基于LED激发光源的叶绿素荧光强度检测与分析纪建伟精.docx

基于LED激发光源的叶绿素荧光强度检测与分析纪建伟精.docx

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基于LED激发光源的叶绿素荧光强度检测与分析纪建伟精

基于LED激发光源的叶绿素荧光强度检测与分析

纪建伟，徐明虎，李征明，哈

峥，左仲善

（沈阳农业大学信息与电气工程学院，沈阳

110866）

摘

要：

采用了650nm红色发光二极管（LED）的矩阵（6ˑ8）作为激发光源，构建了一种基于MINI－PAM荧光

仪的调制脉冲式在线检测叶绿素荧光系统。

利用该系统分别对番茄苗期、花期、果期活体叶片的荧光强度与激

发光源（LED）光强关系进行试验研究。

通过对可编程电源来调节LED光强（在01700μmol/m2

·s之间），

以50mA为步进值依次增加，并利用Excel软件对测得的荧光值F进行分析。

结果显示：

电流值在3700mA以下，

每一时期植株叶片的荧光强度与恒流源输出电流强度具有显著的线性关系，决定系数R2

＞0．97。

以此研究为基

础，建立了荧光强度与激发光强度的关系模型，模型可靠性高，能够比较真切地反映出荧光强度与激发光强之间的关系。

关键词：

叶绿素荧光；发光二极管（LED）；调制荧光仪；可编程恒流源中图分类号：

S123；S641．2

文献标识码：

A

文章编号：

1003－188X（2011）09－0176－05

0引言

叶绿素荧光检测技术以活体植物细胞的叶绿素

为指导分子，可以快速、灵敏、无损伤地研究和探测完整植株光合作用的真实行为，被称为评价光合机构功能和环境胁迫对其影响的有效探针

［1］

。

与“表观性”

的气体交换指标相比，叶绿素荧光参数更具有反映“内在性”的特点。

叶绿素荧光技术之所以被称为一种出色的探针，是因为它与光合作用能量转换和非辐射能量耗散来源于同样激发态。

叶绿素荧光、光合作用能量和非辐射能量耗散3者之间存在互补关系。

所以，荧光光强的变化可以反映出植物的光合状态，进而间接反映出诱导光源的光强变化关系。

目前，叶绿素荧光技术广泛应用于植物生理、植物营养、植物生态等诸多领域

［2］

，其研究手段多借助

于调制式叶绿素荧光仪。

尽管利用荧光仪器自带的测量光源能够激发叶绿素产生荧光，

从而揭示植物光合作用机理，但多限于叶片“点”式接触测量，不能准确反映出植物的生长状况，为此本试验利用LED阵列提供诱导光源，

增大了被测对象的光照面积。

为进一步完善荧光检测技术，

Anderson［3］

对草本和木本植物

的荧光范围以及诱导光强进行了系统研究，得出荧光

收稿日期：

2010－11－15

基金项目：

国家自然科学基金项目（60974113）

作者简介：

纪建伟（1963－），男，辽宁义县人，教授，博士生导师，

（E－mail）jianweiji7879@hotmail．com。

通讯作者：

徐明虎（1986－），男，山东商河人，硕士研究生，

（E－mail）xuminghuok@163．com。

信号信息量受诱导光强影响，诱导光强弱直接影响检测信息的准确度，但没有对植物具体的生长期进行探讨。

因此，本文利用LED提供诱导光源分别对番茄（苗期、花期、果期）试验，对每一时期的叶绿素荧光强度与激发光强度关系进行深入研究。

1

材料和方法

1．1

植株的选取及培养

试验于2009年春季在沈阳农业大学园艺科研基

地辽沈I型日光温室内进行。

供试番茄（LycopersiconesculentumMill）品种为辽园多丽，4月3日播种，采用营养钵栽培。

在苗长到三叶一心时分苗到30ˑ30的营养钵里（营养基质以植物每个时期的需要为标准），同时移至日光温室，温室温度控制在2025ħ，适宜番茄植株的生长。

然后分别在第5片真叶展开时（苗期，

T0）、番茄第1花穗第1花开花时（开花期，T1）、第1花穗第1果坐果时（果期，T2）各个时期对植株叶片叶进行荧光检测。

1．2

实验装置

实验中采用LED诱导荧光与调制式荧光检测仪（MINI－PAM）结合的技术来测量植物叶片中叶绿素发出的荧光。

利用LED激发光来提供测量光及光化光，

利用荧光仪自带卤素灯提供饱和脉冲光。

试验装置如图1所示。

其主要包括：

高亮度LED阵列模块、特制滤光片模块、可编程直流电源模块、市电抗干扰模块、

MINI－PAM调制荧光仪模块和上位机模块。

该系统工作原理如下：

市电通过抗干扰系统给可编程电

源供电，上位机的COM1口连接可编程电源自身背板上的RS－232串口，通过软件编程进而对电源输入数据来控制LED阵列亮度，

LED发出的光经过特制滤光片激发植株叶片；COM2口连接MINIPAM调制荧光仪的串口与PAM进行通信。

这样就能通过上位机进行实时监控。

图1系统结构图

Fig．1

Thesystemdiagram

1．2．1LED的选取

本系统采用了PhilipsLumileds公司LUEXONRebel系列的LED，并且采用了8ˑ6的阵列方式。

系列LED是目前体积最小的表面封装高功率LED，表面积约为4mmˑ3mm，具有很高的流明保持率，最大工作电流为1000mA，此时LED发光效率高达160lm/W，足以满足系统所需要的光照强度。

根据植物光合作用原理叶绿素分子吸收蓝光后处于第二单线态的叶绿素分子贮存的能量虽远大于吸收红光后处于第一单线态的状态，但超过的部分对于光合作用是无用的

［4］

，在极短的时间内叶绿素分子要从第二单线态返回第一单线态，多余的能量以热的形式耗散，所以选用中心波长为650nm的红色LED，波宽10nm。

LED发出的长波光被截止滤光片屏蔽掉。

1．2．2可编程恒流源的选取

利用恒流源输出电流的变化控制LED的发光强度，进而测出激发荧光的变化，所以对可编质量参数（稳流系数、负载调整率、温度系数纹波系数等参数）

要求较高。

本次试验使用的恒流源为江柏公司生产的JBP－3010，该电源的最大输出电压为30V，最大输出电流为10A，恒流输出精度极高，电流/电压可分辨率达到1mA/1mV，

纹波低于10mA，满足该系统的参数要求，可以较精确地控制LED光强的变化，如图2所示。

图2

LED发光强度与驱动电流关系

Fig．2

TherelationshipbetweenluminousintensityofLEDanddrivecurrent

1．2．3调制荧光仪MINI－PAM简介

MINIPAM是有WALZ公司设计制造的一台方便携带的超便携式调制荧光仪，采用了独特的调制技术和脉冲技术，可以通过选择性的原位测量叶绿素荧光，它的调制测量光足够低，可以激发色素本底荧光而不引起光合作用，并且具有很好的灵敏度和选择性，能在很强的背景光下测定荧光产量而不受到干

扰

［5］

。

仪器背面配有RS232串口，与电脑串口连接，

使电脑可以通过RS232来控制仪器或传输数据，还可以通过用户自己编写的程序来进行操作。

传输软件用WinControl，在电脑和MINIPAM进行通信时，必要的命令语句需要注意，用户在使用中还要知道两个连续的字母间至少有50ms的延迟，在测量的同时尽量不要进行数据传输。

1．3

叶绿素荧光的测量

首先设定好通信接口（COM1连接可编程恒流源；COM2连接MINIPAM）。

利用上位机PC监控软件对可编程恒流源开/关状态、电流值、饱和脉冲光强度与持续时间等参数进行设定。

选苗期植株第3片真叶、花期第1花下以及果期第1果下的叶片为测量对象。

对每一生长时期的实验都是在早上的7点开始，不需要特意地对植物进行暗适应测得Fo，接着给饱和脉冲光，得到Fm，从而得到Fv/Fm，判断出植物生理状况；接着给定0mA电流，根据设定的步进值50mA依次增大，随着电流值的增加得到荧光F的曲线，同时也可得到某一时刻的Fv/Fm与ΦPSⅡ等参数判断出植物的生长状况以及光合效率。

2

结果与讨论

2．1

初始条件下的Fv/Fm

Fv/Fm指植物的原初光化学效率，表示PSⅡ理论

上所能达到的最大光能转化率，与受环境抑制的程度

之间存在着正相关，可作为植物生长状况良好与否的指标

［6］

。

在实验中，每一生长时期都取5个生长状况

良好的植株中位置相同的叶片为样本进行分析。

样本初始的基本荧光值如表1所示，每一片被测叶片的生长状况都达到良好。

表1

样本初始的基本荧光值

Tab．1

Theinitialbasicfluorescencevaluesofthesample

参数苗期

12345花期12345果期12345Fo0．3010．2650．3040．2840．2620．3410．3350．3220．3420．3460．3410．3350．3220．3420．346Fm1．8721．7411．8211．7521．7542．1322．0712．0122．0352．0201．9561．9421．8121．8422．012Fv/Fm

0．831

0．842

0．807

0．841

0．832

0．819

0．848

0．839

0．842

0．828

0．825

0．840

0．841

0．824

0．838

2．2荧光强度与恒流源电流值的关系

通过编程控制恒流源的输出，使第一次测得Fm

后的电流从0mA开始，以50mA为步进值增加。

随着电流值的增加，

LED光强也不断增强。

在这一变化过程中，实际荧光值F也随之而变化。

荧光值F与驱动电流关系如图3所示。

图3

荧光值F与驱动电流关系

Fig．3

TherelationshipbetweenFanddrivecurrent

由于每一生长时期叶片的叶绿素含量等生理因素的影响，使得在同一光强下不同时期的叶片产生的荧光不同，即使在同一时期的荧光值也有细微的差别。

在电流发生变化时，

产生的荧光会随着电流的变化而变化。

利用DPS9．50软件分析发现，每一时期中，

在小于37004000mA电流值时，荧光与电流值均有显著的线性相关性。

对各时期样本荧光强度与电流值均线在小于该区间内线性回归分析。

样本在各个时期荧光强度与电流值线性条件下密度的函数关系如表2所示，

每个时期的决定系数均在0．97以上，极好地证明了荧光与电流值的线性关系，进而说明了荧光与激发光源强度的线性关系。

试验结果与杨昊谕

［7］

研究的黄瓜荧光强度变化趋势一致。

因此

可以建立回归方程如式

（1）F=kA+C

（1）

式中

F—荧光强度；k—荧光强度系数；A—电流值；C一常数。

表2样本在各个时期荧光强度与电流值线性条件下的函数关系Tab．2

Thefunctionalrelationshipbetweenfluorescenceintensityofeachperiodsamplesandcurrentvalueunderlinearcondition

苗期

花期果期关系式y=0．0004x+0．2771y=0．0004x+0．3342y=0．0004x+0．3235决定系数

R2=0．9732

R2=0．9876

R2=0．9747

2．3ΦPSⅡ与电流值的变化关系

ΦPSⅡ是光系统Ⅱ的有效量子产量，表示植物体

光合机构将吸收的光能进行转化的能力，测量该值不

需要经过暗适应。

ΦPSⅡ与电流值的变化关系如图4所示。

电流值为0mA时各时期植株的ΦPSⅡ值均较

高，之后随电流值的增加而缓慢降低，到电流值增加到4500mA左右时该值显著下降，通过图4中曲线可以得到：

各时期植株的光和效率随电流值的变化趋势是基本一致，

只是初始阶段的ΦPSⅡ有所不同，花期最高为0．78，果期次之为0．75，苗期最低为0．71。

在电流值达到一定数值，植株受到光抑制，导致ΦPSⅡ显著下降，花期在电流值到达4700mA时才急剧下降，而果期与苗期的下降点分别为4550mA与4300mA。

出现该结果的原因可能是不同时期的植株叶片的叶绿素浓度不同造成的。

由前人研究的数据

［8］

，番茄苗期的叶片叶绿素含量明显低于花期与果

期，

所以苗期ΦPSⅡ初值要低于花期与果期，在受到光抑制时，由于叶绿素含量低，在保护光合机构免受过光强破坏，加强热耗散时，不如叶绿素含量高的花期与果期，所以在电流达到4300mA时苗期植株就达到光饱和点。

在电流值达到4500mA时光强达到了1250μmol/m2·s，超过了正午的光照强度1200μmol/m2·s［9］。

由此得出番茄是喜阳植物，在自然条件下生长不会受到光抑制

。

图4

ΦPSⅡ与驱动电流的关系

Fig．4

TherelationshipbetweenΦPSⅡanddrivecurrent

2．4荧光强度与LED光强的关系模型

由上两节内容可知，在电流值为4500mA时番茄

受到光抑制，对于自然生长环境下番茄的研究没有意义。

为此结合图

（1）LED光强与电流值的变化关系与式

（1）电流值与荧光强度的线性关系得出式

（2）荧光强度与LED光强的对应关系。

则有

F=K1L

（2）

其中，

k1为荧光强度系数；L为LED光强。

将回归系数带入

（2）式得出表3所示的数学关系模型。

表3

荧光强度F与LED光强的关系模型

Tab．3RelationalmodelaboutFandluminousintensityofLED

苗期花期果期数学模型F=0．00149LF=0．00152LF=0．0015L决定系数

R2=0．965

R2=0．976

R2=0．968

3结论

1）构建了基于MINI－PAM，以可编程恒流源控制

下的LED为激发光源的在线检测叶绿素荧光系统，该系统可以在线、精确地测量到叶绿素荧光参数。

2）在实验中，电流值3700mA以下，每一时期植株叶片的荧光强度与LED激发光强具有显著的线性

关系，决定系数R2

＞0．97。

3）在电流值达到4500mA左右时，植株受到光抑制，其中苗期最先受到光抑制，其次为果期、花期。

4）建立了叶绿素荧光强度与激发光源LED光强之间的数学模型，模型的结果显示相对误差小，具有广阔的应用空间。

参考文献：

［1］RosemaA，SnelJFH，ZahnH，etal．Therelationbetween

laser－inducedchlorophyllfluorescenceandphotosynthesis［J］．RemoteSensingofEnvironment，1998，65

（2）：

143－154．

［2］Beardal1J，YoungE，SimonR．Approachesfordetermining

phytoplanktonnutrientlimitation［J］．AquaticSciences，2001，63：

44－69．

［3］AndersonDM，FredricksonEL，NachmanP，etal．Laser－

inducedfluorescence（LIF）spectraofherbaceousandwoodypre－andpost－digestedplantmaterial［J］．AnimalFeedSci-enceTechnology，1998，70（4）：

315－337．

［4］PeterJRalph，RolfGademann．Rapidlightcurves：

Apower-fultooltoassessphotosyntheticactivity［J］．AquaticBotany，2005，82：

222－237．

［5］SchreiberUPulse－amplitude－modulation（PAM）fllu-orometryandsaturationpulsemethod：

anoverview［C］//In：

PapageorgiouGC，GovindjeeASignatureofPhotosynthesis，DordrechtSpringer，2004：

279－319．

［6］ParkhillJP，MailletG，CullenJJ．Fluorescence－based

maximalquantumyieldforPSIIasadiagnosticofnutrientstress［

J］．JournalofPhycology，2001，37：

517－529．［7］杨昊谕，于海业，张蕾，等．基于激光诱导荧光光谱分析的

黄瓜叶片叶绿素含量检测［J］．农业机械学报，2009，40（10）：

169－172．［8］

NorciniJG．LightIntensityInflencesleafphysiologyandplantgrowthcharacteristicsofplotiniaxraseri［J］．Amer．Soc．Hort．Sci．，

1991，16（6）：

1046－1051．［9］Walker．AutomatedmeasurementofleafphotosyntheticO2e-volutionasafunctionofphotonfluxdensity［J］．PhilTransRSocLondBBiolSci，1989，323：

313－326．

DetectingandAnalysiingofChlorophyllFluorescenceIntensityBasedon

LEDExcitation

JiJianwei，XuMinghu，LiZhengming，HaZheng，ZuoZhongshan

（CollegeofInformationandElectricalEngineering，ShenyangAgriculturalUniversity，Shenyang110866，China）Abstract：

Inthispaper，withthe650nmredLEDmatrix（6ˑ8）waschosenasexcitationsource，anewmeasurementandcontrolsystemforchlorophyllfluorescenceisproposed，whichisbasedonMINI－PAM．Therelationshipbetweenchlorophyllfluorescenceintensityoftomatoleafduringseedling，flowerandfruitinvivoandstimulatelightintensitywasstudied．LEDlightintensityhasbeenincreasedbetween0－1700μmol/（m2·s）forthestepby50mA，regulatingtheprogrammablepower．ThemeasuredfluorescencevalueFwascalculatedandanalyzedbyExcel．Theresultsshowedthattherewasaverysignificantlinearcorrelationbetweenthefluorescenceintensityofeachperiodleavesandcurrentstrengthunder3700mA．Thecoefficientofdetermination：

R2＞0．97．Basedonthoseresults，amathematicalmodelwiththechangeoffluorescenceintensityalongwithexcitationpowerwasestablished．Theestablishedmodelwasreliable，anditexactlyreflectedtherelationshipbetweenfluorescenceintensityandexcitationpower．

Keywords：

chlorophyllfluorescence；light－emittingdiode（LED）；PAM；programmablepowersupply（上接第175页）

［21］彭全材，杨占南，胡继伟，等．高效液相色谱法同时测定

鱼腥草中7黄酮的含量［

J］．江西师范大学学报（自然科学版），

2008（6）：

645－648．AbstractID：

1003－188X（2010）09－0173－EA

StudyofMicrowaveAssistantExtractionQuercetinfromLotusLeaves

ZhangShuangling，JiangHao，YuChundi

（CollegeofFoodScienceandEngineering，QingdaoAgriculturalCollege，Qingdao266109，China）

Abstract：

Quercetinhasmanyfunctionssuchasanti－cancerandanti－oxidationandhasprosperoususinginfoodin-dustryandmedicalfield．Theinfluenceofthematerialsgranularity，microwavetime，microwavepoweranddifferentex-tractionsolventontheextractionrateofquercetinfromlotusleavesbymicrowaveassistantextractionandethanolheatingwasstudied．Theresultsshowedthattheextractionrate0．981%wouldbethehighest，underthecurcmustancesofmate-rialsgranularity60mesh，microwavetime2min，microwavepower450W，extractionsolvent75%ethanol，materialsliq-uids1：

16，heatingtime1．5hunder70ħ．Theextractionrateincreasedby39．5%comparedwithsampleswithoutmi-crowavetreatment．Theresultsaffordthenewwayofextractingandutilizingquerc