一种基于日光诱导叶绿素荧光的光合色素检测装置及方法

1.本发明涉及光合色素检测技术领域，特别是涉及一种基于日光诱导叶绿素荧光的光合色素检测装置及方法。


背景技术：

2.植物的光合色素对于许多植物或动物的生理过程，尤其是光合作用具有十分重要的意义。光合作用涉及光能的吸收、传递和转化，主要涉及叶绿素(chlorophyll)和类胡萝卜素(carotenoid)这两种色素。叶绿素中的叶绿素a在光反应中心将光能转变为化学能，剩余叶绿素主要负责光能的捕获和传递；类胡萝卜素是一种光合辅助色素，在光合作用中起光能捕获和光保护的作用。周围的环境、病害等多种因素都与植物的色素含量紧密相关。因此，快速准确的评估光合色素，能提供大量有关植物生理状态的信息，对于快速作物育种等领域具有很大的帮助。
3.传统的化学方法一直被用作测定光合色素的标准技术。但它消耗大量的时间与化学试剂、且需要破坏性采样以至于研究者很难跟踪测量同一片叶子随时间的变化。一些便携式仪器已被开发出来。例如基于测量叶片红光区和近红外区的透光系数的spad仪。但它存在售价昂贵(2500美元)、在不同物种上的检测结果有显著差异等缺点。不同物种的叶片，具有不同厚度的蜡质层，因此不同物种在相同叶绿素含量时的透光系数会有所不同。即使是同一物种在不同时期的叶片形态结构也会有较大的差异。显微和宏观成像的结果也表明叶绿素在叶片内部和叶片表面的分布也具有较大的区别。综上所述，无论是传统的化学测试法，还是现有的基于反射率、透射率等技术的方法均具有较大的局限性。因此亟待一种新技术对不同时期、不同物种的植物叶片叶绿素进行准确评估。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于日光诱导叶绿素荧光的光合色素检测装置及方法，提高了光合色素检测的便捷性和准确性。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种基于日光诱导叶绿素荧光的光合色素检测装置，包括机体、传感器、特定波长滤光片和光照计，所述机体包括第一夹板和第二夹板，所述第一夹板和所述第二夹板之间空隙用于放置待检测叶片，所述第一夹板上设置有通道和所述光照计，所述通道上设置所述特定波长滤光片，所述传感器设置在所述第二夹板上；所述传感器用于检测叶绿素荧光信号强度，所述光照计用于检测环境辐照度。
7.可选地，所述机体的一侧相对设置有挡板和底板，所述挡板上设置对齐小孔，当日光穿过所述对齐小孔在所述底板上呈现光斑，且所述光斑位于设定位置时，进行光合色素检测；所述对齐小孔与所述设定位置间的光路与所述通道的光路平行。
8.可选地，所述光斑位于设定位置时入射日光与待检测叶片呈45
°
角。
9.可选地，所述特定波长滤光片用于过滤掉大于700nm的光。
10.可选地，还包括显示屏，所述显示屏设置在所述机体上，所述显示屏用于显示根据所述叶绿素荧光信号强度和所述环境辐照度确定的光合色素含量；所述光合色素含量包括叶绿素含量和类胡萝卜素含量。
11.本发明还公开了一种基于日光诱导叶绿素荧光的光合色素检测方法，所述基于日光诱导叶绿素荧光的光合色素检测方法应用于所述的基于日光诱导叶绿素荧光的光合色素检测装置，所述方法包括：
12.采用传感器检测透过待检测叶片后的叶绿素荧光信号强度；
13.采用光照计检测环境辐照度；
14.根据所述叶绿素荧光信号强度和所述环境辐照度确定的光合色素含量。
15.可选地，所述根据所述叶绿素荧光信号强度和所述环境辐照度确定的光合色素含量，具体包括：
16.将所述叶绿素荧光信号强度与所述环境辐照度的比值作为叶绿素荧光产率；
17.根据所述叶绿素荧光产率确定的光合色素含量。
18.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
19.本发明公开了一种基于日光诱导叶绿素荧光的光合色素检测装置，使用滤光片切断特定波长后的日光，通过待测叶片下方的传感器检测叶绿素荧光信号强度，通过光照计检测环境辐照度，实现基于日光诱导叶绿素荧光的光合色素的实时检测，能够在不破坏叶片的情况下快速进行光合色素检测，提高了光合色素检测的便捷性和准确性。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明一种基于日光诱导叶绿素荧光的光合色素检测装置示意图一；
22.图2为本发明一种基于日光诱导叶绿素荧光的光合色素检测装置示意图一；
23.图3为本发明一种基于日光诱导叶绿素荧光的光合色素检测装置的检测原理示意图；
24.符号说明：
25.1-植物叶片，2-吸光海绵，3-特定波长滤光片，4-对齐小孔，5-光照计，6-显示屏。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.本发明的目的是提供一种基于日光诱导叶绿素荧光的光合色素检测装置及方法，提高了光合色素检测的便捷性和准确性。
28.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实
施方式对本发明作进一步详细的说明。
29.图1为本发明一种基于日光诱导叶绿素荧光的光合色素检测装置示意图一，图2为本发明一种基于日光诱导叶绿素荧光的光合色素检测装置示意图一，如图1-2所示，一种基于日光诱导叶绿素荧光的光合色素检测装置，包括机体、吸光海绵2、传感器、特定波长滤光片3、光照计5和显示屏6，所述机体包括第一夹板和第二夹板，所述第一夹板和所述第二夹板之间空隙用于放置待检测植物叶片1，所述第一夹板上设置有通道和所述光照计5，所述通道上设置所述特定波长滤光片3，所述传感器设置在所述第二夹板上；所述传感器用于检测叶绿素荧光信号强度，所述光照计5用于检测环境辐照度。
30.所述机体的一侧相对设置有挡板和底板，所述挡板上设置对齐小孔4，当日光穿过所述对齐小孔4在所述底板上呈现光斑，且所述光斑位于设定位置时，进行光合色素检测；所述对齐小孔与所述设定位置间的光路与所述通道的光路平行。
31.吸光海绵2设置在传感器外侧，吸光海绵2用于防止除了通道之外的光照射到传感器。
32.所述光斑位于设定位置时入射日光与待检测叶片呈45
°
角。
33.所述特定波长滤光片用于过滤掉大于700nm的光。
34.显示屏为电子显示屏。
35.所述显示屏设置在所述机体上，所述显示屏用于显示根据所述叶绿素荧光信号强度和所述环境辐照度确定的光合色素含量；所述光合色素含量包括叶绿素含量和类胡萝卜素含量。
36.一种基于日光诱导叶绿素荧光的光合色素检测装置具体使用步骤如下：
37.在晴朗的气候条件下，使用叶片夹夹住植物叶片1；
38.光从对齐小孔4中穿过，当光斑处于小孔下方平台正中间时，即代表入射光与叶片呈45
°
角，可以进行测量；
39.光通过与对齐小孔平行的光路通道进入叶室，日光将会激发出叶绿素荧光，通道中的特定波长滤光片会切断700nm以后的入射光；
40.由于特定波长的滤光片滤掉了叶绿素荧光波段的日光，因此传感器(位于叶片下方)仅会捕获到叶绿素荧光信号，光照计记录了当前的光合辐射，两者相除获得无量纲的叶绿素荧光产率作为中间值，如图3所示。
41.根据叶绿素荧光产率值和前期大量试验获得的经验公式。计算得到叶绿素和类胡萝卜素含量，并在电子显示屏上显示。
42.计算叶绿素和类胡萝卜素含量的公式为：
43.叶绿素含量＝158.66
×
fri
–
65.551；
44.类胡萝卜素含量＝20.501
×
fri
–
7.918；
45.fri即下文中765nm与720nm两波段的叶绿素荧光产率相除得到的光谱指数。
46.fri＝fy765/fy720，其中，fy765＝f765/par，fy720＝f720/par；f720、f765为传感器采集到的叶绿素荧光信号强度，par为光照计采集当前的光合辐射，fy720、fy765为荧光强度与par相除的叶绿素荧光产率。
47.本发明中所使用的结果评估依据是决定系数(r2)，是统计学中常用的解释回归模型的指标，其公式如下：
48.总平方和
49.残差平方和ssres＝∑i(y
i-fi)2；
50.决定系数计算公式
51.其中为测量所有样本的真实值的平均值，yi为第i个样本测量的真实值，fi为第i个样本的预测值。
52.通过决定系数评估本发明叶绿素和类胡萝卜素检测的效果。
53.本发明一种基于日光诱导叶绿素荧光的光合色素检测装置，针对现有的叶片光合色素快速原位测量的不足，首先利用对齐小孔使入射光与叶片呈45
°
。使用滤光片切断特定波长后的日光，叶片下方的传感器捕获特定波长的叶绿素荧光信号，最后根据经验公式进行计算，并在电子显示屏上实时显示原位测量结果。从而有效地解决目前存在的问题，获得更为可靠的植被光合色素信息。
54.本发明使用传感器、滤光片和光照计等设备获得叶绿素荧光强度和环境辐照度，计算得到无量纲叶绿素荧光产率，保证在不同天气条件下都可以使用；然后根据试验获得的经验公式计算得到叶绿素含量和类胡萝卜素含量。
55.本发明相比于传统的化学实验法，具有更快的检测速度；相比于同类型仪器，基于新原理的本发明在保持相同速度的情况下提高了检测精度。
56.在2020和2021年，在富阳中国水稻研究所和富阳锡山高科技农业科学园，选用了12个成熟品种(黄华占、武育粳6571、天优华占、武运粳24号、嘉58、南粳46、秀水134、宁粳4号、甬优1540、甬优540、甬优538、武育粳6567)和15种形态各异的时花培育材料(编号为dh009、dh010和f3079-f3091)，在田间分别采集了它们的反射率光谱和叶绿素荧光光谱，并收集对应位置的叶片带回实验室进行了化学测量。
57.如表1所示，一般来说光谱指数使用两个或三个波段，使用相除、相减或归一化的算法，利用乘法效应和加法效应来避免一些噪音的干扰。考察了多种波段的多种计算形式，发现两波段相除形式的效果较好，即index＝λ1/λ2。表1中i，j和k表示选择的波段，fi、fj、fk分别表示i、j、k波段处的叶绿素荧光产率。
58.表1为全数据集确定的每种指数的最佳波段组合及其决定系数
[0059][0060][0061]
通过对12个品种和样本量较大的材料建模，发现绝大多数情况下，利用叶绿素荧光构建的植被指数对叶绿素和类胡萝卜素有良好的评估效果。并且比目前主流的基于反射率和透射率的便携式设备的效果更好。
[0062]
不同情况的建模结果中的敏感波段有部分差异，但敏感波段主要集中于720nm到
770nm之间。对每个品种分别建模并利用统计学手段进行筛选，最终选用了765nm和720nm的叶绿素荧光信号的比值。通过对预测集的验证，发现依然保持了不错的效果。
[0063]
采用本发明方法进行光合色素检测，对15个品种的叶绿素和类胡萝卜素的评估效果如表2所示。
[0064]
表2叶绿素和类胡萝卜素评估效果决定系数(r2)
[0065][0066][0067]
相较于化学方法，本发明能够在田间实时地原位获取数据，省去了大量的时间；相较于基于反射率透射率的便携式仪器，本发明的检测速度不弱于它们。并且一定程度上提高了检测的精度。
[0068]
一种基于日光诱导叶绿素荧光的光合色素检测方法包括包括以下步骤：
[0069]
步骤101：采用传感器检测透过待检测叶片后的叶绿素荧光信号强度。
[0070]
步骤102：采用光照计检测环境辐照度。
[0071]
步骤103：根据所述叶绿素荧光信号强度和所述环境辐照度确定的光合色素含量。
[0072]
其中，步骤103具体包括：
[0073]
将所述叶绿素荧光信号强度与所述环境辐照度的比值作为叶绿素荧光产率。
[0074]
根据所述叶绿素荧光产率确定的光合色素含量。
[0075]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0076]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不
应理解为对本发明的限制。