LED激發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化和判斷植物健康狀況、 實現數字農業有非常重要的意義。 長期以來，人們應用目測等進行主觀經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數字化管理且容易產生較大的誤差，因而，利用熒光光譜測定葉綠素含量，就有了無可比擬的優勢。

1991 年，P.Mazzunghi 采用He-Ne 激光器作為激發光源，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 綠光作光源激發四氯四溴的熒光素發熒光[2]。但目前，針對LED 作為葉綠素激發光源的研究較少，因此，本文采用LED 作為激發光源， 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參考。

二、硬件系統設計

系統采用LED 激發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, 溶液中的激勵物質分子受到誘導發射出熒光,經濾光片后由光譜儀接收并將采集到的熒光光譜傳入PC 機進行后期的數據處理。

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、數據采集及處理

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 范圍內的光都能激發綠色植物的溶液產生熒光， 實驗中采用中心波長為400nm 的LED 分別激發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現，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生的，685nm 處的峰值是由葉綠素的熒光產生的， 其來源于葉綠素吸收光化學反應后發生光化學反應II(PSII)所發出的熒光。 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，分析其光譜后發現，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F685/F570 來衡量葉綠素的含量。 圖3-1 是用相對濃度與參數F685/F570 得到的關系圖， 從圖中看出葉綠素含量與參數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，就要進行適當的稀釋。

四、結論

本文利用LED 對植物葉片的葉綠素溶液進行誘導產生熒光，驗證了LED 作為葉綠素激發光源的可行性，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F685/F570 與葉綠素含量的相關性， 也驗證了該系統的實用性，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 作為熒光激發光源的研究[J].光學技術,2008,28(1)∶9～11