CN115684120A - 一种基于光电二极管的叶绿素荧光传感器及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光电二极管的叶绿素荧光传感器及检测方法，包括：PN型光电二极管、二向色镜、滤光片轮盘、LED光源模块、I/V转换模块、选择性锁相器放大器、高精度ADC采样模块和单片机，所述LED光源模块包括LED控制模块及与LED控制模块相连接的第一LED光源和第二LED光源，将滤光片轮盘依次转为520nm、690nm以及740nm波段的窄带滤光片，得到不同波段下的叶绿素荧光参数F0、Fm、F和Fm ’。通过上述方式，本发明所述的基于光电二极管的叶绿素荧光传感器及检测方法，具有成本低、体积小、检测精度高和系统开放性高的特点，利用滤光片轮盘与选择性锁相放大器结合，实现了多光谱叶绿素荧光的检测。
Description
技术领域
本发明涉及植物的检测技术领域，特别是涉及一种基于光电二极管的叶绿素荧光传感器及检测方法。
背景技术
植物的检测对植物的健康生长尤为重要，植物的健康程度可以由几种生物和非生物因素反映，因此，应用于植物的检测技术一直是研究热点之一。众所周知，植物受到胁迫会影响植物叶片的光合活性，而光合活性与植物生长发育密切相关。因此，通过能够反映植物光合活性的叶绿素荧光可以准确的研究植物的生理和胁迫状况，并对其进行监测调控。
目前植物叶绿素荧光的检测根据荧光采集设备的不同主要分为相机叶绿素荧光成像技术和光电二极管叶绿素荧光检测技术，其中，相机叶绿素荧光成像技术虽然可以通过高光谱成像直观的看出叶绿素荧光的数值及分布状况，但设备体积大，不易携带，以及其检测过程中采集得到的大量图像数据较难处理，限制了其野外植物检测的应用，同时高昂的设备价格进一步限制了技术的普及；光电二极管叶绿素荧光检测技术主要利用光电二极管采集植物发出的叶绿素荧光，不仅具有体积小、成本低的特点还可以用于实验室研究与野外测量。但目前的光电二极管叶绿素荧光检测仪器大都只能采集单波段的叶绿素荧光，并且在光电二极管的成本与系统开放性还需进一步优化。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种基于光电二极管的叶绿素荧光传感器及检测方法，降低成本的同时，提高检测精度。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于光电二极管的叶绿素荧光传感器，包括：PN型光电二极管、二向色镜、滤光片轮盘、LED光源模块、I/V转换模块、选择性锁相器放大器、高精度ADC采样模块和单片机，所述LED光源模块包括LED控制模块及与LED控制模块相连接的第一LED光源和第二LED光源，所述单片机与LED控制模块相连接，进行第一LED光源和第二LED光源的切换和参数控制，所述第一LED光源和第二LED光源指向二向色镜的入光端，所述滤光片轮盘设置在二向色镜的透射出光端，所述PN型光电二极管设置在滤光片轮盘上，所述PN型光电二极管、I/V转换模块、选择性锁相器放大器、高精度ADC采样模块和单片机依次串联。
在本发明一个较佳实施例中，所述单片机采用STM32单片机。
在本发明一个较佳实施例中，所述滤光片轮盘上设置有520nm、690nm以及740nm波段的窄带滤光片。
在本发明一个较佳实施例中，所述第一LED光源的功率为1W，所述第二LED光源的功率为20W，所述LED控制模块中包括PWM模块。
在本发明一个较佳实施例中，所述二向色镜反射经45度角射入的波长为 460nm的光，透射520nm到800nm波段的光。
在本发明一个较佳实施例中，所述选择性锁相放大器的频率与第一LED光源在测量过程中发出的测量光频率一致。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种叶绿素荧光的检测方法，采用上述的基于光电二极管的叶绿素荧光传感器，包括以下步骤：
阶段1：通过单片机控制LED光源模块中的第一LED光源，发出波长460nm的测量光，光强<1μmol/m2/s，频率5HZ，脉宽20ms，此时得到叶绿素荧光参数F0，暗适应状态下最小荧光；
通过单片机控制LED光源模块中的第二LED光源，发出波长460nm的饱和脉冲光，光强：>4000
，频率10HZ，脉宽90ms；
然后通过单片机控制第一LED光源发出波长460nm的测量光，光强<1μmol/m2/s，频率50HZ，脉宽2ms，此时得到叶绿素荧光参数Fm，暗适应状态下最大荧光；
阶段2：通过单片机控制LED光源模块中的第二LED光源发出波长460nm的光化光，光强300-2000
，频率10HZ，脉宽30-50ms；
然后控制第一LED光源发出波长460nm、功率1W的测量光，光强<1
，频率5HZ，脉宽20ms，此时得到叶绿素荧光参数F，光适应状态下稳态荧光；
然后控制第二LED光源发出波长460nm的饱和脉冲光，光强>4000
，频率10HZ，脉宽90ms；
最后控制第一LED光源发出波长460nm的测量光，光强<1
，频率50HZ，脉宽2ms，此时得到叶绿素荧光参数Fm ’,光适应状态下最大荧光;
阶段2循环执行，直至叶绿素荧光参数F和叶绿素荧光参数Fm ’稳定得到最终的结果；
将滤光片轮盘依次转为520nm、690nm以及740nm波段的窄带滤光片，分别进行阶段1和阶段2的测量，通过PN型光电二极管在对应阶段的步骤中得到电流值，电流值通过I/V转换模块转为电压值，再经过选择性锁相放大器大幅度滤除干扰信号并将微弱的荧光信号放大输出至高精度ADC采样模块中，通过高精度ADC采样模块输出叶绿素荧光参数至单片机，得到不同波段下的叶绿素荧光参数F0、Fm、F和Fm ’。
在本发明一个较佳实施例中，还包括以下步骤：
通过计算得到Fv= Fm - F0，暗适应状态下的可变荧光；
Fv/ Fm =( Fm - F0)/ Fm，PSⅡ的最大光合效率；
Y(II)=( Fm ’-F)/ Fm ’， PSⅡ的实际光合效率。
本发明的有益效果是：本发明指出的一种基于光电二极管的叶绿素荧光传感器及检测方法，具有成本低、体积小、检测精度高和系统开放性高的特点，利用PWM模块与选择性锁相放大器协同工作，实现任意波形调制光源，通过不同的光源频率来丰富光合样品可以产生的信息，利用滤光片轮盘与选择性锁相放大器结合，不仅实现了多光谱叶绿素荧光的检测，同时还有效提高了低成本的光电二极管的叶绿素荧光检测精度，开放式结构，保留了系统后续可拓展性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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它的附图，其中：
图1是本发明一种基于光电二极管的叶绿素荧光传感器及检测方法一较佳实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例包括：
如图1所示的基于光电二极管的叶绿素荧光传感器，包括：PN型光电二极管、二向色镜、滤光片轮盘、LED光源模块、I/V转换模块、选择性锁相器放大器、高精度ADC采样模块和单片机，LED光源模块包括LED控制模块及与LED控制模块相连接的第一LED光源和第二LED光源，在本实施例中，第一LED光源的功率为1W（在本实施例中，附图1上标记为1 W蓝光LED），第二LED光源的功率为20W（附图1上标记为20 W蓝光LED），LED控制模块中包括PWM模块，进行光照强度的调节，满足不同光强及频率的要求。
单片机与LED控制模块相连接，进行第一LED光源和第二LED光源的切换和参数控制，在本实施例中，单片机采用STM32单片机，性能好，而且功耗和成本低。
如图1所示，将第一LED光源和第二LED光源指向二向色镜的入光端，滤光片轮盘设置在二向色镜的透射出光端，PN型光电二极管设置在滤光片轮盘上，通过PN型光电二极管采集荧光信号，输出电流信号。PN型光电二极管、I/V转换模块、选择性锁相器放大器、高精度ADC采样模块和单片机依次串联，通过I/V转换将电流信号转换为电压信号，再通过选择性锁相放大器选择与测量光同频率的电压信号，输出荧光信号对应的电压信号，最后经过高精度ADC采样模块将所获得的数字信号通过串口与单片机通信，直接输出叶绿素荧光值。
滤光片轮盘上设置有520nm、690nm以及740nm波段的窄带滤光片，可以通过单片机进行滤光片轮盘的控制，实现520nm、690nm以及740nm波段窄带滤光片的切换。在本实施例中，二向色镜反射经45度角射入的波长为 460nm的光，透射520nm到800nm波段的光，如图1所示，460nm的光经反射后指向待测植物叶片，激发植物产生叶绿素荧光。
在本实施例中，选择性锁相放大器的频率与第一LED光源在测量过程中发出的测量光频率一致，可以大幅度滤除光电二极管所采集的非荧光信号，提高检测灵敏度和信噪比。
一种叶绿素荧光的检测方法，采用如图1所示的基于光电二极管的叶绿素荧光传感器，包括以下步骤：
阶段1：通过单片机控制LED光源模块中的第一LED光源，发出波长460nm的测量光，此时测量光的光强<1μmol/m2/s，频率5HZ，脉宽20ms，此时得到叶绿素荧光参数F0，也就是暗适应状态下最小荧光；
通过单片机控制LED光源模块中的第二LED光源，发出波长460nm的饱和脉冲光，此时饱和脉冲光的光强：>4000
，频率10HZ，脉宽90ms；
然后通过单片机控制第一LED光源发出波长460nm的测量光，光强<1μmol/m2/s，频率50HZ，脉宽2ms，此时得到叶绿素荧光参数Fm，也就是暗适应状态下最大荧光；
阶段2：通过单片机控制LED光源模块中的第二LED光源发出波长460nm的光化光，此时光化光的光强300-2000
，频率10HZ，脉宽30-50ms；
然后控制第一LED光源发出波长460nm、功率1W的测量光，光强<1
，频率5HZ，脉宽20ms，此时得到叶绿素荧光参数F，也就是光适应状态下稳态荧光；
然后控制第二LED光源发出波长460nm的饱和脉冲光，光强>4000
，频率10HZ，脉宽90ms；
最后控制第一LED光源发出波长460nm的测量光，光强<1
，频率50HZ，脉宽2ms，此时得到叶绿素荧光参数Fm ’，表示为光适应状态下最大荧光;
阶段2循环执行，直至叶绿素荧光参数F和叶绿素荧光参数Fm ’稳定得到最终的结果，避免不稳定因素的干扰；
先将待测植物叶片放置在二向色镜的反射出光端，然后将滤光片轮盘依次转为520nm、690nm以及740nm波段的窄带滤光片，在各波段下分别进行阶段1和阶段2的测量，通过PN型光电二极管在对应阶段的步骤中得到电流值，电流值通过I/V转换模块转为电压值，再经过选择性锁相放大器大幅度滤除干扰信号并将微弱的荧光信号放大输出至高精度ADC采样模块中，通过高精度ADC采样模块输出叶绿素荧光参数至单片机，得到不同波段下的叶绿素荧光参数F0、Fm、F和Fm ’；
通过计算得到Fv= Fm - F0，暗适应状态下的可变荧光；
Fv/ Fm =( Fm - F0)/ Fm，PSⅡ的最大光合效率；
Y(II)=( Fm ’-F)/ Fm ’， PSⅡ的实际光合效率，从而得到叶绿素荧光参数的检测数据。
综上，本发明指出的一种基于光电二极管的叶绿素荧光传感器及检测方法，结构紧凑，携带便利，而且成本低，实现了多光谱叶绿素荧光的检测，提高了光电二极管叶绿素荧光检测模式的检测精度。
以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于光电二极管的叶绿素荧光传感器，其特征在于，包括：PN型光电二极管、二向色镜、滤光片轮盘、LED光源模块、I/V转换模块、选择性锁相器放大器、高精度ADC采样模块和单片机，所述LED光源模块包括LED控制模块及与LED控制模块相连接的第一LED光源和第二LED光源，所述单片机与LED控制模块相连接，进行第一LED光源和第二LED光源的切换和参数控制，所述第一LED光源和第二LED光源指向二向色镜的入光端，所述滤光片轮盘设置在二向色镜的透射出光端，所述PN型光电二极管设置在滤光片轮盘上，所述PN型光电二极管、I/V转换模块、选择性锁相器放大器、高精度ADC采样模块和单片机依次串联。
2.根据权利要求1所述的基于光电二极管的叶绿素荧光传感器，其特征在于，所述单片机采用STM32单片机。
3.根据权利要求1所述的基于光电二极管的叶绿素荧光传感器，其特征在于，所述滤光片轮盘上设置有520nm、690nm以及740nm波段的窄带滤光片。
4.根据权利要求1所述的基于光电二极管的叶绿素荧光传感器，其特征在于，所述第一LED光源的功率为1W，所述第二LED光源的功率为20W，所述LED控制模块中包括PWM模块。
5.根据权利要求1所述的基于光电二极管的叶绿素荧光传感器，其特征在于，所述二向色镜反射经45度角射入的波长为 460nm的光，透射520nm到800nm波段的光。
6.根据权利要求1所述的基于光电二极管的叶绿素荧光传感器，其特征在于，所述选择性锁相放大器的频率与第一LED光源在测量过程中发出的测量光频率一致。
7.一种叶绿素荧光的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
阶段1：通过单片机控制LED光源模块中的第一LED光源，发出波长460nm的测量光，光强<1μmol/m2/s，频率5HZ，脉宽20ms，此时得到叶绿素荧光参数F0，暗适应状态下最小荧光；
通过单片机控制LED光源模块中的第二LED光源，发出波长460nm的饱和脉冲光，光强：>4000，频率10HZ，脉宽90ms；
然后通过单片机控制第一LED光源发出波长460nm的测量光，光强<1μmol/m2/s，频率50HZ，脉宽2ms，此时得到叶绿素荧光参数Fm，暗适应状态下最大荧光；
阶段2：通过单片机控制LED光源模块中的第二LED光源发出波长460nm的光化光，光强300-2000
，频率10HZ，脉宽30-50ms；
然后控制第一LED光源发出波长460nm、功率1W的测量光，光强<1
，频率5HZ，脉宽20ms，此时得到叶绿素荧光参数F，光适应状态下稳态荧光；
然后控制第二LED光源发出波长460nm的饱和脉冲光，光强>4000
，频率10HZ，脉宽90ms；
最后控制第一LED光源发出波长460nm的测量光，光强<1
，频率50HZ，脉宽2ms，此时得到叶绿素荧光参数Fm ’,光适应状态下最大荧光;
阶段2循环执行，直至叶绿素荧光参数F和叶绿素荧光参数Fm ’稳定得到最终的结果；
将滤光片轮盘依次转为520nm、690nm以及740nm波段的窄带滤光片，分别进行阶段1和阶段2的测量，通过PN型光电二极管在对应阶段的步骤中得到电流值，电流值通过I/V转换模块转为电压值，再经过选择性锁相放大器大幅度滤除干扰信号并将微弱的荧光信号放大输出至高精度ADC采样模块中，通过高精度ADC采样模块输出叶绿素荧光参数至单片机，得到不同波段下的叶绿素荧光参数F0、Fm、F和Fm ’。
8.根据权利要求7所述的叶绿素荧光的检测方法，其特征在于，还包括以下步骤：
通过计算得到Fv= Fm - F0，暗适应状态下的可变荧光；
Fv/ Fm =( Fm - F0)/ Fm，PSⅡ的最大光合效率；
Y(II)=( Fm ’-F)/ Fm ’， PSⅡ的实际光合效率。
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| 李硕等: "基于二向色镜的便携式快速诱导叶绿素荧光仪设计", 电子技术与软件工程, no. 16, 31 August 2020 (2020-08-31), pages 98 - 100 * |
| 樊大勇等: "调制式荧光影像新技术:叶片内部最大光化学量子效率及其异质性的活体测定", 植物生态学报, vol. 40, no. 09, 30 September 2016 (2016-09-30), pages 942 - 951 * |
| 邓祥元: "《应用微藻生物学》", vol. 1, 30 November 2016, 海洋出版社, pages: 28 - 30 * |
| 高先和等: "锁相放大法测量水体叶绿素应用研究", 生物学杂志, vol. 34, no. 2, 30 April 2017 (2017-04-30), pages 33 - 35 * |
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