Теоретические основы работы люминесцентных сенсоров. Хронофлуорометры

Краткие итоги

Большие возможности получения информации об окружающих объектах и процессах предоставляет явление люминесценции – вызванное каким-то возбуждающим фактором избыточное (по сравнению с тепловым) излучение тел, которое запаздывает относительно возбуждения на время, значительно больше периода световых колебаний. В зависимости от природы возбуждающего люминесценцию фактора различают биолюминесценцию, катодо-, рентгено-, фото-, хеми-, электролюминесценцию и т.д. И каждый из этих видов может быть использован для построения люминесцентных сенсоров. По времени задержки люминесценции относительно возбуждения различают такие ее виды, как флуоресценция (с малым временем задержки) и фосфоресценция (длительное послесвечение с временем задержки больше 1 с). Ценную информацию об объекте наблюдения могут дать изменения интенсивности люминесценции, её задержки относительно возбуждения, изменения её спектрального состава.

Одним из важных для практики примеров применения люминесценции в интеллектуальных сенсорах является метод индукции флуоресценции хлорофилла (ИФХ). В силу того, что биохимические реакции фотосинтеза и флуоресценция хлорофилла являются конкурирующими каналами утилизации собранной путем поглощения света и доставленной к реакционным центрам фотосинтеза энергии возбуждения, наблюдения за интенсивностью флуоресценции хлорофилла дают важную информацию о состоянии фотосинтетического аппарата растений и о протекающих в нем процессах. Если фотосинтез тормозится, угнетается какими-то факторами, тогда возрастает интенсивность флуоресценции хлорофилла. По расположению обнаруживаемых изменений на т.н. "кривой ИФХ" можно определить, каким именно звеном многостадийного процесса фотосинтеза обусловлены эти изменения. Особенно важно то, что изменения фотосинтеза с помощью метода ИФХ можно обнаружить задолго до того, как изменится внешний вид растения. Благодаря этому еще на ранней стадии можно выявить заболевания растений, ухудшение состояния окружающей среды и своевременно помочь растениям, проведя соответствующие агротехнические мероприятия (увлажнение, подкормку, обработку против болезней и т.п.). Косвенно, обнаруживая изменения в фотосинтезе соответствующих растений, метод ИФХ позволяет контролировать состояние окружающей среды, выявлять экологическое неблагополучие.

Сенсоры, которые позволяют отслеживать зависимость интенсивности флуоресценции от времени, называют хронофлуорометрами. Первые портативные интеллектуальные хронофлуорометры для наблюдения кривых ИФХ были созданы еще в середине 90-х г.г. ХХ в. Сначала это были сравнительно простые сенсоры без модуляции света. Теперь уже созданы, промышленно выпускаются и достаточно широко применяются более сложные и эффективные хронофлуорометры, в которых используются и модуляция света, и облучение исследуемого листка растения импульсами "насыщающего" света, и изменения его температуры, влажности, освещение "далёким инфракрасным" или ультрафиолетовым светом и т.д. В научно-исследовательских учреждениях с помощью хронофлуорометров сейчас активно изучают закономерности и особенности процессов фотосинтеза в разных растениях. Селекционерам хронофлуорометры позволяют надежно проводить отбор нужных новых сортов растений. В растениеводстве следят за развитием растений и функционированием их фотосинтетического аппарата, делают прогнозы урожая. При выявлении отклонений можно своевременно провести необходимые агротехнические мероприятия. Перед обработками против вредителей и болезней растений, гербицидами, стимуляторами роста, перед подкормками можно определить реально необходимые и допустимые дозировки гербицидов, пестицидов, химреактивов, удобрений. При выращивании растений в теплицах, особенно в зимнее время, можно оптимизировать затраты на обогрев, освещение, увлажнение, уход за растениями и т.д. Подобрав виды растений, особо чувствительные к ухудшению тех или иных факторов окружающей среды, с помощью хронофлуорометров можно проводить эффективный экологический мониторинг проблемных регионов и водоёмов.