DE4332290C2 - Vorrichtung zur Messung der Photosynthese-Aktivitäten von Pflanzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Photo­ synthese-Aktivitäten von Pflanzen, insbesondere von Blattmate­ rialien, durch Sauerstoffbestimmung, wobei diese ein gerätein­ tegriertes Gehäuse umfaßt, das eine Hochleistungs- Lumineszenzdiode enthält, thermisch stabilisiert ist und einen Hohlraum zur Aufnahme einer mechanisch getrennten Meßzelle aufweist gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es ist allgemein bekannt, daß der Vorgang der Atmung von Pflanzen, der zu einem wesentlichen Teil über deren Blätter, das heißt über deren Spaltöffnungen und das in den Chloropla­ sten eingelagerte Chlorophyll erfolgt, durch die verschieden­ sten Umweltfaktoren beeinflußt wird. Weiterhin ist bekannt, daß die Photosynthese der Pflanzen von der Intensität und der spektralen Zusammensetzung des Lichts, von der Temperatur so­ wie weiteren Faktoren abhängt. In der entsprechenden Literatur (vgl. U. Metzger, "Untersuchungen des photosynthetischen Elek­ tronentransports isolierter Chloroplasten..", Dissertation A, Halle 1981; G. Wicke, "Rezepturgestaltung bei Herbizidemulsio­ nen", Akademie Verlag, Berlin 1992) werden Untersuchungen an mehr oder weniger stark aufbereitetem Blattmaterial beschrie­ ben, die in der Regel von der Messung der Sauerstoffproduktion oder auch vom Kohlendioxidumsatz ausgehen. Die Meßmethoden sind für exakte Untersuchungen in entsprechend ausgestatteten Laboratorien geeignet, können aber die an intakten Pflanzen ablaufenden sehr komplexen Vorgänge nur eingeschränkt wieder­ geben.

Es wurde bereits vorgeschlagen, Untersuchungen durch Messungen mit einer speziell gefertigten, mit Lumineszenzdioden beleuch­ teten Sauerstoffmeßzelle durchzuführen. Der Stand der Technik ist gekennzeichnet durch Veröffentlichungen von B. Flaschen­ träger, E. Lehnartz, Physiologische Chemie, Springer Verlag, Berlin 1966; Merbach u. a., Speziell Agrochemie PSM Informati­ on, A2 (1978) 8.

Für den praktischen Gebrauch wirkt sich die ungünstige Ausfüh­ rung der Beleuchtungseinrichtungen der bekannten Vorrichtungen nachteilig aus. Um die erforderliche hohe spektrale Leistungs­ dichte im Wellenlängenbereich von etwa 600 bis 680 nm unter Laborbedingungen realisieren zu können, werden üblicherweise Halogenlampen im Leistungsbereich von 20 bis 50 W eingesetzt. Diese Lampen erzeugen in der Meßanordnung und insbesondere auch in den Blättern Temperaturanstiege, die die Meßergebnisse stark verfälschen, so daß mit Hilfe optischer Filter und tech­ nisch aufwendiger thermischer Isolation gearbeitet werden muß. Die an sich günstige Verwendung der bereits vorgeschlagenen Lumineszenzdioden bewirkt oftmals eine undefinierte und un­ gleichmäßige Beleuchtung der zu untersuchenden Blattmasse durch die Integration der Beleuchtungseinrichtung in die Sau­ erstoffmeßzelle. Dadurch bleibt die Empfindlichkeit der Anord­ nung zu gering und insbesondere die in der Natur vorkommende Lichtintensitäten werden nicht erreicht.

Weiterhin nachteilig ist, daß in den bekannten Meßanordnungen eine senkrechte Lage der Meßzelle wegen der in ihr beispiels­ weise enthaltenen Meßlösung erforderlich ist. Dadurch wird die Flexibilität der Anordnungen weiter eingeschränkt. Ebenfalls nachteilig für Untersuchungen in der freien Natur an weitge­ hend ungestörtem Blattmaterial wirkt sich aus, daß der Andruck der Meßsonde an das Blattmaterial vom Geschick des Experimen­ tators abhängig ist und daher erhebliche Unterschiede in den Ergebnissen alleine durch eine mehr oder weniger große Beein­ trächtigung der Blattstruktur entstehen.

Die gattungsbildende DE 42 07 361 A1 offenbart ein Gerät zur Bestimmung der Photosynthese pflanzlichen Materials, wobei dort darauf hingewiesen wird, die vorhandene Probenschraubkap­ pe drucklos gegen eine notwendige Membran zu kontaktieren. Ei­ ne drucklose Kontaktierung ist jedoch im praktischen Einsatz nicht möglich. Vielmehr kommt es je nach Blattdicke bzw. dem Geschick des Bedienenden zu mehr oder weniger verteilten, un­ gleichmäßigen, nicht wiederholbaren Druckkräften mit der Folge ungenauer Messungen.

Die DE 41 40 414 A1 wiederum greift auf eine Fluoreszenzrück­ meldung zurück, um Eigenvitalität von Algen zu bestimmen, die sich in einer Meßkammer definierten Volumens befinden.

Bei der EP 0 242 225 A2 wird ein Detektor zur Bestimmung des Verschmutzungsgrades von Flüssigkeiten vorgeschlagen, wobei eine Sensorzelle vorgesehen ist, die eine Bakterienkultur ent­ hält. Um die Aktivitäten der Bakterienkultur anzuregen, wird eine Bestrahlung vorgenommen und hierfür eine lichtemittieren­ de Diode verwendet. In eine ähnliche Lösungsrichtung geht die WO 91/18970 A1, wobei dort das Kultivieren von phototropischen, im Wasser lebenden Organismen im Mittelpunkt steht.

Gemäß FR 2 646 510 wird eine an sich bekannte Sauerstoffelek­ trode zur Photosynthesemessung benutzt. Das Meßobjekt befindet sich dort in einer drucklosen Kammer, wobei die Beleuchtung über eine Glasfaseroptik erfolgt. Die US 4,768,390 offenbart eine Einrichtung, bei der eine lichtemittierende Diode zur Be­ leuchtung des Meßobjektes verwendet wird. Sensorseitig wird auf eine Fluoreszenzemission sowie in Kombination auf eine Ab­ sorptionsmessung sowie auf einen Infrarot-Gasanalysator zur Bestimmung des CO₂-Anteiles zurückgegriffen. Dort wird die Probe bzw. das Blatt quasi freischwebend, auf jeden Fall je­ doch drucklos in der Meßvorrichtung bzw. Meßzelle gehalten.

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Messung von Photosynthese-Parametern derart weiterzubilden, dass reproduzierbare Messungen auch bei Blättern unterschiedlicher Dicke durchgeführt werden können, ohne dass es beim Bestücken der Meßzelle maßgeblich auf das Ge­ schick oder die Erfahrungen des Bedienpersonals ankommt.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.

Die Vorrichtung besteht darin, daß innerhalb eines thermisch isolierten und durch eine geeignete elektronische Regelvor­ richtung thermisch stabilisierten Gehäuses, das einen Hohlraum für die Aufnahme der Meßzelle besitzt, eine spezielle Hochlei­ stungs-Lumineszenzdiode derart angeordnet ist, daß sie ein zu untersuchendes Blatt durch eine geeignete hermetisch in die vornehmlich transparente eigentliche Meßzelle eingepaßte Glasplatte oder abbildende Linse hindurch nach einem vom Expe­ rimentator vorwählbaren Intensitäts-Zeit-Programm gleichmäßig bestrahlt. Zur Sicherung eines weitgehend konstanten Andrucks der handelsüblichen Meßsonde, die die Sauerstoffproduktion des Blattes bei Bestrahlung mißt, an das zu untersuchende Blatt ist eine weitere Glasplatte auf einer Tellerfeder derart ange­ ordnet, daß das Licht ungehindert das Blatt treffen kann. Beim Einführen der Meßsonde wird die Meßflüssigkeit zur Ausnehmung hin verdrängt.

In einer weiteren Ausnehmung befindet sich ein elastischer Ring, der an einer Stelle derart aufgetrennt ist, daß Luft während des beschriebenen Beschickungsvorgangs entweichen kann. Zur Fixierung der Gesamtanordnung der eigentlichen Meß­ zelle wird ein Stopfen abschließend in die Meßzelle derart eingepaßt, daß die Meßsonde festgestellt wird und sich der Spalt des genannten elastischen Ringes schließt. Dadurch ist die Meßzelle abgedichtet und die Messungen können in nahezu beliebiger, beispielsweise horizontaler Lage der Meßzelle durchgeführt werden, wodurch die Integration in ein elektroni­ sches Meßgerät erleichtert wird.

Die Lumineszenzdiode kann für den Wellenlängenbereich von 600 bis 680 nm auch durch einen Diodenlaser ersetzt werden, wenn besonders hohe Lichtintensitäten oder spektrale Leistungsdich­ ten erforderlich sind.

Die Vorrichtung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein von einem Peltierkühler 13 thermisch stabilisiertes Gehäuse 1, umhüllt von einer geeigneten thermischen Isolierung 14, das einen Hohlraum 15 für die Aufnahme der Meßzelle 4 besitzt und in das die spezielle Lumineszenzdiode 2 integriert ist. Temperatur- und Lichtmeßsonden sind nicht dargestellt. Üblicherweise wird dieses Gehäuse 1 in einem Meßgerät fest installiert, so daß die Messung vorbereitende Untersuchungen der Temperatur und der Lichtintensität sowie der spektralen Verteilung ohne die eigentliche Meßzelle 4 vorgenommen werden können.

In der Meßzelle 4 ist gemäß Fig. 2 lediglich die als Fenster dienende Glasplatte 5 fest integriert. Die Tellerfeder 8 mit geeigneter Druck-Weg-Charakteristik trägt eine weitere Glasplatte 7, auf die ein üblicherweise kreisförmiger Blattausschnitt 3 gelegt wird. Die Federcharakteristik führt bei Dickendifferenzen der Blätter 3 und üblichen Einbautole­ ranzen zu einem nahezu gleichen Anpreßdruck der Meßsonde 6 auf das Blatt 3, der im Meßzustand nur definiert gering ist und die Meßergebnisse nicht verfälscht. Im dargestellten Beispiel füllt die Meßflüssigkeit 3 die Ausnehmung 10 soweit aus, daß Kapillarkräfte in dem zwischen der Meßsonde 6 und der Wandung der Meßzelle 4 gebildeten Spalt ausreichen, um die Meßflüssig­ keit 9 auch in beispielsweise horizontaler Lage der Meßzelle 4 nicht aus dem größeren Hohlraum, der von der Glasplatte 7 und der Meßsonde 6 begrenzt ist, austreten zu lassen. Die Abdich­ tung der Meßzelle 4 erfolgt durch den im fixierten Fall ge­ schlossenen elastischen Ring 11.

Durch die vorzugsweise Fertigung der Meßzelle 4 aus transpa­ rentem Material und die üblicherweise außerhalb des Gehäuses 1 vorzunehmende Beschickung der Meßzelle mit geeigneten Blättern ergibt sich eine sehr exakte und schnelle Möglichkeit der Meß­ vorbereitung.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Messung der Photosynthese-Akvivitäten von Pflanzen, insbesondere von Blattmaterialien durch Sauerstoffbestimmung, wobei diese ein geräteintegriertes Gehäuse umfaßt, das eine Hochleistungs- Lumineszenzdiode enthält, thermisch stabilisiert ist und einen Hohlraum zur Aufnahme einer mechanisch getrennten Meßzelle aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle (4) eine transparente Platte (7) aufweist, welche die Blattmaterialien (3) mittels einer Feder (8) mit nahezu gleichem Anpreßdruck gegen eine Sauerstoffmeßsonde (6) drückt, welche die Sauerstoffproduktion der Blattmaterialien (3) bei Bestrahlung mißt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochleistungs-Lumineszenzdiode (2) zwei getrennt ansteuer­ bare Lumineszenzdioden in den Spektralbereichen 400 bis 470 nm und 600 bis 680 nm umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den Wellenlängenbereich 600 bis 680 nm anstelle einer Lumineszenzdiode ein Diodenlaser eingesetzt ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Meßzelle (4) eine Ausnehmung (10) sowohl zur Aufnahme eines Teiles von Meßflüssigkeit (9) als auch zum Druckausgleich befindet.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fixierung der Meßsonde (6) in der Meßzelle (4) ein auf­ getrennter elastischer Ring (11) angeordnet ist, dessen Spalt im fixierten Zustand geschlossen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle (4) transparent ausgestaltet ist.