实验室简介
植物遥感实验室
发布时间:2019-07-01     作者:   分享到:

一.实验设备

植物遥感实验室现有Nd:YAG脉冲激光器、Acton Advanced SP2500i光谱仪、PI-MAX3的ICCD、泰克DPO5104数字示波器、Alpha系列分光光度计、R928高速PMT、9528型8通道外置脉冲信号发生器,可以承担本科生、研究生的激光雷达技术、光谱分析等课程的相关实验,

图1 成像光谱仪

PI-MAX3的ICCD

PI-MAX 3增强型电荷耦合器件(ICCD)是目前市场上同时提供高帧速、高门控频率、高动态范围、高灵敏度的科学级相机。可获取从紫外到近红外波段的多光谱图像。主要特点有:1024 x1024的整帧CCD芯片, 2MHz / 16 bit动态范围,独有高压门控技术,提供高达1MHz的重复频率,采用TE制冷使暗电流降低到可以忽略,GigE数据接口等。应用在荧光寿命成像、时间分辨成像和时间分辨光谱、平面激光诱导荧光、粒子测速等方面。

图2 ICCD

泰克DPO5104数字示波器

泰克DPO5104 可以提供优异的信号保真度,带宽1 GHz 和 10 GS/s 采样速率,并有高级分析和数学功能,满足快速数据采集的测量工作和实验室的需要。在示波器上可以运行基于 Windows®的分析软件。可以配备为解码常用的串行协议,为系统提供全面视图 。

图3 数字示波器

Alpha系列分光光度计

Alpha-1506型紫外可见光分光光度计,是款按扫描型仪器设计、生产、检验的非扫描型仪器,有极高的性价比。可方便测量样品在指定波长的吸光度、透过率。具有光度分析、定量测试、动力学分析、DNARNA,蛋白测试等完备的数据分析功能。配合USB数据接口可扩展波长扫描功能,数据处理能力更为强大。在有机化学、生物化学、药品分析、食品检验、医药卫生、环境保护、生命科学等各个领域的科研、生产中,可满足不同的分析测试要求。

图4 紫外可见光分光光度计

四.核心实验设备主要性能指标

器件名称

性能指标

激光器

Nd:YAG脉冲激光器

波长/能量

355nm@50mJ532nm@180mJ

脉冲宽度

7ns

脉冲重复频率

1-10Hz可调

分光光度计

Alpha-1506型紫外可见分光光度计

光谱范围

190-1100nm

光谱带宽

2nm

波长精度

±0.5nm

光谱仪

Acton Advanced SP2500i

聚焦长度

500mm

光谱范围

200-1100nm

波长精度

±0.2nm

ICCD

PI-MAX3

光谱范围

200-900nm

图像大小

1024´ 1024

可控延迟时间

0-25s可调, 分辨率25ps

快门速度

< 2ns

帧率

>15fps(满分辨率时)

数字示波器

泰克DPO5104

带宽

1GHz

采样速率

10GS/s

滤光片

带宽/波长

10nm@680740440 nm

PMT

 

CR114R928

五.植物荧光测量原理和遥感雷达实验装置

1. 植物荧光现象

植物叶片中含有多种具有光合作用的物质,对光能的吸收和利用起着决定作用,尤其以叶绿素最为重要。叶绿素荧光测量可以获得其含量,主要荧光信息体现在如下2种现象中,对判断植物生长状态有着实用价值。上面仪器可以构建三种荧光探测硬件系统,主要区别在于光电信号的获取方式和数据处理方法。

(a)荧光发射光谱 (b)激光脉冲激发荧光衰减曲线

图5 叶绿素荧光光谱和荧光衰减曲线

图6 三种荧光探测硬件系统示意图

2.叶绿素荧光光谱分析法

不同物质在光谱图上的特征峰不同,峰值的强度与物质的含量有密切关系,因此,利用光谱图峰值位置可以识别物质种类、利用强度可以测量物质的含量。例如植物叶片在受到特定波长(460nm或355nm)的光激发后,呈现如图8所示的荧光光谱,包含了植物生长状况、光合作用的大量生理信息,因此,叶绿素荧光光谱分析技术在植物营养元素、生理信息、病虫害检测方面得到应用,成为一种新兴的无损检测技术。

本系统通过成像光谱仪可同时获取连续的光强和光谱信息。当给定的脉冲激光器照射植物时,会激发出叶绿素荧光,此荧光的光学特征(如谱的峰值、峰值的偏移等)与植物生长和周围环境变化存在内在的关系,这种激光诱导荧光的光强和光谱信息由成像光谱仪和传感器采集,然后通过软件可以精确和详细地分析被测目标的状况,以达到监测植物生长和环境污染等目的。

图7 10片叶子的荧光光谱

3.荧光寿命的时间分辨测量法

荧光寿命是荧光信号的本征参量,不易受环境光、荧光散射角度以及叶绿素见光分解等因素的干扰,因此荧光寿命的测量具备更好的检测精度及稳定性。物质的荧光寿命表示该物质的原子(或分子)处于激发态的时间。当激发停止后,物质原子(或分子)产生的荧光强度从最大的初始荧光强度降至最大值的1/e时,所需要的时间被称作荧光寿命。荧光寿命与物质含量有着正比关系,利用系统测得激光脉冲激发的荧光衰减曲线,经解卷积计算获得荧光寿命,就可用于的叶绿素含量、油污、气溶胶等荧光物质的检测。

激光诱导叶绿素荧光寿命测量方法采用波长355 nm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。

叶绿素荧光寿命测量系统如图9所示,采用输出波长355 nm、单脉冲Nd:YAG激光器作光源,该系统出射光束经355 nm高反分光镜分离杂散光后,再用平面反射镜调整方向,由凸透镜汇聚到远处盛放叶绿素溶液的石英比色皿上,产生的荧光再经凸透镜折射转化为一组平行光束,透过中心波长680 nm的窄带滤光片由另一凸透镜汇聚到光电倍增管(PMT),用示波器采集到数据。同时在分光镜后方放置一高速光电探测器(PD)接收激光散射信号,来触发示波器采集信号。将示波器采集的数据存储并传输给计算机进行处理,即可反演得到叶绿素荧光寿命。

图8 荧光寿命实验装置图

4.荧光寿命的门控探测法

与时间分辨测量法不同之处:将PMT换成ICCD,将获得的连续序列荧光图像每个像素点按时间分辨测量法处理后的荧光寿命绘制成图。此时获得具有空间信息的时间寿命图谱比强度图像能更精准地表征叶绿素含量。

图9 门控探测法和效果图

5. 现场叶绿素荧光图像信息分析方法

根据叶绿素荧光技术搭建主动诱导叶绿素荧光图像探测系统如图11。类似图片的系统,这里用ICCD获取被测植物荧光强度图像,利用数字图像处理方法分析荧光图像信息,利用叶绿素荧光图像中可以表征植物生长状况的特征值(如强度特征、分布特征及纹理特征等),分析该特征值和植物生长状况变化的对应关系,实现对植物的动态监测。

例如以不同胁迫方式培养绿色植物作为被测对象,获取荧光图像数据(图12上面一组图像),利用数字图像处理技术,从伪彩色图上看出叶绿素多少的分布情况.为植物生长状况分析提供直观的图像。

图10  叶绿素荧光图像探测硬件系统

图11  酸雨胁迫墨叶碧玉的荧光图像处理