激光诱导叶绿素荧光寿命的测量及其特性分析

提出了一种用于评估植物生长状况及环境监测的激光诱导叶绿素荧光寿命测量方法. 采用波长355 nm的激光作为光源激发叶绿素荧光, 由光电倍增管接收其荧光信号, 由于被测叶绿素荧光衰减函数与激光脉冲、仪器响应函数卷积在一起, 根据它们的特性, 运用时间分辨测量法分别测得叶绿素荧光及其背景信号, 并结合一种新型解卷积算法可分离出真实的叶绿素荧光衰减函数, 从而获取叶绿素的荧光寿命. 测试结果表明: 该方法能够实现叶绿素荧光寿命的高精度实时监测, 对不同叶绿素含量的溶液荧光寿命进行了测试, 证明叶绿素含量与其荧光寿命具有相关性, 并且拟合了叶绿素含量与荧光寿命的标定曲线. 关键词： 荧光寿命 激光诱导荧光 时间分辨测量法 叶绿素含量     

基于激光诱导叶绿素荧光寿命成像技术的植物荧光特性研究

针对植物荧光遥感探测中信号易受干扰的问题, 提出了一种用于评估植物生长状况及环境监测的荧光寿命成像技术. 采用凹透镜对355 nm波长的激光扩束, 再照射植物激发叶绿素荧光, 由增强型电荷耦合器件接收荧光信号. 采用时间分辨测量法, 连续用相同激光脉冲照射植物以激发相同的荧光信号, 同时不断改变激光脉冲触发探测器启动的延时时间, 从而能够得到完整的离散荧光信号分布图像. 对植物特定位置点产生的离散荧光信号进行拟合, 再运用一种改进型的迭代解卷积法可反演高精度的荧光寿命; 进而反演图像各点的荧光寿命以生成植物的荧光寿命分布图. 该方法所绘制的荧光寿命图比荧光强度图能更准确地反映植物内部的叶绿素含量, 并对活体植物叶绿素荧光寿命的物理特性进行了初步研究, 证明叶绿素荧光寿命与植物生理状态存在一定关联; 并且叶绿素荧光寿命与活体植物所处环境存在着复杂的关系. 未来将与生物物理学家们合作, 继续探寻叶绿素荧光寿命与植物生存环境的关系.     

激光诱导植物叶绿素荧光寿命及光谱特性分析

传统荧光光谱分析法虽能用于评估植物生理状况,但在植物遥感探测中该方法具有抗干扰性弱、待测数据量大的缺陷.针对此问题,提出一种荧光寿命成像技术,将植物荧光寿命及光谱信息结合,分析植物内在生理信息,实现了远距离、大范围精确测量植物生理状况.采用时间分辨测量法,用连续激光脉冲照射植物产生大量相同的荧光信号,同时不断改变探测器的启动延迟时间,得到完整的荧光信号,用解卷积法反演植物荧光寿命.对活体法国冬青植株的光谱信息与荧光寿命特性进行了研究,结果显示植物荧光寿命与叶绿素含量成线性关系,并且植物叶绿素含量在0.03~0.06 mg/cm~2这一特定范围,线性相关系数高达0.9051,比荧光光谱能更精确地反映植物叶绿素含量.     

机油类产品激光诱导荧光时间特性的研究

介绍了一种由三倍频Nd∶YAG激光器、单色仪、光电倍增管以及信号采集处理系统构成的激光荧光谱寿命测量系统及其测量原理和方法,讨论了如何去除激发光脉冲宽度和探测系统响应速度对测量结果的影响,并实际测量了一种应用广泛的燕山机油的荧光谱寿命.本系统具有简便、快捷、准确以及成本低等优点,适合用于未来实用化机载水面监测激光荧光雷达遥感系统中 关键词： 激光诱导荧光 荧光寿命 Nd∶YAG激光器 光电倍增管     

农田土壤水分含量的激光诱导荧光光谱表征

通过实验探讨了植物的激光诱导叶绿素荧光光谱与土壤水分间的关系。实验利用Y-形光纤探头获取了植物在450 nm LED光源照射下所发出的叶绿素荧光光谱,同时利用TDR传感器测量土壤湿度。实验以水稻为研究对象,研究了在持续水分胁迫和间歇水分胁迫下,叶绿素荧光光谱743 nm附近波峰的变化,结果发现,波峰强度与土壤水分含量具有相关性。最后,利用Lorentzian方程,将持续水分胁迫下的土壤含水量与叶绿素荧光强度进行建模,发现所建的模型具有较高的决定系数,说明该方法可以应用于农业生产中对土壤水分的测量。     

基于不同泵浦波形的荧光寿命测量

该文从理论上分析了不同泵浦波形下的荧光衰减规律,提出了一种在不同泵浦波形下测量荧光寿命的新方法——双脉冲探测法,即利用探测泵浦脉冲与荧光衰减脉冲的方法测量荧光寿命。通过对样品钕玻璃及Cr:ZnSe晶体的荧光寿命测量表明:利用该方法在不同泵浦波形下能够实现可见及近红外到中红外激光介质的荧光寿命测量。因此,利用该测量方法能够方便、有效的避免通过解卷积求样品荧光寿命的繁琐过程,对测量激光介质在不同泵浦波形下的荧光寿命具有参考价值。     

特征荧光光谱法定量检测水质的研究

讨论了一种可同时检测自然水体中有机物和叶绿素a含量的快速分析方法。以武汉东湖水为样品,采用激光诱导荧光(LIF)的方法测量了水体的总荧光光谱(TLS);并用特征光谱荧光标记(SFS)技术对水体中溶解的有机物(DOM)及叶绿素a (Chl-a)的荧光光谱特征进行了分析和指认。并利用水的拉曼散射信号强度进行归一化的方法,分别得到较低浓度腐殖酸和叶绿素a的特征光谱归一化荧光强度以及它们在水体中浓度的标定曲线和线性关系式。另外, 对于较高浓度的腐殖酸溶液,确定了其特征光谱的荧光强度与浓度之间满足的函数关系。结果表明,在一定的浓度范围内,特征光谱的荧光强度与浓度之间仍然有很好的线性关系。该方法在自然水体质量的检测方面有广泛的应用前景,它能快速识别水体中的污染物,定量测量它们在水体中的含量,实现对自然水体的质量状况进行大范围的实时动态监测。     

放电辅助激光溅射气相金属化合物分子和离子的产生装置

结合脉冲放电气体束和激光溅射技术,开发了一套产生气相金属化合物分子和离子的装置。利用飞行时间质谱测试了金属铜靶与不同气体反应的离子产物和效率,并利用激光诱导荧光光谱方法测量了自由基分子产物的状态。测试结果表明,该装置可有效产生气相金属化合物自由基分子和离子,而且产物转动温度低,为下一步开展高精度金属化合物分子自由基电子态激光光谱研究打下了基础。     

激光诱导荧光寿命及其测量

激光诱导荧光特性的研究可用于包括心血管病在内的多种疾病的诊断。荧光发射包括光谱（频域）和时间（时域）两方面的信息，后者表现为荧光寿命。在很多情况下，测量荧光寿命是比测量光谱更为有效的诊断方法。本文从理论上讨论了荧光寿命问题，并介绍两种测量方法，可用于测量人体正常组织和病变组织的激光诱导荧光寿命     

利用特征光谱荧光标记与高斯拟合分析水体中有机物的特性

讨论了一种自然水体中有机物的快速分析方法,以激光诱导荧光(LIF)方法测量了水体的总荧光光谱(TLS);利用特征光谱荧光标记(SFS)技术对水体中溶解有机物(DOM)及叶绿素a(Chl a)的荧光光谱进行了正确的指认和提取。以最小二乘法-Gaussian拟合对水体的TLS进行了拟合,可有效地分离出拉曼散射及荧光光谱,拟合的相关系数优于0.996 4。结果表明,通过在TLS中利用SFS技术正确的指认特定污染物,并以Gaussian拟合进行有效地提取,可以进行水体污染物的快速、实时和在线监测。     

一种应用PLD-PMTR技术的荧光光纤温度计

通过对光纤荧光温度传感器中影响系统准确度的荧光寿命检测技术的研究,利用双参考信号、脉冲调制激励光源的锁相检测技术对荧光光纤温度传感器的荧光寿命进行检测,推导出测量荧光寿命的数学模型.给出了应用该技术的温度测量方案及实验结果,该方法具有高的信噪比且对激励光泄露有很强的抑制作用.系统的输出信号可以准确地进行长距离传输且很容易与计算机接口.实验表明,该方法是有效和实用的,达到了系统要求.     

Polar Plot Representation for Frequency-Domain Analysis of Fluorescence Lifetimes

We present applications of polar plots for analyzing fluorescence lifetime data acquired in the frequency domain. This graphical, analytical method is especially useful for rapid FLIM measurements. The usual method for sorting out and determining the underlying lifetime components from a complex fluorescence signal is to carry out the measurement at multiple frequencies. When it is not possible to measure at more than one frequency, such as rapid lifetime imaging, specific features of the polar plot analysis yield valuable information, and provide a diagnostic visualization of the participating fluorescent species underlying a complex lifetime distributions. Data are presented where this polar plot presentation is useful to derive valuable, unique information about the underlying component distributions. We also discuss artifacts of photolysis and how this method can also be applied to samples where each fluorescence species shows a continuous distribution of lifetimes. Polar plots of frequency-domain data are commonly used for analysis of dielectric relaxation experiments (Cole–Cole plots), which have proved to be exceptionally useful in that field for decades. We compare this analytical tool that is well developed and extensively used in dielectric relaxation and chemical kinetics to fluorescence measurements.     

大气CO2卫星遥感中植物叶绿素荧光影响的校正

大气CO₂卫星遥感监测的关键在于高精度,而植物叶绿素荧光存在与大气散射相似的光谱特征,干扰大气散射相关参数的反演结果,从而影响CO₂的反演精度。因植物叶绿素荧光强度微弱且影响特征与大气散射高度相关而难以准确校正。鉴于现有大气CO₂卫星遥感精度不足,以及植物叶绿素荧光对大气CO₂反演存在不可忽视的影响程度和复杂性,设计了O₂-A、1.6和2.06 μm CO₂三个光谱带协同的参数化校正方法。首先通过对大气散射采取基于光子路径长度概率密度函数（PPDF）的参数化建模,降低叶绿素荧光与大气散射参数的光谱相关性;其次,针对叶绿素荧光强度弱,难以准确反演的问题,基于轨道碳观测器（OCO-2）的叶绿素荧光产品构建了5km分辨率的全球叶绿素荧光先验信息库,增强CO₂与叶绿素荧光同步反演中对叶绿素荧光的先验约束,提高叶绿素荧光的反演精度。通过O₂-A、1.6和2.06 μm CO₂三个光谱带的协同同时反演大气散射、叶绿素荧光和大气CO₂,并结合叶绿素荧光丰富的先验信息,能够较准确剥离大气散射和叶绿素荧光而提高大气CO₂的反演精度。选择叶绿素荧光强度明显较高的柱总碳观测网络（TCCON）中的Park Falls（45.945°N,90.273°W）站点开展验证,对该站点近4年每年8月份的温室气体观测卫星（GOSAT）数据进行反演,发现植被叶绿素荧光导致GOSAT XCO₂反演结果系统偏低2×10-6(ppm)左右,通过本文的方法进行校正,反演结果的低估程度有明显改善,最大低估由2.58 ppm降低到1.49 ppm,且离散程度也有一定程度的改善,明显控制了CO₂反演中叶绿素荧光的影响,对于实现1%（~4 ppm）的CO₂反演精度来说,提供了有力支撑。     

Measurement of chlorophyll in water based on laser-induced fluorescence spectroscopy: Using spiral-wound unclad optical fiber system and partial least squares regression

The feasibility of laser-induced fluorescence (LIF) method for chlorophyll concentration determination in water was investigated in this study. The chlorophyll fluorescence spectra were received by a spiral-wound unclad optical fiber system. Baseline and smoothing correction methods were studied. Statistical equations were established between reference data and fluorescence spectra by linear regression and partial least squares (PLSs) regression. The PLS regression outperformed linear regression by higher correlation coefficient of 0.9996063 and root mean square error value of 0.0221807. Based on the results, it was concluded that laser-induced fluorescence method with a spiral-wound unclad optical fiber system was suitable for chlorophyll concentration determination in water, and PLS regression was a reliable method for fluorescence spectra analysis.     

Performance Check of Vegetation Fluorescence Imaging Lidar through In Vivo and Remote Estimation of Chlorophyll Concentration Inside Plant Leaves

Laser-induced fluorescence imaging lidar was developed for in vivo plant/vegetation monitoring. Fluorescences of poplar tree leaves growing naturally at a distance of 60 m from the lidar were successfully detected as two spectral images at wavelengths of 685 nm and 740 nm. By comparing chlorophyll concentration quantified with high performance liquid chromatography, it was confirmed that the intensity ratio of the two wavelengths was converted into the chlorophyll concentration inside the leaves. The intensity ratio of the images reflected the status of the poplar tree in the process of senescence so well that it was possible to assess the living status of the tree as a numerical value. The performance characteristics and the potential of the laser-induced fluorescence imaging lidar for monitoring the physiological activities of plants and vegetation are described.     

基于小波变换技术的荧光光纤温度传感器研究

提出了一种荧光光纤温度测量系统.采用双光路双通道测量方式以及化学镀膜和热处理工艺相结合的微小荧光探头制作技术,在研究微弱信号的检测和处理技术的基础上,选用小波变换技术对荧光信号进行消噪处理.系统的温度实验、标定实验和重复性实验.结果表明该系统具有较高的准确度和温度分辨能力.     

单组分荧光寿命成象显微的研究

激发光的调制频率和CCD所记录到的光强度是影响荧光寿命成象显微频域法测量和数据处理精度的主要因素.本文采用Monte Carlo方法,以单组分问题为例,研究了在用频域外差法进行荧光寿命成象显微测量中激发光的调制频率以及CCD所记录到的光强度对数据处理精度的影响,给出了当调制频率不变时,在不同荧光强度下,对于不同的荧光寿命范围、荧光寿命计算的统计结果,给出了改进测量精度的方法.     

基于自适应免疫算法重叠拉曼谱峰的解析

拉曼光谱测量速度快,可以实现原位实时测量,现已成为过程控制中物料检测的一种重要手段。但由于环境的复杂性以及拉曼光谱信号特点,目前在线检测时难免会出现一些重叠谱峰。基于免疫算法特点,将该方法用于芳烃重叠拉曼谱峰信号的解析中,提取混合物质中单个组分拉曼谱峰信息进行分析,结果表明该方法解析快速、定量准确,相对误差低于1%,是解析重叠拉曼光谱信号的有效方法。针对现场样品检测中出现的重叠谱峰伴随荧光背景信号,提出了结合独立成分分析的自适应免疫算法,有效地解析出荧光背景信号,为复杂样品的拉曼光谱检测分析提供了新的手段。