光合荧光测系统使用说明.docx
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光合荧光测系统使用说明
一、光合测定基本原理
地球上的植物均是以光合作用为基本物质生产过程，人类和大多数的动物都是以植物这种基本生产过程所产生的一定形式物质，如果实、种子为生存条件的。
特别是人类赖以生存的粮食生产过程95%以上的物质均是通过作物将空气
中CO2和根部吸收的水分，在太阳光所提供的能量和叶片的叶绿体中合成的有机物质，这种植物将CO2和水合成有机物质并放出氧气的过程称为光合作用。
如何测出光合作用的速率，对广大农业科技者和从事植物类研究人员是十分重要的。
测定光合速率的方法很多，如根据有机物的积累有半叶法，群体净同化率测定，根据O2的释放有气相O2释放法，吉尔森呼吸仪法，液相O2释放的化学滴定，氧电极法，但应用最多是根据CO2的吸收测定光合速率。
根据CO2的吸收测定光合速率有化学滴定法、PH法、同位素法，最常用的而且快速准确的方法是红外线CO2气体分析仪法。
ECA光合测定仪采用单片机的智能管理技术，除了监测光
合作用过程中的CO2变化外，还同时监测蒸腾作用过程中的水分变化（RH）以及测定相应的光合有效辐射（PAR），温度（包括叶室温度（TC）和叶片温度（TL），并根据这些测定参数自动计算出相应的光合速率（Pn），蒸腾速率（Tr）水分利
用效率（WE）、气孔导度（Cleaf）、胞间CO2浓度（CO2in）。
、CO2测定
红外线气体分析根据由异原子组成的具有偶极矩的气体分子如CO2，CO，H2O，SO2，CH3，NH4，NO等在2.5~25um的红外光区都有特异的吸收带，CO2在中段红外区的吸收带有4处，其中4.26um的吸收带最强，而且不与H20相互干扰。
红外线CO2分析就是通过检测CO2对4.26um光谱的吸收来测定光合作用过程中CO2的变化量。
因为CO2吸收的4.26um红外光能与其吸收系数（K）、气体的浓度（C）和测定的气室长度（L）有关，并服从比尔一兰伯特定律：
E=E°e-KCL
因为测定仪在设计过程中将确定了Eo（初级始发能量）和L（气室长度），-K,e为常数，而E（测定未端的能量）就有了与C（被测气体浓度）的对应关系，通过测定E就可
测定出CO2浓度。
红外线CO2分析的优点：
①灵敏度高，可以测定到1.0、
0.5甚至O.luml.mlo（即ppm）的CO2浓度；②反应快速，响应时间短，可测定出光合速率瞬时变化；③易实现自动化，智能化的测定。
2、水分测定
植物在进行光合作用同时伴随着蒸腾过程发生。
水分通过气孔向周围空气环境释放水分。
通过监测湿度的变化计算出蒸腾速率。
湿度测定是采用进口传感器。
3、温度测定温度是光合作用和蒸腾作用过程中的重要条件，同时是计算光合速率和蒸腾速率的参数之一，也是在计算气孔阻抗中叶片温度（TL）和周围空气温度（TC）是重要能数。
温度测定原理为：
空气温度测量利用进口传感器，叶片温度测量利用热电
偶元件，热电偶工作原理是基于赛贝克（seeback）效应,即两种
不同成分的导体两端连接成回路时，如果两连接端温度不同，则会在回路内产生热电流的物理现象。
热电偶由两根不同导线（热电极）组成，它们的一端是互相焊接的，形成热电偶的测量端，（也称工作端）。
将它插入待测温度的介质中；而热电偶的另一端（参比端或自由端）则与显示仪表相连。
如果热电偶的测量端与参比端存在温度差，则显示仪表将指出热电偶产生的热电动势。
4、光合有效辐射测定
光合有效辐射（PAR）是指植物吸收并参与光化学反应的太阳辐射光谱成份。
一般光谱范围欧美多采用400〜760nm,
俄、日等用380〜710nm,ECA光合测定仪的PAR是前者范围。
该技术原理为：
PAR测定采用多层叠加滤光和光敏半导技术，即采用硅光电二极管，利用光生伏特效应将光能转化为电能，在光照照射下能在P区和N区之间形成光生电
动势，把PN结连接起来，电路中就有电流流过，电流大小与光照强度成相关性。
其优点是稳定性好和重现性好，动态范围宽，温湿度特性优良和几乎没有疲劳特性。
硅光电二极管的短路电流与光照强度有较好的线性关系，当选择适当的滤光片对光谱进行选择，则硅光电二极管输出电流即和所选光谱的光强呈线性关系。
具体电路为：
图3光合有效辐射测定电路示意图
D1为硅光电二极管，Q1为电流电压转换电路，将O-2742uEmts-1微爱因斯坦的光强转换为0-5V输出电压，送到AD电路进行模数转换。
二、ECA光合测定仪结构原理
1、工作原理
ECA光合测定仪是利用先进的单片机技术对相应的CO2
浓度、湿度、温度和光合有效辐射传感器信号进行采集，经数据处理计算出光合速率，蒸腾速率，水分利用效率，气孔导度和胞间CO2浓度，同时可显示，数据存储并能与计算机
通讯（见图4）
湿度传感器（RH）
温度传感器（TL
温度传感器（TC）
光合有效辐射传感器（PAR）
4ECA光合测定仪工作原理示意图
2、系统结构（见图5）
系统主要由二个部分构成，①叶室（或同化箱），其功
能将被测叶片（或群体）夹（封）住，形成固定被测空间和取样，同时内装有叶片温度传感器（TL）和叶室温度传感器
（TC），在叶室柄内装有湿度传感器（RH，在叶室柄上方有光合有效辐射传感器（PAR。
在测定光合作用和蒸腾作用过程中，叶室内的相对湿度变化量（0-100%）,光合有效辐射
的变化量（0-2700uEem2s-1）和叶室、叶片温度变化量
（0-50C），各传感器相对应的均是标准电压（0-5V）供处
理中心，叶室通过叶室信号电缆和气路管与主机相连，进行相应的开路或闭路测定；②主机，机箱内装有二氧化碳分析系统和处理中心，前者主要测定光合作用过程中CO2的浓度
变化，并将CO2浓度变化量（0-1500ppm）转化为AD电路所需的标准电压讯号（0-5V）;处理中心将输入的5种模拟量
（CO2RHPARTCTL）进行多路选择、模数（A/D）转
换数据采集与滤波，计算并将测定结果显示和存贮并与计算机通讯。
三、ECA光合荧光系统的性能及用途
ECA光合测定主要用于作物、果蔬、牧草等植物以光合
为主的多种生理指标和生态因子的测定，该仪器具有以下特
点：
八、、•
a）特殊配置：
选用先进的单片机对测定过程中各路变化的信号进行自动采集和处理，配置全点阵液晶宽屏显示器，中英文菜单，可实现多信息的菜单式显示和光标引导下的简便操作，结果数据存储并与计算机通讯。
使用方便：
体积小，重量轻，可随身携带，单人操作，任意移动，自动弹启和锁紧方式，测定时装卸叶片十分方便。
b）性能优良：
所用的传感器为最新研制的产品，AD转换
精度高，测量的稳定性、精度、重视性和时间响应同于和优于国外同类先进仪器；
c）适用广泛：
配有不同类型的叶室、能广泛用于大田作物、果树、蔬菜、森木、牧草等多种植物不同形状叶片的测定。
配有标准化免维护电池，可进行交、直流两种方式供电，野外、室内均可使用。
还可以根据用户的需要，设计和制做特用的同化箱和呼吸反应器，
测定群体光合作用和土壤、种子、昆虫等呼吸作用
d）技术参数：
测定项
目
测定量程
精度
CO2
0-1500PPm
<3PPm
RH
0-100%
<1.8%
T
0-50C
<0.2%
PAR
0-2700umolm-2•S-1
21
<5umoim•S
☆主机外形体积为：
290X130X120（mm；
☆复合叶室面积：
A（无挡片）：
长：
5cm宽2cm（面积为：
10.00cm2）;
B（圆形挡片）：
r:
0.5cm（面积为：
0.79cm2）;
C（椭圆挡片）：
长4.3cm、短0.5cm（面积：
6.75cm2）;
☆荧光探头尺寸：
直径：
6.5cm高：
5.5cm
☆工作环境：
温度0—50C,相对湿度：
0-100%（没有水汽凝结）；
☆电源：
DC6V9AH可存电锂电池，可连续工作7—9小
时；
☆数据存储：
2G
☆显示：
240X128点阵，中英文界面；
☆数据传输：
SD卡；
四、面板示意图
上面板示意图
1气泵键，用于气泵开关，在数据测量状态使用；
2复位键，任何状态下按此键显示回到开机界面；
3关机键，按此键3秒钟关机；
4开机键，按此键3秒钟开机；
5数字键，按相应的数字（字母）键输入该数字（字母）
6△▽键，上翻和下翻界面或光标，同时按两个键可进行数字与字母的输入切换；
7ESC键，除菜单显示意义外，按此键退回上一级菜单；
8ENT键，除菜单显示意义外，按此键确认当前操作，进入下一级菜单
9右下方的插槽为插卡处，上面为光合测量SD卡，下面为荧光测量TF卡
进信气号
叶室示意图
1叶室上盖，开启和关闭叶室，松紧程度可用连接螺丝和扳机上的螺丝调节;2密封圈，保证叶室密封气体和保护叶片不受损坏；
3叶室下盖，安装传感器并与上盖合闭后形成密闭空间；
4密封圈，同2:
5叶室温度，铂电阻温度传感器，用于叶室温度测量；
6风扇，使叶室内空气均匀；
7湿度传感器，测量空气湿度；
8信号线，连接主机的信号线的插头；
9光量子插头，叶室上光量子传感器的连接插头；
10气路接口，与主机的气路连接口，有两个，左面为进气口，右面为出气口；
11连接轴，叶室上盖与下部的连接件；
12扳机，往后扳动可开启叶室；
13手柄，叶室的手持部位；
14压柄，往下压可关闭叶室；
15光量子，测量光合有效辐射；
16连接螺丝，旋转螺母可以调节叶室的松紧程度，顺时针方向紧，逆时针方向松，打开叶室时顺时针方向旋转可拆卸上盖；
17透光窗，叶室的透光口，本机标配叶室的面积为11平方厘米；
18叶片温度，热点偶传感器，用于叶片温度的测量；
五、ECA光合测定系统操作说明
1.仪器连接，
1-1随机所配的连接线是信号线与气路管一体线；
1-2将连接线的航空插头分别插到主机和叶室的信号线接
口；
1-3将连接线的气路管分别安在主机和叶室的进气口和出气
口；闭路测量和开路测量安装方法如图，
用其中一条气管一端连叶室的进气口另一端连主机的出气口，用另一条气管一端连叶室的出气口另一端连主机的进气口（气管两端标示一样的为一条气管）
闭路测量气路连接
用其中一条气管一端连叶室的出气口另一端连主机的进气口，叶室进气口和主机出气口不连接
2电源启动
2-1接通电源
2-1-1将随机配套的电池装入电池盒内，（一般新仪器电
池已安在仪器内）
2-1-2充电每节电池可以连续工作8小时左右。
当电压不足时，需及时充电。
ECA光合测定仪主机所配备电源是由GP0108充电器经对其结构和功能改进后作为ECA主机充
电电源。
常规充电：
先接电池后接通220V电源，电源指示灯亮，
电池指示灯闪烁，常亮充满。
电池维护：
电池使用前或长时间不用时都需要充电，仪器
使用完毕后电池应及时充电，带电保存，长时间不使用时一个月充电一次，每三个月电池放电到无电、再充满一次。
3.主机操作
1-
08-01-0109-45-23
1按下前面板开机键，屏上显示
产品名称和公司名称，5秒钟后
ECA-光合测定仪
北京益康农科技发展有限公司
进入主菜单。
2-1此界面为主菜单，最上一行第一组数为年-月-日，中间一组数为时-分-秒，后面图形为电池电量，其它界面同此；
2-
08-01-0209-45-23
请选择所需功能
★——系统设置
——模式选择
——数据测量
-----环境监测
2★所在位置为该行功能选择，按ENT键便可进入该菜单，按△▽键可变更选择（其它界面此
类操作相同）
3-1此界面为系统设置功能;
3-五、日期设定依次输入年月
2008年1月10日依次输入数字
0-8-0-1-1-0便可;
3-3时间设定操作同上，本仪器为
08-01-03
09-45-23U1
系统设置
★-
--日期：
08-01-10
--
-时间：
09-45-00
--
-用户名称：
ab12
起始样品号：
1
24小时制;
3-4用户名称为使用者数据存储文件夹名，用户自己定义，同时按△▽键可切换数字输入和字母输入，使用时用户名必须输入；
3-5起始样品号为当前用户名下的下一个测量样品号，如为1
时，该用户没有已测量的样品，为30时，该用户名下已
保存了29个测量结果，下一个样品为30号。
3-6设置完成后按ESC键回到主菜单
4-1此界面为模式选择功能，气路模式分为闭路和开路，测量模式分单叶和群体；闭路和开路的气路连接方式不同（参考气路连接部分），单叶测量测量植物的单片叶子，群体测量测量一株或几株植物，需有同化箱配合使用。
4-2进入气路模式后，按△▽键选择“♦闭路”“♦开路”，按
ENT键确认选择，闭路测量菜单为上界面，开路测量菜单为下面界面；
4-3进入测量模式后，按△▽键选择“♦单叶”“♦群体”，按
ENT键确认选择；
4-
08-01-0409-45-23
模式选择
★---气路模式：
闭路
---测量模式：
单叶
---系统容积：
0.12升
---测量面积：
11.00平方厘米
---间隔时间：
2秒
闭路测量菜单
08-01-0509-45-23
模式选择
★---气路模式：
开路
---测量模式：
单叶
---空气流量：
0.235升/分
---测量面积：
11.00平方厘米
开路测量菜单
包括叶室、气管及内
08-01-0609-45-23
模式选择
---气路模式：
闭路
---测量模式：
单叶
★---系统容积：
0.12升
---测量面积：
11.00平方厘米
---间隔时间：
2秒
4系统容积为测量系统的空气容积，部测量系统的容积，在使用本机配置的标准叶室时，系统容积为0.12L,为本机默认值；当群体测量时需改变此值；
4-
5测定面积为作物叶子在叶室夹紧后见光部分的面积，本机的标准叶室的透光口的面积为11
平方厘米，叶子夹满透光口的可默认此值，未夹满的测量实际值输入
4-6间隔时间为系统内部自动采集
时的间隔时间，一般C3作物设3秒，C4作物设2秒，也可根据具体情况自行设定；
4-7界面各参数全部设定后，按
ESC键回到主菜单；
5-1此界面为数据测量功能菜单；
5-2样品号为当前测量样品的序号，CO2为叶室二氧化碳浓度值，Tc、TL分别为叶室和叶片温度值，PH为空气相对湿度值，PAR为光合有效辐射值；
5-
08-01-0909-45-23
样品号1
测量状态
CO2=350ppmTc=25.2°C
PH=50.4%TL=25.2C
PAR=1367umolm-2S-1
退出（ESC）测量（ENT）图形转换（同时按△▽）
测量菜单
3按下前面板气泵键，打开气泵，测量及调零均需要先打开气泵；
5-4调零操作，调零之前先打开气泵，再将侧面板上六通阀逆时针旋转到底进入调零状态，当C02的值逐渐降到
（1-10）之间，调零完毕（若CO2的值降到0或大于10
时，再用旁边的调零旋钮调整）。
随后将六通阀顺时针旋
转到底进入监测状态（测量三个小时以上请再次调零）；
5-5测量：
5-5-1关闭叶室，手柄轻轻摆动，检测
CO2值稳定后准备
下一步操作。
5-5-2选择要测量的叶片放到叶室内夹紧，把透光口对准阳光
（屏幕上PAR值最大），CO2值平稳下降时按ENT键进行测
量。
5-5-3测量状态，屏幕上部第二
行中间的采集时间显示0开始自动走秒1、2、3一直到采集完毕自动进入下一级菜单。
5-6面积确认操作，此界面为本次测量的叶面积数，如果是原来设定值，直接按ESC键进入下一级菜单，如果需重新输入按
08-01-1009-45-23
样品号1丨3丨流量235
闭路测量状态
CO2=350ppmTc=25.2°C
PH=50.4%TL=25.2C
PAR=1367umolm-2S-1
退出（ESC）测量（ENT）
图形转换（同时按△▽）
测量菜单
08-01-1109-45-23
☆---测量面积：
11.00平方厘米
是否修改叶面积
否（ESC）是（ENT）
面积确认
ENT键后进入下一级菜单;
5-7面积修改操作，此界面在屏上・
出输入本次测量叶片面积数，按EN
T键进入测量结果菜单
5-8测量结果显示，Pn光合速率（umol/m2.s），Tr蒸腾速率
（mmol/m2.s），Cleaf气孔导度（mmol/m2.s），COzin胞间CO2浓度（ppm）,We水分利用率（%）
5-9按ENT键此次数据存储于机内，菜单进入测量状态，样品号自动加1,按ESC键，数据不存储，菜单进入测量状态，样品号不变；
5-10依次重复可进行多个样品
的测量。
5-11在测量状态时可按ESC键退出测量操作，屏内弹出提示界面，按ENT键返回主菜单；
08-01-12
09-45-23
测量面积：
■平方厘米
是否保存修改的叶面积
取消（ESC）确认（ENT）
面积修改
测量结果
08-01-05
09-45-23
样品号1
模式：
单叶闭路
08-01-1309-45-23
Pn:
25.5Tr:
12.4
Cleaf:
0.98
We:
23
退出（ESC）
CO2in:
323
保存（ENT）
08-01-1409-45-23
是否退出测量状态
取消（ESC）确认（ENT）
08-01-15
样品号1
CO2=350ppm
PH=50.4%
流量235
空气测态菜「
―Tc=25.2C
TL=25.2C
PAR=1367umolm-2S-1
退出（ESC）测量（ENT）
图形转换（同时按△▽）
08-01-1609-45-23
样品号1丨叶片丨流量235
开路测量状态
CO2=350ppmTc=25.2°C
PH=50.4%TL=25.2C
PAR=1367umolm-2S-1
退出（ESC）测量（ENT）
图形转换（同时按△▽）
5-12如果选择了开路测量方式，
先不夹叶片，打开叶室测量大
气的各项参数，按ENT键采集
，而后夹紧叶片，按ENT键采
集叶室内各参数，进入面积修改
菜单，其它操作同闭路测量；
开路叶片测量菜单
荧光测量原理
调制法叶绿素荧光
调制叶绿素荧光全称脉冲-振幅-调制（Pulse-Amplitude-Modulation,PAM）叶绿素荧光，我们国内一般简称调制叶绿素荧光。
调制叶绿素荧光仪的工作原理：
植物吸收的光能只有3条去路：
光合作用、叶绿素荧光和热。
根据能量守恒：
1=光合作用+叶绿素荧光+热。
可以得出：
叶绿素荧光=1—光合作用一热。
也
就是说，叶绿素荧光产量的下降（淬灭）有可能是由光合作用的增加或热耗散的增加引起的。
由光合作用的引起的荧光淬灭称之为光化学淬灭（photochemicalquenching,qP）；由热耗散引起的荧光淬灭称之为非光化学淬灭
（non-photochemicalquenching,qN或NPQ。
光化学淬灭反映了植物光合活
性的高低；非光化学淬灭反映了植物耗散过剩光能为热的能力，也就是光保护能力。
用于激发荧光的测量光具有一定的调制频率，检测器只记录与测量光同频的荧光，因此调制荧光仪允许测量所有生理状态下的荧光，包括背景光很强时。
正是由于调制技术的出现，才使得叶绿素荧光由传统的“黑匣子”（避免环境光）测量走向了野外环境光下测量，由生理学走向了生态学。
饱和脉冲法叶绿素荧光：
饱和脉冲（SaturationPulse,SF）可被看作是光化光的一个特例。
光化光越强，PSII释放的电子越多，PQ处累积的电子越多，光合电子传递被阻越多，荧光产量越高。
当光化光达到使光合电子传递完全被阻（不能进行光合作用）的强度时，就称之为饱和脉冲。
所谓饱和脉冲技术，就是打开一个持续时间很短（一般小于1s）的强光关闭所有的电子门（光合作用被暂时抑制），从而使叶绿素荧光达到最大。
常用叶绿素荧光参数：
经过充分暗适应后，所有电子传递链均处于开放态，打开测量光得到最小荧光
Fo,此时给出一个饱和脉冲，所有的电子门就都将该用于光合作用的能量转化为了荧光和热，此时得到的叶绿素荧光为最大荧光Fm根据Fm和Fo可以计算出
PSII的最大量子产量Fv/Fm=（Fm-Fo）/Fm,它反映了植物的潜在最大光合能力。
在光照下光合作用进行时，只有部分电子传递链处于开放态。
如果给出一个饱和脉冲，本来处于开放态的电子传递链将该用于光合作用的能量转化为了叶绿素荧光和热，此时得到的叶绿素荧光为Fm。
根据Fm和f可以求出在当前的光照状态下PSII的实际量子产量Yield=①PSII=△F/Fm=（Fm-F）/Fm'，它反映了植物目前的实际光合效率。
光照状态下打开饱和脉冲时，电子门被完全关闭，光合作用被暂时抑制，也就是说光化学淬灭被全部抑制，但此时荧光值还是比Fm低，也就是说还存在荧光淬
灭，这些剩余的荧光淬灭即为非光化学淬灭。
淬灭系数的计算公式为：
qP=（Fm-Ft）/（Fm-Fo）；qN=（Fm-Fm）/（Fm-Fo）；NPQ=（FmF-m'）/Fm'。
最初定义qP和qN时，认为只有可变荧光（Fm-Fo）会发生荧光淬灭，最小荧光Fo不发生淬灭。
但是，后来认为当qN超过0.4时也会有明显的Fo淬灭。
要正确计算qP和qN，就必须考虑Fo淬灭。
此时qP=（Fm-Ft）/（Fm-Fo'）;qN=（Fm-Fm）/（Fm-Fo'）；
当F达到稳态后关闭光化光，同时打开远红光（Far-redLight,FL）（约持续
3-5s），促进PSI迅速吸收累积在电子传递链中的电子，使电子传递链在很短的时间内回到开放态，F回到最小荧光Fo附近，此时得到的荧光为Fo'。
由于在野外测量Fo'不方便，因此野外版的调制荧光仪（除PAM-2100和WATER-PAM外）多数不配置远红光。
此时可以直接利用Fo代替Fo'来计算qP和qN,尽管
得到的参数值有轻微差异，但qP和qN的变化趋势与利用Fo'计算时是一致的。
由于NPQ的计算不需Fo',近年来应用越来越广泛的。
根据PSII的实际量子产量△F/Fm'和光合有效辐射（Photosynthetically
ActiveRadiation,PAR）还可计算出光合电子传递的相对速率rETR=Yieldx
PARx0.5x0.84。
单位是pmol电子？
m2?
s-1。
上式满足如下假设：
-Yield代表全部光合量子产量
-PAR代表入射到样品的光合有效辐射强度，单位为Mmol?
n-i?
s-1
-传递一个电子需要吸收两个光子，因为光合电子传递
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