基于二向色鏡的便攜式快速誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒鈨x設(shè)計

李碩 張磊 馬媛媛 王遠 鄭一博

（河北地質(zhì)大學(xué) 河北省光電信息與地球探測技術(shù)重點實驗室 河北省石家莊市 050031）

光合作用是植物新陳代謝的能量轉(zhuǎn)換過程。在能量轉(zhuǎn)換中，部分光能損耗通過熒光釋放[1]。通過檢測植物葉片熒光強度變化可以得到植物光合作用過程，這對于研究植物生理學(xué)[2]、水資源環(huán)境[3]等學(xué)科具有十分重要的意義。研究人員對熒光儀進行了多方面的研究[4-6]，尤其是精確度方面[4]。但是高精度熒光儀體積大，不方便攜帶，而且檢測環(huán)境要求嚴(yán)格，步驟復(fù)雜，不適用在檢測條件惡劣的室外，需要進行熒光儀的便攜化及快速誘導(dǎo)研究。由于植物生長環(huán)境復(fù)雜，結(jié)構(gòu)小巧、操作方便的熒光儀受到眾多領(lǐng)域認(rèn)可，具有廣闊的發(fā)展前景。二向色鏡[7]具有高透高反、不受偏振干擾、信噪比高、簡化光路的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在各類熒光設(shè)備中，但以往并未在葉綠素?zé)晒鈨x中使用。本文創(chuàng)新地將二向色鏡應(yīng)用到葉綠素?zé)晒鈾z測領(lǐng)域，達到快速便捷效果。

1 檢測裝置設(shè)計

1.1 熒光產(chǎn)生機制

光合作用中光能分三部分吸收，一是作為光化學(xué)反應(yīng)（P）的反應(yīng)能，二是轉(zhuǎn)變成熱散失（D），三是生成熒光（F）發(fā)射。熒光強度變化能夠反映植物的光化學(xué)反應(yīng)。

葉綠素?zé)晒馍蛇^程中，波長為350～480nm 及620～710nm 的光易被葉綠素吸收，隨后生成680nm 熒光，其它能量變?yōu)闊嵘⑹А?/p>

1.2 二向色鏡基本原理

二向色鏡是一種具有高透高反特性的透鏡，一部分波長范圍的光經(jīng)二向色鏡后幾乎全部被反射，還有一部分波長范圍的光經(jīng)二向色鏡幾乎全部被透射。本文利用45°二向色鏡的分散光路特性區(qū)分激發(fā)光路和熒光采集光路，如圖2所示。

二向色鏡表面鍍有藍光高反、紅外光高透的光學(xué)薄膜，其光譜透過圖譜如圖3所示。

1.3 基于二向色鏡的光路設(shè)計

結(jié)合熒光生成機制，選用藍光LED 作為激發(fā)光源，以區(qū)分激發(fā)光與熒光。選擇凸透鏡作為光束整形透鏡，將LED 點光源轉(zhuǎn)換成準(zhǔn)直光束。選擇藍光窄帶濾光片將準(zhǔn)直藍光波長控制在激發(fā)植物葉綠素?zé)晒獾?60～480nm 波段。同時選擇硅光電池作為測量熒光強度的器件，并選用熒光截止濾光片和熒光聚光透鏡將散射熒光匯聚，便于硅光電池采集。具體光路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖1：葉綠素?zé)晒馕张c發(fā)射光譜圖

圖2：二向色鏡分散光路圖

為了保證激發(fā)光強度，選用聚焦透鏡將反射的激發(fā)光聚焦，而且采用定位筒及通光光闌保證聚焦到葉片上。激發(fā)光由藍光LED發(fā)射，經(jīng)光束整形透鏡和窄帶濾光片后得到460～480nm 波段的準(zhǔn)直光束。激發(fā)光束經(jīng)二向色鏡反射后經(jīng)聚光透鏡匯聚到葉片上，激發(fā)葉片葉綠素，得到葉綠素?zé)晒?。熒光處于散射狀態(tài)，透過二向色鏡，經(jīng)截止濾光片、熒光聚光透鏡匯聚到硅光電池上。通過硅光電池測量和信號處理，我們就可以得到葉綠素?zé)晒鈴姸取?/p>

1.4 基于單片機的信號處理電路設(shè)計

選用單片機STM32F103[8]控制裝置開關(guān)、熒光激發(fā)、信號處理、數(shù)據(jù)顯示等功能，其中最主要的是信號處理電路的設(shè)計，如圖5所示單片機控制結(jié)構(gòu)。其中，硅光電池將測量到的熒光信號轉(zhuǎn)換成電流信號，隨后通過濾波和放大得到具體熒光強度數(shù)據(jù)，最終由液晶顯示屏顯示。

圖3：二向色鏡高透高反曲線

圖4：葉綠素?zé)晒鈨x光學(xué)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)單片機接收到電流信號后，通過帶通濾波、程控放大、模擬開關(guān)、低通濾波、差動放大、A/D 轉(zhuǎn)換等步驟將電流信號很好地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，隨后在單片機的處理下變成直觀的熒光強度數(shù)據(jù)。

2 裝置整體設(shè)計

2.1 熒光儀整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

除了光學(xué)結(jié)構(gòu)和單片機電路結(jié)構(gòu)外，本裝置需要外加SD 卡對檢測到的葉綠素?zé)晒鈴姸冗M行存儲，便于進行數(shù)據(jù)整理及分析，得到被測植物的光化學(xué)作用規(guī)律。增加電源和充電口，滿足野外作業(yè)長時間檢測需求。為了快速得到葉綠素?zé)晒鈴姸?，外加液晶顯示屏，能夠顯示快速誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)曲線中的四個代表值。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6所示。

圖5：熒光儀硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

相機式熒光儀實物如圖7所示。

2.2 熒光儀實驗測試

在實驗室培養(yǎng)一株文竹，對其進行三個時間段的葉綠素?zé)晒鈴姸葯z測。用葉片夾夾住葉片進行暗處理，隨后用相機式熒光儀的探測頭對準(zhǔn)葉片夾孔，打開葉片夾開關(guān)，點擊圖7（a）中的ok 鍵開始測量，獲得文竹葉片的葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)參數(shù)，并將數(shù)據(jù)保存至SD 卡。在相同測試條件下，實驗用Pocket PEA 植物效率分析儀（Hansatech,UK）測量了相同文竹葉片、同時間段的快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線，并與本文設(shè)計的相機式熒光儀的測試結(jié)果進行了比對分析，實驗測得的O-J-I-P 曲線趨勢一致，均能夠反映植物葉片PS Ⅱ反應(yīng)中心原初光化學(xué)反應(yīng)的信息，如圖8所示。

圖6：裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

圖7：相機式熒光儀實物

圖8：基于Pocket PEA 植物效率分析儀和相機式熒光儀測得的文竹葉片的快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線

將實驗獲得的熒光誘導(dǎo)曲線進行JIP-test 分析，本文設(shè)計的相機式葉綠素?zé)晒鈨x與英國Hansatech 公司的Pocket PEA 植物效率分析儀得到的PS Ⅱ最大量子效率分別為0.834 和0.831，進一步驗證了儀器的可行性和有效性。

3 總結(jié)

本文設(shè)計的便攜式葉綠素?zé)晒鈨x利用45°二向色鏡分離熒光激發(fā)光路和熒光采集光路，結(jié)構(gòu)小巧，能夠滿足植物葉片葉綠素?zé)晒獾目焖贌o損檢測要求。熒光儀整體為卡片相機結(jié)構(gòu)，體積小，便于攜帶，克服了現(xiàn)有葉綠素?zé)晒鈾z測儀器存在的檢測過程繁瑣、室外操作不方便等不足，可以快速測量植物葉片的葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)參數(shù)，獲取熒光誘導(dǎo)動力學(xué)曲線，并進一步開展植物光合作用的原初光化學(xué)反應(yīng)研究。