Методы лазерной спектроскопии в исследованиях естественных вод

УДК 53

МЕТОДЫ ЛАЗЕРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ В ИССЛЕДОВАНИЯХ ЕСТЕСТВЕННЫХ ВОД

Е.Н. Бауло, Дальрыбвтуз, Владивосток

Обсуждаются результаты разработки наиболее перспективных из существующих на настоящее время лазерных методов, предназначенных для исследования жидких сред и биологических объектов: методов лазерной индуцированной флуориметрии (ЛИФ) и лазерной искровой спектроскопии (ЛИС).

Состояние систем мониторинга водных акваторий во многом зависит от уровня технических средств, используемых при оценке воздействия на них природных и антропогенных процессов. Одним из основных требований к методам и аппаратуре при проведении мониторинга является оперативность проведения анализов, малая трудоемкость и возможность проведения измерений in sty. Современный уровень развития лазерной техники, средств регистрации и обработки оптических сигналов позволяет использовать современные методы лазерной спектроскопии (это резонансная и нерезонансная спектроскопия поглощения, рассеяния и флуоресценция) для решения широкого круга экологических задач [1-3]. Необходимо отметить, что из всех фазовых состояний вещества именно жидкость является самым сложным объектом исследования для методов лазерной спектроскопии, поскольку отсутствие узких линий поглощения в этом состоянии значительно сужает круг задач, решаемых с использованием резонансных методов, которые обеспечивают максимальную чувствительность методов лазерной спектроскопии.

В данной работе обсуждаются результаты разработки наиболее перспективных из существующих на настоящее время лазерных методов, предназначенных для исследования жидких сред и биологических объектов: методов лазерной индуцированной флуориметрии и лазерной искровой спектроскопии. Существует довольно широкий круг задач, где совместное использование этих методов позволяет получать результаты на новом качественном уровне. К таким задачам следует отнести, прежде всего, те, при решении которых необходимо осуществлять одновременный контроль за химическим составом исследуемых объектов и параметрами, характеризующими их состояние или их изменение под воздействием внешних процессов (включая антропогенные воздействия).

Разработка методов ЛИС и ЛИФ проводилась в целях их использования для изучения реакции фитопланктонных сообществ на природные и антропогенные процессы. В настоящее время фитопланктонные сообщества рассматриваются как важнейший элемент углеродного цикла в океане, а также как фактор, в значительной мере определяющий климат на планете. Некоторые авторы рассматривают

его как фактор, влияя на который возможно осуществлять управление климатом на планете посредством воздействия на радиационно-активные компоненты атмосферы. Подтверждение гипотезы резкого увеличения концентрации хлорофилла «а» на больших акваториях океана за счет искусственного обогащения верхнего слоя лимитирующими рост клеток элементами находит подтверждение в ряде работ. Получены результаты, демонстрирующие увеличение концентрации хлорофилла «а» в пределах водных акваторий, которые подверглись выпадению аэрозоля, выносимого из пустынь Сахара и Гоби. Такое возрастание концентрации хлорофилла «а» объясняется поступлением в верхний слой океана микроэлементов, содержащихся в пустынном аэрозоле, которые резко увеличивают скорости электронного транспорта при фотосинтезе и как следствие вызывают локальное цветение водорослей. Искусственное стимулирование развития клеток фитопланктона на больших водных акваториях может менять сложившиеся естественные углеродные циклы и приводить к изменениям биооптических параметров морской воды на больших масштабах.

Проблема оперативного мониторинга элементного состава водных сред и клеток водорослей, а также контроль за состоянием последних, встает и при исследовании воздействия загрязнений на функционирование фитопланктонных сообществ.

ЛИС уже длительное время используется для анализа химического состава твердых тел и газов [4, 5]. Первые работы по применению ЛИС для исследования элементного состава водных сред стали появляться в конце 80-х годов прошлого столетия [6, 7]. ЛИС основан на возбуждении лазерной искры на поверхности твердых тел, жидкости или в газе и последующем исследовании спектрального состава излучения лазерной плазмы, исходящего из области лазерного пробоя. Измерение интенсивности узких эмиссионных линий элементов, присутствующих в области пробоя, и последующее сравнение с соответствующими калибровками позволяет проводить измерение концентрации элементов в исследуемых образцах. Многочисленные достоинства этого метода хорошо известны [8], основные из них: отсутствие прямого контакта с исследуемым образцом (возможность проведения дистанционных измерений [9], отсутствие необходимости предварительной подготовки пробы, возможность проведения анализа вне зависимости от агрегатного состояния вещества и одновременная регистрация большого числа элементов, экспрессность метода, высокая степень автоматизации. Необходимо отметить, что чувствительность ЛИС по обнаружению концентрации элементов зависит от регистрируемого элемента (минимально-обнару-

жимые концентрации (МОК) для различных элементов могут значительно различаться), а также от способа возбуждения лазерной искры и метода регистрации эмиссионных линий элементов лазерной плазмы.

Прямой метод ЛИС с использованием лазерных импульсов наносекундной длительности, в котором производится прямая регистрация спектральных линий, интегрально по времени, и со всей области лазерной плазмы [101 способе обеспечить регистрацию элементов в жидкости на уровне 10" -10-3 г/л. Использование различных схем метода ЛИС: многоимпульсное возбуждение лазерной плазмы, пространственную и временную селекцию эмиссионных линий от непрерывного излучения лазерной плазмы [11], позволяет к настоящему времени проводить измерения концентрации элементов, содержащихся в водных растворах на уровне 10-3-10-4 г/л. Однако даже такая величина МОК позволяет использовать ЛИС в самых различных экологических приложениях. Этот метод перспективно используется для экспресс-мониторинга загрязнения водных акваторий и особенно процессов накопления элементов -загрязнителей клетками фитопланктона.

Создание новых лазерных источников, генерирующих лазерные импульсы фемтосекундной длительности, позволяет значительно поднять величину контраста эмиссионных линий регистрируемых элементов на фоне непрерывного излучения лазерной плазмы и уменьшить значение минимально обнаружимых концентраций до уровня 10-5-10-6 г/л [12].

Для исследования реакции фитопланктонных сообществ на антропогенные воздействия необходимы методы, которые позволили бы осуществлять измерение характеристик фотосинтетической системы живых клеток в процессе различных внешних воздействий. И кроме измерения элементного состава клетки необходимо проводить измерения различных параметров, характеризующих фотосинтетическую активность фитопланктонных сообществ. К таким параметрам относятся: концентрация основного пигмента клеток фитопланктона - хлорофилла «а», удельное воспроизводство органического вещества в процессе жизнедеятельности клетки, скорость электронного транспорта в реакции фотосинтеза. Эти параметры возможно оперативно измерять с использованием метода ЛИФ [13-15]. Спектрометры ЛИФ реализованы в настоящее время как в лидарном исполнении (для дистанционного измерения спектров ЛИФ с борта судна или авианосителях [16,17]), так и в прокачиваемых и погружных вариантах с оптоволокном, что также позволяет проводить оперативные измерения по ходу судна [18].

Прямой метод ЛИС жидкости и растительных клеток основан на регистрации эмиссионных спектров лазерной плазмы, генерируемой лазерным излучением с плотностями мощности более или порядка 108 Вт/см2 на поверхности исследуемой жидкости или пробах фитопланктона. Эти значения легко достигаются в Ш: УАЗ лазерах с длиной волны излучения 1064 нм, длительностью импульса 10" си энергией излучения в десятки миллиджоулей при фокусировке на исследуемый образец. Для уменьшения значений МОК прямой метод ЛИС получил дальнейшее развитие, которое заключалось в использовании многоимпульсного возбуждения лазерной плазмы на

поверхности исследуемых образцов, а также в пространственной и временной селекции эмиссионных линий на фоне непрерывного излучения плазмы.

Схема спектрометра ЛИС, который использовался нами в различных вариантах, включая применение методов пространственной и временной селекции эмиссионного спектра в лабораторных и натурных условиях (в морских экспедициях), показана на рис. 1, а. Пример спектра лазерной плазмы, генерируемой на поверхности проб морской воды и фитопланктона, приведен на рис.1, б, в соответственно.

а

1 - Nd:YAG лазер с фототропным затвором на кристалле LiF, 2 - поворотная призма; 3 - фотодиод; 4 - фокусирующая линза с фокусным расстоянием 7 см; 5 - защитное стекло; 6 - объектив; 7, 8 -диафрагмы размером 0,5 х 10 мм; 9 - мишень; 10 - ФЭУ 79; 11 - монохроматор; 12 - ПЗС линейка; 13 - АЦП Ла-н10М6; 14 - персональный компьютер

2.W 170 МО m 4S0 470 <10

I им

В

Рис. 1. Схема спектрометра ЛИС (а); спектр лазерной искры на поверхности проб морской воды (б); эмиссионный спектр проб фитопланктона (в) При проведении количественного анализа фитопланктона интенсивности эмиссионных линий химических элементов сравнивались с калибровочными графиками, полученными для растворов исследуемых элементов с соответствующими поправочными коэффициентами. Предварительно из спектров с пробами фитопланктона, осажденного на фильтр, вычитались спектры чистого фильтра.

Аппаратурный комплекс, предназначенный для анализа качества морской воды и оценки состояния фитопланктонных сообществ, был разработан на базе спектрометров ЛИФ и ЛИС, которые проводят анализ морской воды в проточном варианте. На рис. 2 приведена схема малогабаритного ЛИФ спектрометра, который использовался в морских экспедициях для исследования воздействия процессов различной природы и масштабов на фитопланктонные сообщества (рис. 2), а также примеры спектров флуоресценции морской воды при возбуждении второй и третьей гармоникой излучения Nd:YAG лазера, используемого в спектрометре ЛИФ (рис. 3, а, б) [19].

Рис. 2. Схема спектрометра ЛИФ: 1 - YAG лазер (длины волн излучения 532 и 355 нм); 2 - блок питания и охлаждения лазера; 3 - оптическая кювета; 4 - оптический фильтр ОС-12; 5 - полихроматор МДП-1; 6 - оптические фильтры; 7 - блок питания ЭОП; 8 - ЭОП ЭПМ-47Г; 9 - объектив; 10 - ПЗС-камера; 11 - ЭВМ с платой управления ПЗС-камерой

б

а

Рис. 3. Спектры ЛИФ при возбуждении второй и третьей гармониками излучения, соответственно

Наличие линий флуоресценции хлорофилла «а», его производных и других пигментов, входящих в состав клеток фитопланктона, позволяет использовать эти спектры для измерения их концентрации. Исследование статистических зависимостей между параметрами спектра растворенного органического вещества (РОВ) и концентрацией хлорофилла «а» дает возможность получать информацию о производстве РОВ клетками фитопланктона и измерять величину удельного воспроизводства органики клетками в процессе фотосинтеза, что характеризует состояние фотосинтетического аппарата клетки, наряду со скоростью электронного транспорта.

По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что предложенные методы лазерной спектроскопии и их технические возможности могут быть использованы для исследования естественных вод в решении экологических задач разного уровня и по обнаружению антропогенных загрязнений в воде и для оценки биопродуктивности морских акваторий.

Библиографический список

1. Chen R.F. In situ fluorescence measurements in coastal waters // Organic Geochemistry. 1999. № 30. P. 397-409.

2. Barbini R., Colao F., Fantoni R., Ribezzo A. Differential lidar fluorosensor system used for phytoplankton bloom and sea water quality monitoring in Antarctica // International Journal of Remote Sensing. 2001. Vol. 22, № 2/3. P. 369-384.

3. Hussain T., Gondal M. A. Monitoring and assessment of toxic metals in Gulf War oil spill contaminated soil using laser-induced breakdown spectroscopy// Environmental Monitoring and Assessment Environmental Monitoring and Assessment. Volume 136. Numbers 1-3 / (2008). P. 391-399.

4. Gomba J.M., D'Angelo C., Bertuccelli D., Bertuccelli G. Spectroscopic characterization of laser induced breakdown in aluminiumlithium alloy samples for quantitative determination of traces // Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, V56 (2001), № 6. P. 695705.

5. Haisch C., Niessner R., Matveev O. I., Panne U. and Omenetto N. Element-specific determination of chlorine in gases by Laser-Induced-Breakdown-Spectroscopy (LIBS) // Analytical and Bioanalytical Chemistry. Volume 356. Number 1. (1996). P. 21-26.

6. Букин О.А., Павлов А.Н., Сушилов Н.В. и др. Использование спектроскопии лазерной искры для анализа элементного состава водных сред // Журнал прикладной спектроскопии. 1990. Т. 3. № 5. С. 736-738.

7. Прохоров А.М., Власов Д.В., Ципенюк Д.Ю. и др. Исследование возможности дистанционного определения содержания железа в морской воде по эмиссионному спектру лазерного пробоя // Журнал прикладной спектроскопии. 1991. Т. 55. № 2. С. 313-314.

8. Rusak DA., Castle B.C., Smith B.W., Winefordner J.D. Recent trends and future of laser-induced plasma spectroscopy // Trends in analytical chemistry. 1998. V. 17. № 8 + 9. P. 453-460.

9. Прохоров А.М., Власов Д.В., Ципенюк Д.Ю. и др. Дистанционный элементный анализ состава морской воды по эмиссионному спектру лазерной плазмы // Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 4. № 4. С. 445446.

10. Букин О.А., Алексеев А.В., Ильин А.А., Голик С.С., Царев В.И., Бодин Н.С. Использование лазерной искровой спектроскопии с многоимпульсным возбуждением плазмы для мониторинга качества морской воды и состояния фитопланктона // Оптика атмосферы и океана. 2003. Т. 16. № 1. С. 26-32.

11. Fiched P., Mauchien P., Wagner J-F., Moulin C. Quantitative elemental determination in water and oil by laser induced breakdown spectroscopy // Analytica d-iimica Acta. 2001. V. 429. № 2. P. 269-278.

12. Букин О.А., Голик С.С., Ильин А.А. и др. Лазерная искровая спектроскопии жидких сред с возбуждением импульсами фемтосекундной длительности // Оптика атмосферы и океана. 1993. Т. 22. С. 296-300.

13. Иванов И.Г., Фадеев В.В. Лазерная флуоресцентная диагностика фитопланктона в режиме насыщения // Квантовая электроника. 1988. Т. 15. № 1. С. 191-197.

14. Bukin O.А., Pavlov A.N., Permyakov M.S., Major A. Yu., Konstantinov O.G., Maleenok A.V., Ogay S.A. Continuous measurements of chlorophyll-a concentration in the Pacific Ocean by shipborne laser fluorometer and radimeter: comparision with SeaWiFS data // International Journal of Remote Sensing. 2001. V. 22. № 2/3. P. 415-428. Kolber Z.S., Falkowski P.G. Use of active fluorescence to estimate phytoplankton photosynthesis in situ // Limnology and Oceanography. 1993. V. 38. № 8. P. 1646-1665.

15. Kolber Z.S., Falkowski P.G. Use of active fluorescence to estimate phytoplankton photosynthesis in situ // Limnology and Oceanography. 1993. V. 38. № 8. P. 1646-1665.

16. Barbini R., Colao F., Fantoni R., Palucci A., Robes S. Differential lidar fluorosensor system used for phytoplankton bloom and seawater quality monitoring in Antarctica // Int. J. Remote Sensing. 2001. V. 22. № 2/3. P. 369-384.

17. Hoge F.E., Swift R.N. Airborne simultaneous spectroscopic detection of laser-induced water Raman backscatter and fluorescence from chlorophyll a and other naturally occurring pigments // Applied Optics. 1981. V. 20. № 18. P. 3197-3205.

18. Бауло Е.Н. Разработка судового лазерного флуориметра для определения концентрации хлорофилла «А» в морской воде // Матер. международных чтений «Приморские зори - 2009». Вып. 2. С. 127-131.

19. Майор А.Ю., Букин О.А., Бауло Е.Н.и др. Компактный судовой флуориметр // Оптика атмосферы и океана. 2007. Т. 20. № 3. С. 283-285.