NL9101639A - Werkwijze en meetinrichting voor het bepalen van het quantum-rendement van de fotosynthese. - Google Patents

Description

Werkwijze en meetinrichting voor het bepalen van het cruantum-rendement van de fotosynthese.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het bepalen van het quantumrendement van de fotosynthese.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een meetinrich-ting voor het uitvoeren van een dergelijke werkwijze.

Het quantumrendement van de fotosynthese is een maat voor de omzetting van koolzuur en water in glucose onder invloed van licht. Het geeft informatie over de groei van planten, zowel in positieve zin als het gaat om de productie van gewassen, als in negatieve zin als het gaat om de invloed van milieuverontreinigingen. Het is ook een maat voor de kwaliteit van potplanten en snijbloemen en kan, bijvoorbeeld, worden gebruikt bij het beoordelen van de houdbaarheid of bij selectie op stressbestendigheid.

De chlorophylmoleculen in de bladgroenkorrels absorberen licht en raken daardoor in geëxciteerde toestand. Deze moleculen kunnen door afgifte van electronen bijdragen aan de fotosynthesereac-tie. Een deel van de excitatie-energie gaat echter verloren door omzetting in warmte of door uitzending van licht (fluorescentie). Deze fluorescentie staat derhalve in nauw verband met de fotosynthese en wordt gemeten met zogenaamde chlorophyl-fluorometers.

De tot nu toe bekende fluorometers zijn inductie-fluorome-ters die gebruik maken van het "Kautsky-effect". Hierbij wordt een blad ingeklemd in een houder en gedurende circa 15 minuten aan het donker aangepast. Vervolgens wordt een conditioneringslicht aangeschakeld. Hierbij vertoont de fluorescentie van het blad een schommeling (inductie) met het karakter van een gedempte oscillatie. Na een periode van tenminste 5 minuten heeft de fotosynthese in het blad zich aan het conditioneringslicht aangepast en is de fluorescentie stationair geworden. Bij de meest recente chlorophyl-fluorometer kunnen gedurende de fluorescentie-inductie verzadigende lichtpulsen worden toegediend. Uit de verhouding van de fluorescentie onder het conditioneringslicht en het verzadigingslicht kan, blijkens recent onderzoek, het quantumrendement van de fotosynthese (Φρ) worden bepaald. Dit gegeven heeft alleen praktische betekenis als de plant zich in een stationaire toestand bevindt, dat wil zeggen zich heeft aangepast aan het condit ionerings1icht.

Een nadeel van de beschreven bekende werkwijze en inductie- fluorometers is dat de omgevingscondities van de plant, met name het omgevingslicht, worden verstoord. Voor praktische toepassingen is meting onder omgevingscondities echter zeer wenselijk. Een tweede nadeel is dat de plant zich eerst moet aanpassen aan het conditioneringslicht (tenminste 5 minuten) alvorens een praktisch zinvolle bepaling van quantumrendement kan worden gedaan. Hierdoor neemt deze bepaling veel tijd in beslag. Bovendien is de bekende apparatuur ontwikkeld voor laboratoriumgebruik en te onhandelbaar voor snelle, routinematige metingen in het veld.

Het is dan ook het doel van de uitvinding een werkwijze alsmede een meetinrichting voor het bepalen van het quantumrendement van de fotosynthese van een plant in omgevingsomstandigheden te verschaffen. Een verder doel van de uitvinding is het een compacte meet inrichting voor het bepalen van het quantumrendement van de fotosynthese van een plant te verschaffen.

Hiertoe verschaft de uitvinding een werkwijze voor het bepalen van het quantumrendement van de fotosynthese van een plant, welke werkwijze omvat: - het door meetlicht belichten van een zich in omgevingslicht bevindende plant, en het meten van de door het meetlicht opgewekte fluorescentie (F), - het inschakelen van additioneel verzadigend licht en vervolgens op overeenkomstige wijze meten van de kort na aanschakeling optredende maximale waarde van de geïnduceerde fluorescentie (Fm), - het bepalen van het quantumrendement van de fotosynthese Φ = 1-F/F . ρ 'm

Het meetlicht is "analytisch", dat wil zeggen heeft een zodanige geringe lichtsterkte dat de toestand waarin de plant zich bevindt niet merkbaar wordt beïnvloed. Hierdoor is het dus mogelijk het quantumrendement van de fotosynthese van een plant in omgevingslichtomstandigheden te meten.

Bij voorkeur wordt het meetlicht gemoduleerd en de fluorescenties synchroon met de modulatie gedetecteerd. Hierdoor kan op eenvoudige en efficiënte wijze de door het meetlicht opgewekte fluorescentie gescheiden worden van de door het omgevingslicht en het verzadigingslicht opgewekte fluorescentie.

Bij voorkeur wordt tevens het op de plant vallende omgevingslicht gemeten. Hierdoor kan niet alleen het quantumrendement van de fotosynthese worden gemeten, maar kan tevens het fotosyntheseniveau worden bepaald, zijnde het product van het fotosynthese rendement en het opvallende omgevingslicht.

Met behulp van de werkwijze volgens de uitvinding is het mogelijk het quantumrendement van de fotosynthese van een plant binnen een seconde te meten, wat aanzienlijk sneller is dan bij de bekende inductie-werkwijzen.

Een meetinrichting voor het bepalen van het quantumrendement van de fotosynthese van een plant in omgevingslichtomstandigheden is volgens de uitvinding voorzien van een optisch gedeelte en een electronisch gedeelte voor het besturen van het optisch gedeelte en voor het bepalen van het quantumrendement van de fotosynthese, waarbij het optische gedeelte een meetkop omvat met een meetlamp voor het opwekken van meetlicht, een verzadigingslamp voor het opwekken van verzadigingslicht, en een fluorescentiedetector, en een de meetkop omgevende lichtdoorlatende koker met een meetopening voor het daarvoor plaatsen van tenminste een deel van een plant, waarbij de hartlijnen van de gezichtsvelden van de meetkop, verzadigingslamp en een fluorescentiedetector zich snijden in de meetopening, waarbij het electronisch gedeelte voorzien is van een microprocessor voor het activeren van de verzadigingslamp en de meetlamp, middelen voor het verwerken van het door de fluorescentiedetector afgegeven meetsignaal overeenkomstig met de fluorescentie F, voor het verwerken van het meetsignaal overeenkomstig met de fluorescentie Fm en voor het bepalen van het quantumrendement van de fotosynthese 1-F/Fm, en een display voor het weergeven van de waarde van het quantumrendement van de fotosynthese. Een dergelijke meetinrichting kan zeer compact uitgevoerd worden, in het bijzonder wanneer het optische en electronische gedeelte in een enkele behuizing opgenomen zijn.

Een voorkeursvorm van een meetinrichting volgens de uitvinding wordt gekenmerkt doordat het verzadigingslicht een lichtsterkte ter plaatse van de meetopening van tenminste 1800 W/m2 verschaft. Het is gebleken dat hierdoor in alle gevallen een verzadiging van fotosynthese-systemen van een willekeurige plant veroorzaakt wordt.

Bij voorkeur verschaft het meetlicht ter plaatse van de meetopening een lichtsterkte van maximaal 15 W/m2, opdat de toestand van de plant niet merkbaar wordt beïnvloed.

Het op een plant vallende omgevingslicht kan eenvoudig gedetecteerd worden in een meetinrichting volgens de uitvinding die gekenmerkt wordt doordat de lichtdoorlatende koker naast de meetopening voorzien is van een diffuus reflecterend vlak, en dat het optische gedeelte een omgevingslichtdetector bevat met een op het diffuus reflecterend vlak gericht gezichtsveld.

Een nauwkeurige bepaling van het quantumrendement van de fotosynthese van een plant kan uitgevoerd worden door een meetin-richting volgens de uitvinding die gekenmerkt wordt doordat de microprocessor het meetlicht door middel van een modulatiesignaal moduleert, en dat het electronische gedeelte voorzien is van een fase-draaier voor het in fase brengen van het modulatiesignaal en het door de fluorescentiedetector afgegeven meetsignaal, een synchrone detector voor het gelijkrichten van het meetsignaal door vermenigvuldiging met het in fase gebrachte modulatiesignaal, en een laagdoorlaatfilter voor het verwijderen van het modulatiesignaal.

Bij voorkeur bevat de meetinrichting middelen voor het tijdig deactiveren van de verzadigingslamp, aangezien deze relatief veel energie vergt. De verzadigingslamp moet aanblijven tot de geïnduceerde fluorescentie zijn maximale waarde heeft bereikt. De microprocessor volgt de veranderingen in de fluorescentie en schakelt de verzadigingslamp onmiddellijk uit als de maximale waarde is gepasseerd. De tijdsduur van het verzadigingslicht is dus variabel (0,5 - 1 sec.) en hangt onder andere af van de temperatuur. Bij bestaande fluorometers wordt een vaste duur van de verzadigingspuls gebruikt (bijvoorbeeld 0,8 sec.). Dit is om redenen van nauwkeurigheid en energiezuinigheid niet gewenst.

Enige uitvoeringsvormen van de uitvinding zullen hierna bij wijze van voorbeeld aan de hand van de tekening beschreven worden, waarin:

Figuur 1 schematisch een bovenaanzicht van een meetinrich-ting volgens de uitvinding toont, en figuur 2 schematisch een electronisch gedeelte van een meetinrichting volgens de uitvinding toont.

Figuur 1 toont schematisch een bovenaanzicht van een meetinrichting volgens de uitvinding. De meetinrichting bevat een optisch gedeelte 1, 2, 3, 8 en een electronisch gedeelte 5 die in één enkele behuizing, van bijvoorbeeld ongeveer 25 x 8 x 6 cm, zijn opgenomen. Het optische gedeelte van de meetinrichting omvat een meetkop met een licht uitzendende diode (LED) 1 voor het uitzenden van meetlicht, een verzadigingslamp 3 voor het uitzenden van verzadigings-licht, een fotodiode 2 voor het detecteren van fluorescentie, en een transparante koker 8 voorzien van een meetopening 9. De LED 1, de verzadigingslamp 3 en de fotodiode 2 zijn zodanig in het instrument opgesteld dat de hartlijnen van hun gezichtsvelden elkaar snijden in de meetopening 9 die zich bijvoorbeeld op ongeveer 9 cm van de verzadigingslamp 3 bevindt. Een blad 10 van een plant (niet weergegeven) wordt tegen de meetopening van de koker 8 gedrukt. Daar de koker 8 van transparant materiaal is worden de omgevingslichtomstandigheden niet beïnvloed. Eerst wordt de LED 1 door het electronisch gedeelte 5 geactiveerd zodat gemoduleerd meetlicht wordt uitgezonden dat in het blad 10 fluorescentie opwekt, die door de fotodiode 2 en het electronisch gedeelte 5 na 0,1 sec. synchroon wordt gedetecteerd. Vervolgens wordt de verzadigingslamp 3 door het electronisch gedeelte geactiveerd. De gemeten fluorescentie stijgt nu snel en gaat na korte tijd (0,5 - 1 sec.) door een maximum. Deze maximale waarde Fm wordt vastgehouden en het meetlicht en het verzadigingslicht worden onmiddellijk gedeact iveerd.

Het electronisch gedeelte 5 bepaalt het quantumrendement van de fotosynthese Φρ uit de verhouding 1-F/Fm en geeft deze weer op een LCD-display 4.

De chlorophylfluorescentie van bladgroen "in vivo" ligt in het go 1 flengtebereik van ca. 670 tot 780 nm, met twee overlappende emissiebanden met maxima bij 685 en 735 nm. De fluorescentie wordt opgewekt door meetlicht met een kortere golflengte. In een uitvoeringsvorm is gekozen voor een GaAlAs-LED die rood licht uitzendt rond 640 nm en vrijwel geen aandeel heeft boven 700 nm. Het fluorescentie opwekkende meetlicht dient geen fotochemische aanpassingen in het blad te veroorzaken, en verschaft daarom een lichtsterkte ter plaatse van het blad van maximaal 15 W/m2 bij voorkeur tussen 5 en 10 W/m2. Het is van voordeel de opgewekte fluorescentie spectraal te scheiden van het meetlicht, aangezien gereflecteerd meetlicht niet voor geëmitteerde fluorescentie gehouden mag worden. Hiertoe kunnen voor fotodiode 2 en eventueel ook voor de LED 1 filters geplaatst worden. In de genoemde uitvoeringsvorm wordt voor de fotodiode 2 een ruisarme PIN fotodiode gebruikt voorzien van een filter dat vrijwel geen licht onder 700 nm doorlaat. Alternatief kan bijvoorbeeld ook een groene LED gebruikt worden en de meting van de fluorescentie rond 685 nm plaatsvinden.

Het verzadigingslicht wordt bijvoorbeeld geleverd door een halogeenlamp 3 (6 V, 15 W) met een metalen reflector. Voor de halogeenlamp 3 is een filter geplaatst dat een belangrijk deel van het licht boven 700 nm spert. Hierdoor wordt de belasting van de fotodiode 2 en de warmte-ontwikkeling in het blad verminderd. Voor het bereiken van verzadiging in het blad dient de verzadigingslichtsterkte op het blad tenminste 1800 W/m2 te zijn. Om dit te bereiken wordt zonodig het verzadigingslicht optisch gebundeld (door middel van lens of spiegel).

Het is van voordeel het meetlicht opgewekt door de LED 1 onder besturing van het electronisch gedeelte 5 te moduleren en de door het meetlicht opgewekte fluorescentie en het modulatiesignaal synchroon te detecteren. Op deze manier wordt de door het meetlicht opgewekte fluorescentie eenvoudig gescheiden van de door het omgevingslicht respectievelijk verzadigingslicht opgewekte fluorescentie.

Door middel van een tweede fotodiode (niet weergegeven in figuur 1) wordt het op het blad vallende omgevingslicht gemeten. Deze diode kijkt naar een diffuus reflecterend wit vlak (niet weergegeven) dat zich aan de binnenzijde van de koker 8, vlak naast de meetopening 9 bevindt. Met de waarde van het omgevingslicht kan het electronisch gedeelte 5 het niveau van de fotosynthese bepalen, dat het product van fotosynthese-rendement Φρ en omgevingslicht is.

In figuur 2 wordt schematisch het electronische gedeelte 5 van een uitvoeringsvorm van een meetinrichting volgens de uitvinding getoond. Een microprocessor 11 (Philips 80C552) bestuurt alle delen van het meetinstrument. De microprocessor 11 maakt een blokgolf met een frequentie van 8 kHz voor het moduleren van de LED 1. De door het blad 10 uitgezonden fluorescentie (onder omgevings- of verzadigings-lichtomstandigheden) opgewekt door het gemoduleerde meetlicht wordt door de fotodiode 2 opgevangen. Hierin wordt een stroom (meetsignaal) opgewekt die door een stroom-spanningsomzetter 13 in een spanning omgezet wordt. Het daarachterliggende banddoorlaatfilter 14 laat alleen de 8 kHz component door. Het aldus verkregen signaal wordt versterkt met een vaste waarde in versterker 15. Om de signaal-ampli-tude te kunnen regelen wordt dit versterkte signaal door een door de microprocessor bestuurde instelbare versterker 16 gestuurd. Het door de microprocessor 11 geleverde modulatiesignaal wordt door. middel van een fasedraaier 12 in fase gebracht met het waargenomen signaal. Vervolgens wordt het bewerkte meetsignaal in een synchrone detector 17 gelijkgericht door vermenigvuldiging met het in fase gebrachte modulatiesignaal. Het gelijkgerichte signaal gaat nu door een laagdoorlaat-filter 18 dat de 8 kHz modulatie verwijdert. Een in de microprocessor 11 ingebouwde analoog/digitaal-converter zet het signaal om in een digitale waarde. De microprocessor 11 is geprogrammeerd voor het detecteren en opslaan van het signaal (F respectievelijk Fm). Zijn deze waarden bepaald dan deactiveert de microprocessor 11 de LED 1 en de verzadigingslamp 3 en berekent de waarde 1-F/Fm, die via een schuifregister 21 op het LCD-display 4 weergegeven wordt.

Een tweede fotodiode 22 detecteert het aanwezige omgevingslicht in de vorm van een stroom die door een stroom-spanningsom-vormer 19 in een spanning omgezet wordt die via de microprocessor 11 op het LCD-display 4 getoond kan worden. Voor de tweede fotodiode is bij voorkeur een filtercombinatie geplaatst die alleen de fotosynthe-tisch actieve straling doorlaat. Dit samenstel wordt "PAR-sensor" genoemd.

Bij voorkeur wordt de verzadigingslamp 3 als volgt door de microprocessor 11 gestuurd. Wanneer de verzadigingslamp 3 (bijvoorbeeld een 6 V halogeenlamp) moet branden, wordt de lamp 3 eerst gedurende 0,1 seconde op 8,4 V gezet, zodat een snelle oplichting verkregen wordt. Vervolgens wordt de spanning teruggeschakeld naar 6 V. Hierdoor wordt de belichtingstijd verkort en energie gespaard.

Verder bevat de meetinrichting twee aansluitingspluggen 7 voor aansluiting met randapparatuur (bijvoorbeeld batterijlader, computer), en een laag-voltage-detector 20 die wanneer de voedingsspanning (bijvoorbeeld batterij-spanning) te laag wordt de microprocessor 11 reset. Uiteraard bevat het meetinstrument een aan/uit schakelaar 6 (zie figuur 1) en verdere bedieningsknoppen (niet weergegeven ).

Claims (10)

1. Werkwijze voor het bepalen van het quantumrendement van de fotosynthese van een plant, welke werkwijze omvat: - het door meetlicht belichten van een zich in omgevingslicht bevindende plant, en het meten van de door het meetlicht opgewekte fluorescentie (F), - het inschakelen van additioneel verzadigend licht en vervolgens op overeenkomstige wijze meten van de kort na aanschakeling optredende maximale waarde van de geïnduceerde fluorescentie (Fm), - het bepalen van het guantumrendement van de fotosynthese Φ = 1-F/F . p ' m

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het meetlicht gemoduleerd wordt en de fluorescenties synchroon met de modulatie gedetecteerd worden.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het op de plant vallende omgevingslicht gemeten wordt.

4. Meetinrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens conclusie 1, welke meetinrichting voorzien is van een optisch gedeelte en een electronisch gedeelte voor het besturen van het optisch gedeelte en voor het bepalen van het fotosyntheserendement, waarbij het optische gedeelte een meetkop omvat met een meetlamp voor het opwekken van meetlicht, een verzadigingslamp voor het opwekken van verzadigingslicht, en een fluorescentiedetector, en een de meetkop omgevende lichtdoorlatende koker met een meetopening voor het daarvoor plaatsen van tenminste een deel van een plant, waarbij de hartlijnen van de gezichtsvelden van de meetkop, verzadigingslamp en een fluorescent iedetec tor zich snijden in de meetopening, waarbij het electronisch gedeelte voorzien is van een microprocessor voor het activeren van de verzadigingslamp en de meetlamp, middelen voor het verwerken van het door de fluorescentiedetector afgegeven meetsignaal overeenkomstig met de fluorescentie F, voor het verwerken van het meetsignaal overeenkomstig met de fluorescentie Fm en voor het bepalen van het fotosyntheserendement 1-F/Fm, en een display voor het weergeven van de waarde van het fotosyntheserendement.

5. Meetinrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de verzadigingslamp een verzadigingslichtsterkte van tenminste 1800 W/m2 ter plaatse van de meetopening verschaft.

6. Meetinrichting volgens conclusie 4 of 5, met het kenmerk, dat de meetlamp een meetsterkte van maximaal 15 W/m2 ter plaatse van de meetopening verschaft.

7. Meetinrichting volgens conclusie 4, 5 of 6, met het kenmerk, dat de lichtdoorlatende koker naast de meetopening voorzien is van een diffuus reflecterend vlak, en dat het optische gedeelte een omgevingslichtdetector bevat met een op het diffuus reflecterend vlak gericht gezichtsveld.

8. Meetinrichting volgens één der conclusies 4 tot en met 7, met het kenmerk, dat de microprocessor het meet licht door middel van een modulatiesignaal moduleert, en dat het electronische gedeelte voorzien is van een fasedraaier voor het in fase brengen van het modulatiesignaal en het door de fluorescentiedetector afgegeven meetsignaal, een synchrone detector voor het gelijkrichten van het meetsignaal door vermenigvuldiging met het in fase gebrachte modulatiesignaal, en een laagdoorlaatfilter voor het verwijderen van het modulatiesignaal.

9. Meetinrichting volgens één der conclusies 4 tot en met 8, met het kenmerk, dat de meetinrichting een enkele behuizing omvat waarin het optische en electronische gedeelte opgenomen zijn.

10. Meetinrichting volgens één der conclusies 4 tot en met 9, met het kenmerk, dat het electronisch gedeelte is voorzien van middelen voor het detecteren van de fluorescentie onder omgevingslicht F en de maximale optredende fluorescentie na inschakelen van verzadi-gingslicht Fm, en van middelen voor het deactiveren van meetlicht en verzadigingslicht zo gauw de maximale waarde is bereikt.