便携式光合仪

用于测定光合速率的仪器

在精确控制环境因子的条件下，通过红外线气体分析仪检测二氧化碳的消耗速率来测定植物光合速率的一种仪器，简称光合仪。红外线气体分析仪法已成为最有发展前途的光合测定手段，应用越来越普及，成为在气相环境中测定光合速率的重要方法。

基本原理

世界上各大品牌的光合仪均采用红外线气体分析仪检测二氧化碳的吸收速率以测定光合速率。

红外仪原理

许多由异原子组成的具有偶极距的气体分子，如CO2、CO、H2O、SO2、N2O、NH3等，在波长2.5～25微米的中段红外光区都有特异的吸收带，红外光经过上述气体分子时，与气体分子振动频率相等能够形成共振的红外光，便被气体分子吸收，使透过的红外光能量减少，被吸收的红外光能量的多少与该气体的吸收系数(K)、气体浓度(C)和气层的厚度(L)有关，并服从朗伯-比尔定律：

E=Eoe

式中：Eo-入射光能量；E-透射光能量。

CO2在中段红外光区的吸收带有4处，吸收峰分别在波长2.69、2.77、4.26和14.99μm处，其吸收率分别为0.54%、0.31%、23.2%和3.1%。其中峰值为4.26μm的吸收波长最强，且不与H2O的吸收带重叠，而2.69和2.77μm的吸收带则与H2O的吸收相重叠。

H2O吸收红外线的最大吸收峰值为2.59μm，同样的原理应用红外线技术可以准确地测量气体中水分的含量。

红外仪结构

一台红外线CO2或H2O气体分析仪由4个基本部分组成：红外线辐射源、气室、滤光片和检测器，气室中有CO2或H2O存在时到达检测器的辐射能量减少，从而检测器输出信号。作差分测量时需要有两个平行的气室，并且所用的检测器也必须能够测出两个气室吸收的辐射能的差值。

① 红外线辐射源红外线辐射源是由镍铬合金或钨丝绕制成20欧姆的螺旋形园柱体，螺旋丝包上一层氧化物。用低电压电源加热，温度升至600～800℃之间发出暗红色光，发射出0.7～7μm的连续波长的红外光。这种精细的金属螺旋丝必须安装牢固，以减少振动，否则会给检测器信号带来随机噪音，通常把辐射源埋置在一种透明的陶瓷材料中以防止任何振动。

在双气室红外仪中，要求使用双光束，必须有两条平行的红外辐射光源。一般有两种方法，可以做到这一点，一种是使用串联在同一电路中的两个辐射源，另一种是利用一个辐射源，借助反射器把光束分开导入两个平行的气室。后一种方法避免了两个辐射源不同步老化而造成能量差异较大的难题。

② 气室气室相当于液体比色分析中的比色杯，所不同的是它所盛装的是被测气体而非液体。气室一般为金属圆筒，两端镶以氟化钙制成的小窗，可以透过红外线，筒内壁镀金，镀金是为了最大限度地反射光线，两端有气口。作绝对值测量即检测CO2或H2O浓度使用的红外仪一般为单气室，而应用于光合作用研究的红外仪除了能进行绝对值测量外同时具备差分测量CO2浓度或H2O的含量的功能。应用于光合作用研究的红外线CO2或H2O分析仪多数为双气室或多气室，一个为分析气室，另一个作为参比气室。利用开放式气路系统进行测定光合速率时，一个气室中检测进入同化室之前的CO2浓度（参比气，R），另一个气室检测流经同化室之后的CO2浓度（分析气，A），仪器给出的信号即为进入同化室前后的气体中的CO2浓度差。

③滤光器滤光器是将光源发射的一段波长的光过滤，只允许某单色光通过。检测CO2浓度的滤光器只让4.26μm±0.1μm波长的红外光透过，检测H2O的波长为2.59μm。

④ 检测器红外辐射能量能否被检测，是气体分析仪成败的关键。世界各国用以检测红外线能量的检测器种类较多，概括起来有两类。

其一是光导检测器，这类检测器是一类半导体的物质（如锑化铟-InSb），因红外辐射引起其电阻改变而被检测。各种类型的红外线气体分析仪绝大多数采用这一检测原理，该原理在QGD-O7型红外线CO2气体分析仪工作原理中叙述。

半导体检测器受温度影响较大，为了提高检测器的稳定性，增加了控温装置，将检测器周围的温度控制在55℃，测量精度和稳定性大大提高。

其二是一种气体热敏计，常称薄膜微音器。九十年代以前生产的红外线CO2分析仪，多数采用这类检测器。因该检测器易漏气和机械振动增加测量误差，已经淘汰。

这种气动检测器，最早由美国矿山安全用品公司费因格洛夫设计，形式颇象现代电话耳机膜片的装置，称为单边式微音检测器。它的工作原理是热辐射使膜片一侧气压变化，并使其与固定电极间距离缩小，电容量增加，从而达到检测外热的强度。

红外仪的类型

分为单气室和双气室。

光合作用测定系统主要采用开放式气路系统，进行CO2和H2O的差分测量，使用的红外线气体分析仪为双气室、四气室或多气室，最精确的分析仪具有4个气室。

光合作用测定系统具有4个气室，其中两个气室测定CO2，一个作参比气室，另一个作分析气室；另外两个气室测定参比和分析气体中的H2O。

采购注意事项

1、稳定性

2、环境因子的精确控制能力（光、温、水、气）

3、便携性

4、续航能力

5、高水平文献引用情况

6、测得数据的可靠性

7、售后服务水平

......

标准参数举例

品牌

国内外市场的光合仪档次参差不齐，国产与进口光合仪水平相差甚远，不同档次的光合仪应用于不同领域，价格从几千元到几十万元不等。

主要功能

2.测量参数包括CO2浓度、H2O浓度、空气温度、叶片温度、相对湿度、蒸汽压亏缺、露点温度、大气压、内置光强、外置光强、净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度、气孔导度、Ci/Ca，Fo、Fm、Fv/Fm、Fo’、Fm’、Fv’/Fm’、qP、qN、ETR、光系统II量子效率和NPQ等等。

主机技术指标

叶室技术指标

光源技术指标

全自动红、蓝、绿、白四色LED光源，自动控光范围：0-2500μmol m-2 s-1

红光波峰625nm+/-5nm，半峰宽15nm

绿光波峰528nm+/-8nm 半峰宽40nm

蓝光波峰475nm+/-10nm 半峰宽28nm

白光波长425-650nm

参考引用文献

W Tezara, VJ Mitchell, SD Driscoll, DW Lawlor .Water stress inhibits plant photosynthesis by decreasing coupling factor and ATP.Nature. 01/1999

F Vasseur, C Violle,BJ Enquist, C Granier…A common genetic basis to the origin of the leaf economics spectrum and metabolic scaling allometry, Ecology letters, 2012 - Wiley Online Librar

WL Bauerle, R Oren,DA Way…Photoperiodic regulation of the seasonal pattern of photosynthetic capacity and the implications for carbon cycling，Proceedings of the …, 2012 - National Acad Sciences

S Bokhorst, JW Bjerke, LE Street…Impacts of multiple extreme winter warming events on sub‐Arctic heathland: phenology, reproduction, growth, and CO2 flux responses,Global Change Biology, 2011 - Wiley Online Library

Q Fu, L Cheng,Y Guo, R Turgeon.Phloem loading strategies and water relations in trees and herbaceous plants, Plant physiology, 2011 - Am Soc Plant Biol

RJ Oliver,G Taylor, JW Finch.Assessing the impact of internal conductance to CO2 in a land-surface scheme: Measurement and modelling of photosynthesis in Populus nigra, Agricultural and Forest Meteorology, 2012 – Elsevier

GM George, MJ Van Der Merwe, A Nunes-Nesi…Virus-induced gene silencing of plastidial soluble inorganic pyrophosphatase impairs essential leaf anabolic pathways and reduces drought stress tolerance in …, Plant …, 2010 - Am Soc Plant Biol

应用举例

实验1

基本光合参数的测定（Pn、Gs、Ci、E等）

获得的参数： Pn（净光合速率）、E（蒸腾速率）、Gs（气孔导度）、Ci（细胞间隙CO2浓度）。

实验准备：

选择晴朗的天气，测定时间以上午8：30－11：30最佳。

实验前一天将仪器充满电，检查仪器的吸收管，调试好仪器。

实验当天将要测定的植物材料提前半小时放到光下进行充分光适应。

实验步骤：

1 开机前接好所有电信号插口，光源，开机预热，仪器预热结束后进行自动调零和差分平衡，然后进入测定界面。（具体操作见CIRAS－3使用说明书）。

2 参数设定

A，V，Q，C，H，T设定如下，点击修改即可：

A：2.5 （圆形叶室）或1.7 （水稻形叶室） V：200 一般不需要更改

C：如果是使用大气则设为0，使用钢瓶设定为380

H：70－95，根据测定当日的湿度情况适当选择，一般设定为95

Q：对于阳生植物设定为1000或1200，阴生植物设定为600或800

T：点击T，一般不需控温的时候选择“None”

3 点击“Recording” → “Bgain”在弹出的对话框中输入保存的文件名。

4设定结束后，用叶室夹上光下适应好的叶片，等屏幕上的线稳定（数值稳定）后点击“Singal”记录数据，或者将光合速率（Pn），气孔导度（Gs），蒸腾速率（E），细胞间隙CO2浓度（Ci）的值记录在本子上。

5 记入完毕后，更换另一片光适应好的叶片重复步骤4的过程

6 实验结束后，点击“File” → “Exit”退出软件界面，关机。

实验2

光合日变化测定

实验准备及要求：

选择晴朗的天气。测定日变化时对照和处理材料必须时同一天测定，不同天测定的不能比较。

实验前一天将仪器充满电，检查仪器的吸收管，调试好仪器。

一般日变化测定时间为：6点8点10点12点14点16点18点。（用户可以根据自己的实验适当减少一个点）

实验步骤：

1将叶室的光源取下，开机前接好所有电信号插口，开机预热，仪器预热结束后进行自动调零和进行差分平衡，然后进入测定界面。（具体操作见CIRAS－3使用说明书）。

点击“Setting”，在下拉菜单中点击“Parameters”，弹出对话框：

2参数设定

A：2.5 （圆形叶室）或1.7 （水稻形叶室） V：200 不需要更改

C：如果是使用大气供气则设为0，使用钢瓶供气设定为380

H：70－95，根据测定当天的湿度情况适当选择，一般设定为95

Q：AM

T：点击T选择“None”

3 点击“Recording” → “Bgain”选择“Key Press” → “Ok”，在弹出的对话框中输入保存的文件名和保存路径。

4设定结束后，用叶室夹上光下适应好的叶片，等屏幕上的线稳定点击“Singal”记录数据，或者将Pn， Gs， E，Ci的值记录在本子上。

5 记入完毕后，更换另一片光适应好的叶片重复步骤4的过程

6 一个时间点测定结束后，点击“File” → “Exit”退出软件界面，关机。

7 下一个时间点提前20分钟开机，预热，重复步骤2以后的步骤。

数据处理：

以时间点为横坐标以Pn为纵坐标作图：

大豆干旱和水涝处理后与对照相比日变化的变化情况，日变化曲线与X轴围成的面积为叶片一天光合的净积累，面积越大表明产出越多。

实验3

光强－光合响应曲线的测定

可获得的参数：不同光强下的Pn、E、Gs、Ci。光合响应曲线以及由曲线得到的AQY（表观量子效率）、饱和光强、光补偿点以及暗呼吸速率。

实验准备：

选择晴朗的天气，测定时间以上午8：30－11：30最佳。

实验前一天将仪器充满电，检查仪器的吸收管，调试好仪器。

实验当天将要测定的植物材料提前半小时放到光下进行充分光适应。按照光强1200、1000、800、600、400、300、200、100、50、0μmol ·m·s的顺序做光－光合响应曲线。（光强顺序可以根据自己的实验要求做改动）[5]

实验步骤：

1 开机前接好所有电信号插口，光源，开机预热，仪器预热结束后进行自动调零和进行差分平衡，然后进入测定界面。（具体操作见CIRAS-3使用说明书）。

2 参数设定

A，V，Q，C，H，T设定如下，点击修改即可：

A：2.5 （圆形叶室）或1.7 （水稻形叶室） V：200 不需要更改

C：如果是使用大气则设为0，使用钢瓶设定为380

H：70－95，根据测定当日的湿度情况适当选择，一般设定为90

Q：1200

T：点击T，需要控温时选择“Enter Value”输入温度值。不需控温的时候选择“None”

3 点击“Recording” → “Bgain”在弹出的对话框中输入保存的文件名和保存路径。

4设定结束后，用叶室夹上光下适应好的叶片，等屏幕上的线稳定后（一般2-3分钟）点击“Singal”记录数据，。

点“Q”将光强改为1000，数值稳定后点“Singal”记录数据。

点“Q”，将光强改为800，数值稳定后点“Singal”记录数据，依次将光强Q改为600、400、300、200、100、50、0，数值稳定后点“Singal”记录数据，（或者将Pn， Gs， E，Ci的值记录在本子上）。每换一个光强稳定1-2分钟就可以记录数据。（测定一条光响应曲线一般要20-30分钟）

5 记入完毕后，点击“Q”重新设为1200，更换另一片光适应好的叶片重复步骤4的过程

6 实验结束后，点击“File” → “Exit”退出软件界面，关机。

数据处理：

以光强为横坐标以Pn为纵坐标作图：

Pn：叶片光合作用速率；Ps：光饱和的光合速率（次点对应的光强为饱和光强）：R：暗呼吸速率；前面三个参数的单位均为μmolCO2·m·s；PFD：光强；г：光补偿点（曲线与X轴的交点），两者单位均为μmol photons·m·s；Φ：表观光合量子效率AQY（直线部分的斜率），单位为mol CO2/mol photons。

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