CC BY
32
УДК 535.6+535(075.8)
М. Ю. Доломатов (д.х.н., проф.), Д. О. Шуляковская (асп.), Т. Р. Арасланов (асп.)
О связи цветовых и электронных характеристик природных и техногенных молекулярных систем
Уфимский государственный университет экономики и сервиса, кафедра физики 450077, г. Уфа, ул. Чернышевского, 145; тел. (347) 2520806, e-mail: [email protected], [email protected]
M. Yu. Dolomatov, D. O. Shulyakovskaya, T. R. Araslanov
Colour as a phenomenological characteristic of complex molecular systems
Ufa State University of Economics and Service 145, Chernyshevskiy Str, 450077, Ufa, Russia; ph. (347) 2520806, e-mail: [email protected], [email protected]
Экспериментально изучена и обоснована связь интегральных характеристик электронных абсорбционных спектров в видимой области и цветовых характеристик сложных многокомпонентных систем, включая индивидуальные вещества, биологические жидкости и углеводородные системы. Установлена взаимосвязь интегральной силы осциллятора и координат цвета и цветности в колориметрических системах XYZ и RGB. Результаты подтверждены статистической обработкой данных и свидетельствуют о сильном корреляционном взаимодействии всех энергетических уровней внутри отдельных молекул. Установленные зависимости могут быть использованы на практике: в медицине, нефтехимии, химии и нанотехнологиях.
Ключевые слова: интегральная сила осциллятора; координаты цвета; многокомпонентные углеводородные системы; органические красители; плазма крови; полициклические углеводороды; потенциал ионизации; сродство к электрону; физико-химические свойства; цветовые характеристики.
Correlation among integral characteristics of the absorption visible spectra and color characteristics of the complex multi-component systems like individual compounds, biological liquids and hydrocarbon systems have been experimentally researched and established. Interaction between integral oscillator strength and color and chromaticity coordinates in colorimetric systems XYZ and RGB have been ascertained. Results are confirmed with statistical processing of data and indicate strong correlated interaction of all energy levels in certain molecule. Ascertained dependences can be used in medicine, petrochemistry, chemistry and nanochecnologies.
Key words: color characteristics; color coordinates; electron affinity; integral oscillator strength; ionization potential; multi-component systems; organic dyes; plasma of blood; physico-chemical properties; polycyclic hydrocarbons.
Исследователи на протяжении всей истории химии отмечали связь цвета и свойств веществ, но, несмотря на многочисленные наблюдения, количественной связи цветовых характеристик (ЦХ) и физико-химических свойств не существовало, т.к. количественные физически обоснованные методы измерения цвета (калориметрия) были разработаны только в конце 20-х в начале 30-х годов прошлого 1
века .
Для вычисления ЦХ необходимо знать спектр поглощения, спектральную плотность распределения энергии источника в видимом
Дата поступления 13.02.13
диапазоне спектра и так называемую функцию стандартного наблюдателя, характеризующего среднюю способность человека воспринимать свет в красной, зеленой и синей области 2.
Как известно, ЦХ зависят от типа источника света. В качестве источников видимого излучения для определения ЦХ используются стандартные источники А, В, С и D65 CIE (Comission Internationale de l'Eclairage) 2-3. ЦХ определяются по методике H. С. Овечкиса 4 по специально разработанной программе 5. Сущность методики заключается в использовании для расчетов ЦХ коэффициентов пропускания т и соотношения (1):
'X * ' E(A)x(A) E(A )x(A) ... E(A)x(A)\
Y E( A)y( A) E( A )y( A) ... E(A)y(A)
ч Z у (E( A)z( A) E( A )z(A) ... E(A)z(A)J
't(A) \ т( A )
т( A-,) Т(Л)
R
, (1)
i = 1,2,..,n
x = ■
У =
z = ■
X + Y + Z Y
X + Y + Z ' Z
X + Y + Z "
(2)
r = ■
g =
b =
где X, Y, Z — координаты цвета в системе CIE XYZ;
E(li ) — спектральная характеристика источника излучения;
x( Л),у( Л),г( Л) — функции сложения стандартного колориметрического наблюдателя в системе CIE XYZ;
n — количество частичных интервалов разбиения спектра.
Координаты цветности определяются по формулам:
R + G + B G
R + G + B ' B
R + G + B "
В данной методике расчета координаты получаются зависящими от стандартных источников излучения и обозначаются соответствующими индексами: xA, yA, zA, xB, yB, zB, XC Ус> zC> xD> yD> zD> XA, Ya, ZA, XB, YB, ZB> XC, YC, ZC, XD, YD, ZD-
ЦХ в системе RGB также зависят от стандартных источников излучения и обозначаются соответствующими индексами: rA, gA, bA, гв, дв, Ьв, rc, дс, be, rD, gD, bD, RA, GA, BA,
Rв, GB, ^ GC^ RD, GD, BD-
Для оценок ЦХ в колориметрической системе RGB использовали известное в колориметрии преобразование 3-4' 6:
X = 0.4185R+0.0912G + 0.0009B; Y = 0.1588R + 0.2524G + 0.0025B; Z = 0.0829R +0.0157G + 0.1786B.
Таким образом, соответствующие ЦХ системы RGB могут быть получены путем стандартного алгебраического преобразования ЦХ системы XYZ.
Координаты цветности в системе RGB определяются аналогично (2):
Ранее было показано 7'8, что свойства любого вещества могут быть определены по характеристикам квантового континуума- интегральной силы осциллятора (ИСО). Это означает, что ЦХ тоже могут быть связаны с ИСО. В последние годы в работах, проводимых на кафедре физики УГАЭС, были найдены корреляции цвет-свойства для многокомпонентных смесей органических соединений 7-11, а также ЦХ и свойств красителей 12 и ЦХ плазмы крови человека и параметрами, характеризующими функциональной состояние здоровья 13. Целью данной работы является экспериментальное установление связи между ИСО в видимом диапазоне спектра и ЦХ для объектов различной физической и химической природы.
Материалы и методы
Экспериментальным основанием для поиска корреляций ЦХ и свойств является их взаимосвязь с ИСО, определенных в видимой области спектра. На рис. 1-4 приведены соответствующие корреляции для различных классов веществ в количестве 377 образцов, в том числе: для нефтяных дисперсных систем 14 (229 систем), включая товарные и пластовые нефти, бензины, битумы, гудроны, мазуты и нефтяные остатки; для биологических жидкостей 15'16 (34 образца плазмы человеческой крови); для полициклических углеводородов 17 (98 соединений); для гетероциклических оснований органических красителей 17 (16 веществ). Статистическая обработка данных свидетельствует о существовании зависимости между ЦХ и ИСО выбранных систем, коэффициенты которой представлены в табл. 1 и 2:
q=A0+A1 ■ uig,
(3)
где q — одна из цветовых характеристик раствора (например, координата цвета Xj, Yj, Zj в системе XYZ или Rj ,Gj ,Bj а системе RGB; или координата цветности Xj, yj, Zj в системе XYZ или rj, gj, bj в системе RGB;
j — стандартный источник света A, B, C, или D, безразмерная величина;
Таблица 1
Коэффициенты зависимости (3) для многокомпонентных систем
ЦХ, q Коэффициенты выражения (3) Коэф. корреляции Коэф. вариации, % Ср. квадр. отклонение Критерий Фишера («=0.05)
¿1,нм 1 ¿0 Fрасч Fтабл
Многокомпонентные углеводородные системы
Хс -0.0040 100.1199 0.84 0.63 0.61 547.40 3.88
Ус -0.0039 102.0395 0.83 0.62 0.61 505.05 3.88
гс -0.0101 122.9179 0.86 1.24 1.41 627.36 3.88
Ra -0.0058 207.2071 0.80 0.49 1.00 413.74 3.88
Ga -0.0100 272.2851 0.82 0.61 1.61 482.29 3.88
Ba -0.0125 86.6806 0.85 2.35 1.78 607.94 3.88
Многокомпонентная биологическая система: плазма крови человека
Xd -0.0313 50.6424 0.98 0.93 0.39 695.38 4.15
Yd -0.0330 53.1677 0.98 0.85 0.38 838.51 4.15
Zd -0.0425 56.9257 0.91 2.49 1.13 152.78 4.15
Rc -0.0559 90.3749 0.97 1.15 0.86 455.59 4.15
Gc -0.0931 150.4877 0.97 1.06 1.33 535.82 4.15
Bc -0.2214 286.9681 0.89 2.98 6.77 116.58 4.15
Таблица 2
Коэффициенты зависимости (3) для индивидуальных соединений
Класс соединений ЦХ, q Коэффициенты зависимости (3) Коэф. корреляции Коэф. вариации, % Ср. квадр. отклонение Критерий Фишера («=0.05)
¿1,нм 1 ¿0 Fрасч Fтабл
Соединения ряда перилена Xb -0.0236 102.8661 0.91 2.05 1.96 99.63 4.35
ra 0.0002 0.3264 0.91 4.95 0.02 94.89 4.35
Соединения ряда бисантена и антантрена Ya -0.0433 114.6829 0.90 7.78 6.84 39.62 5.12
Ga -0.1096 301.4214 0.80 11.73 27.42 15.81 5.12
Соединения ряда пирена Xb -0.0225 103.3589 0.83 4.15 3.85 48.99 4.30
Ra -0.0413 215.9403 0.79 4.10 8.05 37.65 4.30
Гетероциклические основания органических красителей Xd -0.0206 101.4634 0.88 1.83 1.74 48.94 4.60
bc -0.0004 0.6160 0.85 6.96 0.03 36.76 4.60
Щд — интегральный логарифмический показатель поглощения (ЛФ ИСО), определенный в видимом диапазоне электромагнитного спектра, нм;
A0, A1 — коэффициенты, зависящие от классов исследуемых систем и от типа источника излучения света, A0 безразмерная величина, а размерность A1 нм-1;
Результаты и их обсуждение
Для различных по природе многокомпонентных и молекулярных систем впервые установлена связь между ИСО в видимой области спектра и цветовыми координатами в системах XYZ и RGB.
Экспериментально изучена и обоснована связь квантового континуума электронных состояний — интегральной силы осциллятора и цветовых характеристик для многокомпонентных систем, индивидуальных веществ и биоло-
гических жидкостей. Результаты свидетельствуют о сильном корреляционном взаимодействии всех энергетических уровней внутри отдельных молекул, более сильном, чем это допускает современная квантовая теория молекул в приближении Хартри-Фока и функционала плотности.
Учитывая связь ФХС с ИСО (закон спектр—свойства) можно предположить связь этих показателей с ЦХ веществ, что было подтверждено результатами предыдущих исследо-
" 18,19
ваний .
Установленные зависимости подтверждаются статистической обработкой данных спектроскопических и колориметрических измерений и могут быть использованы на практике: в
медицине 20, нефтехимии 21, химии 22, нанотех-
23 24 25
нологиях и электронике .
■о
>
s —
£ о
C2 V
3 i
я з
g о
Я н
я а
ч я
в. — о
й
О 100 200 300 400 500
Логарифмическая интегральная сила осциллятора в^, нм
а б
Рис. 1. Зависимость цветовой характеристики от логарифмической интегральной силы осциллятора для:
а) многокомпонентных углеводородных нефтяных систем; б) биологических жидкостей (плазма крови человека).
б
Рис. 2- Зависимость цветовой характеристики от логарифмической интегральной силы осциллятора для:
а) соединений ряда перилена; б) гетеросодержащих оснований органических красителей.
Литература
1. Джадд Д., Вышецки Г. Цвет в науке и технике.— M.: Mир, 1978.— 592 с.
2. Mark D. Fairchild. Color appearance models. Second Edition. Munsell Color Science Laboratory.— USA: Rotchester Institut of Technology, 2004.
3. ISO/CIE 10526. CIE standard illuminants for colorimetry.
4. Применение цветоведения в текстильной промышленности. Ч. 1 / Под ред. Л. И. Беленького, H. С. Овечкиса.— M.: Легпромиздат, 1970.— 283 с.
5. Св-во №2008614324 о государственной регистрации программы для ЭBM. Расчет физико-химических свойств углеводородных систем по зависимостям спектр—свойства и цвет—свойства / Доломатов M. Ю., Ярмухаметова Г. У., Доло-матова Л. А., Гареев Р. Р. // Дата регистрации 10.09.2008.
6. Кричевский Г. Е. Mетоды исследования в текстильной химии.— M.: Легпромбытиздат, 1993.— С.247.
7. Доломатов M. Ю., Mукаева Г. Р. // Нефтепереработка и нефтехимия.— 1995.— №5.— С.22.
8. Доломатов M. Ю. Фрагменты теории реального вещества.— M.: Xимия, 2005.— 208 с.
Literature
Dzhadd D., Vyshecki G. Tsvet v nauke i tehnike.- M.: Mir, 1978.- 592 s.
Mark D. Fairchild. Color appearance models. Second Edition. Munsell Color Science Laboratory.- USA: Rotchester Institut of Technology, 2004.
ISO/CIE 10526. CIE standard illuminants for colorimetry.
Primenenie cvetovedenija v tekstil'noj pro-myshlennosti. Ch.1 / Pod red. L.I. Belen'kogo, H. S. Ovechkisa.- Moscow: Legpromizdat, 1970.- 283 s.
Svidetel'stvo № 2008614324 RU. Raschet fiziko-himicheskih svojstv uglevodorodnyh sistem po zavisimostjam spektr-svojstva i tsvet-svojstva/ Dolomatov M. Ju., Jarmuhametova G. U., Dolomatova L. A., Gareev R. R. // 10.09.2008.
Krichevskij G. E. Metody issledovanija v tekstil'noj himii.- Moscow: Legprombytizdat, 1993.- S.247.
Dolomatov M. Ju., Mukaeva G.R. // Neftepe-rerabotka i neftehimija.- 1995.- №5.- S.22.
Dolomatov M. Ju. Fragmenty teorii real'nogo veshhestva.- Moscow: Himija, 2005.- 208 s.
а
1
2
3
4
5
6
7
8
9.
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
148
Доломатов М. Ю., Кыдыргычева О. Т., Доло-матова Л. А., Карташева В. В. // Ж. прикл. спектр.- 2000.- №3.- С.387. Dolomatov M. Yu. and Yarmukhametova G. U. // Journal of Applied Spectroscopy.- 2008.-V.75, №3.- P.433.
Доломатов М. Ю., Ярмухаметова Г. У., Доло-матова Л. А. // Журнал «Прикладная физика».- 2008.- №4.- С.43.
Майданов В. В., Кобраков К. И., Егорова Л. Р., Станкевич Г. С. // Вестник УГИС.- 2002.-№1.- С.84.
Kalashchenko N. W., Dolomatov M. Y., Dezortsev S. V., Popova E. A., Kurmankaeva R. R. // Ж. прикл. спектр.- 2006.- №3.- P.220. Св-во №2005620293 База данных по исследованию свойств и идентификации многокомпонентных органических систем в УФ-видимой и ближней ИК-области спектра / Доломатов М. Ю., Доломатова Л. А., Маврин А. В.- 2005.
Св-во № 2008620340 База данных по электронным спектрам крови человека и ее компонентов / Калашченко Н.В., Дезорцев С. В., Никули-чева В. И.- Б.И.- 2008.- №10. Калашченко Н. В., Сафин Ш. М., Долома-тов М. Ю., Арасланов Т. Р. Особенности феноменологических квантовых характеристик плазмы крови человека при опухолях головного мозга // Сб. ст. Всерос. заоч. научно-практ. конф. «Актуальные вопросы физиологии, психофизиологии и психологии».- 2012.- С. 31.
Клар Э. Полициклические углеводороды / Пер. с англ.- M.: 1971.- 301 с.
Доломатов М. Ю., Ярмухаметова Г. У., Шуля-ковская Д. О. // Журнал «Прикладная физика».- 2011.- №1.- С.20. Пат. №2425357 РФ / Доломатов М. Ю., Ярму-хаметова Г. У., Шуляковская Д. О. // Б. И.-2011.
Доломатов М. Ю.,Калашченко Н. В., Дезорцев С. В., Арасланов Т. Р. // International Journal of Clinical Medicine.- 2012.- V.3, №3.- P. 211.
Доломатов М. Ю., Ярмухаметова Г. У. // Химия и технология топлив и масел.- 2009.-№4.- C. 46.
Доломатов М. Ю., Ярмухаметова Г. У., Доло-матова Л. А. // Баш. хим. ж.- 2007.- Т.14, №5.- C. 117.
Доломатов М. Ю., Шуляковская Д. О., Ярму-хаметова Г. У. // Журнал «Нанотехнологии: разработка, применение».- 2010.- №3.- С. 37.
Dolomatov M. Yu., Shulyakovskaya D. O., Mu-kaeva G. R., Jarmuhametova G. U., Latypov K. F. // Journal of Materials Science and Engineering.- 2012.- №5.- P.261.
Dolomatov M. Yu., Shulyakovskaya D. O., Mukaeva G. R, Paymurzina N. Kh. // Applied Physics Research.- 2012.- V.4, №3.- P.83.
9. Dolomatov M. Ju., Kydyrgycheva O. T., Dolomatova L. A., Kartasheva V. V. // Zh. prikl. spektr.- 2000.- №3.- S.387.
10. Dolomatov M. Yu., Yarmukhametova G. U. // Journal of Applied Spectroscopy.- 2008.-V.75, №3.- P.433.
11. Dolomatov M. Ju., Jarmuhametova G. U., Dolomatova L. A. // Zhurnal «Prikladnaja fizika».- 2008.- №4.- S.43.
12. Majdanov V. V., Kobrakov K. I., Egorova L.R., Stankevich G. S. // Vestnik UGIS.- 2002.-№1.- S.84.
13. Kalashchenko N. W., Dolomatov M. Y., Dezortsev S. V., Popova E. A., Kurmankaeva R. R. // Zh. prikl. spektr.- 2006.- №3.- P.220.
14. Svidetel'stvo №2005620293 Baza dannyh po issledovaniju svojstv i identifikacii mnogokom-ponentnyh organicheskih sistem v UF-vidimoj i blizhnej IK-oblasti spektra / Dolomatov M. Ju., Dolomatova L. A., Mavrin A. V.- 2005.
15. Svidetel'stvo №2008620340 Baza dannyh po jelektronnym spektram krovi cheloveka i ee komponentov / Kalashchenko N. V., Dezortsev S. V., Nikulicheva V. I. // B. I.- 2008.- №10.
16. Kalashchenko N. V., Safin Sh. M., Dolomatov M. Ju., Araslanov T.R. Osobennosti fenome-nologicheskih kvantovyh harakteristik plazmy krovi cheloveka pri opuholjah golovnogo mozga // Sbornik statej Vserossijskoj zaochnoj nauchno-prakticheskoj konferencii «Aktual'nye voprosy fiziologii, psihofiziologii i psihologii».- 2012.-S. 31.
17. Klar Je. Policiklicheskie uglevodorody.-Moscow, 1971.- 301 s.
18. Dolomatov M. Ju., Jarmuhametova G. U., Shuljakovskaja D. O. // Zhurnal «Prikladnaja fizika».- 2011.- №1.- S.20.
19. Pat. №2425357 RU / Dolomatov M. Ju., Jarmuhametova G. U., Shuljakovskaja D. O. // B. I.- 2011.
20. Dolomatov M. Ju.,Kalashchenko N.V., Dezortsev S.V., Araslanov T.R. // International Journal of Clinical Medicine.- 2012.- V. 3, №3.- P. 211.
21. Dolomatov M.Ju., Jarmuhametova G.U. // Himija i tehnologija topliv i masel.- 2009.-№4.- S. 46.
22. Dolomatov M. Ju., Jarmuhametova G. U., Dolomatova L. A. // Bash. khim. zh.- 2007.-V.14, №5.- S.117.
23. Dolomatov M. Ju., Shuljakovskaja D. O., Jarmuhametova G. U. // Zhurnal «Nanotehnologii: razrabotka, primenenie».- 2010.- №3.- S.37.
24. Dolomatov M. Yu., Shulyakovskaya D. O., Mu-kaeva G. R., Jarmuhametova G. U., Latypov K. F. // Journal of Materials Science and Engineering.- 2012.- №5.- P.261.
25. Dolomatov M. Yu., Shulyakovskaya D. O., Mukaeva G. R, Paymurzina N. Kh. // Applied Physics Research.- 2012.- V.4, №3.- P.83.
