Математическая морфология.

Электронный математический и медико-биологический журнал. - Т. 12. -

Вып. 2. - 2013. - URL:

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-38-html/TITL-38.htm

cont.htm

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

рОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего

профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»

в г. Смоленске

Кафедра

«Оптико-электронные системы»

Направление подготовки:

«Оптотехника» (200200)

выпускнАЯ квалификационная РАБОТА

НА СТЕПЕНЬ БАКАЛАВРА ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ

Расчетно-пояснительная записка

Тема: Оптические методы диагностики в археологии

Студент ОЭС-09 Бондарева Т. М.

группа подпись фамилия и.о.

Научный

руководитель работы зав. каф., доцент М.В. Беляков

должность звание подпись и.о.фамилия

Консультант-нормоконтролер О.И.Зиенко

должность подпись и. о. фамилия

«Работа допущена к защите»

Зав. кафедрой,

к.т.н., доцент М.В. Беляков

должность звание подпись и. о. фамилия

Дата_______________

СМОЛЕНСК 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

АННОТАЦИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЪЕКТЫ АРХЕОЛОГИИ И ДИАГНОСТИРУЕМЫЕ ПРИЗНАКИ

1.1. Остеологические материалы

1.2. Диагностируемые признаки

2. ОПТИЧЕСКИЕ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ

2.1. Термолюминесцентный метод

2.2. Фотолюминесцентный метод

2.3. Метод макроскопического флуоресцентного анализа

3. СПЕКТРОФЛУОРИМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСТЕОЛОГИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

3.1. Сведения об исследуемых костных шлифах

3.2. Методика измерений

3.3. Результаты измерений

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

АННОТАЦИЯ

Бондарева Татьяна Михайловна

«Оптические методы диагностики в археологии»

Расчетно-пояснительная записка содержит 59 страницы, 21 рисунок, 4 таблицы, 1 приложение.

В выпускной квалификационной работе были рассмотрены методы диагностики остеологического материала, такие как термолюминесцентный метод, фотолюминесцентный и его современная разновидность метод макроскопического люминесцентного анализа возможности и особенности современного спектрофлуориметрического оборудования и его применимость для спектральных исследований костных шлифов. Были проанализированы костные шлифы на спектрофлуориметре «Панорама».

Результаты данной работы могут быть полезны специалистам в области медицины, археологии, судебной медицины.

ВВЕДЕНИЕ

Остеологический материал содержит генетическую информацию, которая при современном уровне развития генетики может быть востребована различными научными дисциплинами: археология, историческая антропология, этнология, генетика популяций, судебная медицина.

В настоящее время используется множество методов исследования остеологического материала, а именно костных останков, но не все методы могут дать желаемый результат. Для археологии ключевой задачей является историческая реконструкция изучаемой эпохи. В связи с этим, актуальной является проблема археологическая идентификации костных останков с целью более достоверного датирования периода.

Среди современных оптических методов исследования биологических тканей особое место занимают методы флуоресцентной спектроскопии. Флуоресценция биоткани несёт информацию о концентрации и пространственном распределении её хромофоров и флуорофоров, что позволяет судить о структуре биоткани, об интенсивности происходящих в ней метаболических процессов и др.

Спектры флуоресценции часто дают детальную информацию о флуоресцирующих молекулах, их конформациях, комплексах, местах связывания и взаимодействиях с клетками и тканями.

Флуоресцентные методы позволяют просто и экономично решить многие задачи физико-химического анализа, клинической диагностики, и все шире применяются в медицинских и биохимических исследованиях.

Кость представляет собой сложный композитный материал, состоящий из кристаллов гидроксиапатита, микрофибрилл коллагена и мукополисахаридов, связывающих в единую систему белковый и минеральный компонент кости. При минерализации происходит разложение органического компонента кости и замещение гидроксиапатита апатитом и солями тяжелых металлов. Так как этот процесс происходит при участии сапрофильных бактерий, в фоссилизированных костях могут накапливаться биологические материалы бактериального происхождения. Коллаген относят к флуоресцентным белкам 2 типа. Его способность к флуорисценции определяется наличием в структуре ароматических аминокислот: тирозина и фенилаланина. В то же время способность костей на протяжении очень многих лет (в зависимости от условий их пребывания) сохранять свою форму, размеры и некоторые другие анатомические и механические свойства не означает отсутствия как внешних их изменений, легко выявляемых при обычном осмотре, так и внутренних — структуры и химического состава костной ткани, обнаруживаемых специальными методами исследования.

Целью выпускной квалификационной работы является исследование оптических методов диагностики в археологии.

В рамках поставленной цели выделены следующие задачи:

1. обзор остеологических материалов;

2. рассмотрение основных диагностируемых признаков археологических объектов;

3. обзор оптических люминесцентных методов диагностики; разработка методики для изучения костных шлифов на спектрофлуориметре Флюорат-02-Панорама;

4. проведение измерений хемибиолюминесценции, кинетики, изучение спектров возбуждения и люминесценции.

1. ОБЪЕКТЫ АРХЕОЛОГИИ И ДИАГНОСТИРУЕМЫЕ ПРИЗНАКИ

1.1. Остеологические материалы

Остеология - раздел анатомии, изучающий строение, развитие и изменения костного скелета. Остеология в антропологии изучает вариации размеров и формы человеческого скелета в целом, а также отдельных его костей [1].

Скелет как опора несет большой груз: в среднем 60-70 кг (масса тела взрослого человека). Поэтому кости должны быть прочными. Кости выдерживают растяжение почти также как чугун, а по сопротивлению на сжатие они вдвое превосходят гранит. Скелет взрослого человека состоит из 206 костей, соединенных различными видами суставов (Рис.1.1.). Скелет можно разделить на два отдела: осевой и добавочный. К первому относятся кости головы, лица, шеи и туловища; ко второму - кости верхних и нижних конечностей и их поясов - плечевого и тазового. Осевой скелет взрослого человека состоит из 80 костей, он включает череп, позвоночный столб, 12 пар ребер и грудину. Позвоночный столб состоит из 33 позвонков. Семь самых маленьких, подвижных шейных позвонков составляют наиболее подвижный, шейный отдел позвоночника, 12 более крупных, грудных позвонков вместе с ребрами образуют пространство, защищающее органы грудной клетки, а 5 мощных поясничных позвонков находятся в нижней части спины. Пять крестцовых позвонков срослись в одну кость - крестец. Оставшиеся 4 позвонка составляют копчиковый отдел [2].

По форме все многообразие костей скелета разделяется на четыре группы: выделяют трубчатые, губчатые, плоские и смешанные кости. Неодинаковая роль этих костей в скелете обуславливает и различия в их внутреннем строении.

Трубчатые кости отличаются наличием более или менее вытянутой цилиндрической средней части - диафиза, или тела кости. Диафиз состоит из компактного вещества, окружающего внутреннюю костномозговую полость, содержащую желтый костный мозг. Различают длинные и короткие трубчатые кости: к длинным костям относятся кости плеча, предплечья, бедра и голени, а к коротким - фаланги пальцев, а также кости пясти и плюсны. Диафиз длинных трубчатых костей с обеих сторон оканчивается эпифизом, который заполнен губчатым веществом, содержащим красный костный мозг. Между собой эпифиз и диафиз разделяются метафизом.

$C:\Users\ТЁТКА\Desktop\2f432034dca68defbcf467b7881f4bd0.jpg$

Рис.1.1. Строение скелета человека

Губчатые кости, состоящие из губчатого вещества, также разделяют на длинные и короткие. К длинным губчатым костям относятся кости грудной клетки - ребра и грудина, а к коротким - позвонки, кости запястья, предплюсны, а также сесамовидные кости (расположенные в сухожилиях мышц рядом с суставами). От трубчатых костей губчатые отличаются отсутствием костномозговой полости; снаружи губчатые кости покрыты тонким слоем компактного вещества.

К плоским костям относятся кости лопатки, тазовая кость, кости крышки черепа. Плоские кости по строению сходны с губчатыми (также состоят из губчатого вещества, снаружи покрытого компактным веществом) и отличаются от последних формой.

Помимо перечисленных, в скелете выделяются также смешанные кости, которые состоят из частей, различных по своим функциям, форме и происхождению. Смешанные кости встречаются среди костей основания черепа.Кость, как орган живого организма состоит из нескольких тканей, главнейшей из которых является костная [2].

Химический состав кости и ее физические свойства. Костное вещество состоит из двоякого рода химических веществ: органических (1/3) главным образом оссеина, и неорганических (2/3), главным образом солей кальция, особенно фосфорнокислой извести (более половины — 51,04 %). Оссеин костного вещества обладает способностью к фотолюминесценции под воздействием ультрафиолетового излучения, исчезающей при его денатурации фактором, мешающим фотолюминесценции, также является наличие на образце большого количества неорганических загрязнений, в том числе воды или абразивного материала. Если кость подвергнуть действию раствора кислот (соляной, азотной и др.), то соли извести растворяются (decalcinatio), а органическое вещество остается и сохраняет форму кости, будучи, однако, мягким и эластичным. Если же кость подвергнуть обжиганию, то органическое вещество сгорает, а неорганическое остается, также сохраняя форму кости и ее твердость, но будучи при этом весьма хрупким. Следовательно, эластичность кости зависит от оссеина, а твердость ее — от минеральных солей. Сочетание неорганических и органических веществ в живой кости и придает ей необычайные крепость и упругость. В этом убеждают и возрастные изменения кости.

Строение кости. Структурной единицей кости, видимой в лупу или при малом увеличении микроскопа, является остеон, т.е. система костных пластинок, концентрически расположенных вокруг центрального канала, содержащего сосуды и нервы. Остеоны не прилегают друг к другу вплотную, а промежутки между ними заполнены интерстициальными костными пластинками. Остеоны располагаются не беспорядочно, а соответственно функциональной нагрузке на кость: в трубчатых костях параллельно блиннику кости, в губчатых — перпендикулярно вертикальной оси, в плоских костях параллельно поверхности. Вместе с интерстициальными пластинками остеоны образуют основной средний слой костного вещества, покрытый изнутри (со стороны эндооста) внутренним слоем костных пластинок, а снаружи (со стороны периоста) — наружным слоем окружающих пластинок. Последний пронизан кровеносными сосудами, идущими из надкостницы в костное вещество в особый прободающий канал. Из остеонов состоят более крупные элементы кости, видимые уже невооруженным глазом на распиле или на рентгенограмме, — перекладины костного вещества, или трабекулы. Из этих трабекул складывается двоякого рода костное вещество: если трабекулы лежат плотно, то получается плотное компактное вещество. Если трабекулы лежат рыхло, образуя между собою костные ячейки наподобие губки, то получается губчатое, трабекулярное вещество. Распределение компактного и губчатого вещества зависит от функциональных условий кости. Компактное вещество находится в тех костях и в тех частях их, которые выполняют преимущественно функцию опоры (стойки) и движения (рычаги), например в диафизах трубчатых костей.

В местах, где при большом объеме требуется сохранить легкость и вместе с тем прочность, образуется губчатое вещество, например в эпифизах трубчатых костей.

Перекладины губчатого вещества располагаются не беспорядочно, а закономерно, также соответственно функциональным условиям, в которых находится данная кость или ее часть. Поскольку кости испытывают двойное действие давление и тягу мышц, постольку костные перекладины располагаются по линиям сил сжатия и растяжения. Соответственно разному направлению этих сил различные кости или даже части их имеют разное строение. В покровных костях свода черепа, выполняющих преимущественно функцию защиты, губчатое вещество имеет особый характер, отличающий его от остальных костей, несущих все 3 функции скелета. Костные ячейки содержат костный мозг — орган кроветворения и биологической защиты организма. Он участвует также в питании, развитии и росте кости. В трубчатых костях костный мозг находится также в канале этих костей, называемом поэтому костномозговой полостью.

Таким образом, все внутренние пространства кости заполняются костным мозгом, составляющим неотъемлемую часть кости как органа. Снаружи кость, за исключением суставных поверхностей, покрыта надкостницей. Таким образом, в понятие кости как органа входят костная ткань, образующая главную массу кости, а также костный мозг, надкостница, суставной хрящ и многочисленные нервы и сосуды (рис 1.2.).

$C:\Users\ТЁТКА\Desktop\Безымянный.png$

Рис.1.2. Строение бедренной кости: 1- эпифиз, 2- метафиз, 3- апофиз, 4- губчатое вещество, 5- диафиз, 6- компактное вещество,

7- костномозговая полость

При минерализации происходит разложение органического компонента кости и замещение гидроксиапатита апатитом и солями тяжелых металлов. Так как этот процесс происходит при участии сапрофильных бактерий, в фоссилизированных костях могут накапливаться биологические материалы бактериального происхождения. Коллаген относят к флуоресцентным белкам 2 типа. Его способность к флуорисценции определяется наличием в структуре ароматических аминокислот: тирозина и фенилаланина [http://www.cataloxy.ru/books/4871313_osteologiya.htm].

1.2. Диагностируемые признаки

Попытки определить давность смерти или время нахождения в земле по костным останкам имелись еще в 19 столетии, когда в литературе появились некоторые сведения о нахождении костей в земле. Тогда уде было известно, что кости могут сохраняться бесконечно долго в зависимости от условий среды пребывания [http://med-tutorial.ru/med-books/book/3/].

В то же время способность костей на протяжении очень многих лет (в зависимости от условий их пребывания) сохранять свою форму, размеры и некоторые другие анатомические и механические свойства не означает отсутствия как внешних их изменений, легко выявляемых при обычном осмотре, так и внутренних — структуры и химического состава костной ткани, обнаруживаемых специальными методами исследования.

Время наступления этих изменений, степень выраженности и возможность их выявления находятся в непосредственной зависимости от условий погребения (или пребывания) трупа человека и его скелета. Все это учитывается при определении давности наступления смерти.

В результате воздействия на мягкие ткани трупа человека многочисленных и разнообразных условий внутренней и внешней среды они или полностью исчезают (скелетирование), или высыхают (мумификация), или подвергаются омылению (сапонификация — образование жировоска). Однако далеко не всегда трупные изменения мягких тканей совершаются только в каком-либо одном из перечисленных превращений. Нередко наряду с превращением тканей в жировоск можно наблюдать полностью скелетированные отдельные части трупа. Подобное, по-видимому, можно наблюдать и при процессе мумификации.

Установление давности наступления смерти по костным останкам тесно связано со сроками скелетирования. Последние в свою очередь зависят от целого ряда условий, относящихся как непосредственно к состоянию организма человека к моменту его смерти, так и условиям окружающей труп среды.

К первой категории относятся возраст человека, характер и длительность заболевания, причина смерти, вид медицинской помощи, степень развитости подкожно-жирового слоя и некоторые другие;

Ко второй — время года наступления смерти, климат, вид захоронения (пребывания) — в земле, воде, на открытом воздухе; тип почвы (чернозем, песок, суглинок), морфологические и физико-химические свойства ее (кислотность, влажность, температура); глубина захоронения, способ и вид захоронения (в гробу, без гроба, в одежде, без одежды, одиночное или массовое) и др.

Таков, по-видимому, далеко не полный перечень факторов, вызывающих действие на скорость распада тканей, и, следовательно, и на скорость наступления скелетирования. Вряд ли нуждается в пояснении зависимость между общим состоянием организма к моменту смерти человека и последующем быстротой процесса скелетирования. Реальная обусловленность каждого из них (возраст, длительность и вид заболевания, причины смерти, и др.) на посмертные изменения в сторону их ускорения или замедления очевидна. Диапазон причин второй категории более обширен и разнообразен, в связи с этим сроки скелетирования трупа варьируют в больших временных интервалах, что, как правило, находит свое отражение и на костной системе трупа.

К основным показателем оценки давности пребывания костных останков в месте их обнаружения (что не всегда соответствует сроку наступления смерти) относятся: состояние губчатого вещества и наружной компактной пластинки костей; состояние компактного слоя, цвет костей, вес, изменение химического состава и микроскопической структуры костной ткани.

Скелетирование трупов взрослых, захороненных в пористую («скважистую») почву происходит через 3—5 лет; в менее проницаемой почве этот срок удлиняется до 10 и больше лет. При наличии на костях значительного количества мягких тканей и хрящей — срок захоронения не больше 5—10 лет. При полном отсутствии мягких тканей, с наличием скудных остатков хрящей и сохранением пропитывания костей жиром — не более 10—15 лет. При равномерном высушенном состоянии трубчатых костей — срок погребения 25—30 лет. Если кости твердые, но ломкие, легко крошащиеся, шероховатые, пористые — они могли находиться в земле 100 и более лет.

При захоронении в поверхности почвы скелетирование происходит значительно быстро. Интенсивному разрушению мягких тканей в подобных случаях способствуют: влага, воздух, микроорганизмы, населяющие поверхностные слои земли, а также мелкие корни кустарников и деревьев.

На суставных концах длинных трубчатых костей компактный слой может отсутствовать. В отличие от останков, находящихся длительное время на поверхности земли, компактный слой длинных трубчатых костей, захороненных, плотный, без видимых изменений; они твердые, крепкие, не отличаются легким весом и, как правило, однородного на всех поверхностях светло-серого, иногда с розоватым оттенком цвета.

Такое состояние костей имеет внешнее сходство с костными останками из древних погребений, расположенных в сухой песчаной почве. Однако такие наблюдаемые в большинстве случаев отличительные признаки объектов из древних курганов, как резко выраженные порозность, хрупкость, легкий вес и обычно отсутствие мелких корней растений в естественных отверстиях, отличают их от костей, пролежавших в поверхностных слоях песчаной почвы 3—5 лет.

В изменении костной ткани придают большое значение химическим процессам, происходящим между почвой и костными останками. В этом процессе принимают участие органические кислоты почвы и неорганические вещества — фосфорнокислые и углекислые соли извести и др. В результате количество одних элементов в костях уменьшается, других увеличивается.

Так, например, некоторые нерастворимые соединения, главным образом соединения кальция, переходят в соединения растворимые, которые вымываются в окружающую землю. Помимо того соли кальция используются растениями. Отмечен переход в костную ткань марганца, алюминия, кремния и железа из выщелочного малогумусного мощного чернозема, алюминия и кремния из карбонатного малогумусного чернозема, отличающегося высоким содержанием этих элементов. Под влиянием этих процессов обычно вес костей понижается, поверхность их делается матовой, шероховатой, пористой; кости приобретают ломкость и постепенно разрушаются. Иногда, наоборот, кости воспринимают из почвы кремневую кислоту и как бы «каменеют». В результате вес костей повышается, они становятся плотными, крепкими, сопротивляемость их к внешним воздействиям возрастает. Продолжительность времени полного разрушения костей колеблется в очень больших пределах, и поэтому определение времени, прошедшего после смерти по костным останкам, может быть сделано лишь в очень больших интервалах [3].

Выводы: использование остеологического материала востребовано в ряде различных дисциплин и рассматривает строение, развитие, изменение костного скелета. В свою очередь скелет состоит из 206 костей, соединенных различными видами суставов. Кости могут сохраняться бесконечно долго в зависимости от условий среды пребывания и могут быть диагностированы следующие признаки такие как: установление времени нахождения костной ткани в земле, а так же изменение химического состава.

2. ОПТИЧЕСКИЕ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ

2.1. Термолюминесцентный метод

Термолюминесценция - это избыток «холодного» света в свечении нагретого непроводящего твердого тела. Она вызывается радиационными нарушениями, накопленными в кристаллической решетке. Ее интенсивность зависит от дозы облучения и таким образом, представляет собой инструмент для определения возраста. Роберт Бойль наблюдал термолюминесценцию более 300 лет назад, около 100 лет назад Видсман и Шмидт обнаружили, что термолюминесценция вызывается ионизирующим излучением. Идея использования минералов в качестве естественных термолюминесцентных дозиметров для определения их возраста принадлежит Дэниелсу и другим.

Термолюминесцентное датирование, является наиболее известным и наиболее развитым методом. Первыми археологическими материалами, на которых был проверен новый метод, были керамика и кирпичи. С тех пор этот метод утвердился в области археологии и геологии. В течение 1960-х и 1970-х годов его главным применением было датирование керамики. Как только стало очевидно, что эта методика подходит также для определения возраста осадков, термолюминесцентный метод в 1980-е получил дополнительный стимул для развития. Состояние исследований в середине 1980-х всесторонне описано Айткеном.

Термолюминесцентное датирование покрывает широкий возрастной диапазон от нескольких сотен до примерно I млн. лет. Это позволяет делать временные оценки довольно разных событий. Для таких объектов, как пещерные натечные образования, металлургические шлаки, вулканический материал, данный метод датирует их кристаллизацию и затвердевание, то есть, событие их формирования. В случае нагретых и обработанных огнем объектов типа керамики, кирпичей, каминов, каменных орудий и обожженных контактов датируется последний случай нагревания. Оптическое отбеливание сигнала термолюминесценции позволяет датировать эоловые и речные отложения, которые подвергаются действию дневного света во время транспортировки и осаждения.

Несмотря на то, что термолюминесцентный метод уже в значительной степени развит и многократно успешно применялся, его нельзя признать рутинным. Остается потребность в фундаментальных исследованиях, особенно для больших возрастов, направленных на улучшение точности. Погрешность определения возраста достигает в большинстве случаев приблизительно 10%, но в отдельных случаях может быть значительно уменьшена. Термолюминесцентый метод способен конкурировать по точности с радиоуглеродным.

Для термолюминесценции необходимо существование дефектов в кристалле. Эти дефекты служат ловушками для положительных и отрицательных зарядов, возникающих под действием ионизирующего излучения в атомах структурной решетки. Таким образом, во время облучения твердое тело кроме тепловой энергии может принимать и сохранять лучистую энергию. Эта фаза, при которой твердое тело приобретает латентную термолюминесценцию, называют фазой возбуждения. Под действием тепла или света нетепловая часть энергии, содержащаяся в твердом теле, может излучаться в виде люминесценции (фаза стимуляции). В зависимости от типа воздействия на твердое тело различают термолюминесценцию и фотолюминесценцию.

Отдельные фазы, вызывающие явление термолюминесценции, могут быть проиллюстрированы с помощью модели энергетических уровней (рис. 2.1.). В этой модели электрически изолированный кристалл характеризуется занятой валентной зоной и пустой зоной проводимости с энергетически запрещенной зоной между ними. Эта зона населяется дефектами с дефицитом заряда. Ионизирующее излучение отделяет электроны от материнских атомов в валентной зоне и переводит их в зону проводимости. Из зоны проводимости, где они могут свободно диффундировать, большинство электронов быстро возвращаются к основному состоянию, но некоторые из них захватываются в дефектах с дефицитом отрицательного заряда (электронные ловушки). Остающиеся дырки будут пойманы в дефектах кристалла с дефицитом положительного заряда (дырочные ловушки). Захваченные электроны остаются в метастабильном состоянии до тех пор, пока они не будут удалены тепловым возбуждением.

$C:\Users\ТЁТКА\Desktop\ююю.png$

Рис.2.1. Модель энергетической зоны люминесценции: а- основное состояние с пустыми ловушками зарядов; б- ионизирующее излучение отделяет электрон и поднимает его а зону проводимости, остающийся положительный заряд захватывается дырочной ловушкой; в- метастабильное состояние с занятыми ловушками заряда; г- электрон высвобождается из своей ловушки при тепловом или оптическом возбуждении и рекомбинирует с дырочным центром с испускание излучения.

При постепенном нагревании твердых тел последовательно освобождаются ловушки с различной глубиной — сначала мелкие, потом более глубокие. Регистрация интенсивности термолюминесценции излучения как функции температуры нагрева дает кривую свечения.

Таким образом, температурная кривая свечения отражает термическую стабильность высеченных электронных ловушек. Цвет испускаемой термолюминесценции определяется типом центра люминесценции, на котором происходит рекомбинация. Следовательно, спектр термолюминесцентного излучения дает информацию о характере этих центров. Чтобы получить полную информацию о центрах люминесцентного излучения, производится регистрация спектра (рис. 2.2.).

Термическая и оптическая стабильность. Если твердое тело с занятыми электронными ловушками, способное испускать термолюминесцентное излучение, подвергнуть нагреванию или освещению, некоторая часть электронов, в зависимости от уровня активации, может покинуть свои ловушки. Латентный сигнал термолюминесценции частично или полностью пропадает. В принципе этот эффект желателен, так как это ведет к переустановке термолюминесцентной системы и, следовательно, создает предпосылку для датирования событий нагрева или отбеливания сигнала. С другой стороны, это может ослабить термолюминесцентный сигнал слишком сильно, приводя к слишком молодым значениям термолюминесцентного возраста. Сигнал термолюминесценции стирается при достаточно продолжительном и/или интенсивном нагревании. Отжиг сигнала термолюминесценции подчиняется законам кинетики. Сигнал термолюминесцентный, появляющийся при заданной температуре кривой свечения, может быть охарактеризован в соответствии со своей термической стабильностью через удельную энергию активации и частотный коэффициент, которые выводятся из результатов эксперимента. Из этих параметров для данной температуры можно получить соответствующее среднее время жизни. Одного часа отжига при температуре 500⁰С достаточно, чтобы полностью перезапустить (обнулить) термолюминесцентную систему. Более низкие температуры отжига воздействуют, соответственно, на более низкочастотные области кривой свечения. Долговременное ослабление сигналов термолюминесценции является главной причиной ограничения сверху возрастного диапазона, поддающегося датировке методом термолюминесценции.

Рис.2.2. Трехмерный термолюминесцентный спектр

Воздействие света, отбеливание, также постепенно ослабляет латентный сигнал термолюминесценции. В отличие от отжига отбеливание полностью не стирает термолюминесцентный сигнал даже при увеличенной продолжительности экспонирования на свету, так что при этом остается неисчезающий остаток. Степень ослабления термолюминесценции зависит от интенсивности света. На солнечном свету отбеливание сигнала термолюминесценции, за исключением неисчезающего остатка, происходит через 10-20 часов. При пасмурной погоде отбеливание дневным светом менее эффективно. Различные термолюминесцентные сигналы от одного и того же минерала обладают различной светочувствительностью.

Явление, имеющее отношение к отбеливанию - термолюминесценция при фотопереносе. Под термолюминесцентным фотопереносом понимается усиление определенных сигналов термолюминесценции после экспонирования на свету. Возможным объяснением этого явления является то, что не все электроны, которые высвобождаются из глубоких ловушек оптическим возбуждением и переходят в зону проводимости, рекомбинируют. Напротив, некоторые из них повторно захватываются, что приводит при последующем тепловом возбуждении к возникновению термолюминесцентого фотопереноса. Предпринимались попытки использовать это явление для датирования керамики, лёсса и речных песков.

Размерные фракции. Обычно для датирования методом термолюминесценции используются тонкозернистые (2-10 мкм) и крупнозернистые (100—200 мкм) фракции. Использование мелкозернистых фракций, которые обычно обладают полиминеральным составом, неудобно из-за неприменимости методов разделения минералов. Однако, применяя методы разделения минералов, можно получить мономинеральные крупнозернистые фракции. У кварца и плагиоклазовых полевых шпатов, содержащих незначительные количества радиоактивных изотопов и, следовательно, получивших только внешнюю дозу облучения, путем травления в плавиковой кислоте удаляют -20 мкм внешней поверхностной корки. Таким образом устраняется внешний, геометрически трудно интерпретируемый α компонент, и поэтому остающееся ядро содержит только внешние β- и γ-фракции мощности дозы. Совершенно иная ситуация возникает в случае с зернами циркона, которые испускают внутреннее β- и γ-излучение, по существу, в окружающую среду и сохраняют только свой α-компонент. Помимо высоких концентраций урана, это дозиметрическое преимущество позволяет датировать цирконы с помощью авторегенерации термолюминесценции, когда сигнал термолюминесценции самовосстанавливается в пределах месяцев после измерения.

Вычисление возраста. Анализ кривых свечения термолюминесценции для определения возраста требует некоторых критериев для выбора пригодных сигналов термолюминесценции. Вызванный облучением сигнал должен быть термически или оптически переустановлен событием, которое должно быть датировано. Этот сигнал должен быть устойчив в течение рассматриваемого промежутка времени. Характеристики роста сигнала не должны отклоняться от математической функции.

На основе этих критериев можно выбрать подходящий сигнал термолюминесценции, если на кривой свечения имеется несколько максимумов. Существенное преимущество можно извлечь, если ограничиться определенными спектральными областями термолюминесцентного испускания, поскольку вышеупомянутые критерии могли бы выполняться только для небольших участков спектра.

Методом термолюминесценции можно датировать различные минеральные фракции и фракции разного размера, полученные из одного и того же образца, например из осадка или из керамического черепка. Так как значения возраста фракций до некоторой степени независимы друг от друга относительно термолюминесцентных характеристик и дозиметрии, их соответствие является важным признаком надежности определения возраста. Хотя при этом потребуются более значительные экспериментальные усилия, желательно принять стратегию отбора проб, при которой предусмотрена возможность определения возраста несколькими методами. Для одного определения возраста термолюминесцентным методом требуется 100 мг выделенного материала образца. Это соответствует начальному весу образца от - 10 г до 1 кг. Помимо собственно измерений термолюминесценции следует подумать о подготовке материала для определения мощности дозы. Оригинальный материал упаковывается в водонепроницаемый материал, так чтобы впоследствии в лаборатории можно было определить его первоначальную влажность. Образцы должны быть защищены от тепла и света, особенно в случае осадков, для которых должно быть датировано последнее освещение. Чтобы устранить любое облучение светом, осадки должны отбираться в тени с применением стальных цилиндров или других типов непрозрачных контейнеров.

В лаборатории образцы при сильно ослабленном освещении разделяются на фракции подходящего размера и минерального состава в соответствии со стандартными методами. Обычно крупнозернистые фракции состоят либо из кварца, различных полевых шпатов, циркона, либо из стекла. Механические напряжения во время дробления образцов иногда могут вызвать триболюминесценцию — нежелательный для датирования тип люминесценции, — которую можно снять отмыванием зерен пробы в разбавленных кислотах. Поскольку термолюминесцентный сигнал стирается при каждом термолюминесцентном измерении, для термолюминесцентного датирования требуется разделение пробы на части. Обычно подготавливается около 50 частей пробы по 1-4 мг каждая. Индивидуальные части пробы (субпробы) помещают на алюминиевые или стальные диски. Подготовка проб к исследованию трудоемка и требует много времени.

Измерительный прибор состоит, по существу, из тарелки, на которой образец нагревают, и фотоумножителя, с помощью которого средствами электроники испускаемый световой сигнал усиливается и регистрируется как функция температуры нагрева. После каждого измерения нагревание повторяется, чтобы зарегистрировать и вычесть фон. Для предотвращения нежелательной хемилюминесценции, которая энергетически подпитывается от экзотермических химических реакций, важно проводить термолюминесцентные измерения в атмосфере очень чистого азота или аргона. Оптические фильтры, которые можно установить между образцом и фотоумножителем, позволяют проводить регистрацию определенных спектральных областей. Автоматизированные и оснащенные компьютерами современные термолюминесцентные приборы позволяют полностью автоматизировать работу и проводить анализ больших серий субпроб [4].

При определении термолюминесценции возраста учитываются различные аспекты эксперимента, такие как выбор типа минерала, зернистости, предварительный подогрев проб, различные скорости нагревания, спектральный диапазон, функции роста, аддитивная или регенеративная методики и отбеливание. Их выбор в значительной степени эмпиричен и пока не оптимизирован и не стандартизован. Различные комбинации этих параметров лежат в основе разнообразных вариантов методики термолюминесцентного датирования, и, следовательно, датирование определенного образца несколькими лабораториями не обязательно даст непосредственно сопоставимые значения термолюминесценции возраста. Поэтому необходимо вместе с данными возраста предоставлять методику эксперимента. Без этой важной информации нельзя оценить результаты измерений. Безусловно, это относится также и к методам определения мощности дозы. Только тогда можно сказать, является ли указанная ошибка определения возраста реальной.

Данный метод характерен для датирования: керамики и обожженной глины, шлаков, вулканических пород, фульгуритов, лесс, остеологических отложений, песков, карбонатов, и других видов материалов.

2.2. Фотолюминесцентный метод

Фотолюминесценция тесно связана с явлением термолюминесценции и также вызывается облучением. Однако, в отличие от термолюминесценции, электроны при этом удаляются из своих ловушек не термически, а оптически. Когда высвобожденные электроны рекомбинируют в центрах люминесценции, испускается свет фотолюминесценции. В соответствии с используемой спектральной областью светового возбуждения говорят о различных фотолюминесцентных методах, а именно фотолюминесценцию с инфракрасным и фотолюминесценцию с зеленым возбуждением. По аналогии с термолюминесценцией, сигнал фотолюминесценции используют для оценки естественной дозы, полученной минералом за время, прошедшее с момента его формирования или последней переустановки хронометрической системы. Это позволяет определить возраст, если известна мощность дозы. Оценка мощности дозы идентична методу термолюминесценции [4].

Из трех дозиметрических методов датирования метод фотолюминесценции был разработан последним. Толчок для использования давно известного явления фотолюминесценции для датирования был дан в работе Хантли и др. Начиная с этого времени были предприняты огромные усилия, чтобы разработать методологию фотолюминесцентного датирования, так как этот метод обладает рядом физических преимуществ по сравнению с термолюминесцентным для датирования отбеленных материалов, главным образом осадков. Фотолюминесцентный метод основан на существовании легко отбеливаемых электронных ловушек, которые освобождаются уже после нескольких минут экспонирования при дневном свете. Таким образом, возникает возможность датировать события, приводящие к слабому экспонированию объекта на свету. Для отбеленного материала метод фотолюминесценции является физически более прямым методом датирования, так как при этом анализируются те же самые ловушки, на которые действовало естественное отбеливание. Еще одним значительным преимуществом метода является почти полная оптическая переустановка сигнала фотолминесценции. Это свойство особенно важно, поскольку позволяет датировать почти современные события (-100 лет). Верхний предел применимости фотолюминесценции должен быть подобен методу термолюминесценции и требует дальнейшего изучения. Фотолюминесцентный метод обещает более высокую точность датирования, чем термолюминесцентный метод.

Фотолюминесцентный метод требует присутствия атомных дефектов в кристаллической решетке, из которых формируются ловушки для электронов, высвобождающихся под действием ионизирующего излучения. Для разъяснения вопросов, связанных с особыми энергетическими уровнями, будем ссылаться на зонную модель (рис. 2.1.).

Заряды захватываются дырочными и электронными ловушками. Среднее время существования этих метастабильных состояний определяется эффективной энергетической глубиной электронных ловушек. Во время оптического возбуждения захваченные электроны активируются так, что они покидают свои ловушки и перемещаются в зону проводимости, где они рекомбинируют с центрами люминесценции с испусканием света. Для возбуждения используются аргоновые лазеры с длиной волны 514.5 км, зеленые светоизлучающие диоды или галогенные и ксеноновые лампы с соответствующими зелеными фильтрами для кварца и циркона, а для полевого шпата диоды инфракрасного света (880 ± 80 им). Чтобы избежать регистрации рассеянного света, сигнал фотолюминесценции измеряют на значительно более коротких длинах волн, чем длины волн возбуждения.

Если интенсивность сигнала фотолюминесценции непосредственно измеряется в процессе возбуждения, с ростом времени экспозиции наблюдается ниспадающая кривая, так называемая кривая спада свечения. Облучение светом с интенсивностью приблизительно 10 мВт/см² в течение нескольких минут вызывает обнуление сигнала фотолюминесценции в кварце и полевых шпатах. Незначительный остаточный сигнал может иметь место из-за темнового тока фотоумножителя, рассеянного света и неотбеленной компоненты фотолюминесценции. Кривая снижения свечения не является простой экспоненциальной функцией распада. Неэкспоненциальный характер кривой может объясняться вкладом ловушек, которые труднее поддаются возбуждению и повторному захвату электрона.

Были исследованы фотолюминесцентные спектры излучения проб различных полевых шпатов и кварца. Спектры испускания фотолюминесценции и термолюминесценции, если они происходят от одного и того же образца, по существу, выглядят весьма похожими, с доминирующими длинами волн для калиевого полевого шпата около 400-420 нм (синий) и 540-600 нм (желтый). Это говорит об участии в этих процессах идентичных центров люминесценции. При исследовании полиминеральных проб с помощью соответствующих фильтров можно разделить, например, инфракрасные фотолюминесцентные спектры испускания ортоклаза (синий/ультрафиолетовый) и плагиоклаза (зеленый).

Кривая спада фотолюминесценции не содержит никакой информации относительно термической стабильности анализируемых электронных ловушек. Это является недостатком по сравнению с кривой свечения термолюминесценции, которая отражает зависимость стабильности высвобождаемых ловушек от увеличения температуры нагрева. Существовавшие поначалу надежды управлять термической стабильностью с помощью длины волны возбуждающего света не оправдались из-за сложности механизмов переноса. При датировании необходимо учитывать факт, что фракция термически нестабильных компонентов сигналов естественной фотолюминесценции через некоторое время подвергается распаду, тогда как недавно индуцированные сигналы фотолюминесценции не несут никаких потерь за счет термически непостоянных компонентов. Это можно сделать, применив методику предварительного подогрева, чтобы уничтожить нестабильные компоненты. Кварц обычно прогревается в течение 16 часов при температуре 160 ⁰С. Нагревание искусственно облученных аликвот в то же самое время приводит к термическому перемещению электронов из поверхностных. Для термически устойчивого сигнала фотолюминесценции кварца среднее время его существования оценивается в 20 млн. лет.

Оптическая чувствительность фотолюминесцентного метода необычайно высока. Под влиянием солнечного света фотолюминесцентный сигнал кварца отбеливается до 1% от его начального значения за 10 секунд, полевого шпата - за 9 минут. Как показали экспериментальные исследования на калиевых полевых шпатах, в пасмурную погоду или под водой времена отбеливания выше из-за более низкой интенсивности света. Инфракрасный фотолюминесцентный сигнал от тонкозернистого лёсса исчезал полностью за 30 минут, если образец подвергался освещению в облачный, туманный, зимний день.

Подобно термолюминесценции, в фотолюминесцентном методе датирования могут использоваться отбеленные пробы, содержащие кварц и полевой шпат. В отличие от термолюминесцентного в этом методе можно также использовать менее интенсивно отбеленные осадки, что делает его особенно привлекательным для датирования подводных отложений. Процедура отбора проб схожа для обоих методов. Так как сигнал фотолюминесценции необычайно чувствителен к световому воздействию, особое внимание следует обратить на то, чтобы не допустить любого облучения светом. Анализируемые профили должны быть защищены от солнечного света во время процедур очистки и отбора проб. Чтобы в значительной степени минимизировать их экспонирование на дневном свету, образцы лучше всего отбирать с помощью стальных цилиндров, которые вбивают в зачищенную поверхность. После выемки цилиндры быстро закрывают плотными стальными крышками.

Подготовку образцов к исследованию в лаборатории следует проводить обязательно при приглушенном свете в специфическом диапазоне длин волн (темная комната). Материал пробы разделяют на мелкозернистую пол и минеральную фракцию и крупнозернистую фракцию, состоящую из кварца или полевого шпата. Обычно готовят 50 аликвот по 1-2 мг и выкладывают их на стальные или алюминиевые тарелки измерения. С одной стороны, тарелки с мелкозернистой фракцией полиминеральных осадков выгодны вследствие лучшей воспроизводимости результатов, с другой стороны, однако, они не допускают разделение образца на различные минеральные фазы. Тем не менее фотолюминесцентное датирование таких отложений без предварительного минерального разделения может быть реализовано с помощью селективного инфракрасного возбуждения фракции полевого шпата, так как кварц, кальцит и циркон не проявляют никакой инфракрасной фотолюминесценции, а возможный инфракрасный фотолюминесцентный вклад амфибола, пироксена и турмалина предположительно незначителен. При использовании крупнозернистой фракции кварц выделяют с помощью тяжелых жидкостей и очищают соляной и плавиковой кислотами. Чистота кварцевой фракции, означающая отсутствие примесей полевого шпата, должна быть проверена отсутствием сигнала. Крупнозернистые фракции полевых шпатов получают разделением в тяжелых жидкостях. Концентраты полевого шпата могут иметь какое-то количество включений кварца, что не будет оказывать существенного влияния на результат, так как сигнал фотолюминесценции полевого шпата обычно в 100 раз более мощный, чем сигнал кварца. Из всех полевых шпатов предпочтителен калиевый полевой шпат из-за его внутреннего вклада в мощность дозы. Следует отметить, что состав полевых шпатов может значительно варьироваться, что в свою очередь может привести к изменению фотолюминесцентных характеристик. Применение соответствующих фильтров позволяет разделить фотолюминесцентное излучение различных полевых шпатов. В отличие от кварца, сигнал фотолюминесценции полевого шпата может обладать аномальным затуханием.

Приборы, разработанные для фотолюминесценции, отличаются друг от друга источниками света для возбуждения. Источниками могут быть ионные аргоновые лазеры, ксеноновые дуговые лампы, кварцевые, галогенные, инфракрасные светодиоды и зеленые светодиоды. Ксеноновые дуговые лампы (1 кВт) и кварцевые галогенные лампы (75 Вт) дают широкий спектр излучения, из которого с помощью фильтров следует выделить желаемую длину волн возбуждения. Кварц требует возбуждения зеленым светом. В большинстве приборов используются как термолюминесцентные, так и фотолюминесцентые измерения. Для инфракрасного возбуждения может использоваться термолюминесцентный прибор, если над нагревательной тарелкой установить кольцо с инфракрасными диодами. Короткие времена возбуждения < 0,1 секунду обеспечиваются применением электронного оптического затвора. Кроме того, аппаратура может быть оборудована источником зеленого света для совместного использования в термолюминесцентных, инфракрасных фотолюминесцентных и зеленых фотолюминесцентных измерениях. При достаточно большой разности между длинами волн света возбуждения и фотолюминесценция излучения использование соответствующих цветных фильтров приведет к тому, что лишь незначительное количество рассеянного света достигнет фотоумножителя. Лазерное возбуждение более трудоемко и в настоящее время редко применяется. Луч аргонового ионного лазера направляют на пробу и измеряют сигнал фотолюминесценции в сине-фиолетовой области спектра (около 380 нм). Разделение света возбуждения и испускания более трудно реализовать при возбуждении зеленым светом, чем при инфракрасном фотолюминесцентном, из-за довольно малой разницы в длинах волн. Интенсивность рассеянного света весьма сильно уменьшается при помощи поглощающих фильтров, вставляемых между образцом и фотоумножителем. Методологические усовершенствования ожидаются от использования селективной, зависящей от длины волны системы регистрации спектров фотолюминесценции с помощью монохроматоров и ПЗС-камер.

Области применения данного метода очень широки, метод применяется для датирования, дюн, лесс, археологических отложений, осиных гнезд, керамики [4].

2.3. Метод макроскопического флуоресцентного анализа

Макроскопический люминесцентный анализ позволяет определить степень микробиологического разложения (фоссилизации) археологического и палеонтологического костного материала, что может иметь решающее значение при отборе материала для биохимических и генетических исследований. Метод основан на способности коллагена к фотолюминесценции - люминесценции инициированной ультрафиолетовым облучением.

Исследование осуществляется следующим образом:

1. В интересующих местах делаются распилы изучаемых костей толщиной 5 – 10 мм.

2. Распилы шлифуются на шлифовальных кругах убывающей зернистости.

3. Распилы и шлифовка проводятся на шлифовальной машине ШМ-1 с использованием отрезных дисков и шлифовальных кругов, применяемых в стоматологии.

4. Проводится цифровая фотосъёмка шлифа при обычном и ультрафиолетовом освещении. Для чего:

4.2. Проводится фокусировка камеры при обычном освещении,

4.3. Проводится блокировка автофокуса,

4.4. Проводится съёмка шлифа при обычном освещении,

4.5. Проводится съёмка шлифа при освещении диагностическим ультрафиолетовым осветителем ОЛД-41.

5. Далее с помощью программы Adobe Photoshop определяется процент сохранности коллагена кости. Для чего:

5.1. С помощью инструмента «Лассо» оконтуривается поперечный срез компактного вещества кости, при этом в контур не включаются проекция боковой поверхности кости, которая может оказаться на фотографии, костный канал и губчатое вещество кости (рис.2.4.).

6. Создание черно-белого изображения.

6.1. В меню «Изображение» выбирается подменю «Настройки» и пункт «Уровни» (рис. 2.5. а).

6.2. С помощью инструмента “пипетка” в качестве белого цвета выбирается цвет флюоресцирующего коллагена – самый яркий голубой цвет фотографии (рис. 2.5. б).

6.3. В качестве черного цвета выбирается цвет фоссилизированной (разложившейся) кости в зависимости от конкретной фотографии.

6.4. Нажать кнопу <ОК>. Перейти в меню «Изображение», подменю «Режим», пункт «Чёрно-белый» (рис. 2.6.а).

7. Оценка черно-белого изображения.

7.1. В меню «Изображение» выбирается подменю «Гистограмма» (рис. 2.6. б).

7.2. На гистограмме считывается показание пункта «Значение» (рис. 2.7.), далее рассматриваемый как «f».

7.3. Учитывая, что значение гистограммы для полностью сохранной кости (белой поверхности) составляет 255 единиц, степень фоссилизации шлифа определяется по формуле: F = 1- f/255 Результат может выражаться как в процентах, так и в десятичных дробях [5].

Рис.2.4. Определение степени фоссилизации длинных трубчатых костей

а)

б)

Рис.2.5. Определение степени фоссилизации длинных трубчатых костей: а- выбор уровня, б- цвет фоссилизации коллагена

а)

б)

Рис.2.6. Определение степени фоссилизации длинных трубчатых костей: а-выбор цвета «черно-белый», б-выбор гистограммы

Рис. 2.7. Определения степени фоссилизации длинных трубчатых костей с использованием программы Adobe photoshop.

Выводы: различают следующие виды люминесцентной диагностики: термолюминесцентный метод, фотолюминесцентный метод, современной разновидностью которого является метод макроскопического флуоресцентного анализа.

Термолюминесцентный метод основан на ионизирующем излучении. Термолюминесцентное датирование покрывает широкий возрастной диапазон от нескольких сотен до примерно I млн. лет. Это позволяет делать временные оценки довольно разных событий. Это наиболее известный и развитый метод.

Фотолюминесцентный метод основан на существовании легко отбеливаемых электронных ловушек, которые освобождаются уже после нескольких минут экспонирования при дневном свете. Таким образом, возникает возможность датировать события, приводящие к слабому экспонированию объекта на свету.

Современной модификацией фотолюминесцентного метода является метод макроскопического флуорисцентного анализа, предложенный доцентом СГМА: Меренковым В. Г. Метод подразумевает использование ультрафиолетового осветителя с последующей регистрацией люминесценции, цифровой фотокамерой и последующей обработкой а так же анализом в программе Adobe photoshop.

3. СПЕКТРОФЛУОРИМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСТЕОЛОГИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

3.1. Сведения об исследуемых костных шлифах

Нами было проведено исследование фотолюминесценции 50 шлифов длинных трубчатых костей. 34 – из остеологических материалов, полученных при археологических раскопках на территории г. Смоленска (табл. 3.1.), и 6 – из анатомического музея Смоленской государственной медицинской академии.

Таблица 3.1

Возрастная структура исследованных шлифов из различных захоронений

Захоронение, наименование улицы	Возраст (лет)
Захоронение, наименование улицы	<4	4-9	10-20	21-25	>35	Не опр.	Всего
Колхозная пл.	5	1	1	2	3	7	19
Ул. Воровского – Ногина	-	-	-	3	2	1	6
Ул. Кашена – Желябова	-	1	1	1	-	-	3
Башня Веселуха	1	-	-	2	1	1	5
Всего	6	2	2	8	6	9	33

На рис.3.1. изображены шлифы исследуемых костей.

$G:\img080.jpg$ а) $G:\img080.jpg$ б)

$G:\img080.jpg$ в) $G:\img080.jpg$ г)

Рис.3.1. Шлифы исследуемых костей: а – поперечный шлиф лучевой кости, б- поперечный шлиф локтевой кости, в- поперечный шлиф медиального участка бедренной кости, г – поперечный шлиф проксимального участка бедренной кости

3.2. Методика измерений

Наиболее полно реализовать измерительные возможности прибора Флюорат-02-Панорама и приборных комплексов на его основе можно только при использовании внешнего компьютера с установленным программным обеспечением (ПО) «Panorama Pro». ПО предназначено для управления спектрофлуориметром при проведении хроматографических, спектрофото- и спектрофлуориметрических, хеми- и биолюминесцентных измерений, а также при определении спектральных характеристик внешних источников излучения.

Для проведения спектральных измерений необходимо выбрать пункт «Спектральные» в меню «Измерения» в окне программы. Рабочее поле в этом случае примет вид, показанный на рис. 3.2.

На вкладке «Измерение» можно выбрать:

· Тип сканирования (по возбуждению, регистрации, синхронное);

· Параметры сканирования в соответствии с выбранным типом;

· Параметр усреднения;

· Количество отображаемых графиков;

· Режим математической коррекции;

Возможны следующие типы сканирования: по возбуждению, по регистрации, синхронное.

При сканировании по возбуждению необходимо для монохроматора возбуждения задать спектральный диапазон (поля От и До) и Шаг, а для монохроматора регистрации - постоянную длину волны.

При сканировании по регистрации необходимо для монохроматора возбуждения задать постоянную длину волны, а для монохроматора регистрации - спектральный диапазон (поля От и До) и Шаг.

При синхронном сканировании одновременно изменяется и длина волны возбуждения, и длина волны регистрации. При этом поддерживается постоянное смещение монохроматора регистрации относительно настройки монохроматора возбуждения.

Величина этого смещения может задаваться либо в нанометрах, либо в обратных сантиметрах. Параметрами сканирования являются спектральный диапазон (поля От и До) и Шаг для монохроматора возбуждения, а также величина и единицы смещения для монохроматора регистрации.

Параметр усреднения задает количество элементарных измерений (вспышек лампы), результат которых будет усредняться для вывода одной точки графика. С увеличением параметра усреднения уменьшается уровень шума, но растет полное время сканирования.

Построение трехмерных графиков (двумерное сканирование):

Двумерное сканирование позволяет получить полную информацию о люминесценции изучаемого объекта. Длины волн монохроматоров возбуждения и регистрации изменяются независимо друг от друга с заданным шагом, образуя сетку точек на плоскости. Интенсивность люминесценции измеряется в каждой точке сетки и представляется в виде поверхности в трехмерном пространстве. Для проведения измерений необходимо выбрать пункт «Двумерное Сканирование» в меню «Измерения» (см. рис. 3.3.). Главным отличием этого окна от окон других измерений является наличие двух областей отображения графической информации. В левой части находится обычный двумерный график, на котором отображается результат одного прохода сканирования «быстрого» монохроматора. В правой части отображается полный результат в виде проекции трехмерной поверхности.

На вкладке «Измерение» рабочей панели можно выбрать:

• Тип сканирования,

• Параметры области сканирования,

• Параметр усреднения,

• Параметр сглаживания,

• Режим математической коррекции,

• Угол поворота трехмерного графика относительно вертикальной оси.

Тип сканирования определяет, какой из монохроматоров является «быстрым», т.е. осуществляет сканирование в заданном диапазоне при фиксированном положении другого («медленного») монохроматора.

Область сканирования задается путем задания интервалов сканирования (поля От, До и Шаг) для каждого из монохроматоров. Для медленного монохроматора значение поля «От» может быть больше значения поля «До», что приводит к сканированию от больших длин волн к меньшим, полезному при исследовании веществ, нестойких к воздействию жесткого ультрафиолетового излучения. Из области сканирования можно исключить стоксову область (λ_рег > λ_возб, флажок Стокс), антистоксову область (λ_рег < λ_возб, флажок Анти-Стокс) и запретную зону – область, для которой |λ_рег – λ_возб| < Δ_запр. В запретной зоне пересекаются крылья спектрального пропускания монохроматоров возбуждения и регистрации, что для мутных или рассеивающих растворов приводит к большим ложным сигналам и может вызвать зашкаливание в канале люминесценции.

Сглаживание позволяет уменьшить уровень шума сигнала без увеличения параметра усреднения и, таким образом, позволяет существенно уменьшить время измерения. Параметр сглаживания задает ширину окна двойного кубического сглаживания, нулевое значение соответствует отсутствию сглаживания. Изменять параметр сглаживания можно в любой момент до начала, в процессе или после завершения измерения. Угол поворота определяет способ построения проекции трехмерной поверхности на плоскость экрана. Для изменения угла (вращения графика) можно воспользоваться одним из следующих способов: Для запуска измерений следует нажать кнопку Старт. Данные, получаемые во время одного прохода сканирования «быстрого» монохроматора показываются обычным образом на двумерном графике (в не сглаженном виде). По завершении прохода полученный спектр сглаживается и добавляется на трехмерный график. По завершении измерения щелчком левой кнопки мыши по линии на трехмерной поверхности можно просмотреть соответствующий спектр на двумерном графике. Выделенная таким образом линия показывается красным цветом.

Параметры прибора (чувствительность ФЭУ, задержка и длительность строба), с которыми производилось измерение, запоминаются в файле результатов. Для их просмотра предусмотрена вкладка Параметры. При необходимости повторить измерение с теми же самыми значениями параметров можно воспользоваться кнопкой Установить.

При нажатии правой кнопки мыши в области трехмерного графика появляется контекстное меню, содержащее пункты:

· Копировать таблицу – скопировать данные в буфер обмена Windows в текстовом формате. Эти данные можно вставить в текстовый документ или электронную таблицу.

· Копировать график – скопировать данные в буфер обмена Windows в графическом формате.

· Поиск максимума – поиск абсолютного максимума на трехмерной поверхности.

Измерение кинетики люминесценции:

Спектрофлуориметр «Панорама» позволяет проводить измерения интенсивности сигнала люминесценции от времени в микросекундном диапазоне – кинетики люминесценции. Для этого необходимо выбрать пункт «Кинетика люминесценции» в меню «Измерения». В результате на рабочей панели (см. рис. 3.4.) во вкладке «Измерение» можно будет задать:

· Тип сканирования;

· Параметры сканирования в соответствии с выбранным типом;

· Параметр усреднения;

· Режим математической коррекции.

Возможны два типа сканирования: по задержке и по длительности измерительного строба. В первом случае измеряется непосредственно зависимость интенсивности от времени, во втором – интеграл по времени.

При сканировании по задержке необходимо задать диапазон (поля От и До) и Шаг изменения задержки, а также постоянную величину длительности.

При сканировании по длительности необходимо задать постоянную величину задержки и диапазон (поля От и До) и Шаг изменения длительности.

Измерение хемилюминесценции:

Окно хемилюминесцентных измерений позволяет проводить измерения зависимости интенсивности сигнала внешнего источника излучения от времени. Эти измерения проводятся без вспышек лампы, т. е. возможно исследование химических реакций, сопровождающихся люминесценцией. Окно измерений (см. рис. 3.5.) открывается при выборе пункта «Хемилюминесцентные» в меню «Измерения».

На рабочей панели можно будет задать следующие параметры:

· Длительность хемилюминесцентных измерений в минутах или секундах в поле «Длительность измерения». Выбранные единицы измерения времени задают разметку оси абсцисс графика.

· Параметр усреднения для измерения, задающий интервал времени, в течение которого осуществляется усреднение величины измеряемого сигнала. На график выводится одна точка на каждый интервал. Таким образом, этот параметр определяет шаг между точками по оси абсцисс. Минимальный интервал усреднения равен 0,02 секунды, поскольку частота элементарных измерений в приборе равна 50 Гц.

· Количество отображаемых графиков и режим коррекции.

Для увеличения регистрируемого светового потока можно воспользоваться следующими приемами:

· Установить монохроматор регистрации на длину волны 0 нм. В этом случае дифракционная решетка монохроматора работает в режиме отражения, что позволяет регистрировать свет, излучаемый на всех длинах волн.

· Снизить до минимума значение задержки и значительно увеличить длительность измерительного строба. Однако необходимо учесть, что при увеличении длительности строба увеличивается накопление фоновых шумов измерительной электроники. Поэтому следует в каждом случае подбирать оптимальное значение длительности строба, чтобы с одной стороны получить больший сигнал, а с другой не накопить лишние шумы.

Исследования проводились с помощью спектрофлуориметра «Флюорат-02-Панорама» с выставлением соответствующих настроек в программном обеспечении «Panorama Pro». Для анализа спектров косных шлифов, проводились следующие измерения:

1. Спектр возбуждения костных шлифов при синхронном сканировании;

2. Спектр люминесценции костных шлифов;

3. Спектр возбуждения костных шлифов;

4. Двумерный спектр возбуждения костных шлифов;

5. Двумерный спектр люминесценции костных шлифов;

6. Кинетика люминесценции костных шлифов;

7. Хемилюминесценция костных шлифов.

Для измерения синхронного спектра возбуждения во вкладке «Измерения» выбираем «Спектральные», далее выбираем «Синхронное». Вводим необходимые параметры в поля программы, такие как: шаг (1 нм), чувствительность высокая, смещение (20 нм), длительность строба (1,0 мкс), число вспышек (25), диапазон измерений (200…800 нм).

Для измерения спектра люминесценции во вкладке «Измерения» выбираем «Спектральные», далее выбираем «По регистрации». Рабочий диапазон и длина волны возбуждения соответствует максимуму синхронного спектра.

Для измерения спектра возбуждения во вкладке «Измерения» выбираем «Спектральные», далее выбираем «По возбуждению». Рабочий диапазон и длина волны возбуждения соответствует максимуму синхронного спектра.

Для измерения двумерного спектра возбуждения во вкладке «Измерения» выбираем «Двумерное», далее выбираем «По возбуждению». Вводим необходимые параметры в поля программы, такие как: шаг (1 нм), чувствительность высокая, длительность строба (0,8 – 1,0), число вспышек (50), диапазон измерений (200…800 нм),выделить поля «Стокс», «Антистокс».

Для измерения кинетики во вкладке «Измерения» выбираем «Кинетика», далее «По длительности», либо «По задержке». Установим длину волны возбуждения 425 нм, длину волны регистрации 530 нм. Чувствительность ФЭУ высокая, усреднение по 50 точкам диапазон 0,05-20 мкс с точностью 0,05 мкс.

Для хемилюминесцентных измерений выбрали пункт «Хемилюминесцентные» в меню «Измерения».

На рабочей панели задали следующие параметры:

· длительность хемилюминесцентных измерений: 100 с;

· усреднения для измерения выбираем 0,02 с (минимальный интервал поскольку частота элементарных измерений в приборе равна 50 Гц);

· чувствительность ФЭУ: высокая;

· монохроматор регистрации выставили на длину волны 0 нм – в этом случае дифракционная решетка монохроматора работает в режиме отражения, что позволяет регистрировать свет, излучаемый на всех длинах волн, как следствие увеличение регистрируемого светового потока;

· подобрали оптимальное значение длительности строба таким образом, чтобы с одной стороны получить больший сигнал, а с другой не накопить лишние шумы: значение задержки снизили практически до минимума – 0,10 мкс и значительно увеличили длительность измерительного строба – 1000 мкс.

3.3. Результаты измерений

Синхронный спектр возбуждения шлифа К-5 представлен на рис. 3.5.

$C:\Users\ТЁТКА\Desktop\Безымянный.png$

Рис.3.6. Спектр возбуждения костного шлифа К-5 при синхронном сканировании

Из рис 3.6. видно, что спектр возбуждения костного шлифа К-5 находится в диапазоне от 230 нм до 560 нм. Спектр возбуждения имеет 4пика, находящихся на длинах волн 288 нм, 352 нм, 423 нм, 498 нм. Пик с длиной волны 288 нм, является аппаратным пиком, а пик с длиной волны 352 нм, является ложным пиком.

Спектр возбуждения костного шлифа К-5, для различных длин волн возбуждения приведен на рис. 3.7.

$I:\к-5 возб уууу.jpg$

Рис.3.7. Спектр возбуждения костного шлифа К-5 в рабочем диапазоне для разных длин волн максимума люминесценции: 1 – для λ_в=423 нм; 2 – для λ_в=498 нм

Из рис.3.6. следует, что максимумы на кривых спектра люминесценции находятся на длинах волн 352 нм и 424 нм соответственно для длин волн возбуждения 423и 498 нм.

Спектры (1) (2) люминесценции костного шлифа представлены на рис. 3.8.

Из рис. 3.8. видно, что спектр люминесценции расположен в области больших длин волн, чем спектр возбуждения. Максимум спектра возбуждения приходится на длину волны 432 нм, максимум спектра люминесценции – на длину волны 498-515 нм.

$C:\Documents and Settings\ьоььб\Рабочий стол\Безымянный.bmp$

Рис.3.8. Спектры люминесценции костного шлифа К-5 в рабочем диапазоне для различных длин волн: 1- для λ_в=352 нм; λ_в=424 нм

Двумерные спектры возбуждения и люминесценции костного шлифа К-5 приведены соответственно на рис. 3.9. и 3.10.

Рис.3.9. Двумерный спектр возбуждения костного шлифа

Рис.3.10. Двумерный спектр люминесценции костного шлифа

Кинетика костного шлифа К-5 по задержке приведена на рис.3.11.

$C:\Users\ТЁТКА\Desktop\к.png$

Рис.3.11. Кинетика люминесценции (сканирование по задержке)

Из полученных результатов можно сделать вывод: максимально время затухания люминисценции у костного шлифа tзат=4,2 мкс.

На рис.3.12. представлен график аппаратных шумов. На рис.313. представлен график хеми-биолюминесценции костного шлифа К-5.

Рис.3.11. Аппаратные шумы прибора

Рис.3.12. График хеми-биолюминесценции костного шлифа К-5

По результатам хеми-биолюминесцентных измерений для полученного графика в окне математической обработки рассчитали интеграл в диапазоне 0-100 секунд с помощью функции integral(f), а также среднее арифметическое значение с помощью функции mean(f). Измерения проводили 10 раз, результат усредняли. Результаты представлены в табл. 3.2-3.4.

Таблица 3.2

Аппаратные шумы прибора

№ измерения	Интеграл	Ср. значение функции
1	88,32	0,8833
2	84,41	0,8627
3	86,89	0,8691
4	83,88	0,8231
5	86,73	0,8895
6	89,64	0,8463
7	88,23	0,8676
8	88,74	0,8886
9	88,18	0,8631
10	88,33	0,8832
Ср.	87,33	0,8667

Таблица 3.3

Результаты математической обработки графиков ХЛ костного шлифа

№ измерения	Интеграл	Ср. значение функции
1	189,84	0,8988
2	187,20	0,8724
3	162,85	0,6288
4	156,63	0,5666
5	154,33	0,5436
6	159,73	0,7885
7	159,73	0,5976
8	161,83	0,6285
9	182,27	0,8230
10	188,96	0,8490
Ср.	170,34	0,6536

Таблица 3.4

Сводная таблица

	Интеграл	Ср. значение функции
Аппаратные шумы	87,33	0,8567
Костный шлиф	170,34	0,6536

Выводы: исследовали костные шлифы длинных трубчатых костей из остеологических материалов, полученных при археологических раскопках в г. Смоленске. Спектр возбуждения костных шлифов имеет 2 пика λ=352 нм, λ=424нм, и 2 максимума люминесценции на длинах волн λ=423 нм и λ=498 нм.

Спектры люминесценции лежат в сине-зеленой области(до 570 нм).

Исследована кинетика люминесценции: затухание происходит экспоненциально. Время затухания по уровню 0,1 от максимума составляет 4,2 мкс.

Исследованы статистические параметры хеми-биолюминесценции, среднее значение и интегральное значение при времени измерения 100 секунд. Интегральное значение люминесценции шлифа превышает шумы в 1,95 раз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Использование остеологического материала востребовано в ряде различных дисциплин и рассматривает строение, развитие, изменение костного скелета. В свою очередь скелет состоит из 206 костей, соединенных различными видами суставов.

Кость представляет собой сложный композитный материал, состоящий из кристаллов гидроксиапатита, микрофибрилл коллагена и мукополисахаридов, связывающих в единую систему белковый и минеральный компонент кости. При минерализации происходит разложение органического компонента кости и замещение гидроксиапатита апатитом и солями тяжелых металлов. Так как этот процесс происходит при участии сапрофильных бактерий, в фоссилизированных костях могут накапливаться биологические материалы бактериального происхождения. Коллаген относят к флуоресцентным белкам 2 типа. Его способность к флуоресценции определяется наличием в структуре ароматических аминокислот: тирозина и фенилаланина. В то же время способность костей на протяжении очень многих лет (в зависимости от условий их пребывания) сохранять свою форму, размеры и некоторые другие анатомические и механические свойства не означает отсутствия как внешних их изменений, легко выявляемых при обычном осмотре, так и внутренних — структуры и химического состава костной ткани, обнаруживаемых специальными методами исследования. Кости могут сохраняться бесконечно долго в зависимости от условий среды пребывания и могут быть диагностированы следующие признаки такие как: установление времени нахождения костной ткани в земле, а так же изменение химического состава.

Среди современных оптических методов исследования остеологического материала различают следующие виды люминесцентной диагностики: термолюминесцентный метод, фотолюминесцентный метод, современной разновидностью которого является метод макроскопического флуоресцентного анализа.

Современной модификацией фотолюминесцентного метода является метод макроскопического флуорисцентного анализа, предложенный доцентом СГМА: Меренковым В.Г. Метод подразумевает использование ультрафиолетового осветителя с последующей регистрацией люминесценции, цифровой фотокамерой и последующей обработкой, а так же анализом в программе Adobe photoshop.

Спектрофлуориметр Флюорат-02-Панорама в совокупности с внешним компьютером и установленным программным обеспечением «Panorama Pro» открывает широкие возможности для анализа и диагностики костных шлифов, жидких и газообразных проб, неорганических образцов, а также позволяет проводить первичную обработку результатов измерений, сравнительный анализ, сложные математические операции над спектрами и временными зависимостями. Это позволяет значительно упростить и ускорить процесс диагностики, а также разработать комплексные методики анализа различных веществ и объектов на основе данного прибора.

Методика комплексного анализа костных шлифов на спектрофлуориметре Флюорат-02-Панорама включает в себя семь последовательных измерений: спектра возбуждения образца при синхронном сканировании, спектров люминесценции и возбуждения, двумерных спектров возбуждения и люминесценции, кинетики люминесценции, хеми- биолюминесценции.

Исследовали костные шлифы длинных трубчатых костей из остеологических материалов полученных при археологических раскопках в г. Смоленске. Спектр возбуждения костных шлифов имеет 2 пика λ=352 нм, λ=424нм, и 2 максимума люминесценции на длинах волн λ=423 нм и λ=498 нм.

Спектры люминесценции лежат в сине-зеленой области(до 570 нм).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гайворонский И.В., Ничипорук Г.И. Остеология [Текст] / И.В. Гайворонский "ЭЛБИ-СПб" 2010. – 68 с.

2. Билич Г.П., Крыжановский В.А. Анатомия человека [Текст] / «Кзотан - медиан» 1998. – 194 с.

3. Судебная медицина. Под. ред. проф. Волынского. П. С. [Текст] / Москва 2008 -300 с.

4. Вагнер Г. Научные методы датировки. [Текст] / 2006- 352 с.

5. Меренков В.Г. Остеологическим мониторинг археологических исследований. [Текст] / 2008- 10 c.