专利名称：一种便携式无损检测田间植物色素的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种植物色素检测的系统，特别是涉及一种便携式无损检测田间植物色素的系统和方法。
背景技术：
在植物叶片中色素(包括叶绿素总量、叶绿素A、叶绿素B、胡萝卜素等)的含量可以反映作物生长、营养、病虫害等状况，据此可以对作物的栽培管理提出建议，特别对农业发展有着重要意义。如文献[1]严衍禄，刘心生，《叶绿素测定方法的研究》，北京农业大学学报，8(2)，P53～66，1982中所述现有作物色素的含量需要用可见光谱或液相色谱的方法来测定，测定前需要将作物叶片中有关的色素用湿化学的方法提取出来，然后再进行分离或者测定，这些测定方法不但速度慢，测定过程需要消耗试剂、会产生废液、对环境有一定影响。由于该方法在做测量前需要将作物叶片中有关的色素用湿化学的方法提取出来，即被测定的叶片在预处理时须先破坏，属于破坏性测定，因此该方法影响了作物在田间生长的过程中进行作物的生长与营养的诊断。另外一种方法如文献[2]严衍禄，戴文英，李昌民等《完整叶片叶绿素含量的活体测定》，北京农业大学学报，11(3)，P281～287，1985，在文献2中所介绍的叶绿素含量的活体测定方法，该方法在做测量前无需将作物叶片中有关的色素用湿化学的方法提取出来，使用活体叶片为样品，直接测定活体叶片的透过率，来估算活体叶片中叶绿素含量，但这种方法是在假设散射不存在的前提条件下，初步尝试使用2波长去除背景成分的办法进行活体叶片的叶绿素测量，仍然存在以下问题由于散射的存在，测试结果偏离了比耳(Beer Law)定律，使测量被限制在只能在叶片较薄的低浓度情况下，这样该方法的推广应用就受到限制。
发明内容
本发明的目的在于克服原有的用可见光谱或液相色谱的方法测定植物叶片中色素含量时，其测定速度慢，测定过程需要消耗试剂、还会产生废液、对环境造成污染的缺陷；更主要的是在测定植物叶片中色素含量时造成作物叶片破坏的缺陷；为了实现无损检测在田间生长过程中的作物叶片中的色素的含量；从而提供一种利用多波长校正散射、去除背景成份影响，来实现无损检测作物叶片中的色素含量的便携式无损检测田间植物色素的系统和方法。
本发明的目的是这样实现的本发明提供的便携式无损检测田间植物色素的系统，包括光谱测量装置，其特征在于还包括一外壳12、外壳12上安装有键盘8和液晶显示器9；外壳12内设置一用以安放本机工作电池的电池槽11；以及安装系统电路板16，该系统电路板16由3路LED驱动电路14分别与微控制器7电连接，电池与3路LED驱动电路14电连接；微控制器7通过串行口电路10传送数据；微控制器7与安装在外壳12上的键盘8和液晶显示器9电连接；微控制器7与光谱测量装置中的光源5电连接；还通过前置放大器15与光电检测器6电连接；所述的光谱测量装置是具有3波长的，包括用于夹持待测叶片的叶片夹1，叶片夹1安装在外壳12上；叶片夹的上臂2和下臂3内相对设置分析用的3种波长单色光源5和分析用的光电检测器6、其叶片夹上带有滑道，滑道中安装一用于固定中性参比样的滑动夹4，测量时将一待测叶片放置在叶片夹的光源和检测器之间。
还包括一计算机，微控制器7与计算机通过串行口电路10电联接。
在上述的技术方案中，所述的3种波长单色光源5采用具有3种波长LED，其波长范围为350nm～1100nm；包括单波长LED灯组合形成，也可以是一个包含至少3个波长的复合LED灯；并由微控制器7控制其工作。
所述的系统驱动电路可以与微控制器、串行口电路作成一块系统电路板，该系统驱动电路为光源提供电源、控制光源的工作、采集检测器的检测信号并对信号处理确定叶片中待测量，测量结果由显示器9显示；驱动电路板的工作由键盘8来控制，并带有串行口电路10还便于和外部计算机进行通讯连接；所述的微控制器内部设置模拟数字转换器(A/D转换器)。
在上述的技术方案中，所述的中性参比样是对各波长近红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，用于检测光源各波长光的原始强度I0(3个波长分别为I01、I02、I03)并传入微控制器(7)。当测定叶片时将中性参比样退出，改换植物鲜叶片并测定透过叶片得各波长光强度I(3个波长I1、I2、I3)并传入微控制器(7)，微控制器(7)利用各波长的I0、I计算出色素含量。
在上述的技术方案中，所述的检测器为半导体光电检测器，安置在叶片夹的下臂内，也可以安置在叶片夹上臂内，用以检测各波长分析光的原始强度I0及透过叶片后的强度I，检测的信号传送到微控制器，经处理确定叶片中待测量。
在上述的技术方案中，所述的显示器为液晶显示器或其它显示器，用以显示分析结果以及测试参数。
本发明提供的用于植物色素无损检测的方法，包括在本发明的用于田间植物色素无损检测系统中按以下步骤进行1、首先，启动电源。通过移动滑动夹4将中性参比样置入光源5和检测器6之间；2、操作键盘，使微控制器7分别控制3波长光谱测量装置中LED光源(5)分时输出检测光的波长，其波长为λ1＝650～700nm，λ2＝730～780nm，λ3＝940～990nm的LED光源分时发出检测光，透过中性参比样后由光电检测器6接收，即定为3波长光的原始强度分别为I01、I02、I03，该3波长输出光经前置放大和模拟数字转换器，输入微控制器7；3、将中性参比样4退出，改换待测的植物鲜叶片；将该待测叶片放在所述的3波长光谱测量装置的上臂2和下臂3夹子中，测定时人工打开夹入叶片后借助弹簧的力量自动夹紧；重复测定中性参比样的步骤，测定透过植物鲜叶片的各波长光强度I，分别3个波长为I1、I2、I3，该输出光经前置放大和模拟数字转换器，输入微控制器；4、微控制器利用检测的数据(各波长的I0与I)计算出各波长检测光对植物鲜叶片的透过率T(T＝I/I0)，然后利用下述多元线性方程组(1)计算出叶片中植物色素的含量Chl，结果由显示屏显示，其系统检测流程如图4所示。
所述的方程组(1)-Log(T1)＝kλ1CChl+hλ1Cx+S-Log(T2)＝kλ2CChl+hλ2Cx+S-Log(T3)＝kλ3CChl+hλ3Cx+S其中hλ1、hλ2、hλ3为叶片水分的衰减系数，hλ1的取值为0.7×10-8～1.3×10-8，hλ2的取值为0.9×10-8～1.6×10-8，hλ3的取值为3×10-8～8×10-8；kλ1、kλ2、kλ3为叶片的叶绿素衰减系数，kλ1的取值为0.07～0.13，kλ2的取值为0.004～0.009，kλ3的取值为0.003～0.01；S为散射误差项。
本发明的优点在于本发明的便携式无损检测田间植物色素的系统和方法测定活体叶片中叶绿素的含量，比传统测定的湿化学方法提高效率数十倍，而且不产生对环境有害的物质；多波长校正了散射影响和背景成份干扰，解决了叶绿素含量较宽范围内的准确测量。可以广泛用于作物的诊断、育种、农业生产和科研。
1、本方法为田间活体叶片直接测定，不需采摘叶片和化学前处理，不产生污染，属于绿色测定方法。
2、本方法为快速测量，比传统测定的湿化学方法提高效率数十倍。
3、采用至少3个的多个波长组合，校正了散射影响和消除背景成份干扰。
4、能很好的消除田间杂散光对测量的影响。
5、系统采用低功耗设计，适于便携。
6、测量结构采用滑动叶片夹，使用方便。
7、选择了固体中性参比，解决了光源出射光强与检测器匹配的问题。
8、采用中文液晶便于使用，并可以直接显示出色素含量。
9、可以将数据上传给PC机。
图1是本发明的用于植物色素无损检测的系统组成示意图(图中虚线表示安装在外壳内的部件)图2是本发明的系统中的3波长光谱测量装置组成示意3是本发明的系统驱动电路装置框4是本发明的系统检测流程框面说明1-叶片夹2-叶片夹上臂3-叶片夹的下臂4-中性参比样滑动夹 5-光源 6-光电检测器7-微控制器 8-键盘 9-显示器10-串行口电路 11-电池槽 12-外壳13-叶片或中性参比样 14-三路LED驱动电路 15-前置放大器16-系统电路板具体实施方式
参照附图1，制作一便携式无损检测田间植物色素的系统，包括一外壳12，一安装在外壳12上的用于夹持待测叶片的叶片夹1；所述的叶片夹包括上臂2和下臂3两部分，两臂内相对设置分析用的光源5和分析用的光电检测器6，该光电检测器为市场上购买的PIN 2CU30S型号的；其叶片夹1上带有滑道(图中未示出)，滑道中安装了中性参比样滑动夹4，两者滑动配合；外壳12一壁上安装有键盘8和液晶显示器9；外壳12内设有用以安放本机工作电池的电池槽11，和系统电路板16；检测时在两臂上安装的光源5和光电检测器6之间放置一待测叶片或中性参比样。
参照附图2和3所示的系统电路装置作成一块板，包括3路LED驱动电路14、串行口电路10，和一市场上购买的C8051F005型号的带A/D转换器的微控制器7作成一块驱动电路板16，微控制器7内还固化有系统检测运行程序，其检测运行流程图如图4所示；其中3路LED驱动电路14分别与C8051F005型号的微控制器7电连接；微控制器7通过串行口电路10传数据；微控制器7与安装在外壳12上的键盘8和液晶显示器9电连接；微控制器7与具有3种波长LED单色光源5，其波长范围为350nm～1100nm；(或者是包含至少3个波长的复合LED灯均可以)电连接；还通过一个TLC272型号的前置放大器15与PIN 2CU30S光电检测器6电连接，电池槽11内安装的电池与3路LED驱动电路14电连接。
通过C8051F005微控制器7控制3种波长LED输出的检测光，该检测光为可见——近红外特征光作为检测光源位于植物叶片上面，PIN 2CU30S光电检测器位于中性参比样或植物鲜叶片下面，用于检测透过中性参比样后的各波长检测光的强度I0(3个波长I01、I02、I03)或透过鲜叶片后的各波长检测光的强度I(3个波长I1、I2、I3)。在测量叶片前通过滑动夹将中性参比样置入光源和光电检测器之间，以检测各波长光的原始强度I0(3个波长I01、I02、I03)，经前置放大器TLC272进入微控制器所带的模拟数字转换器输入端，转换为数字量并传入微控制器。测定叶片时将中性参比样退出，改换植物鲜叶片并测定透过叶片的各波长光强度I(3个波长I1、I2、I3)并传入微控制器C8051F005。微控制器利用检测的数据(各波长的I0与I)计算出各波长检测光对鲜叶片的透过率T(T＝I/I0)，然后利用化学计量算法计算出叶片中植物色素的含量，计算结果由显示屏显示或通过串行口电路传送数据。
应用上述的便携式无损检测田间植物色素的系统，进行田间植物叶片包括油菜叶、白菜叶、杨树叶、架豆叶中叶绿素含量测定，其具体步骤如下1首先选择具有3个波长段特征光的LED光源5，安装在叶片夹1的上臂内，下臂内安装光电检测器6该第一个波长段用λ1表示为650～700nm，第二个波长段用λ2表示为730～780nm，第三个波长段用λ3表示为940～990nm；2、启动电源。通过移动滑动夹4将中性参比样置入光源5和检测器6之间；3、微控制器7分别控制多波长光谱测量装置中的光源输出光的波长为λ1＝650～700nm，λ2＝730～780nm，λ3＝940～990nm，当LED光源分别发出检测光，透过中性参比样后由光电检测器6接收，即定为各波长光的原始强度I0(3个波长I01、I02、I03)，经前置放大15和模拟数字转换器，输入微控制器7；4、将中性参比样4退出，改换待测的植物鲜叶片；将该待测叶片放在所述的多波长光谱测量装置的上臂2和下臂3夹子中，测定时人工打开夹入叶片后借助弹簧的力量自动夹紧；测定透过叶片的各波长光强度I(3个波长I1、I2、I3)经前置放大和模拟数字转换器，输入微控制器(7)；其中性参比样是对各波长近红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，用于检测光源5各波长光的原始强度I0(3个波长I01、I02、I03)并输入微控制器7；5、微控制器7利用检测的数据(各波长的I0与I)计算出各波长检测光对鲜叶片的透过率T(T＝I/I0)，然后利用下述多元线性方程组(1)，利用化学计量算法计算出叶片中植物色素的含量Chl，结果由显示屏显示。
所述的方程组(1)-Log(T1)＝kλ1CChl+hλ1Cx+S-Log(T2)＝kλ2CChl+hλ2Cx+S-Log(T3)＝kλ3CChl+hλ3Cx+S其中hλ1、hλ2、hλ3为叶片水分的衰减系数，hλ1的取值为0.7×10-8～1.3×10-8，hλ2的取值为0.9×10-8～1.6×10-8，hλ3的取值为3×10-8～8×10-8；kλ1、kλ2、kλ3为叶片的叶绿素衰减系数，kλ1的取值为0.07～0.13，kλ2的取值为0.004～0.009，kλ3的取值为0.003～0.01；S为散射误差项。
下述实测结果是利用本实施例检测的数据(各波长的I0与I)计算出各波长检测光对油菜、白菜、杨树、架豆的鲜叶片的透过率T(T＝I/I0)，然后利用化学计量算法计算出叶片中植物色素的含量Chl，本次测量采用上述各种叶片的平均值，测试结果如下实测结果μg/cm2经典方法 本发明1.75 1.695.11 4.719.73 10.113.1 12.716.7 16.9
权利要求
1.一种便携式无损检测田间植物色素的系统，包括光谱测量装置，其特征在于还包括一外壳(12)，外壳(12)上安装有键盘(8)和液晶显示器(9)；外壳(12)内设置一用以安放本机工作电池的电池槽(11)；以及安装系统电路板(16)，该系统电路板(16)由3路LED驱动电路(14)分别与微控制器(7)电连接，电池与3路LED驱动电路14电连接；微控制器(7)通过串行口电路(10)传送数据；微控制器(7)与安装在外壳(12)上的键盘(8)和液晶显示器(9)电连接；微控制器(7)与光谱测量装置中的光源(5)电连接；还通过前置放大器(15)与光电检测器(6)电连接；所述的光谱测量装置是具有3波长的，包括用于夹持待测叶片的叶片夹(1)，叶片夹(1)安装在外壳(12)上；叶片夹的上臂(2)和下臂(3)内相对设置分析用的3种波长单色光源(5)和分析用的光电检测器(6)、其叶片夹上带有滑道，滑道中安装一用于固定中性参比样的滑动夹(4)。
2.按权利要求1所述的便携式无损检测田间植物色素的系统，其特征在于还包括一计算机，微控制器(7)与计算机通过串行口电路(10)电联接。
3.按权利要求1所述的便携式无损检测田间植物色素的系统，其特征在于所述的中性参比样是用具有相同吸收作用的材料制成的薄片，该薄片材料包括陶瓷、聚四氟乙烯。
4.按权利要求1所述的便携式无损检测田间植物色素的系统，其特征在于所述的光源波长范围为350nm～1100nm；包括单波长LED灯组合形成，或包含3个波长的复合LED灯。
5.按权利要求1所述的便携式无损检测田间植物色素的系统，其特征在于所述的光电检测器为半导体光电检测器。
6.一种应用权利要求1所述的便携式无损检测田间植物色素的系统进行检测的方法，其特征在于包括以下步骤A、首先，启动电源。移动滑动夹(4)，将中性参比样置入光源(5)和光电检测器(6)之间；B、微控制器(7)分别控制3波长光谱测量装置中LED光源(5)分时输出检测光的波长，其波长为λ1＝650～700nm，λ2＝730～780nm，λ3＝940～990nm，检测光透过中性参比样后由光电检测器(6)接收各波长光的原始强度I01、I02、I033个波长，经前置放大(15)和微控制器内部所设置的A/D模拟数字转换器，输入微控制器(7)；C、将中性参比样(4)退出，改换待测的植物鲜叶片；将该待测叶片放在所述的3波长光谱测量装置的叶片夹(1)中夹紧，重复步骤B，测定透过待测的植物鲜叶片的各波长光强度I1、I2、I33个波长，经前置放大和微控制器内部的模拟数字转换器，输入微控制器(7)；D、微控制器(7)利用检测的数据I0与I，计算出各波长检测光对鲜叶片的透过率T＝I/I0，然后利用多元线性方程组计算出叶片中植物色素的含量Chl，结果由显示屏显示。
7.按权利要求7所述的便携式无损检测田间植物色素的系统进行检测的方法，其特征在于所述的多元线性方程组-Log(T1)＝kλ1CChl+hλ1Cx+S-Log(T2)＝kλ2CChl+hλ2Cx+S-Log(T3)＝kλ3CChl+hλ3Cx+S其中hλ1、hλ2、hλ3为叶片水分的衰减系数，hλ1的取值为0.7×10-8～1.3×10-8，hλ2的取值为0.9×10-8～1.6×10-8，hλ3的取值为3×10-8～8×10-8；kλ1、kλ2、kλ3为叶片的叶绿素衰减系数，kλ1的取值为0.07～0.13，kλ2的取值为0.004～0.009，kλ3的取值为0.003～0.01；S为散射误差项。
全文摘要
本发明涉及一种便携式无损检测田间植物色素的系统和方法，该系统包括3波长光谱测量装置，其中3波长光谱测量装置中光源和检测器相对设置，并在光源和检测器之间放置中性参比样或待测叶片，光源和检测器分别与微控制器电联接，微控制器与串行口电路电联接，还分别与显示器和键盘电联接。该检测方法利用所检测的数据I
文档编号G01N21/27GK1715873SQ20041000928
公开日2006年1月4日 申请日期2004年6月30日 优先权日2004年6月30日
发明者王忠义, 严衍禄, 房徐, 赵龙莲, 李军会, 罗长兵, 张录达, 王纪华, 黄文江, 刘良云 申请人:中国农业大学