Лазерный мир

М.Л. Белов, О.А. Булло, Ю.В. Федотов, В.А. Городничев // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Приборостроение”. 2015. №2 71, с:71-82, УДК: 504.064.36

Исследован лазерный флуоресцентный метод контроля состояния растений. Приведены результаты
экспериментальных исследований спектров лазерно-индуцированной флуоресценции растений в различных стрессовых состояниях, вызванных наличием в почве загрязнителей, избыточной воды, механическим повреждением растений. Показано, что при длине волны возбуждения флуоресценции 532 нм воздействие различных стрессовых факторов может проявляться в зависимости от вида стресса и вида растения как в увеличении интенсивности лазерно-индуцированной флуоресценции, так и в изменении формы спектра флуоресценции. Идентифицирующим фактором, характеризующим изменение формы спектра лазерно-индуцированной флуоресценции, может быть отношение интенсивностей флуоресценции на двух длинах волн: 680 и 740 нм. Измерение интенсивности и формы спектра лазерно-индуцированной флуоресценции растений может быть положено в основу лазерного метода обнаружения стрессовых состояний растений

Описание на английском языке:

Laser method for vegetation monitoring

Belov m.L.1, bullo o.A.1, fedotov yu.V.1, gorodnichev v.A., Bauman Moscow state technical university

Laser fluorescence method for vegetation monitoring is investigated. Experimental studies results of laser-induced fluorescence spectra of plants in different stress situations caused by presence of soil pollutant, water-logged soil or mechanical damage are provided. It is proved that at the fluorescence excitation wavelength 532 nm impact of different stress factors for various stress situations and various vegetation types may cause both increasing of the laser-induced fluorescence intensity, and changing of fluorescence spectrum form. Fluorescence intensities ratio at wavelengths 680 and 740 nm can be regarded as identifying factor characterizes the changing form of laser-induced fluorescence spectrum. Measurement of the intensity and form of the spectrum of laser-induced fluorescence of plants can be the basis of laser method for detection the plant stress situations

Методы, основанные на анализе спектров лазерно-индуцированной флуоресценции, широко используются в науке и технике. Создание мощных импульсных лазеров позволило распространить методы флуоресцентного анализа на область дистанционного зондирования. Одной из перспективных областей использования лазерного флуоресцентного анализа может стать контроль состояния растительности [1–16].
Стрессовые состояния растений могут быть вызваны многими причинами: недостаточной или избыточной влажностью; механическими повреждениями; болезнями; низкими или высокими температурами; недостатком питательных веществ; недостатком освещенности; засолением почвы; загрязнением почвы нефтепродуктами или тяжелыми металлами; повышенной кислотностью почвы; использованием пестицидов, гербицидов, инсектицидов и т.п.
Такие стрессовые состояния сложно идентифицировать на ранних стадиях по внешнему виду растений. Однако флуоресцентный анализ потенциально позволяет обнаруживать стрессовые состояния растений по искажению спектров лазерно-индуцированной флуоресценции.
Принцип действия лазерного флуориметра для контроля состояния растений основан на облучении растительности лазером в ультрафиолетовом или видимом диапазонах (для возбуждения флуоресценции), регистрации и анализе характеристик флуоресцентного излучения.
Наиболее важным информационным признаком флуоресценции растительности является форма спектров флуоресцентного излучения.
К настоящему времени накоплены экспериментальные данные по спектрам флуоресценции различных видов здоровой растительности и растительности в различных стрессовых ситуациях. Эти экспериментальные данные были получены разными авторами, на различной аппаратуре при разных длинах волн возбуждения (266, 275, 280, 300, 400, 308, 325, 327, 337, 340, 355, 360, 380, 395, 396,397, 400, 400-450, 404, 405, 408, 422, 425, 428, 436, 440, 450, 452, 460, 470, 440–500, 480, 488, 500, 515, 525, 532, 535, 550, 590, 600, 627, 630, 633, 635 нм).

Наибольшее число экспериментов посвящено исследованию флуоресценции растений при использовании (для возбуждения флуоресценции) лазеров на длинах волн 337 (азотный лазер), 355 и 532 нм (третья и вторая гармоники лазера на иттрий-алюминиевом гранате, активированном ионами неодима). Наиболее перспективным для создания бортовой аппаратуры лазерным источником является твердотельный импульсный лазер на длине волны 532 нм. Он имеет преимущество (при разработке аппаратуры для дистанционного зондирования) как перед азотным лазером на 337 нм (в бортовой аппаратуре лучше использовать твердотельные лазеры), так и перед лазером на 355 нм (третья гармоника лазера на ИАГ имеет меньшую энергию в импульсе, чем вторая).
Заметим также, что хотя для излучения на длине 532 нм поглощение хлорофилла в растворах и изолированных хлоропластах мало, это излучение эффективно поглощается в листьях растений из-за сложной структуры листа (благодаря которой оптические пути света значительно увеличены по сравнению с геометрической толщиной листа) [17].

В работе [18] показано, что зеленый свет, несмотря на низкие коэффициенты удельного поглощения хлорофилла в этой спектральной области, эффективно поглощается в ткани листа (порядка 80% поглощения в красной или синей спектральной области).
Поэтому не удивительно, что число работ, в которых приводятся результаты экспериментальных исследований спектров флуоресценции здоровой растительности при длине возбуждения 532 нм, довольно велико [5–9, 12, 19–22]).
Однако число работ, посвященных экспериментальным исследованиям спектров флуоресценции растений в стрессовых состояниях при длине возбуждения 532 нм, мал´о [10, 12, 16, 23] (и работы этих же авторов на основе того же экспериментального материала в других изданиях).
Настоящая статья посвящена исследованию лазерного метода контроля стрессовых состояний растений для длины волны возбуждения флуоресценции 532 нм. Такая задача представляет практический интерес для мониторинга состояния растений (например, сельскохозяйственных культур) по результатам дистанционных измерений.
Эксперимент. Для измерений спектров лазерно-индуцированной флуоресценции была создана лабораторная установка, структурная схема которой представлена на рис. 1.

В качестве источника возбуждения излучения флуоресценции использована вторая гармоника YAG:Nd-лазера. Подсистема регистрации излучения флуоресценции построена на основе полихроматора и высокочувствительного матричного детектора с усилителем яркости.
На установке были выполнены измерения спектров флуоресценции растений в диапазоне 595. . . 800 нм. Одновременно со спектром флуоресценции регистрировалась интенсивность отраженного лазерного излучения на длине волны 532 нм.

На рис. 2, а. . . в хорошо видно, что спектр флуоресценции растений в нормальном состоянии имеет два максимума — в области  680 нм (для некоторых растений этот максимум слабо выражен — см. рис. 2, в) и в области  740 нм. При этом для большинства растений в нормальном состоянии отношение R680/740 интенсивностей флуоресценции на длинах волн 680 и 740 нм меньше 0,8 (при длине волны возбуждения флуоресценции в зеленой или сине-зеленой областях спектра) [15]. Когда растение находится в стрессовом состоянии его спектр флуоресценции изменяется. На рис. 3 приведены спектры лазерно-индуцированной флуоресценции травы (выращенной из газонной смеси Декора Aros) в нормальном (кривые 1, 2) и стрессовом (кривая 3) состояниях, вызванных внесением в почву медного купороса CuSO4 (5 г, разбавленные в 200 мл воды, на 3 горшка с травой размерами 9 × 9 × 10 см).
Кривая 1 соответствует измерению спектра лазерно-индуцированной флуоресценции через месяц после первых всходов травы, а кривая 2 — еще через две недели непосредственно перед внесением в почву загрязнителя. Кривая 3 соответствуют спектру флуоресценции травы в стрессовом состоянии, измеренному через две недели после внесения в почву медного купороса.

Рис. 5 иллюстрирует еще один возможный вид изменения спектра флуоресценции растения в стрессовом состоянии.
На рис. 5 приведены спектры лазерно-индуцированной флуоресценции кресс-салата в нормальном (кривая 1) и стрессовом (кривая 3) состояних, вызванных избыточным количеством воды при поливе растения. Кривая 3 соответствует усредненному (по разным образцам) спектру флуоресценции при избыточном поливе в течение 24 дней.
Кривая 2 показывает промежуточное изменение спектра (между точно нормальным и точно стрессовым) и соответствует усредненному (по разным образцам) спектру флуоресценции при избыточном поливе в течение 17 дней.

Полное содержание статьи: http://vestnikprib.ru/articles/743/html/index.html