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光合仪阅读:738

在精确控制环境因子的条件下,通过红外线气体分析仪检测二氧化碳的消耗速率来测定植物光合速率的一种仪器。红外线气体分析仪法已成为目前最有发展前途的光合测定手段,应用越来越普及,成为在气相环境中测定光合速率的重要方法。
  本词条旨在让大家对光合仪有一个更加深入正确的认识。

光合仪基本原理

  世界上各大品牌的光合仪均采用红外线气体分析仪检测二氧化碳的吸收速率以测定光合速率。
  红外线气体分析仪(IRGA)的基本原理
  许多由异原子组成的具有偶极距的气体分子,如CO2、CO、H2O、SO2、N2O、NH3等,在波长2.5~25微米的中段红外光区都有特异的吸收带,红外光经过上述气体分子时,与气体分子振动频率相等能够形成共振的红外光,便被气体分子吸收,使透过的红外光能量减少,被吸收的红外光能量的多少与该气体的吸收系数(K)、气体浓度(C)和气层的厚度(L)有关,并服从朗伯-比尔定律:
  E=Eoe
  式中:Eo-入射光能量;E-透射光能量。
  CO2在中段红外光区的吸收带有4处,吸收峰分别在波长2.69、2.77、4.26和14.99μm处,其吸收率分别为0.54%、0.31%、23.2%和3.1%。其中峰值为4.26μm的吸收波长最强,且不与H2O的吸收带重叠,而2.69和2.77μm的吸收带则与H2O的吸收相重叠。
  H2O吸收红外线的最大吸收峰值为2.59μm,同样的原理应用红外线技术可以准确地测量气体中水分的含量。[2]
  红外仪的结构及工作方式
  一台红外线CO2或H2O气体分析仪由4个基本部分组成:红外线辐射源、气室、滤光片和检测器 ,气室中有CO2或H2O存在时到达检测器的辐射能量减少,从而检测器输出信号。作差分测量时需要有两个平行的气室,并且所用的检测器也必须能够测出两个气室吸收的辐射能的差值。
  ① 红外线辐射源 红外线辐射源是由镍铬合金或钨丝绕制成20欧姆的螺旋形园柱体,螺旋丝包上一层氧化物。用低电压电源加热,温度升至600~800℃之间发出暗红色光,发射出0.7~7μm的连续波长的红外光。这种精细的金属螺旋丝必须安装牢固,以减少振动,否则会给检测器信号带来随机噪音,通常把辐射源埋置在一种透明的陶瓷材料中以防止任何振动。
  在双气室红外仪中,要求使用双光束,必须有两条平行的红外辐射光源。一般有两种方法,可以做到这一点,一种是使用串联在同一电路中的两个辐射源,另一种是利用一个辐射源,借助反射器把光束分开导入两个平行的气室。后一种方法避免了两个辐射源不同步老化而造成能量差异较大的难题。
  ② 气室 气室相当于液体比色分析中的比色杯,所不同的是它所盛装的是被测气体而非液体。气室一般为金属圆筒,两端镶以氟化钙制成的小窗,可以透过红外线,筒内壁镀金,镀金是为了最大限度地反射光线,两端有气口。作绝对值测量即检测CO2或H2O浓度使用的红外仪一般为单气室,而应用于光合作用研究的红外仪除了能进行绝对值测量外同时具备差分测量CO2浓度或H2O的含量的功能。应用于光合作用研究的红外线CO2或H2O分析仪多数为双气室或多气室,一个为分析气室,另一个作为参比气室(图2-2)。利用开放式气路系统进行测定光合速率时,一个气室中检测进入同化室之前的CO2浓度(参比气,R),另一个气室检测流经同化室之后的CO2浓度(分析气,A),仪器给出的信号即为进入同化室前后的气体中的CO2浓度差。
  ③ 滤光器 滤光器是将光源发射的一段波长的光过滤,只允许某单色光通过。检测CO2浓度的滤光器只让4.26μm±0.1μm波长的红外光透过,检测H2O的波长为2.59μm。[3]
  ④ 检测器 红外辐射能量能否被检测,是气体分析仪成败的关键。世界各国用以检测红外线能量的检测器种类较多,概括起来有两类。
  其一是光导检测器,这类检测器是一类半导体的物质(如锑化铟-InSb),因红外辐射引起其电阻改变而被检测。各种类型的红外线气体分析仪绝大多数采用这一检测原理,该原理在QGD-O7型红外线CO2气体分析仪工作原理中叙述。
  半导体检测器受温度影响较大,为了提高检测器的稳定性,增加了控温装置,将检测器周围的温度控制在55℃,测量精度和稳定性大大提高。
  其二是一种气体热敏计,常称薄膜微音器。九十年代以前生产的红外线CO2分析仪,多数采用这类检测器。因该检测器易漏气和机械振动增加测量误差,已经淘汰。
  这种气动检测器,最早由美国矿山安全用品公司费因格洛夫设计,形式颇象现代电话耳机膜片的装置,称为单边式微音检测器。它的工作原理是热辐射使膜片一侧气压变化,并使其与固定电极间距离缩小,电容量增加,从而达到检测外热的强度。
  红外线CO2气体分析仪的类型
  分为单气室和双气室。
  光合作用测定系统主要采用开放式气路系统,进行CO2和H2O的差分测量,使用的红外线气体分析仪为双气室、四气室或多气室,最精确的分析仪具有4个气室。
  PP Systems公司的CIRAS-3型光合作用测定系统具有4个气室,其中两个气室测定CO2,一个作参比气室,另一个作分析气室;另外两个气室测定参比和分析气体中的H2O。

光合仪应用举例

  光-光合响应曲线和表观光合量子效率的测定
  光是推动光合机构进行光合作用的能源。在其它条件都合适时,光强高低是决定光合速率高低的唯一外界决定因素。因此,在低光强下,光合速率随着光强的升高而直线地增高。当光合速率和光强都用同样单位(μmol·m·s)表示时,光合-光响应曲线中低光强范围内直线的斜率便是光合作用的量子效率。
  光合量子效率,就是光合机构每吸收一个光量子所同化固定的CO2分子数或所释放的O2分子数。如果不是以光合机构实际吸收的光量子数计算,而是以照射到光合机构上的光量子数计算,也就是不考虑光合机构对光的反射和透射损失,得到的便是表观光合量子效率。
  虽然表观的光合量子效率不如实际的光合量子效率准确,但是它仍然可以正确地反映光合机构光合功能的变化,而且它的测定免去了测定光合机构实际吸收光量子数这一很不方便的步骤,即使在田间也可以方便迅速地测定,因此它的测定技术得到人们的重视和应用,特别是在便携式光合气体分析系统出现之后,这一测定技术不仅越来越广泛地应用于光合生理生态研究中,而且应用于光合作用调节控制机理的研究。
  1 仪器设备 应用开放式气路系统或CIRAS-3、LI-6400型光合测定系统。
  2 操作方法
  2.1 测定前的准备:包括开机预热IRGA、按差值标定方式标定IRGA、将测定用的仪器设备连接成一个开放系统。取叶片,测定叶面积后将其放入叶室,调节控制叶室至叶片的光合作用最适温度。
  2.2 叶片照光及测定操作:
  2.2.1 改变光源和叶片之间的距离,使到达叶片表面的光强为200μmol·m·s左右。待IRGA表头上的指针稳定在一个位置后读取经过叶片前后空气CO2浓度变化的差值,按开放式系统Pn的计算公式计算光合速率。
  2.2.2 在光源和叶片之间放置一至数层白纱布,使到达叶片表面的强度每次减少50μmol·m·s,并在每一光强度下停留2~3min后读取空气CO2浓度变化的差值,计算光合速率,直到光强为零,光合速率为负值时止。
  2.3 绘制叶片光合作用对光的响应曲线:将测定的每组数据以光强为横轴,光合速率为纵轴,将每一光强下光合速率值画到坐标纸上的相应位置。再将大于0的光合速率值各坐标点用直线连接起来,该直线的斜率便是叶片的表观光合量子效率值。该直线与横轴的交点为光补偿点,与纵轴的交点则为暗呼吸速率(图2-10)。
  由于实验过程中一些难免误差,所测各点未必都在一条直线上,因此画线时会带有一些人为因素,造成表观光合量子效率值或高或低的误差。为了避免这一误差,最好是用计算器或计算机对这些光强-光合速率资料作直线回归,得到如下一直线回归方程:
  Pn=-R+Φ(PFD)
  这里,Pn为光合速率,R为暗呼吸速率,Φ为表观光合量子效率,PFD为到达叶片的光量子通量密度,简称光强。
  3 注意事项
  3.1 为减小实验误差,用于直线回归的资料点应多一些,以7~8个为宜。在作直线回归时,不要使用那些光合速率为负值的资料点。由于Kok效应的影响,那些点往往明显偏离直线,使得到的Φ值偏高或偏低。
  3.2 本节介绍的是针对用IRGA和离体叶片进行的测定而言的。目前最先进的CIRAS-3光合作用测定系统具有控制温度、光强度等功能,可以方便地进行该指标的测定。

光合仪常规参数举例

  CIRAS-3型光合仪技术参数
  主要特性
  全自动差分平衡和自动调零世界专利技术,确保数据准确,简化操作程序
  智能叶室环境控制系统,可精确控制光强、光质、CO2浓度、温度及湿度等环境因子
  红、蓝、绿、白多光质光源,单光质光强可达2500μmol m-2 s-1,可任意设置四种光质的比例,并可与荧光参数检测器配合使用
  分析级的红外分析仪,确保最精确的CO2和H2O的分析
  CO2最大测量浓度达10000μmol mol-1。[5]
  用户体验
  主机仅重4.3Kg,叶室仅重0.75K,便携性强
  新型7寸半透射式LCD主机显示屏,野外阳光直射下可清晰显示
  新型LCD数显叶室,显示实时测定数据
  包括荧光参数检测器、群体同化室和呼吸室在内的丰富配件,满足多样化科研需求
  根据研究需要,任意编辑各种相应曲线和光合启动过程等复杂的测定程序,测定过程中只需一键式运行
  全自动控制功能
  CIRAS-3能共独立、自动控制CO2、H2O、光强、光质、湿度和温度,用户根据实验设计要求,任意编辑各种控制程序进行控制条件下的光合速率及各种光合速率响应曲线以及光合作用启动过程的测定。
  主机
  CIRAS-3是被全世界广泛认可的经典光合仪之一,高水平参考引用文献众多。美国PPSYSTEMS公司生产的CIRAS系列光合仪一直在不断进步,经历了3代的升级,CIRAS-3继承了其前两代的优良基因,向着人性化设计的方向发展,仪器运行稳定,测定结果精确,更加小巧便携,界面直观,操作更加简单。CIRAS-3型光合仪具有最新智能操作系统,很多技术指标优于其他同类产品,配置实惠,价格厚道,性价比极高。
  内置四个独立的高精度非分散的红外线CO2/H2O分析仪,分别测定参比和分析气路中CO2和H2O气浓度,分析仪可用于开放式或密闭式测定。具有自动调零、自动差分平衡专利技术。
  红外分析仪是光合仪的核心部件,其精度和稳定性直接影响光合仪的档次水平。CIRAS-3型光合仪的红外分析室具有自动调零、自动差分平衡专利技术,排除了在非正常CO2波动时未进行手动匹配,出现零点漂移造成实验错误的情况的发生,保证仪器稳定性和数据可靠性(其他任何品牌光合仪均不具备此技术)。
  另外,PP SYSTEMS公司将主红外分析仪设计定位在主机内部而不是在叶室手柄上,提高了光合仪核心部件的安全性和稳定性,同时减轻了手柄信号线的承载压力,减少了由于叶室与主机之间的连线故障造成的维修负担,同时减轻了叶室手柄的重量。
  2. CO2测定范围 0-10000μmol mol
  CO2精度: 300μmol mol时为0.2μmol mol
  1750μmol mol时为0.5μmol mol
  10000μmol mol时为3μmol mol
  3. CO2控制范围:0-2000μmol mol
  4. H2O测定范围:0-75mb
  H2O精度:0mb时为0.015mb
  10mb时为0.020mb
  50mb时为0.030mb
  5 H2O控制范围:0-露点
  6 压力范围:65-115kPa
  7 稳定性:定期自动调零和差分平衡校准功能可以有效消除因环境及其他原因造成仪器零点漂移
  8 空气采样:内置取样泵决定参比气和分析气的流量,可以在50-100 cc min内设定。
  9 叶室供气:叶室供气可在0-500cc min-1范围内设定
  10 辅助端口:一个外接设备接口
  11 数据更新速率:1.6s
  12 数据输出:有一个USB数据传输接口和两个USB外接设备接口(如鼠标、U盘等)。USB接口的整合使CIRAS-3光合仪更具人性化。
  13 数据存储:无限存储
  14 仪器显示:10.2” VGA半透射式的材质LCD屏液晶显示器(7.0寸),在强光下更容易看清
  15 用户输入:27键
  16 电源:内置大容量可充电锂电池,可以使用8小时。市面上同档次光合仪还在使用古老的铅酸电池,相比之下重量大,效率低。
  17 操作环境:0-50℃
  18 外壳:超轻耐磨人体舒适学设计的聚亚安酯铝型材
  19 尺寸:27.5 cm (W) x 14.5 cm (D) x 24 cm (H)
  20 重量:超轻超便携,主机重量4Kg ,同档次光合仪中重量最轻,便携性最好。

光合仪选择注意事项

  1、稳定性
  2、环境因子的精确控制能力(光、温、水、气)
  3、便携性
  4、高水平文献引用情况
  5、测得数据的可靠性
  6、售后服务水平

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