植物叶片阵列LED红外光谱检测仪设计*

刘 姣， 张祥雪， 张 立

(北京林业大学 理学院，北京 100083)

植物叶片阵列LED红外光谱检测仪设计*

刘 姣， 张祥雪， 张 立

(北京林业大学 理学院，北京 100083)

针对植物叶片叶绿体中四种叶绿体色素的快速测量，设计了基于光电无损技术和近红外光谱的快速测量仪器。该仪器以ATmega 128A微处理器为核心，采用8只LED组成阵列LED和旋转式测量方式，利用OPT101光电传感器进行光电转换并将检测结果发送给微处理器处理与保存，可以完成对四种叶绿体色素即叶绿素a、叶绿素b、叶黄素和胡萝卜素的测量。实验结果表明：该仪器与UniSpec-SC Spectral Analysis System光谱仪有一致的测量结果，测量值能够准确表征四种色素的含量，具有携带方便、结构简单、测量结果可靠性高等优点，在农林科研上具有一定的实用价值。

红外线； 光谱技术； 叶绿体色素； 光电传感器； 阵列LED

0 引 言

植物光合作用过程中吸收光能的叶绿体色素有叶绿素(包括叶绿素a 和叶绿素b)和类胡萝卜素(包括胡萝卜素和叶黄素)[1]。 准确测量植物色素尤其是叶绿体色素的含量，对判断植株营养状况、生长发育状况、光合生理与逆境生理状况等具有重要的意义[2]。

传统化学测量方法不仅操作繁琐，且耗时耗力，难以进行大批量样品的快速测量和在线分析[3]。为了克服现有的化学测量方法的缺点与不足，许多学者提出了各种色素含量的无损检测的方法[4,5]，其中基于近红外光谱技术的光电无损测量方法是近年来的研究热点，多位专家学者已研制出利用近红外光谱检测设备[6,7]。近些年来，依据光谱特性测量物质的各种特性已成为各行业的研究热点，应用十分广泛[8]，非接触式便携式近红外光谱仪器是未来研究的方向[2,9]。光谱特性是指物质对不同波长的光的响应特性，每种物质对不同波长的光的吸收率和反射率是不同的，由此为基本原理设计了基于红外光谱的LED阵列便携设备，可用于测量高等植物的四种叶绿体色素。

1 设计原理

本仪器的设计原理是根据叶片内的叶绿体色素对有色光的吸收特性，通过测量一定波长的发射光强和透过叶片后的光强进而计算、分析出各个色素的含量[10]。

研究表明,绿色植物叶片在400～700 nm的可见光区域有2个强吸收谷，反射率均小于20 %，但在700～1 300 nm的近红外波段，具有较高的反射率[11]。叶绿体色素对光的主要吸收区域是蓝光区和红光区，在绿光区域吸收最小，但在近红外区域基本不吸收。因此,选择红光区域、蓝光区域和近红外区域来测量叶绿体色素，即选择特征波长分别为叶绿素a的吸收峰663 nm、叶绿素b的吸收峰645 nm、叶黄素的吸收峰445 nm和胡萝卜素的吸收峰450 nm分别作为四种色素的特征波长，选择940 nm的近红外光作为参比波长，运用SPAD测量原理进行测量[12]。

计算和测量四种叶绿体色素相对含量值的方法如下：测量前先进行校准，在没有被测样本的条件下让波长为特征波长的LED和波长为940 nm的参比波长的LED依次发光，仪器测量部分的光电传感器将采集的光信号转换成电信号由微处理器的A/D转换模块处理后，计算两种发射光光强比。校准实验可进行多次直至校准到符合测量的满意度。校准后放入被测样本，同上面的校准过程让2只LED依次发光，经微处理器处理后获取透射光光强比，使用公式(1)计算出各色素的SPAD值[12]

SPAD=K×ln((IRt/IR0)/(Rt/R0)).

(1)

其中，K为常数，K的取值因物种的不同而有所不同，可以查表得到该值。IRt为透过叶片的940 nm近红外光光照强度，IR0为无叶片时940 nm近红外光直射光照强度，Rt为接收到的透过叶片的特征波长(663,645,445,450 nm)的光照强度，R0为相应的无叶片时直射光照强度。

由此可以分别计算出四种叶绿体色素的SPAD值。研究表明，SPAD值与叶绿素含量有显著的相关性[13～15]，在野外测量中可以对叶绿体色素的含量提供的可靠的估计，有利于农林业相关科研工作[16～18]。

2 硬件设计

植物叶片阵列LED红外光谱检测系统硬件电路设计框图如图1所示。系统主要有由阵列式LED光源构成的夹具、光电转换与信号采集模块、单片机微处理器、电源模块组成。仪器以AVR Atmega 128A单片机为核心，结合光电传感器转换电路、按键及显示模块，实现传感器对叶片叶绿体色素的采集、计算、显示及存储过程。

图1 硬件电路设计框图

2.1 光电转换与光路设计

光电转换与信号采集模块使用美国Burr-Brown公司生产的芯片OPT101和简单的外围电路构成。本仪器的光电转换与信号采集模块使用了2片OPT101，一片用于采集和处理色素特征波长光的光强，另一片用于参比波长光强的采集。

为了保证发射光源的稳定与测量时光源的单一性，本系统利用电流可调的恒流源芯片来供电，并利用单片机的I/O端口来控制LED阵列的工作状态。

测量叶片夹由8只不同波长的LED构成，其中有4只940 nm的参比波长的近红外光LED和4种不同色素的特征吸收波长的LED，其排列分布如图2所示。

图2 阵列LED分布图

叶片夹是由上下2个圆形面板构成，上半部分为LED光源，下半部分为光电传感器，其排列分布如图3所示。测量时只需转动叶片夹的上半部分，对准测量位置后即可进行测量。采用圆形面板和转动的方式，大大减少了传感器的数量和叶片夹的面积。

图3 传感器分布图

如图4所示，上夹片的LED分为4组并均匀地分布在上夹片上，LED1与LED2为一组用于测量叶绿素a的含量，LED3与LED4用于测量叶绿素b的含量，LED5与LED6用于测量叶黄素的含量，LED7与LED8用于测量胡萝卜素的含量。当需要更换测量色素种类时，只需将上夹片旋转一定的角度即可进行测量。

图4 光路传输图

2.2 通信模块

本仪器的通信模块使用的是RS—232通信接口。程序采用中断方式与计算机通信，当本系统接收到到来自计算机的相关命令时，系统将命令进行处理后，会把命令中需要的指定数据发送给计算机。计算机可以使用超级终端或其他串口助手或本文设计的LabVIEW程序读取数据。

3 软件设计

本仪器软件源程序采用符合ANSI标准的C语言在ICCAVR软件环境编写编译。系统主程序和中断程序流程图如图5，系统主程序初始化完成以后，分别调用各个子程序，程序引导仪器设置完成后，系统进入测量就绪状态，由用户按键决定测量种类与测量开始时间。按键时系统会先进行校准，如测量叶绿素a时，要在不放入叶片到叶片夹中时进行一次校准，如果校准效果不理想，可进行多次校准，直至达到预期的校准效果，完成校准后可放入叶片进行叶绿素a的测量，若接下来的测量都是叶绿素a的测量，直接测量即可，无需多次校准。在进行另一种色素测量时，仍需对另一种色素测量进行校准，即更换测量色素种类时，需要对当前测量物种进行校准。需要注意的是，由于叶脉是由不含叶绿素的薄壁组织、厚角细胞等组成的，比较粗大的主脉对测量结果有较大影响，测量时需要将2个光源都避开主脉和可见的相对较粗的侧脉，尽量在同一个侧脉区域完成一次测量操作，以保证参比光路和测量光路透过的区域有相近的色素分布，使参比光路起到参比作用。

图5 主程序和中断程序流程图

测量完成后，微处理器经过计算处理将测量结果会显示在LCD显示屏上，并将结果保存到存储器。存储结果可以通过与电脑串口通信获取，为了方便结果分析，设计了简单的LabVIEW程序读取串口数据并将数据输入到Excel表格中。

4 实验结果与分析

仪器设计制作完成后，用美国PP System公司生产的UniSpec—SC Spectral Analysis System光谱仪(简称光谱仪)进行了对比实验。光谱仪通过测量植物叶片发射光谱分析、计算可以得到叶片的相关信息，如色素含量、水分含量等，且该仪器出厂前与传统的分光光度法测量的数据进行过对比校正，本仪器通过与光谱仪测量数据进行拟合，可以估算出叶片的各种相关色素含量，有一定的参考价值。光谱仪测量时的具体操作是每次测量前先测量光源照射到白板后的反射光强作为光源原始强度，再测量同一光源照射到叶片的反射光强，测量结果导入到PC端经处理可以得到波长310～1 130 nm间每个波长的光强的变化率，即叶片反射光强与白板反射光强的比值。这个比值可以代入公式(1)进行计算。所以，用光谱仪同本仪器同时测量，并取光谱仪得到的数据中663，645，445，450，940 nm波长的光强变化率计算SPAD值与本仪器测得的结果进行对比。因光谱仪在测量时采用测量3次取平均值的方式，所以，本仪器测量时每个测量点也是测量3次取平均值。需要注意的是：用光谱仪测量时需要将出现过大于1的该组数据去掉，使用本仪器测量是需要将与平均值相差较大的测量数据去掉再去平均值。

实验样本是采集北京林业大学校园内的鹅掌楸树叶，每片树叶在同一个测量点用光谱仪和本仪器测量3次，取平均值后进行对比分析。

叶绿素a、叶绿素b、叶黄素和胡萝卜素的对比图如图6～图9所示，其中实线为光谱仪数据测量值，虚线为本仪器测量值。

各测量值是采集校园里的多种物种测量所得，包含有不同物种的叶片和相同物种的不同叶龄的叶片，光谱仪计算数值与仪器测量值的相关性分别为：叶绿素a为0.930 6，叶绿素b为0.917 0 ，叶黄素为0.948 8，胡萝卜素为0.922 1，相关度良好。

图6 叶绿素a数据对比图

图7 叶绿素b数据对比图

图8 叶黄素数据对比图

图9 胡萝卜素数据对比图

观察曲线可知，本仪器的曲线走向与光谱仪计算数值的曲线走向基本一致，对比说明本仪器测量值有可靠的准确性。

5 结 论

本文设计了一种基于光电无损技术和近红外光谱的植物叶片快速测量仪，通过对比实验证明了仪器实现光电无损测量叶绿体色素相对含量的方法的可实现性和准确性。在采用常规微处理器和常见低成本芯片的条件下，实现了光电无损测量多种色素的功能。仪器在保证便携、使用方便的前提下，实现了多功能测量，与日本发明的SPAD—502相比具有更广泛的应用，且成本低廉，在农林业科研上具有一定的实用价值。

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Design of plant leaves detector with IR spectral technology and LED array*

LIU Jiao, ZHANG Xiang-xue, ZHANG Li

(Collage of Science,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China)

Aiming at rapid measurement of four chloroplast pigment of plant leaf,a rapid measuring instrument is designed based on photoelectric nondestructive technique and near infrared(IR) spectroscopy.The instrument uses ATmega 128A microprocessor as core,use 8 LED array and rotary measuring mode and use OPT101 photoelectric sensor for photoelectric conversion and send detecting result to microprocessor for processing and preservation,this instrument can measure four kinds of chloroplast pigment that is chlorophyll a,chlorophyll b,lutein and carotenoids.Experimental results illustrate that measurement results of the instrument and UniSpec-SC Spectral Analysis System spectrometer are consistent,measurement value can accurately characterize contents of the four kinds of pigments with advantages of convenient to carry,simple structure and high reliability of measurement results,and it has certain practical value for agriculture and forestry research.

infrared(IR); spectral technology; chloroplast pigment；photoelectric sensor；LED array

10.13873/J.1000—9787(2015)01—0084—04

2014—05—09

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(YX2011—15)

TH 79

A

1000—9787(2015)01—0084—04

刘 姣(1986-)，女，湖北黄冈人，硕士，研究方向为生物电学与传感器。