Научные достижения химического факультета
07.12.2020

Химики МГУ усовершенствовали способ анализа морских вод

Зонд с батометрами для отбора проб морской воды

Доцент кафедры лазерной химии Химического факультета МГУ к.х.н. Тимур Лабутин

Ученые Химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова с коллегами из Института океанологии им. П.П. Ширшова научились надежно выявлять группы органических веществ в морских водах. Разработка позволит точнее определять источники поступления органического вещества в океан, что очень важно для оценки климатических изменений и экологического мониторинга морских вод. Алгоритм успешно применен при изучении проб, собранных в ходе экспедиции по шельфовым морям российской Арктики.

По поступающим со стоком рек в арктические шельфовые моря органическим соединениям можно довольно точно оценить масштабы таяния вечной мерзлоты. Также на состав органики в морской воде влияют соли тяжелых металлов и органические загрязнители, поступающие с хозяйственно-бытовыми и промышленными сточными водами. Поэтому ученые регулярно проверяют качественный и количественный состав морской воды в шельфовой зоне.

Для оценки сезонных и пространственных изменений состава растворенной органики используются различные физико-химические методы. Из которых самый быстрый и дешевый – 3D-флуоресцентная спектроскопия. Метод основан на том, что органические вещества могут светиться в ультрафиолете. Причём, характер испускаемого ими света строго зависит от их структуры. 3D-вариант основан на том, что изучаемые растворы облучают ультрафиолетом разной длины волны, что позволяет получать намного больше данных о растворенных веществах.

Особенность метода в том, что набор частот, на которых излучает каждое вещество под ультрафиолетом, не зависит от концентрации самого вещества в растворе. Зато от концентрации зависит интенсивность излучения. Именно это сочетание позволяет определить не только вещество, но и его содержание в воде.

В природе всё "несколько" сложнее, чем в лаборатории: морская вода содержит тысячи органических соединений. И идентифицировать все сразу по спектрам флуоресценции невозможно. Но для решения научных и практических задач и не нужна информация обо всех веществах и их концентрациях в морской воде. Достаточно определить содержание нескольких значимых соединений. Поэтому оптические методы широко используются для изучения морских вод.

"Самым важным и сложным становится вопрос минимального числа значимых веществ, с помощью которого можно расшифровать спектр, -- рассказывает доцент кафедры лазерной химии Химического факультета МГУ к.х.н. Тимур Лабутин. – По экспериментальным спектрам нельзя сказать, сколько соединений участвовало в их формировании, так как линии индивидуальных спектров перекрываются. Поэтому используются современные математические методы, позволяющие разложить полученный спектр на несколько. Но использование большего количества компонент, чем есть на самом деле, может привести к ошибке. Формально разложение успешно завершится, но при этом программа выдаст один из бесконечного количества ответов, одинаково хорошо и неправильно описывающих данные".

Сейчас для оценки "правильного" количества компонент, сформировавших полученные спектры, используются различные эмпирические подходы, позволяющие опытному экспериментатору "на глазок" выбрать правильный вариант. Но сотрудники Химического факультета МГУ под руководством Тимура Лабутина предложили алгоритм выбора числа компонент, который существенно повысил надежность результата.

Как рассказали разработчики, алгоритм реализован в виде программного пакета, позволяющего на основании статистического критерия надежно определять число компонент при анализе морских вод методом PARAFAC (parallel factor analysis). Метод отлично подходит для разложения спектра на составляющие. Ученые из Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН успешно использовали его модифицированный вариант для анализа более шестидесяти образцов воды моря Лаптевых, Карского моря и прибрежных вод Новой Земли прямо во время экспедиции, на судне "Академик Мстислав Келдыш".

Ученые предлагают использовать для экологического мониторинга портативные датчики-флуориметры и анализировать в режиме реального времени воды с помощью метода PARAFAC. Изучение многомерных данных позволит прояснить масштаб экологических происшествий, пути миграции природных и загрязненных вод, и, при необходимости, обнаруживать источник загрязнения.

Результаты исследования опубликованы в журнале Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems. Программный пакет реализован на языке R и доступен для свободного использования (https://CRAN.R-project.org/package=albatross).