RU2775493C1

RU2775493C1 - Portable device for monitoring plant stress conditions

Info

Publication number: RU2775493C1
Application number: RU2021130759A
Authority: RU
Inventors: Александр Анатольевич Смирнов; Юрий Алексеевич Прошкин; Сергей Александрович Качан; Игорь Мамедяревич Довлатов; Александр Вячеславович Соколов
Filing date: 2021-10-21
Publication date: 2022-07-01

Abstract

FIELD: crop production.

SUBSTANCE: invention relates to optics in the field of crop production, in particular to devices for detecting stress conditions in plants. A portable device for monitoring plant stress conditions includes an excitation source, a fluorescence detector containing an optical system for imaging and separating measurement channels, an electronic trigger and delay generation unit for appropriate synchronization of the laser and the detector, and an electronic measuring unit for detecting a fluorescence signal. The excitation source is equipped with a red laser with a radiation maximum of 638 nm, a blue laser with a radiation maximum of 450 nm, a green laser with a radiation maximum of 520 nm for sequential excitation of chlorophyll fluorescence, and an illumination source in the form of a halogen lamp with continuous radiation in the range of 400÷800 nm. The lamp serves as a light source when registering the radiation transmitted and reflected from the leaves. The optical system for imaging and separating the measuring channels is made in the form of an optical fiber optic reflection and backscattering probe. The fluorescence detector is made in the form of a spectrometer with a spectral range of 350÷850 nm for recording the fluorescence spectrum transmitted and reflected from the leaves of radiation. One end of the optical fiber optic probe is connected to the spectrometer through an interference optical filter, and the other end is connected to the excitation sources. The spectrometer, excitation sources, and the electronic trigger and delay generation unit are located in the electronic measuring unit, which, in turn, is connected to a computer.

EFFECT: increasing the accuracy of determining the stress conditions of plants.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к оптике в области растениеводства, в частности к устройствам для обнаружения стрессовых состояний растений.The invention relates to optics in the field of crop production, in particular to devices for detecting stress conditions in plants.

Известен способ оценки реакции растений на токсичные вещества (RU 2360402 C1, МПК A01G 7/00, 2007 г.) заключающийся в измерении оптических характеристик фотосинтезирующих тканей до и после химического воздействия, определяют скорость изменения интенсивности и степени когерентности рассеянного тканями зондирующего квазимонохроматического светового пучка по коэффициентам уравнений регрессии, которые аппроксимируют экспериментальные кривые.A known method for assessing the response of plants to toxic substances (RU 2360402 C1, IPC A01G 7/00, 2007), which consists in measuring the optical characteristics of photosynthetic tissues before and after chemical exposure, determine the rate of change in the intensity and degree of coherence of the probing quasi-monochromatic light beam scattered by the tissues by coefficients of the regression equations that approximate the experimental curves.

Недостатком известного устройства является ограниченность регистрации реакции растений на токсичные вещества.A disadvantage of the known device is the limited registration of the reaction of plants to toxic substances.

Из уровня техники известно устройство – листовой спектрометр (https://www.cid-inc.com/plant-science-tools/leaf-spectroscopy/ci-710-miniature-leaf-spectrometer) для одновременного измерения пропускания, поглощения и отражения света биологическими веществами в широком диапазоне длин волн, которые покрывают видимый и ближний инфракрасный свет.A device is known from the prior art - a leaf spectrometer (https://www.cid-inc.com/plant-science-tools/leaf-spectroscopy/ci-710-miniature-leaf-spectrometer) for the simultaneous measurement of transmission, absorption and reflection of light biological substances in a wide range of wavelengths that cover visible and near infrared light.

Недостатком известного устройства является низкая точность обнаружения стрессового состояния.The disadvantage of the known device is the low accuracy of detection of stress.

Наиболее близким к заявленному изобретению относится система детектирования флуоресценции для определения значимых параметров растительности (RU 2199730 C2, МПК G01N 21/64, 1998 г.), в базовую конфигурацию которой входят лазерный источник возбуждения с высокой частотой повторения импульсов, который стимулирует флуоресценцию молекул хлорофилла, детектор флуоресценции, включающий оптические системы формирования изображения и разделения измерительных каналов, электронный блок запуска и формирования задержки для соответствующей синхронизации лазера и детектора, а также электронный измерительный блок для детектирования сигнала флуоресценции, который представляет собой модуль регистрации и обработки сигнала.Closest to the claimed invention is a fluorescence detection system for determining significant parameters of vegetation (RU 2199730 C2, IPC G01N 21/64, 1998), the basic configuration of which includes a laser excitation source with a high pulse repetition rate, which stimulates the fluorescence of chlorophyll molecules, a fluorescence detector, including optical imaging systems and measurement channel separation, an electronic trigger and delay generation unit for appropriate synchronization of the laser and the detector, as well as an electronic measuring unit for detecting a fluorescence signal, which is a signal registration and processing module.

Недостатками известной системы является низкая точность определения стрессовых состояний растений, в виду регистрации только индукции и некоторых спектральных характеристик флуоресценции хлорофилла, невозможность определения каротиноидов и антоцианов в листьях растений, а также сложность работы при обработке полученных данных.The disadvantages of the known system are the low accuracy of determining the stress conditions of plants, in view of recording only induction and some spectral characteristics of chlorophyll fluorescence, the impossibility of determining carotenoids and anthocyanins in plant leaves, as well as the complexity of processing the data obtained.

Техническая задача предлагаемого изобретения заключается в повышении точности определения стрессовых состояний растений.The technical task of the invention is to improve the accuracy of determining the stress conditions of plants.

Технический результат достигается тем, что портативное устройство для мониторинга стрессовых состояний растений включает источник возбуждения с красным лазером, детектор флуоресценции, содержащий оптическую систему формирования изображения и разделения измерительных каналов, электронный блок запуска и формирования задержки для соответствующей синхронизации лазера и детектора, а также электронный измерительный блок для детектирования сигнала флуоресценции, согласно изобретения, источник возбуждения снабжен синим лазером с максимумом излучения 450 нм, зеленым лазером с максимумом излучения 520 нм для поочередного возбуждения флуоресценции хлорофилла, а также источником освещения в виде галогенной лампы с непрерывным излучением в диапазоне 400÷800 нм, которая служит источником света при регистрации пропущенного и отраженного от листьев излучения, оптическая система формирования изображения и разделения измерительных каналов выполнена в виде оптического оптоволоконного зонда отражения и обратного рассеяния, а детектор флуоресценции выполнен в виде спектрометра со спектральным диапазоном 350÷850 нм для регистрации спектра флуоресценции, пропущенного и отраженного от листьев излучения.The technical result is achieved by the fact that a portable device for monitoring plant stress conditions includes an excitation source with a red laser, a fluorescence detector containing an optical imaging system and separation of measuring channels, an electronic trigger and delay generation unit for appropriate synchronization of the laser and the detector, as well as an electronic measuring a block for detecting a fluorescence signal, according to the invention, the excitation source is equipped with a blue laser with an emission maximum of 450 nm, a green laser with an emission maximum of 520 nm for alternate excitation of chlorophyll fluorescence, as well as an illumination source in the form of a halogen lamp with continuous emission in the range of 400÷800 nm , which serves as a light source when registering the radiation transmitted and reflected from the leaves, the optical system for imaging and separating the measuring channels is made in the form of an optical fiber optic reflection probe and ray scattering, and the fluorescence detector is made in the form of a spectrometer with a spectral range of 350÷850 nm for recording the fluorescence spectrum transmitted and reflected from the leaves of radiation.

Неразрушающими методами обнаружения стрессовых состояний растений являются: метод регистрации флуоресценции хлорофилла, включающий в себя измерение индукции и спектральный анализ флуоресценции, метод спектрального анализа пропущенного и отраженного от листьев излучения, метод определения содержания фотосинтетических пигментов (хлорофиллов, каротиноидов и антоцианов) включающий в себя измерения флуоресценции хлорофилла при поочередном возбуждении синим, зеленым и красным светом. Non-destructive methods for detecting stress conditions in plants are: a method for recording chlorophyll fluorescence, which includes measurement of induction and spectral analysis of fluorescence, a method for spectral analysis of radiation transmitted and reflected from leaves, a method for determining the content of photosynthetic pigments (chlorophylls, carotenoids and anthocyanins) including measurements of fluorescence chlorophyll under alternate excitation with blue, green and red light.

По флуоресценции хлорофилла можно судить о состоянии фотосинтетического аппарата растения и исследовать эффективность фотохимических реакций, связанных с работой фотосинтетического аппарата, прежде всего фотосистемы II. При возбуждении флуоресценции излучением в красной области спектра 600-650нм, интенсивность флуоресценции будет максимальной, так как все красное излучение поглощается хлорофиллом. При возбуждении флуоресценции излучением в синей области спектра 430-480 нм, часть энергии излучения поглощается каротиноидами, в частности виолаксантином, участвующим в переносе энергии на хлорофилл антенных комплексов. Так как эффективность передачи энергии виолаксантином на хлорофилл ниже, чем прямое поглощение этой энергии хлорофиллом, наблюдается обратная корреляции интенсивности флуоресценции хлорофилла с концентрацией каротиноидов. Аналогичный эффект наблюдается при возбуждении флуоресценции излучением в зеленой области спектра 500-550 нм, где находится абсорбционный максимум антоцианов, который экранируют зеленой излучение. Таким образом, сравнивая интенсивность флуоресценции хлорофилла в красной и дальней красной области спектра при поочередном возбуждении синим, зеленым и красным излучением, можно оценить содержание общего хлорофилла, каротиноидов и антоцианов в листьях растений и использовать эти данные в качестве показателя стресса. Обнаружить стрессовые состояния растительности также можно путем регистрации спектра флуоресценции. Сущность метода заключается в оценке спектрального состава излучения флуоресценции в диапазоне 600-750 нм. Метод спектрального анализа отраженного от листьев излучения может быть использован в качестве показателя, характеризующего содержание хлорофилла, а также краткосрочного или долгосрочного указателя стресса.Chlorophyll fluorescence can be used to judge the state of the photosynthetic apparatus of a plant and to investigate the effectiveness of photochemical reactions associated with the operation of the photosynthetic apparatus, primarily photosystem II. When fluorescence is excited by radiation in the red region of the spectrum 600-650 nm, the fluorescence intensity will be maximum, since all red radiation is absorbed by chlorophyll. When fluorescence is excited by radiation in the blue region of the spectrum 430-480 nm, part of the radiation energy is absorbed by carotenoids, in particular violaxanthin, which is involved in the transfer of energy to the chlorophyll of antenna complexes. Since the efficiency of energy transfer by violaxanthin to chlorophyll is lower than the direct absorption of this energy by chlorophyll, there is an inverse correlation between the intensity of chlorophyll fluorescence and the concentration of carotenoids. A similar effect is observed when fluorescence is excited by radiation in the green region of the spectrum 500-550 nm, where the absorption maximum of anthocyanins is located, which is screened by green radiation. Thus, by comparing the intensity of chlorophyll fluorescence in the red and far red regions of the spectrum upon alternate excitation with blue, green, and red radiation, it is possible to estimate the content of total chlorophyll, carotenoids, and anthocyanins in plant leaves and use these data as an indicator of stress. The stress conditions of vegetation can also be detected by recording the fluorescence spectrum. The essence of the method is to estimate the spectral composition of fluorescence radiation in the range of 600-750 nm. The method of spectral analysis of radiation reflected from leaves can be used as an indicator characterizing the content of chlorophyll, as well as a short-term or long-term indicator of stress.

Повышение точности определения стрессовых состояний растений достигается путем одновременной регистрации индукции флуоресценции хлорофилла, спектрального анализа флуоресценции хлорофилла, определения индексов содержания общего хлорофилла, каротиноидов и антоцианов, а также спектрального анализа пропущенного и отраженного от листьев излучения.An increase in the accuracy of determining the stress conditions of plants is achieved by simultaneously recording the induction of chlorophyll fluorescence, spectral analysis of chlorophyll fluorescence, determining the indices of the content of total chlorophyll, carotenoids, and anthocyanins, as well as spectral analysis of the radiation transmitted and reflected from leaves.

Расширение функциональности применения устройства для различных культур достигается объедением нескольких способов регистрации в одном устройстве во время одного анализа. Простота работы при обработке полученных данных обеспечивается готовыми результатами, выдаваемыми программой.Expanding the functionality of using the device for different cultures is achieved by combining several methods of registration in one device during one analysis. Ease of work in processing the received data is provided by the ready-made results issued by the program.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 показан общий вид портативного устройства для мониторинга стрессовых состояний растений, на фиг. 2 показаны элементы электронного измерительного блока.The invention is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows a general view of a portable device for monitoring plant stress conditions, FIG. 2 shows the elements of the electronic measuring unit.

Портативное устройство для мониторинга стрессовых состояний растений содержит оптический оптоволоконный зонд 1 с зажимом для листа 2, один конец которого посредством оптического волокна соединен через разъем 3 со спектрометром 4, расположенными в электронном измерительном блоке 5 через интерференционный оптический фильтр 6, а второй конец соединен через разъем 3 с источниками возбуждения, выполненными в виде лазеров 7 или галогенной лампы 8, расположенными в измерительном блоке 5, который в свою очередь соединен с компьютером 9. Измерительный блок 5 содержит контроллер 10, в котором регистрируются спектральные сигналы от спектрометра 4 и происходит формирование задержки для соответствующей синхронизации источников возбуждения 7 или 8 и спектрометра 4 для детектирования сигнала. Излучение лазеров 7 суммируется с помощью полупрозрачных зеркал 11.A portable device for monitoring the stress conditions of plants contains an optical fiber optic probe 1 with a clip for a sheet 2, one end of which is connected via an optical fiber through a connector 3 to a spectrometer 4 located in an electronic measuring unit 5 through an interference optical filter 6, and the second end is connected through a connector 3 with excitation sources made in the form of lasers 7 or a halogen lamp 8, located in the measuring unit 5, which in turn is connected to a computer 9. The measuring unit 5 contains a controller 10, in which the spectral signals from the spectrometer 4 are recorded and a delay is formed for appropriate synchronization of excitation sources 7 or 8 and spectrometer 4 for signal detection. The radiation of lasers 7 is summed up with the help of translucent mirrors 11.

Универсальный источник возбуждения состоит из галогенной лампы 8 с непрерывным излучением в диапазоне 400÷800 нм и трех полупроводниковых лазеров 7, синего с максимумом излучения 450 нм, зеленого с максимумом излучения 520 нм и красного с максимумом излучения 638 нм. Отраженное и флуоресцентное излучение фильтруется с помощью интерференционных оптических фильтров, отсекающих коротковолновый диапазон излучения. Измеряются следующие параметры:The universal excitation source consists of a halogen lamp 8 with continuous emission in the range of 400÷800 nm and three semiconductor lasers 7, blue with an emission maximum of 450 nm, green with an emission maximum of 520 nm and red with an emission maximum of 638 nm. Reflected and fluorescent radiation is filtered using interference optical filters that cut off the short-wavelength radiation range. The following parameters are measured:

• Спектр флуоресценции хлорофилла;• Chlorophyll fluorescence spectrum;

• Индукция флуоресценции хлорофилла;• Induction of chlorophyll fluorescence;

• Индекс содержания хлорофилла;• Index of chlorophyll content;

• Индекс содержания каротиноидов;• Index of carotenoids content;

• Индекс содержания антоцианов;• Anthocyanin content index;

• Спектр отражения листа;• Sheet reflectance spectrum;

• Спектр пропускания листа.• Sheet transmission spectrum.

Портативное устройство для мониторинга стрессовых состояний растений работает следующим образом.A portable device for monitoring the stress conditions of plants works as follows.

Для измерения спектра флуоресценции: анализируемое растение или отдельный его лист предварительно адаптируются к темноте. В качестве источника возбуждения выбирается один из трех полупроводниковых лазеров 7 с максимумами излучения 450, 520 и 638 нм. Лист анализируемого растения фиксируется с помощью зажима 2 с оптическим оптоволоконным зондом 1. Запускается программное обеспечение компьютера 9, где в меню выбирается пункт «Анализ спектра флуоресценции» и нажимается кнопка «Измерение». Полученные спектральные сигналы флуоресценции хлорофилла регистрируется спектрометром 4 соединенным с контроллером 10 и сохраняется в памяти компьютера 9. Затем в качестве источника возбуждения выбирается следующий лазер и измерения повторяются. Далее с помощью программного обеспечения компьютера, полученные значения флуоресценции при возбуждении различными лазерами, сравниваются между собой и рассчитываются соответствующие индексы стресса.To measure the fluorescence spectrum: the analyzed plant or its individual leaf is preliminarily dark-adapted. One of three semiconductor lasers 7 with emission maxima at 450, 520, and 638 nm is selected as the excitation source. The leaf of the analyzed plant is fixed using clamp 2 with an optical fiber optic probe 1. Computer software 9 is started, where the menu item "Analysis of the fluorescence spectrum" is selected and the "Measurement" button is pressed. The obtained spectral signals of chlorophyll fluorescence are recorded by the spectrometer 4 connected to the controller 10 and stored in the memory of the computer 9. Then the next laser is selected as the excitation source and the measurements are repeated. Further, with the help of computer software, the obtained fluorescence values upon excitation by different lasers are compared with each other and the corresponding stress indices are calculated.

Для измерения спектра пропускания или отражения листа: в качестве источника возбуждения выбирается галогенная лампа 8. Лист анализируемого растения фиксируется с помощью зажима 2 с оптическим оптоволоконным зондом 1. При измерении спектра отражения света под лист растения подкладывается светопоглощающая пластина, для измерения спектра отражения и пропускания света под лист растения дополнительно подкладывается отражательная пластина. Запускается программное обеспечение компьютера 9, где в меню выбирается пункт «Анализ спектра пропускания и отражения» и нажимается кнопка «Измерение». Полученные спектральные сигналы отражения и/или пропускания листа регистрируется спектрометром 4 соединенным с контроллером 10 и сохраняется в памяти компьютера 9. Далее с помощью программного обеспечения компьютера, полученные значения сравниваются с известными и/или полученными ранее значениями для данного вида растения, хранящимися в базе данных и рассчитываются соответствующие вегетационные индексы.To measure the transmission or reflection spectrum of a leaf: a halogen lamp is selected as the excitation source 8. The leaf of the analyzed plant is fixed with a clamp 2 with an optical fiber optic probe 1. When measuring the light reflection spectrum, a light-absorbing plate is placed under the plant leaf to measure the reflection and transmission spectrum of light a reflective plate is additionally placed under the leaf of the plant. The software of computer 9 is launched, where the item "Analysis of the transmission and reflection spectrum" is selected in the menu and the "Measurement" button is pressed. The received spectral reflection and/or transmission signals of the leaf are recorded by the spectrometer 4 connected to the controller 10 and stored in the memory of the computer 9. Then, using the computer software, the obtained values are compared with the known and/or previously obtained values for the given plant species stored in the database and the corresponding vegetation indices are calculated.

В результате использования портативного устройства для мониторинга стрессовых состояний растений, реализующего метод измерения индукции флуоресценции, метод спектрального анализа флуоресценции, метод определения содержания фотосинтетических пигментов (хлорофиллов, каротиноидов и антоцианов) и метод спектрального анализа, прошедшего и отраженного от листьев излучения, повышается точность определения стресса и расширяется функциональность применения устройства для различных культур, а также достигается простота работы с устройством.As a result of using a portable device for monitoring the stress conditions of plants, which implements the method of measuring fluorescence induction, the method of spectral analysis of fluorescence, the method for determining the content of photosynthetic pigments (chlorophylls, carotenoids and anthocyanins) and the method of spectral analysis of radiation transmitted and reflected from leaves, the accuracy of stress determination is increased. and expands the functionality of using the device for different cultures, and also achieves ease of operation with the device.

Claims

A portable device for monitoring stress conditions in plants, including an excitation source with a red laser, a fluorescence detector containing an optical imaging system and separation of measuring channels, an electronic trigger and delay generation unit for proper synchronization of the laser and the detector, and an electronic measuring unit for detecting a fluorescence signal , characterized in that the excitation source is equipped with a red laser with a radiation maximum of 638 nm, a blue laser with a radiation maximum of 450 nm, a green laser with a radiation maximum of 520 nm for alternate excitation of chlorophyll fluorescence, as well as an illumination source in the form of a halogen lamp with continuous emission in the range 400 ÷ 800 nm, which serves as a light source when registering the radiation transmitted and reflected from the leaves, the optical system for imaging and separating the measuring channels is made in the form of an optical fiber optic probe reflected radiation and backscattering, and the fluorescence detector is made in the form of a spectrometer with a spectral range of 350÷850 nm for recording the fluorescence spectrum transmitted and reflected from the leaves of the radiation, while one end of the optical fiber optic probe is connected to the spectrometer through an interference optical filter, and the other end is connected to excitation sources, a spectrometer, excitation sources and an electronic trigger and delay generation unit are located in an electronic measuring unit, which, in turn, is connected to a computer.