LED激发叶绿素荧光探测仪的研究

李璟（陕西省石油化工学校，陕西西安710061）

一、引言

叶绿素是植物光合作用的催化剂， 检测叶绿素含量对于预防水体养化和判断植物健康状况、 实现数字农业有非常重要的意义。 长期以来，人们应用目测等进行主观经验判断或是采用化学分析方法来检测叶绿素的含量。 但这些方法无法实现数字化管理且容易产生较大的误差，因而，利用荧光光谱测定叶绿素含量，就有了无可比拟的优势。

1991 年，P.Mazzunghi 采用He-Ne 激光器作为激发光源，研制了一种用电池供电的便携式荧光计[1]。 1995 年，M.L.Pascu 等对叶绿素a 的激光诱导荧光特性进行了研究。 2008 年清华大学的何树荣用530nm 绿光作光源激发四氯四溴的荧光素发荧光[2]。但目前，针对LED 作为叶绿素激发光源的研究较少，因此，本文采用LED 作为激发光源， 对乙醇萃取的叶绿素溶液荧光光谱进行采集， 分析叶绿素浓度与荧光光谱的关系， 通过实验验证LED 作为叶绿素荧光激发光源的可行性， 并为进一步研究植物叶片叶绿素含量与荧光光谱的关系提供技术参考。

二、硬件系统设计

系统采用LED 激发植物叶片叶绿素溶液的荧光光谱。 装置如图2-1 所示，LED 激发光源的光束照射到装有叶绿素溶液的石英比色皿上, 溶液中的激励物质分子受到诱导发射出荧光,经滤光片后由光谱仪接收并将采集到的荧光光谱传入PC 机进行后期的数据处理。

实验中所用LED 的型号为XL-P5W800VA12， 其功率为5W，中心波长为400nm，发散角为，滤光片为HB490nm 的高通滤光片， 光谱仪为美国PI 公司SP2500i 型光谱仪， 其聚焦长度为500mm，扫描范围为200-1100nm，波长精度为±0.2nm ，复位精度为±0.05nm。

三、数据采集及处理

3.1、实验前期准备

实验前采集墨叶碧玉叶片若干， 洗净后避开主叶脉称取叶片1.0g，剪成约为2mm 的细丝，放入含有100ml 乙醇溶液的密封试管中，在暗室中静置24 小时，观察叶片组织完全变白后，即得到叶绿素溶液。 以此为母液，添加不同比例的乙醇溶液配置成不同浓度的叶绿素溶液。

3.2、光谱采集及处理

荧光属于微弱信号， 但在250～675nm 范围内的光都能激发绿色植物的溶液产生荧光， 实验中采用中心波长为400nm 的LED 分别激发放有乙醇溶液和叶绿素溶液的比色皿， 比较两者的光谱图发现，两种溶液在570nm 处都有峰值，且峰值大小也几乎相同，但叶绿素溶液在685nm 处比乙醇溶液多一个峰值，分析知，570nm 的峰值是由乙醇溶液产生的，685nm 处的峰值是由叶绿素的荧光产生的， 其来源于叶绿素吸收光化学反应后发生光化学反应II(PSII)所发出的荧光。 通过上述实验，验证了LED 可以作为叶绿素荧光的激发光源。

为了验证不同浓度的叶绿素溶液荧光光谱与叶绿素浓度的关系，配置不同浓度的溶液5 种，分别采集其荧光光谱，分析其光谱后发现，除母液外，随着溶液浓度的升高，在685nm 处的荧光光谱强度不断升高，但570nm 处的荧光强度变化却很小。因为光谱仪得到的是一个相对强度，因此本文用一个新的参数F685/F570 来衡量叶绿素的含量。 图3-1 是用相对浓度与参数F685/F570 得到的关系图， 从图中看出叶绿素含量与参数F685/F570有较好的线性关系，且随着叶绿素含量的增加F685/F570 不断增加，但当叶绿素相对浓度为100%时，相对光强反而降低，分析是由于叶绿素浓度过大引起光电倍增管输出电流过大， 超出其线性范围引起的。 因此，在利用PMT 测量叶绿素的含量时，若溶液浓度过高，就要进行适当的稀释。

四、结论

本文利用LED 对植物叶片的叶绿素溶液进行诱导产生荧光，验证了LED 作为叶绿素激发光源的可行性，其功耗小，体积小，便于仪器研制的小型化，降低了整个系统的成本。

通过对不同浓度叶绿素溶液的荧光光谱分析， 得到参数F685/F570 与叶绿素含量的相关性， 也验证了该系统的实用性，为进一步研究植物叶片叶绿素含量与荧光光谱的关系提供技术参考。

[1]P. Mazzunghi.LEAF.A fiber optic fluorometer for field measurement of chlorophyll fluorescence.SPIE,1991(1510)∶187～194

[2]何树荣，徐洪峰.绿光LED 作为荧光激发光源的研究[J].光学技术,2008,28(1)∶9～11