李碩 張磊 馬媛媛 王遠(yuǎn) 鄭一博

（河北地質(zhì)大學(xué) 河北省光電信息與地球探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guò)程。在能量轉(zhuǎn)換中，部分光能損耗通過(guò)熒光釋放[1]。通過(guò)檢測(cè)植物葉片熒光強(qiáng)度變化可以得到植物光合作用過(guò)程，這對(duì)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(duì)熒光儀進(jìn)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(cè)環(huán)境要求嚴(yán)格，步驟復(fù)雜，不適用在檢測(cè)條件惡劣的室外，需要進(jìn)行熒光儀的便攜化及快速誘導(dǎo)研究。由于植物生長(zhǎng)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(jiǎn)化光路的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在各類(lèi)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(cè)領(lǐng)域，達(dá)到快速便捷效果。

1 檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

1.1 熒光產(chǎn)生機(jī)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(qiáng)度變化能夠反映植物的光化學(xué)反應(yīng)。

葉綠素?zé)晒馍蛇^(guò)程中，波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(lán)光高反、紅外光高透的光學(xué)薄膜，其光譜透過(guò)圖譜如圖3所示。

1.3 基于二向色鏡的光路設(shè)計(jì)

結(jié)合熒光生成機(jī)制，選用藍(lán)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(diǎn)光源轉(zhuǎn)換成準(zhǔn)直光束。選擇藍(lán)光窄帶濾光片將準(zhǔn)直藍(lán)光波長(zhǎng)控制在激發(fā)植物葉綠素?zé)晒獾?60～480nm 波段。同時(shí)選擇硅光電池作為測(cè)量熒光強(qiáng)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(qiáng)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(lán)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)晒狻晒馓幱谏⑸錉顟B(tài)，透過(guò)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(guò)硅光電池測(cè)量和信號(hào)處理，我們就可以得到葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度。

1.4 基于單片機(jī)的信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

選用單片機(jī)STM32F103[8]控制裝置開(kāi)關(guān)、熒光激發(fā)、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)顯示等功能，其中最主要的是信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)，如圖5所示單片機(jī)控制結(jié)構(gòu)。其中，硅光電池將測(cè)量到的熒光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，隨后通過(guò)濾波和放大得到具體熒光強(qiáng)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(jī)接收到電流信號(hào)后，通過(guò)帶通濾波、程控放大、模擬開(kāi)關(guān)、低通濾波、差動(dòng)放大、A/D 轉(zhuǎn)換等步驟將電流信號(hào)很好地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，隨后在單片機(jī)的處理下變成直觀的熒光強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

2 裝置整體設(shè)計(jì)

2.1 熒光儀整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

除了光學(xué)結(jié)構(gòu)和單片機(jī)電路結(jié)構(gòu)外，本裝置需要外加SD 卡對(duì)檢測(cè)到的葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度進(jìn)行存儲(chǔ)，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及分析，得到被測(cè)植物的光化學(xué)作用規(guī)律。增加電源和充電口，滿(mǎn)足野外作業(yè)長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)需求。為了快速得到葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度，外加液晶顯示屏，能夠顯示快速誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)曲線中的四個(gè)代表值。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖5：熒光儀硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

相機(jī)式熒光儀實(shí)物如圖7所示。

2.2 熒光儀實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)一株文竹，對(duì)其進(jìn)行三個(gè)時(shí)間段的葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度檢測(cè)。用葉片夾夾住葉片進(jìn)行暗處理，隨后用相機(jī)式熒光儀的探測(cè)頭對(duì)準(zhǔn)葉片夾孔，打開(kāi)葉片夾開(kāi)關(guān)，點(diǎn)擊圖7（a）中的ok 鍵開(kāi)始測(cè)量，獲得文竹葉片的葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并將數(shù)據(jù)保存至SD 卡。在相同測(cè)試條件下，實(shí)驗(yàn)用Pocket PEA 植物效率分析儀（Hansatech,UK）測(cè)量了相同文竹葉片、同時(shí)間段的快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線，并與本文設(shè)計(jì)的相機(jī)式熒光儀的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)分析，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的O-J-I-P 曲線趨勢(shì)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(jì)圖

圖7：相機(jī)式熒光儀實(shí)物

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

將實(shí)驗(yàn)獲得的熒光誘導(dǎo)曲線進(jìn)行JIP-test 分析，本文設(shè)計(jì)的相機(jī)式葉綠素?zé)晒鈨x與英國(guó)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(jìn)一步驗(yàn)證了儀器的可行性和有效性。

3 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)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(mǎn)足植物葉片葉綠素?zé)晒獾目焖贌o(wú)損檢測(cè)要求。熒光儀整體為卡片相機(jī)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(cè)儀器存在的檢測(cè)過(guò)程繁瑣、室外操作不方便等不足，可以快速測(cè)量植物葉片的葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，獲取熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線，并進(jìn)一步開(kāi)展植物光合作用的原初光化學(xué)反應(yīng)研究。