Россия |
Сенсоры с люминесцентными маркерами. Биолюминесцентные и сцинтилляционные сенсоры
Цель лекции: показать, как можно, не снимая кривую ИФХ, определить квантовый выход фотосинтеза в зеленых листьях растений. Объяснить принципы действия и построения современных сенсоров с люминесцентными маркерами и биолюминесцентных сенсоров, их достоинства и области применения. Рассказать о сцинтилляционных сенсорах, напомнить их роль в истории становления физики атомов и ядерной физики. Ознакомить с устройством и функционированием современных интеллектуальных сцинтилляционных сенсоров. Указать области их применения и роль в современной науке и жизни.
22.1. Сенсор для определения квантового выхода фотосинтеза
Ряд важных характеристик фотосинтеза и, следовательно, общее состояние растения, можно определять, не проводя темновой адаптации листьев и не снимая кривую ИФХ. В частности, это касается определения квантового выхода фотосинтеза и квантового выхода флуоресценции хлорофилла при рабочем освещении.
Сначала напомним, что это такое. Пусть на зеленый лист растения падает квантовый световой поток мкмоль/(м2с), из которого
мкмоль фотонов/(м2с) используются на стимулирование фотохимических реакций фотосинтеза,
– на флуоресценцию хлорофилла в красной области спектра и
- на тепловую диссипацию без излучения. Тогда величину
![]() |
( 22.1) |
![]() |
( 22.2) |
![]() |
( 22.3) |
– квантовым выходом тепловой диссипации. Последний не зависит от интенсивности светового потока , а определяется лишь температурой листьев и внутренней структурой центров фотосинтеза.
Первые 2 квантовых выхода меняются с изменением . Квантовый выход фотосинтеза
уменьшается при увеличении светового потока
, так как с возрастанием светового потока все больше каналов запуска фотосинтеза оказываются занятыми. А когда поток
достигает уровня насыщения, то количество фотонов, используемых на стимулирование фотохимических реакций, вообще перестает возрастать. В этих условиях оно определяется лишь максимальной "пропускной способностью" всех фотосистем І и ІІ. Поэтому зависимость квантового выхода фотосинтеза от потока освещения
носит нелинейный характер.
Если при наличии насыщающего света увеличить его квантовую интенсивность на , то она распределится следующим образом.
мкмоль фотонов/(м2с) проходят сквозь листок растения, где
– коэффициент его пропускания, а
поглощаются листком. Из них энергия
мкмоль фотонов/(м2с) превращается в тепло, а остальные фотоны переизлучаются в виде флуоресценции хлорофилла. Квантовый выход флуоресценции хлорофилла достигает в условиях действия насыщающего света своего максимального значения
![]() |
( 22.4) |
В обычных условиях функционирования растения
![]() |
( 22.5) |
Из формул (22.4) и (22.5) вытекает, что квантовый выход фотосинтеза можно вычислить по формуле
![]() |
( 22.6) |
Для этого надо определить квантовый выход флуоресценции хлорофилла в условиях обычного ("рабочего") освещения и квантовый выход флуоресценции
в условиях действия "насыщающего" света.
По этому принципу и действует интеллектуальный сенсор EARS-PPM (Plants Photosynthesis Meter) нидерландской фирмы EARS ( рис. 22.1), который измеряет не квантовый выход фотосинтеза по формуле (22.6), а пропорциональную ему величину
![]() |
( 22.7) |
![I_{\textit{Фл,Н}}](/sites/default/files/tex_cache/742dc7a3b47ca5f8bcfa038dbd26e64d.png)
![I_{\textit{Фл}}](/sites/default/files/tex_cache/962a54cbce1f3d8cf56eb1f1d18bab05.png)
![Измеритель эффективности фотосинтеза EARS-PPM нидерландской фирмы EARS. Размеры – 250х53х80 мм, масса – 0,85 кг](/EDI/06_03_17_3/1488752433-23564/tutorial/622/objects/22/files/22_01.jpg)
Рис. 22.1. Измеритель эффективности фотосинтеза EARS-PPM нидерландской фирмы EARS. Размеры – 250х53х80 мм, масса – 0,85 кг
Производитель называет ее "квантовой эффективностью фотосинтеза". Нужные измерения сенсор выполняет автоматически менее, чем за 1 мин. Кроме того он может измерять квантовую интенсивность PAR действующего на растение света (PAR – photosynthetic active radiation) в мкмоль/(м2с), которая интересует исследователей, и вычислять величину , которая характеризует производительность фотосинтеза.
Источником измерительного света в этом сенсоре служит GaAlAs светодиод с максимумом излучения на длине волны 637 нм. С красной стороны его излучение обрезается специальным светофильтром, начиная от 690 нм. Частота модуляции – 7200 или 8900 Гц. В качестве источника насыщающего света используется галогенная лампа на 5000 кандел со светофильтром, отрезающим БИК диапазон спектра излучения. В усилителе-селекторе сигналов применено синхронное детектирование, обеспечивающее высокую селективность на фоне сильного постоянно действующего света и несинхронных помех. Имеется внешний интерфейс RS232 и внутренняя память на тысячи результатов измерений.
Сенсор выпускается в нескольких модификациях: PPM-MLHD, PPM-100 и PPM-200, отличающихся своими функциональными возможностями и ценой.