激光诱导叶绿素荧光寿命的测量及其特性分析

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1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.62,No.19(2013)190601激光诱导叶绿素荧光寿命的测量及其特性分析*万文博华灯鑫乐静刘美霞曹宁(西安理工大学机械与精密仪器工程学院,西安710048)(2013年5月16日收到;2013年5月31日收到修改稿)提出了一种用于评估植物生长状况及环境监测的激光诱导叶绿素荧光寿命测量方法.采用波长355nm的激光作为光源激发叶绿素荧光,由光电倍增管接收其荧光信号,由于被测叶绿素荧光衰减函数与激光脉冲、仪器响应函数卷积在一起,根据它们的特性,运用时间分辨测量法分别测得叶绿素荧光及其背景信号,并结合一种新型

2、解卷积算法可分离出真实的叶绿素荧光衰减函数,从而获取叶绿素的荧光寿命.测试结果表明:该方法能够实现叶绿素荧光寿命的高精度实时监测,对不同叶绿素含量的溶液荧光寿命进行了测试,证明叶绿素含量与其荧光寿命具有相关性,并且拟合了叶绿素含量与荧光寿命的标定曲线.关键词:荧光寿命,激光诱导荧光,时间分辨测量法,叶绿素含量PACS:06.20.F,06.30.Ft,06.30.Dr,02.70.HmDOI:10.7498/aps.62.190601测仪器精度的提高、叶绿素荧光与植物生长情况1引言的关联以及荧光信号处理技术三个方面[2].叶绿素荧光探测技术中,一般通

3、过检测叶绿素分子的荧光随着人类工业技术的飞速发展,生态环境已成强度或寿命来实现被测成分的分析,由于荧光寿命为全球性问题,环境对植物生长变化影响较大,若是荧光信号的本征参量,不易受环境光、荧光散射能在肉眼观测到这些变化前捕捉到植物的变化征角度以及叶绿素见光分解等因素的干扰,因此对叶兆,那么就能预测植物的生长变化,植物叶绿素吸绿素荧光寿命的测量具备更好的检测精度及稳定收光能为光合作用提供能量,部分多余能量以荧光性[3].本文以光合作用理论为基础,利用激光诱导的形式散耗掉[1].理论上,能够通过测量叶绿素荧荧光(laser-inducedfluorescenc

4、e,LIF)寿命为探针以光获取植物的生长信息.尽管荧光很弱,但能够用图建立植物生理状况与荧光信息的关系模型.高分辨率的仪器对其探测,通过激光遥感技术探测叶绿素荧光寿命的测量难度较大,目前的荧光植物荧光以实现对大面积植物生长状况的实时监寿命测量方案都存在明显不足.如数据拟合法与脉测已称为该领域的研究热点.美国国家航空航天冲时延法不能利用整个荧光衰减过程的信息从而局(NASA)于2011年公布了第一张地球植物荧光影响检测精度,传统的相平面结合迭代解卷积的方地图,显示了全球植物的分布情况,该荧光地图是根据日本温室气体探测卫星(GOSAT)光谱仪小组法又须要繁

5、琐的数值算法,很难实现荧光寿命的实2009年采集的数据制作而成的.欧洲空间局(ESA)时监测;而新兴的荧光寿命成像技术须要配备造价的植物荧光探索(fluorescenceexplorer,FLEX)计划昂贵、对环境要求较高的ICCD,且该技术不易实本来存在众多争议,但新的研究成果为这一计划提现远距离的遥感探测[46].而本文采用的时间分辨供了有力的支持,目前该计划已处于可行性研究中荧光测量技术是近几年生物光学和化学光学领域期阶段,FLEX的发射日期尚未确定.中研究信号快速变化过程的主要工具之一[79],通植物叶绿素荧光探测领域的研究重点在于探过时间分

6、辨光谱同时对某一固定波长的荧光强度*国家自然科学基金(批准号:61275185)、高等学校博士学科点专项科研基金(批准号:20106118110005)和陕西省教育厅科学与研究计划项目(批准号:2010JK759)资助的课题.通讯作者.E-mail:xauthdx@163.com⃝c2013中中中国国国物物物理理理学学学会会会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb.iphy.ac.cn190601-1物理学报ActaPhys.Sin.Vol.62,No.19(2013)190601及其瞬态过程两个参量进行信号分辨,可以直

7、观地2.2叶绿素荧光寿命测量原理反映植物叶绿素荧光信号的衰减过程,能够用于分当仪器响应时间接近叶绿素荧光衰减时间时,析叶绿素分子的激发态辐射跃迁过程.并根据荧光仪器采集到的信号实际为激光诱导荧光衰减函数衰减函数的特性,提出了一种改进型的向前迭代卷y(t)与仪器响应函数irf(t)的卷积[11;12].整个系统积法,能够有效剔除非特异荧光的干扰,以反演叶的卷积形式可表示为绿素荧光寿命.经反复试验,证明该方法能够快速、准确地实现叶绿素荧光寿命的遥感探测.m(t)=irf(t)y(t)[]=irf(t)p(t)g(t):(4)2激光诱导叶绿素荧光寿命的基本由

8、此可见,叶绿素荧光衰减信息卷积在仪器采集到的荧光信号m(t)中.选取不会产生荧光的物质(如原理