Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методов лазерной индуцированной флуориметрии для создания аналитических комплексов по оперативному определению и прогнозированию состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения.

Докладчик: Салюк Павел Анатольевич

Должность: Заведующий лабораторией лазерной оптики и спектроскопии, ТОИ ДВО РАН, к.ф.-м.н.

Цель проекта:
Определить оптимальные режимы возбуждения и регистрации спектров лазерной индуцированной флуоресценции жидких сред, что позволит перейти к созданию новых видов научно-технической продукции. Разработать приборный комплекс для анализа жидких сред на основе методов индуцированной флуоресценции позволяющий в оперативном режиме определять: качество воды естественных акваторий, что важно знать при развитии индустриальных и портовых сооружений, развитии аквакультурного хозяйства; качество водопроводной и питьевой воды, что актуально для автономных потребителей на судах, подводных лодках, плавбазах, бомбоубежищах, отдаленных наземных станций и лабораториях; качество сточных вод и оценивать достаточность их очистки в судовых системах, системах коммунального хозяйства, биореакторах. Разработать методику позволяющую использовать в качестве экологического индикатора состояние фотосинтетического аппарата клеток фитопланктона в водах естественных акваторий, что даст возможность научно-исследовательским организациям и экологическим службам проводить оперативный мониторинг и своевременно выявлять и реагировать на антропогенные воздействия. Выполнение проекта будет способствовать выводу на рынок новой научно-технической продукции, обеспечит создание новых рабочих мест.

Основные планируемые результаты проекта:
Для достижения заявленных в проекте целей, необходимо решить ряд теоретических и экспериментальных задач к основным из которых можно отнести:
1. Разработку методов мониторинга воды и фитопланктонных сообществ в естественных акваториях .
2. Определение оптимальных режимов возбуждения и регистрации спектров лазерной индуцированной флуоресценции для задач идентификации и определения содержания растворенных органических веществ естественного и антропогенного происхождения.
3. Создание малогабаритного мобильного комплекса для анализа жидких сред на основе методов индуцированной флуоресценции.

Мониторинг фитопланктонных сообществ подразумевает измерение параметров, характеризующих отдельные клетки и работу фотосинтетической системы на молекулярном уровне, но применительно к большим пространственно-временным масштабам. Для более полного исследования состояния фитопланктонных сообществ и воздействия процессов различной природы (включая антропогенные) на функционирование клеток фитопланктона необходимо определение целого набора параметров, таких как концентрации хлорофилла-а и дополнительных пигментов входящих в состав клетки, скорости электронного транспорта в реакции фотосинтеза органического вещества воспроизводимого в результате реакции фотосинтеза, концентрации растворов химических элементов и их соединений и т.д. Перечисленный набор параметров необходимо измерять оперативно и на больших пространственных масштабах. Наибольшую оперативность и пространственное покрытие морских акваторий можно достичь при использовании оптических методов, реализованных, к настоящему времени только в пассивном зондировании в спутниковых сканерах цвета морской поверхности. Однако, существующий уровень этих технологий обеспечивает низкую точность измерений и даёт ограниченное количество параметров об исследуемых биологических объектах. Активные оптические методы, например метод лазерной индуцированной флуоресценции, имеют лучшую точность измерений и позволяют получать намного более детальную информацию. Совместное использование спутниковых оптических методов и подспутниковых измерений позволит объединить возможности обоих подходов – увеличит достоверность спутниковых измерений и позволит распространить подспутниковые данные на более широкий диапазон пространственно-временных масштабов за счет разработки региональных спутниковых алгоритмов и моделей. К недостаткам метода лазерной индуцированной флуоресценции можно отнести зависимость регистрируемых сигналов от видового состава клеток фитопланктона, и их функционального состояния. С другой стороны, данный недостаток можно преобразовать в достоинство, если научиться выделять требуемые параметры фотосинтетической системы клеток фитопланктона из регистрируемых сигналов. Для этого необходимо подобрать оптимальные режимы возбуждения флуоресценции, заключающиеся в применении различных длительностей и длин волн индуцируемого излучения.

Для определения оптимальных режимов возбуждения и регистрации спектров лазерной индуцированной флуоресценции будут проведены научно-исследовательские работы с учетом полученных ранее результатов и накопленного опыта. Во всех экспериментах для контроля параметров лазерного излучения будут использованы: измерители мощности/энергии лазерного излучения 407A (Spectra Physics, США) и SOLO2 (Gentec, Канада), профилометр LBP-HR (Newport, США) и автокоррелятор PSCOUT PL-SP-LF (Spectra Physics, США). Для генерации гармоник используются BBO кристаллы. При исследовании пространственно-временных характеристик лазерной индуцированной флуоресценции будет использовано следующее оборудование:
-многоканальный оптический анализатор спектра (АЦП 12 бит) и изображения с пикосекундным временным разрешением PicoStar HR (LaVision, Германия) (время экспозиции одиночного измерения от 80 пс, временной интервал между двумя экспозициями – 5 пс) в комплексе с автоматизированным полихроматором SpectraPro 2500i (Spectra Physics), и генератором временных задержек DEL350;
- многоканальный оптический анализатор спектра и изображения типа HSFC PRO (PCO, Германия) - четыре согласованные ПЗС камеры (1024х1280 пикселов) с 12 битным АЦП и со стробируемым ЭОП с временным разрешением от 1 нс до десятков секунд и сопряженные с полихроматором SpectraPro 2500i (Spectra Physics, США);
- комплекты линз, фильтров и объективов для построения изображения на щели полихроматора и входном окне быстродействующих камер (PicoStar HR и HSFC PRO).
Для получения интегральных спектров будут использованы спектрометры USB4000 и Maya 2000 pro (Ocean Optics, США).

Разработанные методы возбуждения и регистрации спектров лазерной индуцированной флуоресценции позволят улучшить точность определения концентрации хлорофилла-а и растворенных органических и неорганических веществ в водах с непостоянным соотношением между этими компонентами. Это в свою очередь дает возможность максимально точно подобрать начальные и граничные условия для модельного подхода, либо в ряде случаев избежать необходимости его использования. Корректное определение концентраций растворенных органических и неорганических веществ и хлорофилла-а позволит перейти к решению таких задач, как оценка состояния фитопланктонных сообществ и оценка биопродуктивности морских вод.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемые методы и инструменты идентификации и определение содержания растворенных органических и неорганических веществ в воде позволят создать принципиально новую продукцию позволяющую в оперативном режиме определять:
качество воды естественных акваторий, что важно знать при развитии индустриальных и портовых сооружений, развитии аквакультурного хозяйства;
качество водопроводной и питьевой воды, что актуально для автономных потребителей на судах, подводных лодках, плавбазах, бомбоубежищах, отдаленных наземных станций и лабораториях;
качество сточных вод и оценивать достаточность их очистки в судовых системах, системах коммунального хозяйства, биореакторах.
Научно-технические решения, полученные в результате выполнения Проекта, могут быть реализованы в виде автоматических датчиков для непрерывного контроля в производственном процессе, сельскохозяйственном процессе или при экологическом мониторинге.
На разработанные методы идентификации и определение содержания растворенных органических и неорганических веществ в воде будут получены правоохряняющие документы.

Текущие результаты проекта:
Разработан регламент патентного поиска "Разработка методов лазерной индуцированной флуориметрии для создания аналитических комплексов по оперативному определению и прогнозированию состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения"
Цель поиска информации: Определение достигнутого технического уровня в РФ и ведущих зарубежных странах. Выявление охранных документов, препятствующих производству и реализации объекта разработки в РФ и зарубежом. Формирование групп патентов-аналогов для дальнейшей оценки перспективности защиты результатов научных исследований.
Смонтирован лабораторный стенд для экспериментальных исследований по индуцированной флуориметрии с использованием серийно выпускаемого научного оборудования в составе: ЭВМ, Лабораторный спектрофлуориметр Varian Cary Eclipse, Лабораторный спектрофотометр Varian Cary 4000, Световодная приставка к флуориметру, погружаемая до глубины 100м, Проточный термосалинограф SBE-45, Надводные датчики фотосинтетически активной радиации, Оптический многоканальный анализатор DiCAM Pro, Nd:YAGлазер OTIS TII (355нм, 532нм), Эксимерный лазер (248нм). Закуплено программное обеспечение для ЭВМ позволяющее: проводить обработку спектров флуоресценции, создавать базы данных спектров флуоресценции, создавать базы данных атомных эмиссионных спектров. Выполнены работы по обеспечению доступа к международным базам данных спектров флуоресценции и архивам данных пассивного спутникового зондирования цвета океана (сканеры CZCS, SeaWiFS, MODIS-Aqua, MODIS-Terra).