Diagnosticare de la distanță plante fluorescente - diagnosticare cu laser în biologie și medicină

Diagnosticul de fluorescență la distanță
plante
Informații generale. Tehnici de fluorescenta laser ocupă un loc din ce în ce mai important în diagnosticarea de la distanță a plantelor [P. 17]. Acestea vă permit să efectueze cercetări asupra populației, nivelele celulare și a organismului pe uscat și în apă de la aeronavă, elicopterul sau barca și a obține o evaluare rapidă a stării funcționale a obiectelor transporta identificarea și cuantificarea acestora. Modificări în condițiile ambiante fizice (compoziția nutriției minerale, umiditate, etc.), efectul poluării industriale asupra respirației și fotosinteză proces de plante, care se reflectă în modificările în spectrele lor de fluorescență, care pot fi obținute de la distanță.

Fig. 7.11. Spectrele Fluorescența plante normale (/) și erbicid în prelucrare (2) [28]
teledetecție vegetației terestre. Una dintre cele mai importante aplicații de diagnostic fluorescenta la distanta a plantelor este de a prezice starea lor fiziologică, în funcție de condițiile externe. Astfel, experimentele cu cereale, cum ar fi porumbul, arătat [271 că spectrele de fluorescență excitate de laser cu azot UV (k = 337 nm) au trei vârfuri caracteristice: 440, 690 f 740 nm. Astfel, deficitul de potasiu duce la o creștere mai mare de trei ori intensitatea fluorescenței la 690 și 740 nm, cu o slăbire a 440 nm sale. În cazul deficitului de azot și de fier se produce o ușoară scădere a intensității fluorescenței la 440 nm și atenuarea sa este mai mult de trei ori la 690 și 740 nm. fosfor Lipsa atenueaza fluorescentei la 690 nm și 740 de două ori, în timp ce lipsa de calciu, sulf și magneziu nu conduce la modificări semnificative în spectrul de fluorescență.

Fig. 7.10. Spectrele Fluorescența plantelor sub abundenta (/) și lipsa (2) umiditatea din sol [28]
Modificări semnificative în plante intensitatea fluorescenței arată, de asemenea, o modificare a conținutului de umiditate al solului (Fig. 7.10) și prin acțiunea erbicidelor (fig. 7.11) [28].
Un alt obiectiv este acela de a cuantifica biomasa vegetației. Atunci când se utilizează aeronave care se realizează de obicei prin măsurarea raportul intensității fluorescenței clorofilei la două vârfuri majore (pentru frunze de grâu de toamnă, de exemplu, etapele 685 și 735 nm este cu excitație la 441.6 nm). Acest lucru face ca măsurătorile independent de efectele asociate cu fluctuațiile puterii laserului și modificări geometrice structura vegetației.
Fig. 7.12 prezintă dependența raportului dintre concentrația totală de clorofilă (Chl-a) și 6-clorofila (Chl-b) la grâu de toamnă cultivate în 16 loturi experimentale. măsurători paralele au fost realizate cu un laborator la distanță pentru măsurarea concentrației metoda Godnev [P. 17].

Fig. 7.12. Raportul dintre intensitățile "Fluorescența ,, măsurată de la aeronavă la două lungimi de undă, conținutul total de clorofilă din grâu de toamnă
Studiile preliminare au arătat posibilitatea fundamentală de a rezolva o altă sarcină importantă - și anume, identificarea tipurilor de plante prin spectre de fluorescență. Astfel, odată cu excitație laser fluorescenta azot (k 337 nm) Spectrele din cele cinci grupe de plante: erbacee erbacee monocotiledonate dicotiledonate din lemn, rasinoase, lemn de foioase și alge observate patru vârfuri caracteristice: 440, 525, 685 și 740 nm (deși nu toate sunt prezente în toate plantele). Astfel, fără plante excepție expune fluorescenta la lungimea de undă de 440 nm. Numai plantele lemnoase au un maxim caracteristic la 525 nm. Coniferele difera absenta unui maxim la 685 nm. Toate plantele au&lsquo- maximă la 740 nm. Algele au un maxim pronunțat la 440 și 740 nm. Un maxim de 440 nm în monocotiledonate erbacee este mult mai mare decât în ​​dicotiledonate.
Testarea ulterioară a metodelor de identificare plantelor spectrele lor de fluorescență presupune studiul caracteristicilor variabilitate a plantelor fluorescente spectrale în funcție de condițiile de mediu de creștere, diferențele de vârstă, o și m. P.
teledetecție organismelor fotosintetice în apele naturale. Unul dintre principalii indicatori ai productivității biologice rezervoare, pe de o parte, și contaminarea lor - cealaltă, este fitoplancton (FP) - o familie de alge fotosintetice, caracterizate prin dinamica complexă, geografice și climatice sezoniere. Proprietățile optice sunt în principal determinate AF conținute în celule pigmenți :. Chlorophyll, carotenoide, flavins, absorbția etc și spectrele de fluorescență ale acestor pigmenți au fost bine studiate pentru formele extrase. Pentru fiecare pigment individ caracterizat prin banda ascuțită, bine definită. Cu toate acestea, în celulele contribuția spectrelor diferitelor pigmenți greu de identificat. Activitatea fotosintetică a celulelor de alge nu este posibilă fără prezența clorofilă în ele. Prin urmare, în același mod ca și în simțirea vegetației de la sol, pigment este de obicei selectat pentru indicatorul de biomasă AF.
Există tehnici de determinare la distanță pasivă a concentrației de clorofilă în strălucire reflectată prolix coloanei de apă lumina soarelui. Cu toate acestea, ele nu sunt destul de eficiente, pentru că este foarte sensibilă la condițiile meteorologice și starea suprafeței.
În acest sens, ea a atras atenția fluorescentă metoda de afișare Chl [29-33] în creștere. Ea se bazează pe faptul că excitarea cu laser, în funcție de combinația de diferiți pigmenți care au spectre diferite de reprezentanții FP fluorescenta. Într-o formă simplificată, spectrul de emisie în funcție de tipul de tranziție de fază poate fi reprezentată fie de o bandă (la 685 nm sau 560-580 nm) sau două (la 685 nm și 560-580 nm). Formarea raportul dintre intensitățile acelor componente ale spectrelor și utilizând o excitație diferită, este posibil de a primi diverse informații de diagnosticare.
Determinarea cantitativă a AF cu detectare cu laser se confruntă cu anumite dificultăți. Într-adevăr, radiația laser în interacțiunea cu mediul de apă este puternic împrăștiate. În afară de fluorescență
în semnalul ecou să prezinte substanțial radiația împrăștiată la hidrosol și elastic radiație neelastic împrăștiate de moleculele de apă. Această situație complică sarcina de evaluare a semnalului de AF fluorescent. Fig. 7,13 prezentat ca un exemplu tipic al unei spectrogram obținute în cursul navei prin intermediul unui lidar, care a inclus YAG: Nd cu laser ( &bdquo- = 532 nm) și un analizor multicanal optic [34]. Distanța de la LIDAR la suprafața oceanului a fost de 15 m.

Fig. 7.13. semnalul total de spectrograma ecou detectat în cursul unei nave folosind lidar [34]
Concentrația de clorofilă în zona experimentală a fost de aproximativ 2 g / l. Peak cu un maxim la 651 nm corespunde componentei Stokes a împrăștierii inelastice de apă, benzi de 580 și 685 nm - ficoeritrină fluorescență și clorofilă.
Situația este simplificată în mod semnificativ în cazul în care componenta Stokes radiație neelastic împrăștiate este folosit ca factor de normalizare m. E. Ca un fel de cadru interior [34]. componentele de semnal cauzate de împrăștiere și fluorescență în tranziția de fază hidrosol, după normalizarea nu depinde nici de puterea radiației sondă sau LIDAR înălțimea deasupra suprafeței apei, nici un număr de alți parametri.
Cercetările realizate în locuri diferite, posibilă identificarea parametrilor proporționale cu fluorescență la concentrația de clorofilă fluorescență chiar la saturație, care are loc atunci când se lucrează cu mare putere lidar în impulsuri [35]. Eroarea în determinarea concentrației de AF în timp ce încă destul de mare - aproximativ 10-15%. Creșterea preciziei poate fi posibil să se realizeze prin utilizarea de lasere acordabile și măsurători la diferite lungimi de undă. De asemenea, este necesar un cont mai detaliat al benzii de emisie a substanțelor organice dizolvate. Este nevoie de studiu de multe întrebări metodologice. Cu toate acestea, de înaltă eficiență și perspectivele folosind analiza fluorescenta cu laser pentru AF diagnosticarea de la distanță nu este pusă la îndoială.