В табл. 21.3 приведены данные об интеллектуальных сенсорах-хронофлуорометрах, выпускаемых сейчас для наблюдения и изучения процессов фотосинтеза. Широкий выбор хронофлуорометров для исследований ИФХ предлагает американская фирма Opti-Sciences. Фотографии этих интеллектуальных сенсоров показаны на рис. 21.8. Больщим спросом пользуется хронофлуорометр OS5-FL, обеспечивающий широкие возможности. Источником действующего света регулируемой интенсивности является в нем твердотельный лазер с длиной волны излучения 685 нм. Модулированный "измерительный" свет излучает светодиод с узкополосным светофильтром на 690 нм.
Таблица 21.3. Выпускаемые марки хронофлуорометров
|
| Марка
| Фирма-производитель
|
Портативный флуорометр хлорофилла (Portable Chlorophyll Fluorometer)
| PAM-2100, MINI-PAM
| Heinz Walz Gmb (ФРГ) http://www.walz.com/chloro.htm
|
Модулированный флуорометр хлорофилла (Modulated Chlorophyll Fluorometer)
| OS5-FL
| Opti-Sciences (США) http://www.optisci.com/os5fl.htm
|
Флуорометр хлорофилла (Chlorophyll Fluorometer)
| OS30
| Opti-Sciences (США) http://www.optisci.com/os30.htm
|
Модулированный флуорометр (Modulated Fluorometer)
| OS1FL
| Opti-Sciences (США) http://www.optisci.com/os1fl.htm
|
Флуорометр для водорослей (Algae Fluorometer)
| AFM
| Opti-Sciences (США) http://www.optisci.com/аfm.htm
|
Полевой флуорометр (Field Fluorometer)
| GFL-1
| Opti-Sciences (США) http://www.optisci.com/gfl1.htm
|
Волоконно-оптический флуорометр (Fiber-Optic Fluorometer)
| GFP-Meter
| Opti-Sciences (США) http://www.optisci.com/gpf.htm
|
Флуорометр хлорофилла (Chlorophyll Fluorometer)
| UV-A-PAM
| Gademann Instruments Gmb
|
Хронофлуорометр хлорофилла
| "Флоратест-2"
| Институт кибернетики им. В. М. Глушкова НАН Украины
|
При желании вместе с хронофлуорометром OS5-FL можно приобрести также источник модулированного "измерительного" света с длиной волны 450 нм. Импульсы "насыщающего" света регулируемой интенсивности дает 35-ваттная галогенная лампа тоже с узкополосным светофильтром на 690 нм. Для более тщательных опытов имеется также источник далекого красного (far-red) света с фильтром на 735 нм. Такой свет в период темновой адаптации способствует эффективному окислению пула пластохинонов, что позволяет корректно определить минимальный сигнал флуоресценции
. Перед
фотодиодом, который воспринимает флуоресценцию хлорофилла, установлен светофильтр, пропускающий лишь спектральную полосу от 700 до 750 нм. Частота модуляции может программно изменяться в ходе работы от 250 Гц до 40 кГц. Измерение интенсивности флуоресценции может осуществляться с интервалами времени от 0,2 мс до 2 с, которые тоже задаются программно. Продолжительность записи хронофлуорограмм – от 2 секунд до 45 мин. (по желанию – до 16 ч.). Объем памяти данных – 512 кбайт. Сенсор имеет ЖК дисплей 320×240 пикселей с подсветкой и 9 клавиш для взаимодействия с пользователем. В сенсор встроен источник автономного питания – аккумуляторная батарея на 12 В / 3,4 А-ч.
.files/image2164.jpg)
.files/image2166.jpg)
Рис. 21.8. Флуорометры для исследования ИФХ фирмы Opti-Sciences (США).
К сенсору OS5-FL можно приобрести такие аксессуары, как специальные кюветы для темновой адаптации, термостабилизации и для опытов с изменением температуры, кюветы для работы с водорослями и другие. В сенсор встроен привод 3,5-дюймовой дискеты, на которую можно переписывать полученные данные. Имеется внешний интерфейс RS-232. Размеры этого интеллектуального сенсора довольно значительны 280×180×130 мм, масса – 5 кг. Тем не менее, его относят к группе портативных.
Наиболее дешевым и доступным является хронофлуорометр OS 30, во многом аналогичный описанному выше хронофлуорометру "Флоратест-1". Его размеры 190×100×50 мм, масса – 0,5 кг. В нем имеется лишь источник непрерывного света, который включается после периода темновой адаптации листка. ИФХ может регистрироваться с интервалами времени от 5 мкс до 0,1 с, которые задаются программно. Продолжительность отслеживания кривой ИФХ – от 2 с до 240 с. Память данных на 128 кбайт позволяет сохранять результаты до 4096 отсчетов.
Промежуточные характеристики имеет хронофлуорометр хлорофилла OS1-FL. По размерам (190×110×70 мм), он не намного больше хронофлуорометра OS 30, но масса его значительно больше, – 2 кг. Источник света и фотоприемник со светофильтром такие же, как и в OS5-FL. Однако нет источника действующего света, который должен приобретаться отдельно. Отсчеты интенсивности флуоресценции могут осуществляться с интервалами от 0,1 мс до 0,1 с, продолжительность наблюдения ИФХ – от 2 с до 45 мин.
Хронофлуорометр для водорослей AFM позволяет исследовать даже ИФХ микроводорослей. Он рассчитан на работу в паре с хронофлуорометром OS5-FL, с которым соединяется кабелем. Кроме параметров ИФХ, он позволяет дополнительно измерять еще и концентрацию микроводорослей в воде. Выпускается в виде стандартной и т.н. "ксеноновой" моделей. Сам хронофлуорометр OS5-FL с кюветой для водорослей позволяет исследовать ИФХ водорослей в концентрациях от 100 мкг/л. Стандартная модель AFM позволяет работать с водорослями, начиная уже от концентрации 10 мкг/л, а в паре с "ксеноновой" моделью – даже начиная от концентрации 0,1 мкг/л. В "ксеноновой" модели источником действующего света служит ксеноновая лампа с максимумом излучения на длине волны 450 нм, свет которой концентрируется на площади 1 см2 боковой поверхности стандартной стеклянной кюветы с внутренним объемом 3 мл.
Волоконно-оптический хронофлуорометр GFP-Meter имеет набор светофильтров, позволяющих измерять флуоресценцию не только хлорофилла, но и родамина, флуоресцеина, ряда протеинов. Аналогичные возможности имеет и флуорометр GFL-1, который пригоден для работы в самых жестких полевых условиях.
Наиболее популярный сейчас в Европе хронофлуорометр РАМ-2100 фирмы Heinz Walz с основным блоком размерами 240×105×110 мм показан на рис. 21.9.
.files/image2168.jpg)
.files/image2170.jpg)
Рис. 21.9. Флуорометр РАМ-2100 немецкой фирмы Heinz Walz: а) основной блок, подставка, выносная головка, листок растения; б) флуорометр в действии; в) примеры хронофлуорограмм; г) увеличенное изображение подставки с галогенной лампой в действии
Источниками действующего (AL) и насыщающего (SP) света в нем служат матрицы светодиодов с длинами волн 655 нм и 735 нм (последние – для возбуждения фотосистем І) и миниатюрная галогенная лампа белого света. Эти источники света крепятся на специальной подставке. Измерительный модулированный свет излучается светодиодами на длине волны 655 нм в виде импульсов продолжительностью 3 мкс с частотой 600 Гц или 20 кГц. Амплитуда этих импульсов незначительна и практически не влияет на фотосинтетическую систему, но она достаточна для измерения индуцированных изменений интенсивности флуоресценции даже при прямом солнечном свете.
В памяти программ сенсора записаны программы стандартных экспериментов по индукции флуоресценции хлорофилла. Предусмотрена возможность для пользователей программировать свои варианты экспериментов, которые автоматически будет выполнять микропроцессор после нажатия клавиши "Пуск".
Флуорометр UV-A-PAM (рис. 21.10) отличается тем, что имеет в своем составе дополнительный светодиод, излучающий ближний ультрафиолетовый свет (UV-A) с длиной волны 375 нм.
.files/image2172.jpg)
Рис. 21.10. Хронофлуорометр UV-A-РАМ-2100 фирмы Gademann Instruments Gmb
Такой свет поглощается в основном защитными пигментами (флаваноидами и др.), которые концентрируются преимущественно в эпидермисе листьев и защищают их внутренние структуры от значительных радиационных повреждений ультрафиолетовым излучением. Измеряя отношение интенсивностей флуоресценции хлорофилла при возбуждении ультрафиолетовым и при возбуждении сине-голубым светом, флуорометр рассчитывает концентрацию защитных пигментов, которая позволяет оценить стойкость растения против радиационных повреждений.
.files/image171.gif)
|
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
.files/image2182.gif)
| (22.1)
| называют квантовым выходом фотосинтеза, величину
.files/image2184.gif)
| (22.2)
| – квантовым выходом флуоресценции хлорофилла, а величину
.files/image2186.gif)
| (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
.files/image2198.gif)
| (22.4)
| В обычных условиях функционирования растения
.files/image2200.gif)
| (22.5)
| Из формул (22.4) и (22.5) вытекает, что квантовый выход фотосинтеза можно вычислить по формуле
.files/image2202.gif)
| (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
.files/image2208.gif)
| (22.7)
| где и – интенсивности флуоресценции, которые измеряются с помощью модулированного измерительного света в условиях насыщающего и обычного рабочего освещения соответственно.
.files/image2214.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 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.
|