马齿苋叶片激光诱导延迟发光特性曲线的研究
摘要
在室温条件下，在暗室和连续不同波长照射下，研究了雪梨叶片的延迟发光特征曲线。结果表明，脉冲激光诱导的受激发射光子随延迟时间的增加呈典型的双曲线衰减趋势，拟合曲线优度可达99.9%。初始光子强度I(0)和衰变时间τ与环境和植物生理活动密切相关。在暗室中，发现采摘叶片的延迟发光曲线的初始强度和衰减时间减小，而盆栽叶片几乎保持不变。
激光诱导延迟发光的特征曲线准确地反映了植物萎蔫的过程和程度。对于波长分别为520 nm和400 nm的激光连续照射，曲线参数的变化反映了不同波长光的选择性吸收。有光和无光条件下，植物光合作用和呼吸作用的代谢产物不同，导致腐烂时间发生很大变化。激光诱导延迟发光的特征曲线可作为衡量植物生理状态的重要参数。
简介
生物延迟发光(DL)是由Sstrehler和Arnold首次在植物中观察到的，他们在藻类样品中检测了光诱导三磷酸腺苷(ATP)的形成。DL定义为光合物质受激发光照射后的发光。在叶片、叶绿体、光合细菌等其他生物样品中也相继观察到DL。近年来，绿色植物DL的研究是生物光子学的一个活跃领域。
它可以作为评价生物活性的重要指标，反映生物体内部的生长发育信息。目前的研究结果表明，DL非常敏感，并依赖于许多环境和生理因素。W. Wang等[9]对cocoecaria cochinchinnensis等植物叶片进行了DL图像检测。结果表明，DL可以提供植物光合作用、细胞分裂和能量转化的重要信息。
他们认为，从新叶到老叶的DL衰减参数随着叶龄的增加而增加，然后在一段时间内保持相对稳定，最后开始下降。M. Luo et al.讨论了甘蔗叶片DL与叶绿素含量(单茎重量)之间的关系。结果表明，甘蔗叶片的DL强度与甘蔗生长的代谢和能量转化能力有关。光合和代谢越强的样品延迟发光越强，单茎重量与DL密切相关。
DL的强度与叶绿体的生长和光合作用密切相关。而叶绿素含量仅表示叶片中叶绿素的含量，不能代表叶绿素的活性，与DL没有关系。综上所述，生物DL是一个与植物生理状态密切相关的化学物理过程，是生物体整体生长发育特征的表现。因此，它能反映生物生理状态的变化和功能，是代表植物系统变化的有力参数。
本文在暗室条件下，测定了采后和盆栽后的雪兰叶的DL，并拟合曲线。同时，还测量了叶片在不同波长的光长期照射下的DL曲线。通过曲线拟合，激发发射光子的初始强度和衰减时间与叶片的生理状态密切相关。这可用于确定植物萎蔫的程度和过程。
实验系统设计
系统原理图如图1所示。波长为520 nm的脉冲激光通过光纤耦合器泵浦到样品中，光斑直径为6 mm。在一次脉冲激光后，从叶子发出的光子被场透镜聚合。为了增加收集光子的数量，采用了一根比光纤大得多的液体光纤(径向芯:5mm)来收集发射光子。由于单光子雪崩二极管(SPAD)的光敏区仅为400 μm，采用20倍放大的倒置显微镜将光斑缩小到400 μm，并引入光纤中。最后，由SPAD收集光子。
计算机通过电路控制器控制激光器和SPAD，实现触发和采集的时间同步。SPAD由Excelitas Technology公司提供(SPCM-AQRH-16X单光子计数模块)，采用光纤耦合模式，有效光谱范围为450 ~ 900 nm，暗计数小于25 cps(每秒计数)，门控精度小于2 μs, 500 ~ 900 nm波长范围内的量子效率高于40%，650 nm波长处的量子效率可达70%。
虽然光敏直径只有150 μm，但由于内置耦合透镜，它可以将直径为400 μm的光斑成像到探测器的有效探测区域。如图2所示，激光与SPAD的时间同步由电脉冲占空比控制。脉冲激光器的激发时间为100 ms，脉冲宽度为10 ms。由于大多数荧光持续几百纳秒，为了尽可能地屏蔽荧光效果，SPAD在脉冲激光结束后以150 μs的延迟和30 ms的采集门宽度开始采集激发的发射光子。
由于每个激光脉冲产生的受激发射光子非常少，而且发射光子的方向也是随机的，因此收集到的光子数量非常有限，导致信噪比非常低。因此，我们在一个采集门中计数100次，重复50次脉冲进行积累，得到光子数随时间延迟的变化曲线。每条DL曲线为50次重复测量的平均值。
