоресцирующей части органического вещества в поверхностном слое океана, что в совокупности с гидрофизическими, гидрохимическими параметрами дает возможность исследовать влияние процессов различной природы на развитие планктонных сообществ [3,4]. ЛИФ спектры содержат информацию, как о живых клетках фитопланктона, так и об органическом веществе, которое воспроизводится фитопланктонным сообществом и присутствует в морской воде в растворенном и взвешенном состоянии. Это дает возможность использовать ЛИФ метод для исследования углеродных циклов органического вещества на нашей планете. В задачах экологического контроля состояния фитопланктонных сообществ, изучения процессов трансформации и источников происхождения растворенного органического вещества (РОВ), необходимы методы исследования, позволяющие проводить непрерывный мониторинг на больших акваториях. Такие данные позволяют понять основные особенности процессов трансформации и циклов органического вещества в океане в больших масштабах. Дискретные измерения на станциях практически не дают возможность изучить в различных масштабах пространственно-временную изменчивость биологических и биохимических параметров морской воды, особенно в шельфовых зонах, проследить взаимосвязь параметров, характеризующих планктонное сообщество и РОВ.
Основным источником производства органического вещества в океане являются фитопланктонные сообщества [5, 6]. РОВ непрерывно трансформируется в процессе своего превращения, причем по данным работ [5-9], на быстро разлагающуюся (лабильную) часть приходится 75%, остальные 25% образуют стойкий к разложению гумус, сам углерод составляет до 50% от всего РОВ. Основную часть в интенсивность полосы флуоресценции РОВ, при возбуждении лазерным излучением, дает именно лабильная его часть или хромофорное (цветное) РОВ — важная фракция РОВ. Эта фракция является посредником в проведении фотохимических реакций в морской воде, определяет количество и качество солнечного света, достигающего фотосинтезирующих клеток фитопланктона, формирует цвет океана, который регистрируется спутниковыми сканерами и служит основой дистанционных методов оценок характеристик фитопланктона. Эта часть представляет наиболее «легко измеряемую» оперативными оптическими методами часть РОВ [10]. В последние годы широко используются флуориметрические методы для исследования органического вещества в морской воде (включая и нефтяные углеводороды) [например 7, 11]. Несмотря на то, что в некоторых работах указывается на низкую корреляцию между интенсивностью сигнала флуоресценции и концентрацией общего РОВ [см. например 12], все большее число авторов используют методику лазерной индуцированной флуоресценции, для исследования динамики концентрации флуоресцирующего РОВ в морской воде [1, 4, 10], особенно это относится к районам с высокими концентрациями хлорофилла - а, где концентрации лабильной части РОВ приближаются к значению суммарного РОВ.
Для проведения комплексного мониторинга фитопланктонных сообществ необходимо регистрировать элементный состав, как самого фитопланктона, так и среды его обитания. Так, измерение элементов, входящих в макрокомпоненты химического состава морской воды, необходимо для дистанционного определения солености морских вод (измерение Na, К), определения содержания общего углерода и флуктуации его концентрации, исследования распределения остатков продуктов жизнедеятельности морских организмов (измерение Са), регистрации элементов загрязнителей и т.д. Концентрации макрокомпонент в морской воде составляют величину от нескольких десятых долей грамм на литр, до десятков грамм на литр. Измерение концентрации микроэлементов, входящих в состав морской воды, таких как железо, марганец, важно с точки зрения исследования жизнедеятельности планктонного сообщества и в связи с проблемой создания условий для искусственного повышения биопродуктивности в бедных планктоном районах Мирового океана [13]. Для измерения этих элементов необходимо обеспечить величину минимально-обнаружимых концентраций порядка нескольких микрограммов на литр. Кроме того, создание методик, позволяющих оперативно определять концентрации микрокомпонент водных сред, значительно продвинуло бы экспериментальную базу исследования загрязнения водных бассейнов. Наиболее подходящим для данных целей методом является метод лазерно-искровой спектроскопии (ЛИС). Одно из первых применений метода ЛИС для анализа элементов, присутствующих в жидкости в растворенном и взвешенном состоянии, было осуществлено в работе [14]. Определение элементного состава жидкости осуществлялось по эмиссионным линиям, возбуждаемым в лазерной плазме, генерируемой на поверхности жидкости одиночным лазерным импульсом с плотностью мощности, достаточной для создания оптического пробоя. Перспективы использования ЛИС для определения элементного состава морской воды упомянуты в работах [15, 16].
Несомненным преимуществом метода ЛИС является возможность дистанционного измерения, отсутствие предварительной подготовки пробы, высокая степень автоматизации эксперимента и возможность определения элементного состава вне зависимости от фазового состбяния анализируемого вещества. Вопрос о количестве элементов, которые возможно зарегистрировать при конкретном способе возбуждения плазменного факела, зависит от плотности мощности лазерного излучения в импульсе и применяемой регистрирующей аппаратуры. При надлежащем выборе условий возбуждения и регистрации эмиссионных спектров, исследуемых элементов возможно измерение элементного состава жидких сред до концентрации 10" -И 0 г/л [ 17 - 20].
Одним из основных факторов, ограничивающих широкое использование метода ЛИС для анализа жидкостей, является невысокая чувствительность, что делает затруднительным использование на уровне концентраций, близких к предельно допустимым (ПДК). Перспективы повышения чувствительности ЛИС связаны с увеличением контраста спектральных линий и разработкой метода для конкретного объекта. Так предлагается использовать для возбуждения плазмы согласованные импульсы двух лазеров, осуществлять временную селекцию при регистрации эмиссионных линий элементов [21, 22].
Аналогичного результата, на наш взгляд, можно добиться, используя пространственную селекцию излучения плазмы в сочетании с много импульсной методикой возбуждения [23, 24]. В этом случае, возбуждающий лазерный импульс имеет сложную форму (несколько гигантских импульсов на фоне длинного импульса свободной генерации). Поступление материала исследуемого вещества с поверхности образца обеспечивается за счет испарения материала импульсом свободной генерации, а оптимальные термодинамические параметры лазерной плазмы, за счет многократного воздействия импульсов модулированной добротности на плазму канала разряда. Однако, при таком способе возбуждения, существенными становятся флуктуации интенсивностей регистрируемых линий за счет случайного характера начала и развития процесса оптического пробоя. В случае генерации плазменного факела на поверхности мишени, находящейся при атмосферном давлении оптический пробой может наступать не непосредственно вблизи самой поверхности вещества, а гораздо выше, так как в канал распространения лазерного излучения при высокой влажности атмосферы, окружающей исследуемое вещество попадает атмосферный аэрозоль. Случайный характер развития оптического пробоя обусловлен наличием гидрозоля вблизи точки фокусировки, капиллярными волнами на поверхности жидкости и так далее. Все это приводит к тому, что флуктуации интенсивностей исследуемых эмиссионных линий, в случае жидкостей, имеют гораздо больший разброс, чем при анализе твердых тел. В случае возбуждения эмиссионных спектров жидкостей лазерной искрой следует ожидать для ряда элементов и ионов существенного отклонения от условий выполнимости критерия локального термодинамического равновесия (ЛТР). Все это должно сказаться на характере калибровочных кривых, которые экспериментально определяются при проведении аналитических измерений методом лазерной искровой спектроскопии.
Несмотря на развитие в последнее время метода лазерной искровой спектроскопии жидкостей [23, 25, 26], стандартной аппаратуры и методик проведения анализа содержания элементов в жидкостях нет.
Целью настоящей работы является разработка методов лазерной спектроскопии (ЛИС и ЛИФ) для проведения комплексного анализа морской воды и фитопланктона. В связи с этим в данной работе были поставлены следующие задачи:
1. Создать экспериментальные установки (лабораторный и судовой вариант) для разработки метода ЛИС в целях проведения количественного элементного анализа морской воды и клеток фитопланктона.
2. Определить минимально обнаружимые концентрации (МОК) элементов в морской воде методом ЛИС и установить пути уменьшения МОК с использованием данного метода.
3. Разработать метод ЛИС для определения элементного состава клеток фитопланктона в натурных условиях.
4. Исследовать особенности спектров флуоресценции пигментов фитопланктона и органического вещества, растворенного в морской воде при возбуждении лазерным излучением с длинной волны 532 нм.
5. Отработать методику совместного использования методов ЛИС и ЛИФ для анализа состояния фитопланктонных сообществ.
Актуальность постановки данной работы определяется необходимостью разработки новых комплексных дистанционных методов зондирования окружающей среды, которые должны обеспечить более оперативный и точный контроль параметров по сравнению с уже существующими методами. Экспериментальные исследования особенностей формирования эмиссионных спектров элементов, присутствующих в плазменном факеле в условиях нормальной атмосферы, и разработка многоимпульсной методики возбуждения лазерной плазмы на поверхности жидкости позволит значительно уменьшить значения минимально-обнаружимых концентраций, и использовать метод лазерной искровой спектроскопии не только для измерения концентрации макрокомпонент состава морской воды, но и для измерения некоторых элементов, содержащихся в микросоставе. Это позволит применять данную методику для контроля развития и функционирования планктонного сообщества и исследования загрязнений океана.
Разработка методики лазерной флуориметрии для анализа состояния фитопланктонных сообществ и океанических вод необходима для отработки методов, повышающих достоверность интерпретации спутниковых данных по измерению биопродуктивности океанических вод и для проведения надежной калибровки этих измерений. Кроме того, создание подобных аппаратурных комплексов расширяет возможности при разработке новых экспериментальных методов оперативного определения концентраций растворенных органических веществ и взвешенной фракции в морской воде, а также диагностики видового состава и состояния фитопланктонных сообществ.
Совместное использование ЛИФ и ЛИС методов позволит расширить число параметров, используемых при мониторинге фитопланктонных сообществ и установить влияние изменения концентраций элементного состава морской воды на процессы метаболизма клеток фитопланктона.
Минимально обнаружимые концентрации элементов при использовании метода ЛИС и методы повышения контраста эмиссионных линий
В настоящее время чувствительность метода лазерной искровой спектроскопии позволяет, в ряде случаев, достичь минимально обнаружимых концентраций (МОК) химических элементов, растворенных в жидкости, до 10 г/л. Величина МОК может существенно отличается для различных химических элементов при одном и том же способе возбуждения плазмы и регистрации эмиссионных спектров. Это обусловливается многими факторами, в частности, такими как потенциал ионизации атомов, дипольными моментами переходов, расположением линий в регистрируемом спектральном интервале. Для понижения уровня МОК и, следовательно, увеличения чувствительности ЛИС используются различные методы повышения контраста эмиссионных линий, такие как пространственная и временная селекция регистрируемого сигнала, а также различные способы возбуждения лазерной плазмы.
Рассмотрим пространственно - временные параметры лазерной плазмы. Излучение лазерной плазмы состоит из сплошного спектра, возникающего в результате тормозного излучения электронов, рекомбинационного излучения ионов и линейчатого спектра, образующегося при девозбуждении ионов и нейтральных атомов [50,52]. Для диапазона спектра от 200 нм до 1 мкм основной вклад в непрерывный спектр лазерной плазмы дает рекомбинационное излучение [73].
К рекомбинационному излучению относятся процессы захвата ионами свободных электронов, которые сопровождаются излучением квантов электромагнитной энергии. Фотозахват электрона может осуществляться как на основной уровень, так и на возбужденный. При этом вероятность образования возбужденного атома с данной энергией ионизации монотонно убывает с уменьшением энергии ионизации атома [74]. Тормозное излучение возникает в процессе рассеяние свободного электрона в поле иона, в результате которого электрон теряет свою энергию, что сопровождается излучением с широкополосным спектром.
Таким образом, тормозное и рекомбинационное излучение являются основными источниками сплошного спектра лазерной плазмы, генерируемой на поверхности конденсированных сред. Измерения формы непрерывного спектра, как для твердого тела, так и для жидкости, было проведено во многих работах. Например в работе [61] показано, что огибающая спектра носит монотонный характер в диапазоне длин волн от 200 нм до 800 нм с максимумом в районе 400 — 500 нм.
Излучение лазерной плазмы в области низких давлений воздуха в диапазоне 0,1-10 тор характеризуется двумя основными особенностями. Во-первых, регистрируется два максимума свечения на временной развертке интенсивности излучения спектральных линий и сплошного спектра. Во-вторых, наблюдается различный характер изменения интенсивности линейчатого и сплошного спектров в первом и втором максимуме вдоль оси факела [75-80]. Вторая особенность приводит к тому, что ось плазменного факела разбивается на две излучающие зоны, обнаружимые визуально. Первая зона имеет правильную сферическую форму и локализована вблизи мишени - это «горячая зона». Ее размер практически совпадает с диаметром пятна фокусировки. Эта область во время действия лазерного импульса является источником мощного излучения сплошного спектра, интенсивность которого не зависит от давления окружающего газа. Вторая зона свечения плазмы имеет вид либо сферы, либо полусферы. Интенсивность ее свечения падает с понижением давления воздуха. Ниже 0,1 тор она не наблюдается. Происхождение второй зоны связано с распространением ударной волны в плазменном факеле [76-78].
В «горячей» зоне различные компоненты лазерной плазмы высвечиваются практически одновременно. Во второй зоне наблюдается эшелонирование по времени в свечении различных компонентов. Сначала достигает максимума излучение сплошного спектра, затем высвечиваются ионы в порядке убывания заряда, что свидетельствует о рекомбинационном режиме заселения уровней ионов.
В отличие от плазмы твердого тела, плазму на поверхности жидкости нельзя получить в условиях атмосферы низкого давления, поэтому спектроскопические исследования проводятся при нормальном давлении воздуха. При инициировании оптического пробоя внутри различных растворов, получается очень слабый контраст эмиссионных линий исследуемых элементов на фоне широкополосной флуоресценции лазерной плазмы [61].
Измерения элементного состава морской воды без применения техники пространственно-временной селекции сигнала показали, что линии отдельных элементов наблюдаются на интенсивном фоне сплошного спектра воды, возбуждаемого излучением лазера [61,81].
Экспериментальные комплексы для метода лазерной индуцированной флуоресценции
Для регистрации спектров флуоресценции основных и дополнительных пигментов фитопланктона и высших растений, а также растворенного органического вещества, был разработан следующий экспериментальный комплекс (рис. 9.). Использовалось излучение второй гармоники Nd: YAG лазера "Brilliant" (Quantel, Франция) (1) с длиной волны (к=532 нм), энергией Е = 200 мДж и длительностью импульса 4 не. Поворотной призмой (2) излучение направлялось в стеклянную прямоугольную кювету с размерами основания 1,5x3 см и высотой 3 см (3). Диаметр пучка лазерного излучения составлял 0,55 см.
Для обеспечения линейного отклика сигнала флуоресценции на лазерное возбуждение [99], энергия лазерного излучения ослаблялась светофильтрами типа НС 9. Область взаимодействия лазерного излучения с веществом линзой (4) с фокусным расстоянием 7,5 см, расположенной на двойном фокусном расстоянии как от плазмы так и от входной щели полихроматора, проецировалась на входную щель спектрального комплекса "Flame Vision Pro System" (6), (7). Для подавления излучения на длинах волн менее А,=540 нм использовались светофильтры типа ОС-12 (5). Запуск оптического многоканального анализатора осуществлялся от синхроимпульса электрооптического затвора лазера с нулевой задержкой. Время экспозиции составляло 80 не.
Судовой проточный лазерный флуориметр. Лазерный флуориметр предназначен для измерения концентрации хлорофилла а и дополнительных пигментов по спектрам флуоресценции морской воды. Он выполнен таким образом, чтобы обеспечить возможность измерения по ходу судна. Схема флуориметра представлена на рис. 10. Спектры флуоресценции возбуждались второй гармоникой Nd:YAG лазера на длине волны 532 нм, энергия лазерного излучения в импульсе не превышала 10 мДж. Частота посылок лазерных импульсов варьировалась в диапазоне от 1 до 10 Hz. Спектральная регистрирующая аппаратура позволяла измерять интенсивность сигнала флуоресценции в диапазоне от 545 нм до 740 нм с разрешением не хуже 4 нм. Диаметр лазерного пучка увеличивался телескопом (12) до 3 см. Плотность мощности лазерного излучения в кювете составляла порядка 70 кВт/см , что обеспечивало линейный отклик сигнала флуоресценции на лазерное возбуждение. При выполнении этого условия возможно проведение измерения концентрации хлорофилла - а по измерению интенсивности линии флуоресценции на длине волны 675 нм, с использованием метода внутреннего репера [106]. В этом методе измеряется отношение интенсивности линии флуоресценции хлорофилла - а на длине волны 675 нм к интенсивности линии комбинационного рассеяния воды с центром на длине волны 645 нм.
Данное отношение калибровалось на концентрацию хлорофилла - а, измеренную стандартным методом (с помощью спектров поглощения) в пробах морской воды, забираемых из прокачиваемой кюветы. Калибровка осуществлялась только тогда, когда можно было ожидать смены видового состава фитопланктона или в районах с сильной пространственной изменчивостью распределения концентрации фитопланктона.
Возбуждение сигнала флуоресценции проводилось в проточной кювете (объем воды в кювете 250 см3). Прокачка осуществлялась через специальный пластиковый трубопровод, который обеспечивал забор воды с различных глубин. Схема флуориметра и системы прокачки морской воды приведена на рис. 11. Схема прокачки морской воды через лазерный флуориметр на ПУС «Надежда» 1 - корпус судна, 2 - помпа для прокачки морской воды через кювету, 3 -проточная кювета, 4 - лазер, 5 - спектрограф, 6 - фотоприемник, 7 - блок управления, 10 - кювета с датчиками солености 8 и температуры 9, 11-компьютер.
Скорость прокачки воды через кювету составляла 2 литра в минуту. Пространственное разрешение определялось временем обработки спектра флуоресценции. Для получения всего спектра от 545 нм до 740 нм при ширине аппаратной функции 4 нм, требовалась одна минута. При скорости судна порядка 8 узлов, пространственное разрешение составляло 240 метров. ГЛАВА 3. Лазерная искровая спектроскопия морской воды и фитопланктона
Множитель 3 обозначает доверительный уровень и соответствует 99,7 % достоверности. Множитель V2 указывает на необходимость проведения не менее двух измерений: суммарной интенсивности линии и интенсивности фона, а также отдельно интенсивности фона. Такой подход к определению предела обнаружения хотя и эквивалентен, но отличается от определения отношения сигнала к шуму. При спектроопределениях проводится четкое разграничение между отношением интенсивностей линий к фону и шумом. Под фоном здесь понимается непрерывный спектральный фон, а не шум детектора [108]. Такое определение обусловлено тем, что при регистрации излучения лазерного факела эмиссионные линии наблюдаются на фоне широкополосного спектра, вызванного рекомбинационным излучением.
Этим понятием и будем пользоваться в дальнейшем. Поскольку линейчатый спектр лазерной плазмы высвечивается на фоне широкополосного спектра, обусловленного рекомбинационным излучением, то их соотношение определяется структурой и характеристиками лазерного импульса. С целью повышения контраста эмиссионных линий в данной работе используется методика многоимпульсного возбуждения лазерной плазмы [23, 67]. В данном случае исследуемый образец возбуждался импульсом Nd: YAG лазера, состоящим из 2-7 пиков модулированной добротности на фоне свободной генерации (рис. 7), в результате чего величина контраста эмиссионных линий увеличивалась в 3 - 7 раз по сравнению с одноимпульсным возбуждением.
Чувствительность метода ЛИС при элементном анализе
Лазерно-искровой атомно - эмиссионный метод является эталонным методом. Для проведения количественных измерений необходимо построение калибровочных кривых. Необходимо отметить, что способы построения данных калибровок стандартны для атомной эмиссионной спектроскопии. Для решения данной проблемы были приготовлены стандартные образцы содержание определяемых элементов приведено в таблице 6. Регистрация интенсивности спектральных линий производилась на установке, изображенной на рис. 4. Примеры граду ировочных графиков для водных растворов Са, Mg, Ва, Na приведены на рис. 14, и в логарифмическом масштабе на рис. 15, соответственно. На рисунках указаны уравнения прямых и величины достоверности аппроксимации (R2).
С помощью полученных калибровочных графиков согласно (3.1) были рассчитаны предельно обнаружимые концентрации для Na, Са, Mg, Ва, А1, Fe, Zn и Си. Также были рассчитаны воспроизводимости для данных элементов. Результаты расчетов и сравнение полученных результатов с результатами работы [17], где используется техника временной селекции регистрируемого сигнала при одноимпульсном возбуждении лазерной плазмы, представлены в таблице 7. Из таблицы видно, что для таких элементов, как Na, Са, Mg техника пространственной селекции с многоимпульсным возбуждением обеспечивает порог минимально обнаружимых концентраций сравнимый, и даже, в некоторых случаях, более низкий, чем при использовании техники временной селекции регистрируемого сигнала.
Необходимо отметить, такие элементы, как Na, Са и Mg входят в макросостав морской воды, что является важным при применении данного метода для мониторинга элементного состава морской воды. Для таких элементов, как Fe, Си, Zn и А1 нами получены более высокие пределы обнаружения, что может быть связано с условиями возбуждения плазменного факела, в данном случае нами использовалась основная гармоника Nd: YAG лазера с длиной волны 1,064 мкм, в то время как в работе [17] использовалась вторая гармоника с длиной волны 532 нм.
Проведенные согласно (3.1) оценки показали, что минимально обнаружимые сигналы, позволяют приблизиться к минимально обнаружимым концентрациям для Са, Na, Mg, Ва порядка 10" г/л. Оценки, проведенные согласно традиционным методикам [109] показали, что воспроизводимость спектроопределений находилась на уровне 10-25 %. В таблице 8 приведены значения средних концентраций некоторых элементов, присутствующих в морской воде и клетках фитопланктона [ПО]. Из сравнения данных таблиц 7 и 8 можно сделать следующие выводы. Метод ЛИС с пространственной селекцией регистрируемого сигнала на настоящее время обеспечивает порог минимально обнаружимых концентраций, достаточный для прямого измерения концентраций Na, Mg Са в морской воде и Na, Mg Са, Al, Fe в клетках фитопланктона.
Рассмотрим методику и результаты качественного и количественного анализа элементного состава морской воды и фитопланктона методом ЛИС, а также данные по определению элементов загрязнителей морской воды и фитопланктона в условиях, когда их концентрации превышают минимально обнаружимые данным методом концентрации. Таким образом, оптимальные условия эксперимента достигаются при: оптическом пробое в условиях фокусировки ЛИ на поверхности жидкости; регистрации эмиссионных спектров на расстоянии 1,5 мм и выше от поверхности жидкости; многоимпульсном возбуждении плазменного факела. Одной из важнейших характеристик метода является правильность, которая обозначает отсутствия систематических погрешностей. Оценка правильности измерений проводилась следующим образом. Готовился эталонный раствор с заранее известными концентрациями, надежно определенными другими методами (в частности - электрохимическим методом). Концентрации элементов определялись методом ЛИС по полученным градуировочным графикам. Результаты таких определений приведены в таблице 5. Отклонения от концентраций, определяемых электрохимическим методом, с разными знаками указывает на отсутствие систематической погрешности при проведении спектроопределений. Максимальное отклонение при этом не превышало 10%.
Характеристики спектров флуоресценции растворенного в морской воде органического вещества
Результаты экспериментов, полученные методом ЛИФ на отфильтрованной морской воде, бидистиллированной и водопроводной воде представлены на рис. 24. Эксперименты проводились на проточном лазерном флуориметре. По оси абсцисс на рис. 24 отложены длины волн в нм, по оси ординат - интенсивность флуоресценции воды в относительных единицах. Для фильтрации проб морской воды использовались фильтры с диаметром пор порядка 2,5 мкм. Спектр нормирован на интенсивность линии КР воды с максимумом на длине волны порядка 650 нм. По полученным нами результатам, совпадающим с данными работы [114], широкая полоса флуоресценции растворенного органического вещества имеет максимум на длине волны порядка 560 нм при возбуждении лазерным излучением с длиной волны 532 нм. После максимума 560 нм, в длинноволновой области наблюдался близкий к экспоненциальному спад интенсивности спектральных компонент [102].
Параметры экспоненты {а и Ь) определяются «качеством» РОВ и должны отражать специфику условий образования РОВ и стадию распада органических соединений, входящих в него. Эта специфика заключается, прежде всего, в скорости производства РОВ фитопланктонным сообществом, которая зависит от времени года, типов водорослей, и локальных условий в которых развивается фитопланктон (гидрологические, гидрохимические, гидрофизические и т.д. особенности районов). Далее, параметры экспоненты, по-видимому, должны зависеть и от темпов протекания процессов разложения и трансформации органического вещества, вырабатываемого в процессе жизнедеятельности клеток фитопланктона. Процессы деградации в свою очередь зависят от внешних условий, в которых находится РОВ [5]. Поэтому показатель экспоненты в (4.2) отражает, скорее всего, «качество» РОВ в исследуемом районе.
Далее мы будем рассматривать этот параметр как некую условную концентрацию флуоресцирующей части, поскольку нам важны особенности статистических связей между концентрацией хлорофилла-я и параметром, характеризующим не только количество РОВ, но и его качество (т.е. состав и стадию распада). Ранее, в работах [101, 118] сравнивалась концентрация хлорофилла - а и параметр S, который отличался от Q тем, что в него входили полосы флуоресценции дополнительных пигментов. Это усложняло интерпретацию полученных результатов с точки зрения определения соотношений между РОВ и фитопланктоном. Если корреляция между С и Q низкая, это означает, что есть большое количество флуоресцирующего РОВ не связанного с фитопланктонным сообществом, функционирующем в рассматриваемый момент, такие воды были определены как воды 2 типа [101]. В случаях, когда наблюдается хорошо выраженная линейная связь между С и Q (такие воды были отнесены к первому типу), эти параметры можно связать следующим соотношением: Q(C) = Q0+vC (4.4) где QQ = Q(o) - фоновое значение РОВ, a v — удельное воспроизводство РОВ фитопланктонным сообществом, функционирующим на исследуемой акватории в промежуток времени, в котором проводятся измерения. Фактически Q0 соответствует значению условной концентрации флуоресцирующего органического вещества, которая будет наблюдаться в данном районе при нулевой концентрации хлорофилла-я, т.е. в отсутствии фитопланктона. Значение v-C соответствует той лабильной части РОВ, которая вырабатывается фитопланктонным сообществом в данном районе в единицу времени. Тогда величину v можно рассматривать как параметр, характеризующий производство флуоресцирующего РОВ, таким количеством клеток фитопланктона, которое содержит 1 мкг/л хлорофилла-а. Этот параметр должен зависеть от многих внешних факторов, в которых развивается клетка, а так же от видового состава и периода развития клеток фитопланктона [102].
Примеры Q - С диаграмм, полученных в различных районах Охотского моря в 2001 г., приведены на рис. 25 а. На рисунке 25 б. представлены диаграммы рассеяния Q и С, полученные в двух акваториях Атлантического океана, прилегающих к Фолклендским островам в период цветения фитопланктона в 2003 г.
Коэффициенты корреляции — R приведены на графиках. В случае, когда линейная связь между лабильной частью РОВ и концентрацией хлорофилла -а отсутствует (коэффициент корреляции равен 0,43) можно утверждать, что живые клетки фитопланктона, присутствующие в данном районе не являются главным источником поступления РОВ. В то время как для случая диаграмм рассеяния с коэффициентом корреляции 0,61; 0,89; 0,81 существует явная линейная зависимость между этими двумя параметрами и можно утверждать, что основным источником поступления органического вещества в данные воды, являются живые клетки фитопланктона. В последнем случае возможно построение линейной регрессии и определение ее параметров, таких как фоновое РОВ — Qo и производительность фитопланктонного сообщества относительно растворенного органического вещества — v. Последний параметр напрямую характеризует состояние фитопланктонного сообщества, поскольку зависит от состояния фотосинтетического аппарата клеток фитопланктона.
Таким образом, анализ биооптических компонент ЛИФ спектров морской воды и пигментов, входящих в состав клеток фитопланктона позволяет осуществлять мониторинг процессов воспроизводства органического вещества фитопланктонным сообществом.
