Учёные МГУ открыли природу флуоресценции в растворённой органике | Популярный Университет

Учёные МГУ открыли природу флуоресценции в растворённой органике

Учёные МГУ открыли новые механизмы, определяющие уникальные оптические свойства растворенного органического вещества, гуминовых веществ и других неупорядоченных органических систем. Статья опубликована в журнале Американского химического общества (ACS) Environmental Science & Technology. Исследование поможет лучше мониторить здоровье водных и почвенных экосистем и может быть использовано для диагностики и прогноза их состояния. Работа проходила в рамках деятельности научных школ (НОШ) МГУ: “Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина” и “Будущее планеты и глобальные изменения окружающей среды”. 

Гумификация — глобальный процесс разложения биомассы, образованной в результате фотосинтеза. Этот процесс замыкает цикл планетарного метаболизма органического углерода. Продукты гумификации — высоко неупорядоченные молекулярные ансамбли неживого органического вещества. Они представляют собой “экосистемный метаболом” и присутствуют в почвах и твердых горючих ископаемых (торф, уголь) в виде гуминовых веществ (ГВ), а в природных водах формируют пул растворенного органического вещества (РОВ). По аналогии с качеством и количеством метаболитов, присутствующих в биологических жидкостях человека, молекулярный и количественный состав РОВ и ГВ несет информацию о здоровье водных и почвенных экосистем и может быть использован для диагностики и прогноза их состояния. Особую роль для применения в качестве диагностических показателей имеют флуоресцентные характеристики РОВ и ГВ, которые часто используются исследователями для мониторинга состояния природных вод и прогнозирования изменения окружающей среды в результате изменения климата. Однако природа наблюдаемой флуоресценции и её связь со структурными характеристиками и молекулярным составом РОВ и ГВ до сих пор является предметом дискуссий. В связи с этим все предлагаемые прогностические модели носят сугубо эмпирический характер. 

В поисках теоретических закономерностей авторы работы обратили внимание на то, что флуоресцентные свойства РОВ и ГВ различного происхождения весьма близки между собой, несмотря на крайнее разнообразие их молекулярного состава. Для объяснения этого явления ученые использовали методы флуоресцентной спектроскопии с наносекундным и фемтосекундным временным разрешением. В результате им удалось показать, что сходство флуоресцентного отклика различных РОВ и ГВ объясняется наличием межмолекулярного взаимодействия, проявляющегося в сверхбыстром переносе энергии между отдельными молекулярными компонентами РОВ и ГВ. Именно этот сверхбыстрый перенос энергии пикосекундного масштаба приводит к смещению спектров флуоресценции в красную область спектра, присущего большому классу РОВ и ГВ. Также ученые установили, что скорость сверхбыстрого переноса и величина «красного сдвига» скоррелированы и зависят от количества донорных и акцепторных пар, участвующих в переносе энергии, и от размера молекулярного ансамбля РОВ и ГВ. 

«Оптическая спектроскопия — один из популярных методов диагностики свойств РОВ и ГВ, так как он легко применим для проведения in situ исследований в натурных условиях. Поэтому на настоящий момент накоплен огромный эмпирический массив данных о взаимосвязи оптических и структурных свойств РОВ и ГВ, который широко используется для мониторинга состояния ледников, вечной мерзлоты, водоёмов и почв. Понимание фундаментальных процессов, которые лежат в основе формирования оптических свойств, необходимо для замены эмпирических взаимосвязей теоретическими закономерностями. В нашей работе мы впервые показали, что в основе наблюдаемых флуоресцентных свойств РОВ и ГВ лежит не только химическое разнообразие структур в составе их молекулярного ансамбля, но и наличие специфического типа открытого нами сверхбыстрого межмолекулярного взаимодействия, которое приводит к переносу энергии возбуждения между отдельными хромофорами РОВ и ГВ в масштабе пикосекунд. Тем самым мы показали, что технологии фотоники незаменимы для развития экосистемной метаболомики, особенно в части решения задач, связанных с изменением климата и прогнозом адаптации окружающей среды», — рассказал сотрудник НОШ «Фотоника», младший научный сотрудник физического факультета МГУ Борис Якимов.

Полученные результаты позволили сформулировать теоретические основы формирования оптических свойств РОВ и ГВ и предложить новую теоретическую модель для объяснения экспериментально наблюдаемых трендов оптики РОВ и ГВ, которая может быть использована для мониторинга состояния природных вод и прогнозирования изменения окружающей среды в результате изменений климата с помощью оптических методов.  

Источник иллюстрации к новости: Michal JarmolukPixabay 

Понравился наш материал? Подписывайся на «Популярный университет» в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Поделиться
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: