不同LED光质对人参种苗叶片生理特性和超微结构的影响

主要针对不同光质对人参种苗叶片生长影响的研究,从而探究人参工厂化育苗的优良光质,为提高种苗质量提供基础依据。试验设置六组处理,分别为白光（W,作为对照）、蓝光（B,450～470 nm）、红光（R,625～655 nm） 、绿光(G, 510～530 nm)、黄光(Y, 585～605 nm)、红蓝光(RB, R/B=4∶1),白光作为对照光源。试验结果表明,不同光质下生长的人参种苗叶片在外观形态、生理特性和细胞结构上都显现明显的差异。在叶面积的生长过程中,红蓝光和白光下的叶面积较大,红光次之,蓝光下最小;在叶绿素含量的分布中,添加蓝光的处理组明显高于对照组,说明蓝光对叶绿素的合成有关键作用,红光下叶绿素含量最低,表明红光不利于叶绿素的合成。蓝光、黄光和白光下叶绿素荧光电子效率较高,而在气孔特性上,绿光、红光和白光的气孔数量较多,单个气孔面积蓝光和红蓝光下较大。通过电镜下叶片超微结构的观察发现,不同光质对叶片的细胞结构产生了明显的影响,主要表现在线粒体和叶绿体的分布以及叶绿体的结构上,其中白光和蓝光照射下的线粒体和叶绿体数量较多,叶绿体片层结构垛叠数上也更紧凑丰富。另外,不同光质下生长的幼苗叶片衰老进程也产生了明显的差异,蓝光、红蓝光照射下衰老速度较快。综上所述,不同光质对于人参种苗叶片生长的影响各不相同,蓝光和红蓝复合光照射具有较多的优良性状和较好的生理参数,因此在应用和实践上还需要根据具体的需求制定相应的光质配比策略,以达到壮苗丰产的目的。     

不同LED光质对枳壳幼苗生长发育的影响

重庆是全国唯一的柑橘黄龙病非疫区及首创“柑橘良种无病毒三级繁育体系”的产区。但是,由于重庆年均日照时数少且年内分配不均,使其柑橘育苗周期显著长于其他产区,严重制约了重庆柑橘苗木产业的发展速度。利用新型节能光源发光二极管(LED)进行秋冬季补光,可缩短柑橘育苗周期,加快优质无毒柑橘新品苗木的繁育。为了阐明不同LED光质及配比对枳壳幼苗生长发育的影响,以砂培枳壳幼苗为试验材料,采用6种LED光处理(红光、蓝光、红蓝1∶1、红蓝4∶1、红黄蓝4∶1∶1 和白光),统计、测定了植株的表型和生物量指标, 为缩短柑橘砧木及新品种苗木繁育周期提供理论和实验依据。结果表明：与荧光灯相比较,不同的LED复合光均显著促进了根伸长、茎增粗(除红蓝1∶1外)、叶变窄;LED红蓝1∶1和红蓝4∶1复合光抑制茎伸长、叶片数形成,促进叶增厚,且后者的叶长被促进、叶面积增大;而红黄蓝4∶1∶1复合光促进茎伸长、叶形成、叶伸长、叶变薄和叶面积增大。相对于单色光来说LED白光及高比例红光的复合光更有利于枳壳幼苗物质合成以及其地上、地下物质分配量;且LED红黄蓝4∶1∶1复合光下枳壳幼苗地上部分的生物量最大,而根冠比最小。因此,LED红黄蓝4∶1∶1复合光最适宜于枳壳幼苗的物质合成与地上部分生长,可为光照不足季节或地区(特别是重庆地区)柑橘苗木的LED精准补光技术构建提供理论依据。     

不同光质对人参愈伤组织生长及皂苷含量的影响

人参主要依靠大田栽培,耗时长,利用植物组织培养技术不仅可以缩短育种年限,还可以用来生产次生代谢产物。在组织培养中,光质对于药用植物次生代谢产物的影响受到了人们广泛关注。以人参愈伤组织为试材,采用超高效液相色谱法,研究了不同光质（包括红光、红蓝光、蓝光、绿光、黄绿光）对人参愈伤组织生长状态、总皂苷及9种皂苷单体Rg1,Re,Rf,Ro,Rb1,Rc,Rb2,Rb3,Rd含量的影响。结果表明：绿光加速人参愈伤组织老化,促进次生代谢产物的积累,而蓝光对人参愈伤组织生长有促进作用;红光和绿光对总皂苷作用不明显,且蓝光、红蓝光（1∶1）、黄绿光（1∶1）对人参皂苷转化与合成起到明显的抑制作用;与对照组相比,绿光处理后Rg1、Rf含量均偏高,其含量分别为4.063和1.194 mg·g-1,对Rg1、Rf人参皂苷单体含量有促进作用。表明不同光质对人参愈伤组织生长及皂苷含量有不同的影响,可以通过绿光处理来获得人参单体皂苷Rg1和Rf。该研究旨在探究光质对人参愈伤组织生理生化的影响,提高人参皂苷含量,为工业化生产提供理论依据。     

采前LED红蓝光连续光照对不同光质与氮形态水培生菜生长及营养元素吸收的影响

红光和蓝光是植物进行光合作用和光形态建成的主要有效光谱,且红蓝发光二极管(LED)成为植物工厂的主流光源。为实现LED连续光照在植物工厂中的应用,探明植物对红蓝光谱连续光照的响应特征及其与栽培氮形态和LED红蓝光质的关系十分必要。在环境可控的植物工厂内,采用水培方法和ICP-AES测试技术,研究了采收前LED红蓝光连续光照(CL)对不同光质与氮形态水培生菜生长及营养元素吸收的影响。在光照强度150μmol·m~(-2)·s~(-1)下,试验设置了3种红(R)蓝(B)光质:2R∶1B(Q_(2∶1)), 3R∶1B(Q_(3∶1))和4R∶1B(Q_(4∶1)),以及2种氮形态:80%硝态氮(N_(80%))和100%硝态氮(N_(100%))。结果表明, CL前, LED光质与营养液氮形态互作处理对水培生菜的地上干重具有显著影响,对地上鲜重及根鲜干重无显著影响,对N, C, P, K, Ca, Mg, Fe, Mn, Cu, Zn的含量及积累量均无显著影响。CL后,光质与营养液氮形态互作处理对水培生菜的根鲜重与根干重有显著影响,对地上鲜干重的影响无显著差异,只对N, P的含量, N, P, Fe, Zn的积累量有显著影响。CL对水培生菜的生物量,矿质元素含量及积累量有显著影响,与CL前相比,地上鲜重,根鲜重,地上干重及根干重均显著增加;各营养元素含量均有不同程度的降低趋势,其中CL显著降低了N, P, Fe, Zn的含量,而对于C, K, Ca, Mg, Mn, Cu的含量无显著影响。CL均显著提高了N, C, P, K, Ca, Mg, Fe, Mn, Cu, Zn的积累量。综上所述, CL前, LED光质与氮形态对生菜地上干重具有显著影响,对各营养元素的含量及积累量均无显著影响。CL后, LED光质与氮形态对根鲜干重具有显著影响,对N, P的含量及N, P, Fe, Zn的积累量具有显著影响, N_(80%)Q_(4∶1)处理积累的量最高。与CL处理前相比,水培生菜的地上鲜重,根鲜重,地上干重及根干重均显著增加; CL显著降低了N, P, Fe, Zn的含量,显著提高了N, C, P, K, Ca, Mg, Fe, Mn, Cu, Zn的积累量。因此,栽培光氮条件N_(80%)Q_(4∶1)和采前LED红蓝光连续光照结合可以提高水培生菜营养元素含量。     

基于Taguchi方法的LED植物光源优化设计

为了提高LED植物光源的有效利用率,基于Taguchi的实验方法对LED植物红蓝光源阵列进行设计和优化。用MATLAB软件编程进行仿真模拟,通过ANOVA方法分析得出对植物光源照射距离为10 cm处的红蓝光的光子数比值(R/B)分布均匀度影响最大的因子,并对试验最优结果采用Trace Pro光学软件进行试验验证,从而获得本次试验最佳的参数组合。结果表明:曲率半径为50 mm的凹形曲面底板的圆心加点排布方式,圆心为LED蓝光芯片,圆环上为LED红光芯片,芯片数量分别为6个LED红光芯片和1个LED蓝光芯片,芯片距离为10 mm的最优化组合是本次试验的最优组合。通过ANOVA方法分析得出,LED红蓝芯片之间的间距对植物光源的R/B的均匀分布影响最大,占有35.17%的比例,LED红蓝芯片的排布方式也不可忽略,因为其占有了28.05%的影响比例。     

红蓝复合光谱对两个生态型羊草光合生理特性的影响

采用LED红蓝光源激发产生不同比例、不同强度红蓝复合光,对实验控制培养的两个生态型羊草光合生理特性进行研究。两个生态型羊草在红蓝复合光低于50 μmol·m-2·s-1时光合作用不能进行,红蓝复合光强高于50 μmol·m-2·s-1后,光合速率、气孔限制值和蒸腾速率不断上升,但灰绿型羊草在红蓝复合光达到1 150 μmol·m-2·s-1、黄绿型羊草在红蓝复合光达到907 μmol·m-2·s-1后,光合速率不再增加,出现光饱和现象,同时气孔限制值增加以减少水分过多的消耗,蒸腾速率下降。植物在各个生理指标之间进行权衡,保证在生理损伤最小的情况下获得最大生产能力。在高光条件时,蓝光对光合的作用已逐渐消弱,红光对光合生理的作用逐步增强。在同样的红蓝复合光源照射条件下,灰绿型羊草在保持较低的气孔限制和较高水平水分消耗时,依旧能有较高的光合速率,表明灰绿型羊草光合生产能力和生理的适应性强于黄绿型羊草。对两个生态型羊草光合生理特性产生影响的主要因素就是红蓝复合模拟光谱。     

SiN钝化膜对Si衬底GaN基蓝光LED性能影响

利用等离子辅助化学气相沉积(PECVD)系统在垂直结构Si衬底GaN基蓝光LED芯片上生长了SiN钝化膜,并对长有钝化膜及未作钝化处理的LED在不同条件下进行了老化实验,首次研究了SiN钝化膜对垂直结构Si衬底GaN基蓝光LED可靠性的影响。实验发现:经过30mA、85℃、24h条件老化后,未作钝化处理的Si衬底GaN基蓝光LED的平均光衰为11.41%,而长有SiN钝化膜的LED平均光衰为6.06%,SiN钝化膜有效地改善了LED在各种老化条件下的光衰,另外,SiN钝化膜缓解了Si衬底GaN基蓝光LED老化过程中反向电压(Vr)的下降,但对老化后LED的抗静电击穿能力(ESD)没有明显的影响。     

ICP-AES分析光谱条件对中药蒲公英无机元素吸收的影响

在全密闭植物工厂中水培种植中药蒲公英,以发射不同波段光谱的荧光灯及LED灯作为药材生长光源,并结合ICP–AES技术分析了不同光谱条件对蒲公英无机元素吸收和积累的影响。结果表明:(1)相近的光合有效辐射(PAR)条件下,单一红光R及混合光FLRB有利于水培蒲公英可食生物量的积累,单一蓝光B处理下可食生物量最低;(2)荧光灯FL条件下蒲公英地上部分常量无机元素含量比值为K∶Ca∶P∶Mg∶Na=79.74∶32.39∶24.32∶10.55∶1.00,微量无机元素含量比值为Fe∶Mn∶B∶Zn∶Cu=9.28∶9.71∶3.82∶2.08∶1.00;(3)峰值为660nm的红光有利于蒲公英对Ca,Fe,Mn,Zn元素的吸收,Cu元素含量受光谱条件的影响不明显;(4)蒲公英地上部分对Ca,Na,Mn,Zn四种元素的积累量均在纯红光R下最高,而对其余六种元素的积累量以混合光FLRB条件下最高。     

植物照明用荧光粉转换白光二极管的研究

LED具有效率高、体积小、功耗低、寿命长等优点,并且因其具有可轻易实现宽幅光谱调控的特性,在植物照明领域崭露头角。植物照明用LED分为两大类,一类是单色光LED,另一类是白光LED,其中植物照明用白光LED可与单色LED混合或者单独使用从而实现植物补光照明。植物封装用白光LED大部分采用蓝光LED芯片或紫外LED芯片和荧光粉组合实现,即荧光粉转换型白光LED,但是光谱集中于可见光偏蓝,对植物进行光合作用的效率不明显。植物对于光的吸收不是全波段的而是有选择性的,基于植物光合作用吸收光谱的特殊性,将白光LED光谱的显色性能作为评判其光谱是否适合植物生长所需的光质的标准,其平均显色指数Ra,特殊显色指数R9(饱和红光),R12(饱和蓝光)被考虑选择为植物照明用白光LED的主要性能评价参数。为设计出植物进行生长发育所需要的、性能良好的能应用于植物照明领域的白光LED,选用常见商用YAGG为绿色颜色转换材料,选用(Sr, Ca)AlSiN₃为红色颜色转换材料,并用传统高温固相法制备了系列光谱可调的(Sr, Ca)AlSiN₃荧光粉,并进行了光谱性能分析。通过将搭建好的LED结构模型导入光学仿真软件并分别引入绿色荧光粉颗粒、红色荧光粉颗粒以及蓝光芯片的特性参数,在Lighttools中分别建立了单蓝光LED芯片(450 nm)和双蓝光LED芯片(450+470 nm)激发(Sr, Ca)AlSiN₃和YAGG荧光粉组合,实现了白光LED的光学仿真模型,研究了两种激发模式下仿真得到的不同色温白光LED的光谱功率分布及其显色性能。用蓝光LED芯片、(Sr, Ca)AlSiN₃以及YAGG荧光粉组合进行了单芯片和双芯片显色性能差异的封装验证。通过将Sr_0.8Ca_0.12AlSiN₃∶0.08Eu2+和YAGG荧光粉的混合物点涂在双蓝光LED芯片上进行了白光LED的封装制备,获得了Ra=91.2,R9=96.1,R12=78.9,光谱辐射光效LER=126 lm·W-1的高效高显色白光LED其含有植物生长所需要的蓝光和红光。     

不同电流下发光二极管温度和光谱特性的实验研究

利用WGD-6型光学多道分析仪和温度传感器设计了测量不同电流下发光二极管(LED)温度和光谱特性的实验,并测定了紫、蓝、绿、黄和红光二极管管温随电流变化和光谱的变化。各种二极管随电流的增加温度升高,紫、蓝和黄光LED升温速率要快。随电流增加,紫、黄和红光LED有明显的红移,绿光LED有明显的蓝移,而蓝光LED先蓝移后红移。随电流的增加LED有光输出饱和现象。电流的增加引起LED半峰宽宽化,红光LED宽化幅度最大,可达15nm。     

LED红蓝组合光谱下强光照射时长及频率对生菜生长及营养元素吸收的影响

红蓝光谱作为植物光合色素光吸收的最大波段,是植物光合作用的主要作用光谱,且红蓝LED已成为植物工厂的主流光源。因此为实现植物工厂的广泛应用,植物对红蓝光供光模式的响应及其机理亟待研究。在人工光植物工厂中,应用电感耦合等离子体原子发射光谱技术（ICP-AES）,研究红蓝LED组合光谱下强光照射时长和频率对生菜生长及营养元素吸收的影响。研究包含两个独立试验。试验一设置5个光处理：光强为500 μmol·m-2·s-1的强光分别在常规光照（150 μmol·m-2·s-1）的光期中间照射0 h（CK）,0.5 h（HL0.5）,1 h（HL1）,2 h（HL2）和4 h（HL4）。试验二设置4个交替光处理和1个常规光照处理（NL,170 μmol·m-2·s-1）,在交替光处理中,1 h的强光（500 μmol·m-2·s-1）在光期内被分别出现1次（A1）、3次（A3）、6次（A6）和12次（A12）,将光强为150 μmol·m-2·s-1的光期分成相等的时间段。两个试验中光质（4R∶1B）、光周期（16/8 h）和处理天数（20 d）相同。结果表明,试验一中生菜的地上部生物量和N,C,P,K,Ca和Mg等大中量元素累积量均表现出随强光照射时间延长先增加后降低的趋势。和CK处理相比,HL4处理下生菜的地下部干鲜重和比叶重显著提高,叶面积显著降低。HL2处理下生菜的地上部干重和N,C,P,K,Ca和Mg元素累积量均最高。在试验二中,相比常规光照,A6处理显著降低了生菜的地上部鲜重,提高了生菜的根冠比,但其他处理间生菜生物量差异不显著。强光交替照射处理显著提高了生菜碳元素含量,但是强光照射频率对生菜的干物质的量和营养元素累积量无显著影响。综上所述,在光期中间加短时间连续的强光照射能够有效提高生菜体内营养元素和生物量的累积,更适用于植物工厂内的生菜栽培。     

交替光谱辐照对叶用莴苣营养元素水平的影响

在人工光型植物工厂中采用深液流水培法栽培叶用莴苣,依托光谱时空分布可精准调控的智能LED光源系统,应用电感耦合等离子体原子发射光谱技术（ICP-AES）,研究了5 min,10 min,15 min,30 min,60 min,2 h,4 h和8 h等不同间隔的红、蓝光谱交替照射对叶用莴苣中K,P,Ca,Mg,Fe,Mn,Zn和Cu等8种营养元素吸收和累积的影响。结果表明：(1) 与同时照射模式相比,所有的交替光谱处理均显著提高了叶用莴苣地上部生物量,其中鲜重提高幅度约为18.6%~67.4%,干重提高幅度约为5.1%~88.0%;所有的交替红蓝光谱照射下叶用莴苣体内Mg,Fe和Zn元素的植株累积量均得到显著（p＜0.05）地提高;所有的红蓝交替光谱辐射处理均不同程度地降低了叶用莴苣植株中Ca元素含量。(2) 间隔为5 min的红蓝交替光谱辐射下莴苣植株Fe元素含量显著高于其他任意处理,较其他处理增加了38.87%~85.37%,高频次的红蓝光切换照射刺激了叶用莴苣植株对Fe元素的吸收。(3) 红蓝交替光谱辐射有利于提高叶用莴苣的能量利用效率,与红蓝同时供光的RB处理相比,所有交替处理均显著提高了叶用莴苣的光、电能利用率,提高幅度分别约为34.3%~87.5%和34.6%~87.9%;其中,间隔为4 h的红蓝交替光谱辐射下叶用莴苣植株的光、电能利用率均最大,分别为6.13%和2.01%,除间隔为5和10 min的红蓝交替光谱辐射处理外的其他交替光谱处理下的植株光、电能利用率均与处理间最大值无显著性差异。(4) 叶用莴苣对K和Mg两种元素的吸收在红蓝光交替间隔为10 min,15 min,60 min及4 h等多个处理下呈现拮抗现象。(5) R/B(30 m)处理下叶用莴苣中P,Ca,Fe和Mn等四种元素的含量水平均呈现处理间最低水平,其中P和Ca元素含量水平显著低于对照。     

顶发射白光OLED微型显示器的蓝光掺杂特性研究

白光OLED微型显示器在信息显示领域具有重要的应用。采用真空镀膜系统,依次蒸镀Ag/ITO复合薄膜作为阳极结构,共蒸制备Mg∶Ag复合膜作为半透明阴极结构,NPB作为空穴传输材料和黄光主体材料,rubrene作为黄光掺杂料,AND作为蓝光主体料,DSA-Ph作为蓝光掺杂料,Alq3作为电子传输材料,以结构和工艺简化的蓝、黄光互补色来实现白光,通过共蒸发形式制备了结构为Ag/ITO/NPB/NPB∶rubrene（1.5%）/ADN∶DSA-Ph（x%/x=2,5,8）/Alq3/Mg∶Ag的白光OLED微型显示器,利用由Photo Research PR655光谱仪、Keithley 2400程控电源组成的光谱测试系统对器件的光电性能进行表征,研究了蓝光掺杂比对白光OLED微型显器性能的影响。结果表明,随着蓝光掺杂比的增加,白光OLED微型显示器的亮度先增加后降低,蓝光、黄光峰位有所偏移,色坐标发生一定的漂移,蓝光色纯度增加,可通过调控发光材料掺杂比实现白光OLED微型显示器性能的可控制备。初步优化获得的蓝、黄混合白光OLED微型显示器的器件,当驱动电压为5.0 V时,器件亮度达到3 679 cd·m-2,CIE坐标为（0.263,0.355）。     

具有凸台结构的高照明均匀度倒置型植物光源设计

针对现有植物工厂采用的植物培养架照度、混色均匀度差导致农产品作物品质参差不齐的现状,提出一种高混光、高混色均匀度的植物培养架设计方案。不同于光源在上种植面在下的培养架设计模式,将红、蓝LED灯珠间隔排列阵列光源安装在植物种植平面上的凸台上,并把培养架顶部设计成漫反射面。漫反射面的引入起到增加混光距离的作用,提高光线耦合程度,从而达到了提高混光、混色均匀度的效果。进一步引入光量子通量密度均匀度以及混色均匀度共同作为考察指标,利用Taguchi方法设计并进行实验,研究不同因子对植物种植区光源均匀性的影响,再利用ANOVA理论分析了各因子对品质的影响程度多次优化后,最终获得照度均匀度为94.58%、混色均匀度为90%、能量利用率为41.42%的最优系统设计方案。然后研究了不同配光曲线的灯珠对培养架均匀度的影响,最后通过测量植物在不同高度时种植面和植物表面的照度及光谱的分布情况检测植物的生长是否会遮挡光线。结果表明该植物照明系统可以在植物生长过程中提供均匀的照明,遮挡问题几乎可以忽略不计。     

高均匀度LED植物光源的设计

针对现有植物灯均匀度差的问题,通过在R（红）、G（绿）、B（蓝）三色LED芯片上加装导光管和光纤透镜,实现了高均匀度的出光效果,通过调节导光管和光纤的尺寸获得了达90%的混色、光谱以及光量子通量密度（PPFD）的均匀性。进一步对光源的热学性能进行表征发现光纤透镜的增加有利于减少光源正面的热量,并且基于光量子学照明参数对该灯的均匀度进行评价,并进一步提出有效光能利用率来更加科学的表征光源性能。结果表明,混色均匀性与PPFD均匀性可达90%,有效光能利用率可达到43%。进一步将该灯用于鲜切玫瑰花保鲜,并通过脉冲宽度调制技术（PWM）实现了光谱的动态可调,通过对玫瑰花鲜重日失重率以及抗氧化物质如黄酮素等物质含量变化的测量,探究鲜切玫瑰花保鲜的最佳光照条件。实验结果表明,最有利于鲜切玫瑰保鲜的光质条件和光照周期为R+G、6 h/24 h。