基于光脉冲诱导快相与弛豫荧光的光合作用参数测量技术（英文）

为了更准确获取反映植物生理状态的荧光动力学曲线,基于光合作用电子传递过程研究了植物光合作用参数测量技术。采用可变光脉冲技术将植物光合作用过程分段为快相与弛豫过程,并测量激发光诱导产生的荧光动力学曲线.对激发光带宽与响应时间进行了定量分析;对I-V转换单元与MFB滤波器进行了设计与仿真分析,获取快相荧光动力学信息;采用同步脉冲采样积分技术,对微弱弛豫荧光进行积分,实现了快相与弛豫荧光动力学曲线的完整测量,并结合非线性拟合算法获取光合作用参数.测试结果表明,系统信噪比达到23.8dB;暗适应与光适应下,本系统所测Fv/Fm与Water-PAM测量结果的线性相关系数分别达到0.980和0.997.该研究结果为植物光合作用研究及过程参数测量提供了一种测量手段.     

快相与弛豫荧光动力学植物光合作用参数反演方法

根据生物膜能流理论和电子传递模型,结合快相与弛豫两种激发条件,对复杂的光合作用过程进行分析并简化计算,提出植物光合作用参数反演方法。利用滑动窗口斜率判定法确定最大荧光产率;利用线性最小二乘算法解析快相荧光过程获得光化学量子效率和功能吸收截面;利用离散迭代算法解析弛豫荧光过程获得质体醌平均还原时间常数。对对数生长期以及铜离子胁迫条件下的平裂藻和斜生栅藻进行实验测量,结果表明该方法反演结果具有良好的稳定性和重复性,光化学量子效率、功能吸收截面和质体醌平均还原时间常数的测量结果相对标准偏差分别为1.25%、1.50%和1.83%,其中光化学量子效率与脉冲振幅调制技术的测量结果线性相关系数达到0.9714。该方法为研究植物生理研究提供一种光学分析手段。     

基于超短脉冲的癌细胞荧光光谱

研究用于癌症诊断与治疗的光敏剂血卟啉(hematoporphyrin derivative,HPD)的超快光动力学过程。采用超短脉冲激光光谱技术和皮秒时间相关单光子计数系统,测量经血卟啉培养的活体癌细胞与正常细胞的荧光光谱、荧光寿命特性及荧光峰值强度随时间的变化,观测到:癌细胞样品在645nm处具有特征发射光谱峰;癌细胞与正常细胞样品荧光寿命的快成分分别为150,300ps;癌细胞与正常细胞的荧光峰值强度经12h分别衰减10%和55%。对测量所得的荧光光谱曲线及时间分辨荧光衰减曲线分析,计算出:在癌细胞内部血卟啉浓度增大了约2个数量级;癌细胞与正常细胞的荧光寿命分别为824,1798ps;血卟啉在癌细胞与正常细胞样品中滞留时间分别为17,6d。测量结果确认了荧光光谱技术诊断与治疗癌症的可行性,并对发展超短脉冲激光光谱技术早期诊断与治疗癌症具有重要的指导意义和临床应用价值。     

基于皮秒时间分辨的癌细胞荧光寿命研究

研究了用于癌症诊断与治疗的光敏剂血卟啉(hematoporphyrin derivative,HPD)的超快光动力学过程,采用超短脉冲激光光谱技术和皮秒时间相关单光子计数系统,测量了经血卟啉培养的活体癌细胞与正常细胞的皮秒时间分辨荧光光谱及荧光峰值强度随时间衰变曲线,观测到：癌细胞与正常细胞样品荧光寿命的快成分分别为150和300 ps;癌细胞与正常细胞的荧光峰值强度经12 h分别衰减10%和55%。经对测量所得的荧光衰减曲线进行分析,计算出癌细胞与正常细胞的荧光寿命分别为824和1798 ps;血卟啉在癌细胞与正常细胞样品中滞留时间分别为17天和6天。结果表明癌细胞与正常细胞对血卟啉亲和性及对血卟啉滞留的稳定性有显著差异,测量结果确认了荧光光谱技术诊断与治疗癌症的可行性,并对实时监测生物样品微弱超快荧光具有重要的指导意义和临床应用价值。     

利用圆锥辐射优化飞秒荧光光谱的光学参量放大

基于非共线光学参量放大的飞秒时间分辨荧光光谱技术是一种新的超快光谱研究方法.文章研究了荧光放大的参量过程.超连续的种子光其瞬时光强可以被线性放大.由于系统高达107的放大能力,泵浦脉冲能量的微小不稳定性在最终放大输出信号中将产生很大起伏.提出了一种利用圆锥辐射作为参考消除此干扰的方法.研究表明,探测的荧光动力学曲线有显著改善.     

噁嗪750激光染料分子在醇类溶剂中超快动力学研究

利用飞秒时间分辨荧光亏蚀光谱技术,研究了噁嗪750激光染料分子在典型的醇类溶剂中超快动力学过程.实验发现两个超快动力学过程:飞秒量级的快速弛豫过程和皮秒量级的慢速弛豫过程.快速弛豫过程来源于分子内振动能量再分配(IVR)和溶剂分子超快惯性弛豫动力学过程,而慢速弛豫过程对应于溶剂化的扩散分子弛豫动力学过程.实验结果表明慢速弛豫过程的时间常数随醇溶剂分子间氢键键能的增强而增大.     

叶绿素荧光成像技术的葡萄霜霉病早期检测

葡萄霜霉病对葡萄生产构成严重威胁,尽早防治是治理霜霉病的关键.为了对该病进行早期检测,以PCR检测获取的霜霉病相对生物量作为霜霉病侵染的依据,从暗适应—光适应—暗弛豫3个光合生理状态连续变化过程中,采集80个人工接种霜霉菌叶片和80个健康对照叶片连续6 d的叶绿素荧光图像.对比健康和接种叶片叶绿素荧光动力学曲线、参数图...     

单光子调制频谱用于量子点荧光寿命动力学的研究

本文开展了基于单光子调制频谱测量量子点荧光寿命动力学特性的研究.在脉冲激光激发下,对探测到的量子点单光子荧光信号进行频谱分析以获得荧光调制频谱,研究发现特征频谱信号幅值与荧光寿命之间存在确定的非线性对应关系.这种单光子调制频谱方法能有效消除背景噪声和单光子探测器暗计数的影响,用于分析量子点荧光寿命动力学特性时在准确度以及时间分辨率方面都较目前普遍采用的荧光衰减曲线寿命拟合方法呈现出明显优势:当涨落误差为5%时,寿命测量准确度提高了一个数量级;当涨落误差和偏离误差均为5%时,对动力学测量效率以及时间分辨率提高了四倍以上.因此单光子调制频谱可以作为获取量子点在短时间尺度内激发态动力学信息的一种有效技术手段.     

基于叶绿素荧光诱导动力学曲线的光合作用参数反演算法研究

快相叶绿素荧光诱导曲线中蕴含着丰富光合作用信息。该信息可以反映出植物的生存状态、病理以及受到胁迫时的生理变化趋势等多种信息。通过采集藻类荧光及诱导光信号, 拟合快相叶绿素荧光动力学曲线。基于最小二乘拟合方法,提出自适应最小误差逼近的方法对快相叶绿素荧光动力学曲线进行多元非线性回归拟合,实现F_o（固定荧光）、F_m（最大荧光产率）、σ_PSII（PSII的功能吸收截面）等细节参数的反演。实现了蛋白核小球藻光合作用参数反演,并实验了在Cu2+胁迫环境下,蛋白核小球藻的生理变化趋势。     

光合作用多色素捕光模型中光激发对能量传输的影响

光合作用激发能传输过程中量子效应的研究大都基于单激发初态假设,该假设能较好地描述人们所关心的部分光合作用系统的初态.但对于不满足上述假设条件的自然及人工光合作用系统,激发过程对系统动力学有不可忽略的影响.本文基于由高斯脉冲激发的多色素分子模型,主要研究了激发脉冲宽度和激发间隔对系统动力学和激发能传输效率的影响.首先,推导了理论上可包含任意数量的色素分子构成的供体系统和受体系统整体演化所满足的动力学方程.之后通过数值模拟展示了激发能传输效率随系统各相关参数变化的关系及相应参数的最优范围.研究发现,在单个脉冲激发供体色素分子的条件下,存在最优脉冲宽度,且脉冲宽度对色素分子数目、耦合强度及退相位速率的最优范围都有调制作用,并分析了该调制作用的产生机制.在两个高斯脉冲依次激发供体色素分子的条件下,存在最优脉冲宽度及脉冲间隔的组合.本文得到的动力学方程可推广到其他形式的激发脉冲,得到的数值结果及优化设计原则对工作在不同光照条件下的人工光合作用系统的优化设计具有参考意义.     

Energy transfer between the flavin chromophores of electron-transferring flavoprotein fromMegasphaera elsdenii as inferred from time-resolved red-edge and blue-edge fluorescence spectroscopy

Both a mode-locked argon-ion laser and synchrotron radiation were used as excitation sources to obtain time-resolved polarized fluorescence of the two FAD cofactors in electron transferring flavoprotein fromMegasphaera elsdenii. Red-edge excited and blue-edge detected fluorescence anisotropy decay curves did not contain a fast relaxation process which was observed upon mainband excitation and detection. This relaxation was assigned to homo-energy transfer between the two FAD cofactors. Failure of energy transfer as observed with edge spectroscopy on this protein excludes restricted reorientational motion of the flavins as a possible mechanism of depolarization. From the global analysis of the fluorescence anisotropy decay surface obtained at multiple excitation and detection wavelengths, the distance between and the relative orientation of the flavins could be estimated. The methodology described has general applicability in other multichromophoric biopolymers and has the potential to acquire accurate geometrical parameters in these systems.     

农药荧光寿命测试系统的原理与设计

介绍荧光的产生、荧光寿命的产生机理以及荧光寿命测量的基本原理。设计了一种利用直接记录法(光子计数法)测量农药荧光寿命的测试系统。该系统针对待测样品的特性，选用了相应的脉冲光源、光学元件和半导体探测器等器件，优化了各器件的工作参数，进行了简易而又科学的模块化设计，并对西维因农药的荧光寿命在无激励光干扰情况下进行了实际测试，测得了西维因溶液在500μg／L浓度时的荧光衰减曲线和荧光寿命(0.30～0.40ns)。结果表明，该系统具有结构简易、操作方便的优点，能测量100ps级的荧光寿命，适合于对能发荧光的农药进行荧光寿命的定量测量。     

高等植物外周捕光天线LHCⅡ中的超快光动力学过程

利用飞秒抽运探测技术及时间分辨荧光(TRPL)等光谱技术对高等植物LHCⅡ中的超快光动力学过程进行了研究。在其时间分辨荧光光谱中表现出了明显的各向异性特性。实验上观察了LHCⅡ中色素间的能量传递过程,由飞秒动力学发现,单体内Chlb到邻近的Chla之间的能量传递在200～300fs的时间尺度,Chla激子带间的能量弛豫发生在几百飞秒,不同单体Chla分子间能量分布过程在几个皮秒。而时间分辨荧光和飞秒动力学过程中上百皮秒的慢过程归属于不同聚集体间的能量平衡过程或分子构象变化。     

叶绿素荧光分析技术在野生植物响应多环芳烃（菲）胁迫的应用研究

以叶绿素荧光分析为技术手段，通过研究土壤中多环芳烃（菲）胁迫对野生大豆叶绿素荧光特性以及光能分配参数的影响。结果表明：土壤菲胁迫降低了PSⅡ反应中心活性和电子传递能力，导致其光能利用能力降低。200 mg·kg-1菲胁迫促使F_v/F_m，q_P，ETR和NPQ的发生变化，降低了光合电子传递链上的电子传递能力和光合反应活性；在不同光强的调控下，土壤菲胁迫浓度的增大使得大豆幼苗叶片叶绿素荧光响应曲线Ф_PSⅡ和q_P参数呈现降低趋势，NPQ的上调启动了叶黄素循环途径耗散过剩的辐射激发能，以维持光合机构的正常生理功能。土壤菲胁迫下野生大豆叶片的F_m，F_v/F_m，F_v/Fo和PI_ABS等参数均随着菲含量的增加而降低，即土壤菲胁迫抑制了野生大豆叶片的PSⅡ光化学活性。通过对PSⅡ电子供体侧和受体侧的电子供应及传递能力的研究发现，土壤菲胁迫下野生大豆叶片OJIP曲线上0.3 ms时(即K点)的荧光强度增加，即放氧复合体(OEC)活性降低。土壤菲胁迫还导致OJIP曲线上J点和I点荧光强度的增加，说明土壤菲胁迫导致了野生大豆叶片PSⅡ受体侧电子接受能力的降低，使电子由Q_A向Q_B传递受阻。野生大豆叶片的光能吸收和分配参数也明显受到土壤菲胁迫的影响；随着土壤菲浓度的增加野生大豆叶片PSⅡ反应中心吸收光能用于Q-_A以后的电子传递能量比例和单位反应中心捕获用于电子传递的能量降低，即吸收的光能用于光化学反应的比例降低。因此，土壤菲胁迫下导致PSⅡ电子供体侧OEC的损伤和PSⅡ电子受体侧电子传递能力的降低，以及光能分配利用的改变均是导致其PSⅡ反应中心的活性降低的重要原因。研究结果表明，以叶绿素荧光分析技术可为环境中多环芳烃（菲）胁迫对植物光合作用的影响机理研究提供指导。     

Time-domain quantification of multiple-quantum-filtered (23)Na signal using continuous wavelet transform analysis

The application of continuous wavelet transform (CWT) analysis technique is presented to analyze multiple-quantum-filtered (MQF) (23)Na magnetic resonance spectroscopy (MRS) data. CWT acts on the free-induction-decay (FID) signal as a time-frequency variable filter. The signal-to-noise ratio (SNR) and frequency resolution of the output filter are locally increased. As a result, MQF equilibrium longitudinal magnetization and the apparent fast and slow transverse relaxation times are accurately estimated. A developed iterative algorithm based on frequency signal detection and components extraction, already proposed, was used to estimate the values of the signal parameters by analyzing simulated time-domain MQF signals and data from an agarose gel. The results obtained were compared to those obtained by measurement of signal height in frequency domain as a function of MQF preparation time and those obtained by a simple time-domain curve fitting. The comparison indicates that the CWT approach provides better results than the other tested methods that are generally used for MQF (23)Na MRS data analysis, especially when the SNR is low. The mean error on the estimated values of the amplitude signal and the apparent fast and slow transverse relaxation times for the simulated data were 2.19, 6. 63, and 16.17% for CWT, signal height in frequency domain, and time-domain curve fitting methods, respectively. Another major advantage of the proposed technique is that it allows quantification of MQF (23)Na signal from a single FID and, thus, reduces the experiment time dramatically.     

叶绿素荧光技术在植物表型分析的研究进展

作物优良品种选育是实现作物优质高产的关键。现代育种方法需要获取植株的大量表型信息，最终选育出性状稳定的优良品种。近年来，高通量植物表型分析技术因其快速、无损、高效等优势，为筛选优良作物品种提供了技术保障，已成为农学、工程、计算机科学等多学科交叉研究的热点。其中，叶绿素荧光技术作为植物光合作用的探针，是研究植物逆境胁迫表型的有力工具之一，能够实现植物生物与非生物胁迫的高效分析，加快作物优良性状的筛选。该文旨在阐述叶绿素荧光技术的研究进展和发展趋势，主要介绍了叶绿素荧光技术的基本原理和成像系统、叶绿素荧光参数的分析和处理方法，总结了在植物表型分析研究中的应用情况，探讨了该技术目前存在的问题和改进的方法，进一步展望了叶绿素荧光技术在植物表型分析中的应用前景。     

Time-Domain Quantification of Multiple-Quantum-Filtered Na Signal Using Continuous Wavelet Transform Analysis

The application of continuous wavelet transform (CWT) analysis technique is presented to analyze multiple-quantum-filtered (MQF) ²³Na magnetic resonance spectroscopy (MRS) data. CWT acts on the free-induction-decay (FID) signal as a time-frequency variable filter. The signal-to-noise ratio (SNR) and frequency resolution of the output filter are locally increased. As a result, MQF equilibrium longitudinal magnetization and the apparent fast and slow transverse relaxation times are accurately estimated. A developed iterative algorithm based on frequency signal detection and components extraction, already proposed, was used to estimate the values of the signal parameters by analyzing simulated time-domain MQF signals and data from an agarose gel. The results obtained were compared to those obtained by measurement of signal height in frequency domain as a function of MQF preparation time and those obtained by a simple time-domain curve fitting. The comparison indicates that the CWT approach provides better results than the other tested methods that are generally used for MQF ²³Na MRS data analysis, especially when the SNR is low. The mean error on the estimated values of the amplitude signal and the apparent fast and slow transverse relaxation times for the simulated data were 2.19, 6.63, and 16.17% for CWT, signal height in frequency domain, and time-domain curve fitting methods, respectively. Another major advantage of the proposed technique is that it allows quantification of MQF ²³Na signal from a single FID and, thus, reduces the experiment time dramatically.