应用于植物生理检测的高通量叶绿素荧光成像系统研究

发布时间：2020-08-28 16:00

　　农业生产能力的提高对于人类的生存至关重要。在新时代背景下,加快农业发展现代化、信息化是亟需解决的问题。在农业现代化发展的过程中,快速准确地获取作物生理信息是农业现代化发展的重要基础。利用现代化技术手段采集作物的生理信息、诊断作物生长状况,可以辅助生产者做出决策,进行灌溉、施肥和喷药等作业,进一步达到作物自动化、智能化的生产。叶绿素荧光检测技术能对植物的光合作用状态进行全面反映,同时植物的各种生理状况几乎均能通过叶绿素荧光体现,同时叶绿素荧光更能对植物样品活体状态进行表征,这更是其它植物生理无损检测技术所无法比拟的。现有的叶绿素荧光探测装置成像面积普遍较小,不适宜对对植株较大的经济作物,如黄瓜、番茄等进行探测。同时使用的光源照明设计不够完备,不能保证实现较高的能量利用率。因此,本文对叶绿素荧光检测技术由实验室研究推进至实际农业生产过程中遇到的问题进行了研究,搭建了高通量叶绿素荧光成像探测系统。首先,对高通量叶绿素荧光成像探测系统的设计进行了研究。系统使用了方棒照明模组,由方棒对光源进行匀光,经中继透镜对光斑进行放大,通过多模组的排布,实现了大面积高光强的均匀照明,并获得了较高的能量利用率。针对调制式叶绿素荧光探测当中不同光强的需求,设计了控制电路,电路发出不同占空比的控制信号,通过光源发光占空比的调节,在平均光强上达到设计需求。针对探测机构的移动,设计了多种运动机构的组合,探测机构可通过游走系统实现更大面积范围的扫描成像探测。同时通过系统软件设计,可实现叶绿素荧光图像与叶绿素荧光诱导曲线的实时观测。最后对系统的性能进行了测试,通过对黄瓜干旱与营养缺乏胁迫的探测,验证了系统对植物生理状况检测的有效性。进一步,本文提出了一种基于叶绿素荧光探测与多光谱探测结合的植物生理诊断方法。以番茄为实验材料,设计了干旱、营养缺乏和植物病害三种胁迫,提出了三个植物生理状况指示参数来对这三种胁迫进行诊断。通过生理参数分布曲线及其它统计分析,对叶绿素荧光参数图像及相对反射率参数图像的变化趋势进行了表征。验证了提出了生理诊断方法对番茄的三种胁迫状况进行诊断区分的有效性。同时分别基于光合作用实际量子效率与最大量子效率,研究了其与番茄干旱和营养缺乏胁迫的相关性,通过定量描述对胁迫程度进行反映。最后对本文工作进行了总结,提出了一些未来可能的发展方向。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S237
【部分图文】：

植物电信号,含羞草,昼夜节律,芦荟

图１．１邋Ｓｈｖｅｔｓｏｖａ等人搭建的植物电信号测量装置逡逑ａｎｄｅｒＧ．邋Ｖｏｌｋｏｖ等人研究了芦荟和含羞草在昼夜节律ｅｉｒａ等人将机器学习与区间计算应用在植物的电信号行自动识别［９］。逡逑检测需要电极的插入，同时非接触式测量的信噪比较展不利的地方。逡逑术逡逑实际生产过程中，大量工作需要根据植物的形态、纹长状况，如形态识别和分类、病虫害诊断、生长状况期的人工实现存在速度慢、主观性强等缺陷，制约了

示意图,太赫兹,电磁波辐射,波段

这都是其不足的地方。逡逑１．１．３太赫兹技术逡逑太赫兹波指的是频率0．ｌ￣ｌ0ＴＨｚ范围内的电磁辐射，对应波长０．０３？３邋ｍｍ，如图１．２逡逑所示。从频率上看，太赫兹波位于红外波段与烎波之间，曾被称为远红外波段。在电磁谱逡逑段中，位于太赫兹波段两侧的红外和微波技术的应用研究较为成熟。由于缺乏太赫兹波段逡逑的高效发射器和灵敏探测器，上世纪八十年代以前太赫兹波段的研究相对较少，被称为“太逡逑赫兹空隙”邋ＲＷ。逡逑逦Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ逦」．ＴＨｚ邋Ｇａｐ＿邋｜邋＾逦Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ逦逡逑Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ邋１＆５邋ＴＨｚ邋１０２邋ＴＨｚ邋０．１邋ＴＨｚ邋ＩＴＨｚ邋ｌＯＴＨｚ邋１００邋ＴＨｚ邋１０００邋ＴＨｚ邋１００００邋ＴＨｚ逡逑１逦１逦１邋１邋１邋Ｍ逡逑Ｍｉｃｒｏｗａｖｅｓ逦ＩＲ邋Ｋ逦ＵＶ逡逑，逦，逦Ｊ邋，逡逑Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ邋３０邋ｃｍ邋３邋ｃｍ邋３邋ｍｍ邋３００邋ｎｍ邋３０邋ｎｍ邋３邋ｐｍ邋３００邋ｎｍ邋３０邋ｎｍ逡逑＼ｙｖｗｗｗｗｗｉｉｉ逡逑图１．２太赫兹辐射在电磁波辐射所处波段示意图逡逑得益于超快光电子技术与低尺度半导体技术的发展，太赫兹波段电磁波的产生与探测逡逑得到了合适手段

太赫兹,探测装置,光谱

以欧洲银冷杉为实验材料，解决了不同厚度的叶片样品导致的测量误差问题，实逡逑现样品水含量的长期监测［１８］。逡逑图１．４邋Ｎｏｒｍａｎ邋Ｂｏｒｎ等人搭建的基于太赫兹技术的植物叶片水分监测装置。ａ为探测头，ｂ为测角仪，逡逑ｃ为样品夹，ｄ为花盆下的电子秤逡逑２０１７年，ＰｅｎｇｃｈｅｎｇＮｉｅ等人使用太赫兹光谱仪研究了油菜叶片水含量。通过太赫兹逡逑的反射光谱与透射光谱，提出了油菜叶片水含量的预测模型［１９】。逡逑当前太赫兹设备成本较高、检测能力有限等导致其应用研究缓慢、测量耗费时间较长逡逑等问题，需要进一步在仪器方面提高检测速率、降低成本，来获得更大的发展空间。逡逑４逡逑

【参考文献】