NL193413C

NL193413C - Meetinrichting voor het bepalen van het quantum-rendement van de fotosynthese van een plant.

Info

Publication number: NL193413C
Application number: NL9101639A
Authority: NL
Inventors: Andries Rosema
Original assignee: Ears Ingenieursbureau Voor Env
Priority date: 1991-09-27
Filing date: 1991-09-27
Publication date: 1999-09-06
Also published as: NL9101639A; NL193413B

Description

9 1 193413

Meetinrichting voor het bepalen van het quantumrendement van de fotosynthese van een plant ' De uitvinding heeft betrekking op een meetinrichting voor het bepalen van het quantumrendement van de „ fotosynthese van een plant, omvattende een optisch gedeelte en een elektronisch gedeelte oor het besturen 5 van het optische gedeelte, waarbij het optische gedeelte is voorzien van een in een koker opgenomen meetkop met een meetlamp voor het opwekken van meetlicht, een verzadigingslamp voor het opwekken van verzadigingslicht en een fluorescentiedetector voor het verschaffen van een detectiesignaal van de met de fotosynthese van de te onderzoeken plant samenhangende fluorescentiestraiing, die zodanig binnen de koker zijn opgesteld dat de hartlijnen van de gezichtsvelden van de meetlamp, de verzadigingslamp en de 10 fluorescentiedetector elkaar snijden binnen een meetopening die in de koker is aangebracht voor het uitvoeren van metingen aan een voor de meetopening geplaatst bladdeel van de te onderzoeken plant, en waarbij het elektronische gedeelte is voorzien van middelen voor het activeren van de meetlamp en de verzadigingslamp.

Het quantumrendement van de fotosynthese van een plant is een maat voor de omzetting van koolzuur 15 en water in glucose onder invloed van licht. Het geeft informatie over de groei van planten, zowel in positieve zin als het gaat om de productie van gewassen, als in negatieve zin als het gaat om de invloed van milieuverontreinigingen. Het is ook een maat voor de kwaliteit van potplanten en snijbloemen en kan, bijvoorbeeld, worden gebruikt bij het beoordelen van de houdbaarheid of bij selectie op stressbestendigheid.

De chlorophylmoleculen in de bladgroenkorrels absorberen licht en raken daardoor in geëxciteerde 20 toestand. Deze moleculen kunnen door afgifte van elektronen bijdragen aan de fotosynthesereactie. Een deel van de excitatie-energie gaat echter verloren door omzetting in warmte of door uitzending van licht (fluorescentie). Deze fluorescentie staat derhalve in nauw verband met de fotosynthese en wordt gemeten met zogenaamde chlorophyl-fluorometers.

Een in de aanhef genoemde meetinrichting is bekend uit de Duitse octrooipublicatie DE-A-3.518.527, en 25 maakt gebruik van het ’’Kautsky-effect”. Hierbij wordt een blad gebruikelijk ingeklemd in een houder en gedurende circa 15 minuten aan het donker aangepast. Vervolgens wordt een puls-meetlicht aangeschakeld en ondergaat de fluorescentie van het blad een verandering (inductie). Na een bepaalde periode heeft de fotosynthese in het blad zich aan het meetlicht aangepast en is de fluorescentie stationair geworden. Vervolgens wordt een enkele verzadigende lichtpuls op het blad gericht, en wordt een bepaalde periode 30 daarna meerdere verzadigende lichtpulsen toegediend. Uit de verhouding van de fluorescentie onder het meetlicht en het verzadigingslicht kan, blijkens recent onderzoek, het quantumrendement van de fotosynthese (Φρ) worden bepaald. Dit gegeven heeft alleen praktische betekenis als de plant zich in een stationaire toestand bevindt, dat wil zeggen zich heeft aangepast aan het meetlicht of een conditionerings-Jicht.

35 Een werkwijze die analoog is aan de beschreven werkwijze is bekend uit de publicatie Photosynthesis Research, 10 (1986, 01,12) 51/62. Verder is een vergelijkbare werkwijze bekend uit de Europese octrooipublicatie EP-A-0.215.399, met het verschil dat de plant hier niet aan het donker wordt aangepast, maar aan een vast lichtniveau, en dat de lichtpulsen niet verzadigend zijn.

Een nadeel van de beschreven bekende inductiefluormeters is dat de omgevingscondities van de plant, 40 met name het omgevingslicht, worden verstoord. Voor praktische toepassingen is meting onder omgevingscondities echter zeer wenselijk. Een tweede nadeel is dat de plant zich eerst moet aanpassen aan het meetlicht alvorens een enkele verzadigende lichtpuls toegediend wordt, en vervolgens weer een periode moet worden gewacht alvorens meerdere verzadigende lichtpulsen toe te dienen voordat een praktisch zinvolle bepaling van quantumrendement kan worden gedaan. Hierdoor neemt deze bepaling veel tijd in 45 beslag. Bovendien is de bekende apparatuur ontwikkeld voor laboratoriumgebruik en te onhandelbaar voor snelle, routinematige metingen in het veld.

Het is dan ook het doel van de uitvinding een meetinrichting voor het bepalen van het quantumrendement van de fotosynthese van een plant in omgevingsomstandigheden te verschaffen. Een verder doel van de uitvinding is het verschaffen van een compacte meetinrichting voor het bepalen van het quantum-50 rendement van de fotosynthese van een plant

Daartoe heeft een meetinrichting van de in de aanhef beschreven soort volgens de uitvinding het kenmerk dat de koker bestaat uit een lichtdoorlatend materiaal en het elektronische gedeelte is voorzien van een microprocessor voor het bewerken van het detectiesignaal ter verkrijging van een eerste meetwaarde voor de onder omgevingslicht optredende fluorescentiestraiing en van een tweede meetwaarde voor de na 55 het uitschakelen van de verzadigingslamp bereikte maximale fluorescentiestraiing en voor het berekenen van het quantumrendement van de fotosynthese uit de eerste en de tweede meetwaarde, van middelen voor het weergeven van de verkregen waarde voor het quantumrendement van de fotosynthese en van 193413 2 middelen om de meetlamp en de verzadigingslamp uit te schakelen zodra de tweede meetwaarde voor de maximale fluorescentiestraling is verkregen.

De meetinrichting bevat middelen voor het tijdig uitschakelen van de verzadigingslamp, aangezien deze relatief veel energie vergt. De microprocessor volgt de veranderingen in de fluorescentie en schakelt de 5 verzadigingslamp onmiddellijk uit als de maximale waarde is gepasseerd. De tijdsduur van het verzadigings-licht is aldus variabel (0,5-1 sec.) en hangt onder andere af van de temperatuur. Het is zo mogelijk het quantumrendement van de fotosynthese van een plant in omgevingslichtomstandigheden te meten, en behoeft de plant niet eerst aan het donker te worden aangepast. Met behulp van de inrichting volgens de uitvinding is het mogelijk het quantumrendement van de fotosynthese van een plant in omgevingslicht 10 binnen een seconde te meten, wat aanzienlijk sneller is dan met de bekende inrichting.

Bovendien kan een dergelijke meetinrichting zeer compact uitgevoerd worden, in het bijzonder wanneer het optische en elektronische gedeelte in een enkele behuizing opgenomen zijn.

Bij een voorkeursuitvoeringsvorm van de meetinrichting verschaft de verzadigingslamp een verzadigings-lichtsterkte van ten minste 1800 W/m2 ter plaatse van de meetopening. Het is gebleken dat hierdoor in alle 15 gevallen een verzadiging van fotosynthesesystemen van een willekeurige plant veroorzaakt wordt.

Bij voorkeur verschaft het meetlicht ter plaatse van de meetopening een lichtsterkte van maximaal 15 W/m2, opdat de toestand van de plant niet merkbaar wordt beïnvloed. Het meetlicht heeft aldus een zodanige geringe lichtsterkte dat de toestand waarin de plant zich bevindt niet of nauwelijks merkbaar wordt beïnvloed.

20 Het op een plant vallende omgevingslicht kan eenvoudig gedetecteerd worden in een meetinrichting waarbij de lichtdoorlatende koker naast de meetopening voorzien is van een diffuus reflecterend vlak, en dat het optische gedeelte een omgevingslichtdetector bevat met een op het diffuus reflecterend vlak gericht gezichtsveld.

25 De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de tekening. Hierin toont: figuur 1 schematisch een bovenaanzicht van een meetinrichting voor het bepalen van het quantumrendement van de fotothese van een plant, en figuur 2 schematisch het elektronisch gedeelte van de meetinrichting volgens figuur 1.

30 Figuur 1 toont schematisch een bovenaanzicht van een meetinrichting voor het bepalen van het quantumrendement van de fotosynthese van een plant. De meetinrichting bevat een optisch gedeelte 1,2, 3, 8 en een elektronisch gedeelte 5 die in één enkele behuizing, van bijvoorbeeld ongeveer 25x8x6 cm, zijn opgenomen. Het optische gedeelte van de meetinrichting omvat een meetkop met een licht uitzendende diode (LED) 1 voor het uitzenden van meetlicht, een verzadigingslamp 3 voor het uitzenden van 35 verzadigingslicht, een fotodiode 2 voor het detecteren van fluorescentie, en een transparante koker 8 voorzien van een meetopening 9. De licht uitzendende diode 1, de verzadigingslamp 3 en de fotodiode 2 zijn zodanig in het instrument opgesteld dat de hartlijnen van hun gezichtsvelden elkaar snijden in de meetopening 9 die zich bijvoorbeeld op ongeveer 9 cm van de verzadigingslamp 3 bevindt Een blad 10 van een plant (niet weergegeven) wordt tegen de meetopening van de koker 8 gedrukt. Daar de koker 8 van 40 transparant materiaal is worden de omgevingsomstandigheden niet beïnvloed. Eerst wordt de licht uitzendende diode 1 door het elektronisch gedeelte 5 geactiveerd zodat gemoduleerd meetlicht wordt uitgezonden dat in het blad 10 fluorescentie opwekt, die door de fotodiode 2 en het elektronisch gedeelte 5 na 0,1 sec. synchroon wordt gedetecteerd met een waarde F. Vervolgens wordt de verzadigingslamp 3 door het elektronisch gedeelte geactiveerd. De gemeten fluorescentie stijgt nu snel en gaat na korte tijd (0,5-1 45 sec.) door een maximum. Deze maximale waarde Fm wordt vastgehouden en het meetlicht en het verzadigingslicht worden onmiddellijk uitgeschakeld.

Het elektronisch gedeelte 5 bepaalt het quantumrendement van de fotosynthese Φρ uit de verhouding 1-F/F,,, en geeft deze weer op een LCD-weergeefpaneel 4.

De chlorophylfluorescentie van bladgroen ”in vivo” ligt in het golflengtebereik van ca. 670 tot 780 nm, 50 met twee overlappende emissiebanden met maxima bij 685 en 735 nm. De fluorescentie wordt opgewekt door meetlicht met een kortere golflengte. In een uitvoeringsvorm is gekozen voor een licht uitzendende diode van GaAIAs die rood licht uitzendt rond 640 nm en vrijwel geen aandeel heeft boven 700 nm. Het fluorescentie opwekkende meetlicht dient geen fotochemische aanpassingen in het blad te veroorzaken, en verschaft daarom een lichtsterkte ter plaatse van het blad van maximaal 15 W/m2 bij voorkeur tussen 5 en 55 10 WAn2. Het is van oordeel de opgewekte fluorescentie spectraal te scheiden van het meetlicht, aangezien gereflecteerd meetlicht niet voor geëmitteerde fluorescentie gehouden mag worden. Hiertoe kunnen voor fotodiode 2 en eventueel ook voor de licht uitzendende diode 1 filters geplaatst worden. In de genoemde

Claims

1. Meetinrichting voor het bepalen van de fotosynthese van een plant, omvattende een optisch gedeelte en een elektronisch gedeelte voor het besturen van het optische gedeelte, waarbij het optische gedeelte is voorzien van een in een koker opgenomen meetkop met een meetlamp voor het opwekken van meetlicht, 193413 4 een verzadigingslamp voor het opwekken van verzadigingslicht en een fluorescentiedetector voor het verschaffen van een detectiesignaal van de met de fotosynthese van de te onderzoeken plant samenhangende fluorescentiestraling, die zodanig binnen de koker zijn opgesteld dat de hartlijnen van de gezichtsvelden van de meetlamp, de verzadigingslamp en de fluorescentiedetector elkaar snijden binnen een 5 meetopening die in de koker is aangebracht voor het uitvoeren van metingen aan een voor de meetopening geplaatst bladdeel van de te onderzoeken plant, en waarbij het elektronische gedeelte is voorzien van middelen voor het activeren van de meetlamp en de verzadigingslamp, met het kenmerk, dat de koker bestaat uit een lichtdoorlatend materiaal en het elektronische gedeelte is voorzien van een microprocessor voor het bewerken van het detectiesignaal ter verkrijging van een eerste meetwaarde voor de onder 10 omgevingslicht optredende fluorescentiestraling en van een tweede meetwaarde voor de na het uitschakelen van de verzadigingslamp bereikte maximale fluorescentiestraling en voor het berekenen van het quantumrendement van de fotosynthese uit de eerste en de tweede meetwaarde, van middelen voor het weergeven van de verkregen waarde voor het quantumrendement van de fotosynthese en van middelen om de meetlamp en de verzadigingslamp uit te schakelen zodra de tweede meetwaarde voor de maximale 15 fluorescentiestraling is verkregen.

2. Meetinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de verzadigingslamp een verzadigingslicht-sterkte van ten minste 1800 W/m2 ter plaatse van de meetopening verschaft.

3. Meetinrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de meetlamp een meetsterkte van maximaal 15 W/m2 ter plaatse van de meetopening verschaft.

3 193413 , uitvoeringsvorm wordt voor de fotodiode 2 een ruisarme PIN fotodiode gebruikt voorzien van een filter dat vrijwel geen licht onder 700 nm doorlaat. Alternatief kan bijvoorbeeld ook een licht uitzendende diode die groen licht uitzendt, gebruikt worden en de meting van de fluorescentie rond 685 nm plaatsvinden. ‘ Het verzadigingslicht wordt bijvoorbeeld geleverd door een halogeenlamp 3 (6 V, 15 W) met een metalen 5 reflector. Voor de halogeenlamp 3 is een filter geplaatst dat een belangrijk deel van het licht boven 700 nm tegenhoudt. Hierdoor wordt de belasting van de fotodiode 2 en de warmteontwikkeling in het blad verminderd. Voor het bereiken van verzadiging in het blad dient de verzadigingslichtsterkte op het blad ten minste 1800 W/m2 te zijn. Om dit te bereiken wordt zonodig het verzadigingslicht optisch gebundeld (door middel van lens of spiegel).

10 Het is van oordeel het meetlicht opgewekt door de licht uitzendende diode 1 onder besturing van het elektronisch gedeelte 5 te moduleren en de door het meetlicht opgewekte fluorescentie en het modulatie-signaal synchroon te detecteren. Op deze manier wordt de door het meetlicht opgewekte fluorescentie eenvoudig gescheiden van de door het omgevingslicht respectievelijk verzadigingslicht opgewekte fluorescentie.

15 Door middel van een tweede fotodiode (niet weergegeven in figuur 1) wordt het op het blad vallende omgevingslicht gemeten. Deze diode kijkt naar een diffuus reflecterend wit vlak (niet weergegeven) dat zich aan de binnenzijde van de koker 8, vlak naast de meetopening 9 bevindt. Met de waarde van het omgevingslicht kan het elektronisch gedeelte 5 het niveau van de fotosynthese bepalen, dat het product van fotosyntheserendement Φρ en omgevingslicht is.

20 In figuur 2 wordt schematisch het elektronisch gedeelte 5 van een uitvoeringsvorm van een meet-inrichting volgens figuur 1 getoond. Een microprocessor 11 bestuurt alle delen van het meetinstrument. De microprocessor 11 maakt een blokgolf met een frequentie van 8 kHz voor het moduleren van de licht uitzendende diode 1. De door het blad 10 uitgezonden fluorescentie (onder omgevings- of verzadigingslicht-omstandigheden) opgewekt door het gemoduleerde meetlicht wordt door de fotodiode 2 opgevangen. Hierin 25 wordt een stroom (meetsignaal) opgewekt die door een stroomspanningsomzetter 13 in een spanning omgezet wordt. Het daarachteriiggende banddoorlaatfilter 14 laat alleen de 8 kHz component door. Het aldus verkregen signaal wordt versterkt met een vaste waarde in versterker 15. Om de signaalamplitude te kunnen regelen wordt dit versterkte signaal door een door de microprocessor bestuurde instelbare versterker 16 gestuurd. Het door de microprocessor 11 geleverde modulatiesignaal wordt door middel van 30 een fasedraaier 12 in de fase gebracht met het waargenomen signaal. Vervolgens wordt het bewerkte meetsignaal in een synchrone detector 17 gelijkgericht door vermenigvuldiging met het in fase gebrachte modulatiesignaal. Het gelijkgerichte signaal gaat nu door een laagdoorlaatfilter 18 dat de 8 kHz modulatie verwijdert. Een in de microprocessor 11 ingebouwde analoog/digitaal-omzetter zet het signaal om in een digitale waarde. De microprocessor 11 is geprogrammeerd voor het detecteren en opslaan van het signaal 35 (F respectievelijk Fm). Zijn deze waarden bepaald dan schakelt de microprocessor 11 de licht uitzendende diode 1 en de verzadigingslamp 3 uit en berekent de waarde 1 -F/Fm, die via een schuifregister 21 op het LCD-weergeefpaneel 4 weergegeven wordt. Een tweede fotodiode 22 detecteert het aanwezige omgevingslicht in de vorm van een stroom die door een stroomspanningsomvormer 19 in een spanning omgezet wordt die via de microprocessor 11 op het 40 LCD-weergeefpaneel 4 getoond kan worden. Voor de tweede fotodiode is bij voorkeur een filtercombinatie geplaatst die alleen de fotosynthetisch actieve straling doorlaat. Dit samenstel wordt "PAR-sensor” genoemd. Bij voorkeur wordt de verzadigingslamp 3 als volgt door de microprocessor 11 gestuurd. Wanneer de verzadigingslamp 3 (bijvoorbeeld een 6 V halogeenlamp) moet branden, wordt de lamp 3 eerst gedurende 45 0,1 seconde op 8,4 V gezet, zodat een snelle oplichting verkregen wordt. Vervolgens wordt de spanning teruggeschakeld naar 6 V. Hierdoor wordt de belichtingstijd verkort en energie gespaard. Verder bevat de meetinrichting twee aansluitingspluggen 7 voor aansluiting met randapparatuur (bijvoorbeeld batterijlader, computer), en een detector 20 die wanneer de voedingsspanning (bijvoorbeeld batterijspanning) te laag wordt de microprocessor 11 weer in de beginstand brengt. Uiteraard bevat het 50 meetinstrument een aan/uit schakelaar 6 (zie figuur 1) en verdere bedieningsknoppen (niet weergegeven).

4. Meetinrichting volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat de lichtdoorlatende koker naast de meetopening voorzien is van een diffuus reflecterend vlak, en dat het optische gedeelte een omgevingslicht-detector bevat met een op het diffuus reflecterend vlak gericht gezichtsveld. Hierbij 2 bladen tekening