紅外線 CO2氣體分析儀器的結構、原理、使用

1、紅外線紅外線 CO2氣體分析儀器的氣體分析儀器的結構、原理、使用及在植物結構、原理、使用及在植物生理研究中的應用生理研究中的應用一、引言一、引言n植物在生命活動過程中，常伴有植物在生命活動過程中，常伴有CO2的釋的釋放與吸收。放與吸收。CO2量的變化能標志植物生理量的變化能標志植物生理生化活性的強弱。生化活性的強弱。n 光光 CO2+H2O (CH2O)+O2 光合細胞光合細胞1.1.光合作用測定方法光合作用測定方法n改良半葉法改良半葉法nPH比色法比色法n氧電極法氧電極法n紅外線紅外線CO2氣體分析儀法氣體分析儀法2. 紅外線紅外線CO2氣體分析儀法的優(yōu)點氣體分析儀法的優(yōu)點n迅速而準確迅速而

2、準確n簡單而方便簡單而方便n整體而連續(xù)整體而連續(xù)n智能化智能化二、儀器的基本組成二、儀器的基本組成n主要由光源、氣室和檢測器組成主要由光源、氣室和檢測器組成CO212紅紅外外光光源源氣氣室室檢檢測測器器三、儀器的工作原理三、儀器的工作原理n紅外線（紅外線（infrared）是波長在）是波長在0.75400 m范圍內(nèi)的電磁波。紅外線按其范圍內(nèi)的電磁波。紅外線按其波長長度劃分：波長長度劃分：25400 m為遠紅外為遠紅外線；線；2.525 m為中紅外線；為中紅外線；0.752.5 m為近紅外線。為近紅外線。n不同氣體對紅外線的吸收不同。由同種不同氣體對紅外線的吸收不同。由同種原子組成的氣體分子如原

3、子組成的氣體分子如N2、H2、O2等均等均不吸收紅外線。只有由異種原子組成的不吸收紅外線。只有由異種原子組成的氣體分子如氣體分子如CO、CO2、CH4、H2O等可等可以吸收紅外線。以吸收紅外線。 三、儀器的工作原理三、儀器的工作原理nCO2氣體能吸收紅外線四個區(qū)段的能量，氣體能吸收紅外線四個區(qū)段的能量，吸收峰的波長分別在：吸收峰的波長分別在：2.66 m、2.77 m、4.26 m、14.99 m，其吸收率分，其吸收率分別為別為0.54、0.31、23.2、3.1。峰值為峰值為4.26 m的吸收率最高，在的吸收率最高，在CO2濃濃度較低時，在特性波長（度較低時，在特性波長（4.26 m）下，）

4、下，被被CO2氣體吸收的紅外線輻射能量與氣體吸收的紅外線輻射能量與CO2氣氣體的濃度呈線性關系。體的濃度呈線性關系。三、儀器的工作原理三、儀器的工作原理n 紅外線經(jīng)過紅外線經(jīng)過CO2氣體分子時，其輻射能量減氣體分子時，其輻射能量減少，被吸收的紅外線輻射能量的多少與該氣少，被吸收的紅外線輻射能量的多少與該氣體的吸收系數(shù)（體的吸收系數(shù)（K）、氣體濃度（）、氣體濃度（C）和氣）和氣體層的厚度（體層的厚度（L）有關，并符合朗伯）有關，并符合朗伯比爾比爾定律，可以用下式表示：定律，可以用下式表示：nE=E0eKCLn式中：式中：E0入射紅外線的輻射能量；入射紅外線的輻射能量； E透過的紅外線的輻射能量。

5、透過的紅外線的輻射能量。四、四、 IRGA檢測原理檢測原理CO2濃度濃度紅外線輻射能量紅外線輻射能量電容變化電容變化當在半導體外加一個穩(wěn)定電流時，由于受當在半導體外加一個穩(wěn)定電流時，由于受電阻變化的影響，輸出的信號電壓值也隨電阻變化的影響，輸出的信號電壓值也隨CO2濃度而變化。濃度而變化。 檢測器是光電導型銻化銦半導體元件。檢測器是光電導型銻化銦半導體元件。參比氣室參比氣室 紅外線輻射能量不變紅外線輻射能量不變分析氣室分析氣室 紅外線輻射能量減少紅外線輻射能量減少半導體半導體 的電阻下降的電阻下降參比室參比室 300分析室分析室 3301230顯示器顯示器四、儀器的標定四、儀器的標定n絕對值標

6、定法絕對值標定法n差分值標定法差分值標定法絕對值標定法絕對值標定法參比室參比室 0分析室分析室 0120顯示器顯示器n調(diào)零調(diào)零絕對值標定法絕對值標定法參比室參比室 0分析室分析室 33012330顯示器顯示器n調(diào)滿刻度調(diào)滿刻度差分值標定法差分值標定法參比室參比室 300分析室分析室 300120顯示器顯示器n調(diào)零調(diào)零差分值標定法差分值標定法參比室參比室 300分析室分析室 3301230顯示器顯示器n調(diào)滿刻度調(diào)滿刻度五、五、IRGA法測定光合速率法測定光合速率 的氣路系統(tǒng)的氣路系統(tǒng)n開放式氣路系統(tǒng)開放式氣路系統(tǒng) n密閉式氣路系統(tǒng)密閉式氣路系統(tǒng)1.1.開放式氣路系統(tǒng)開放式氣路系統(tǒng)n該系統(tǒng)用雙氣室

7、該系統(tǒng)用雙氣室IRGA，以氣泵為動力，以氣泵為動力，將流經(jīng)同化室前的空氣（參比氣體）泵將流經(jīng)同化室前的空氣（參比氣體）泵入?yún)⒈葰馐?，流?jīng)同化室后的空氣（樣入?yún)⒈葰馐?，流?jīng)同化室后的空氣（樣本氣體）泵入分析氣室，最后將氣體排本氣體）泵入分析氣室，最后將氣體排出，由儀器測出參比氣體和樣本氣體的出，由儀器測出參比氣體和樣本氣體的CO2濃度差，根據(jù)氣體流量、同化室中濃度差，根據(jù)氣體流量、同化室中葉片的面積，求出葉片的光合速率。葉片的面積，求出葉片的光合速率。 開放式氣路系統(tǒng)開放式氣路系統(tǒng) P. 氣泵氣泵 F. 流量計流量計 C. 同化室同化室 D. 干燥器干燥器 A. 紅外線紅外線CO2分析儀分析儀P

8、PFDDCFA光合速率計算光合速率計算式中：式中：Pn光合速率，光合速率，mol CO2(m2s)。 CCO2濃度落差濃度落差C1C2，mol/mol。 S葉片面積，葉片面積，m2。 F氣體流量，氣體流量，L/s。 t同化室的溫度，同化室的溫度， P為氣壓，為氣壓，MPa。01325. 115.27315.2734 .22PtSFCPn2.2.密閉式氣路系統(tǒng)密閉式氣路系統(tǒng)n被測植物或葉片密閉在同化室中，不與被測植物或葉片密閉在同化室中，不與同化室外發(fā)生任何的氣體交換，同化室同化室外發(fā)生任何的氣體交換，同化室內(nèi)的內(nèi)的CO2濃度因光合作用而下降，可用濃度因光合作用而下降，可用IRGA測定同化室內(nèi)測

9、定同化室內(nèi)CO2濃度的下降值，濃度的下降值，計算光合速率。計算光合速率。 密閉式氣路系統(tǒng)密閉式氣路系統(tǒng) P. 氣泵氣泵 C. 同化室同化室 D. 干燥器干燥器 A. 紅外線紅外線CO2分析儀分析儀CAPD光光330光合速率計算光合速率計算 式中：式中：Pn光合速率，光合速率，mol CO2(m2s)。 CCO2濃度落差濃度落差C1C2，mol/mol。 t測定時間，測定時間，s。 S葉片面積，葉片面積，m2。 V同化室（包括氣路系統(tǒng)）體積，同化室（包括氣路系統(tǒng)）體積，L。 t同化室的溫度，同化室的溫度，。 P為氣壓，為氣壓，MPa。01325.115.27315.2734 .22PtStVCP

10、n六、在植物生理研究中的應用六、在植物生理研究中的應用n測定光合速率測定光合速率n測定呼吸速率測定呼吸速率n作光作光光合作用曲線：光補償點，光飽和點，表觀光合作用曲線：光補償點，光飽和點，表觀量子產(chǎn)額，量子效率量子產(chǎn)額，量子效率n作作CO2光合作用曲線：光合作用曲線：CO2補償點，補償點，CO2飽和點飽和點n作溫度作溫度光合作用曲線：光合作用最低溫度，最適光合作用曲線：光合作用最低溫度，最適溫度，最高溫度溫度，最高溫度n測定光呼吸速率：零氣法；外推法測定光呼吸速率：零氣法；外推法n測定蒸騰速率；氣孔導度等測定蒸騰速率；氣孔導度等LI-6400便攜式光合作用測定系統(tǒng)便攜式光合作用測定系統(tǒng)一、儀器

11、二、儀器的優(yōu)點n1、葉室環(huán)境可以調(diào)控。如可以測在不同溫度、光強、CO2濃度下的光合作用。n2、測定參數(shù)多。n3、數(shù)據(jù)可存儲，可與計算機連接。n4、反應靈敏。n5、固定葉面積，儀器自動計算各參數(shù)結果。三、可測定的主要參數(shù)三、可測定的主要參數(shù)nPhotosynthetic rate (mol CO 2 m -2 s -1 )nConductance to H 2 O (mol H 2 O m -2 s -1 )nReference cell CO 2 (mol CO 2 mol -1 )nSample cell CO 2 (mol CO 2 mol -1 )nIntercellular CO 2

12、concentration (mol CO 2 mol -1 )nTranspiration rate (mmol H 2 O m -2 s -1 )Reference cell H 2 O (mmol H 2 O mol -1 ) Sample cell H 2 O (mmol H 2 O mol -1 )Relative humidity in the sample cell (%)Flow rate to the sample cell (mol s -1 ) T leaf Temperature of leaf thermocouple (C)External quantum sens

13、or (mol m -2 s -1 )四、儀器原理四、儀器原理1、開放式氣路連接系統(tǒng)、開放式氣路連接系統(tǒng) (1)LI-6400領先于傳統(tǒng)開放系統(tǒng)的地方領先于傳統(tǒng)開放系統(tǒng)的地方在于它將氣體分析器安裝于傳感器頭上。在于它將氣體分析器安裝于傳感器頭上。這樣節(jié)省了氣流到達傳感器的時間，并且，這樣節(jié)省了氣流到達傳感器的時間，并且，嚴格準確地反映出葉子的變化。嚴格準確地反映出葉子的變化。 (2)開放系統(tǒng)的另一特點是可以通過各種開放系統(tǒng)的另一特點是可以通過各種方式改變?nèi)胧覛怏w的條件，如：濕度、方式改變?nèi)胧覛怏w的條件，如：濕度、CO2濃度、溫度等等。濃度、溫度等等。傳感頭與氣體分析儀和葉室集于一體傳感頭與氣體分析儀和葉室集于一體具體的氣體連接示意圖具體的氣體連接示意圖2、儀器通過公式自動計算各參數(shù)的值(1)自動記錄結果(2)葉面積固定=6cm2(3)如葉面積不足6，可改變?nèi)~面積的輸入。五、簡單介紹主要操作流程n1、儀器連接數(shù)據(jù)線和氣路與主機連接數(shù)據(jù)線和氣路與感應頭葉室的連接連接好以后應該是這樣2、開機電電源源開開關關3、程序自動啟動4、啟動后的主菜單新的測定功能鍵功能鍵分別對分別對應上面應上面的小黑的小黑框中的框中的英文英文鍵盤與鍵盤與計算機計算機相似相似主界面5、校正儀器(1)流量校準(2)零點校準