CN101413893A - 植物叶绿素测量仪及叶绿素测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植物叶绿素测量仪及叶绿素测量方法。旨在克服费时、破坏植物活体等问题。植物叶绿素测量仪由计算机、光纤光谱仪和测量探头组成。计算机与光纤光谱仪电连接，光纤光谱仪与测量探头光纤和电连接。叶绿素测量方法：1)启动计算机，先对设备测试，如果正常，光纤光谱仪给激光发生装置发出开启激光二极管的信号，同时光纤光谱仪开始采集被激光激发出来的荧光；2)激光发生装置的激光二极管发出激光直接照射到植物叶片，激发出的荧光被荧光接收探头接收并传入光纤光谱仪进行处理后传入计算机；3)计算机对传入的数据进行分析处理；4)计算机对分析处理结果进行判断、显示和保存符合实际的处理结果。其适用于具有厚、薄叶片的植物。

Description

植物叶绿素测量仪及叶绿素测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量植物叶绿素的装置与植物叶绿素的检测方法，更具体地说，它涉及一种植物叶绿素测量仪及叶绿素测量方法。

背景技术

氮肥是植物体内氨基酸的组成部分、是构成蛋白质的成分，也是植物进行光合作用起决定性作用的叶绿素的组成部分。在不同氮肥施用水平下，植物生长状况和产量都会发生变化。在保证植物产量及品质的前提下，确定最佳施肥期和最佳施肥量，不仅可以节省用肥量，而且可以减少化肥污染，保护环境。

目前，针对植物叶片叶绿素含量及含氮量的测量方法主要为化学方法，可这种手段由于是以破坏作为活体的植物为前提，所以不是人们想要的方法。另外由于利用化学药品，其处理等需要很多功夫和时间，也不适用。因此，无损检测技术近年来在植物氮营养诊断中得到广泛关注，被认为极有发展前途的植物营养诊断技术。现有技术是用两种不同波长的光分别照射到植物叶片表面，从植物叶片的另一面接收透射的光，并比较透射光与原照射光的光密度差异，进而测量出叶绿素的相对含量，这种方法更适合于具有较薄叶片的植物，对于测量较厚植物叶片叶绿素含量时，测量精度会受到影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的问题，提供了一种便携式的对厚、薄植物叶片都适用的植物叶绿素测量仪及一种无损植物活体的叶绿素含量测量方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：植物叶绿素测量仪由安装有控制软件的计算机、光纤光谱仪和测量探头组成，计算机与光纤光谱仪之间电连接，光纤光谱仪与测量探头之间是光纤和电连接。

所述的测量探头由激光发生装置、荧光接收探头和测量探头体组成。荧光接收探头安装在测量探头体的中轴线上，激光发生装置与荧光接收探头之间成45°地安装在测量探头体上，荧光接收探头与光纤光谱仪之间光纤连接，激光发生装置与光纤光谱仪之间电连接。

技术方案中所述的激光发生装置由激光二极管、控制电路组成。激光二极管的引脚1、引脚2、引脚3分别与控制电路的接线端LD-、接线端LD+、接线端PD+电连接，控制电路接线端VCC与电源电连接；所述的荧光接收探头主要由准直透镜组成。荧光接收探头与光纤光谱仪之间采用具有型号为SMA-905标准接头的光纤(c)连接。

实施植物叶绿素测量仪的第二套技术方案是第一套技术方案中所述的安装有控制软件的计算机与光纤光谱仪都采用安装上蓝牙无线传输装置的计算机与光纤光谱仪，那么在第二套技术方案中计算机与光纤光谱仪之间是无线传输方式的连接，安装有蓝牙无线传输装置的光纤光谱仪与测量探头之间是光纤和电线连接。

利用植物叶绿素测量仪测量植物叶绿素的方法并采用如下步骤：

1)启动计算机，首先对光纤光谱仪和激光发生装置进行连接测试，如果二者工作状态正常，光纤光谱仪给激光发生装置发出开启激光二极管的信号，同时光纤光谱仪开始采集被激光激发出来的荧光，如果光纤光谱仪或激光发生装置不能正常工作，计算机将显示错误报告并提示错误原因。

2)激光发生装置中的激光二极管发出的激光直接照射到植物叶片上，激发出的荧光被荧光接收探头接收并传入光纤光谱仪，光纤光谱仪把采集到的荧光进行分光、光电转换和A/D转换后传入计算机，传入计算机的数据会以光谱的形式显示并保存。

3)计算机对传入的数据进行分析处理。

4)计算机对分析处理结果进行判断，显示和保存符合实际的处理结果，对错误处理结果的数据进行提示，并由使用者决定是显示并保存数据还是删除。

利用植物叶绿素测量仪测量植物叶绿素的方法的技术方案中所述的计算机对传入的数据进行分析处理指的是：

1)对荧光光谱强度最大值的归一化处理

对荧光光谱强度最大值的归一化处理所采用的公式为：

$F_i=\frac{E_i}{E_{\max }}$

式中：F_i—波长为i_nm光的相对强度；

      E_i—CCD接收到的波长为i_nm的光转化成电子的个数；

      E_max—荧光光谱中CCD接收的光转化最多的电子个数；

      i—光的波长。

进行荧光光谱最大值归一化处理时，计算机自动选取光的波长范围为675～800nm。

2)对植物叶片叶绿素相对含量的计算

对植物叶片叶绿素相对含量的计算所采用的公式为：

$S=a\·\frac{F_{735}}{F_{685}}+b$

式中：S—叶绿素相对含量值；

      a—叶绿素含量系数1；

      b—叶绿素含量系数2；

      F₇₃₅—733～737nm范围的荧光相对强度；

      F₆₈₅—683～687nm范围的荧光相对强度。

3)对植物叶片含氮量的计算

对植物叶片含氮量的计算所采用的公式为：

$N=c\·\frac{F_{735}}{F_{685}}+d$

式中：N—叶片含氮量，mg/kg；

      c—氮含量系数1，mg/kg；

      d—氮含量系数2，mg/kg；

      F₇₃₅—733～737nm范围的荧光相对强度；

      F₆₈₅—683～687nm范围的荧光相对强度。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的植物叶绿素测量仪及叶绿素测量方法解决了传统化学方法操作繁琐、化验费时等缺点，达到测量时间短、操作简单，可操作性强；

2.本发明所述的植物叶绿素测量仪检测植物叶绿素含量时，其测量探头在植物生长地直接接触植物叶片即可完成，避免了活体破坏，实现了无损检测；

3.本发明所述的植物叶绿素测量仪及叶绿素测量方法解决了目前一些测量方法如透射光密度差法在测量较厚植物叶片时遇到的精度不高的问题，测量精度不受植物叶片厚度影响，测量范围更广；

4.本发明所述的植物叶绿素测量仪测量准确，精度高，对植物叶绿素含量的测量误差仅为1％左右，对植物叶片氮含量的测量误差低于1％；

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是植物叶绿素测量仪的结构、原理框图；

图2是植物叶绿素测量仪测量探头和植物叶片工作位置关系的主视图；

图3是植物叶绿素测量仪测量探头和植物叶片工作位置关系在图2中A-A位置的剖视图；

图4是移去植物叶片后植物叶绿素测量仪测量探头的俯视图；

图5是安装有控制软件的计算机采用安装有控制软件和蓝牙无线传输装置的计算机，光纤光谱仪采用安装有蓝牙无线传输装置的光纤光谱仪，安装有蓝牙无线传输装置的光纤光谱仪与测量探头之间是光纤和电线连接的第二套技术方案的植物叶绿素测量仪的结构、原理框图；

图6是组成激光发生装置的激光二极管引脚示意图；

图7是组成激光发生装置的控制电路的电路原理图；

图8是采用植物叶绿素测量仪测量植物叶绿素含量的流程框图；

图中：a.激光发生装置，b.荧光接收探头，c.光纤，d.检测口，e.荧光接收室，f.植物叶片，g.测量探头体，C1-C4.电容，R1-R7.电阻，U1、U2.三极管，Z1.齐纳二极管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

为了克服现有化学方法测量植物叶绿素含量时带来的费时、破坏植物活体的缺点；为了克服用两种不同波长的光分别照射到植物叶片表面，从植物叶片的另一面接收透射的光，并比较透射光与原照射光的光密度差异，进而测量出植物叶绿素相对含量的对于测量较厚植物叶片叶绿素含量时测量精度会受到影响的缺点；本发明提供了一种植物叶绿素测量仪。该植物叶绿素测量仪不仅可以快速、准确地对植物叶片叶绿素含量进行无损测量，而且还可以通过植物叶片叶绿素含量与植物叶片氮含量的关系，进而对植物氮营养成分的含量进行测量。

参阅图1至图4，植物叶绿素测量仪由安装有控制软件的计算机、光纤光谱仪和测量探头组成，计算机与光纤光谱仪之间采用高速USB2.0数据传输接口电线连接，光纤光谱仪与测量探头之间是光纤和电线连接。因为测量探头是由激光发生装置a、荧光接收探头b和测量探头体g组成。荧光接收探头b安装在测量探头体g的中轴线上，激光发生装置a与荧光接收探头b之间成45°地安装在测量探头体g上，荧光接收探头b与光纤光谱仪之间采用光纤连接，激光发生装置a与光纤光谱仪之间电线连接。更具体地说，荧光接收探头b包括型号为COL-UV/VIS的准直透镜和安装型号为COL-UV/VIS的准直透镜的壳体，安装有型号为COL-UV/VIS的准直透镜的壳体安装在测量探头体g的中轴线上，荧光接收探头b与光纤光谱仪之间采用具有型号为SMA-905标准接头的光纤c连接。

参阅图6与图7，激光发生装置a由激光二极管、控制电路组成。激光发生装置a选用波长为660nm，功率为10mw的激光二极管。激光二极管内封装一个光电二极管，光电二极管可以感应激光二极管发光强弱，并将光强弱信息转换成反馈电信号传回电路，电路进行自动调节，从而使激光二极管稳定发光。激光二极管有三个引脚，引脚1为激光二极管的负极，引脚2由激光二极管正极和光电二极管负极共同组成，引脚3为光电二极管的正极。

控制电路由控制芯片、开关电路和发射电路三部分组成。控制芯片采用单片机89S51，其中P1.1引脚与光纤光谱仪的触发端口EXTERNAL I/O PIN23相连，P1.0引脚与开关电路相连。

开关电路由光电耦合器4N25、缓冲器74LS07和电阻R7组成。光电耦合器引脚1与电源正极相连，引脚2通过电阻R7、缓冲器与单片机P1.0引脚相连，引脚3与发射电路接线端LD+相连，引脚4与电源正极相连。

发射电路由三极管U1、三极管U2、齐纳二极管Z1、电阻R1～R6、电容C1-C4连接构成。激光二极管引脚3与三极管U1基极(即接线端PD+点)相连，激光二极管引脚1与三极管U2集电极(即接线端LD-点)相连，激光二极管引脚2与接线端LD+点相连，并通过光电耦合器与电源正极相连。

激光二极管电路工作原理为，单片机通过P1.1引脚接收到从光纤光谱仪传来的触发信号后，通过P1.0引脚发出指令，使光电耦合器的开关导通，从而使激光发射电路开始工作。封装在激光二极管内的光电二极管与发射电路部分构成了一个带反馈调节功能的供电电路，根据激光二极管的实际发光情况进行自动调节，使激光二极管能恒功率稳定发光。

参阅图5，图中所表示的是实施植物叶绿素测量仪的第二套技术方案。第二套技术方案与第一套技术方案不同之处在于计算机和光纤光谱仪都采用安装有蓝牙无线传输装置的计算机和光纤光谱仪，这样计算机与光纤光谱仪之间能够实现无线传输方式的连接，安装有蓝牙无线传输装置的光纤光谱仪与测量探头之间仍是光纤和电线连接。第二套技术方案所采用的测量探头与第一套技术方案所采用的测量探头相同。实际上可以将两套技术方案合在一起，本发明所述的植物叶绿素测量仪中的计算机与光纤光谱仪在通信方式上不仅支持USB2.0高速数据线传输，同时也支持蓝牙无线传输技术。即在计算机和光纤光谱仪中都配置有蓝牙信号发射和接收装置，本发明可实现计算机与光纤光谱仪之间控制命令与采集数据的无线传输功能，使本发明在实际应用中使用更方便、适用性更强。运行本发明的控制软件时，控制软件如果通过USB2.0端口检测到光纤光谱仪，将不会启动计算机的蓝牙无线传输装置，直接通过USB数据线对光纤光谱仪进行控制，反之会自动与计算机中的蓝牙无线传输装置进行连接，并使其发出信号与光纤光谱仪进行无线连接，当计算机与光纤光谱仪建立无线连接后其运行和使用方法与通过USB数据线连接时完全相同。

利用植物叶绿素测量仪测量植物叶绿素含量的方法

本发明主要通过装入计算机的控制软件(客户端)实施整个测量过程，实现系统光源启动、荧光接收与分光、光电转换、数据分析处理等几个主要工作过程，最终实现对植物叶片叶绿素与氮含量的测量目标。

利用植物叶绿素测量仪测量植物叶绿素含量的方法采用如下步骤：

1)首先要使植物叶绿素测量仪测量探头的检测口d与植物叶片f紧密接触，做到在荧光接收室e内不能产生漏光现象；也可以使用植物叶片夹，先将植物叶片f夹好，然后再扣在测量探头的检测口d上。

2)启动计算机，首先对光纤光谱仪和激光发生装置(a)进行连接测试，如果二者工作状态正常，光纤光谱仪给激光发生装置(a)发出开启激光二极管的信号，与此同时光纤光谱仪自身也开始采集被激光照射的植物叶片中的叶绿素而发出来的荧光，如果光纤光谱仪或激光发生装置(a)不能正常工作，计算机将显示出现错误的报告并提示出现错误的原因。

3)激光发生装置(a)中的激光二极管发出的激光直接照射到植物叶片f上，植物叶片中的叶绿素由于被激光照射而发出的荧光被荧光接收探头(b)接收并通过光纤c传入光纤光谱仪，光纤光谱仪把采集到的荧光进行(按波长)分光处理、光电转换处理和A/D转换处理后传入计算机，传入计算机的数据同时会以光谱的形式给予显示并保存。

4)计算机对传入的数据进行分析处理并采用如下步骤：

①对荧光光谱强度最大值的归一化处理

对荧光光谱强度最大值的归一化处理所采用的公式为：

$F_i=\frac{E_i}{E_{\max }}$

式中：F_i—波长为i_nm光的相对强度；

E_i—CCD接收到的波长为i_nm的光转化成电子的个数(光纤光谱仪以光转化成电子的个数定义为光的强度)；

E_max—荧光光谱中CCD接收的光转化最多的电子个数；

i—光的波长。

进行荧光光谱最大值归一化处理时，计算机自动选取光的波长范围为675～800nm。

②对植物叶片叶绿素相对含量的计算

对植物叶片叶绿素相对含量的计算所采用的公式为：

$S=a\·\frac{F_{735}}{F_{685}}+b$

式中：S—叶绿素相对含量值；

a—叶绿素含量系数1；

b—叶绿素含量系数2；

F₇₃₅—733～737nm范围的荧光相对强度；

F₆₈₅—683～687nm范围的荧光相对强度。

③对植物叶片含氮量的计算

对植物叶片含氮量的计算所采用的公式为：

$N=c\·\frac{F_{735}}{F_{685}}+d$

式中：N—叶片含氮量，mg/kg；

c—氮含量系数1，mg/kg；

d—氮含量系数2，mg/kg；

F₇₃₅—733～737nm范围的荧光相对强度；

F₆₈₅—683～687nm范围的荧光相对强度。

5)计算机对分析处理结果进行判断，显示和保存符合实际的处理结果，对错误处理结果的数据进行提示，并由使用者决定是显示并保存数据还是删除。

实施例

表中所列的数据为本发明对黄瓜叶片的测量试验结果。对叶片叶绿素含量的测量评价标准以spad502叶绿素仪的测量值为准，对叶片氮含量的测量评价标准以中国科学院东北地理与农业生态研究所提供的检测值为准。测量结果显示本发明对叶片叶绿素含量及含氮量测量的准确。

Claims (6)

1.一种植物叶绿素测量仪，其特征是所述的植物叶绿素测量仪由安装有控制软件的计算机、光纤光谱仪和测量探头组成，计算机与光纤光谱仪之间电连接，光纤光谱仪与测量探头之间是光纤和电连接；

所述的测量探头由激光发生装置(a)、荧光接收探头(b)和测量探头体(g)组成，荧光接收探头(b)安装在测量探头体(g)的中轴线上，激光发生装置(a)与荧光接收探头(b)之间成45°地安装在测量探头体(g)上，荧光接收探头(b)与光纤光谱仪之间光纤连接，激光发生装置(a)与光纤光谱仪之间电连接。

2.按照权利要求1所述的植物叶绿素测量仪，其特征是所述的激光发生装置(a)由激光二极管、控制电路组成，激光二极管的引脚1、引脚2、引脚3分别与控制电路的接线端LD-、接线端LD+、接线端PD+电连接，控制电路接线端VCC与电源电连接。

3.按照权利要求1所述的植物叶绿素测量仪，其特征是所述的荧光接收探头(b)主要由准直透镜组成，荧光接收探头(b)与光纤光谱仪之间采用具有型号为SMA-905标准接头的光纤(c)连接。

4.按照权利要求1所述的植物叶绿素测量仪，其特征是所述的安装有控制软件的计算机与光纤光谱仪都采用安装上蓝牙无线传输装置的计算机与光纤光谱仪，计算机与光纤光谱仪之间是无线传输方式的连接，安装有蓝牙无线传输装置的光纤光谱仪与测量探头之间是光纤和电线连接。

5.利用权利要求1所述的植物叶绿素测量仪测量植物叶绿素的方法，其特征是采用如下步骤：

1)启动计算机，首先对光纤光谱仪和激光发生装置(a)进行连接测试，如果二者工作状态正常，光纤光谱仪给激光发生装置(a)发出开启激光二极管的信号，同时光纤光谱仪开始采集被激光激发出来的荧光，如果光纤光谱仪或激光发生装置(a)不能正常工作，计算机将显示错误报告并提示错误原因；

2)激光发生装置(a)中的激光二极管发出的激光直接照射到植物叶片上，激发出的荧光被荧光接收探头(b)接收并传入光纤光谱仪，光纤光谱仪把采集到的荧光进行分光、光电转换和A/D转换后传入计算机，传入计算机的数据会以光谱的形式显示并保存；

3)计算机对传入的数据进行分析处理；

4)计算机对分析处理结果进行判断，显示和保存符合实际的处理结果，对错误处理结果的数据进行提示，并由使用者决定是显示并保存数据还是删除。

6.按照权利要求5所述的利用植物叶绿素测量仪测量植物叶绿素的方法，其特征是所述的计算机对传入的数据进行分析处理指的是：

1)对荧光光谱强度最大值的归一化处理

对荧光光谱强度最大值的归一化处理所采用的公式为：

$F_i=\frac{E_i}{E_{\max }}$

式中：F_i—波长为inm光的相对强度；

E_i—CCD接收到的波长为inm的光转化成电子的个数；

E_max—荧光光谱中CCD接收的光转化最多的电子个数；

i—光的波长。

进行荧光光谱最大值归一化处理时，计算机自动选取光的波长范围为675～800nm。

2)对植物叶片叶绿素相对含量的计算

对植物叶片叶绿素相对含量的计算所采用的公式为：

$S=a\·\frac{F_{735}}{F_{685}}+b$

式中：S—叶绿素相对含量值；

a—叶绿素含量系数1；

b—叶绿素含量系数2；

F₇₃₅—733～737nm范围的荧光相对强度；

F₆₈₅—683～687nm范围的荧光相对强度。

3)对植物叶片含氮量的计算

对植物叶片含氮量的计算所采用的公式为：

$N=c\·\frac{F_{735}}{F_{685}}+d$

式中：N—叶片含氮量，mg/kg；

c—氮含量系数1，mg/kg；

d—氮含量系数2，mg/kg；

F₇₃₅—733～737nm范围的荧光相对强度；

F₆₈₅—683～687nm范围的荧光相对强度。

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