Портативное устройство для мониторинга стрессовых состояний растений
PORTABLE DEVICE FOR MONITORING PLANT STRESS CONDITIONS

Изобретение относится к оптике в области растениеводства, в частности к устройствам для обнаружения стрессовых состояний растений.
Известен способ оценки реакции растений на токсичные вещества (RU 2360402 C1, МПК A01G 7/00, 2007 г.) заключающийся в измерении оптических характеристик фотосинтезирующих тканей до и после химического воздействия, определяют скорость изменения интенсивности и степени когерентности рассеянного тканями зондирующего квазимонохроматического светового пучка по коэффициентам уравнений регрессии, которые аппроксимируют экспериментальные кривые.
Недостатком известного устройства является ограниченность регистрации реакции растений на токсичные вещества.
Из уровня техники известно устройство – листовой спектрометр (https://www.cid-inc.com/plant-science-tools/leaf-spectroscopy/ci-710-miniature-leaf-spectrometer) для одновременного измерения пропускания, поглощения и отражения света биологическими веществами в широком диапазоне длин волн, которые покрывают видимый и ближний инфракрасный свет.
Недостатком известного устройства является низкая точность обнаружения стрессового состояния.
Наиболее близким к заявленному изобретению относится система детектирования флуоресценции для определения значимых параметров растительности (RU 2199730 C2, МПК G01N 21/64, 1998 г.), в базовую конфигурацию которой входят лазерный источник возбуждения с высокой частотой повторения импульсов, который стимулирует флуоресценцию молекул хлорофилла, детектор флуоресценции, включающий оптические системы формирования изображения и разделения измерительных каналов, электронный блок запуска и формирования задержки для соответствующей синхронизации лазера и детектора, а также электронный измерительный блок для детектирования сигнала флуоресценции, который представляет собой модуль регистрации и обработки сигнала.
Недостатками известной системы является низкая точность определения стрессовых состояний растений, в виду регистрации только индукции и некоторых спектральных характеристик флуоресценции хлорофилла, невозможность определения каротиноидов и антоцианов в листьях растений, а также сложность работы при обработке полученных данных.
Техническая задача предлагаемого изобретения заключается в повышении точности определения стрессовых состояний растений.
Технический результат достигается тем, что портативное устройство для мониторинга стрессовых состояний растений включает источник возбуждения с красным лазером, детектор флуоресценции, содержащий оптическую систему формирования изображения и разделения измерительных каналов, электронный блок запуска и формирования задержки для соответствующей синхронизации лазера и детектора, а также электронный измерительный блок для детектирования сигнала флуоресценции, согласно изобретения, источник возбуждения снабжен синим лазером с максимумом излучения 450 нм, зеленым лазером с максимумом излучения 520 нм для поочередного возбуждения флуоресценции хлорофилла, а также источником освещения в виде галогенной лампы с непрерывным излучением в диапазоне 400÷800 нм, которая служит источником света при регистрации пропущенного и отраженного от листьев излучения, оптическая система формирования изображения и разделения измерительных каналов выполнена в виде оптического оптоволоконного зонда отражения и обратного рассеяния, а детектор флуоресценции выполнен в виде спектрометра со спектральным диапазоном 350÷850 нм для регистрации спектра флуоресценции, пропущенного и отраженного от листьев излучения.
Неразрушающими методами обнаружения стрессовых состояний растений являются: метод регистрации флуоресценции хлорофилла, включающий в себя измерение индукции и спектральный анализ флуоресценции, метод спектрального анализа пропущенного и отраженного от листьев излучения, метод определения содержания фотосинтетических пигментов (хлорофиллов, каротиноидов и антоцианов) включающий в себя измерения флуоресценции хлорофилла при поочередном возбуждении синим, зеленым и красным светом.
По флуоресценции хлорофилла можно судить о состоянии фотосинтетического аппарата растения и исследовать эффективность фотохимических реакций, связанных с работой фотосинтетического аппарата, прежде всего фотосистемы II. При возбуждении флуоресценции излучением в красной области спектра 600-650нм, интенсивность флуоресценции будет максимальной, так как все красное излучение поглощается хлорофиллом. При возбуждении флуоресценции излучением в синей области спектра 430-480 нм, часть энергии излучения поглощается каротиноидами, в частности виолаксантином, участвующим в переносе энергии на хлорофилл антенных комплексов. Так как эффективность передачи энергии виолаксантином на хлорофилл ниже, чем прямое поглощение этой энергии хлорофиллом, наблюдается обратная корреляции интенсивности флуоресценции хлорофилла с концентрацией каротиноидов.  Аналогичный эффект наблюдается при возбуждении флуоресценции излучением в зеленой области спектра 500-550 нм, где находится абсорбционный максимум антоцианов, который экранируют зеленой излучение. Таким образом, сравнивая интенсивность флуоресценции хлорофилла в красной и дальней красной области спектра при поочередном возбуждении синим, зеленым и красным излучением, можно оценить содержание общего хлорофилла, каротиноидов и антоцианов в листьях растений и использовать эти данные в качестве показателя стресса. Обнаружить стрессовые состояния растительности также можно путем регистрации спектра флуоресценции. Сущность метода заключается в оценке спектрального состава излучения флуоресценции в диапазоне 600-750 нм. Метод спектрального анализа отраженного от листьев излучения может быть использован в качестве показателя, характеризующего содержание хлорофилла, а также краткосрочного или долгосрочного указателя стресса.
Повышение точности определения стрессовых состояний растений достигается путем одновременной регистрации индукции флуоресценции хлорофилла, спектрального анализа флуоресценции хлорофилла, определения индексов содержания общего хлорофилла, каротиноидов и антоцианов, а также спектрального анализа пропущенного и отраженного от листьев излучения.
Расширение функциональности применения устройства для различных культур достигается объедением нескольких способов регистрации в одном устройстве во время одного анализа. Простота работы при обработке полученных данных обеспечивается готовыми результатами, выдаваемыми программой.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 показан общий вид портативного устройства для мониторинга стрессовых состояний растений, на фиг. 2 показаны элементы электронного измерительного блока.
Портативное устройство для мониторинга стрессовых состояний растений содержит оптический оптоволоконный зонд 1 с зажимом для листа 2, один конец которого посредством оптического волокна соединен через разъем 3 со спектрометром 4, расположенными в электронном измерительном блоке 5 через интерференционный оптический фильтр 6, а второй конец соединен через разъем 3 с источниками возбуждения, выполненными в виде лазеров 7 или галогенной лампы 8, расположенными в измерительном блоке 5, который в свою очередь соединен с компьютером 9. Измерительный блок 5 содержит контроллер 10, в котором регистрируются спектральные сигналы от спектрометра 4 и происходит формирование задержки для соответствующей синхронизации источников возбуждения 7 или 8 и спектрометра 4 для детектирования сигнала. Излучение лазеров 7 суммируется с помощью полупрозрачных зеркал 11.
Универсальный источник возбуждения состоит из галогенной лампы 8 с непрерывным излучением в диапазоне 400÷800 нм и трех полупроводниковых лазеров 7, синего с максимумом излучения 450 нм, зеленого с максимумом излучения 520 нм и красного с максимумом излучения 638 нм. Отраженное и флуоресцентное излучение фильтруется с помощью интерференционных оптических фильтров, отсекающих коротковолновый диапазон излучения. Измеряются следующие параметры:
• Спектр флуоресценции хлорофилла;
• Индукция флуоресценции хлорофилла;
• Индекс содержания хлорофилла;
• Индекс содержания каротиноидов;
• Индекс содержания антоцианов;
• Спектр отражения листа;
• Спектр пропускания листа.
Портативное устройство для мониторинга стрессовых состояний растений работает следующим образом.
Для измерения спектра флуоресценции: анализируемое растение или отдельный его лист предварительно адаптируются к темноте. В качестве источника возбуждения выбирается один из трех полупроводниковых лазеров 7 с максимумами излучения 450, 520 и 638 нм. Лист анализируемого растения фиксируется с помощью зажима 2 с оптическим оптоволоконным зондом 1. Запускается программное обеспечение компьютера 9, где в меню выбирается пункт «Анализ спектра флуоресценции» и нажимается кнопка «Измерение». Полученные спектральные сигналы флуоресценции хлорофилла регистрируется спектрометром 4 соединенным с контроллером 10 и сохраняется в памяти компьютера 9. Затем в качестве источника возбуждения выбирается следующий лазер и измерения повторяются. Далее с помощью программного обеспечения компьютера, полученные значения флуоресценции при возбуждении различными лазерами, сравниваются между собой и рассчитываются соответствующие индексы стресса.
Для измерения спектра пропускания или отражения листа: в качестве источника возбуждения выбирается галогенная лампа 8. Лист анализируемого растения фиксируется с помощью зажима 2 с оптическим оптоволоконным зондом 1. При измерении спектра отражения света под лист растения подкладывается светопоглощающая пластина, для измерения спектра отражения и пропускания света под лист растения дополнительно подкладывается отражательная пластина. Запускается программное обеспечение компьютера 9, где в меню выбирается пункт «Анализ спектра пропускания и отражения» и нажимается кнопка «Измерение». Полученные спектральные сигналы отражения и/или пропускания листа регистрируется спектрометром 4 соединенным с контроллером 10 и сохраняется в памяти компьютера 9. Далее с помощью программного обеспечения компьютера, полученные значения сравниваются с известными и/или полученными ранее значениями для данного вида растения, хранящимися в базе данных и рассчитываются соответствующие вегетационные индексы.
В результате использования портативного устройства для мониторинга стрессовых состояний растений, реализующего метод измерения индукции флуоресценции, метод спектрального анализа флуоресценции, метод определения содержания фотосинтетических пигментов (хлорофиллов, каротиноидов и антоцианов) и метод спектрального анализа, прошедшего и отраженного от листьев излучения, повышается точность определения стресса и расширяется функциональность применения устройства для различных культур, а также достигается простота работы с устройством.