Метод определения компонент смеси на основе двумерного спектра люминесценции тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Орлова, Анна Олеговна

• Орлова, Анна Олеговна
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Орлова, Анна Олеговна

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Методы определения спектральных свойств компонент смеси для двухкомпонентных систем.

1.2. Обобщение метода АГК-СМ на случай трехкомпонентных систем.

1.3. Методы, учитывающие только положительность спектров.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод определения компонент смеси на основе двумерного спектра люминесценции»

Люминесцентный анализ широко применяется для решения широкого ряда научных и прикладных задач. С помощью люминесцентного анализа решаются задачи качественного и количественного характера. Он применяется для идентификации вещества по его спектрам люминесценции и спектрам возбуждения люминесценции, для определения концентрации исследуемого объекта, если известны его спектры люминесценции и (или) возбуждения люминесценции. Как известно, существуют и другие методы анализа смесей - например хроматография, экстракция и электрофорез. В данных методах смесь разделяется на компоненты, а затем каждая из компонент отдельно идентифицируется. Люминесцентный анализ позволяет определять компоненты смеси без предварительного их разделения на отдельные компоненты. Как известно, спектр люминесценции гомогенного вещества не зависит от длины волны возбуждающего света. Следовательно, наличие зависимости спектра люминесценции исследуемого объекта от длины волны возбуждения говорит о том, что данный объект является смесью нескольких веществ.

В настоящее время существуют приборы - спектрофлуориметры, которые позволяют регистрировать двумерные спектры люминесценции. Под двумерными спектрами подразумеваются спектры люминесценции, зарегистрированные в широком диапазоне длин волн возбуждения. Возможность получения двумерных спектров люминесценции позволяет проводить обработку полученных данных, не совмещая ее с процессом регистрации. Метод "последовательных исключений", представленный в этой работе, основан на обработке двумерного спектра люминесценции смеси, который содержит всю спектральную информацию.

Для изучения и анализа оптических свойств широкого круга объектов применяются спектрально-люминесцентные методы определения индивидуальных характеристик компонент смеси. Это обусловлено тем, что молекулы обладают индивидуальными спектрами люминесценции. Если спектры индивидуальных компонент известны, то задача определения спектральных свойств компонент смеси в общем случае может быть сведена к решению системы линейных уравнений. Методы, которые решают данную задачу, широко известны и описаны в литературе.

При анализе смеси в некоторых случаях можно определить спектры люминесценции и возбуждения люминесценции, как для известных, так и неизвестных компонент без применения специальных вычислительных методов. Во-первых, это возможно в том случае, если в спектрах возбуждения люминесценции каждой из компонент существует область, при возбуждении в которой люминесцирует только эта компонента. Ко второму случаю относится ситуация, когда спектры люминесценции компонент смеси спектрально разнесены. В данных случаях можно идентифицировать компоненты смеси по их спектрам поглощения, поскольку в большинстве случаев спектр возбуждения люминесценции вещества совпадает с его спектром поглощения.

В случае же, когда спектры возбуждения люминесценции неизвестных компонент смеси сильно перекрываются друг с другом, задача определения индивидуальных свойств неизвестных компонент смеси в общем случае не имеет однозначного решения. Однако, при выполнении определенных условий, задача определения спектров неизвестных компонент смеси может иметь однозначное решение. Методы, которые решают эту задачу, мало распространены и применялись для определения компонент смеси с числом компонент не более трех.

В данной работе разработан "метод последовательных исключений", который позволяет определять спектры люминесценции индивидуальных компонент смеси при отсутствии априорной информации о компонентах, т.е. когда неизвестно число компонент и их спектры люминесценции. Теоретически метод "последовательных исключений" может быть применен к смесям с любым числом компонент. Данный метод применим к смесям, удовлетворяющим следующим условиям: 1) анализируемая смесь является химически и спектрально аддитивной; 2) спектры люминесценции компонент смеси не должны полностью попарно перекрываться. Подробно условие 2) рассмотрено и обосновано в главе 2. Предполагается также, что в анализируемых смесях выполняется закон Вавилова - спектры люминесценции индивидуальных компонент не зависят от длины возбуждения люминесценции.

Ситуации, когда отсутствует априорная информация о числе компонент и спектрах люминесценции возникает, например, при люминесцентном анализе природных загрязнителей. В ряде случаев к такому типу задач относится анализ биологических объектов. Обычно, у фотосинтезирующих организмов существует только люминесценция хлорофилла "а". Люминесценция других пигментов отсутствует, вследствие полного переноса энергии на хлорофилл "а". В данной работе метод последовательных исключений был применен для анализа спектральных свойств мутантного штамма хламидомонады Chl-1. Данный штамм характеризуется нарушенным синтезом хлорофилла а. Из-за дезагрегации пигментного аппарата перенос энергии между другими пигментами сильно ослаблен. Поэтому, в спектрах люминесценции Chi-1, в отличие от "дикого" типа, вместо люминесценции только хлорофилла а наблюдаются несколько полос, принадлежащих предшественникам хлорофилла а. С точки зрения люминесцентных свойств такой объект может рассматриваться как аддитивная многокомпонентная система.

Основные защищаемые положения:

1. Сформулировано условие неполного попарного перекрывания спектров люминесценции компонент смеси, при котором принципиально возможно однозначное определение люминесцирующих компонент по двумерным спектрам люминесценции для смесей с любым числом компонент.

2. Разработан метод "последовательных исключений", который, при выполнении условия неполного попарного перекрывания, позволяет определять спектрально люминесцентные характеристики компонент смеси по двумерным спектрам люминесценции. Метод не имеет принципиальных ограничений для числа компонент смеси.

3. Разработан математический алгоритм, реализующий метод "последовательных исключений".

4. Предложен модифицированный метод "последовательных исключений" для смесей с нарушением условия неполного попарного перекрывания для какой либо одной пары компонент смеси.

5. Показана применимость метода к объектам низкого оптического качества (неоднородным, рассеивающим) на примере биологических объектов; впервые in vivo определены спектры люминесценции и возбуждения люминесценции металлокомплекса протопорфирина и агрегированной формы протопорфирина IX у мутантного штамма хламидомонады.

Диссертационная работа имеет следующую структуру. В первой главе изложены и проанализированы представленные в литературе методы определения компонент смеси без использования эталонов. Методы, описанные в литературе можно разделить на две группы. К первой группе относятся методы, которые решают задачу, имеющую единственное решение, и дают истинное решение. Ко второй группе относятся методы, решающие неопределенную задачу и дающие наиболее вероятное решение.

Вторая глава посвящена методу "последовательных исключений". Во-первых, рассмотрены ограничения и область применения метода. Во-вторых, рассмотрен алгоритм определения спектров люминесценции индивидуальных компонент смеси и спектров возбуждения люминесценции. Наряду с двумя автоматическими вариантами определения спектров люминесценции компонент изложен также и интерактивный вариант. Отдельно рассмотрено обобщение метода в случае нарушения условия неполного попарного перекрывания спектров люминесценции для какой либо одной пары компонент смеси.

В третьей главе рассмотрены результаты применения "метода последовательных исключений". Работоспособность метода, во-первых, продемонстрирована на смоделированной шести компонентной смеси при отсутствии шумов, во-вторых, на реальных трехкомпонентной и четырехкомпонентных смесях. Также, в этой главе приведен анализ влияния шумов на результаты применения метода "последовательных исключений".

В четвертой главе рассмотрены особенности люминесценции биологических объектов, приведены результаты спектрально-люминесцентных исследований фотосинтезирующих объектов, которые использовались в данной работы. Также, в ней изложены результаты применения разработанного метода для определения люминесцирующих пигментов мутантного штамма (Chl-1) и "дикого" типа хламидомонады.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Орлова, Анна Олеговна

Заключение.

По результатам работы можно сделать следующие выводы.

1. Сформулировано условие неполного попарного перекрывания спектров люминесценции компонент смеси, при котором принципиально возможно однозначное определение люминесцирующих компонент по двумерным спектрам люминесценции смеси.

2. Разработан метод "последовательных исключений", который, при выполнении условия неполного попарного перекрывания, позволяет определять спектрально люминесцентные характеристики компонент смеси по двумерным спектрам люминесценции. Разработанный метод принципиально применим для исследования смесей с любым числом компонент. Работоспособность метода "последовательных исключений" продемонстрирована на смоделированной шестикомпонентной смеси (в отсутствии шумов) и на реальных смесях с различным числом компонент, в том числе и для случая четырех компонент.

3. Разработана процедура определения спектров возбуждения люминесценции компонент смеси, основанная на выборе из избыточной системы линейных уравнений ограниченного их числа, равного числу компонент смеси. Рассмотрены два варианта выбора уравнений, обеспечивающие наилучшую обусловленность системы оставшихся линейных уравнений. Продемонстрирована работоспособность одного из предложенных вариантов.

4. Предложена модификация метода "последовательных исключений" для смесей, в которых нарушено условие неполного попарного перекрывания для какой либо пары компонент смеси. Данная модификация позволяет определять спектры люминесценции и возбуждения люминесценции тех компонент смеси, для которых данное условие выполнено. Компоненты, для которых нарушено условие неполного попарного перекрывания, определяются с точностью до линейного преобразования в образуемом ими подпространстве.

Выяснено, что для смесей с различным числом компонент для каждой смеси существует свой допустимый уровень шума в исходных спектрах люминесценции смеси, при котором еще выполняется критерий определения числа компонент для правильного значения компонент смеси. Данное свойство метода продемонстрировано на модельных объектах (смоделированные смеси с числом компонент от двух до шести). Выяснено, что процедура определения спектров люминесценции компонент осуществляется с накоплением шумов. На модельном объекте (смоделированная шестикомпонентная смесь) продемонстрировано, что зависимость уровня шума от номера шага в процедуре определения спектров люминесценции компонент может иметь сложный нелинейный характер.

Впервые in vivo обнаружена люминесценция металлокомплекса протопорфирина IX (положение главной максимума полосы люминесценции 590 нм). Данный пигмент присутствовал во всех трех типах исследованных мутантных штаммов хламидомонады. Применение метода "последовательных исключений" для исследования одного из мутантных штаммов (chl-l-19) позволило впервые полностью определить спектр люминесценции металлокомплекса протопорфирина IX и определить спектры люминесценции и возбуждения люминесценции пигмента с полосой люминесценции 670 нм у штамма chl-l-19. Данный пигмент предположительно идентифицирован нами как агрегированная форма протопорфирина IX.

Применение метода "последовательных исключений" позволило установить гомогенность хлорофилла а в штамме "дикого" типа хламидомонады.

154

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Орлова, Анна Олеговна, 2003 год

1. V.H. Lawton and Е.А. Sylvestre, Self Modeling Curve Resolution. Technometrics, v.13, 1971, pp. 617 633.

2. J.B. Birks, G. Bartocci, G.G. Aloisi, S. Dellonte and F. Barigelletti, Fluorescence analysis of trans-2-styryInaphthalene in solution. Chem. Phys., v.51, 1980, pp. 113-120.

3. Y. P. Sun, D.F. Sears Jr. and J. Salitel, Three-Component Self-Modeling Technique Applied to Luminescence Spectra. Anal. Chem., v. 59, 1987, pp. 2515-2519.

4. A. Spalletti, G. Bartocci, F. Masetti, U. Mazzucato and G. Gruciani, Principal-component self-modeling analysis of fluorescence for some trans-diarylethylenes. A compatison with kinetic analysis. Chem. Phys., v. 160, 1992, pp. 131-144.

5. Y. P. Sun, D.F. Sears Jr., J. Saltiel, F.B. Mallory, C.W. Mallory and C.A. Buser, Principal Component - Tree Component Self-Modeling Analysis to trans-1,2-Di(2-naphthyl)ethane Fluorescence. J. Am. Chem. Soc., v.l 10, 1988, pp. 6974-6984.

6. J. Saltiel, D.F. Sears Jr., F.B. Mallory, C.W. Malloiy and C.A. Buser, Resolution and Structural Assigment of the Three Components in trans-1,2-Di(2-naphthyl)ethane Fluorescence. J. Am. Chem. Soc., v. 108, 1986, pp. 1688 -1689.

7. G. Gruciani, A. Spalletti and G. Bartocci, A Quantitative Fluorimetric Analysis of a Multicomponent System Based on a Modified PCA-SM Method. Z. Physik. Chem., v. 172, 1991, pp. 227-252.

8. S. Wold, Cross-Validatory Estimation of the Number of Components in Factor and Principal Components Models. Technometrics, v. 20, № 4, 1978, pp. 397 -405.

9. N. Ohta, Estimating Absorption Band of Component Dyes by Means of Principal Component Analysis. Anal. Chem., v. 45, № 3, 1973, pp. 553 — 557.

10. M. Dalibart, Multicomponent analysis in luminescence spectroscopy. Talanta, v. 44, 1997, pp. 2231-2235.

11. Ермолаев B.JT., Бодунов E.H., Свешникова Е.Б., Шахвердов Т.А. Безызлучательный перенос энергии электронного возбуждения. "Наука", 1977,311 с.

12. С. Паркер, Фотолюминесценция растворов. Москва: изд-во "МИР", 1972, 510с.

13. Физика и техника спектрального анализа. Люминесцентный анализ, под редакцией М.А. Константиновой-Шлезингер, Москва: Государственное издательство физико-математической литературы, 1961,400 с.

14. Э. Клар. Полициклические углеводороды. Изд-во "Химия", М., 1971, в 2-х томах: т.1.- 455с., т.2 455с.

15. Т.А. Шахвердов, Р. Эргашев, Фотофизика металлокомплексов родамина Б. Оптика и спектроскопия, Молекулярная спектроскопия, т. 87, № 2, 1999г., с. 236-242.

16. A.S Chunaev. Genetics of photosynthesis in Chlamydomonas reinhardii. Photosynthetica, v. 24, № 2, 1990, p. 283-308.

17. A.C. Чунаев и др., Генетика биосинтеза фотосинтетических пигментов у Chlamydomonas reinhardii. Вестник Санкт-Петербургского университета, серия 3, вып. 4 (№24), 1999, с. 122-131.

18. Биофизика фотосинтеза. Под редакцией А.Б. Рубина, Изд-во Московского Университета, 1975, 223 с.

19. Б.А. Рубин, В.Ф. Гавриленко. Биохимия и физиология фотосинтеза. Изд-во Московского университета, 1977,326 с.

20. A.S. Chunaev, O.N. Mirnaya, V.G. Maslov and A. Boschetti. Chlorofhyll band Loroxanthin-Deficient Mutants of Chlamydomonas reinhardii. Photosyntetica, v. 25, 1991, pp. 291-301.

21. K.B. Квитко, Т.Н. Борщевская, A.C. Чунаев, В.В. Тугаринов, Петергофская генетическая коллекция штаммов зеленых водорослей Chlorella, Scenedesmus, Chlamydomonas. Культивирование коллекционных штаммов водорослей. Л., 1987, с. 28-57.

22. В.Г. Маслов, А.С. Чунаев, Исследование первичных фотопроцессов в фотосистеме 2 мутантов хламидомонады методом спектроскопии выжигания провалов. Молекулярная биология, т. 16, вып. 3, 1982, с. 604611.

23. М.У. Шалыга, A.M. Чэкунова, А.С. Чунаеу, Н.Г. Аверына, анашз саставу парф1рынау у мутантау chlamydomonas reinhardii. Весщ Акадэмн навук Беларускай ССР. Серыя Б1ялапчных навук, №4, 1990, с.53-57.I

24. Shalygo N.V., Voronetskaya V.V., Averina N.G., Effect of Mn cations on accumulation of early porphyrin precursors of chlorophyll in barley seedlings. Vestsi Akademii Navuk Belarusi, series of biological sciences, v. 1, 1997, pp. 25-29

25. Г.П. Гуринович и др. Спектроскопия хлорофилла и родственных соединений. Изд-во "Наука и техника", 520 е., Минск, 1968.