CN112903789A - 基于离子吸收动力学的离子流速检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于离子吸收动力学的离子流速检测方法及系统，包括：将目标植物的根系固定于盛装有耗竭液的培养皿中；将玻璃微电极的电极尖端设置于目标检测位置附近；获取预设时间段内微电极测量的实时电压数据；测量目标植物的根系参数；根据实时电压数据和根系参数，确定目标植物的净吸收速率。本发明提供的基于离子吸收动力学的离子流速检测方法及系统，是一种以离子选择性电极法为手段，以基于植物离子吸收动力学为基础的植物根系对外界离子吸收/外排流速的检测方法，在不需要大量耗费人力的前提下，能够无损的检测到植株单株，或者小群体植株特定离子的吸收速度，辅助科研人员对作物生长状态及养分吸收特征进行评价，提高检测效率。

Description

基于离子吸收动力学的离子流速检测方法及系统

技术领域

本发明涉及智能检测技术领域，尤其涉及一种基于离子吸收动力学的离子流速检测方法及系统。

背景技术

无机离子是维持农作物正常生长的必备条件，也是农作物植株的重要组成成分。检测农作物对无机离子的吸收和运输，能够揭示作物的养分吸收机理，辅助品种筛选，还可以为作物种植合理施肥提供依据。

目前对农作物离子信息的检测手段主要依靠原子光谱法、质谱法、色谱法以及电化学法等几类。通过对植物自身或者环境中无机离子的浓度检测，来判断植株对离子的吸收状况。随着对作物营养等领域科学研究的深入，科学家们开始追求活体、原位、在线的检测方法，以期获得更直观的信息。

例如：美国海洋生物学实验室(MBL)的神经科学家于1974年提出了一种植物动态离子流检测方法：基于物理学中的离子/分子扩散定律(Fick定律)的数学公式和能斯特方程以及离子/分子的电学原理，能够无损检测细胞、组织或器官等生物组织表面离子沿着浓度梯扩散所产生的离子流信息。该方法为研究植物离子吸收提供了有力的技术支持，满足了对植物个体或者器官的活体、原位检测需求。

作物离子吸收动力学是依据酶学原理建立的一种理论，也是近年来应用于植物营养研究中检测作物离子吸收的一种主要方法。目前国内外在进行植物离子吸收检测的相关研究时，主要采用基于SIET技术的检测以及基于离子吸收的动力学的检测这两种方式。

其中，基于SIET技术的检测手段，受本身原理所限，每次只能检测一种离子，需要具备微米级成像和微距操作的硬软件系统，同时对使用者的操作水平要求较高，测试过程也略复杂。

而基于离子吸收的动力学的检测手段主要采取的还是离子耗竭法或对其进行稍加改良，通过人工定时取样，再上机检测的办法来获取离子的消耗量，实验结束后再对根系取样测定重量或者根系总表面积等参数，进而计算动力学参数。取样后的培养液一般采用双紫外分光光度法、比色法(不同铵硝配比下不同硅效应水稻的硅吸收动力学特征)等常规离子浓度检测方法获得。取样需间隔一定时间，持续24h以上，通常工作人员耗力费时，多有不便。想要获得比较完整的动力学特征参数，需要延长取样时间，或者缩短间隔，人力消耗很严重，易产生误差。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种基于离子吸收动力学的离子流速检测方法及系统，能实现多种养分吸收速率同步检测，且操作简单的技术和方法，更有价值和意义。

本发明提供一种基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，包括：

将目标植物的根系固定于盛装有耗竭液的培养皿中；在确定所述目标植物的根系上的目标检测位置之后，将玻璃微电极的电极尖端设置于所述目标检测位置附近；获取预设时间段内所述玻璃微电极测量的实时电压数据；测量所述目标植物的根系参数；根据所述实时电压数据和所述根系参数，确定所述目标植物的净吸收速率。

根据本发明提供的一种基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，在所述将目标植物的根系固定于盛装有耗竭液的培养皿中之前，还包括：

选取目标植物的种子；使用次氯酸钠溶液对所述种子进行消毒后，用无菌去离子水漂洗；吸干漂洗后的所述种子的表面水分后，将其放入恒温光照培养箱中培养，以获取所述目标植物的幼胚；将所述幼胚移植于霍格兰氏溶液中培养，获取所述目标植物的幼苗；对所述幼苗的根系浸泡在饥饿溶液中进行饥饿处理；所述耗竭液是由离子浓度为0.2mmol·L^-1的硫酸钙溶液和离子浓度为1mmol·L^-1的氯化钾溶液混合制成的。

根据本发明提供的一种基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，在将玻璃微电极的电极尖端设置于所述目标检测位置附近之前，还包括制备所述玻璃微电极，具体为：

向玻璃微电极管内注入第一预设长度的氯化钾灌充液，所述氯化钾灌充液的离子浓度为100mmol·L^-1；从所述玻璃微电极管的尖端注入第二预设长度的钾离子交换溶液，所述氯化钾灌充液与所述钾离子交换溶液无间隙接触；将所述玻璃微电极管安装于经过氯化的电极固定架上，并在所述氯化钾灌充液中插入银丝或氯化银丝，所述电极固定架的材质为银或氯化银；将所述银丝或所述氯化银丝连接前置放大器的输入端，则所述前置放大器的为所述玻璃微电极的输出端。

根据本发明提供的一种基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，在制备所述玻璃微电极之后，还包括对所述玻璃微电极进行校正，具体为：

制备低浓度氯化钾校正液和高浓度氯化钾校正液，所述低浓度氯化钾校正液的离子浓度为0.1mmol·L^-1，所述高浓度氯化钾校正液的离子浓度为1mmol·L^-1；将所述玻璃微电极的电极尖端浸入所述低浓度氯化钾校正液，将所述玻璃微电极的参比电极浸入所述高浓度氯化钾校正液，所述玻璃微电极的参比电极连接所述前置放大器的另一输入端；获取所述前置放大器的输出端电压；根据所述输出端电压确定所述玻璃微电极相关的斜率和截距；根据所述斜率，完成对所述玻璃微电极的校正。

根据本发明提供的一种基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，所述获取预设时间段内所述玻璃微电极测量的实时电压数据，包括：

在第一预设时间段内，每隔第二预设时间段分别测量取一次所述实时电压数据；在第三预设时间段内，每隔第四预设时间段分别测量取一次所述实时电压数据；其中，在获取预设时间段内所述玻璃微电极测量的实时电压数据的过程中，通过向所述培养皿中补充去离子水，保持所述耗竭液的总体积不变。

根据本发明提供的一种基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，所述测量所述目标植物的根系参数，包括测量所述目标植物的根系表面积，具体为：

获取所述目标植物的根系图像；基于根系分析软件对所述根系图像进行分析处理，获取所述目标植物的根系表面积。

根据本发明提供的一种基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，所述根据所述实时电压数据和所述根系参数，确定所述目标植物的净吸收速率，包括：根据所述实时电压数据，确定所述耗竭液的实时浓度；根据所述耗竭液的实时浓度变化，绘制所述目标植物的离子消耗曲线方程；对所述离子消耗曲线方程进行求导，构建所述目标植物的浓度变化速率方程；基于所述浓度变化速率方程，根据所述耗竭液的体积和所述目标植物的根系表面积，确定所述目标植物的最大吸收速率；基于所述浓度变化速率方程和所述离子消耗曲线方程，确定所述目标植物的米氏常数和最小吸收浓度；根据所述目标植物的最大吸收速率、所述米氏常数和所述最小吸收浓度，确定所述标植物的净吸收速率。

根据本发明提供的一种基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，所述离子消耗曲线方程的表达式为：

C＝at²+bt+c；

所述浓度变化速率方程的表达式为：

C′＝2at+b；

其中，C为所述耗竭液的浓度；a为二次项系数，b为一次项系数，c为常数项；C′为耗竭液的浓度变化率。

根据本发明提供的一种基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，所述根据所述实时电压数据，确定所述耗竭液的实时浓度的计算公式具体为：

C＝10^(V1-V0)/k；

所述基于所述浓度变化速率方程，根据所述耗竭液的体积和所述目标植物的根系表面积，确定所述目标植物的最大吸收速率，具体为：

设所述浓度变化速率方程中的t＝0，则C′＝b，I_max＝b·V/FRW；

所述基于所述浓度变化速率方程和所述离子消耗曲线方程，确定所述目标植物的米氏常数和最小吸收浓度，具体为：

设所述浓度变化速率方程中的C′＝1/2，则将t＝(1-2b)/4a代入至所述离子消耗曲线方程，则K_m＝C＝b²/(16a)﹣b²/(4a)+c；

设所述浓度变化速率方程中的C′＝0，则将t＝-b/2a代入至所述离子消耗曲线方程，则C_min＝b²/(4a)﹣b²/(2a)+c；

所述根据所述目标植物的最大吸收速率、所述米氏常数和所述最小吸收浓度，确定所述标植物的净吸收速率，具体为：

I_n＝[I_max(C﹣C_min)]/[K_m(C﹣C_min)]；

其中，I_max表示所述最大吸收速率；V表示所述耗竭液的体积；FRW表示所述目标植物的根系表面积；K_m表示所述米氏常数；V1表示所述实时电压数据；V0和K表示所述所述玻璃微电极相关的斜率和截距；C_min表示所述最小吸收浓度；I_n表示所述净吸收速率。

本发明还提供一种基于离子吸收动力学的离子流速检测系统，包括：盛装有耗竭液的培养皿、玻璃微电极、根系测量装置和计算机；

所述盛装有耗竭液的培养皿用于装载并固定目标植物的根系；

在确定所述目标植物的根系上的目标检测位置之后，将所述玻璃微电极的电极尖端设置于所述目标检测位置附近，并读取预设时间段内所述玻璃微电极测量的实时电压数据；

利用所述根系测量装置测量所述目标植物的根系参数；

利用所述计算机根据所述实时电压数据和所述根系参数，确定所述目标植物的净吸收速率。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述基于离子吸收动力学的离子流速检测方法的步骤。

本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述基于离子吸收动力学的离子流速检测方法的步骤。

本发明提供的基于离子吸收动力学的离子流速检测方法及系统，是一种以离子选择性电极法为手段，以基于植物离子吸收动力学为基础的植物根系对外界离子吸收/外排流速的检测方法，在不需要大量耗费人力的前提下，能够无损的检测到植株单株，或者小群体植株特定离子的吸收速度，辅助科研人员对作物生长状态及养分吸收特征进行评价，提高检测效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的基于离子吸收动力学的离子流速检测方法的流程示意图；

图2是本发明提供的基于离子吸收动力学的离子流速检测系统的结构示意图；

图3是本发明提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1-图3描述本发明实施例所提供的基于离子吸收动力学的离子流速检测方法和系统。

图1是本发明提供的基于离子吸收动力学的离子流速检测方法的流程示意图，如图1所示，包括但不限于以下步骤：

步骤S1：将目标植物的根系固定于盛装有耗竭液的培养皿中；

步骤S2：在确定所述目标植物的根系上的目标检测位置之后，将玻璃微电极的电极尖端设置于所述目标检测位置附近；

步骤S3：获取预设时间段内所述玻璃微电极测量的实时电压数据；

步骤S4：测量所述目标植物的根系参数；

步骤S5：根据所述实时电压数据和所述根系参数，确定所述目标植物的净吸收速率。

离子吸收动力学特征参数中包括：外界养分浓度为C的条件下，植物对养分离子的吸收流速I_n、植物体对养分的最大吸收速率I_max、米氏常数K_m(即当吸收速率为最大吸收速率一半时的外界养分浓度，这个特征常数可以表示植物对某一种离子的亲和力)、C_min植物根系对某种离子的净吸收速率等于零时的外界养分浓度等。上述特征参数在作物营养高效型品种选育、施肥等栽培措施制定时能提供可靠的依据，且由于植物营养研究往往是在条件相对一致的控制环境下进行，所以，作物离子吸收动力学具有重要意义和广阔的前景,值得继续进行深入、细致的研究完善，将该理论实现价值的最大化。

需要说明的是，本发明实施例提供的基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，是选择以钾离子(K⁺)作为测量离子进行的，但不视为对本发明实际保护范围的具体限定。例如：在实际测量过程中，还可以磷离子(P⁺)、氮离子(N⁺)等其它离子中的任意一种或多种的组合作为测量离子。

其中，在本发明提供的基于离子吸收动力学的离子流速检测方法中，所述目标植物的选取最好为水培生长的植物，若选取的是土培植物，可以向对其根系进行冲洗，并于霍格兰氏(Hoagland)营养液中培养一段时间为宜。

进一步地，由于本发明提供的基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，是通过测量植物根系对外界离子吸收/外排流速，来获取目标植物的净吸收速率，因此用于检测的目标植物要求具有透明、根尖完好、无损伤的主根为宜。

在具体检测过程中，首先将目标植物移植至培养皿，具体是将目标植物的根系浸泡在盛装有耗竭液的培养皿中。

其中，耗竭液是用于供目标植物吸收，且含有适当浓度测量离子的培养液。在整个检测过程中不再向培养皿中添加耗竭液，但持续向培养皿中添加去离子水，以保持耗竭液维持固定体积，这样可以通过检测耗竭液的浓度变化，从而获取到目标植物对于培养液的吸收数据，进而能够推导出目标植物的净吸收速率。

进一步地，本发明提供的基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，是基于离子吸收动力学原理，采用玻璃微电极通过获取目标植物的根系吸收耗竭液时导致的离子流速所产生的微弱电压进行采集，在通过对上述微弱电压进行放大后，获取到实时电压数据。

可选地，上述目标植物的根系上的目标检测位置可以是根系上的任意位置，但考虑植物根系对耗竭液的吸收能力这一因素，可以将目标检测位置设置为透明、根尖完好、无损伤的主根上成熟区，如选择靠近根尖(如5mm)的一点作为目标检测位置。

同时，还可以通过对目标植物的根系进行测量，获取对应的根系参数。其中，所述根系参数可以是根系重量或者根系表面积。

最后，根据所获取的目标植物吸收耗竭液时产生的实时电压数据，结合目标植物根系的根系参数，则可以推导出目标植物在进行耗竭液吸收时的净吸收速率。

本发明提供的基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，是一种以离子选择性电极法为手段，以基于植物离子吸收动力学为基础的植物根系对外界离子吸收/外排流速的检测方法，在不需要大量耗费人力的前提下，能够无损的检测到植株单株，或者小群体植株特定离子的吸收速度，辅助科研人员对作物生长状态及养分吸收特征进行评价，提高检测效率。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，在所述将目标植物的根系固定于盛装有耗竭液的培养皿中之前，还包括：

选取目标植物的种子；

使用次氯酸钠溶液对所述种子进行消毒后，用无菌去离子水漂洗；

吸干漂洗后的所述种子的表面水分后，将其放入恒温光照培养箱中培养，以获取所述目标植物的幼胚；

将所述幼胚移植于霍格兰氏溶液中培养，获取所述目标植物的幼苗；

对所述幼苗的根系浸泡在饥饿溶液中进行饥饿处理；

所述耗竭液是由离子浓度为0.2mmol·L^-1的硫酸钙溶液和离子浓度为1mmol·L^-1的氯化钾溶液混合制成的。

可选地，在本发明提供一种以K⁺作为测量离子的离子流速检测方法中，提供了一种制备目标植物的方法，包括但不限于以下步骤：

步骤1：选取颗粒饱满、大小相近的向日葵种子作为目标植物的种子。

步骤2：使用5％的次氯酸钠溶液，对所有的种子进行表面消毒10min后，用无菌去离子水漂洗数次后，用无菌滤纸吸干表面水分。

步骤3：在培养皿的底部垫滤纸作为发芽床，加入去离子水润湿种子及滤纸后，将消毒处理后的种子置于培养皿中。然后，将培养皿放入恒温光照培养箱(光照/黑暗：12h/12h；温度：25±2℃/22±1℃；光强：15000lx培养)。

步骤4：待种子长出的胚根长度达到1-2cm时，分别将幼胚移至Hoagland营养液中作进一步的培养。

步骤5：将在Hoagland营养液中水培了20天的向日葵幼苗作为目标植物。

步骤6：为了进一步提升流速检测的精度，避免由于目标植物的根系的初始状态不一致对检测结果的影响，本发明提供的离子流速检测方法，对目标植物进行饥饿处理，具体包括：

利用去离子水将目标植物的根系冲洗干净后轻轻吸干表面水分；将另一培养皿清洗干净并控干水分后，加入500mL饥饿处理溶液(离子浓度为0.2mmol·L^-1的CaSO4溶液)，将目标植物的根系浸泡在饥饿溶液中进行24h-48h的饥饿处理。

本发明提供的基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，提供了一种目标植物的培育方法，能够获取了标准统一的目标植物，从而可以有效地提供检测的精度。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，在将玻璃微电极的电极尖端设置于所述目标检测位置附近之前，还包括制备所述玻璃微电极，具体为：

向玻璃微电极管内注入第一预设长度的氯化钾灌充液，所述氯化钾灌充液的离子浓度为100mmol·L^-1；从所述玻璃微电极管的尖端注入第二预设长度的钾离子交换溶液，所述氯化钾灌充液与所述钾离子交换溶液无间隙接触；将所述玻璃微电极管安装于经过氯化的电极固定架上，并在所述氯化钾灌充液中插入银丝或氯化银丝，所述电极固定架的材质为银或氯化银；将所述银丝或所述氯化银丝连接前置放大器的输入端，则所述前置放大器的为所述玻璃微电极的输出端。

可选地，本发明提供了一种制作玻璃微电极的方法，具体包括但不限于以下步骤：

步骤1：向玻璃电极内注入约10mm长度的K⁺灌充液(100mM·L^-1KCl)。

步骤2：在玻璃微电极的尖端吸入约为180μm的K⁺选择性离子交换剂。

步骤3：将制作好的玻璃微电极安装在经过氯化的Ag/AgCl电极固定架上。

步骤4：使Ag/AgCl银丝浸入灌充液，之后将其插入前置放大器的一个输入端(正极输入)。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，本发明提供的基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，在制备所述玻璃微电极之后，还包括对所述玻璃微电极进行校正，具体为：

制备低浓度氯化钾校正液和高浓度氯化钾校正液，所述低浓度氯化钾校正液的离子浓度为0.1mmol·L^-1，所述高浓度氯化钾校正液的离子浓度为1mmol·L^-1；将所述玻璃微电极的电极尖端浸入所述低浓度氯化钾校正液，将所述玻璃微电极的参比电极浸入所述高浓度氯化钾校正液，所述玻璃微电极的参比电极连接所述前置放大器的另一输入端；获取所述前置放大器的输出端电压；根据所述输出端电压确定所述玻璃微电极相关的斜率和截距；根据所述斜率，完成对所述玻璃微电极的校正。

为了进一步保证所制备的玻璃微电极能够准确的实现离子流速检测，可以利用参比电极对其进行校准，具体包括但不限于以下步骤：

首先，配制用于校正的相关溶液以及耗竭液，其中用于校正的溶液包括低浓度氯化钾校正液和高浓度氯化钾校正液，两者均为KCl，其离子浓度可以分别为：0.1mmol·L^-1以及1mmol·L^-1；耗竭液则相应的采用0.2mM·L^-1CaSO₄+1mM·L^-1KCl的混合溶液。

进一步地，将玻璃微电极的尖端与参比电极前端，分别浸入低浓度校正液和高浓度校正液，读取电位后可以获取玻璃微电极的斜率和截距。

基于本发明提供的离子流速检测场景，在玻璃微电极的斜率为58±6左右，则表明玻璃微电极是正常的，可以用于检测，其校正参数如表1所示：

表1校正参数

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述获取预设时间段内所述玻璃微电极测量的实时电压数据，具体包括：

在第一预设时间段内，每隔第二预设时间段分别测量取一次所述实时电压数据；在第三预设时间段内，每隔第四预设时间段分别测量取一次所述实时电压数据；其中，在获取预设时间段内所述玻璃微电极测量的实时电压数据的过程中，通过向所述培养皿中补充去离子水，保持所述耗竭液的总体积不变。

可选地，本发明实施例提供的基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，在对向日葵幼苗进行饥饿处理后，将向日葵幼苗从饥饿溶液中取出，并吸干根系表面的水分，放入盛有50mL耗竭液的培养皿中，挑选透明、根尖完好、无损伤的主根，用湿润的滤纸条和小石块将其固定，露出约5mm的根尖，选择靠近根尖的一点作为目标测量位置。

在实际检测过程中，先在培养皿上标记出液面位置，方便后期补充溶液，以保证培养皿的耗竭液的总体积不变。

在测试的第一预设时间段内(如第一个小时)每隔第二预设时间段(如10min)测量一次实时电压数据，测试时间为3-5min。

在测试的第三预设时间段(如第二至七小时)内每隔第四预设时间段(如30min)测试一次实时电压数据，测试时间为5min，共测试七个小时。

为了降低由于水分蒸发降低的误差，每1.5h补充一次培养液：用移液器吸入800-1200mL去离子水沿着培养皿壁缓慢注入培养皿中至液面至标记位置为止，使耗竭液维持固定体积。

进一步地，可以将第二预设时间段内收集的数据以及第四预设时间段内收集的数据进行预处理，包括：删去异常值后，取平均值，以作为各自时间段的实时原点电压。

本发明提供的离子流速检测方法，利用的所述玻璃微电极对一段时间段内的电压数据进行采集，并预处理后，作为该时间段的实时电压数据，能够有效地避免异常数据对实验结果的影响，能够进一步提供检测的精度。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述测量所述目标植物的根系参数，包括测量所述目标植物的根系表面积，具体为：

获取所述目标植物的根系图像；基于根系分析软件对所述根系图像进行分析处理，获取所述目标植物的根系表面积。

一般来说，在进行离子流速检测的过程中，获取目标植物的根系参数的方法主要采用称重法，获取根系的总重量。本发明提供的离子流速检测，提供了一种无损测量根系表面积的方法：

首先，用根系扫描仪获取根系图像：在水槽中放入去离子水，将整株植物放入水槽内并用塑料枪头整理根系，使根系无重叠；整理好后，盖上扫描仪即可开始扫描，扫描后得到植物图像。

进一步，将获取的植物图像用根系分析软件(如winRHIZO)处理，以计算出根系的总表面积。在实际计算时，需选中根系部分的图像。

本发明提供的基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，在不损伤植物材料的前提下能够完成植物根系参数的测量，不但操作步骤方便快捷，省时省力，而且测量结果准确，数据处理方便。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述根据所述实时电压数据和所述根系参数，确定所述目标植物的净吸收速率，具体包括：

根据所述实时电压数据，确定所述耗竭液的实时浓度；

根据所述耗竭液的实时浓度变化，绘制所述目标植物的离子消耗曲线方程；

对所述离子消耗曲线方程进行求导，构建所述目标植物的浓度变化速率方程；

基于所述浓度变化速率方程，根据所述耗竭液的体积和所述目标植物的根系表面积，确定所述目标植物的最大吸收速率；

基于所述浓度变化速率方程和所述离子消耗曲线方程，确定所述目标植物的米氏常数和最小吸收浓度；

根据所述目标植物的最大吸收速率、所述米氏常数和所述最小吸收浓度，确定所述标植物的净吸收速率。

可选地，所述离子消耗曲线方程的表达式为：

C＝at²+bt+c；

所述浓度变化速率方程的表达式为：

C′＝2at+b；

其中，C为所述耗竭液的浓度；a为二次项系数，b为一次项系数，c为常数项；C′为耗竭液的浓度变化率。

可选地，所述根据所述实时电压数据，确定所述耗竭液的实时浓度的计算公式具体为：

C＝10^(V1-V0)/k；

所述基于所述浓度变化速率方程，根据所述耗竭液的体积和所述目标植物的根系表面积，确定所述目标植物的最大吸收速率，具体为：

设所述浓度变化速率方程中的t＝0，则C′＝b，I_max＝b·V/FRW；

所述基于所述浓度变化速率方程和所述离子消耗曲线方程，确定所述目标植物的米氏常数和最小吸收浓度，具体为：

设所述浓度变化速率方程中的C′＝1/2，则将t＝(1-2b)/4a代入至所述离子消耗曲线方程，则K_m＝C＝b²/(16a)﹣b²/(4a)+c；

设所述浓度变化速率方程中的C′＝0，则将t＝-b/2a代入至所述离子消耗曲线方程，则C_min＝b²/(4a)﹣b²/(2a)+c；

所述根据所述目标植物的最大吸收速率、所述米氏常数和所述最小吸收浓度，确定所述标植物的净吸收速率，具体为：

I_n＝[I_max(C﹣C_min)]/[K_m(C﹣C_min)]；

其中，I_max表示所述最大吸收速率；V表示所述耗竭液的体积；FRW表示所述目标植物的根系表面积；K_m表示所述米氏常数；V1表示所述实时电压数据；V0和K表示所述所述玻璃微电极相关的斜率和截距；C_min表示所述最小吸收浓度；I_n表示所述净吸收速率。

具体地，本发明提供的离子流速检测方法，根据所述实时电压数据和所述根系参数，确定所述目标植物的净吸收速率的整个数据流程，可以包括但不限于：

步骤1：利用微电极检测得到的实时原点电压V1，计算实时浓度C。其中，C＝10^{(V1 -V0)/k}。

步骤2：再用获取的实时浓度C与测量时间t(min)绘制离子消耗曲线方程：C＝at²+bt+c。

步骤3：对离子消耗曲线方程求导，获取浓度变化速率方程：C′＝2at+b。

步骤4：在浓度变化速率方程中，当t＝0时，求得C′＝b；然后，根据耗竭液体积和根系表面积或根重，计算根系单位面积(或单位根重)的最大吸收速率：I_max＝bV/FRW，其中，V为耗竭液体积(单位mL),FRW为根重或根系表面积(单位g或cm²)。

步骤5：设C′＝1/2，用浓度变化速率方程求出t，再将t代入离子消耗曲线方程求出C，此时得到的C即为K_m值：K_m＝b²/(16a)﹣b²/(4a)+c。

步骤6：设C′＝0，用浓度变化速率方程C′＝2at+b求出t，再将t代入离子消耗曲线方程中，即可得到最小吸收浓度C_min：C_min＝b²/(4a)﹣b²/(2a)+c。

步骤7：用I_max、K_m和C_min求净吸收速率I_n＝[I_max·(C﹣C_min)]/[K_m·(C﹣C_min)](单位为mmol·cm^-2·min^-1或mmol·g^-1·min^-1)。

利用本发明提供的基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，对向日葵植株进行检测时所获取的检测结果，如表2所示，同时其流速结果(I_n)可利用SIET技术检测的离子流速结果(I)进行对比验证，其相关性R²大约可达到0.76，从而能够表明该方法获取的离子流速检测结果可靠。

表2检测结果列表

图2是本发明提供的一种基于离子吸收动力学的离子流速检测系统，主要包括：盛装有耗竭液的培养皿1、玻璃微电极2、根系测量装置3和计算机4；

所述盛装有耗竭液的培养皿1用于装载并固定目标植物的根系；

在确定所述目标植物的根系上的目标检测位置之后，将所述玻璃微电极2的电极尖端设置于所述目标检测位置附近，并读取预设时间段内所述玻璃微电极测量的实时电压数据；

利用所述根系测量装置测量3所述目标植物的根系参数；

利用所述计算机4根据所述实时电压数据和所述根系参数，确定所述目标植物的净吸收速率。

可以将本发明提供的基于离子吸收动力学的离子流速检测系统集成为一种便携式植物微观动态离子流检测(SIET)设备，

在利用所述SIET设备进行检测时，主要执行以下步骤：

首先将目标植物移植至培养皿，具体是将目标植物的根系浸泡在盛装有耗竭液的培养皿中。

进一步地，采用玻璃微电极通过获取目标植物的根系吸收耗竭液时导致的离子流速所产生的微弱电压进行采集，在通过对上述微弱电压进行放大后，获取到实时电压数据。

同时，还可以通过对目标植物的根系进行测量，获取对应的根系参数。其中，所述根系参数可以是根系重量或者根系表面积。

最后，根据所获取的目标植物吸收耗竭液时产生的实时电压数据，结合目标植物根系的根系参数，则可以推导出目标植物在进行耗竭液吸收时的净吸收速率。

本发明提供的基于离子吸收动力学的离子流速检测系统，是一种以离子选择性电极法为手段，以基于植物离子吸收动力学为基础的植物根系对外界离子吸收/外排流速的检测方法，在不需要大量耗费人力的前提下，能够无损的检测到植株单株，或者小群体植株特定离子的吸收速度，辅助科研人员对作物生长状态及养分吸收特征进行评价，提高检测效率。

需要说明的是，本发明实施例提供的离子流速检测系统，在具体执行时，可以基于上述任一实施例所述的离子流速检测方法来实现，对此本实施例不作赘述。

图3是本发明提供的电子设备的结构示意图，如图3所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)310、通信接口(CommunicationsInterface)320、存储器(memory)330和通信总线340，其中，处理器310，通信接口320，存储器330通过通信总线340完成相互间的通信。处理器310可以调用存储器330中的逻辑指令，以执行基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，该方法包括：将目标植物的根系固定于盛装有耗竭液的培养皿中；在确定所述目标植物的根系上的目标检测位置之后，将玻璃微电极的电极尖端设置于所述目标检测位置附近；获取预设时间段内所述玻璃微电极测量的实时电压数据；测量所述目标植物的根系参数；根据所述实时电压数据和所述根系参数，确定所述目标植物的净吸收速率。

此外，上述的存储器330中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，该方法包括：将目标植物的根系固定于盛装有耗竭液的培养皿中；在确定所述目标植物的根系上的目标检测位置之后，将玻璃微电极的电极尖端设置于所述目标检测位置附近；获取预设时间段内所述玻璃微电极测量的实时电压数据；测量所述目标植物的根系参数；根据所述实时电压数据和所述根系参数，确定所述目标植物的净吸收速率。

又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，该方法包括：将目标植物的根系固定于盛装有耗竭液的培养皿中；在确定所述目标植物的根系上的目标检测位置之后，将玻璃微电极的电极尖端设置于所述目标检测位置附近；获取预设时间段内所述玻璃微电极测量的实时电压数据；测量所述目标植物的根系参数；根据所述实时电压数据和所述根系参数，确定所述目标植物的净吸收速率。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，其特征在于，包括：

将目标植物的根系固定于盛装有耗竭液的培养皿中；

在确定所述目标植物的根系上的目标检测位置之后，将玻璃微电极的电极尖端设置于所述目标检测位置附近；

获取预设时间段内所述玻璃微电极测量的实时电压数据；

测量所述目标植物的根系参数；

根据所述实时电压数据和所述根系参数，确定所述目标植物的净吸收速率。

2.根据权利要求1所述的基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，其特征在于，在所述将目标植物的根系固定于盛装有耗竭液的培养皿中之前，还包括：

选取目标植物的种子；

使用次氯酸钠溶液对所述种子进行消毒后，用无菌去离子水漂洗；

吸干漂洗后的所述种子的表面水分后，将其放入恒温光照培养箱中培养，以获取所述目标植物的幼胚；

将所述幼胚移植于霍格兰氏溶液中培养，获取所述目标植物的幼苗；

对所述幼苗的根系浸泡在饥饿溶液中进行饥饿处理；

所述耗竭液是由离子浓度为0.2mmol·L^-1的硫酸钙溶液和离子浓度为1mmol·L^-1的氯化钾溶液混合制成的。

3.根据权利要求1所述的基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，其特征在于，在将玻璃微电极的电极尖端设置于所述目标检测位置附近之前，还包括制备所述玻璃微电极，具体为：

向玻璃微电极管内注入第一预设长度的氯化钾灌充液，所述氯化钾灌充液的离子浓度为100mmol·L^-1；

从所述玻璃微电极管的尖端注入第二预设长度的钾离子交换溶液，所述氯化钾灌充液与所述钾离子交换溶液无间隙接触；

将所述玻璃微电极管安装于经过氯化的电极固定架上，并在所述氯化钾灌充液中插入银丝或氯化银丝，所述电极固定架的材质为银或氯化银；

将所述银丝或所述氯化银丝连接前置放大器的输入端，则所述前置放大器的为所述玻璃微电极的输出端。

4.根据权利要求3所述的基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，其特征在于，在制备所述玻璃微电极之后，还包括对所述玻璃微电极进行校正，具体为：

制备低浓度氯化钾校正液和高浓度氯化钾校正液，所述低浓度氯化钾校正液的离子浓度为0.1mmol·L^-1，所述高浓度氯化钾校正液的离子浓度为1mmol·L^-1；

将所述玻璃微电极的电极尖端浸入所述低浓度氯化钾校正液，将所述玻璃微电极的参比电极浸入所述高浓度氯化钾校正液，所述玻璃微电极的参比电极连接所述前置放大器的另一输入端；

获取所述前置放大器的输出端电压；

根据所述输出端电压确定所述玻璃微电极相关的斜率和截距；

根据所述斜率，完成对所述玻璃微电极的校正。

5.根据权利要求1所述的基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，其特征在于，所述获取预设时间段内所述玻璃微电极测量的实时电压数据，包括：

在第一预设时间段内，每隔第二预设时间段分别测量取一次所述实时电压数据；

在第三预设时间段内，每隔第四预设时间段分别测量取一次所述实时电压数据；

其中，在获取预设时间段内所述玻璃微电极测量的实时电压数据的过程中，通过向所述培养皿中补充去离子水，保持所述耗竭液的总体积不变。

6.根据权利要求5所述的基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，其特征在于，所述测量所述目标植物的根系参数，包括测量所述目标植物的根系表面积，具体为：

获取所述目标植物的根系图像；

基于根系分析软件对所述根系图像进行分析处理，获取所述目标植物的根系表面积。

7.根据权利要求6所述的基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，其特征在于，所述根据所述实时电压数据和所述根系参数，确定所述目标植物的净吸收速率，包括：

根据所述实时电压数据，确定所述耗竭液的实时浓度；

根据所述耗竭液的实时浓度变化，绘制所述目标植物的离子消耗曲线方程；

对所述离子消耗曲线方程进行求导，构建所述目标植物的浓度变化速率方程；

基于所述浓度变化速率方程，根据所述耗竭液的体积和所述目标植物的根系表面积，确定所述目标植物的最大吸收速率；

基于所述浓度变化速率方程和所述离子消耗曲线方程，确定所述目标植物的米氏常数和最小吸收浓度；

根据所述目标植物的最大吸收速率、所述米氏常数和所述最小吸收浓度，确定所述标植物的净吸收速率。

8.根据权利要求7所述的基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，其特征在于，所述离子消耗曲线方程的表达式为：

C＝at²+bt+c；

所述浓度变化速率方程的表达式为：

C′＝2at+b；

其中，C为所述耗竭液的浓度；a为二次项系数，b为一次项系数，c为常数项；C′为耗竭液的浓度变化率。

9.根据权利要求8所述的基于离子吸收动力学的离子流速检测方法，其特征在于，所述根据所述实时电压数据，确定所述耗竭液的实时浓度的计算公式具体为：

C＝10^(V1-V0)/k；

所述基于所述浓度变化速率方程，根据所述耗竭液的体积和所述目标植物的根系表面积，确定所述目标植物的最大吸收速率，具体为：

设所述浓度变化速率方程中的t＝0，则C′＝b，I_max＝b·V/FRW；

所述基于所述浓度变化速率方程和所述离子消耗曲线方程，确定所述目标植物的米氏常数和最小吸收浓度，具体为：

设所述浓度变化速率方程中的C′＝1/2，则将t＝(1-2b)/4a代入至所述离子消耗曲线方程，则K_m＝C＝b²/(16a)﹣b²/(4a)+c；

设所述浓度变化速率方程中的C′＝0，则将t＝-b/2a代入至所述离子消耗曲线方程，则C_min＝b²/(4a)﹣b²/(2a)+c；

所述根据所述目标植物的最大吸收速率、所述米氏常数和所述最小吸收浓度，确定所述标植物的净吸收速率，具体为：

I_n＝[I_max(C﹣C_min)]/[K_m(C﹣C_min)]；

其中，I_max表示所述最大吸收速率；V表示所述耗竭液的体积；FRW表示所述目标植物的根系表面积；K_m表示所述米氏常数；V1表示所述实时电压数据；V0和K表示所述所述玻璃微电极相关的斜率和截距；C_min表示所述最小吸收浓度；I_n表示所述净吸收速率。

10.一种基于离子吸收动力学的离子流速检测系统，其特征在于，包括：盛装有耗竭液的培养皿、玻璃微电极、根系测量装置和计算机；

所述盛装有耗竭液的培养皿用于装载并固定目标植物的根系；

在确定所述目标植物的根系上的目标检测位置之后，将所述玻璃微电极的电极尖端设置于所述目标检测位置附近，并读取预设时间段内所述玻璃微电极测量的实时电压数据；

利用所述根系测量装置测量所述目标植物的根系参数；

利用所述计算机根据所述实时电压数据和所述根系参数，确定所述目标植物的净吸收速率。

Images