1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 安徽大学物质科学与信息技术研究院信息材料与智能感知安徽省实验室, 安徽 合肥 230601
4 桂林电子科技大学计算机与信息安全学院, 广西 桂林 541004
荧光法作为一种非侵入性测量手段,能够实现水体藻类初级生产力的快速测量。然而在目前初级生产力荧光动力学分析中,藻类光合尺寸单元通常采用固定值,导致初级生产力测量结果发生偏差,特别是水体存在蓝藻时尤为明显。光合尺寸单元定义为光合反应中心浓度与叶绿素浓度的比值。为获得准确的水体藻类光合尺寸单元以提高初级生产力测量结果的准确性,利用激发荧光光谱分析水体蓝藻和其他真核藻占比,以此为基础对混合藻样品光合尺寸单元进行校正,并提出一种基于光合尺寸单元校正的荧光法藻类初级生产力测量方法。纯种样品和混合样品初级生产力比对测试实验结果表明:纯种蓝藻、绿藻、甲藻样品的初级生产力测量误差由校正前的38.8%、14.3%、13.2%下降至3.9%、4.1%、5.2%;混合样品初级生产力最大和平均测量误差由校正前的20.4%、15.2%下降至4.5%、5.2%。该结果证明,所提校正方法可有效解决光合尺寸单元使用固定值带来的初级生产力测量偏差问题,为提高水体藻类初级生产力测量结果的准确性提供了重要参考。
物理光学 荧光动力学 光合尺寸单元 初级生产力 光合电子传递速率 光合放氧 光学学报
2021, 41(17): 1726002
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所,中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 桂林电子科技大学计算机与信息安全学院, 广西 桂林 541004
首先采用藻类荧光产率模型,以荧光饱和参数Eσ作为饱和激发光强的判断标准,提出了一种激发光强自适应方法,以准确获取不同藻类的光合荧光参数。结果表明,7种藻经自适应调整后可快速而稳定地获得饱和激发光强,调整结果的相对标准偏差均小于2.5%。然后利用激发光强自适应的可变光脉冲诱导荧光(TPLIF)技术测量了7种藻的有效光吸收截面σPSII,并分析了不同门类藻的σPSII差异。最后采用TPLIF技术测量了不同生长时期的小球藻样品,记录了其荧光参数Fv/Fm值和变化趋势,并将其与光合活性分析仪Fast-Ocean的测量结果进行对比,结果发现两者测得的Fv/Fm值保持一致,相关系数为0.9939。本研究为不同生长时期(生长状态差异明显)、不同种类藻光合荧光参数的准确测量提供了有效的饱和激发手段。
生物光学 可变光脉冲诱导荧光技术 藻类 光合参数 激发光强自适应 光学学报
2020, 40(24): 2412001
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 桂林电子科技大学, 广西 桂林 541004
4 安徽大学, 安徽 合肥 230039
浮游藻类群落结构是评价海洋生态环境状况的重要指标之一, 现有的研究主要基于现场采样实验室分析, 缺少快速在线自动、 原位剖面以及遥感地面验证技术装备。针对浮游藻类群落结构快速获取与遥感数据地面验证需求, 研究了基于离散三维荧 光光谱法的海洋藻类群落结构现场快速测量方法, 研发了海洋藻类群落结构原位在线测量技术仪器, 并开展了应用示范 与对比验证。结果表明, 基于离散三维荧光光谱法的海洋藻类群落结构测量技术能够快速准确地获取藻类群落结构及叶 绿素含量, 与现有技术相比, 具有测量快速、准确、稳定可靠等优势, 为海洋生态环境监测数据获取及遥感数据地面 验证提供了先进技术手段。
离散三维荧光光谱 藻类群落结构 快速测量技术 在线测量 discrete three-dimensional fluorescence spectrum algal community structure rapid measurement technology on-line measurement
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 桂林电子科技大学计算机与信息安全学院, 广西 桂林 541004
3 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
4 安徽省环境光学监测技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
快速、准确评估浮游植物的初级生产力对研究海洋生态环境科学及理解全球碳循环演变规律等至关重要。针对
14C示踪法和黑白瓶法等传统方法表示的初级生产力存在测量周期长、操作繁琐等问题,依据生物膜能流理论,基于荧光动力学方法,即通过光源诱导产生可变叶绿素荧光获得光合参数,结合光合电子传递速率“生物-光学”模型,对基于荧光动力学参数的光合电子传递速率的测量进行研究。通过不同胁迫条件下蛋白核小球藻的测试,对比液相氧电极测量的光合放氧速率,验证光合电子传递速率测量浮游植物初级生产力的有效性。结果表明:在不同浓度的二氯苯基二甲脲的胁迫下,浮游植物的光合电子传递速率与光合放氧速率具有良好的一致性,且二者随胁迫浓度增加而减小明显,光合放氧速率与光合电子传递速率分别减小了71.55%和68.87%,二者相关系数的平方达到0.934;在不同营养盐或光照强度下胁迫培养15 d,浮游植物的光合电子传递速率与光合放氧速率仍然具有良好的一致性,二者相关系数的平方大于0.955。
生物光学 光合电子传递速率 初级生产力 浮游植物 光合放氧速率 光学学报
2018, 38(11): 1126001
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 桂林电子科技大学计算机与信息安全学院, 广西 桂林 541004
依据氧气对物质荧光的猝灭作用,研究了一种基于时域荧光寿命的水体溶解氧浓度检测方法,根据荧光猝灭曲线上的两点计算荧光寿命,并通过Stern-Volmer方程反演获得水体溶解氧浓度。结果表明:相同溶解氧浓度下,归一化处理后的荧光猝灭曲线不受激发光强度和激励持续时间等激发条件的影响;不同溶解氧浓度下,实测荧光寿命受系统延迟的影响,补偿后荧光寿命理论曲线与修正曲线具有良好的一致性,拟合相关系数达0.9985。与HQ30d溶解氧分析仪对比,测试结果表明,0~20 mg·L
-1范围内溶解氧质量浓度测量误差小于0.5 mg·L
-1,线性相关系数达0.9992。
海洋光学 水体溶解氧 浓度检测 荧光寿命 时域 光学学报
2018, 38(10): 1001005
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所,中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 安徽省环境光学检测技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
针对水体有机物离散三维荧光光谱测量,设计了基于可变增益与积分放大技术的微弱荧光信号高灵敏、 大动态范围检测电路和控制软件,进行了实验验证并应用于水体有机物离散三维荧光在线测量系统。 在电路设计中,自动程控CMOS多路模拟开关根据输入信号强度实现了前置增益放大器的调节,基于 开关型电荷积分器实现了微弱脉冲荧光信号的同步积分放大。结果表明所设计电路最低检测电流为0.09 μA, 动态检测范围为0.09 μA～0.21 mA, 检测限提高了79.25倍。 在水体有机物离散三维荧光测量系统的应用中,保证了系统的检测灵敏度, 并提高了荧光信号的动态检测范围,实现了水体有机物的高精度测量。
光谱学 微弱荧光信号 可变增益 同步积分 水体有机物 spectroscopy weak fluorescence signal variable gain synchronous integral organic matter in water
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Electronic Information and Electrical Engineering, Hefei University, Hefei 230601, China
2 State Environmental Protection Key Laboratory of Optical Monitoring Technology, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China
Using a measurement system based on fluorescence induced by variable pulse light, photosynthesis parameters of
chlorella pyrenoidosa are obtained, employing single-turnover and multiple-turnover protocols under dark-adapted and light-adapted conditions. Under the light-adapted condition,
σPSII′ is larger, and
Fv′/Fm(ST)′ and
Fv′/Fm(MT)′ are smaller than those of the dark-adapted condition, but the corresponding parameters possess good linear correlations.
Fm(MT),
Fm(MT)′,
Fv/Fm(MT), and
Fv′/Fm(MT)′, which are measured using the multiple-turnover protocol, are larger than those of the single-turnover protocol. The linear correlation coefficient between
Fm(ST) and
300.6280 Spectroscopy, fluorescence and luminescence 010.4450 Oceanic optics 120.0120 Instrumentation, measurement, and metrology Chinese Optics Letters
2018, 16(1): 013001
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 安徽省环境光学监测技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
4 桂林电子科技大学, 广西 桂林 541004
针对活体荧光光谱不稳定引起的蓝藻门活体藻类定量误差问题，以实验室培养的4种类6个生长期的48个蓝藻样品为研究对象，通过测量样品叶绿素a和藻蓝蛋白的含量，结合藻类活体三维荧光光谱，研究了不同藻种种类、生长期和生长环境下蓝藻细胞色素组成和色素荧光效率的差异；定量分析不同条件对藻类活体荧光光谱不稳定性的影响，获得了不同条件下的光谱不稳定性权重谱；在此基础上，构建基于加权平均方法的蓝藻门活体藻类加权荧光光谱；比较了加权荧光光谱与不同条件下归一化荧光光谱对样品集的测量结果。结果表明：加权荧光光谱能有效降低荧光测量法对藻种种类、生长期、生长环境的依赖性，提高蓝藻门叶绿素浓度的测量准确性；测量结果的相对误差为0.1%~30.4%，平均相对误差为12.8%，相对误差最大可降低104.1%。
光谱学 三维荧光光谱 活体荧光 加权平均法 蓝藻 叶绿素a
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 中国科学院安徽光学精密机械研究所安徽省环境光学监测技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
4 桂林电子科技大学计算机与信息安全学院, 广西 桂林 541004
5 合肥学院电子工程系, 安徽 合肥 230601
浮游植物有效光合反应中心浓度与其生长环境、生理状态密切相关,文中以生物膜能流理论为基础,基于初始荧光效率(F0)和功能吸收截面(σPSII)的荧光动力学参数研究了浮游植物有效光合反应中心浓度分析方法。利用该方法对不同生长条件下的蛋白核小球藻进行了测试,结果表明:正常生理状态下,荧光动力学参数法与同化系数法分析结果具有良好的一致性,相关系数R2达到0.999;非正常生理状态下,荧光动力学参数法较同化系数法更能准确反映浮游植物光合活性(Fv/Fm)和光合单元尺寸(nPSII)引起的有效光合反应中心浓度的变化;在短期胁迫条件下,荧光动力学参数法分析结果与Fv/Fm相关系数R2可达0.920;在长期光照胁迫条件下的分析结果也能反映光照变化引起的浮游植物nPSII变化信息,且与已有研究成果相符。研究结果为浮游植物有效光合反应中心浓度的准确测量提供了一种新方法。
生物光学 浮游植物 荧光动力学参数 有效光合反应中心浓度 生物能量流理论
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所安徽省环境光学监测技术重点实验室， 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学 安徽 合肥 230026
3 桂林电子科技大学计算机与信息安全学院， 广西 桂林 541004
4 合肥学院电子工程系， 安徽 合肥 230601
根据生物膜能流理论和电子传递模型，结合快相与弛豫两种激发条件，对复杂的光合作用过程进行分析并简化计算，提出植物光合作用参数反演方法。利用滑动窗口斜率判定法确定最大荧光产率；利用线性最小二乘算法解析快相荧光过程获得光化学量子效率和功能吸收截面；利用离散迭代算法解析弛豫荧光过程获得质体醌平均还原时间常数。对对数生长期以及铜离子胁迫条件下的平裂藻和斜生栅藻进行实验测量，结果表明该方法反演结果具有良好的稳定性和重复性，光化学量子效率、功能吸收截面和质体醌平均还原时间常数的测量结果相对标准偏差分别为1.25%、1.50%和1.83%，其中光化学量子效率与脉冲振幅调制技术的测量结果线性相关系数达到0.9714。该方法为研究植物生理研究提供一种光学分析手段。
光谱学 叶绿素荧光动力学 光合作用参数反演 线性最小二乘算法 快相与弛豫荧光
