利用高光谱植被指数监测紧凑型玉米叶绿素荧光参数F_v_F_m_谭昌伟
第３
２卷，第５期 光谱学与光谱分析Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．５，ｐｐ
１２８７－１２９１２ ０ １ ２年５月 Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｍａｙ，２
０１２ 利用高光谱植被指数监测紧凑型玉米叶绿素荧光参数Ｆｖ
／Ｆｍ谭昌伟１，黄文江２，金秀良１，王君婵１，童 璐１，王纪华２，郭文善１＊
１．扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室／农业部长江中下游作物生理生态与栽培重点开放实验室，江苏扬州 ２２５００９２．国家农业信息化工程技术研究中心，北京 １０００９７
摘 要 为进一步评价遥感监测紧凑型玉米叶绿素荧光参数Ｆｖ／Ｆｍ的可行性，通过开展小区紧凑型玉米试验，分析紧凑型玉米整个生育期Ｆｖ／Ｆｍ与高光谱植被指数的相关关系，建立紧凑型玉米Ｆｖ／Ｆｍ高光谱监测模型。结果表明，紧凑型玉米Ｆｖ／Ｆｍ与选取的高光谱植被指数均呈极显著正相关，其中结构敏感色素指数（ＳＩＰＩ）与Ｆｖ／Ｆｍ的相关性最好，相关系数（ｒ）为０．８８。用ＳＩＰＩ建立紧凑型玉米Ｆｖ／Ｆｍ的监测模型，其决定系
数（Ｒ２
）为０．８１２
６，均方根误差（ＲＭＳＥ）为０．０８２。研究表明，利用高光谱植被指数可以有效地监测紧凑型玉米整个生育期的Ｆｖ／Ｆｍ。
关键词 高光谱植被指数；Ｆｖ／Ｆｍ；监测模型；紧凑型玉米
中图分类号：Ｓ１２７ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ
．ｉｓｓｎ．１０００－０５９３（２０１２）０５－１２８７－０５ 收稿日期：２０１１－１０－３０，修订日期：２０１２－０１－
２５ 基金项目：国家自然科学基金项目（
４０８０１１２２，４１１０１３９５），江苏高校优势学科建设工程项目和公益性行业（农业）科研专项经费项目（２００８０３０３７
）资助 作者简介：谭昌伟，１９８０年生，扬州大学农学院讲师 ｅ－ｍ
ａｉｌ：ｔａｎｗｅｉ０１０＠１２６．ｃｏｍ＊通讯联系人 ｅ－ｍａｉｌ：ｇ
ｕｏｗｓ＠ｙｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ引 言
国内外大量的研究表明，叶绿素荧光（ｃｈｌｏｒｏｐｈｙ
ｌｌ ｆｌｕｏ－ｒｅｓｃｅｎｃｅ，ＣＦ）作为光合作用的指示性探针，已被广泛应用于光合作用机理研究、分析植物对环境胁迫的响应机理和探测
植物体内光合器官运转状况等［
１－
３］。随着高光谱遥感技术的迅速发展，其很快的被广泛应用到农业的品质鉴定、估产和
病虫害等各方面。Ｗｒｉｇｈｔ［４］和王纪华等［５］
对小麦的蛋白质品质进行了研究；Ｗｉｍ等［６］利用ＴＭ影像数据源，使用影像融
合技术重新构建了ＮＰＰ估产模型，分别对小麦和水稻进行
估产，任建强等［７］
使用ＭＯＤＩＳ数据源、ＣＡＳＡ模型对黄淮
海平原的冬小麦进行估产并取得了较好的效果；Ｂｒｏｎｓｏｎ［８］和Ｈａｎｓｅｎ等［９］对作物的氮素含量和氮素利用率、Ｆｅｎｓｈｏｌｔ等［１０
］对叶面积指数（ＬＡＩ
）进行了研究；在作物的病害方面：Ａｄａｍｓ等
［１１］
分别对大豆和蚕豆斑点葡萄孢子病和大豆黄痿
病进行了研究，并建立相关的评估指标。然而对于叶绿素荧光参数与光谱植被指数关系的研究鲜见报道。本工作以紧凑型玉米（以下称为玉米）作为研究对象，利用获取的叶绿素荧光参数与植被指数，构建以光谱植被指数为支撑的叶绿素荧光参数的遥感监测模型，实时准确获取玉米的叶绿素荧光参数信息。
１ 实验部分
１．１ 试验设计
２０１０年７月至９月间试验在扬州大学试验农场（１１９°１８′
Ｅ，３２°２６′Ｎ）
开展，供试品种为３个紧凑型品种（系）：农华８号、金海５号和郑单９５８。对玉米冠层进行了光谱测量和光合有效辐射测定。为了在田间栽培条件下更大范围地表现出玉米长势差异和生化组分变异，于拔节期安排了一个从不施
氮到施重氮（级差４５０ｋｇ，０～９００ｋｇ
·ｈａ－１
）３个氮肥水平处理，即Ｎ１：不施氮肥；Ｎ３：施氮４５０ｋｇ·ｈａ－１
；Ｎ４：施氮９００ｋｇ
·ｈａ－１
，使之表现为缺氮、适量氮、过量氮。３次重复，行距×株距为７０ｃｍ×６０ｃｍ，每区面积为２０ｍ×２０ｍ。
常规水分管理。１．２ 光谱测试
分别在玉米拔节期（７月２３日）、喇叭口期（８月７日）、吐丝期（８月２９日）、乳熟期（９月５日）
进行４次光谱测定。采用美国ＡＳＤ Ｆｉｅｌｄｓｐ
ｅｃ ＦＲ２
５００型野外光谱辐射谱仪，光谱范围３５０～２ ５００ｎｍ，分辨率在３５０～１ ０００ｎｍ光谱区为１．４ｎｍ，１ ０００～２
５００ｎｍ区为２ｎｍ，光谱重采样间隔为１ｎｍ。在晴朗无云、北京时间１０：３０～１４：００，选择代表性植株进行测定，测定前后用参考板标定，测定时传感器探头向下，距
冠层垂直高度１．５ｍ，传感器视场角为２５°。测量扫描时间为０．２ｓ，重复１０次，取其平均值作为该样点冠层的光谱反射率。
光谱平滑可除去光谱信号中高频噪声的干扰以及光谱测量仪引起的随机误差，提高信噪比。采用五点加权平滑法对原始光谱数据进行平滑处理，五点加权平滑法计算公式为［１２］
ｎ＝
ｍ－２
４
＋
ｍ－１
４
＋
ｍ
１
＋
ｍ１
２
＊
ｍ２
（）４／２５（１）
式中，ｎ为过滤窗口中间数据点的加权均值，即平滑后的光谱值；ｍ为平滑前数据点的值，即原始光谱值。
１．３ 叶绿素荧光参数Ｆｖ／Ｆｍ测量
每次光谱测定后的玉米叶片，用调制式荧光仪ＯＳ１－ＦＬ（Ｏｐｔｉ－Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｔｙｎｇｓｂｏｒｏ，ＭＡ，ＵＳＡ）测定与反射率相同部位叶片的叶绿素荧光参数。首先用暗适应夹将叶片暗适应１０ｍｉｎ，然后测定ＰＳⅡ原初光能转化效率Ｆｖ／Ｆｍ，每次测定重复９次，其计算公式为
Ｆｖ／Ｆｍ＝（Ｆｍ－Ｆｏ）／Ｆｍ（２） 式中，Ｆｏ为暗适应条件下的基础荧光值；Ｆｍ为暗适应条件下的最大荧光值；Ｆｖ为可变条件下的荧光值。
２ 结果与讨论
２．１ 玉米生育期内光谱值和Ｆｖ／Ｆｍ的变化
从图１中可以得出玉米从７月２３日到９月５日在可见光的绿光波段光谱值的大小顺序为８月２９日＞８月７日＞９月５日＞７月２３日，在可见光波段中红光和蓝光光谱值的大小顺序恰好相反为７月２３日＞９月５日＞８月７日＞８月２９日，主要是由于在可见光波段叶绿素反射绿光而吸收红和蓝光。拔节期玉米的叶片叶绿素含量少，随着生育期的推进叶绿素含量逐渐增加，到乳熟期玉米叶片开始失绿发黄，叶绿素含量开始下降。在近红外波段其光谱值的大小顺序为８月２９日＞８月７日＞９月５日＞７月２３日，主要是由于随着玉米生育期的推进，叶片层数逐渐增加，反射率逐渐增加，但到吐丝期玉米叶片开始失绿发黄，光谱反射率逐渐降低，叶片层数也逐渐减少。
图２说明随着玉米生育期推进，Ｆｖ／Ｆｍ呈先增后减趋势，在８月２９日Ｆｖ／Ｆｍ达到最大值，其值为０．８５。吐丝期之前，叶片叶绿素含量逐渐增加，Ｆｖ／Ｆｍ随之增加，到乳熟期玉米叶片开始失绿发黄，叶片叶绿素含量逐渐减少，Ｆｖ／Ｆｍ随之降低。
综合图１和图２，随着玉米生育期的推进叶片叶绿素含量和叶片层数逐渐增加，在近红外波段的反射率和Ｆｖ／Ｆｍ也逐渐增加
。
Ｆｉｇ．１ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ｓｐｅｃｔｒａ
ｏｆ ｃｏｒｎ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇｒｏｗｔｈ ｓｔａｇｅ
ｓ
Ｆｉｇ．２ Ｃｈａｎｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｆｖ／Ｆｍｆｏｒ ｓｕｍｍｅｒ
ｃｏｒｎ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇｒｏｗｔｈ ｓｔａｇｅｓ
２．２ 植被指数的选择和相关性分析
根据前人研究，结合玉米光谱和叶绿素荧光特性，选择常用的６个植被指数（表１）。
Ｔａｂｌｅ １ Ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｉｎｄｉｃｅｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ
Ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ结构敏感色素指数ＳＩＰＩ ＳＩＰＩ＝（Ｒ８００－Ｒ４４５）／（Ｒ８００－Ｒ６８０）Ｐｅｎｕｅｌａｓ ｅｔ ａｌ．（１９９５）最优土壤调节植被指数ＯＳＡＶＩ ＯＳＡＶＩ＝１．１６×（Ｒ８００－Ｒ６７０）／（Ｒ８００－Ｒ６７０＋０．１６）Ｒｏｎｄｅａｕｘ ｅｔ ａｌ．（１９９５）归一化差值植被指数ＮＤＶＩ ＮＤＶＩ＝（Ｒ８９０－Ｒ６７０）／（Ｒ８９０＋Ｒ６７０）Ｒｏｕｓｅ ｅｔ ａｌ．（１９７３）绿度植被指数ＧＲＥＥＮＮＤＶＩ ＧＲＥＥＮＮＤＶＩ＝（Ｒ７５０－Ｒ５５０）／（Ｒ７５０＋Ｒ５５０）Ｂａｒｅｔ ｅｔ ａｌ．（１９９１）转换叶绿素吸收反射指数ＴＣＡＲＩ ＴＣＡＲＩ＝３×［（Ｒ７１０－Ｒ６８０）－０．２×（Ｒ７００－Ｒ５６０）（Ｒ７１０／Ｒ６８０）］Ｄａｕｇｈｔｒｙ ｅｔ ａｌ．（２０００）叶绿素含量指数ＣＣＩＩ ＣＣＩＩ＝（３＊（Ｒ７００－０．２＊（Ｒ７００－Ｒ５５０）＊Ｒ７００／Ｒ６７０））／（１．１６＊（Ｒ８００－Ｒ６７０）／（Ｒ８００＋Ｒ６７０＋０．１６）Ｄｒｉｓｓ ｅｔ ａｌ．（２００２）
从表２可知，Ｆｖ／Ｆｍ与光谱植被指数间存在极显著的相关性，相关性最好的是ＳＩＰＩ，ｒ为０．８８，其次是ＧＲＥＥＮＮＤ－ＶＩ，ｒ为０．８５，转换ＴＣＡＲＩ和ＣＣＩＩ的ｒ分别为０．８３３和０．８２９。表２中相关性大小的顺序是ＳＩＰＩ＞ＧＲＥＥＮＮＤＶＩ＞
８
８
２
１光谱学与光谱分析 第３２卷
ＴＣＡＲＩ＞ＣＣＩＩ＞ＯＳＡＶＩ＞Ｎ
ＤＶＩ。从这个相关性的顺序来看ＯＳＡＶＩ可以减少环境因素对ＮＤＶＩ的影响。
为了选择Ｆｖ／Ｆｍ的最佳估算方程，分别对所有植被指数进行回归分析
（图３
）。Ｔａｂｌｅ ２ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃｏｒｎ Ｆｖ／Ｆｍｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｐ
ｅｃｔｒａｌ ｉｎｄｉｃｅｓ（ｎ＝３６）Ｖｅｇ
ｅｔａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ ＳＩＰＩ ＯＳＡＶＩ ＮＤＶＩ ＧＲＥＥＮＮＤＶＩ ＴＣＡＲＩ ＣＣＩＩＣｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎ（ｒ）０．８８＊＊
０．７５＊＊
０．７１＊＊
０．８５＊＊
０．８３３＊＊
０．８２９＊＊
＊＊：ｐ＜０
．０
１Ｆｉｇ．３ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｖｅｇ
ｅｔａｔｉｏｎ ｉｎｄｉｃｅｓ ａｎｄ Ｆｖ／Ｆｍ 从图３可知，分别用ＳＩＰＩ，ＯＳＡＶＩ，ＮＤＶＩ，ＧＲＥＥＮＮＤ－
ＶＩ，ＴＣＡＲＩ和ＣＣＩＩ建立的Ｆｖ／Ｆｍ回归方程为ｙ＝０．３２２ １ｌｎ（ｘ）＋０．７３，ｙ＝０．２４７ ４ｌｎ（ｘ）＋０．７３０ ４，ｙ＝０．６０７ ９ｘ＋０．３１８ ６，ｙ＝０．５７２７ｌｎ（ｘ）＋０．９３８ ２，ｙ＝０
．２６９ ７ｌｎ（ｘ）－０．０５６和ｙ＝０．３０４ ９ｌｎ（ｘ）－０．１５３
１，决定系数（Ｒ２
）分别为０．８１２ ６，０．５７２ ５，０．５０４ ９，０．７３１，０．７１６和０．７１９
７。虽然表２中ＴＣＡＲＩ和ＣＣＩＩ的ｒ非常接近，但从图３中可知
ＴＣＡＲＩ建立的Ｆｖ／Ｆｍ回归方程的Ｒ
２
为０．７１６，小于用ＣＣＩＩ建立的Ｆｖ／Ｆｍ回归方程的Ｒ２
即为０．７１９
７，由此说明，ｒ接近的情况下，ｒ大的方程效果未必比ｒ小的好。
进一步分析可知，图３中的ＳＩＰＩ对Ｆｖ／Ｆｍ回归方程在玉米前期拟合效果不显著，主要由于前期玉米叶片的叶绿素含量相对较低，随着玉米生育期推进和后期及时对玉米进行施肥，叶绿素含量增加，其回归方程的拟合效果逐渐增强，但乳熟期玉米叶片开始失绿发黄，叶片叶绿素含量逐渐减少，拟合效果又开始变差，但从６个植被指数的拟合效果来说，ＳＩＰＩ对Ｆｖ／Ｆｍ拟合效果最好。对比分析图３中的Ｏ
ＳＡＶＩ和ＮＤＶＩ对Ｆｖ／Ｆｍ回归方程可知，前期获取的数据Ｏ
ＳＡＶＩ９
８２１第５期 光谱学与光谱分析
比ＮＤＶＩ对Ｆｖ／Ｆｍ拟合效果要好，主要原因是ＯＳＡＶＩ对土壤因素的影响最小，而土壤因素对ＮＤＶＩ影响很大，导致前
期的ＮＤＶＩ分布较分散。大于０．７５的ＧＲＥＥＮＮＤＶＩ对Ｆｖ／Ｆｍ的拟合效果较好，小于０．７５的拟合效果不显著，主要也是受到土壤因素对ＧＲＥＥＮＮＤＶＩ影响，但影响效果没有ＮＤＶＩ大。ＴＣＡＲＩ和ＣＣＩＩ对Ｆｖ／Ｆｍ拟合效果较好，其共性是小于２１的数据拟合效果不显著，这主要是由于受到前期叶绿素浓度的影响。这６个植被指数对Ｆｖ／Ｆｍ拟合效果的顺序是ＳＩＰＩ＞ＧＲＥＥＮＮＤＶＩ＞ＣＣＩＩ＞ＴＣＡＲＩ＞ＯＳＡＶＩ＞ＮＤ－ＶＩ。与相关性大小的顺序对比可以看出，顺序颠倒的是ＣＣＩＩ
和ＴＣＡＲＩ，其他顺序不变。２．３ 模型验证
从图４可知，Ｆｖ／Ｆｍ
估算值和实测值间存在很好的相关
Ｆｉｇ．４ Ｃｏｍｐ
ａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｅｄ Ｆｖ／Ｆｍａｎｄ ｅｓｔｉｍａｔｅｄ Ｆｖ
／Ｆｍ性，Ｒ２
为０．９２０
８，均方根误差（ＲＭＳＥ）为０．０８２，说明Ｆｖ／Ｆｍ的实测值和估算值误差很小，Ｆｖ／Ｆｍ值在０
．７～０．９时，用ＳＩＰＩ能准确地估算Ｆｖ／Ｆｍ。
３ 结 论
利用玉米群体光谱反射率和Ｆｖ
／Ｆｍ的实测数据，综合前人研究进展，结合玉米光谱特征，构造植被指数对玉米的Ｆｖ／Ｆｍ估算，得出以下结论。（１）随着玉米生育期的推进，玉米冠层Ｆｖ／Ｆｍ呈先增后减的趋势，在吐丝期达最大值，乳熟期开始减小。其玉米的光谱变化在可见光的绿光波段光谱值的大小顺序为８月２９日＞８月７日＞９月５日＞７月２３日，而对于可见光波段中红光和蓝光光谱值的大小顺序为７月２３日＞９月５日＞８月７日＞８月２９日，在近红外波段其光谱值的大小顺序为８月２９日＞８月７日＞９月５日＞７月２３日。
（２）选取的６个植被指数与Ｆｖ／Ｆｍ均呈极显著相关，其
中ＳＩＰＩ与Ｆｖ／Ｆｍ的相关性最高。
（３）建立了基于ＳＩＰＩ的Ｆｖ／Ｆｍ回归模型ｙ＝０．３２２
１ｌｎ（ｘ）＋０．７３，Ｒ２
为０．８１２ ６，ＲＭＳＥ为０．０８２，说明利用ＳＩ－
ＰＩ能准确地估算Ｆｖ／Ｆｍ。
由于试验数据为一年，所以其结果仍需在不同的大田环境下加以验证和完善。今后的工作是继续进行试验数据的积
累和Ｆｖ／Ｆｍ监测优化算法的研究，分析其他因素对Ｆｖ／Ｆｍ高光谱监测的影响，以期建立更加稳定的Ｆｖ／Ｆｍ高光谱监测模型。
Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ
［１］ ＺＨＡＮＧ Ｑｉ－ｄｅ，ＺＨＡＮＧ Ｊｉａｎ－ｈｕａ，ＬＩＵ Ｈｅ－ｑ
ｉｎ，ｅｔ ａｌ（张其德，张建华，刘合芹，等）．Ｐｌａｎｔ Ｎｕｔｒｉｔｉｏｎ ａｎｄ Ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ（植物营养与肥料学报），２０００，６（１）：２４．
［２］ ＣＡＯ Ｃｕｉ－ｌｉｎｇ，ＬＩ Ｓｈｅｎｇ－ｘｉｕ（曹翠玲，李生秀）．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ ｏｆ Ｂｏｔａｎｙ
（植物学通报），２００３，２０（３）：３１９．［３］ ＭＯＵ Ｈｕｉ－ｒｏｎｇ，ＪＩＡＮＧ Ｄｏｎｇ，ＤＡＩ Ｔｉｎｇ－ｂｏ，ｅｔ ａｌ（牟会荣，姜 东，戴廷波，等）．Ｓｃｉｅｎｔｉａ Ａｇ
ｒｉｃｕｌｔｕｒａ Ｓｉｎｉｃａ（中国农业科学），２００８，４１（２）：５９９．
［４］ Ｗｒｉｇｈｔ Ｊ Ｄ Ｌ，Ｒｉｔｃｈｉｅ Ｇ，Ｒａｓｍｕｓｓｅｎ Ｖ Ｐ，ｅｔ ａｌ．Ｈｙａｔｔ Ｒｅｇｅｎｃｙ
Ａｌｂｕｑｕｅｒｑｕｅ．Ｎｅｗ Ｍｅｘｉｃｏ，２００３．［５］ Ｗａｎｇ
Ｊ Ｈ，Ｈｕａｎｇ Ｗ Ｊ，Ｚｈａｏ Ｃ Ｊ，ｅｔ ａｌ．Ｔｈｅ ９ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｓｉｇｎａｔｕｒｅｓ ｉｎ Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ，２００５，７２２：７２４．
［６］ Ｗｉｍ Ｇ Ｍ Ｂ，Ｓａｍｉａ Ａ．Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，Ｅｃｏｓｙ
ｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，２００３，９４：３２２．［７］ ＲＥＮ Ｊｉａｎ－ｑｉａｎｇ，ＬＩＵ Ｘｉｎｇ－ｒｅｎ，ＣＨＥＮ Ｚｈｏｎｇ－ｘｉｎ，ｅｔ ａｌ（任建强，刘杏认，陈仲新，等）．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ
（应用生态学报），２００９，２０（４）：８７６．
［８］ Ｂｒｏｎｓｏｎ Ｋ Ｅ，Ｃｈｕａ Ｔ Ｌ，Ｂｏｏｋｅｒ Ｊ Ｄ，ｅｔ ａｌ．Ｓｏｉｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ Ｊｏｕｒｎａｌ，２００３，６７：１４３９．［９］ Ｈａｎｓｅｎ Ｐ Ｍ，Ｓｃｈｊｏｅｒｒｉｎｇ Ｊ Ｋ．Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ
ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，２００３，８６：５４２．［１０］ Ｆｅｎｓｈｏｌｔ Ｒ，Ｓａｎｄｈｏｌｔ Ｉ，Ｒａｓｍｕｓｓｅｎ Ｍ Ｓ．Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ
ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，２００４，９１：４９０．［１１］ Ａｄａｍｓ Ｍ Ｌ，Ｐｈｉｌｐｏｔ Ｗ Ｄ，Ｎｏｒｖｅｌｌ Ｗ Ａ，ｅｔ ａｌ．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ，１９９９，２０（１８）：３６６３．［１２］ Ｓｍｉｔｈ Ｋ Ｌ，Ｓｔｅｖｅｎ Ｍ Ｄ，Ｃｏｌｌｓ Ｊ Ｊ．Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ
ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，２００４，９２：２０７．０
９２１光谱学与光谱分析 第３２卷
Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ
ｔｈｅ Ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｆｖ／Ｆｍｉｎ ＣｏｍｐａｃｔＣｏｒｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌ Ｖｅｇ
ｅｔａｔｉｏｎ ＩｎｄｉｃｅｓＴＡＮ Ｃｈａｎｇ－ｗｅｉ １，ＨＵＡＮＧ Ｗｅｎ－ｊｉａｎｇ２，ＪＩＮ Ｘｉｕ－ｌｉａｎｇ１，ＷＡＮＧ
Ｊｕｎ－ｃｈａｎ１，ＴＯＮＧ Ｌｕ１，ＷＡＮＧ Ｊｉ－ｈｕａ２，ＧＵＯ Ｗｅｎ－ｓｈａｎ１＊
１．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｒｏｐ Ｇｅｎｅｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｊｉａｎｇｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ／Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｒｏｐ Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ，Ｅｃｏｌｏｇｙ
ａｎｄ Ｃｕｌｔｉ－ｖａｔｉｏｎ ｉｎ Ｍｉｄｄｌｅ ａｎｄ Ｌｏｗｅｒ Ｒｅａｃｈｅｓ ｏｆ Ｙａｎｇｔｓｅ Ｒｉｖｅｒ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ ２２５００９，Ｃｈｉｎａ
２．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｉｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００９７，ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｆｕｒｔｈｅｒ ａｓｓｅｓｓ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ
ｔｈｅ ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｆｖ／Ｆｍｉｎ ｃｏｍｐａｃｔ ｃｏｒｎｂｙ ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｄａｔａ，ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｔｕｄｙ，ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｉｎｄｉｃｅｓ ｆｒｏｍｉｎ－ｓｉｔｕ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ
ｍｅａｓ－ｕｒｅｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｕｔｉｌｉｚｅｄ ｔｏ ｍｏｎｉｔｏｒ ｔｈｅ ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｆｖ／Ｆｍｍｅａｓｕｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｃｔ ｃｏｒｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｉｎｄｉｃｅｓ ａｎｄ Ｆｖ／Ｆｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ
ｍｏｄｅｌｓ ｗｅｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｆｏｒＦｖ／Ｆｍｉｎ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｇｒｏｗｔｈ ｓｔａｇｅｓ ｏｆ ｃｏｍｐａｃｔ ｃｏｒｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ Ｆｖ／Ｆｍｗａｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｈｙｐｅｒ－ｓｐｅｃｔｒａｌ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｉｎｄｉｃｅｓ．Ａｍｏｎｇ ｔｈｅｍ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ－ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｐｉｇｍｅｎｔ ｉｎｄｅｘ（ＳＩＰＩ）ｗａｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ
ｖａｒｉａ－ｂｌｅ ｆｏｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｆｖ／Ｆｍｗｉｔｈ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ（ｒ）ｏｆ ０．８８．Ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ
ｍｏｄｅｌ ｏｆ Ｆｖ／Ｆｍｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｏｆＳＩＰＩ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ（ｒ２
）ａｎｄ ｔｈｅ ｒｏｏｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ ｅｒｒｏｒｓ（ＲＭＳＥ）ｗｅｒｅ ０．８１２ ６ａｎｄ ０．０８２ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ
．Ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｕｇｇｅｓｔ ｔｈａｔ ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｉｎｄｉｃｅｓ ｃａｎ ｂｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ ｔｏ ｍｏｎｉｔｏｒ Ｆｖ／Ｆｍｄｕｒｉｎｇ
ｇｒｏｗｔｈ ｓｔａ－ｇｅｓ ｏｆ ｃｏｍｐ
ａｃｔ ｃｏｒｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ；Ｆｖ／Ｆｍ；Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ
ｍｏｄｅｌ；Ｃｏｍｐａｃｔ ｃｏｒｎ（Ｒｅｃｅｉｖｅｄ Ｏｃｔ．３０，２０１１；ａｃｃｅｐ
ｔｅｄ Ｊａｎ．２５，２０１２） ＊Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ
ａｕｔｈｏｒ１
９２１第５期 光谱学与光谱分析
叶绿素荧光参数及意义
第一节 叶绿素荧光参数及其意义 韩志国，吕中贤（泽泉开放实验室，上海泽泉科技有限公司，上海，200333） 叶绿素荧光技术作为光合作用的经典测量方法，已经成为藻类生理生态研究领域功能最强大、使用最 广泛的技术之一。由于常温常压下叶绿素荧光主要来源于光系统II 的叶绿素a ，而光系统II 处于整个光合 作用过程的最上游，因此包括光反应和暗反应在内的多数光合过程的变化都会反馈给光系统II ，进而引起 叶绿素a 荧光的变化，也就是说几乎所有光合作用过程的变化都可通过叶绿素荧光反映出来。与其它测量 方法相比，叶绿素荧光技术还具有不需破碎细胞、简便、快捷、可靠等特性，因此在国际上得到了广泛的 应用。 1 叶绿素荧光的来源 藻细胞内的叶绿素分子既可以直接捕获光能，也可以间接获取其它捕光色素（如类胡萝卜素）传递来 的能量。叶绿素分子得到能量后，会从基态（低能态）跃迁到激发态（高能态）。根据吸收的能量多少， 叶绿素分子可以跃迁到不同能级的激发态。若叶绿素分子吸收蓝光，则跃迁到较高激发态；若叶绿素分析 吸收红光，则跃迁到最低激发态。处于较高激发态的叶绿素分子很不稳定，会在几百飞秒（fs ，1 fs=10－15 s ）内通过振动弛豫向周围环境辐射热量，回到最低激发态（图1）。而最低激发态的叶绿素分子可以稳定 存在几纳秒（ns ，1 ns=10－9 s ）。 波长吸收荧光红 B 蓝 荧光 热耗散 最低激发态较高激发态基态吸收蓝光吸收红光能量A 图1 叶绿素吸收光能后能级变化（A ）和对应的吸收光谱（B ）（引自韩博平 et al., 2003） 处于最低激发态的叶绿素分子可以通过几种途径（图2）释放能量回到基态(韩博平 et al., 2003; Schreiber, 2004)：1）将能量在一系列叶绿素分子之间传递，最后传递给反应中心叶绿素a ，用于进行光化 学反应；2）以热的形式将能量耗散掉，即非辐射能量耗散（热耗散）；3）放出荧光。这三个途径相互竞 争、此消彼长，往往是具有最大速率的途径处于支配地位。一般而言，叶绿素荧光发生在纳秒级，而光化 学反应发射在皮秒级（ps ，1 ps=10－12 s ），因此在正常生理状态下（室温下），捕光色素吸收的能量主要用 于进行光化学反应，荧光只占约3%～5%(Krause and Weis, 1991; 林世青 et al., 1992)。 在活体细胞内，由于激发能从叶绿素b 到叶绿素a 的传递几乎达到100％的效率，因此基本检测不到 叶绿素b 荧光。在常温常压下，光系统I 的叶绿素a 发出的荧光很弱，基本可以忽略不计，对光系统I 叶 绿素a 荧光的研究要在77 K 的低温下进行。因此，当我们谈到活体叶绿素荧光时，其实指的是来自光系 统II 的叶绿素a 发出的荧光。
荧光分析法检测原理及应用举例
1 荧光定义 某些化学物质从外界吸收并储存能量而进入激发态，当其从激发态回到基态时，过剩的能量以电磁辐射的形式放射出去即发光，称之为荧光。可产生荧光的分子或原子在接受能量后引起发光，供能一旦停止，荧光现象随之消失。 2 荧光分类 由化学反应引起的荧光称为化学荧光，由光激发引起的荧光称为光致荧光，课题主要研究光致荧光。按产生荧光的基本微粒不同，荧光可分为原子荧光、X 射线荧光和分子荧光，课题主要研究分子荧光。 3 光致荧光机理 某一波长的光照射在分子上，分子对此光有吸收作用，光能量被分子所吸收，分子具有的能量使分子的能级由最低的基态能级上升至较高的各个激发态的不同振动能级，称为跃迁。分子在各个激发态处于不稳定的状态，并随时在激发态的不同振动能级下降至基态，在下降过程中，分子产生发光现象，此过程为释放能量的过程，即为光致荧光的机理。光致荧光的过程按照时间顺序可分为以下几部分。 分子受激发过程 在波长为10~400nm的紫外区或390~780nm的可见光区，光具有较高的能量，当某一特征波长的光照射分子时，是的分子会吸收此特征波长的光能量，能量由光传递到分子上，此过程为分子受激发过程。分子中的电子会出现跃迁过程，在稳定的基态向不稳定的激发态跃迁。跃迁所需要的能量为跃迁前后两个能级的能量差，即为吸收光的能量。分子跃迁至不稳定的激发态中即为电子激发态分子。 在电子激发态中，存在多重态。多重态表示为2S+1。S为0或1，它表示电子在自转过程中，具有的角动量的代数和。S=0表示所有电子自旋的角动量代数和为0，即所有电子都是自旋配对的，那么2S+1=1，电子所处的激发态为单重态， 用S i 表示，由此可推出，S 即为基态的单重态，S 1 为第一跃迁能级激发态的单重 态，S 2 为第二跃迁能级激发态的单重态。S=1表示电子的自旋方向不能配对，说明电子在跃迁过程中自旋方向有变化，存在不配对的电子为2个，2S+1=3，电子 在激发态中位于第三振动能级，称为三重态，用T i 来表示，T 1 即为第一激发态中 的三重态，T 2 即为第二激发态中的三重态，以此类推。
部分叶绿素荧光动力学参数的定义
部分叶绿素荧光动力学参数的定义： F0：固定荧光，初始荧光(minimalfluorescence)。也称基础荧光，0水平荧光，是光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心处于完全开放时的荧光产量，它与叶片叶绿素浓度有关。 Fm：最大荧光产量(maximalfluorescence)，是PSⅡ反应中心处于完全关闭时的荧光产量。可反映经过PSⅡ的电子传递情况。通常叶片经暗适应20 min后测得。 F：任意时间实际荧光产量(actualfluorescence intensity at any time)。 Fa：稳态荧光产量(fluorescence instable state)。 Fm/F0：反映经过PSⅡ的电子传递情况。 Fv=Fm-F0：为可变荧光(variablefluorescence)，反映了QA的还原情况。 Fv/Fm：是PSⅡ最大光化学量子产量(optimal/maximal photochemical efficiency of PSⅡin the dark)或(optimal/maximalquantum yield of PSⅡ)，反映PSⅡ反应中心内禀光能转换效率(intrinsic PSⅡefficiency)或称最大PSⅡ的光能转换效率(optimal/maximalPSⅡefficiency)，叶暗适应20 min后测得。非胁迫条件下该参数的变化极小，不受物种和生长条件的影响，胁迫条件下该参数明显下降。 Fv’/Fm’：PSⅡ有效光化学量子产量(photochemicalefficiency of PSⅡin the light)，反映开放的PSⅡ反应中心原初光能捕获效率，叶片不经过暗适应在光下直接测得。 (Fm’-F)/Fm’或△F/Fm’：PSⅡ实际光化学量子产量(actual photochemical efficiency of PSⅡin the light)(Bilger和Bjrkman,1990),它反映PSⅡ反应中心在有部分关闭情况下的实际原初光能捕获效率,叶片不经过暗适应在光下直接测得。 荧光淬灭分两种:光化学淬灭和非光化学淬灭。光化学淬灭：以光化学淬灭系数代表：qP=(Fm’-F)/(Fm’-F0’)；非光化学淬灭，有两种表示方法，NPQ=Fm/Fm’-1或qN=1-(Fm’-F0’)/(Fm-F0)=1-Fv’/Fv。 表观光合电子传递速率以[(Fm’-F)Fm’]×PFD表示，也可写成：△F/Fm’×PFD×0.5×0.84，其中系数0.5是因为一个电子传递需要吸收2个量子，而且光合作用包括两个光系统，系数0.84表示在入射的光量子中被吸收的占84%，PFD是光子通量密度；表观热耗散速率以(1-Fv’/Fm’)×PFD表示。 Fmr：可恢复的最大荧光产量，它的获得是在荧光P峰和M峰后，当开放的PSⅡ最大荧光产量平稳时，关闭作用光得到F0’后，把饱和光的闪光间隔期延长到180s/次，得到一组逐渐增大(对数增长)的最大荧光产量，将该组最大荧光产量放在半对数坐标系中即成直线，该直线在Y轴的截距即为Fmr。以(Fm-Fmr)/Fmr可以反映不可逆的非光化学淬灭产率，即发生光抑制的可能程度。 FO(初始荧光),Fm(最大荧光),Fv= Fm-FO(可变荧光),Fv /Fm(PSII最大光化学效率或原初光能转换效率),Fv /FO(PSII的潜在活性),Yield(PSII总的光化学量子产额),ETR(表观电子传递速率),PAR(光合有效辐射),LT(叶面温度)。其中FO、Fm、Fv /FO测定前将叶片暗适应20 min。各参数日变化从6: 00～18: 00,每2h测定一次。 （Fv /Fm）和（Fv /FO）分别用于度量植物叶片PSII原初光能转换效率和PSII潜在活性,-（Yield）是PSII的实际光化学效率,反映叶片用于光合电子传递的能量占所吸收光能的比例,是PSII反应中心部分关闭时的光化学效率,其值大小可以反映PSII反应中心的开放程度。常用来表示植物光合作用电子传递的量子产额,可作为植物叶片光合电子传递速率快慢的相对指标。即在光合作用进程中,PSII每获得一个光量子所能引起的总的光化学反应。因此,较高的Yield值,有利于提高光能转化效率,为暗反应的光合碳同化积累更多所需的能量,以促进碳同化的高效运转和有机物的积累。同样毛蕊红山茶和长毛红山茶的Yield值也较高。
YSI(多参数水质检测仪)测定叶绿素a浓度的准确性及误差探讨解析
上肠ｋｓｄ．（湖泊科学），２０１０，２２（６）：９６５－９６８ ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ．ｊｌａｋｅｓ．ｏｒｇ．Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｈｋ∞＠ＩｌｉｇＩａｓ．ａｃ．ｃｎ ＠２０ｌＯｂｙ如￡册耐矿ｋｋｓｃ泐鲫 ＹＳＩ（多参数水质检测仪）测定叶绿素ａ浓度的准确性及误差探讨‘刘苑１”，陈宇炜Ｈ。，邓建明１’２ （１：中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室，南京２１０００８） （２：中国科学院研究生院，北京ｌｏ００４９） 摘要：Ｙｓｌ（多参数水质检测仪）由于其快速、轻便的特点，已广泛应用于野外水体中时绿素ａ的测定．通过将Ｙ跚溯得的叶绿素ａ值与分光光度法测定值进行比较，对Ｙｓｌ６６００水质测定的准确性和数据采集进行评估．结果显示，Ｙｓｌ测定值多数偏低。且与分光光度法测定值之间存在显著性差异；时间上，冬季比夏季具有更大的线性相关性．分段同归结果显示，随着叶绿素ａ浓度不断增大．两组数据的差值也不断增大．ＹｓＩ测定误差产生于３个方面：（１）测定前ＹｓＩ校准方法的不同；（２）其它种类具有荧光特性色素的存在；（３）ＹｓＩ自身结构． 关键词：叶绿素ａ浓度；ＹＳＩ；分光光度法；误差 ＤｉｓＣｕｓｓｉＯｎ０ｎａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｅｒｒＯｒＳｆｏｒｐｈｙｔｏｐＩａｎＩ∞ｎｃｈｌｏｒｏｐｈｙ¨－ａｃｏｎｃｅｎｔｒａ埘０ｎａｎａＩｙＳｉＳｕｓｉｎｇＹＳｌ（ＭｕＩｔＩ－ｐａｒａｍｅｔｅｒｗａｔｅｒａｎａｌｙｚｅｒ） Ｕ［ＵＹｕ觚１ｒ，Ｃ胍ＮＹｈｗｅｉｌ＆ＤＥＮＧＪｉ柚ｍｉｎ９１．２ 巧ｓｃｉｅ，ｌｃｅｓ．Ｎｎ嘲ｉ他２、０００ｓ．Ｐ．Ｒｃｈｔ舱）（１：胁把研ｋ幻加ｆｏ秽巧上４妇＆妇懈４耐勖佃研珊跏ｆ，觑ｌ咖ｇ肺咄姚可＆珊，印砂研ｄ肠彻咖，劭加甜ＰＡｃ扭娜（２：Ｇ，眦妇纪＆幻Ｄｚ盯ｃＪ咖ｅ卵Ａ棚ｄ唧矿＆￡伽，＆驴ｆ，增ｌ（－Ｄ０４９，Ｐ．尼西ｆ，埘） Ａｂｓｔ陀ｃｔ：ＹｓＩ（Ｍｌｌｌｔｉ?ｐａ强ｌｎ曲盱ｗａｌｅｒ锄ａｌｙ蹭ｒ）ｉｓ诵ｄｅｌｙｕｓｅｄｔｏ山把皿ｉ肿ｐｈｙｔｌＤｍ锄ｋｔｏｎ ６ｅＩｄｓｃｈｌ啪ｐｈｙｌｌ－ａｃｏｎｃｅｎｔｒ撕加ｉｎｍ蛐ｙｂｅｃ舢卵０ｆｉｔｓｒａｐｉｄｎｅ睇锄ｄｐｏｒｔａｂｌｅｎｅ鹄．Ｔｂｅｐｕ叩∞ｅ０ｆｔｌｌｉｓ咖由ｉ８ｔ０ｅｖａｌｕ砒ｅｔＩｌｅｅ伍ｃ卵ｙ０ｆｔ王ｌｅＹＳＩＥｎ“姒蛐ｅｎｔａｌＭｏ＿Ｉｌｉ试ｎｇｓｙｅ锄ｈｗ栅ｑＩｌａｌｉｔｙⅡ地ａ棚他眦“ｔｓａｎｄｄａｌａｃｏｕｅｃｔｉｏｎｂｙｃｏｍｐｆａｒｉＩｔｇｔｗ０ｇｒｏｕｐ邑０ｆｄａｌａ憾ｉｌｌｇ蚰啪ｌｔｏｒｙ耐｝
叶绿素荧光研究背景知识介绍
叶绿素荧光研究背景知识介绍 前言 近些年来，叶绿素荧光技术已经逐渐成为植物生理生态研究的热门方向。荧光数据是植物光合性能方面的必要研究内容。目前这种趋势由于叶绿素荧光检测仪的改进而得到发展。然而荧光理论和数据解释仍然比较复杂。就我们所了解的情况来看，目前许多研究者对荧光理论不是很清楚，仪器应用仅仅限于简单的数据说明的基础上，本文在此基础上，目的在于简单明晰地介绍相关理论和研究要点，以求简单明确地使用叶绿素荧光检测设备，充分分析实验数据，重点在于植物生理生态学技术的应用和限制。 荧光测量基础 植物叶片所吸收的光的能量有三个走向：光合驱动、热能、叶绿素荧光。三个过程之间存在竞争，其中任何一个效率的增加都将造成另外两个产量的下降。因此，测量叶绿素荧光产量，我们可以获得光化学过程与热耗散的效率的变化信息。尽管叶绿素荧光的总量很小(一般仅占叶片吸收光能总量的1-2%)，测量却非常简单。荧光光谱不同于吸收光谱，其波长更长，因此荧光测量可以通过把叶片经过给定波长的光线的照射，同时测量发射光中波长较长的部分光线的量来实现。有一点需要注意的是，这种测量永远是相对的，因为光线不可避免会有损失。因此，所有分析必须把数据进行标准化处理，包括其进一步计算的许多参数也是如此。 调制荧光仪的出现是荧光研究技术的革命性的创新。在这类仪器中，测量光源是调制(高频率开关)的，其检测器也被调谐来仅仅检测被测量光激发的荧光。因此，相对的荧光产量可以在背景光线(主要是指野外全光照的条件下)存在的条件下进行测量。目前绝大多数的荧光仪采用了调制系统，同时也强烈建议选择调制荧光仪(Kate Maxwell,2000)。 为什么荧光产量会发生改变？Kautsky效应和Beyond 叶绿素荧光产量的变化最早在1960年被Kautsky和其合作者发现。他们发现，当把植物叶片从黑暗中转入光下，荧光产量瞬间上升(大约在1秒左右)这种上升可以解释为光合途径中电子受体的还原(可接受电子的受体的减少)。一旦PSII吸收光能，初级电子受体Q A(质体醌)接受了电子，它将不能再接受电子，直到它把电子传递给下一级电子载体Q B。此期间，反应中心是关闭的，反应中心关闭的比
对于叶绿素荧光全方面的研究
对于叶绿素荧光全方面的研究 叶绿素荧光现象的发现 将暗适应的绿色植物突然暴露在可见光下后，植物绿色组织发出一种暗红色，强度不断变化的荧光。荧光随时间变化的曲线称为叶绿素荧光诱导动力学曲线。最直观的表现是，叶绿素溶液在透射光下呈绿色，在反射光下呈红色的现象。其本质是，叶绿素吸收光后，激发了捕光色素蛋白复合体，LHC将其能量传递到光系统2或光系统1，期间所吸收的光能有所损失，大约3%-9%的所吸收的光能被重新发射出来，其波长较长，即叶绿素荧光。 叶绿素荧光动力学研究的特点 1、叶绿素荧光动力学特性包含着光合作用过程的丰富信息 光能的吸收和转换 能量的传递与分配 反应中心的状态 过剩光能及其耗散 光合作用光抑制与光破坏 2、可以对光合器官进行“无损伤探查” 3、操作步骤简单快捷 光合作用的光抑制 光抑制是过剩光能造成光合功能下降的过程。过剩光能指植物所吸收的光能超出光化学反应所能利用的部分。过去人们把光抑制与光破坏等同起来，认为发生了光抑制就意味着光和机构遭到破坏。甚至把光抑制、光破坏、光氧化等，沦为一体。 光抑制的基本特征表现为： 光合效率下降说明叶片吸收的光能不能有效地转化为化学能。光破坏：PSII 是光破坏的主要场所，破坏也可能发生在反应中心也可能发生在与次级电子受体结合的蛋白上。发生光破坏后的结果：电子传递受阻、光合效率下降。当过剩的光能，不能及时有效地排散时，会对光合机构造成不可逆的伤害，如光氧化、光漂白等等。一切影响二氧化碳同化的外界因素，如低温、高温、水分亏缺、矿质元素亏缺等都会减少对光能的利用，导致过剩光能增加，进而加重光破坏。 植物防御破坏的措施 1、减少对光能的吸收 增加叶片的绒毛、蜡质 减少叶片与主茎夹角 2、增强代谢能力 碳同化 光呼吸 氮代谢 3、增加热耗散 依赖叶黄素循环的热耗散 状态转换 作用中心可逆失活 光合作用
利用高光谱植被指数监测紧凑型玉米叶绿素荧光参数F_v_F_m_谭昌伟
第３ ２卷，第５期 光谱学与光谱分析Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．５，ｐｐ １２８７－１２９１２ ０ １ ２年５月 Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｍａｙ，２ ０１２ 利用高光谱植被指数监测紧凑型玉米叶绿素荧光参数Ｆｖ ／Ｆｍ谭昌伟１，黄文江２，金秀良１，王君婵１，童 璐１，王纪华２，郭文善１＊ １．扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室／农业部长江中下游作物生理生态与栽培重点开放实验室，江苏扬州 ２２５００９２．国家农业信息化工程技术研究中心，北京 １０００９７ 摘 要 为进一步评价遥感监测紧凑型玉米叶绿素荧光参数Ｆｖ／Ｆｍ的可行性，通过开展小区紧凑型玉米试验，分析紧凑型玉米整个生育期Ｆｖ／Ｆｍ与高光谱植被指数的相关关系，建立紧凑型玉米Ｆｖ／Ｆｍ高光谱监测模型。结果表明，紧凑型玉米Ｆｖ／Ｆｍ与选取的高光谱植被指数均呈极显著正相关，其中结构敏感色素指数（ＳＩＰＩ）与Ｆｖ／Ｆｍ的相关性最好，相关系数（ｒ）为０．８８。用ＳＩＰＩ建立紧凑型玉米Ｆｖ／Ｆｍ的监测模型，其决定系 数（Ｒ２ ）为０．８１２ ６，均方根误差（ＲＭＳＥ）为０．０８２。研究表明，利用高光谱植被指数可以有效地监测紧凑型玉米整个生育期的Ｆｖ／Ｆｍ。 关键词 高光谱植被指数；Ｆｖ／Ｆｍ；监测模型；紧凑型玉米 中图分类号：Ｓ１２７ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ ．ｉｓｓｎ．１０００－０５９３（２０１２）０５－１２８７－０５ 收稿日期：２０１１－１０－３０，修订日期：２０１２－０１－ ２５ 基金项目：国家自然科学基金项目（ ４０８０１１２２，４１１０１３９５），江苏高校优势学科建设工程项目和公益性行业（农业）科研专项经费项目（２００８０３０３７ ）资助 作者简介：谭昌伟，１９８０年生，扬州大学农学院讲师 ｅ－ｍ ａｉｌ：ｔａｎｗｅｉ０１０＠１２６．ｃｏｍ＊通讯联系人 ｅ－ｍａｉｌ：ｇ ｕｏｗｓ＠ｙｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ引 言 国内外大量的研究表明，叶绿素荧光（ｃｈｌｏｒｏｐｈｙ ｌｌ ｆｌｕｏ－ｒｅｓｃｅｎｃｅ，ＣＦ）作为光合作用的指示性探针，已被广泛应用于光合作用机理研究、分析植物对环境胁迫的响应机理和探测 植物体内光合器官运转状况等［ １－ ３］。随着高光谱遥感技术的迅速发展，其很快的被广泛应用到农业的品质鉴定、估产和 病虫害等各方面。Ｗｒｉｇｈｔ［４］和王纪华等［５］ 对小麦的蛋白质品质进行了研究；Ｗｉｍ等［６］利用ＴＭ影像数据源，使用影像融 合技术重新构建了ＮＰＰ估产模型，分别对小麦和水稻进行 估产，任建强等［７］ 使用ＭＯＤＩＳ数据源、ＣＡＳＡ模型对黄淮 海平原的冬小麦进行估产并取得了较好的效果；Ｂｒｏｎｓｏｎ［８］和Ｈａｎｓｅｎ等［９］对作物的氮素含量和氮素利用率、Ｆｅｎｓｈｏｌｔ等［１０ ］对叶面积指数（ＬＡＩ ）进行了研究；在作物的病害方面：Ａｄａｍｓ等 ［１１］ 分别对大豆和蚕豆斑点葡萄孢子病和大豆黄痿 病进行了研究，并建立相关的评估指标。然而对于叶绿素荧光参数与光谱植被指数关系的研究鲜见报道。本工作以紧凑型玉米（以下称为玉米）作为研究对象，利用获取的叶绿素荧光参数与植被指数，构建以光谱植被指数为支撑的叶绿素荧光参数的遥感监测模型，实时准确获取玉米的叶绿素荧光参数信息。 １ 实验部分 １．１ 试验设计 ２０１０年７月至９月间试验在扬州大学试验农场（１１９°１８′ Ｅ，３２°２６′Ｎ） 开展，供试品种为３个紧凑型品种（系）：农华８号、金海５号和郑单９５８。对玉米冠层进行了光谱测量和光合有效辐射测定。为了在田间栽培条件下更大范围地表现出玉米长势差异和生化组分变异，于拔节期安排了一个从不施 氮到施重氮（级差４５０ｋｇ，０～９００ｋｇ ·ｈａ－１ ）３个氮肥水平处理，即Ｎ１：不施氮肥；Ｎ３：施氮４５０ｋｇ·ｈａ－１ ；Ｎ４：施氮９００ｋｇ ·ｈａ－１ ，使之表现为缺氮、适量氮、过量氮。３次重复，行距×株距为７０ｃｍ×６０ｃｍ，每区面积为２０ｍ×２０ｍ。 常规水分管理。１．２ 光谱测试 分别在玉米拔节期（７月２３日）、喇叭口期（８月７日）、吐丝期（８月２９日）、乳熟期（９月５日） 进行４次光谱测定。采用美国ＡＳＤ Ｆｉｅｌｄｓｐ ｅｃ ＦＲ２ ５００型野外光谱辐射谱仪，光谱范围３５０～２ ５００ｎｍ，分辨率在３５０～１ ０００ｎｍ光谱区为１．４ｎｍ，１ ０００～２ ５００ｎｍ区为２ｎｍ，光谱重采样间隔为１ｎｍ。在晴朗无云、北京时间１０：３０～１４：００，选择代表性植株进行测定，测定前后用参考板标定，测定时传感器探头向下，距
荧光总结
叶绿素中存在一定量的叶绿素蛋白复合物，其中影响光能吸收的因素是叶绿素蛋白复合物的含量和成分比例，捕光蛋白复合体中叶绿素a/b值较为关键，较高比例的捕光蛋白复合体（LHCP）有利于弱光下植物吸收和利用光能(Sane,1977)。叶绿素a/b值，即叶绿素a与叶绿素b的比值，也与光合作用速率有密切关系：比值低，有利于吸收光能；比值高，在强光下的光合速率通常较高，抵抗光抑制能力较强(储钟稀等，1986)。同时，叶绿素含量与该比值呈负相关，即叶绿素含量高，叶绿素a/b 比值较低，作物叶色较深。也有人报道认为叶绿素a/b比值与光合作用速率呈显著的负相关，该比值也可能是影响光合作用速率的内在因子之一。 “光能被色素分子吸收以后，并不是全部用于光合作用：一部分光能被传递到光反应中心，用于光化学反应；一部分光能可以辐射成荧光的方式被耗散掉；另一部分光能以热辐射的方式耗散掉，色素发射荧光的能量与用于光合作用的能量相互竞争，这是以叶绿素a荧光通常被作为光合作用无效指标的依据”(植物生理学2003:123)，此外分子的荧光特性是由该分子的化学性质和周围环境因素的相互作用所控制的，因此叶绿素荧光测量是以叶绿素a荧光作为探针，探测和研究植物光合生理状况及各种外界因子对其的影响，是无损伤研究光合作用过程的重要手段(林世青等1992; Krause and Weis 1988)。 植物叶片荧光动力学参数与光合特性的关系 在自然条件下，叶绿素荧光和光合作用的关系十分密切(Bolhar-Nordenkampf H Ret al. 1989；Genty B et al. 1989；Schreiber U et al. 1994 )，一方面是当强光持续照射植物时，为了避免叶绿体吸收光能超过光合作用过程中光化学反应的消耗能力及过量的光能灼伤光合机构，荧光起到了重要的保护作用：一部分光能以荧光的方式被耗散掉(Gilmore A and Gofindjee，1999)；另一方面，自然条件下叶绿素荧光和光合速率一般是呈负相关的，当荧光变弱时光合速率就高，反之亦然，植物的营养受胁程度与光合作用的荧光特性有着密切的关系(徐彬彬等2000；Krause G H and Weis E 1984；Liehtenthaler H K and Rinderle U 1984；Mefarlane J C er al. 1980；Sehreiber U and Bilger W 1987；)，因此叶绿素荧光可作为营养诊断探测叶片光合功能的快速、无损伤探针(张木清2005)通过植物荧光特性探测可以了解植物的生长发育以及对逆境胁迫、病虫害等的生理响应，与“表观性”的气体交换指标相比叶绿素荧光更具有反映“内在性”的特点(Lin S Q etal. 1992)。 有关植物叶片荧光与光合特性的关系已经有很多学者研究过(Rosema A et al.
植物表型组学研究技术(一)FluorCam 叶绿素荧光成像技术
植物表型组学研究技术（一） ——FluorCam叶绿素荧光成像技术
FluorCam叶绿素荧光成像技术 Rousseau等（High throughput quantitative phenotyping of plant resistance using chlorophyll fluorescence image analysis.Plant Methods, 2013, 9:17），利用FluorCam开放式叶绿素荧光成像系统作为高通量表型分析平台，采用图像阈值分割等分析方法，对植物病原体感染进行了定量分析检测，根据Fv/Fm将感染分为不同阶段／等级，特别是可以将用其它方法难以分辨出来的感染前期加以分辨，并对5个品种的菜豆对普通细菌性疫病的抗性进行了定量分析评价。 PSI公司首席科学家Nedbal教授与公司总裁Trtilek博士等首次将PAM叶绿素荧光技术（Pulse Amplitude Modulated technique—— 脉冲调制技术）与CCD技术结合在一起，于1996 年在世界上成功研制生产出FluorCam叶绿素荧 光成像系统（Heck等，1999；Nedbal等，2000； Govindjee and Nedbal, 2000）。FluorCam叶 绿素荧光成像技术成为上世纪90年代叶绿素荧 光技术的重要突破，使科学家对光合作用与叶 绿素荧光的研究一下子进入二维世界和显微世 界，广泛应用于植物生理生态、植物胁迫与抗 性监测、作物育种、植物表型分析等。不同于 其它成像分析技术，FluorCam叶绿素荧光成像 只对叶绿素荧光波段敏感，可以有效避免环境 光的干扰，特异性、高灵敏度反映植物生理生 态状况。 主要功能特点如下： 1)高灵敏度CCD，时间分辨率可达50帧／秒，有效抓取叶绿素荧光瞬变；可选配高分 辨率CCD，分辨率1392x1040像素，用于气孔功能成像分析、稳态荧光如GFP荧光测量等
5种叶绿素荧光参数
5种叶绿素荧光参数：1.Fv/Fo 2.PSI Light 3.ETR 3.Y(II) 4.Act Light 5.Means Light 目前主要研究的小分子RNA 1.miRNA(微小RNA) 2.siRNA(小分子干扰RNA) 3.piRNA(PIWI结合RNA) 5种常见的植物胁迫形式：低温干旱盐碱高温洪涝 十种常见的激素; 茉莉酸生长素细胞分裂素赤霉素脱落酸水杨酸乙烯油菜素内酯萘乙酸吲哚乙酸吲哚丁酸 常见的组蛋白修饰乙酰化甲基化泛素化糖基化羰基化等 什么叫做组蛋白密码？组蛋白在翻译后的修饰中会发生改变，从而提供一种识别标志，为其他蛋白与DNA结合产生协同或拮抗效应，它是一种动态转录调控成分， 活性氧常见的5种形式：超氧自由基超氧阴离子过氧化氢含氧自由基过氧阴离子 蛋白质翻译后修饰的意义：是指mRNA被翻译成蛋白质后，对蛋白质上个别氨基酸残基进行共价修饰的过程。他可以使蛋白 质的结构更加复杂，功能更加完善，调节更为精细，作用更专一。正式蛋白质的翻译后修饰使得一个基因并不只对应一种蛋白质，增加了蛋白质的结构和功能的多样性，从而赋予生命更多复杂的过程。 常见的修饰方式：泛素化，磷酸化，糖基化，脂基化，甲基化，乙酰化 9、植物防御反应的生化原理：1.病原体的侵入可以激活所有细胞中的多种防御反应；2.超敏反应使局部细胞迅速死亡；3.在植物抗性反应的早期常常会产生有反应活性的氧化物；4.在植物不相容相互作用过程中，诱导生成了一种哺乳动物的信号分子——一氧化氮；5.细胞壁加固和细胞外酶活有助于植物的抗病反应；6.苯甲酸和水杨酸可能参与了大量的植物防御反应；7.防御 坏死营养型真菌以及诱导某些植物防御基因时所需的茉莉酮酸和乙烯可能会加剧病症；8.致病相关蛋白和其他防御相关蛋白包 括真菌细胞壁降解酶类、抗维生素多肽和信号转导级联途径中的组分；9.植物抗生素包括有机次生代谢物和无机次生代谢物；10.蛋白酶的抑制剂由食草的靶昆虫诱导；11.转录后基因沉默是植物应对治病病毒的一种特异性防御反应；12.平行的信号途径协调复杂而高度局域化的植物防御反应； 10．植物体内ROS（活性氧）与NO在植物防御反应中的作用及二者的协同关系 1.ROS在植物防御中的作用，H2O2可能直接对病原体有毒，在铁存在时，H2O2会产生活性极强的羟基自由基。另一种看法是，它或者通过各种富含羟脯氨酸或脯氨酸的糖蛋白与多糖基质交联，或者通过过氧化物酶的作用提高木质素多聚物的合成速率，从而加固植物细胞壁的结构，这两种作用都可以提高植物细胞壁对微生物穿透和酶促降解的抵抗能力。某些ROS还可能有信号转导功能。 2.NO是哺乳动物用以调控免疫，神经和血管系统中多种生物过程的一种信号分子。植物在识别无病毒病原菌的同时，即迅速 从头合成NO. 局部发生的超敏反应是遗传不相容相互作用的一贯特征，但是ROS大量的生成不足以诱导植物细胞的死亡，而可能可以抑制病原体的生长。NO可以加强ROS诱导植物细胞死亡的能力。已知NO可以与血红素结合，因此可以抑制用以解除H2O2毒性的 过氧化氢酶和抗坏血酸盐过氧化物酶。植物细胞悬浮培养物和叶子中加入可以产生NO的化合物，会使好几个与防御和细胞保 护相关基因的mRNA的积累。NO诱导ROS的大量积累导致细胞死亡。NO和活性氧共同提高植物病原体过程中提高协同作用。
浅谈荧光分析法的特点及在环境分析中的应用
荧光分析法的特点及在环境分析中的应用 摘要：论文综述了荧光分析法的特点及在环境分析中的应用。重点分析了荧光分析法的原理、特点，以及常用的荧光分析法的讨论。分析了荧光分析法在环境监测中的应用，测定范围和发展情况。 关键词：荧光分析；环境分析；应用 1.引言 环境中分析、监测的对象往往是微量、超微量的物质，有很多还具有时间性和空间性，因此对分析技术要求越来越高。荧光分析法和分光光度法以其灵敏度高、检测限低、准确性好等优点在近年来得到了迅速发展。荧光分子探针的设计合成以及荧光分析法在环境分析化学中的应用是方兴未艾的研究方向[1]。 分子荧光分析具有检测限低，灵敏度高，选择性好，取样量少，方法简捷快速等特点，是一种重要的光谱化学分析手段，其中荧光分子探针检测技术在环境分析化学中占有重要的地位[2]。因此，在对环境的分析中，荧光分析法应用非常广泛，从天然水、饮用水到废水、污水；从土壤、大气到动植物；从人的头发、骨骼、血液到内脏等各个器官，涉及到的样品和应用范围几乎无所不有[3]。 2.荧光分析法的原理和特点 2.1.荧光分析法 2.1.1荧光及荧光分析 荧光是荧光化合物在受到紫外光、电和化学等能量激发后，电子从基态跃迁到激发态，然后通过辐射衰变释放出光子而回复到基态，即产生荧光。这些物质会在极短的时间内(8-10秒)发射出各种颜色和不同强度的可见光，而当紫外光停止照射时，所发射的光线也随之很快地消失。 荧光分析是指利用某些物质在紫外光照射下产生荧光的特性及其强度进行物质的定性和定量的分析的方法。1852年G.G.斯托克斯(G.G.Strokes)发现荧光，真正的荧光光谱测量则始于本世纪60年代。 2.1.2荧光激发光谱和发射光谱 荧光是一种光致发光现象，由于分子对光的选择性吸收，不同波长的入射光便具有不同的激发效率。如果固定荧光的发射波长不断改变激发光的波长，并记
对叶绿素荧光仪各参数的说明
对叶绿素荧光仪各参数的说明 各参数顺序按照数据传输软件上传出数据的顺序 SL（T）：饱和脉冲强度。 AL（T）：光化光强度。 Total T：测量总时长。 FR T：远红光时长。 Dark T：黑暗时长。 Fo：固定荧光，初始荧光(minimalfluorescence)，也称基础荧光，0水平荧光，是光系统Ⅱ(PS Ⅱ) 反应中心处于完全开放时的荧光产量，它与叶片叶绿素浓度有关。 Fj：在O-J-I-P 荧光诱导曲线j点处的荧光强度 Fi：在O-J-I-P 荧光诱导曲线i 点处的荧光强度 Fm：荧光产量(maximal fluorescence) ，是PS Ⅱ反应中心处于完全关闭时的荧光产量。可反映通过PSⅡ的电子传递情况。通常叶片经暗适应20 min 后测得。 Fv = Fm - Fo，为可变荧光(variable fluorescence) ，反映了QA 的还原情况(许大全等，1992) 。 Fv/Fm：是PSⅡ光化学量子产量(optimal/ maximal photochemical efficiency of PSⅡin the dark) 或(optimal/ maximal quantum yield of PS Ⅱ) ，反映PSⅡ反应中心内禀光能转换效率(intrinsicPSⅡefficiency)或称PSⅡ的光能转换效率(optimal/ maximal PS Ⅱefficiency) ，叶暗适应20 min 后测得。非胁迫条件下该参数的变化极小，不受物种和生长条件的影响，胁迫条件下该参数明显下降(许大全等，1992) 。 Fo'：光下荧光，在光适应状态下全部PSⅡ中心都开放时的荧光强度，qP=1，qN≥0。为了使照光后所有的PSⅡ中心都迅速开放，一般在照光后和测定前应用一束远红光（波长大于680nm，几秒钟）。 Fm'：光下荧光，在光适应状态下全部PSⅡ中心都关闭时的荧光强度，qP=0，qN≥0。Fm'受非光化学猝灭的影响，而不受光化学猝灭的影响。 Fs：稳态荧光产量。响应光合作用在光反应与暗反应达到平衡时的荧光产量。
荧光分析法检测原理及应用举例
1荧光定义 某些化学物质从外界吸收并储存能量而进入激发态，当其从激发态回到基态时，过剩的能量以电磁辐射的形式放射出去即发光，称之为荧光。可产生荧光的分子或原子在接受能量后引起发光，供能一旦停止，荧光现象随之消失。 2荧光分类 由化学反应引起的荧光称为化学荧光，由光激发引起的荧光称为光致荧光，课题主要研究光致荧光。按产生荧光的基本微粒不同，荧光可分为原子荧光、X 射线荧光和分子荧光，课题主要研究分子荧光。 3光致荧光机理 某一波长的光照射在分子上，分子对此光有吸收作用，光能量被分子所吸收，分子具有的能量使分子的能级由最低的基态能级上升至较高的各个激发态的不同振动能级，称为跃迁。分子在各个激发态处于不稳定的状态，并随时在激发态的不同振动能级下降至基态，在下降过程中，分子产生发光现象，此过程为释放能量的过程，即为光致荧光的机理。光致荧光的过程按照时间顺序可分为以下几部分。 3.1 分子受激发过程 在波长为10~400nm的紫外区或390~780nm的可见光区，光具有较高的能量，当某一特征波长的光照射分子时，是的分子会吸收此特征波长的光能量，能量由光传递到分子上，此过程为分子受激发过程。分子中的电子会出现跃迁过程，在稳定的基态向不稳定的激发态跃迁。跃迁所需要的能量为跃迁前后两个能级的能量差，即为吸收光的能量。分子跃迁至不稳定的激发态中即为电子激发态分子。 在电子激发态中，存在多重态。多重态表示为2S+1 o S为0或1,它表示电子在自转过程中，具有的角动量的代数和。S=0 表示所有电子自旋的角动量代数和为0,即所有电子都是自旋配对的，那么2S+仁1,电子所处的激发态为单重态，用S i 表示，由此可推出，S0 即为基态的单重态，S1 为第一跃迁能级激发态的单重态，S2为第二跃迁能级激发态的单重态。S=1表示电子的自旋方向不能配对，说明电子在跃迁过程中自旋方向有变化，存在不配对的电子为2个，2S+仁3,电子在激发态中位于第三振动能级，称为三重态，用T i 来表示，T1 即为第一激发 态中的三重态，T2即为第二激发态中的三重态，以此类推。 分子跃迁至各个激发态中，状态不稳定，随时会释放出能量，释放能量的类型有两种：一种是辐射跃迁，另一种是非辐射跃迁，释放能量会回到稳定的基态。
第4章第1节_叶绿素荧光参数及意义-v2.
第四章 叶绿素荧光技术应用 第一节 叶绿素荧光参数及其意义 韩志国，吕中贤（泽泉开放实验室，上海泽泉科技有限公司，上海，200333） 叶绿素荧光技术作为光合作用的经典测量方法，已经成为藻类生理生态研究领域功能最强大、使用最广泛的技术之一。由于常温常压下叶绿素荧光主要来源于光系统 II 的叶绿素 a ，而光系统 II 处于整个光合作用过程的最上游，因此包括光反应和暗反应在内的多数光合过程的变化都会反馈给光系统 II ，进而引起叶绿素 a 荧光的变化，也就是说几乎所有光合作用过程的变化都可通过叶绿素荧光反映出来。与其它测量方法相比，叶绿素荧光技术还具有不需破碎细胞、简便、快捷、可靠等特性，因此在国际上得到了广泛的应用。 1 叶绿素荧光的来源 藻细胞内的叶绿素分子既可以直接捕获光能，也可以间接获取其它捕光色素（如类胡萝卜素）传递来的能量。叶绿素分子得到能量后，会从基态（低能态）跃迁到激发态（高能态）。根据吸收的能量多少，叶绿素分子可以跃迁到不同能级的激发态。若叶绿素分子吸收蓝光，则跃迁到较高激发态；若叶绿素分析吸收红光，则跃迁到最低激发态。处于较高激发态的叶绿素分子很不稳定，会在几百飞秒（fs ，1 fs=10－15 s ）内通过振动弛豫向周围环境辐射热量，回到最低激发态（图 1）。而最低激发态的叶绿素分 子可以稳定存在几纳秒（ns ，1 ns=10－9 s ）。 A 较高激发态 B 热耗散 吸收蓝 光 吸收红光 最低激发态 能量 荧光 基态 蓝 波长 红 荧光 图 1 叶绿素吸收光能后能级变化（A ）和对应的吸收光谱（B ）（引自韩博平 et al., 2003） 处于最低激发态的叶绿素分子可以通过几种途径（图 2）释放能量回到基态(韩博平 et al., 2003; Schreiber, 2004)：1）将能量在一系列叶绿素分子之间传递，最后传递给反应中心叶绿素 a ，用于进行光化学反应；2）以热的形式将能量耗散掉，即非辐射能量耗散（热耗散）；3）放出荧光。这三个途径相互竞争、此消彼长，往往是具有最大速率的途径处于支配地位。一般而言，叶绿素荧光发生在纳秒级，而光化学反应发射在皮秒级（ps ，1 ps=10－12 s ），因此在正常生理状态下（室温下），捕光色素吸收的能量主要用于进行光化学反应，荧光只占约 3%～5%(Krause and Weis, 1991; 林世青 et al., 1992)。 在活体细胞内，由于激发能从叶绿素 b 到叶绿素 a 的传递几乎达到 100％的效率，因此基本检测不到叶绿素 b 荧光。在常温常压下，光系统 I 的叶绿素 a 发出的荧光很弱，基本可以忽略不计，对光系统 I 叶绿素 a 荧光的研究要在 77 K 的低温下进行。因此，当我们谈到活体叶绿素荧光时，其实指的是来自光系统 II 的叶绿素 a 发出的荧光。
叶绿素荧光成像技术及其在光合作用研究中的应用
Fluorcam荧光成像技术及其在光合作用研究 中的应用 Eco‐lab生态实验室 北京易科泰生态技术有限公司 info@eco‐https://www.360docs.net/doc/2415969856.html,
目录 1、叶绿素荧光成像技术发展过程 2、荧光参数及其生理意义 3、PSI介绍（荧光成像的发明者） 4、PSI产品介绍 5、应用案例
叶绿素荧光技术发展历程 ?Kautsky effect: Kautsky and Hirsch(1931)首次用肉眼发现叶绿素荧光现象并发表论文“CO2同化新实验”，后被称作“Kautsky effect” ?PAM(Pulse Amplitude Modulated Fluorometer): Schreiber（1986）等发明了PAM脉冲调制技术测量叶绿素荧光。?FluorCam：KineKc imaging of chlorophyll fluorescence: Ladislav Nedbal（2000）等于上世纪90年代末期发明了与 PAM技术相结合的叶绿素荧光成像技术
成像测量局部放大
荧光参数及其意义 ?Fo、Fm与QY，此外还有PAR_Abs及ETR ?Kautsky诱导效应：Fo，Fp，Fv，Ft_Lss，QY，Rfd ?荧光淬灭分析：Fo，Fm，Fp，Fs，Fv，QY，NPQ，Qp，Rfd 等50多个参数 ?OJIP曲线：快速荧光诱导曲线。Fo，Fj，Fi，P或Fm，Mo（OJIP曲线初始斜率）、FixArea固定面积、Sm（对关闭所有光反应中心所需能量的量度）、QY、PI等 ?LC光响应曲线：Fo，Fm，QY，QY_Ln
叶绿素荧光仪著名厂商 ?PSI：捷克布尔诺Brno（孟德尔在此发现著名的孟德尔遗传定律），Ladislav Nedbal为首席科学家和主要股东（另一股东为David Kramer，美国密执根州立大学教授），1997年为美国华盛顿大学H.Pakrasi教授研制成了第一台FluorCam荧光成像系统。主要产品有： –FluorCam叶绿素荧光成像系列产品 –FL3500/FL5000双调制荧光仪系列产品 –FluorPen及AquaPen等手持式荧光仪产品 –光养生物反应器等藻类培养与在线监测产品 –光源与植物培养室 ?Optics：美国，主要产品为OS5p‐PAM叶绿素荧光仪等?Walz：德国，主要产品为PAM2500叶绿素荧光仪等
时间分辨荧光分析技术
1.1 时间分辨荧光分析技术 时间分辨荧光生化分析技术是基于稀土荧光配合物特殊的荧光性质而建立起来的，自1978年提出以来[1]，已广泛的应用于免疫分析、核酸测定、荧光显微镜成像、细胞识别、单细胞原位测定、生物芯片等生化领域，并发展出了相应的时间分辨荧光免疫测定法、时间分辨荧光DNA 杂交测定法、时间分辨荧光显微镜成像测定法、时间分辨荧光细胞活性测定法及时间分辨荧光生物芯片测定法等分支。 本节主要对稀土荧光配合物的发光机理、荧光性质，时间分辨荧光测定的原理，时间分辨荧光免疫分析技术，时间分辨荧光显微镜成像技术的研究进展等加以介绍。 1.1.1 稀土荧光配合物的发光机理及荧光性质 稀土元素指的是元素周期表中IIIB 族的镧系元素以及钪和钇，共17种元素。其中镧系元素的外层电子结构为4f 0-145d 0-106s 1-2，由于5s 和5p 电子对4f 电子的屏蔽作用，导致这些金属及其离子的性质十分相似。图1.1给出了四种三价稀土离子的基态及激发态电子能级图[2]。 1020 152530355 E N E R G Y ,103c m -1 6 H 5/2 G 5/2 6 H 15/2 7 F 0 F 2D 0 5D 1 7F 6 F 5 4 5D 3 13/2 4 9/2 Sm 3+ Eu 3+ Tb 3+ Dy 3+ H 9/2 图1.1 部分三价稀土离子的电子能级图 Fig. 1.1 Electronic energy levels of certain lanthanide(III) ions 大部分稀土离子本身是不具有荧光性质的，只有Sm 3+、Eu 3+、Tb 3+和Dy 3+的水溶液在紫外光或可见光的激发下能够发出微弱的荧光。当Sm 3+、Eu 3+、Tb 3+和Dy 3+与某些有机配位体形成配合物时其荧光强度会显著增强，这种发光是基于配合物由配位体到中心稀土离子的能量转移所产生的[3-8]。以铕(III)配合物为例，其荧
便携式调制叶绿素荧光仪技术参数
便携式调制叶绿素荧光仪技术参数 用途：采用独特的调制技术和饱和脉冲技术，通过测量活体叶绿素荧光来研究植物的光合作用变化： l 可测荧光诱导曲线的快速上升动力学O-I-D-P相和O-J-I-P相 l 可测荧光诱导曲线的慢速下降动力学并进行淬灭分析（Fo、Fm、F、Fo’、Fm’、Fv/Fm、Y(II)( ΔF/Fm’)、qL、qP、qN、NPQ、Y(NPQ)、Y(NO)、ETR、C/Fo、PAR和叶温等） l 可测光响应曲线和快速光曲线（RLC） l 利用超便携式个人电脑（UMPC）进行操作，操作更简单 1. 工作条件： 1.1 环境温度：-5～＋40℃ 1.3 适用电源：内置铅酸电池，12 V/2 Ah；可连外置12 V电池；外接交流电 2. 技术指标： 2.1 *测量光：红色LED，630 cnm，FWHM 20 nm；调制频率测量Fo时5－5000 Hz 可选，打开光化光时1－100 kHz可选，测量荧光诱导动力学的快相时200 kHz；20级可调。 2.2 光化光源：两种不同颜色的LED。蓝色LED，455 nm，FWHM 20 nm，光强范围0－800 μmol m-2 s-1 PAR，20级可调；红色LED，630 nm，FWHM 15 nm，光强范围0－5000 μmol m-2 s-1 PAR，20级可调。 2.3 饱和脉冲：红色LED，630 nm，FWHM 15 nm，最大PAR 25 000 μmol m-2 s-1，持续时间0.1－0.8 s可调，光强20级可调。 2.4 远红光：LED，750 nm，FWHM 25 nm，20级可调。 2.5 *单周转饱和闪光：红色LED，630 nm，FWHM 15 nm，最大PAR 125 000 μmol m-2 s-1，持续时间5－50 μs可调。 2.6 *多周转饱和闪光：红色LED，630 nm，FWHM 15 nm，最大PAR 25 000 μmol m-2 s-1，持续时间1－300 ms可调，光强20级可调。 2.7 信号检测：PIN-光电二极管，带长通滤光片（T(50%)=715 nm），带选择性锁相放大器。 2.8 *测量参数：Fo、Fm、F、Fo’、Fm’、Fv/Fm、Y(II)、qL、qP、qN、NPQ、Y(NPQ)、Y(NO)、ETR、C/Fo、PAR和叶温等。 2.9 工作软件：操作简单、功能强大，完全免费升级。 2.10 *测量程序：必须带荧光诱导曲线、光响应曲线、快速光曲线、荧光诱导加暗弛豫、光响应曲线加暗弛豫、快速荧光诱导动力学（OIDP或OJIP）等程序测量功能，必须能够测量qL、Y(NO)和Y(NPQ)等参数。 2.11 *曲线拟合：必须能够利用两种方程对光响应曲线进行非线性拟合并自动计算出拟合参数 2.12 耗电：基础操作1.6 W，内置光源（测量光、红色和蓝色光化光、远红光）为最大输出时8 W，饱和脉冲最大输出时37 W。 2.13 充电时间：关机状态下约需6 h。 2.14 光强测量：测量光合有效辐射（PAR），测量范围0～20000 μmol m-2 s-1。传感器与叶片之间的距离不超过1 mm。 2.15 叶温测量：Ni-CrNi热电耦，直径0.1 mm，测量范围-20～＋60℃ 2.16 相对湿度测量：20%-95%（防止结露） 2.17 数据通讯：USB；蓝牙v2.0＋EDR Class 2 3. 基本配置：