CC BY
3ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ СПЕКТРОВ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ В МОРСКОЙ ВОДЕ ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ _ФЕМТОСЕКУНДНЫМИ ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ_
Майор Александр Юрьевич
д.т.н., ведущий инженер электроник ФГБОУДальневосточный федеральный университет
г. Владивосток Прощенко Дмитрий Юрьевич к.ф.-м.н., техник-проектировщик ФГБОУ Дальневосточный федеральный университет
г. Владивосток Голик Сергей Сергеевич к.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник ФГБОУ Дальневосточный федеральный университет
г. Владивосток Нагорный Иван Григорьевич кандидат физ.-мат. наук Дальневосточный федеральный университет
г. Владивосток Лисица Владимир Владимирович аспирант
ФГБОУ Дальневосточный федеральный университет
г. Владивосток Кульчин Юрий Николаевич
доктор физ.-мат. наук Дальневосточный федеральный университет
г. Владивосток
INVESTIGATION OF THE FEATURES OF THE FORMATION OF FLUORESCENCE SPECTRA IN SEAWATER DURING EXCITATION BY FEMTOSECOND LASER PULSES
Mayor Alexander
Far Eastern Federal University Vladivostok Proschenko Dmitriy Far Eastern Federal University Vladivostok Golik Sergey Far Eastern Federal University Nagorny Ivan Far Eastern Federal University Vladivostok Lisitsa V.V. Far Eastern Federal University Vladivostok Kulchin Yuriy Far Eastern Federal University Vladivostok
АННОТАЦИЯ
Проведено исследование параметров спектров флуоресценции клеток фитопланктона при возбуждении фемтосекундными лазерными импульсами на длинах волн 470, 480 и 490 нм. Исследовалась зависимость эффективности выхода флуоресценции от концентрации хлорофилла А и длительности возбуждающих импульсов.
ABSTRACT
The parameters of fluorescence spectra of phytoplankton cells were studied under excitation by femtosecond laser pulses at wavelengths of 470, 480, and 490 nm. The dependence of the efficiency of the fluorescence yield on the concentration of chlorophyll A and the duration of the exciting pulses was investigated. Ключевые слова: фемтосекундные импульсы, флуоресценция, хлорофилл А Keywords: femtosecond pulses, fluorescence, chlorophyll A
В настоящее время различные оптические методы прочно вошли в арсенал решений для изучения различных характеристик морской водной среды [1]. В частности, широкое распространение получил метод лазерной искровой спектроскопии (ЛИС) для оперативного дистанционного определения элементного состава пробы морской воды [2, 3, 4]. В свою очередь весьма обширную информацию о физико-биологическом состоянии водной среды возможно получить с помощью метода лазерной индуцированной флуоресценции (ЛИФ) [5]. При этом использование метода ЛИФ при возбуждении импульсами длительностью с временным разрешением меньшим, чем времена поперечной релаксации энергетических уровней молекулярных комплексов, входящих в состав морских фотосинтези-рующих сред, открывает новые возможности по изучению строения морской воды. В данной работе представлены результаты по изучению спектров флуоресценции морской воды при возбуждении УКИ импульсами.
Для формирования фемтосекундного излучения на длинах волн 470, 480 и 490 исходный пучок на длине волны 800 нм, сгенерированный комплексом Spitfire pro 5W + Tsunami (Spectra Physics), заводился в параметрический преобразователь TOPAS (Spectra Physics). Мощность излучения регулировалась с помощью секторного нейтрального фильтра (NDC- 100C-2M Thorlabs). Излучение с помощью оптической системы направлялось на кювету с исследуемой морской водой, в которой возбуждались спектры флуоресценции, регистрируемые с помощью многоканального оптического анализатор PiMAX3 со спектрографом Acton SP2300 (Princeton Instruments). Для отсечения исходной длины волны излучения использовался светофильтр 10SWF-700-B, Newport). Управление параметрами лазерного комплекса, а также спектрометром производилось с помощью компьютера. Частота следования импульсов задавалась 1 кГц. Мощность падающего излучения составляла порядка 3-4 мВт.
Полученные спектры даны на рисунках 1-3.
х 10
470 H M
2.5
1.5
_- 1
0.5
0 мкг/л
50 мкг/л
—125 мкг/л
250 мкг/л
—|1—1 il -т~5сигт:ттТ". ...............................
650
660
670
680
X, нм
690
700
710
Рисунок 1. Спектры флуоресценции морской воды с различной концентрацией хлорофилла-А при взаимодействии с фемтосекундными импульсами длительностью порядка 150 фс на длине волны 470 нм
480 нм
15000
ч
ш
X
ь 0
10000
5000
' | * | 1 1 1 1 1 1 ' 1 1 1 ' 1 1 1 1 1 ' 1 ' 1 ' 1 1 1 ' 1 ' | ' 1 ■ 1 ' 1 1 1 1 1 ' 0 мкг/л
50 мкг/л
—125 мкг/л
250 мкг/л
■ ■ • 1 I ■ ■ .1.1.................I . 1 . I . 1.....1.1 .1.1.1.1.1.
650
660
670
680 X, нм
690
700
710
Рисунок 2. Спектры флуоресценции морской воды с различной концентрацией хлорофилла-А при взаимодействии с фемтосекундными импульсами длительностью порядка 150 фс на длине волны 480 нм
650 660 670 680 690 700 710
нм
Рисунок 3. Спектры флуоресценции морской воды с различной концентрацией хлорофилла-А при взаимодействии с фемтосекундными импульсами длительностью порядка 150 фс на длине волны 490 нм
При сверхвысокой концентрации хлорофилла А, в случае возбуждения лазерными импульсами, находящимися в области поглощения каротинои-дов (на длинах волн 470, 480 и 490нм), в диапазоне концентраций от 125 мкг/л до 250 мкг/л имеется порог, при превышении которого наблюдается эффект насыщения выхода флуоресценции (во всех случаях при концентрации 125 мкг/л флуоресценция выше, чем при 250 мкг/л). При возбуждении непрерывным излучением эффективность возбуждения флуоресценции оказывалась выше в сравнении с фемтосекундными импульсами, что может объясняться различным влиянием процессов релаксации на суммарную интенсивность флуоресценции при возбуждении лазерными импульсами короче или длиннее времён времени поперечной релаксации T2.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ (соглашение № 14-50-00034).
Список литературы.
1. Павлов А.Н., Бубновский А.Ю., Букин О.А., Салюк П.А., Голик С.С., Ильин А.А. Лазерные технологии исследования океана // Оптика атмосферы и океана. 2010. Т. 23. № 10. С. 926-934.
2. Майор, А. Ю., Голик, С. С., Нагорный, И. Г., Прощенко, Д. Ю. ПРОБООТБОРНИК ДЛЯ
ПОДВОДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИСКРОВОГО СПЕКТРОМЕТРА //WORLD SCIENCE: PROBLEMS AND INNOVATIONS. - 2016. - С. 7882.
3. Golik S. S., Mayor A. Yu., Proschenko D. Yu., Ilyin A. A., Nagorniy I. G., Biryukova Yu. S., Babiy M. Yu., Golik N.N., Gevorgyan T. A., Lisitsa V. V., Bo-rovskiy,Yu A. V.. Kulchin Yu. N. Development and creation of a remote-controlled underwater laser induced breakdown spectrometer for analysis of the chemical composition of sea water and bottom sediments //AOPC 2017: Optical Spectroscopy and Imaging. - International Society for Optics and Photonics. -Т. 10461.
4. Biryukova Y. S., Golik S. S., Ilyin A. A., Babiy M. Y., Mayor A. Y., Proschenko D. Y. Determination of the limits of detection of the elements in aqueous solutions by femtosecond LIBS depending on the laser pulse repetition rate //Proc. of SPIE Vol. - 2017. - Т. 10094. - С. 100941R-1.
5. Yentsch, C S and Menzel, D W (1963), 'A method for the determination of phytoplankton chlorophyll and paheophytin by fuorescence', Deep-Sea Re-search.-1963.- Т. 10.- С. 221-231.
