CN107515200A - 一种植物中atp含量的快速检测装置 - Google Patents

一种植物中atp含量的快速检测装置 Download PDF

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CN107515200A CN201710563372.9A CN201710563372A CN107515200A CN 107515200 A CN107515200 A CN 107515200A CN 201710563372 A CN201710563372 A CN 201710563372A CN 107515200 A CN107515200 A CN 107515200A
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方慧
章禾嘉
张徐洲
何勇
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Zhejiang University ZJU
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands

Abstract

本发明公开了一种植物中ATP含量的快速检测装置，包括：样品室，用于放置植物样本；光源，用于向样品室提供360～2000nm波长的测量光；光谱仪，用于采集植物样本的光谱信号强度；数据处理平台，用于接收光谱信号强度，根据接收的光谱信号强度计算植物样本的ATP含量，并将结果发送至显示屏；显示屏，用于显示和输入数据。本发明的植物中ATP含量的快速检测装置体积小，可很好地实现便携式地测量，操作方便，工作效率高，检测结果比较可靠。

Description

一种植物中ATP含量的快速检测装置
技术领域
本发明涉及光谱检测技术领域，尤其涉及一种植物中ATP含量的快速检测装置。
背景技术
生物为维持其生命活动和执行各种生理功能都需要消耗能量。三磷酸腺苷(ATP)存在于从微生物到高等动植物等生物体的细胞中，是一种可被生物直接利用的主要能量，参与体内脂肪、蛋白质、糖和核酸的代谢，在维持生物体的正常机能上有着无可替代的作用。因此，对其含量进行快速、准确的测定，对研究生物生长发育和生物产品质量有重要的意义。
传统上，ATP的检测方法有电泳法、高效液相色谱法和同位素示踪法等。在电泳法测定中，样品需经滤纸电泳分离，再利用紫外分光光度计进行比色，操作复杂；采用高效液相色谱法，仪器、试剂昂贵，操作过程繁琐，检测时间比较长，且灵敏度仅为1×10-3M，推广应用难度较大；同位素示踪法中放射性同位素对人体有危害，某些同位素半衰期长，需要在专门的同位素实验室完成，应用范围受到限制。
用荧光素酶-荧光素的生物发光法是目前测定ATP最灵敏的方法，已广泛应用。但这些应用大多是在药品制剂方面，植物器官ATP含量的测定报道甚少。
植物果肉或植物叶片从可见光到中红外波段的反射率和透射率，是果肉或叶片结构参数和生物化学等参数的函数。通过获取的反射或者透射率值可定性或者一定程度上定量反映果肉的生物量等信息。
研究表明，不同波长的出射光携带有植物果肉或叶片的生物量信息和果肉或叶片的结构信息。现已有的植物果肉或叶片光谱测量获取植物生理信息的研究往往局限于实验，没有方便易用的可以应用于实际生产的方法和设备。
发明内容
本发明提供了一种植物中ATP含量的快速检测装置，可在短时间内对植物的果肉或叶片进行测量，测量效率高。
一种植物中ATP含量的快速检测装置，包括：
样品室，用于放置植物样本；
光源，用于向样品室提供360～2000nm波长的测量光；
光谱仪，用于采集植物样本的光谱信号强度；
数据处理平台，用于接收光谱信号强度，根据接收的光谱信号强度计算植物样本的ATP含量，并将结果发送至显示屏；
显示屏，用于显示和输入数据。
作为优选，所述的光源为海洋光学HL-2000型，所述的光谱仪为海洋光学QE65000型；所述的数据处理平台为树莓派3代B型。
树莓派3代为携带式的袖珍电脑，具有高处理能力，小占地面积，容易携带的特点；以海洋光学公司开发的QE65000作为内置光谱仪，可以被用于要求高的、低光强的环境，比如荧光、DNA测序和拉曼光谱技术。本发明的番茄果肉中ATP含量的快速检测装置可很好地实现便携式测量，操作简单。
作为优选，所述的光谱仪的驱动程序为开源的驱动程序Seabreeze。
利用驱动程序Seabreeze，开发者可以控制光谱仪与应用软件间的数据传输，也可以方便开发者开发出嵌入式的程序，便于使用者控制光谱仪获取植物样本特定波段下的光谱数据。
树莓派3代B型数据处理平台具有非常高的数据处理能力以及易于扩展组建嵌入式系统的能力，在得到光谱仪所测得的番茄果肉在特定波段的光谱数据后，树莓派三代B型能够实时完成数据分析并将结果通过触摸屏反馈给使用者。树莓派3代B型数据处理平台调用预先利用实验数据统计回归得到的统计模型来计算植物样本中的ATP含量。
所述的统计模型包括以下几种：
适用于番茄果肉的统计模型：
Y＝101.23λ1+99.13λ2-66.66λ3-127.75λ4-7.31λ5+16.38，
其中，Y为番茄果肉的ATP含量乘以109；λ1、λ2、λ3、λ4、λ5分别为特征波长处的光谱信号强度；R2＝0.73；
适用于毛毛菜叶片的统计模型：
Y＝-28.27λ1+24.22λ2+122.40λ3-38.75λ4-88.59λ5-39.49λ6
+46.22λ7-32.99λ8+70.07λ9-55.58λ10+22.77λ11
-95.64λ12+131.54λ13-60.34λ14+15.66λ15+34.99，
其中，Y为毛毛菜叶片的ATP含量乘以109；λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6、λ7、λ8、λ9、λ10、λ11、λ12、λ13、λ14、λ15分别为特征波长处的光谱强度；R2＝0.75；
适用于青菜叶片的统计模型：
Y＝77.72λ1-110.31λ2+92.21λ3-91.17λ4+142.51λ5-20.35λ6
-129.36λ7-75.00λ8+115.85λ9-12.42λ10+12.97λ11
+88.67，
其中，Y为青菜叶片的ATP含量乘以109；λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6、λ7、λ8、λ9、λ10、λ11分别为特征波长处的光谱强度；R2＝0.75。
作为优选，所述的显示屏为触摸屏。进一步优选的，触摸屏的人机交互程序由java的swing库进行实现。
触摸屏将提供使用者选择植物类型，设定光谱仪测量参数等功能。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的植物中ATP含量的快速检测装置体积小，可很好地实现便携式地测量，操作方便，工作效率高，检测结果比较可靠。
附图说明
图1为本发明的植物中ATP含量的快速检测装置的工作示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的植物中ATP含量的快速检测装置包括：
样品室，用于放置植物样本；
光源，用于向样品室提供360～2000nm波长的测量光；
光谱仪，用于采集植物样本的光谱信号强度；
数据处理平台，用于接收光谱信号强度，根据接收的光谱信号强度计算植物样本的ATP含量，并将结果发送至显示屏；
显示屏，用于显示和输入数据。
样品室为不透明的密闭空间，内部设有植物架，用于放置植物样本；样品室的室壁上设有光纤入口和光纤出口，光纤入口通过光纤与光源连接；
光源为海洋光学的HL-2000型光源，可提供360～2000nm波长的测量光；
光谱仪为海洋光学的QE65000型光谱仪，其驱动程序为开源的驱动程序Seabreeze，便于使用者控制光谱仪获取植物样本特定波段下的光谱数据；
数据处理平台为树莓派3代B型计算机，该计算机为携带式的袖珍电脑，具有小占地面积、容易携带的特点；同时具有非常高的数据处理能力以及易于扩展组建嵌入式系统的能力，在得到光谱仪所测得的植物样本在特定波段的光谱数据后，树莓派三代B型能够实时完成数据分析并将结果通过触摸屏反馈给使用者。
树莓派3代B型数据处理平台调用预先利用实验数据统计回归得到的统计模型来计算植物样本中的ATP含量。
统计模型包括以下几种：
适用于番茄果肉的统计模型：
Y＝101.23λ1+99.13λ2-66.66λ3-127.75λ4-7.31λ5+16.38，
其中，Y为番茄果肉的ATP含量乘以109；λ1、λ2、λ3、λ4、λ5分别为特征波长处的光谱信号强度；R2＝0.73；
适用于毛毛菜叶片的统计模型：
Y＝-28.27λ1+24.22λ2+122.40λ3-38.75λ4-88.59λ5-39.49λ6
+46.22λ7-32.99λ8+70.07λ9-55.58λ10+22.77λ11
-95.64λ12+131.54λ13-60.34λ14+15.66λ15+34.99，
其中，Y为毛毛菜叶片的ATP含量乘以109；λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6、λ7、λ8、λ9、λ10、λ11、λ12、λ13、λ14、λ15分别为特征波长处的光谱强度；R2＝0.75；
适用于青菜叶片的统计模型：
Y＝77.72λ1-110.31λ2+92.21λ3-91.17λ4+142.51λ5-20.35λ6
-129.36λ7-75.00λ8+115.85λ9-12.42λ10+12.97λ11
+88.67，
其中，Y为青菜叶片的ATP含量乘以109；λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6、λ7、λ8、λ9、λ10、λ11分别为特征波长处的光谱强度；R2＝0.75；
显示屏为触摸屏，便于用户与装置之间的交互，触摸屏的前端交互界面利用java的swing库实现。用户可以通过触摸屏对植物样本的类型、检测温度、仪器的精分时间等进行设置，触摸屏采集数据处理平台的计算数据并显示。
在每次打开装置时，需要给光谱仪一定的时间进行热机。接下来，程序会自动检测光谱仪的各项信息数据并反馈到触摸屏终端。在完成热机后，光谱仪会进入待机状态。
更进一步的，当自检中发现光谱仪的功能无法正常启动时，系统会停止终端程序并报出错误信息。
在系统待机的过程中，触摸屏上的操作界面需要用户输入包括植物样本类型、温度、仪器的精分时间等。然后，用户选择运行时系统开始采集并计算数据。最终，系统会将结果反映在装置的操作界面上。
更进一步的，在用户选择运行系统时，系统会首先检查用户的各项参数是否设定正确，若有误，系统会报错。

Claims (8)

1.一种植物中ATP含量的快速检测装置，其特征在于，包括：
样品室，用于放置植物样本；
光源，用于向样品室提供360～2000nm波长的测量光；
光谱仪，用于采集植物样本的光谱信号强度；
数据处理平台，用于接收光谱信号强度，根据接收的光谱信号强度计算植物样本的ATP含量，并将结果发送至显示屏；
显示屏，用于显示和输入数据。
2.根据权利要求1所述的植物中ATP含量的快速检测装置，其特征在于，所述的光源为海洋光学HL-2000型，所述的光谱仪为海洋光学QE65000型；所述的数据处理平台为树莓派3代B型。
3.根据权利要求1或2所述的植物中ATP含量的快速检测装置，其特征在于，所述的光谱仪的驱动程序为开源的驱动程序Seabreeze。
4.根据权利要求1或2所述的植物中ATP含量的快速检测装置，其特征在于，所述的显示屏为触摸屏。
5.根据权利要求1所述的植物中ATP含量的快速检测装置，其特征在于，所述的数据处理平台调用预先利用实验数据统计回归得到的统计模型来计算植物样本中的ATP含量。
6.根据权利要求5所述的植物中ATP含量的快速检测装置，其特征在于，所述的统计模型为适用于番茄果肉的统计模型：
Y＝101.23λ1+99.13λ2-66.66λ3-127.75λ4-7.31λ5+16.38，
其中，Y为番茄果肉的ATP含量乘以109；λ1、λ2、λ3、λ4、λ5分别为特征波长处的光谱信号强度；R2＝0.73。
7.根据权利要求5所述的植物中ATP含量的快速检测装置，其特征在于，所述的统计模型为适用于毛毛菜叶片的统计模型：
Y＝-28.27λ1+24.22λ2+122.40λ3-38.75λ4-88.59λ5-39.49λ6
+46.22λ7-32.99λ8+70.07λ9-55.58λ10+22.77λ11
-95.64λ12+131.54λ13-60.34λ14+15.66λ15+34.99，
其中，Y为毛毛菜叶片的ATP含量乘以109；λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6、λ7、λ8、λ9、λ10、λ11、λ12、λ13、λ14、λ15分别为特征波长处的光谱强度；R2＝0.75。
8.根据权利要求5所述的植物中ATP含量的快速检测装置，其特征在于，所述的统计模型为适用于青菜叶片的统计模型：
Y＝77.72λ1-110.31λ2+92.21λ3-91.17λ4+142.51λ5-20.35λ6
-129.36λ7-75.00λ8+115.85λ9-12.42λ10+12.97λ11
+88.67，
其中，Y为青菜叶片的ATP含量乘以109；λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6、λ7、λ8、λ9、λ10、λ11分别为特征波长处的光谱强度；R2＝0.75。
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Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
叶旭君，SEIICHI OSHITA等: "基于紫外－可见－近红外光谱技术的蔬菜细胞ATP含量无损检测研究", 《光谱学与光谱分析》 *
王巧男: "基于高光谱成像技术的蔬菜新鲜度快速检测方法研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库农业科技辑》 *

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