植物叶片叶绿素荧光动力学成像探测方法与应用研究

发布时间：2021-03-19 10:51

　　促进农业可持续发展,大力发展精细农业、生态农业是我国面临的重要任务与挑战。提高农业信息化水平,尤其是准确获取植物对水分、养料的需求量以及对植物病害的早期监测和预防是非常必要的。叶绿素荧光被誉为植物无损检测的探针,与植物的光合作用PS Ⅱ密切相关,参与植物体内能量的竞争与分配。当植物受到胁迫时,其叶片叶绿素分子的数量及结构会发生较大的变化,这种变化可以通过叶绿素荧光,在植物的胁迫症状显现前灵敏地反映出来。相比较透射光,利用叶绿素荧光探测植物叶绿素含量的变化,可以有效避免因叶片厚度不同带来的测量误差,因此,近年来,叶绿素荧光被广泛地用于探测植物的各类生物及非生物胁迫。本文利用叶绿素荧光动力学成像技术对植物的干旱胁迫、水肥耦合、病害胁迫等进行研究。根据叶绿素荧光动力学曲线的变化特点,提出并设计了一套叶绿素荧光动力学成像系统,包括 460nm LED 光源、EMCCD（Electron-Multiplying CCD）探测器、滤光片、镜头、可升降平台等,可实现对叶绿素荧光动力学曲线上快速上升部分和缓慢下降部分的动力学参数以及不同时刻的叶绿素荧光图像的检测。该系统可对植物的生长状况进行直观的二维... 

【文章来源】：西安理工大学陕西省

【文章页数】：129 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

叶绿素分子结构图

⑷酰?虼耍?剐璞Ｖぬ讲馄骶哂幸欢ǖ?微弱信号采集能力。综合以上要求，本文选择了EMCCD作为叶绿素荧光信号的采集设备。EMCCD(Electron-MultiplyingCCD),即电子倍增CCD，是一种高灵敏度的光电探测产品，也是一种全新的微弱光信号增强探测技术。在光子探测、极微弱细胞产生的荧光进行动态成像等领域具有广泛的应用。其高增益可显著地改善微弱信号探测的信噪比，可以实现更快的采样和更短的曝光时间。该技术由AndorTechnologyLtd首先应用于iXon系列高端超灵敏相机上。本研究采用的是Andor_iXonUltra897，图2-10是其实物图。图2-10EMCCD实物图Fig.2-10Andor_iXonUltra897.其性能参数如表2-3所示，具有低的输出噪声、宽范围、采集帧率可调等特点。该EMCCD的分辨率为512pixel×512pixel，像元尺寸为16×16m，采用USB2.0接口（480Mbits/sec)，可以满足本研究中对叶绿素荧光信号快速上升部分和缓慢下降部分的采样，也可进行叶绿素荧光图像采集。表2-3EMCCD参数列表Tab.2-3ParameterlistoftheEMCCD.ParametersDescriptionUnitActivepixels512×512Framerate11.074-56fpsPixelsize(W×H)16×16mMaximumreadoutrate17MHzDigitlizationbitReadnoise<1e-withEMgainTimestampaccuracy10ns

2叶绿素荧光的理论基础及成像系统的设计25对△Z的取值从100mm-200mm以内，以10mm作为步进长度进行逐一仿真，结果发现当△Z=150mm时，可以得到相对均匀性较好的区域。如图2-13为当△Z=150mm时的仿真结果图。图2-13光源均匀性仿真图Fig.2-13Simulationdiagramoflightsourceuniformity.从图2-13中可以看出，在水平方向上的均匀区域大约在±100mm范围以内，在垂直方向上的均匀区域大约在±50mm范围内，因此，镜头和样本之间的最佳距离为250mm，最佳探测区域为100×50mm的长方形内。在实验中，将样本放置在最佳探测面和最佳探测范围内。2.4本章小结本章首先阐述了物质受激发射荧光及荧光强度与样品中分析元素的原子强度之间的关系，通过研究叶绿素的结构和其光学特性，分析了叶绿素发射荧光以及荧光与植物光合性能关系之间的机理，并给出了叶绿素的吸收光谱和叶绿素荧光发射光谱。同时，分析了常用的三种叶绿素荧光研究方法及应用场合，并确立了本文的研究方法。根据以上的理论基础，设计了叶绿素荧光动力学成像系统，首先对系统中重要的两个组成部分（激发光源和荧光探测系统）的设计和选择进行了分析与探讨，再对系统的设计方案和工作原理进行阐述，并针对系统中各个部件的最佳几何位置进行了仿真验证。本章内容为叶绿素荧光技术在植物生物及非生物胁迫领域的应用提供了理论依据，也为后续章节中植物水分胁迫、水肥耦合状态、病害胁迫的研究提供技术手段，为植物生长过程中，水、肥、病害等因子之间相互影响、相互作用，并对植物光合生理造成影响的机理研究提供帮助。


本文编号：3089461