攜帶型光合作用測定系統

攜帶型光合作用測定系統

在精確控制環境因子的條件下，通過紅外線氣體分析儀檢測二氧化碳的消耗速率來測定植物光合速率的一種儀器，簡稱光合儀。紅外線氣體分析儀法已成為極有發展前途的光合測定手段，套用越來越普及，成為在氣相環境中測定光合速率的重要方法。

基本介紹

  • 中文名：攜帶型光合作用測定系統
  • 外文名：Portable Photosynthesis System
原理編輯,注意事項,參數舉例,引用文獻,套用舉例,

原理編輯

世界上各大品牌的光合儀均採用紅外線氣體分析儀檢測二氧化碳的吸收速率以測定光合速率。
紅外線氣體分析儀的基本原理
許多由異原子組成的具有偶極距的氣體分子，如CO2、CO、H2O、SO2、N2O、NH3等，在波長2.5～25微米的中段紅外光區都有特異的吸收帶，紅外光經過上述氣體分子時，與氣體分子振動頻率相等能夠形成共振的紅外光，便被氣體分子吸收，使透過的紅外光能量減少，被吸收的紅外光能量的多少與該氣體的吸收係數(K)、氣體濃度(C)和氣層的厚度(L)有關，並服從朗伯-比爾定律：
E=Eoe
式中：Eo-入射光能量；E-透射光能量。
CO2在中段紅外光區的吸收帶有4處，吸收峰分別在波長2.69、2.77、4.26和14.99μm處，其吸收率分別為0.54%、0.31%、23.2%和3.1%。其中峰值為4.26μm的吸收波長最強，且不與H2O的吸收帶重疊，而2.69和2.77μm的吸收帶則與H2O的吸收相重疊。
H2O吸收紅外線的最大吸收峰值為2.59μm，同樣的原理套用紅外線技術可以準確地測量氣體中水分的含量。
紅外儀的結構及工作方式
一台紅外線CO2或H2O氣體分析儀由4個基本部分組成：紅外線輻射源、氣室、濾光片和檢測器 ，氣室中有CO2或H2O存在時到達檢測器的輻射能量減少，從而檢測器輸出信號。作差分測量時需要有兩個平行的氣室，並且所用的檢測器也必須能夠測出兩個氣室吸收的輻射能的差值。
攜帶型光合作用測定系統
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① 紅外線輻射源 紅外線輻射源是由鎳鉻合金或鎢絲繞製成20歐姆的螺旋形園柱體，螺旋絲包上一層氧化物。用低電壓電源加熱，溫度升至600～800℃之間發出暗紅色光，發射出0.7～7μm的連續波長的紅外光。這種精細的金屬螺旋絲必須安裝牢固，以減少振動，否則會給檢測器信號帶來隨機噪音，通常把輻射源埋置在一種透明的陶瓷材料中以防止任何振動。
在雙氣室紅外儀中，要求使用雙光束，必須有兩條平行的紅外輻射光源。一般有兩種方法，可以做到這一點，一種是使用串聯在同一電路中的兩個輻射源，另一種是利用一個輻射源，藉助反射器把光束分開導入兩個平行的氣室。後一種方法避免了兩個輻射源不同步老化而造成能量差異較大的難題。
② 氣室 氣室相當於液體比色分析中的比色杯，所不同的是它所盛裝的是被測氣體而非液體。氣室一般為金屬圓筒，兩端鑲以氟化鈣製成的小窗，可以透過紅外線，筒內壁鍍金，鍍金是為了最大限度地反射光線，兩端有氣口。作絕對值測量即檢測CO2或H2O濃度使用的紅外儀一般為單氣室，而套用於光合作用研究的紅外儀除了能進行絕對值測量外同時具備差分測量CO2濃度或H2O的含量的功能。套用於光合作用研究的紅外線CO2或H2O分析儀多數為雙氣室或多氣室，一個為分析氣室，另一個作為參比氣室。利用開放式氣路系統進行測定光合速率時，一個氣室中檢測進入同化室之前的CO2濃度（參比氣，R），另一個氣室檢測流經同化室之後的CO2濃度（分析氣，A），儀器給出的信號即為進入同化室前後的氣體中的CO2濃度差。
③ 濾光器 濾光器是將光源發射的一段波長的光過濾，只允許某單色光通過。檢測CO2濃度的濾光器只讓4.26μm±0.1μm波長的紅外光透過，檢測H2O的波長為2.59μm。
④ 檢測器 紅外輻射能量能否被檢測，是氣體分析儀成敗的關鍵。世界各國用以檢測紅外線能量的檢測器種類較多，概括起來有兩類。
其一是光導檢測器，這類檢測器是一類半導體的物質（如銻化銦-InSb），因紅外輻射引起其電阻改變而被檢測。各種類型的紅外線氣體分析儀絕大多數採用這一檢測原理，該原理在QGD-O7型紅外線CO2氣體分析儀工作原理中敘述。
半導體檢測器受溫度影響較大，為了提高檢測器的穩定性，增加了控溫裝置，將檢測器周圍的溫度控制在55℃，測量精度和穩定性大大提高。
其二是一種氣體熱敏計，常稱薄膜微音器。九十年代以前生產的紅外線CO2分析儀，多數採用這類檢測器。因該檢測器易漏氣和機械振動增加測量誤差，已經淘汰。
這種氣動檢測器，最早由美國礦山安全用品公司費因格洛夫設計，形式頗象現代電話耳機膜片的裝置，稱為單邊式微音檢測器。它的工作原理是熱輻射使膜片一側氣壓變化，並使其與固定電極間距離縮小，電容量增加，從而達到檢測外熱的強度。
紅外線CO2氣體分析儀的類型
分為單氣室和雙氣室。
攜帶型光合作用測定系統
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光合作用測定系統主要採用開放式氣路系統，進行CO2和H2O的差分測量，使用的紅外線氣體分析儀為雙氣室、四氣室或多氣室，最精確的分析儀具有4個氣室。
PP Systms公司的CIRAS-3型光合作用測定系統具有4個氣室，其中兩個氣室測定CO2，一個作參比氣室，另一個作分析氣室；另外兩個氣室測定參比和分析氣體中的H2O。

注意事項

1、穩定性
2、環境因子的精確控制能力（光、溫、水、氣）
3、便攜性
4、續航能力
5、高水平文獻引用情況
6、測得數據的可靠性
7、售後服務水平
......

參數舉例

主要功能
  1. 主要用於從事植物葉片光合作用、蒸騰作用、呼吸作用、葉綠素螢光等相關研究，配置土壤呼吸室，可用於進行土壤呼吸作用研究。
2.測量參數包括CO2濃度、H2O濃度、空氣溫度、葉片溫度、相對濕度、蒸汽壓虧缺、露點溫度、大氣壓、內置光強、外置光強、淨光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度、氣孔導度、Ci/Ca，Fo、Fm、Fv/Fm、Fo’、Fm’、Fv’/Fm’、qP、qN、ETR、光系統II量子效率和NPQ等等。
主機部分技術指標
  1. 四個獨立的高精度非分散的紅外線CO2/H2O分析儀，具有自動調零、自動差分平衡技術，避免在環境CO2發生劇烈波動時未及時進行手動匹配而得到錯誤實驗數據情況的發生；四個分析儀分別測定參比和分析氣路中CO2和H2O氣濃度，分析儀可用於開放式或密閉式測定。紅外分析儀設計在主機內部，保證其安全性和運行的穩定性。
  2. CO2測定範圍： 0-10000μmol mol-1CO2精度： 300μmol mol-1時為0.2μmol mol-11750μmol mol-1時為0.5μmol mol-110000μmol mol-1時為3μmol mol-1
  3. CO2控制範圍：0-2000μmol mol-1
  4. H2O測定範圍：0-75mbH2O精度：0mb時為0.015mb10mb時為0.020mb50mb時為0.030mb
  5. H2O控制範圍：0-露點
  6. 壓力範圍：65-115kPa
  7. 穩定性：定期自動調零和差分平衡校準功能可以有效消除因環境及其他原因造成儀器零點漂移，提高實驗效率，加強實驗結果可靠性
  8. 空氣採樣：內置取樣泵決定參比氣和分析氣的流量，可以在50-100 cc min-1內設定。
  9. 葉室供氣：葉室供氣可在0-500cc min-1範圍內設定
  10. 輔助連線埠：一個外接設備接口
  11. 數據更新速率：1.6s
  12. 數據輸出：USB數據傳輸接口和USB外接設備接口（如滑鼠、隨身碟等），儀器操作、數據傳輸等更加便捷高效
  13. 儀器顯示：VGA半透射式的材質LCD屏液晶顯示器（7.0寸），在野外強光下清晰顯示實時數據
  14. 用戶輸入：27鍵
  15. 電源：內置大容量可充電鋰電池，體積小、重量輕、效率高，連續工作8小時
  16. 操作環境：0-50℃
  17. 外殼：超輕耐磨人體舒適學設計的聚亞安酯鋁型材
  18. 尺寸：27.5 cm (W) x 14.5 cm (D) x 24 cm (H)
  19. 重量：主機重量4Kg
葉室部分技術指標
  1. 結構： 鋁合金葉室手柄；配備有紅外過濾功能的葉室視窗材料；不鏽鋼泵輪
  2. LCD顯示：葉室手柄上2行×16字元LCD顯示器，與主機顯示屏呼應，顯示實時實驗數據，簡化實驗人操作，提高實驗效率
  3. 按鍵：兩個鍵分別用來記錄和調節LCD
  4. 葉室視窗尺寸： 18mm直徑 、面積2.5cm2；25×18mm 、面積4.5 cm2；25×7mm 、面積1.75cm2
  5. 自動控溫：極佳的葉室溫度控制，可以在大氣溫度上下10℃內控制，控溫範圍：5-45℃
  6. 氣溫探頭：熱敏電阻，測定精度±0.5℃
  7. 葉溫探頭：紅外輻射探頭，非接觸式測定葉片溫度，保護實驗材料，延長探頭使用壽命測定精度±0.5℃
  8. 內置PAR探頭：測定範圍0-3000μmol m-2 s-1，積分400-700nm的光，解析度為1μmol m-2 s-1外置PAR探頭：測定範圍0-3000μmol m-2 s-1，積分400-700nm的光，解析度為1μmol m-2 s-1
  9. 尺寸：32 cm (L) x 4 cm (W)
  10. 重量：葉室手柄重量1Kg。
光源部分技術指標
全自動紅、藍、綠、白四色LED光源，自動控光範圍：0-2500μmol m-2 s-1
紅光波峰625nm+/-5nm，半峰寬15nm
綠光波峰528nm+/-8nm 半峰寬40nm
藍光波峰475nm+/-10nm 半峰寬28nm
白光波長425-650nm

引用文獻

W Tezara, VJ Mitchell, SD Driscoll, DW Lawlor .Water stress inhibits plant photosynthesis by decreasing coupling factor and ATP.Nature. 01/1999
F Vasseur, C Violle,BJ Enquist, C Granier…A common genetic basis to the origin of the leaf economics spectrum and metabolic scaling allometry, Ecology letters, 2012 - Wiley Online Librar
WL Bauerle, R Oren,DA Way…Photoperiodic regulation of the seasonal pattern of photosynthetic capacity and the implications for carbon cycling，Proceedings of the …, 2012 - National Acad Sciences
S Bokhorst, JW Bjerke, LE Street…Impacts of multiple extreme winter warming events on sub‐Arctic heathland: phenology, reproduction, growth, and CO2 flux responses,Global Change Biology, 2011 - Wiley Online Library
Q Fu, L Cheng,Y Guo, R Turgeon.Phloem loading strategies and water relations in trees and herbaceous plants, Plant physiology, 2011 - Am Soc Plant Biol
RJ Oliver,G Taylor, JW Finch.Assessing the impact of internal conductance to CO2 in a land-surface scheme: Measurement and modelling of photosynthesis in Populus nigra, Agricultural and Forest Meteorology, 2012 – Elsevier
GM George, MJ Van Der Merwe, A Nunes-Nesi…Virus-induced gene silencing of plastidial soluble inorganic pyrophosphatase impairs essential leaf anabolic pathways and reduces drought stress tolerance in …, Plant …, 2010 - Am Soc Plant Biol

套用舉例

實驗1
基本光合參數的測定（Pn、Gs、Ci、E等）
獲得的參數： Pn（淨光合速率）、E（蒸騰速率）、Gs（氣孔導度）、Ci（細胞間隙CO2濃度）。
實驗準備：
選擇晴朗的天氣，測定時間以上午8：30－11：30最佳。
實驗前一天將儀器充滿電，檢查儀器的吸收管，調試好儀器。
實驗當天將要測定的植物材料提前半小時放到光下進行充分光適應。
實驗步驟：
1 開機前接好所有電信號插口，光源，開機預熱，儀器預熱結束後進行自動調零和差分平衡，然後進入測定界面。（具體操作見CIRAS－3使用說明書）。
2 參數設定
最下方A，V，Q，C，H，T設定如下，點擊修改即可：
A：2.5 （圓形葉室）或1.7 （水稻形葉室） V：200 一般不需要更改
C：如果是使用大氣則設為0，使用鋼瓶設定為380
H：70－95，根據測定當日的濕度情況適當選擇，一般設定為95
Q：對於陽生植物設定為1000或1200，陰生植物設定為600或800
T：點擊T， 一般不需控溫的時候選擇“None”
3 點擊“Recording” → “Bgain”在彈出的對話框中輸入保存的檔案名稱。
4設定結束後，用葉室夾上光下適應好的葉片，等螢幕上的線穩定（數值穩定）後點擊“Singal”記錄數據，或者將光合速率（Pn），氣孔導度（Gs），蒸騰速率（E），細胞間隙CO2濃度（Ci）的值記錄在本子上。
5 記入完畢後，更換另一片光適應好的葉片重複步驟4的過程
6 實驗結束後，點擊“File” → “Exit”退出軟體界面，關機。
實驗2
光合日變化測定
實驗準備及要求：
選擇晴朗的天氣。測定日變化時對照和處理材料必須時同一天測定，不同天測定的不能比較。
實驗前一天將儀器充滿電，檢查儀器的吸收管，調試好儀器。
一般日變化測定時間為：6點8點10點12點14點16點18點。（用戶可以根據自己的實驗適當減少一個點）
實驗步驟：
1將葉室的光源取下，開機前接好所有電信號插口，開機預熱，儀器預熱結束後進行自動調零和進行差分平衡，然後進入測定界面。
點擊“Setting”，在下拉選單中點擊“Parameters”，彈出對話框：
2參數設定
A：2.5 （圓形葉室）或1.7 （水稻形葉室） V：200 不需要更改
C：如果是使用大氣供氣則設為0，使用鋼瓶供氣設定為380
H：70－95，根據測定當天的濕度情況適當選擇，一般設定為95
Q：AM
T：點擊T選擇“None”
3 點擊“Recording” → “Bgain”選擇“Key Press” → “Ok”，在彈出的對話框中輸入保存的檔案名稱和保存路徑。
4設定結束後，用葉室夾上光下適應好的葉片，等螢幕上的線穩定點擊“Singal”記錄數據，或者將Pn， Gs， E，Ci的值記錄在本子上。
5 記入完畢後，更換另一片光適應好的葉片重複步驟4的過程
6 一個時間點測定結束後，點擊“File” → “Exit”退出軟體界面，關機。
7 下一個時間點提前20分鐘開機，預熱，重複步驟2以後的步驟。
數據處理：
大豆乾旱和水澇處理後與對照相比日變化的變化情況，日變化曲線與X軸圍成的面積為葉片一天光合的淨積累，面積越大表明產出越多。
實驗3
光強－光合回響曲線的測定
可獲得的參數：不同光強下的Pn、E、Gs、Ci。光合回響曲線以及由曲線得到的AQY（表觀量子效率）、飽和光強、光補償點以及暗呼吸速率。
實驗準備：
選擇晴朗的天氣，測定時間以上午8：30－11：30最佳。
實驗前一天將儀器充滿電，檢查儀器的吸收管，調試好儀器。
實驗當天將要測定的植物材料提前半小時放到光下進行充分光適應。按照光強1200、1000、800、600、400、300、200、100、50、0μmol ·m·s的順序做光－光合回響曲線。（光強順序可以根據自己的實驗要求做改動）
實驗步驟：
1 開機前接好所有電信號插口，光源，開機預熱，儀器預熱結束後進行自動調零和進行差分平衡，然後進入測定界面。
2 參數設定
最下方A，V，Q，C，H，T設定如下，點擊修改即可：
A：2.5 （圓形葉室）或1.7 （水稻形葉室） V：200 不需要更改
C：如果是使用大氣則設為0，使用鋼瓶設定為380
H：70－95，根據測定當日的濕度情況適當選擇，一般設定為90
Q：1200
T：點擊T，需要控溫時選擇“Enter Value”輸入溫度值。不需控溫的時候選擇“None”
3 點擊“Recording” → “Bgain”在彈出的對話框中輸入保存的檔案名稱和保存路徑。
4設定結束後，用葉室夾上光下適應好的葉片，等螢幕上的線穩定後（一般2-3分鐘）點擊“Singal”記錄數據，。
點“Q”將光強改為1000，數值穩定後點“Singal”記錄數據。
點“Q”，將光強改為800，數值穩定後點“Singal”記錄數據，依次將光強Q改為600、400、300、200、100、50、0，數值穩定後點“Singal”記錄數據，（或者將Pn， Gs， E，Ci的值記錄在本子上）。每換一個光強穩定1-2分鐘就可以記錄數據。（測定一條光回響曲線一般要20-30分鐘）
5 記入完畢後，點擊“Q”重新設為1200，更換另一片光適應好的葉片重複步驟4的過程
6 實驗結束後，點擊“File” → “Exit”退出軟體界面，關機。
數據處理：
Pn：葉片光合作用速率；Ps：光飽和的光合速率（次點對應的光強為飽和光強）：R：暗呼吸速率；前面三個參數的單位均為μmolCO2·m·s；PFD：光強；г：光補償點（曲線與X軸的交點），兩者單位均為μmol photons·m·s；Φ：表觀光合量子效率AQY（直線部分的斜率），單位為mol CO2/mol photons。

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