Теоретические основы работы люминесцентных сенсоров. Хронофлуорометры

21.3. Хронофлуорометры

Сенсоры, которые позволяют отслеживать зависимость интенсивности флуоресценции от времени, называют хронофлуорометрами (от греческого "хронос" – время). Когда еще не было микрокомпьютеров, для лабораторных исследований быстрой и медленной фаз ИФХ использовали стационарные приборы: для записи быстрой фазы применяли осциллографы, а для регистрации медленной фазы – самописцы. Это было громоздкое стационарное оборудование, не приспособленное для использования в полевых условиях. Наличие микрокомпьютера в интеллектуальных сенсорах существенно улучшило ситуацию и позволило проводить исследования и в поле, а также выполнять измерения интенсивности флуоресценции через любые заданные переменные промежутки времени, т.е. регистрировать кривую ИФХ в любой наперед заданной шкале времени.

21.3.1. Хронофлуорометр "ИФХ-1"

Один из первых интеллектуальных сенсоров-хронофлуорометров под названием "ИФХ-1" был создан в 1994 г. в Институте кибернетики им. В. М. Глушкова НАН Украины под руководством А. А. Снегура [ [ 324 ] ]. Функциональная схема этого портативного хронофлуорометра показана на рис. 21.2. В его состав входили:

• выносной оптоэлектронный датчик ("прищепка"), в одной "щечке" которого располагался миниатюрный источник света и механическая шторка, а во вторую – фототранзистор со светофильтром; между ними вставлялся живой зеленый листок растения;
  

  
  Рис. 21.2. Функциональная схема сенсора – хронофлуорометра "ИФХ-1"
• аналоговый блок, который усиливал и обрабатывал электрические сигналы от фотодетектора и превращал их в цифровую форму;
• микропроцессор, который управлял всей работой сенсора, в цифровой форме обрабатывал, накапливал полученную информацию, переводил ее в удобную для пользователей форму, вычислял значения диагностических величин;
• интерфейс RS232, через который полученная информация могла передаваться в персональный (профессиональный) компьютер для накопления и длительного хранения, дальнейшей обработки;
• дисплей – цифровой индикатор, на который выводили результаты измерений и обработки данных, другую информацию для пользователя;
• кнопки управления, с помощью которых пользователь мог выбрать нужный ему режим работы и управлять работой сенсора;
• первичный и вторичный источники электрического тока, обеспечивавшие автономное питание прибора в полевых условиях.

Первичным источником тока была аккумуляторная батарея. Вторичный источник вырабатывал все необходимые для работы сенсора номиналы питания.

Выносной оптоэлектронный датчик, благодаря установленной на его оси пружине, мог раскрываться и закрываться как прищепка. Когда листок, прошедший темновую адаптацию, вставляли между щечками, то автоматически включался переключатель и шторка отходила. На листок начинал действовать актиничный сине-голубой свет, выделяемый с помощью соответствующего светофильтра, и одновременно замыкалась контактная пара. По этому сигналу в микропроцессоре запускались таймер, отсчитывающий время от начала освещения, и микропрограмма измерения интенсивности флуоресценции хлорофилла. Сине-голубой свет полностью поглощался красным светофильтром. Поэтому на фототранзистор попадало лишь красное излучение флуоресценции хлорофилла. Фототранзистор превращал его в пропорциональный электрический сигнал, который через гибкий кабель передавался в основной корпус сенсора, там усиливался в аналоговом блоке и превращался в цифровой код. Последний передавался в микропроцессор, где обрабатывался и запоминался. Отсчет и запоминание интенсивности флуоресценции производились по командам от микропроцессора в наперед заданные моменты времени.

На рис. 21.3 изображены спектр флуоресценции хлорофилла и спектральные характеристики светофильтров. Рисунок объясняет, как именно происходит спектральная фильтрация полезного, но слабого (меньше 0,1% от интенсивности возбуждающего света) сигнала флуоресценции.

Уже в первые образцы сенсора "ИФХ-1" была заложена нелинейная шкала времени, пропорциональная корню 8-й степени от времени, заданного в миллисекундах. Она была подобрана экспериментально и оказалась довольно удобной для пользования, поэтому была сохранена и в последующих модификациях этого хронофлуорометра.

Рис. 21.3. Спектральные характеристики светофильтров и флуоресценции хлорофилла

21.3.2. Хронофлуорометр "Флоратест-1"

После успешных предварительных испытаний сенсора в Институте садоводства Аграрной академии наук Украины конструкция этого сенсора была усовершенствована, и вместе с научно-производственной фирмой "РОСТ" была выпущена исследовательская (12 экз.) партия хронофлуорометров под названием "Флоратест-1". Внешний вид этого сенсора показан на рис. 21.4.

Рис. 21.4. Внешний вид хронофлуорометра "Флоратест-1": 1 – корпус прибора; 2 – жидкокристаллический индикатор; 3 – разъем; 4 – соединительный кабель; 5 – выносной оптический датчик; 6 – кнопки управления; 7 – включатель / выключатель питания; 8 – разъем внешнего питания сенсора

Он состоял из базового блока 1 размерами 168x95x30 мм и выносного оптоэлектронного датчика 5, который через разъем 3 и кабель 4 контактировал с базовым блоком. На рис. 21.4 обозначены также окно жидкокристаллического индикатора 2, кнопки управления 6, выключатель 7 и разъем 8 для подключения внешнего питания. На лицевой стороне корпуса были размещены указания относительно порядка работы (возможные режимы, последовательность действий). Корпус имел отдельный отсек для аккумуляторов. Компоненты электронного блока (микропроцессор, микросхемы памяти, преобразователь входных сигналов, ЖК индикатор, кнопки управления и т.п.) размещались на печатной плате, которая крепилась в корпусе. Для длительной эксплуатации сенсора непосредственно в поле было предусмотрено его питание от блока солнечных батарей.

Сенсоры-хронофлуорометры "Флоратест-1" успешно использовались для экспериментальных исследований в Институте садоводства, в Никитском ботаническом саду, в Институте земледелия Аграрной АН Украины, в нескольких тепличных хозяйствах. Весьма полезным оказалось использование сенсора для проведения ряда лабораторных работ по физиологии растений в учебном процессе биологического факультета Киевского национального университета им. Тараса Шевченко, а также в Национальном аграрном университете Украины [ [ 176 ] ].

Одним из эффективных применений хронофлуорометра оказалась оптимизация расхода гербицидов при весенней обработке полей. Действие многих гербицидов основано на том, что они необратимо угнетают фотосинтетический аппарат растений. Сорняки, прорастающие раньше культурных растений, после обработки гербицидами погибают. А культурные растения, прорастающие позже сорняков, этой участи избегают. Производители гербицидов указывают в своих рекомендациях нормы расхода гербицидов, наверняка гарантирующие гибель сорняков. Как правило, эти нормы весьма завышены по сравнению с реальной потребностью. С помощью хронофлуорометра за считанные минуты можно точно определить, насколько повредился в результате обработки фотосинтетический аппарат сорняков. Благодаря этому, на конкретном поле можно предварительно обработать гербицидами только несколько небольших участков – каждый со своей дозой расхода гербицидов. И уже через несколько часов, необходимых для проникновения гербицидов в листья растений, с помощью хронофлуорометра можно быстро установить, какая дозировка гербицидов является оптимальной для данного конкретного поля. Как правило, это давало существенную (в среднем двукратную) экономию дорогостоящих гербицидов и существенно уменьшало вредное содержание этих веществ в почве, в выращенных на этом поле продуктах, в осадочных стоках с этих полей в реки. Отметим и такой примечательный факт: разработчики предложили фирмам, продающим гербициды, использовать у себя хронофлуорометр для объективной проверки и доказательства высокого качества предлагаемых покупателям гербицидов. Некоторые из них сначала заинтересовались, но потом сообразили, что применение такого сенсора потребителями приведет к существенному уменьшению объёмов закупок гербицидов и к уменьшению их прибылей. И сделали все для того, чтобы затруднить продвижение таких сенсоров в производство.

В тепличных хозяйствах применение хронофлуорометра позволило оптимизировать расходы на подогрев, освещение и увлажнение теплиц в зимнее время. Оказалось возможным использовать не предписанные, а выбирать оптимальные для конкретной посадки дозы химреактивов при обработках растений против плесени и др. заболеваний, подбирать оптимальные дозы применяемых удобрений и т.д.