ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ПРИРОДНОЙ ВОДЕ 2005 г.

34
Вестник Московского университета. Серия
3.
Физика. А строномия.
2007.
№ б
ОПТ ИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ
УДК
535.372
ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ НАНОЧАСТИЦ РАСТВОРЕННОГО
ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ПРИРОДНОЙ ВОДЕ
А. С. Милюков, С. В. Пацаева, В. И. Южаков, О. М. Горшкова *) ,
Е. М. Пращикина *)
(кафедра общей физики )
E-mail: spatsaeva@mail.ru
Проведено исследование флуоресценции наночастиц растворенного органического
вещества (РОВ) для различных фракций при следующих длинах волн возбуждения
флуоресценции:
270, 310
и
355
нм. Получены значения квантового выхода флуо­
ресценции коллоидной (с размером молекул от
(с размером молекул менее
5
5
до
нм) и низкомолекулярной
200
нм) фракций. Показано, что положение максимума
спектра испускания зависит от размера молекул РОВ и от длины волны возбуждения.
Под
растворенным
органическим
веществом
(РОВ) понимают смесь высокомолекулярн ы х и низ­
в
ся
природной
воде,
неотъемлем ы ми
компоненты
звеньями
которого
п р иродной
являют­
трофиче­
ной хими ческой природы, находящихся в природной
ской цепи. Было проведено исследование спектраль­
н ы х особенностей наночасти ц РОВ в коллоидной
воде и участвующих в биогеохимических процессах .
В состав РОВ входят белки, полипептиды, нуклеи­
ли осуществлены микро- и ультрафильтрации ото­
новые кислоты, углеводы, гуминовые и фульвовые
бранны х п роб -
кислоты, низкомолекулярные органи ческие кислоты
висимости от молекулярной массы частиц, измере­
комолекулярных органических соединений различ ­
и
их
соли,
спирты,
альдегиды,
другие орган и ческие вещества
разное
химическое
строение,
и размер молекулы (от
5
до
многие
ние оптической плотности и спектров испускания
флуоресценции фракций РО В , анал из полученных
и
молекулярную
1000
разделение РОВ на фракции в за ­
Все они имеют
кетоны
[I ].
и низкомолекуля р ной формах. Последовательно бы ­
массу
нм ) .
спектров, расчет величины квантового выхода флуо­
ресценции РО В и выявление спектральных свойств
РОВ при родного происхождения флуоресци рует
[2-5], поэтому п рименение флуоресцентного анали ­
деление Р ОВ на фракции необходимо для после­
за для диагностики п риродных вод является эффек­
дующего установления г рупп флуорофоров, оп реде­
тивным методом, отличающимся высокой чувстви­
ляющих е го спектральные свойства,
тельностью, дистанционностью и экспрессностью .
характера их физико - хим и ческого взаимодействия .
и закономерностей для выделенных фракций . Раз­
и выяснения
Необходимост ь исследования спектр.альных ха ­
рактеристик РО В обусловлена целым рядом совре­
Материалы и методы исследования
менн ы х научных и пра ктическ их проблем . Экологи­
молекулярных фракций РОВ
ческий мони1оринг природн ых вод, перераспределе­
ние и концентрирование загрязняющих
веществ на
геохимических барьерах ( например , при смешении
пресных
и
соленых
вод,
вод с различной
рату рой,
в придонных слоях
темпе­
на грани це раздела
поверхностных вод с атмосферой), перенос вещества
между океаном, ат мосферой и литосферой, эвтро­
фикация
природных
вод,
п роведение
оптических
измерений в воде, оценка качества воды в процессе
водоподготовки и обеззараживания на водопровод­
ных станциях все эти проблемы требуют изу­
чения флуоресценции Р ОВ природной воды и е го
1<.
Целью настоящей работы стало пр именение спек­
характеристи
тральных
методов
к
изучению
наночастиц
РОВ
•) Географичес1<и й факультет МГУ им. М . В. Ломоносова .
Пробы воды были отобран ы в октябре
2005
г.
в р. Москве по ходу ее течения в четы рех различ ­
н ы х точках, расположенн ы х в следующем порядке :
• проба No 1 (д. Барсуки, верховье р. Москвы,
фоновый ство р) ;
•
проба
No 2
(после
прохождения
реки через
г. Москву и ее окрестности, 0.2 км выше г. Вос­
кресенска);
• проба № 3 (1.0 км ниже г. Воскресенска, после
техногенного геохимического барьера) ;
• п роба
р. Москвы ).
No 4
Ф ильтрация
(г. Коломна,
водных
nроб
0.1
км выше устья
была
осуществлена
в два эта па по схеме, представленной на рис .
1.
С на ­
чала из проб была удалена ор ганическая взвесь п р и
помощи лавсанового мембранного фильтра МФ-200
Вестник Московского университета. Серия
3.
Физика. А строномия.
2007.
№ б
35
сителя порядка 10- 7 моль/ л каждая, а также четы­
ре его эталонных концентрации: 4 · 10- 6 , 8. 10- 6 ,
2 · 10- 5 и 4 · 10- 4 моль/л) .
Проба
Растворы сульфата хинина использовались для
МФ-200
расчета абсолютных
значений
квантового
выхода
флуоресцен ции методом эталонного красителя
[8]
для фракций РОВ и гуминовой кислоты. Во-первых,
РОВ
выбор
в
качестве эталонного
красителя
сульфата
хинина обусловлен тем , что его полоса испускания
флуоресценции близка по форме, ширине и положе­
УАМ- 50
нию максимума
к тем же
спектральным
характери­
стикам изучаемых водных проб. Во-вторых , кван­
товый
ков
выход сульфата хинина в водном растворе
серной кислоты неоднократно был измерен многими
нм
исследователями,
известен
с
хорошей
и рекомендован в качестве эталонного
Рис.
Схема ми кро- и ультраф ил ьтрации проб
/.
точностью
[9] . Кванто­
вый выход флуоресценции водных растворов суль­
фата хинина зависит от типа добавляемой кислоты,
ВОДЫ р. МОСl<ВЫ
ее концентрации и температуры. Он не зависит от
(Дубна,
Россия)
с диаметром
пор
200 нм. По­
длины волны возбуждения в диапазоне
290-360
нм
сле фильтрации на МФ-200 пробы были распре­
и концентрации красителя при концентрациях мень­
делены
ших 10- 6 моль/л.
по трем
идентичным системам
стаканной
Расчет величины квантового выхода флуоресцен­
ультрафильтр·ации, представляющими собой второй
этап. Для ультрафильтрации использовался ацетил ­
целлюлозный фильтр УАМ-50 (Владипор, Россия)
с номинальным диаметром пор 5 нм. Коэффициент
удержания по раствору рафинозы (молекулярный
вес около 600 дальтон) в воде составлял в среднем
96.5 ± 1.0% для трех ультрафиль­
по трем фильтрам
ции
изучаемых
растворов
производился
по следую­
щей схеме:
•
рассчитывались значения ин те гральной ин тен­
сивности испускания флуоресценции для каждого
раствора (с вычитанием сигнала комбинационного
рассеяния воды в тех случаях, где это было необхо­
димо);
трационных ячеек.
•
Молекулярные комплексы РОВ размером менее
определялись значения оптической плотности
цию РОВ, проникли через мембрану. Над фильтром
Dл на длине волны возбуждения спектров флуо­
ресценции (для растворов хинина, имеющих отно­
были удержаны наночастицы РОВ, которые соста­
сительно высокий квантовый выход, задача услож­
вили так называемую кол ло идную фракцию РОВ
нялась малыми величинами оптической плотности);
значения оптической плотности на 31 О и 355 нм для
5 нм, образующие низкомолекуля рную (НМ) фрак­
(КОВ) с размером молекул от
5 до 200 нм.
растворов сульфата хинина рассчитыва лись путем
Спектрал ьные измере ния
экстраполяции значений оптической плотности
Спектры испускания флуоресценции были изме­
в
этих
рены с использованием спектрофлуориметра
длинах
волн
область меньших
для
эталонных
концентраций
на
концентраций
(концентрации
разведенных растворов (порядка 10-7 мол ь/л) рас­
Perkin
Elmer LS55 nри возбуждении на длинах волн 270,
310 и 355 нм . Выбор длин волн возбуждения
считывались
учитывает
опыт
этом для растворов сульфата хинина форма спектра
[2- 7], и во многом
поглощения считалась неизменной во всем исследо­
накопленный
экспериментальный
научных групп , изучающих РОВ
определяется длинами волн возбуждения основных
компонент РОВ. Спектры поглощения и значения
по значениям
оптической
в максимуме спектра поглощения на
плотности
250 нм, при
ванном диапазоне);
•
значен ия оптической плотности на длине вол ­
оптической плотности был и получены н а спектро­
ны возбуждения флуоресценции и интегральной ин ­
фотометрах Specord М40 и Perkin Elmer Lambda
35. Все измерения были выполнены при комнатной
тенсивности испускания флуоресценции для каждой
температуре в стандартных кварцевых кюветах тол ­
фата использовались для построения зависимостей
щиной
lпuo (Dл) эталонного красителя (рис. 2), а линейная
аппроксимация полученных зависимостей lпu 0 (Dл)
1
см.
Были проведены исследования растворов гуми­
новой кислоты Aldrich в пяти различных конrJ.ен ­
тра циях:
0.495; 0.99; 1.99; 3.96 и 7.92 мг/л -
и растворов сульфата хинина в воде с добавлением
из полученных концентраций раствора хинина суль­
для растворов различной концентрации использова­
лась для определения тангенса угла наклона K stand
соответствующих прямых;
концентрации
• для водных проб РОВ в качестве соответству­
0.05 моль/л (четыре различные концентраци и кра-
ющей вели чины тан генса угла наклона К исполь-
серной
18
кислоты
Н 2 SO 4 ,
ВМУ. Физика. Астрuномин . №
взятой
6
в
Вестник Московского университета. Серия
36
f,
ОТН. ед.
3.
Физика. А строномия.
№ б
2007.
волновую об.пасть относительно максимума спектра
60~~~~~~~~~~~~~~~~
флуоресценции
исходной
пробы
РОВ.
Макси мум
испускания НМ фракции, наоборот, сдвинут в на­
50
правлении малых длин волн относительно максиму­
ма испускания исходной п робы РОВ (рис .
40
Это
3).
явление может быть объяснено тем, что, как пра­
30
вило, более крупные молекулярные агрегаты имеют
спектр
20
испускания, сдвинутый
область
по
сравнению
со
в длинноволновую
спектрами
мономеров
n
и меньших молекуля р ных комплексов [ О] .
10
Положение максимума полосы испускания флу­
о
0.002
0.001
Рис.
2.
0.003
0.004 D 0.005
оресценции
различных фракций РОВ зависит от
длины волны возбуждения, что видно на рис .
возбуждении на
Зависимость интегральной интенсивност и
флуоресценции от оптической плотности / 11u 0 (D>.)
приходится
для растворов сул ьфата хинина
310
на
270 и 355 нм
430-440 нм .
При
4.
положение максимума
При возбуждении
на
нм происходит так называемый «синий сдвиг»
максимума в сторону более коротких волн . Положе­
зовали
отношение
флуоресценции
значение
раствора
Ф
интенсивности
к оптической плотности на длине
волны возбуждения
•
интегральной
(31 О
или
355
квантового
выхода
рассчиты валось
= Фstanc1 (K;Kstanct ) ,
нм);
по
где Фstand -
формуле
Ф =
выхода флуоресценции эталонного красителя . При
расчетах для сульфата хинина в водном растворе
вестное
ф=
значение
квантового
моль/л за из­
0.05
выхода
возбуждения приходится
принималось
0.508 [9].
и эстуарных водных п роб. Этот сдвиг обусловлен
возбуждением на
по
трем
нм.
значимости
значения
355
зительно на
20%
Интенсивность, отн. ед.
30
40
20
воз­
2005)
................. 3
\
20
ков
·------- 4
Дистиллиро-
\
···-.:~.
·•..~
/~/
при
---1
··-·- 2
1
\
/ ... ..
1
/......
.."'
1 r-· ../
······..\ .
',
1 :....."
······"
t•
выхода
Пробы РОВ (май
\
\
1 /./
квантового
больше, чем у фракции РОВ);
Интенсивность, отн. ед.
>·,
эксперимен ­
нм :
100
"
полученных
• образцы РОВ: Ф = (1.75 ± 0.25) . 10- 2 ;
• НМ-фракция : Ф = (2.07 ± 0.40). 10-2 (прибли­
У коллоидной фрак ции (КОВ) положение макси­
мума спектра флуоресцен ции сдвинуто в длинно-
60
идентичным
Усреднен ие по четырем пробам РОВ, трем колло ­
РОВ.
1
независимым
идным и трем низкомолекулярным фракциям дало
сит от длины волны возбуждения и от типа фракции
11
абсолютные
тальных значений для выделенных фра кций .)
буждении на
80
и
дены в таблице. (Каждая из исследуемых проб РОВ
следующие
''
[5, 6].
плотности
знач ения кван тового выхода фракций РОВ приве­
Длина волны максимума спектра испускания зави­
/
нм дополнительных групп
Значения оптической
тистической
Типичный спектр люминесценции фракци й РОВ
при возбуждении УФ-светом имеет широкую полосу
410-440
31О
флуорофоров и хромофоров
фильтрационным системам в целях повышения ста­
Испускание флуоресценции фракций РОВ
,..,
нм
417-427
впервые был зафиксирован при изучении морских
распределялась
испускания с максимумом в районе
на диапазон
в зависимости от типа пробы. Такой «Синий сдвиг»
изучаемого
значение квантового
серной кислоты концентрации
ние максимума испускания при этой длине волны
ванная вода
10
',
'
:>".~:.-., .,~' '
···..
:;:·-
··~.............
400
450
500
550
600
400
Длина волны, нм
Рис.
3.
450
500
550
Спектры флуоресценции фракций РОВ с разл ичным размером частиц при возбужден и и на
355
600
Дл ина волны, нм
нм
Вестник Московского университета. Серия
3.
Физика. А строномия.
2007.
37
№ б
Интенсивность, отн. ед.
Интенсивность, отн. ед.
70
35
Пробы РОВ (май
2005)
1 НМ
Возбуждение на
60
30
50
25
40
20
30
15
20
10
270 нм
------ 310 нм
· · - · - 355 нм
фракция РОВ 1
10
о "'---'----=---
-'--- --'--- -- ' -- -- ' -- ----'--
300
350
400
450
-=""'
600
500
300
350
500
450
400
Длина волны, нм
Рис.
4.
выхода флуоресценции фракций РОВ
Место забора пробы
No
фильтра
Dз55
Воскресенск (верх)
Воскресенск (низ}
Коломна
r.
r.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Воскресенск (верх)
Воскресе нск (низ)
Коломна
цией, что коррели рует с соответствующими резуль­
2
0.018
0.028
0.039
0.013
1.64. 102.00 . 10-2
1.34. 10-2
2.00. 10-2
0.012
0.011
0.008
0.028
0.026
0.015
0.030
0.024
0.019
0.010
0.007
0.006
1.98. 10- 2
2.05 . 10-~
2.18 . lo-~
1.62. 10- 2
1.72. 10-~
1.71 . 10-~
1.60. 10- 2
1.80. lo-~
2.00 . 10- 2
2.20 . 10-2
2.85 . 10- 2
3. 10 . 10-~
Фракция КОВ
д . Барсуки
r.
1
2
3
1
2
3
l
2
3
1
2
3
Воскресенск (верх)
г. Воскресенск (низ)
r.
19
Коломна
ВМУ. Физика. Астрuномин . №
6
нм
тового выхода по сравнению с коллоидной фрак­
Фракция НМ
д . Барсуки
355
НМ фракция РОВ имеет большие значения кван ­
Фз55
Фракция РОВ
д . Барсуки
и
• фракция КОВ: Ф = (1.43 ± 0.25) · 10- 2 (прибли ­
зительно на 20% меньше, чем у фракции РОВ).
Значения оптической плотности и квантового
r.
600
Спектры флуоресценции фракций РОВ с разл ичн ы м размером частиц при возбужден rи и на
270, 310
r.
r.
r.
550
Дл ина волны, нм
0.028 I .43 . 10-2
0.030 1.36. 10- 2
0.037 1.13 - 10-2
0.040 1.37. 10-2
().042 1.З2 · ю- 2
0.040 1.37. 10-2
0.054 1.16. 10- 2
0.046 l.36 · l0- 2
0.049 1.23 . 10- 2
0.016 2.00 . 10- 2
0.020 1.83 . 10- 2
0.020 1.55 . 10-~
татами, полученными при изучении флуоресценции
фракций фульвовых кислот
ты
[ 11 ],
[ 11] . По данным рабо­
у фульвовых кислот, входящих в состав
РОВ, при возбуждении на длине волны
337 нм низ­
комолекулярные компоне нт ы обладают в два раза
более высокими квантовыми выходами флуоресцен­
ции 1 ю сраннению с нысокомоJ1екут1рными.
Рассчитанные нами значения квантового выхода
по порядку величины находятся в хорошем согласии
с подобными значениями для фракций РОВ, полу ­
ченных в работе [ 12] методом тангенциальной уль­
трафи льтра ции, при возбуждении на длине волны
313
нм . Сопоставление данн ых для всех представ­
ленных проб и невысокая погрешность ( менее
20%)
расссштанных средних значений позволяет сделать
вывод о
высокой
ч увствительности
используемого
метода и его приемлемости для дальнейших более
детальных исследований наночасти ц РОВ.
Закл ючение
При
,.\ = 310
возбуждении
светом
с
длиной
волны
нм для всех фракций РОВ наблюдается «Си ­
ний» сдвиг максимума флуоресце нции относительно
соответствующих максимумов при возбуждении на
,.\ = 270 нм и ,.\ = 355 нм . Наблюдается сдвиг макси ­
мума флуоресценции КОВ в более длинноволновую
область спектра на
5- 12
нм относительно максиму­
ма флуоресценции низкомолекулярных фракций.
Проведен расчет абсолютных значений кванто­
вого выхода
флуоресценции
Ф
(под которым мы
понимаем квантовый выход флуоресценции суммы
компонентов РОВ или его фракции). Для фракций
Вестник Московского университета. Серия
38
РОВ значение Ф лежит в диапазоне от 1.1 · 10-2
до 3. 1 · 10-2 при возбуждении на 355 нм. У гуми­
новых кислот значение Ф составило 2.5 · 1о- 3 . Н а­
ночастицы РОВ большего размера имеют меньший
квантовый выход флуоресценции. При возбуждении
на .А =
355
нм квантовый выход флуоресценции
КОВ уменьшается на 20% в сравнении с кван ­
товым выходом исходного РОВ, в то время как
соответствующее
значение
квантового
выхода
низкомолекулярных фракций увеличивается на
для
20%.
Авторы выражают благодарность сотруднику хи ­
мического факультета МГУ В. И . Бекетову за предо­
ставленные растворы сульфата хинина.
Литература
1. Leeпher !., Сrоие !. // Environmental Science & Technology. 2003. January. Р. 19.
2. Пацаева С.В., Фадеев В.В., Южаков В.И. и др. //
Вестн. Мос1<. ун -та. Физ . Астрон. 1992. № 5. С. 38.
3. Пацаева С.В., Фадеев Е.М., Южаков В.И. и др . //
Вестн. Мос1<. ун-та . Физ . Астрон. 1991. № 6. С. 71.
4. Пацаева С.В., Филиппова Е.М . , Южаков В.И. и др.
// Вестн. Мос1<. ун -та. Фи.з. Астрон. 1991. № 4. С. 76.
5.
3.
Физика. А строномия.
2007.
№ б
Милюков А.С., Горшкова О.М. , Пацаева С. В., Южа­
ков В.И. // Всеросс. научн. 1<онф. студентов-физи1<ов
и молодых ученых ВНКСФ- 12. Се1<ция ·«Биофизи1<а» .
Новосибирс1<, 2006. С. 534.
6. Parlaпti Е" Worz К" Geoftroy L" Lamotte М. // Org.
Geochem . 2000. Р. 1765.
7. De Soиza Sierra М.М., Doпard O.F.X., Lamotte М. et
а!. // Mari ne Chemistry. 1994. Р. 127.
8. Лакович Дж. Основы флуоресцентной сnе1<Трос1<0пии. М., 1986.
9. Velapoldi R.A., Mieleпz К.D. Standard Reference Materials: а fluorescence standard reference material: quinine sulfate dehydrate. National Bureau of Standards,
January 1980.
10. Южаков В.И. // Успехи химии. 1979. 48, № 11.
с. 2007.
11. Першина И.В., Вермул В. М., Аброскин А.Г. и др . //
Вестн. Мос1<. ун -та. Химия. 1989. № 4. С. 368.
12. Beliп С., Quellec С., Lamotte М. et al. // Environmental Technology. 1993. 14. Р. 1131.
Поступ ила в редакцию
22. 11.06