專利名稱：一種便攜式無損檢測田間植物色素的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種植物色素檢測的系統(tǒng)，特別是涉及一種便攜式無損檢測田間植物色素的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
在植物葉片中色素(包括葉綠素總量、葉綠素A、葉綠素B、胡蘿卜素等)的含量可以反映作物生長、營養(yǎng)、病蟲害等狀況，據(jù)此可以對作物的栽培管理提出建議，特別對農(nóng)業(yè)發(fā)展有著重要意義。如文獻[1]嚴衍祿，劉心生，《葉綠素測定方法的研究》，北京農(nóng)業(yè)大學學報，8(2)，P53～66，1982中所述現(xiàn)有作物色素的含量需要用可見光譜或液相色譜的方法來測定，測定前需要將作物葉片中有關(guān)的色素用濕化學的方法提取出來，然后再進行分離或者測定，這些測定方法不但速度慢，測定過程需要消耗試劑、會產(chǎn)生廢液、對環(huán)境有一定影響。由于該方法在做測量前需要將作物葉片中有關(guān)的色素用濕化學的方法提取出來，即被測定的葉片在預(yù)處理時須先破壞，屬于破壞性測定，因此該方法影響了作物在田間生長的過程中進行作物的生長與營養(yǎng)的診斷。另外一種方法如文獻[2]嚴衍祿，戴文英，李昌民等《完整葉片葉綠素含量的活體測定》，北京農(nóng)業(yè)大學學報，11(3)，P281～287，1985，在文獻2中所介紹的葉綠素含量的活體測定方法，該方法在做測量前無需將作物葉片中有關(guān)的色素用濕化學的方法提取出來，使用活體葉片為樣品，直接測定活體葉片的透過率，來估算活體葉片中葉綠素含量，但這種方法是在假設(shè)散射不存在的前提條件下，初步嘗試使用2波長去除背景成分的辦法進行活體葉片的葉綠素測量，仍然存在以下問題由于散射的存在，測試結(jié)果偏離了比耳(Beer Law)定律，使測量被限制在只能在葉片較薄的低濃度情況下，這樣該方法的推廣應(yīng)用就受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服原有的用可見光譜或液相色譜的方法測定植物葉片中色素含量時，其測定速度慢，測定過程需要消耗試劑、還會產(chǎn)生廢液、對環(huán)境造成污染的缺陷；更主要的是在測定植物葉片中色素含量時造成作物葉片破壞的缺陷；為了實現(xiàn)無損檢測在田間生長過程中的作物葉片中的色素的含量；從而提供一種利用多波長校正散射、去除背景成份影響，來實現(xiàn)無損檢測作物葉片中的色素含量的便攜式無損檢測田間植物色素的系統(tǒng)和方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明提供的便攜式無損檢測田間植物色素的系統(tǒng)，包括光譜測量裝置，其特征在于還包括一外殼12、外殼12上安裝有鍵盤8和液晶顯示器9；外殼12內(nèi)設(shè)置一用以安放本機工作電池的電池槽11；以及安裝系統(tǒng)電路板16，該系統(tǒng)電路板16由3路LED驅(qū)動電路14分別與微控制器7電連接，電池與3路LED驅(qū)動電路14電連接；微控制器7通過串行口電路10傳送數(shù)據(jù)；微控制器7與安裝在外殼12上的鍵盤8和液晶顯示器9電連接；微控制器7與光譜測量裝置中的光源5電連接；還通過前置放大器15與光電檢測器6電連接；所述的光譜測量裝置是具有3波長的，包括用于夾持待測葉片的葉片夾1，葉片夾1安裝在外殼12上；葉片夾的上臂2和下臂3內(nèi)相對設(shè)置分析用的3種波長單色光源5和分析用的光電檢測器6、其葉片夾上帶有滑道，滑道中安裝一用于固定中性參比樣的滑動夾4，測量時將一待測葉片放置在葉片夾的光源和檢測器之間。
還包括一計算機，微控制器7與計算機通過串行口電路10電聯(lián)接。
在上述的技術(shù)方案中，所述的3種波長單色光源5采用具有3種波長LED，其波長范圍為350nm～1100nm；包括單波長LED燈組合形成，也可以是一個包含至少3個波長的復(fù)合LED燈；并由微控制器7控制其工作。
所述的系統(tǒng)驅(qū)動電路可以與微控制器、串行口電路作成一塊系統(tǒng)電路板，該系統(tǒng)驅(qū)動電路為光源提供電源、控制光源的工作、采集檢測器的檢測信號并對信號處理確定葉片中待測量，測量結(jié)果由顯示器9顯示；驅(qū)動電路板的工作由鍵盤8來控制，并帶有串行口電路10還便于和外部計算機進行通訊連接；所述的微控制器內(nèi)部設(shè)置模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)。
在上述的技術(shù)方案中，所述的中性參比樣是對各波長近紅外光有相同吸收作用的材料制成(如陶瓷、聚四氟乙烯等)的薄片，用于檢測光源各波長光的原始強度I0(3個波長分別為I01、I02、I03)并傳入微控制器(7)。當測定葉片時將中性參比樣退出，改換植物鮮葉片并測定透過葉片得各波長光強度I(3個波長I1、I2、I3)并傳入微控制器(7)，微控制器(7)利用各波長的I0、I計算出色素含量。
在上述的技術(shù)方案中，所述的檢測器為半導(dǎo)體光電檢測器，安置在葉片夾的下臂內(nèi)，也可以安置在葉片夾上臂內(nèi)，用以檢測各波長分析光的原始強度I0及透過葉片后的強度I，檢測的信號傳送到微控制器，經(jīng)處理確定葉片中待測量。
在上述的技術(shù)方案中，所述的顯示器為液晶顯示器或其它顯示器，用以顯示分析結(jié)果以及測試參數(shù)。
本發(fā)明提供的用于植物色素無損檢測的方法，包括在本發(fā)明的用于田間植物色素無損檢測系統(tǒng)中按以下步驟進行1、首先，啟動電源。通過移動滑動夾4將中性參比樣置入光源5和檢測器6之間；2、操作鍵盤，使微控制器7分別控制3波長光譜測量裝置中LED光源(5)分時輸出檢測光的波長，其波長為λ1＝650～700nm，λ2＝730～780nm，λ3＝940～990nm的LED光源分時發(fā)出檢測光，透過中性參比樣后由光電檢測器6接收，即定為3波長光的原始強度分別為I01、I02、I03，該3波長輸出光經(jīng)前置放大和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，輸入微控制器7；3、將中性參比樣4退出，改換待測的植物鮮葉片；將該待測葉片放在所述的3波長光譜測量裝置的上臂2和下臂3夾子中，測定時人工打開夾入葉片后借助彈簧的力量自動夾緊；重復(fù)測定中性參比樣的步驟，測定透過植物鮮葉片的各波長光強度I，分別3個波長為I1、I2、I3，該輸出光經(jīng)前置放大和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，輸入微控制器；4、微控制器利用檢測的數(shù)據(jù)(各波長的I0與I)計算出各波長檢測光對植物鮮葉片的透過率T(T＝I/I0)，然后利用下述多元線性方程組(1)計算出葉片中植物色素的含量Chl，結(jié)果由顯示屏顯示，其系統(tǒng)檢測流程如圖4所示。
所述的方程組(1)-Log(T1)＝kλ1CChl+hλ1Cx+S-Log(T2)＝kλ2CChl+hλ2Cx+S-Log(T3)＝kλ3CChl+hλ3Cx+S其中hλ1、hλ2、hλ3為葉片水分的衰減系數(shù)，hλ1的取值為0.7×10-8～1.3×10-8，hλ2的取值為0.9×10-8～1.6×10-8，hλ3的取值為3×10-8～8×10-8；kλ1、kλ2、kλ3為葉片的葉綠素衰減系數(shù)，kλ1的取值為0.07～0.13，kλ2的取值為0.004～0.009，kλ3的取值為0.003～0.01；S為散射誤差項。
本發(fā)明的優(yōu)點在于本發(fā)明的便攜式無損檢測田間植物色素的系統(tǒng)和方法測定活體葉片中葉綠素的含量，比傳統(tǒng)測定的濕化學方法提高效率數(shù)十倍，而且不產(chǎn)生對環(huán)境有害的物質(zhì)；多波長校正了散射影響和背景成份干擾，解決了葉綠素含量較寬范圍內(nèi)的準確測量?？梢詮V泛用于作物的診斷、育種、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研。
1、本方法為田間活體葉片直接測定，不需采摘葉片和化學前處理，不產(chǎn)生污染，屬于綠色測定方法。
2、本方法為快速測量，比傳統(tǒng)測定的濕化學方法提高效率數(shù)十倍。
3、采用至少3個的多個波長組合，校正了散射影響和消除背景成份干擾。
4、能很好的消除田間雜散光對測量的影響。
5、系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計，適于便攜。
6、測量結(jié)構(gòu)采用滑動葉片夾，使用方便。
7、選擇了固體中性參比，解決了光源出射光強與檢測器匹配的問題。
8、采用中文液晶便于使用，并可以直接顯示出色素含量。
9、可以將數(shù)據(jù)上傳給PC機。


圖1是本發(fā)明的用于植物色素無損檢測的系統(tǒng)組成示意圖(圖中虛線表示安裝在外殼內(nèi)的部件)圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)中的3波長光譜測量裝置組成示意3是本發(fā)明的系統(tǒng)驅(qū)動電路裝置框4是本發(fā)明的系統(tǒng)檢測流程框面說明1-葉片夾2-葉片夾上臂3-葉片夾的下臂4-中性參比樣滑動夾 5-光源 6-光電檢測器7-微控制器 8-鍵盤 9-顯示器10-串行口電路 11-電池槽 12-外殼13-葉片或中性參比樣 14-三路LED驅(qū)動電路 15-前置放大器16-系統(tǒng)電路板具體實施方式
參照附圖1，制作一便攜式無損檢測田間植物色素的系統(tǒng)，包括一外殼12，一安裝在外殼12上的用于夾持待測葉片的葉片夾1；所述的葉片夾包括上臂2和下臂3兩部分，兩臂內(nèi)相對設(shè)置分析用的光源5和分析用的光電檢測器6，該光電檢測器為市場上購買的PIN 2CU30S型號的；其葉片夾1上帶有滑道(圖中未示出)，滑道中安裝了中性參比樣滑動夾4，兩者滑動配合；外殼12一壁上安裝有鍵盤8和液晶顯示器9；外殼12內(nèi)設(shè)有用以安放本機工作電池的電池槽11，和系統(tǒng)電路板16；檢測時在兩臂上安裝的光源5和光電檢測器6之間放置一待測葉片或中性參比樣。
參照附圖2和3所示的系統(tǒng)電路裝置作成一塊板，包括3路LED驅(qū)動電路14、串行口電路10，和一市場上購買的C8051F005型號的帶A/D轉(zhuǎn)換器的微控制器7作成一塊驅(qū)動電路板16，微控制器7內(nèi)還固化有系統(tǒng)檢測運行程序，其檢測運行流程圖如圖4所示；其中3路LED驅(qū)動電路14分別與C8051F005型號的微控制器7電連接；微控制器7通過串行口電路10傳數(shù)據(jù)；微控制器7與安裝在外殼12上的鍵盤8和液晶顯示器9電連接；微控制器7與具有3種波長LED單色光源5，其波長范圍為350nm～1100nm；(或者是包含至少3個波長的復(fù)合LED燈均可以)電連接；還通過一個TLC272型號的前置放大器15與PIN 2CU30S光電檢測器6電連接，電池槽11內(nèi)安裝的電池與3路LED驅(qū)動電路14電連接。
通過C8051F005微控制器7控制3種波長LED輸出的檢測光，該檢測光為可見——近紅外特征光作為檢測光源位于植物葉片上面，PIN 2CU30S光電檢測器位于中性參比樣或植物鮮葉片下面，用于檢測透過中性參比樣后的各波長檢測光的強度I0(3個波長I01、I02、I03)或透過鮮葉片后的各波長檢測光的強度I(3個波長I1、I2、I3)。在測量葉片前通過滑動夾將中性參比樣置入光源和光電檢測器之間，以檢測各波長光的原始強度I0(3個波長I01、I02、I03)，經(jīng)前置放大器TLC272進入微控制器所帶的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸入端，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并傳入微控制器。測定葉片時將中性參比樣退出，改換植物鮮葉片并測定透過葉片的各波長光強度I(3個波長I1、I2、I3)并傳入微控制器C8051F005。微控制器利用檢測的數(shù)據(jù)(各波長的I0與I)計算出各波長檢測光對鮮葉片的透過率T(T＝I/I0)，然后利用化學計量算法計算出葉片中植物色素的含量，計算結(jié)果由顯示屏顯示或通過串行口電路傳送數(shù)據(jù)。
應(yīng)用上述的便攜式無損檢測田間植物色素的系統(tǒng)，進行田間植物葉片包括油菜葉、白菜葉、楊樹葉、架豆葉中葉綠素含量測定，其具體步驟如下1首先選擇具有3個波長段特征光的LED光源5，安裝在葉片夾1的上臂內(nèi)，下臂內(nèi)安裝光電檢測器6該第一個波長段用λ1表示為650～700nm，第二個波長段用λ2表示為730～780nm，第三個波長段用λ3表示為940～990nm；2、啟動電源。通過移動滑動夾4將中性參比樣置入光源5和檢測器6之間；3、微控制器7分別控制多波長光譜測量裝置中的光源輸出光的波長為λ1＝650～700nm，λ2＝730～780nm，λ3＝940～990nm，當LED光源分別發(fā)出檢測光，透過中性參比樣后由光電檢測器6接收，即定為各波長光的原始強度I0(3個波長I01、I02、I03)，經(jīng)前置放大15和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，輸入微控制器7；4、將中性參比樣4退出，改換待測的植物鮮葉片；將該待測葉片放在所述的多波長光譜測量裝置的上臂2和下臂3夾子中，測定時人工打開夾入葉片后借助彈簧的力量自動夾緊；測定透過葉片的各波長光強度I(3個波長I1、I2、I3)經(jīng)前置放大和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，輸入微控制器(7)；其中性參比樣是對各波長近紅外光有相同吸收作用的材料制成，用陶瓷或聚四氟乙烯的薄片制做的，用于檢測光源5各波長光的原始強度I0(3個波長I01、I02、I03)并輸入微控制器7；5、微控制器7利用檢測的數(shù)據(jù)(各波長的I0與I)計算出各波長檢測光對鮮葉片的透過率T(T＝I/I0)，然后利用下述多元線性方程組(1)，利用化學計量算法計算出葉片中植物色素的含量Chl，結(jié)果由顯示屏顯示。
所述的方程組(1)-Log(T1)＝kλ1CChl+hλ1Cx+S-Log(T2)＝kλ2CChl+hλ2Cx+S-Log(T3)＝kλ3CChl+hλ3Cx+S其中hλ1、hλ2、hλ3為葉片水分的衰減系數(shù)，hλ1的取值為0.7×10-8～1.3×10-8，hλ2的取值為0.9×10-8～1.6×10-8，hλ3的取值為3×10-8～8×10-8；kλ1、kλ2、kλ3為葉片的葉綠素衰減系數(shù)，kλ1的取值為0.07～0.13，kλ2的取值為0.004～0.009，kλ3的取值為0.003～0.01；S為散射誤差項。
下述實測結(jié)果是利用本實施例檢測的數(shù)據(jù)(各波長的I0與I)計算出各波長檢測光對油菜、白菜、楊樹、架豆的鮮葉片的透過率T(T＝I/I0)，然后利用化學計量算法計算出葉片中植物色素的含量Chl，本次測量采用上述各種葉片的平均值，測試結(jié)果如下實測結(jié)果μg/cm2經(jīng)典方法 本發(fā)明1.75 1.695.11 4.719.73 10.113.1 12.716.7 16.9
權(quán)利要求
1.一種便攜式無損檢測田間植物色素的系統(tǒng)，包括光譜測量裝置，其特征在于還包括一外殼(12)，外殼(12)上安裝有鍵盤(8)和液晶顯示器(9)；外殼(12)內(nèi)設(shè)置一用以安放本機工作電池的電池槽(11)；以及安裝系統(tǒng)電路板(16)，該系統(tǒng)電路板(16)由3路LED驅(qū)動電路(14)分別與微控制器(7)電連接，電池與3路LED驅(qū)動電路14電連接；微控制器(7)通過串行口電路(10)傳送數(shù)據(jù)；微控制器(7)與安裝在外殼(12)上的鍵盤(8)和液晶顯示器(9)電連接；微控制器(7)與光譜測量裝置中的光源(5)電連接；還通過前置放大器(15)與光電檢測器(6)電連接；所述的光譜測量裝置是具有3波長的，包括用于夾持待測葉片的葉片夾(1)，葉片夾(1)安裝在外殼(12)上；葉片夾的上臂(2)和下臂(3)內(nèi)相對設(shè)置分析用的3種波長單色光源(5)和分析用的光電檢測器(6)、其葉片夾上帶有滑道，滑道中安裝一用于固定中性參比樣的滑動夾(4)。
2.按權(quán)利要求1所述的便攜式無損檢測田間植物色素的系統(tǒng)，其特征在于還包括一計算機，微控制器(7)與計算機通過串行口電路(10)電聯(lián)接。
3.按權(quán)利要求1所述的便攜式無損檢測田間植物色素的系統(tǒng)，其特征在于所述的中性參比樣是用具有相同吸收作用的材料制成的薄片，該薄片材料包括陶瓷、聚四氟乙烯。
4.按權(quán)利要求1所述的便攜式無損檢測田間植物色素的系統(tǒng)，其特征在于所述的光源波長范圍為350nm～1100nm；包括單波長LED燈組合形成，或包含3個波長的復(fù)合LED燈。
5.按權(quán)利要求1所述的便攜式無損檢測田間植物色素的系統(tǒng)，其特征在于所述的光電檢測器為半導(dǎo)體光電檢測器。
6.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述的便攜式無損檢測田間植物色素的系統(tǒng)進行檢測的方法，其特征在于包括以下步驟A、首先，啟動電源。移動滑動夾(4)，將中性參比樣置入光源(5)和光電檢測器(6)之間；B、微控制器(7)分別控制3波長光譜測量裝置中LED光源(5)分時輸出檢測光的波長，其波長為λ1＝650～700nm，λ2＝730～780nm，λ3＝940～990nm，檢測光透過中性參比樣后由光電檢測器(6)接收各波長光的原始強度I01、I02、I033個波長，經(jīng)前置放大(15)和微控制器內(nèi)部所設(shè)置的A/D模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，輸入微控制器(7)；C、將中性參比樣(4)退出，改換待測的植物鮮葉片；將該待測葉片放在所述的3波長光譜測量裝置的葉片夾(1)中夾緊，重復(fù)步驟B，測定透過待測的植物鮮葉片的各波長光強度I1、I2、I33個波長，經(jīng)前置放大和微控制器內(nèi)部的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，輸入微控制器(7)；D、微控制器(7)利用檢測的數(shù)據(jù)I0與I，計算出各波長檢測光對鮮葉片的透過率T＝I/I0，然后利用多元線性方程組計算出葉片中植物色素的含量Chl，結(jié)果由顯示屏顯示。
7.按權(quán)利要求7所述的便攜式無損檢測田間植物色素的系統(tǒng)進行檢測的方法，其特征在于所述的多元線性方程組-Log(T1)＝kλ1CChl+hλ1Cx+S-Log(T2)＝kλ2CChl+hλ2Cx+S-Log(T3)＝kλ3CChl+hλ3Cx+S其中hλ1、hλ2、hλ3為葉片水分的衰減系數(shù)，hλ1的取值為0.7×10-8～1.3×10-8，hλ2的取值為0.9×10-8～1.6×10-8，hλ3的取值為3×10-8～8×10-8；kλ1、kλ2、kλ3為葉片的葉綠素衰減系數(shù)，kλ1的取值為0.07～0.13，kλ2的取值為0.004～0.009，kλ3的取值為0.003～0.01；S為散射誤差項。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種便攜式無損檢測田間植物色素的系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)包括3波長光譜測量裝置，其中3波長光譜測量裝置中光源和檢測器相對設(shè)置，并在光源和檢測器之間放置中性參比樣或待測葉片，光源和檢測器分別與微控制器電聯(lián)接，微控制器與串行口電路電聯(lián)接，還分別與顯示器和鍵盤電聯(lián)接。該檢測方法利用所檢測的數(shù)據(jù)I
文檔編號G01N21/27GK1715873SQ20041000928
公開日2006年1月4日 申請日期2004年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月30日
發(fā)明者王忠義, 嚴衍祿, 房徐, 趙龍蓮, 李軍會, 羅長兵, 張錄達, 王紀華, 黃文江, 劉良云 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學