НОУ ИНТУИТ | Интеллектуальные сенсоры. Лекция 22: Сенсоры с люминесцентными маркерами. Биолюминесцентные и сцинтилляционные сенсоры

Учитесь и получайте официальные документы БЕСПЛАТНО. Вы можете поддержать наш проект.

Регистрация Вход

Твой путь к знаниям!

Опубликован: 26.05.2010 | Доступ: свободный | Студентов: 1591 / 255 | Оценка: 4.42 / 4.25 | Длительность: 56:51:00

ISBN: 978-5-9963-0124-9

Темы: Искусственный интеллект и робототехника, Аппаратное обеспечение

Специальности: Разработчик аппаратуры

|

Вам нравится? Нравится 35 студентам

| Поделиться |

Поддержать курс

| Скачать электронную книгу

Аннотация: Описаны принципы работы сенсора для определения квантового выхода фотосинтеза, сенсоров с люминесцентными маркерами, биолюминесцентных и сцинтилляционных сенсоров. Указаны их достоинства, возможности и области применения

Ключевые слова: ИФХ, выход, люминесцентный маркер, биолюминесцентный сенсор, сцинтилляционный сенсор, лист, поток, энергия, ПО, интеллектуальный сенсор, ppm, metering, сенсор, Active, radiation, производительность, диапазон, селективность, интерфейс, память, люминесцентный сенсор, активность, микрокомпьютер, сигнализатор, CNF, массив, опасная ситуация, распознаватель, функциональная схема, чувствительный элемент, CDS, EU, CSI, очередь, компонент, сцинтилляционный счетчик, сцинтилляционный детектор, значение, дисплей, быстродействие, АЦП, монитор, модуль, координатно-чувствительный сцинтилляционный детектор, координаты, компьютер, WIMP, периодичность, сенсор для определения квантового выхода фотосинтеза, сохранение энергии

Цель лекции: показать, как можно, не снимая кривую ИФХ, определить квантовый выход фотосинтеза в зеленых листьях растений. Объяснить принципы действия и построения современных сенсоров с люминесцентными маркерами и биолюминесцентных сенсоров, их достоинства и области применения. Рассказать о сцинтилляционных сенсорах, напомнить их роль в истории становления физики атомов и ядерной физики. Ознакомить с устройством и функционированием современных интеллектуальных сцинтилляционных сенсоров. Указать области их применения и роль в современной науке и жизни.

22.1. Сенсор для определения квантового выхода фотосинтеза

Ряд важных характеристик фотосинтеза и, следовательно, общее состояние растения, можно определять, не проводя темновой адаптации листьев и не снимая кривую ИФХ. В частности, это касается определения квантового выхода фотосинтеза и квантового выхода флуоресценции хлорофилла при рабочем освещении.

Сначала напомним, что это такое. Пусть на зеленый лист растения падает квантовый световой поток $\textit{Ф}$ мкмоль/(м²с), из которого $\textit{Ф}_{\textit{ФС}}$ мкмоль фотонов/(м²с) используются на стимулирование фотохимических реакций фотосинтеза, $\textit{Ф}_{\textit{Фл}}$ – на флуоресценцию хлорофилла в красной области спектра и $\textit{Ф}_{\textit{Т}}$ - на тепловую диссипацию без излучения. Тогда величину

$\varphi_{\textit{ФС}}=\textit{Ф}_{\textit{ФС}}/\textit{Ф}$

( 22.1)

называют квантовым выходом фотосинтеза, величину

$\varphi_{\textit{Фл}}=\textit{Ф}_{\textit{Фл}}/\textit{Ф}$

( 22.2)

– квантовым выходом флуоресценции хлорофилла, а величину

$\varphi_{\textit{Т}}=\textit{Ф}_{\textit{Т}}/\textit{Ф}$

( 22.3)

– квантовым выходом тепловой диссипации. Последний не зависит от интенсивности светового потока $\textit{Ф}$ , а определяется лишь температурой листьев и внутренней структурой центров фотосинтеза.

Первые 2 квантовых выхода меняются с изменением $\textit{Ф}$ . Квантовый выход фотосинтеза $\varphi_{\textit{ФС}}$ уменьшается при увеличении светового потока $\textit{Ф}$ , так как с возрастанием светового потока все больше каналов запуска фотосинтеза оказываются занятыми. А когда поток $\textit{Ф}$ достигает уровня насыщения, то количество фотонов, используемых на стимулирование фотохимических реакций, вообще перестает возрастать. В этих условиях оно определяется лишь максимальной "пропускной способностью" всех фотосистем І и ІІ. Поэтому зависимость квантового выхода фотосинтеза от потока освещения $\textit{Ф}$ носит нелинейный характер.

Если при наличии насыщающего света увеличить его квантовую интенсивность на $\Delta\textit{Ф}$ , то она распределится следующим образом. $(T\Delta\textit{Ф})$ мкмоль фотонов/(м²с) проходят сквозь листок растения, где – коэффициент его пропускания, а $\Delta\textit{Ф}(1–T)$ поглощаются листком. Из них энергия $\varphi_T \Delta\textit{Ф}(1 – T)$ мкмоль фотонов/(м²с) превращается в тепло, а остальные фотоны переизлучаются в виде флуоресценции хлорофилла. Квантовый выход флуоресценции хлорофилла достигает в условиях действия насыщающего света своего максимального значения

$\varphi_{\textit{Фл,Н}}=1-T-\varphi_T$

( 22.4)

В обычных условиях функционирования растения

$\varphi_{\textit{ФС}}+\varphi_{\textit{Фл}}+\varphi_T=1-T$

( 22.5)

Из формул (22.4) и (22.5) вытекает, что квантовый выход фотосинтеза можно вычислить по формуле

$\varphi_{\textit{ФС}}+\varphi_{\textit{Фл,Н}}-\varphi_{\textit{Фл}}$

( 22.6)

Для этого надо определить квантовый выход $\textit{Фл}$ флуоресценции хлорофилла в условиях обычного ("рабочего") освещения и квантовый выход флуоресценции $\textit{Фл,Н}$ в условиях действия "насыщающего" света.

По этому принципу и действует интеллектуальный сенсор EARS-PPM (Plants Photosynthesis Meter) нидерландской фирмы EARS ( рис. 22.1), который измеряет не квантовый выход фотосинтеза по формуле (22.6), а пропорциональную ему величину

$\varphi_P=1-\varphi_{\textit{Фл}}/\varphi_{\textit{Фл,Н}} = 1-I_{\textit{Фл}}/I_{\textit{Фл,Н}}$

( 22.7)

где $I_{\textit{Фл,Н}}$ и $I_{\textit{Фл}}$ – интенсивности флуоресценции, которые измеряются с помощью модулированного измерительного света в условиях насыщающего и обычного рабочего освещения соответственно.

Рис. 22.1. Измеритель эффективности фотосинтеза EARS-PPM нидерландской фирмы EARS. Размеры – 250х53х80 мм, масса – 0,85 кг

Производитель называет ее "квантовой эффективностью фотосинтеза". Нужные измерения сенсор выполняет автоматически менее, чем за 1 мин. Кроме того он может измерять квантовую интенсивность PAR действующего на растение света (PAR – photosynthetic active radiation) в мкмоль/(м²с), которая интересует исследователей, и вычислять величину $P = \varphi_P\times PAR$ , которая характеризует производительность фотосинтеза.

Источником измерительного света в этом сенсоре служит GaAlAs светодиод с максимумом излучения на длине волны 637 нм. С красной стороны его излучение обрезается специальным светофильтром, начиная от 690 нм. Частота модуляции – 7200 или 8900 Гц. В качестве источника насыщающего света используется галогенная лампа на 5000 кандел со светофильтром, отрезающим БИК диапазон спектра излучения. В усилителе-селекторе сигналов применено синхронное детектирование, обеспечивающее высокую селективность на фоне сильного постоянно действующего света и несинхронных помех. Имеется внешний интерфейс RS232 и внутренняя память на тысячи результатов измерений.

Сенсор выпускается в нескольких модификациях: PPM-MLHD, PPM-100 и PPM-200, отличающихся своими функциональными возможностями и ценой.

Дальше >>

Авторизоваться

Интеллектуальные сенсоры

Сенсоры с люминесцентными маркерами. Биолюминесцентные и сцинтилляционные сенсоры

22.1. Сенсор для определения квантового выхода фотосинтеза

Вопросы и ответы