LED激發(fā)葉綠素熒光探測儀的研究

李璟（陜西省石油化工學校，陜西西安710061）

一、引言

葉綠素是植物光合作用的催化劑， 檢測葉綠素含量對于預防水體養(yǎng)化和判斷植物健康狀況、 實現(xiàn)數(shù)字農(nóng)業(yè)有非常重要的意義。 長期以來，人們應用目測等進行主觀經(jīng)驗判斷或是采用化學分析方法來檢測葉綠素的含量。 但這些方法無法實現(xiàn)數(shù)字化管理且容易產(chǎn)生較大的誤差，因而，利用熒光光譜測定葉綠素含量，就有了無可比擬的優(yōu)勢。

1991 年，P.Mazzunghi 采用He-Ne 激光器作為激發(fā)光源，研制了一種用電池供電的便攜式熒光計[1]。 1995 年，M.L.Pascu 等對葉綠素a 的激光誘導熒光特性進行了研究。 2008 年清華大學的何樹榮用530nm 綠光作光源激發(fā)四氯四溴的熒光素發(fā)熒光[2]。但目前，針對LED 作為葉綠素激發(fā)光源的研究較少，因此，本文采用LED 作為激發(fā)光源， 對乙醇萃取的葉綠素溶液熒光光譜進行采集， 分析葉綠素濃度與熒光光譜的關系， 通過實驗驗證LED 作為葉綠素熒光激發(fā)光源的可行性， 并為進一步研究植物葉片葉綠素含量與熒光光譜的關系提供技術(shù)參考。

二、硬件系統(tǒng)設計

系統(tǒng)采用LED 激發(fā)植物葉片葉綠素溶液的熒光光譜。 裝置如圖2-1 所示，LED 激發(fā)光源的光束照射到裝有葉綠素溶液的石英比色皿上, 溶液中的激勵物質(zhì)分子受到誘導發(fā)射出熒光,經(jīng)濾光片后由光譜儀接收并將采集到的熒光光譜傳入PC 機進行后期的數(shù)據(jù)處理。

實驗中所用LED 的型號為XL-P5W800VA12， 其功率為5W，中心波長為400nm，發(fā)散角為，濾光片為HB490nm 的高通濾光片， 光譜儀為美國PI 公司SP2500i 型光譜儀， 其聚焦長度為500mm，掃描范圍為200-1100nm，波長精度為±0.2nm ，復位精度為±0.05nm。

三、數(shù)據(jù)采集及處理

3.1、實驗前期準備

實驗前采集墨葉碧玉葉片若干， 洗凈后避開主葉脈稱取葉片1.0g，剪成約為2mm 的細絲，放入含有100ml 乙醇溶液的密封試管中，在暗室中靜置24 小時，觀察葉片組織完全變白后，即得到葉綠素溶液。 以此為母液，添加不同比例的乙醇溶液配置成不同濃度的葉綠素溶液。

3.2、光譜采集及處理

熒光屬于微弱信號， 但在250～675nm 范圍內(nèi)的光都能激發(fā)綠色植物的溶液產(chǎn)生熒光， 實驗中采用中心波長為400nm 的LED 分別激發(fā)放有乙醇溶液和葉綠素溶液的比色皿， 比較兩者的光譜圖發(fā)現(xiàn)，兩種溶液在570nm 處都有峰值，且峰值大小也幾乎相同，但葉綠素溶液在685nm 處比乙醇溶液多一個峰值，分析知，570nm 的峰值是由乙醇溶液產(chǎn)生的，685nm 處的峰值是由葉綠素的熒光產(chǎn)生的， 其來源于葉綠素吸收光化學反應后發(fā)生光化學反應II(PSII)所發(fā)出的熒光。 通過上述實驗，驗證了LED 可以作為葉綠素熒光的激發(fā)光源。

為了驗證不同濃度的葉綠素溶液熒光光譜與葉綠素濃度的關系，配置不同濃度的溶液5 種，分別采集其熒光光譜，分析其光譜后發(fā)現(xiàn)，除母液外，隨著溶液濃度的升高，在685nm 處的熒光光譜強度不斷升高，但570nm 處的熒光強度變化卻很小。因為光譜儀得到的是一個相對強度，因此本文用一個新的參數(shù)F685/F570 來衡量葉綠素的含量。 圖3-1 是用相對濃度與參數(shù)F685/F570 得到的關系圖， 從圖中看出葉綠素含量與參數(shù)F685/F570有較好的線性關系，且隨著葉綠素含量的增加F685/F570 不斷增加，但當葉綠素相對濃度為100%時，相對光強反而降低，分析是由于葉綠素濃度過大引起光電倍增管輸出電流過大， 超出其線性范圍引起的。 因此，在利用PMT 測量葉綠素的含量時，若溶液濃度過高，就要進行適當?shù)南♂尅?/p>

四、結(jié)論

本文利用LED 對植物葉片的葉綠素溶液進行誘導產(chǎn)生熒光，驗證了LED 作為葉綠素激發(fā)光源的可行性，其功耗小，體積小，便于儀器研制的小型化，降低了整個系統(tǒng)的成本。

通過對不同濃度葉綠素溶液的熒光光譜分析， 得到參數(shù)F685/F570 與葉綠素含量的相關性， 也驗證了該系統(tǒng)的實用性，為進一步研究植物葉片葉綠素含量與熒光光譜的關系提供技術(shù)參考。

[1]P. Mazzunghi.LEAF.A fiber optic fluorometer for field measurement of chlorophyll fluorescence.SPIE,1991(1510)∶187～194

[2]何樹榮，徐洪峰.綠光LED 作為熒光激發(fā)光源的研究[J].光學技術(shù),2008,28(1)∶9～11