CN1168973C - 可见光诱导延迟发光的光合速率测量方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可见光诱导延迟发光的光合速率检测方法，包括：将植物叶片放在暗室中暗适应后用可见光激发光源激发植物叶片，诱导其产生延迟发光；关闭激发光源，暗化后用弱光探测系统接受此来自于叶绿体的延迟发光，并将此延迟发光信号转换为电信号；利用模数转换器将电信号转换为数字信号；处理数字信号，得到叶片的延迟发光强度；在已建立的延迟发光强度与光合速率相对应的数据库中对比此发光强度，得到被测叶片的光合速率。所述方法使用的装置包括光激发组件、光接受组件、模数转换器、计算机；本发明不需要破坏叶片，受外界环境因素的影响小，操作简便。

Description

可见光诱导延迟发光的光合速率测量方法与装置
                      (一)技术领域
本发明涉及一种光合作用速率测量技术，特别涉及一种可见光诱导延迟发光的光合速率检测方法及其装置。
                      (二)背景技术
目前在光合作用速率测量中，普遍使用的仪器是LI-62XX系列光合速率测定仪。其原理为根据叶片在单位时间、单位面积上CO2的减少量来确定叶片的光合速率。该仪器存在诸多的问题，主要表现在以下几个方面：(1)在测量过程中该仪器受外界环境因素的制约比较严重。如光强、湿度、CO2浓度瞬间的改变都会给测量结果带来很大的差异。因此，测量一组有效的数据往往要花费很长的时间。(2)由于测量时，持续的时间较长，而外界的环境状态时刻在变，因此，测得的数据是一系列随机数，不能够反映被测植株在当时所处生理条件下的光合速率。(3)暗室的设计限制了对叶片的测量。由于暗室尺寸的固定，测量的叶片叶面过大或过小都会给测量带来不便，甚至给测量结果带来误差。(4)由于在测量过程中植物叶片的呼吸和蒸腾作用，使得暗室内的环境条件(CO2浓度、湿度等)和外界的条件不一致，而仪器本身不能对该差异进行很好的补偿。(5)该仪器造价比较昂贵，不利于在农业生产中的普及使用。
                      (三)发明内容
本发明的目的在于提供一种可见光诱导延迟发光的光合速率检测方法，通过可见光诱导的延迟发光进行光合速率检测。主要是使用对叶片无损害的可见光对叶片进行短时间的激发，诱导叶绿体产生较长时间的延迟发光，并利用此延迟发光来表征叶片的光合速率。
本发明的另一目的在于提供一种实现上述方法的可见光诱导延迟发光的光合速率检测装置。
本发明的可见光诱导延迟发光的光合速率检测方法包括如下步骤：
(1)将植物叶片放在暗室中暗适应10～20s；
(2)用光强为2750～5500lux、波长范围为400～760nm的可见光激发光源激发植物叶片0.2～20s，诱导其产生延迟发光；
(3)关闭激发光源，暗化2--5s，利用弱光探测系统接受此来自于叶绿体的延迟发光，并将此延迟发光信号转换为电信号；
(4)利用模数转换器将电信号转换为数字信号；
(5)处理数字信号，得到叶片的延迟发光强度；
(6)在已建立的延迟发光强度与光合速率相对应的数据库中对比此发光强度，得到被测叶片的光合速率。
所选用的激发光光源的波长可选择在可见光的波长范围内，激发光光强低于叶片损伤阈值。最佳激发光源的光谱范围是680-7l0nm。暗室由金属或者其它的非透光材料构成。
利用激发光源激发植物叶片时，最佳照射时间为1～4s。
用激发光源均匀辐照叶片诱导叶绿体产生较长时间的延迟发光后关闭光源，暗化2～5s这样可以避免来自叶绿素a的荧光的干扰；因延迟发光随时间快速衰减，缩短暗化时间，可提高延迟发光信号强度。
本发明可见光诱导延迟发光的光合速率检测装置由可见光激发组件、弱光探测系统、模数转换器、计算机依次信号连接构成。
所述光接收组件是用于探测光的装置，因光诱导延迟发光相对来说较为微弱，可以采用弱光探测系统，例如各种光电倍增管、CCD或增强型CCD成像系统(ICCD)等。
所述模数转换器可采用通用的模数转换器，或带有模数转换功能的其他装置。例如National Instruments公司生产的系列图像采集卡，或PrincetonInstruments公司生产的CCD控制器。
所述计算机内装有通用的数据信号处理软件，如National Instruments公司开发的LabVIEW软件或Princeton Instruments公司开发的WINVIEW软件，用于叶片延迟发光信号的处理。
本发明与现有技术相比具有如下优点及效果：
(1)本可见光诱导的延迟发光光合速率检测方法结合了可见光的短时间辐照延迟发光及光学成像(接收组件为CCD或者ICCD时)的优点，可以从形态学的角度来描述叶片的光合作用的强弱，不但能反映出整个叶片的平均光合作用速率，而且还能反映叶片不同部位光合速率的强弱，和传统的检测方法相比具有更直观、清晰全面的优点。
(2)本可见光诱导的延迟发光光合速率检测是在暗环境(暗室)中进行。激发时利用自带的激发光源，对每组测量可以固定激发光的强度，避免了传统方法检测过程中由于光强的瞬间改变而带来的测量数据的误差，因此，该方法具有稳定、精确、省时的优点。
(3)本可见光诱导的延迟发光光合速率检测方法操作过程简单，容易实现；而且实现本方法的装置结构简单，生产装配较为容易，操作使用方便，整套装置造价相对较低，利于普及和推广。
                      (四)附图说明
图1是本发明可见光诱导的延迟发光光合速率检测装置的一种装置示意图；
图2是具体实施中花生叶片暗适应20s激发4s暗室内暗化2s然后通过计算机控制打开集光照像镜头的快门图像；
图3是将上述步骤应用于大红花叶片光合速率检测图像。
                      (五)具体实施方式
实施例1
图1给出了本发明可见光诱导的延迟发光光合速率检测装置的一种具体结构示意图。由图1可见，本装置包括激发组件、光接收组件、模数转换器、计算机、打印机。其中光接收组件由收集光的照像镜头与探测器ICCD连接构成；光激发组件与计算机电气连接，接收组、模数转换器与计算机依次电气连接；三维可调样品架，架上放置待测叶片，置于暗室。选用各构件连接组成本装置，其中，激发光源选用波长范围为可见的激发光源，此选用50W钨灯。照像镜头选用适用于弱光拍摄的Nikon公司制造的大数值孔镜头(50mm，f/1.2型)；探测器选用美国Princeton Instruments公司制造的ICCD-576-S/1(增强型CCD)；模数转换器选用美国Princeton Instruments公司制造的ST-130型控制器；计算机选用Intel公司的Pentium III型微机；数据处理软件选用WINVIEW。
将上述装置应用于花生的光合速率的检测：将花生叶片置于暗室中的样品台上，使其处于集光镜头的焦平面处，关闭暗室，暗适应20s。通过计算机控制激发光源的挡光快门，使激发光均匀激发叶面。由计算机控制激发4s后关闭激发光源的挡光快门和电源，为了避免叶绿素a的荧光，关闭激发光源的挡光快门后，让叶片在暗室内暗化2s，然后通过计算机控制打开集光照像镜头的快门，记录叶片的延迟发光，通过模数转换器和计算机进行图象重，得到延迟发光的图像，如图2所示。记录叶片的延迟发光，通过模数转换器和计算机进行图象重，得到的延迟发光图像。用WINVIEW软件处理图像，得到叶片整体或者局部的延迟发光强度，在已经建立的延迟发光强度与光合速率相对应的数据库中对比此发光强度，得到相对应于此发光强度的光合速率。其对应的平均光合速率为5.4ppm/scm2。用WINVIEW软件处理图像，得到叶片整体延迟发光强度，在已经建立的延迟发光强度与光合速率相对应的数据库中对比此发光强度，得到相对应于此发光强度的光合速率。其对应的平均光合速率为5.4ppm/cm2s。
实施例2
按照上述操作步骤，测量植物大红花的光合速率。重建的图像如图3所示，其对应平均光合速率为3.6ppm/cm2s。

Claims (7)

1、一种可见光诱导延迟发光的光合速率检测方法，其特征在于包括如下步骤；
(1)将植物叶片放在暗室中暗适应10～20s；
(2)用光强为2750～5500lux、波长范围为400～760nm的可见光激发光源激发植物叶片0.2～20s，诱导其产生延迟发光；
(3)关闭激发光源，暗化2--5s，利用弱光探测系统接受此来自于叶绿体的延迟发光，并将此延迟发光信号转换为电信号；
(4)利用模数转换器将电信号转换为数字信号；
(5)处理数字信号，得到叶片的延迟发光强度；
(6)在已建立的延迟发光强度与光合速率相对应的数据库中对比此发光强度，得到被测叶片的光合速率。
2、根据权利要求1所述的可见光诱导延迟发光的光合速率检测方法，其特征在于暗室为金属或者其它的非透光材料构成的暗室。
3、根据权利要求1所述的可见光诱导延迟发光的光合速率检测方法，其特征在于利用激发光源激发植物叶片时，均匀照射1～4s。
4、根据权利要求1所述的可见光诱导延迟发光的光合速率检测方法，其特征在于激发光强低于叶片损伤域值。
5、根据权利要求1所述的可见光诱导延迟发光的光合速率检测方法，其特征在于所述激发光源的光谱范围是680-710nm。
6、权利要求1所述的方法使用的可见光诱导延迟发光的光合速率检测方法装置，其特征在于可见光激发组件、弱光探测系统、模数转换器、计算机依次信号连接。
7、根据权利要求6所述的可见光诱导延迟发光的光合速率检测装置，其特征在于弱光探测系统采用光电倍增管、CCD成像系统或ICCD成像系统。
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