Определение фотофизических параметров хлорофилла а в фотосинтезирующих организмах методом нелинейной лазерной флуориметрии (1104207), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Анализ фотофизических параметров, определяемых методом нелинейной лазерной флуориметрии, позволяет установить влияние на функциональное состояние фотосинтетического аппарата ионов тяжелых металлов (на примереионов меди Cu2+ вплоть до концентраций ниже ПДК).Достоверность полученных в работе результатовОбоснованность и достоверность полученных результатов определяется тщательной теоретической проработкой предложенных методических подходов, использованием для настройки и калибровки созданного в ходе выполнения работы лазерного спектрометра эталонных объектов, а также многократным повторением экспериментов с контролем воспроизводимости получаемых результатов. Полученные данные хорошо согласуются с результатами исследований других научных групп, приведенными в цитируемой литературе.Апробация работыПолученные в диссертационной работе результаты прошли апробацию на следующих российских и международных конференциях: 4th EARSeL Workshopon Remote Sensing of Coastal Zone (18–20 июня 2009 года, Хания, о.
Крит, Гре7ция); Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики (25–30 октября 2009 года, Москва, Россия); SPIEPhotonicsEurope(12–16апреля2010года,Брюссель,Бельгия);XII International Conference on Laser Applications in Life Sciences (9–11 июня2010 года, Оулу, Финляндия); International Workshop “Mechanisms of Non–Photochemical Quenching” (6–10 апреля 2011 года, Пассау, Германия);5th EARSeL Workshop on Remote Sensing of Coastal Zone (1–3 июня 2011 года,Прага, Чехия); XIX International Conference on Advanced Laser Technologies(3–8 сентября 2011 года, Золотые пески, Болгария).ПубликацииАвтором опубликованы 14 научных работ, в том числе 10 работ по теме диссертации, из них 4 статьи в реферируемых журналах (3 из списка ВАК России) и 6трудов конференций. Список публикаций по теме диссертации приведен в концеавтореферата.Структура и объем диссертацииДиссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения.
Структура диссертации подразумевает разбиение обзора литературы на три части и изложение их в соответствующих главах, что способствует целостному восприятию материала каждой главы. В параграфах 1.6, 2.5 и 3.5 сформулированы выводы к соответствующим главам диссертации. В конце работы приведен библиографический список использованной литературы, содержащий 98 наименований. Диссертационная работа изложена на 120 страницах и содержит 38 рисунков.Личный вклад автораВсе изложенные в диссертации результаты оригинальны и получены авторомсамостоятельно. Постановка задач, интерпретация полученных результатов иформулировка выводов исследования осуществлялись совместно с научным руководителем.8Содержание диссертацииВо Введении обосновывается выбор темы диссертационной работы; формулируется цель и решаемые задачи, обсуждается их актуальность в контексте научной новизны и практической значимости; формулируются основные положения,выносимые на защиту.
В этом разделе также описывается структура диссертации и излагается краткое содержание глав; приводится список публикаций порезультатам работы и сведения о ее апробации.Глава 1 посвящена разработке теоретических и экспериментальных подходов к увеличению размерности решаемой, с приемлемой точностью, обратнойзадачи нелинейной лазерной флуориметрии ФСО как представителей классасистем с высокой локальной концентрацией флуорофоров. Во введении к данной главе кратко излагаются сведения об исследуемых объектах, применении сэтой целью метода нелинейной флуориметрии и трудностях, возникающих приэтом. Раздел 1.2 содержит обзор литературных данных по методу нелинейнойфлуориметрии ФСО и состоит из трех подразделов. В пункте 1.2.1 дается теорияформирования флуоресцентного отклика хлорофилла а в фотосинтетическом аппарате на импульсное лазерное возбуждение, в частности, вводятся эффективные фотофизические параметры — сечение возбуждения σ и время внутримолекулярной дезактивации τ, которые наряду с максимальной скоростью синглет–синглетной аннигиляции γn0 определяют флуоресценцтный отклик ансамбляФСО в рамках принятой малопараметрической модели.
В пункте 1.2.2 краткоизлагаются основные принципы метода нелинейной лазерной флуориметрии,описываются методики перехода от относительных величин, измеряемых в эксперименте, к абсолютным величинам фотофизических параметров и появляющийся в результате этого перехода четвертый параметр, определяющий экспериментальные кривые насыщения флуоресценции — ненасыщенный флуоресцентный параметр Ф0, зависящий от квантового выхода флуоресценции и концентрации флуорофоров. Пункт 1.2.3 посвящен особенностям насыщения флуоресценции хлорофилла а в фотосинтетическом аппарате как системе с высокойлокальной концентрацией флуорофоров. В нем приводится редуцированная ма9тематическая модель флуоресцентного отклика, применимая для описания кривых насыщения, измеренных в диапазоне плотностей потока фотонов F ≅ 1019–3х1023 см-2·с-1 с использованием для возбуждения флуоресценции лазерныхимпульсов длительностью, значительно превосходящей характерное времявнутримолекулярной дезактивации τ (т.
е., в квазистационарном режиме).В разделе 1.3 излагаются результаты теоретического исследования прямойзадачи нелинейной флуориметрии ФСО. Установлено, что в кривых насыщенияфлуоресценции возможно выделить участки, которые формируются под доминирующим влиянием различных механизмов: начальный участок в основном определяется синглет–синглетной аннигиляцией возбужденных состояний хлорофилла а, затем при увеличении плотности потока фотонов начинает играть рольдинамическое обеднение основного состояния. В пункте 1.3.1 основное внимание уделяется различиям в формировании флуоресцентного отклика в случаеквазистационарного и нестационарного возбуждения.
Путем математическогомоделирования показано, что один из механизмов насыщения флуоресценции —динамическое обеднение основного состояния молекул хлорофилла а — сильнеепроявляется при использовании для возбуждения флуоресценции лазерных импульсов длительностью, не превышающей время внутримолекулярной дезактивации, то есть в нестационарном режиме. Пункт 1.3.2 посвящен исследованиюграниц применимости используемой модели флуоресцентного отклика, в частности, проведен анализ зависимости эффективных параметров от характеристиклазерного излучения.
В результате определены экспериментальные условия, привыполнении которых эффективные фотофизические параметры являются параметрами в строгом смысле, т. е. не зависят от параметров возбуждающего излучения (или эта зависимость пренебрежимо мала).
В пункте 1.3.3 исследовановлияние пространственно–временного распределения лазерных импульсов наэкспериментальные кривые насыщения, особое внимание при этом уделено случаю нестационарного возбуждения: для его реализации требуются лазерные импульсы длительностью, не превышающей 0,3 нс, и точное измерение их временной структуры сопряжено с определенными техническими трудностями.10В разделе 1.4 предложен и проанализирован двухэтапный алгоритм решенияобратной задачи нелинейной флуориметрии ФСО.
Он основан на подтвержденном в разделе 1.3 предположении о доминирующих механизмах формированияразличных участков кривых насыщения флуоресценции. В первом варианте алгоритма, изложенном в пункте 1.4.1, кривые насыщения измеряются в квазистационарном режиме возбуждения в широком диапазоне плотностей потока фотонов F ≅ 1022–5х1025 см-2·с-1 (все указываемые границы диапазонов определены врезультате математического моделирования).
На первом этапе с использованиемначального участка кривых (F ≅ 1022–3х1023 см-2·с-1) решаем редуцированнуюдвухпараметрическую обратную задачу, при этом определяем значение ненасыщенного флуоресцентного параметра Ф0 и свертки фотофизических параметровστ2γn0.
На втором этапе, зафиксировав их, численно решаем двухпараметрическую обратную задачу на всей экспериментальной кривой. Параметрами, определяемыми на втором этапе, являются время линейной дезактивации τ и сечениевозбуждения σ. Наконец, используя найденное на первом этапе значение свертки параметров, вычисляем γn0. Второй вариант алгоритма, описанный в пункте1.4.2, использует последовательную комбинацию квазистационарного и нестационарного режимов.
Первый этап повторяет таковой в первом варианте алгоритма, а на втором используем кривую насыщения, измеренную в нестационарном режиме (длительность лазерных импульсов меньше времени линейной дезактивации τ) в диапазоне плотностей потока фотонов F ≅ 1023–5х1025 см-2·с-1.Математическая задача минимизации функционала невязки решается в предложенных алгоритмах методом ортогональной регрессии, который позволяет снизить влияние случайных ошибок экспериментальных данных на точность решения обратной задачи. В Таблице 1 приведены результаты численной оценкисреднеквадратичного отклонения фотофизических параметров, определенных сиспользованием двух вариантов алгоритма, при различных уровнях зашумлениявходных данных.Корневой шум с амплитудой 3–5 % наиболее точно аппроксимирует шумсистемы регистрации используемого лазерного спектрометра.
При таком уровне11зашумления экспериментальных кривых насыщения описанные алгоритмы позволяют определить фотофизические параметры с точностью не хуже 20 %, чтоявляется приемлемым для многих задач, связанных с исследованием фотофизических процессов в ФСО.Таблица 1. Устойчивость решения обратной задачи нелинейной флуориметриипо двухэтапному алгоритму к зашумлению входных данных. Вариант 1 — квазистационарный режим возбуждения; вариант 2 — комбинация квазистационарного и нестационарного режимов. Серым отмечены значения, наиболее близкиек реализуемым в созданном в ходе выполнения работы лазерном спектрометре.Амплитудавходного шума, %13510Вариант решения обратнойзадачиПогрешностьопределенияσ, %Погрешностьопределенияτ, %Погрешностьопределенияγn0, %17562646113121521211141181620215141713127342282632Из таблицы также видно, что второй вариант алгоритма позволяет заметноповысить точность решения обратной задачи при не слишком большой амплитуде входного шума (не более 5 %).Раздел 1.5 посвящен разработке экспериментальных методов, позволяющихреализовать предложенные алгоритмы решения обратной задачи.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
