光合作用特点范文1
关键词：樟属；幼年树；光合生理；特性；环境因子
中图分类号：Q949.747.5；S725.71；S718.43 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）06-1346-06
光合作用是植物生长的基础，是构成植物生产力的最主要因素，植物叶片光合性能与其生产能力呈正相关关系[1]。光合作用的强弱主要与植物的遗传特性和环境条件有关，当外界环境因素发生变化后，植物的光合生理特性也随之出现对应变化[2]。香樟[Cimamomum camphora（L.）Presl]、岩桂（C. petrophilum N. Chao）、天竺桂（C. pedunculatum Sieb.）、猴樟（C. bodinieri Levl）4种树木都属于樟科（Lauraceae）樟属（Cinnamomum Trew）常绿乔木，由于其叶片内富含挥发油成分，具有适应性强、观赏价值高、绿化用途广的特点，经济价值与生态价值非常高，所以也是城市绿化的优良树种[3-5]。以往对这4种树的研究主要侧重于合格苗木培育、栽培技术创新、生产管理规范等方面的研究[6-11]，而对树种的光合生理特性比如光补偿点（Light compensation point，LCP）、光饱和点（Light saturation point，LSP）、CO2补偿点（CO2 compensation point，CCP）等则很少见到报道，目前对光合特性的研究主要集中在对香樟的日变化测定方面[11，12]，而对4种树的光合特性系统变化缺少研究。为此，试验通过测定香樟、岩桂、天竺桂、猴樟在不同生长季节的光合作用参数，探讨了它们的光合生理特性与差异，以期为城市绿化树种的科学选择、有效利用、引种及育种少走弯路等方面提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验地点在贵州省林业科学研究院试验林场，该场地理坐标为北纬26°38′、东经106°43′，海拔1 105.1～1 197.1 m，处在云贵高原山原地貌区。属中亚热带气候，年均气温15.2 ℃，1月平均气温6.3 ℃、7月平均气温27.7 ℃，年极端最低气温-7.3 ℃、极端最高气温37.5 ℃，年均降水量1 198.9 mm，年平均空气相对湿度77%，年无霜期278 d。参加试验的香樟、岩桂、天竺桂、猴樟树均为二年生幼树。
1.2 测试方法
1.2.1 光合日变化测定 采用Li-6400便携式全自动光合测定系统（美国LI-COR公司），分别在2011年的春、夏、秋3个植物的生长季节（分别对应是4月、7月、10月）各选晴天少云的日子在试验地点实施连续（重复）测定4种樟属树种叶片的光合作用生理指标日变化。测定日的测定时间段为8∶00～18∶00，测定日的气温为25～38 ℃、空气相对湿度80%左右。每次测定时要间隔2 h测定1次，每次每个树种各选4株，每株测定树冠中上层枝条向阳面第三到第五叶位3片当年生出的健康成熟叶片，数据取其平均值[13-16]。测定的光合作用生理指标包括单叶净光合速率[Net photosynthetic rate，Pn；μmol/（m2・s）]、蒸腾速率[Transpiration rate，Tr；mmol/（m2・s）]、气孔导度[Stomatal conductance，Gs；μmol/（m2・s）]、胞间CO2浓度（Intercellular CO2 concentration，Ci；μmol/mol）等，同时记录叶片的光合有效辐射[Photosynthetic active radiation，PAR；μmol/（m2・s）]、空气CO2浓度（Atmospheric CO2 concentration，Ca；μmol/mol）、气温（Air temperature，Ta；℃）、叶片温度（Leaf temperature，Tl；℃）等相关参数值[17-19]。
1.2.2 净光合速率-光合有效辐射响应曲线的绘制 在2011年7月选择晴天的上午，在Li-6400便携式全自动光合测定系统上采用LI-6400p光响应自动测定程序，使用02B红蓝光源提供在光合有效辐射数值0～2 000 μmol/（m2・s）范围内进行叶室的光合有效辐射调控，利用测定系统的温控器在一定范围内（±7 ℃）控制叶室的温度；将光合有效辐射数值从0逐步升至饱和点以上[操作分段分别是0、50、100、200、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800、2 000 μmol/（m2・s）]，分别测量4种樟属树种叶片的光合生理生态因子变化情况，每个数值段间隔时间3 min，获得了一系列数据。然后绘制净光合速率-光合有效辐射响应曲线。根据光响应曲线计算出4种樟属树种各自的光补偿点、光饱和点、表观量子效率（Apparent quantum yield，AQY）等重要参数[19-21]。
1.2.3 净光合速率-胞间CO2浓度响应曲线的绘制 同样在2011年7月选择晴天的上午，在Li-6400便携式全自动光合测定系统上采用LI-6400p CO2响应自动测定程序，使用01 CO2钢瓶设制CO2浓度，在CO2浓度从0～1 000 μmol/mol范围内调控叶室的CO2浓度，将CO2浓度设置为若干个，每个浓度在时间上间隔3 min，根据测定的系列数据绘制CO2响应曲线。再根据CO2响应曲线计算出4种樟属树种各自的CO2补偿点；用直线回归求得净光合速率-胞间CO2浓度响应曲线的初始斜率dPn/dCi，即为羧化效率（Carboxylation efficiency，CE），也就是在CO2浓度低于200 μmol/mol以下时测算出的直线方程斜率[21-25]。
1.2.4 环境因子对净光合速率的影响 对各生长季节所测定的叶片净光合速率及其环境因子相关指标的数据，采用多元回归方程建立相应的数学模型，应用DPS软件进行逐步回归分析[26，27]，探讨制约4种樟属树种净光合速率日变化的因素所在，从而得出4种樟属树种的回归方程，并分析有关环境因子对不同树种净光合速率日变化的影响程度。
2 结果与分析
2.1 樟属树种叶片光合作用日变化特性
2.1.1 净光合速率日变化 光合速率反映了不同植物的光合生物学特性，其相应的光合速率日变化曲线差异体现了植物的内在生物节律，也展现了植物对环境的不同适应性。植物光合作用生理指标的日变化随着种类和环境条件的变化而有所不同[28]，试验测定的香樟、岩桂、天竺桂、猴樟二年生幼树在不同生长季节的净光合速率日变化情况见图1。由图1可知，4种樟属树种在春季（4月）、夏季（7月）的净光合速率日变化均表现为“双峰”型曲线，净光合速率日变化过程中均有明显的“光合午休”现象出现[29]，时间在测定日的下午16∶00左右。从光合速率日进程看，在春季，香樟、岩桂、天竺桂和猴樟的第一峰值出现在测定日的上午10∶00，各树种最大峰值分别为7.10、2.91、4.82、2.69 μmol/（m2・s），第二峰值出现在下午16∶00。在夏季，4种樟属树种的第一峰值仍然出现在测定日的上午10∶00，各树种最大峰值分别为13.86、4.55、6.35、5.37 μmol/（m2・s），第二峰值出现在下午16∶00。在秋季（10月），4种樟属树种的净光合速率日变化基本一致，都呈“单峰”型曲线，在测定日的12∶00出现最高峰，随后净光合速率下降；香樟、岩桂、天竺桂、猴樟的净光合速率峰值都比夏季的低，分别是8.57、3.47、5.65、4.61 μmol/（m2・s）。
2.1.2 净光合速率季节变化 4种樟属树种在不同生长季节的日均净光合速率变化情况见表1。从表1可知，从4月到10月，4种樟属树种的日均净光合速率均表现为夏季最大，秋季次之，春季最小。同一生长季节比较4种樟属树种的净光合速率大小，则3个生长季都以香樟最大，春、夏、秋三季的日均净光合速率分别为4.43、9.00、5.53 μmol/（m2・s）；而春季以猴樟最小，仅为1.21 μmol/（m2・s）；岩桂、天竺桂处在中间，分别是2.27、2.74 μmol/（m2・s）；夏、秋季以岩桂最小，分别是2.56、2.30 μmol/（m2・s）；天竺桂、猴樟处在中间，分别是3.98、3.40 μmol/（m2・s）和3.10、2.55 μmol/（m2・s）。
2.2 净光合速率与环境因子的关系
2.2.1 环境因子的变化 影响光合作用净光合速率的主要环境因子有光合有效辐射（PAR）、气温（Ta）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）[30]，图2为不同季节PAR、Ta、Gs、Ci 4个环境因子的日变化，其中春季的PAR、Ta、Gs、Ci日变化幅度分别为170.0～1 472.8 μmol/（m2・s）、23.6～32.8 ℃、0.011～0.043 μmol/（m2・s）、154.7～293.5 μmol/mol；夏季的PAR、Ta、 Gs、Ci日变化幅度分别为115.3～1 695.6 μmol/（m2・s）、25.3～35.7 ℃、0.090～0.113 μmol/（m2・s）、82.6～300.8 μmol/mol；秋季的PAR、Ta、Gs、Ci日变化幅度分别为80.4～1 257.4 μmol/（m2・s）、12.5～20.2 ℃、0.011～0.040 μmol/（m2・s）、143.9～242.7 μmol/mol。
2.2.2 环境因子对净光合速率的影响 植物进行光合作用需要来自太阳的光能做能源，需要来自空气和土壤的水分、无机物做原料，也需要合适的温度等环境条件。然而在自然环境下，没有一种环境条件是恒定不变的，也很少有各种环境条件综合起来都适于光合作用高效进行的情况出现[21]。研究发现，叶片光合速率与生理生态因子的综合关系可以用多元回归方程表达出来[26，31]；所以试验利用4种樟属树种在各生长季节所测定的叶片光合速率及其环境因子的数据，把光合速率与主要生理生态影响因素的综合关系用多元回归方程表达出来。以夏季为例，以净光合速率（Pn）作为因变量（y），将光合有效辐射（PAR）、气温（Ta）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）作为自变量，分别把这4种环境因子用x1、x2、x3、x4表示，将Pn与PAR、Ta、Gs、Ci的关系建立数学模型，用DPS软件通过多元逐步回归分析，得到4种樟属树种的回归方程，具体见表2。从表2分析可知，对香樟净光合速率有显著影响的因子是光合有效辐射、气孔导度和胞间CO2浓度；对岩桂和天竺桂净光合速率有显著影响的因子是气温、气孔导度和胞间CO2浓度；对猴樟净光合速率有显著影响的因子是光合有效辐射和气温。
2.3 樟属树种叶片光合作用的净光合速率-光合有效辐射响应曲线
4种樟属树种叶片的净光合速率-光合有效辐射响应曲线见图3，其响应曲线参数见表3。由图3可见，4种樟属树种叶片光合作用的光响应曲线呈现出相似的变化趋势；当光合有效辐射在0～500 μmol/（m2・s）时，随着光合有效辐射的增强，净光合速率迅速增加；当光合有效辐射超过500 μmol/（m2・s）后，净光合速率上升缓慢；不同树种的净光合速率高低排序为香樟、猴樟、天竺桂、岩桂。从表3可知，4种樟属树种的光饱和点均较高，在1 258.3～1 458.1 μmol/（m2・s），不同树种的光饱和点高低排顺序为香樟、猴樟、天竺桂、岩桂。一般来说光饱和点高的树种喜光，利用强光的能力强[32]。
在低光合有效辐射条件下，4种樟属树种的净光合速率（y）-光合有效辐射（x）的模拟直线方程分别表述如下：
香樟是y=0.059 6 x-1.291 6，（R2=0.959 1）；
岩桂是y=0.020 3 x-0.586 7，（R2=0.958 7）；
天竺桂是y=0.032 9 x-1.637 7，（R2=0.936 4）；
猴樟是y=0.048 3 x- 1.763 2。（R2=0.992 3）。
各直线方程的初始斜率dPn/dPAR即为表观量子效率。由表3可知，4种樟属树种的表观量子效率高低排序为香樟、猴樟、天竺桂、岩桂，以香樟的表观量子效率（0.059 6 mmol CO2/mol photos）最高，猴樟、天竺桂的表观量子效率（分别是0.048 3、0.032 9 mmol CO2/mol photos）处在中间，岩桂的表观量子效率（0.020 3 mmol CO2/mol photos）最低。说明香樟在光合能力与对弱光的利用效率方面明显高于其他3个树种，反映出香樟的光合同化潜力最大，对弱光的利用能力最强，在弱光条件下仍能维持较高的光合能力。
植物叶片光合作用的光饱和点与光补偿点反映了植物对光照条件的要求，是判断植物有无耐阴性的重要指标[30]。由表3还可知，4种樟属树种的光补偿点在21.7～49.7 μmol/（m2・s），不同树种的光补偿点数值高低排序为天竺桂、猴樟、岩桂、香樟。其中香樟、岩桂的光补偿点相对较低，分别为21.7、28.9 μmol/（m2・s），说明这2个树种对弱光的利用能力相对较强；而猴樟、天竺桂的光补偿点相对较高，分别为36.5、49.7 μmol/（m2・s），说明这2个树种对弱光的利用能力相对较弱。
2.4 樟属树种叶片光合作用的净光合速率-胞间CO2浓度响应曲线
4种樟属树种叶片的净光合速率-胞间CO2浓度的响应曲线见图4，其响应曲线参数见表3。由图4可知，4种樟属树种净光合速率均随CO2浓度的升高而增大，这也表明在一定程度上CO2浓度的升高对植物有增加营养的作用。以此可推出CO2在一定浓度范围内当不受其他环境条件限制时，净光合速率随CO2浓度的升高而增大。但这只是在CO2浓度升高后短时间的表现，至于植物长期处于高浓度CO2的环境中其生理特性有何变化，还有待进一步研究来探寻。
在低浓度CO2条件下，4种樟属树种的净光合速率（y）-胞间CO2浓度（x）的模拟直线方程分别表述如下：
香樟是y=0.031 3 x-1.837 2，（R2=0.998 6）；
岩桂是y=0.016 7 x-1.383 1，（R2=0.999 8）；
天竺桂是y=0.012 2 x-1.433 7，（R2=0.999 6）；
猴樟是y=0.009 3 x-1.233 9，（R2=0.995 9）。
各直线方程的初始斜率dPn/dCi即为羧化效率。由表3可知，香樟、岩桂、天竺桂、猴樟的羧化效率分别为0.031 3、0.016 7、0.012 2、0.009 3，高低排序为香樟、岩桂、天竺桂、猴樟；CO2补偿点分别为58.7、82.8、117.5、132.7 μmol/mol，高低排序为猴樟、天竺桂、岩桂、香樟。CO2补偿点是区分C3与C4植物的重要参数，C3植物的CO2补偿点较高，常常大于30 μmol/mol；而C4植物的CO2补偿点很低，总是在10 μmol/mol以下；C3-C4中间型植物则居于两者之间[33]。试验结果说明这4种樟属树种为C3植物，且利用低浓度CO2的能力不强；不过相比较而言，香樟具有较高的CO2利用率。
3 小结与讨论
试验结果表明，4种樟属树种香樟、岩桂、天竺桂、猴樟的光合速率日变化趋势基本相同，在春、夏季都呈“双峰”型曲线，出现典型的“光合午休”现象，并且第一峰值大于第二峰值，而在秋季各树种的净光合速率呈“单峰” 型曲线，说明植物光合作用生理指标的日变化随着环境条件变化而表现各异。从生长季节来看，夏季的净光合速率迅速增加，秋季次之，春季最小；这可能是随叶片的展开与叶片自身形态建成后相关的呼吸作用减弱有关[2]；而出现“光合午休”现象的原因，可能是中午的光合有效辐射较大、气温过高引起了气孔的部分关闭而产生的[21]。在不同生长季节里，香樟的日均净光合速率都是最大，其余3个树种则有波动，说明植物光合作用生理指标的季节变化随着植物种的不同而表现各异。
净光合速率-光合有效辐射的响应曲线可反映植物光合速率随光照强度增减的变化规律[34]。试验中，4种樟属树种叶片光合作用的光响应曲线呈现出相似的变化趋势，当光合有效辐射在0～500 μmol/（m2・s）时，随着光合有效辐射的增强，净光合速率迅速增加；当光合有效辐射超过500 μmol/（m2・s）后，净光合速率上升缓慢；不同树种的净光合速率高低排序为香樟、猴樟、天竺桂、岩桂，说明香樟的生物质生产力非常突出。
光照强弱对植物的光合作用有显著的影响，不同生态型的植物对光照的响应不尽相同，其光合速率变化在强光或弱光条件下均有差异产生[35]。试验中，4种樟属树种的光饱和点均较高[1 258.3～1 458.1 μmol/（m2・s）]，光饱和点高低排序为香樟、猴樟、天竺桂、岩桂，说明它们对强光的利用能力较强。而光补偿点在21.7～49.7 μmol/（m2・s），不同树种的光补偿点高低排序为天竺桂、猴樟、岩桂、香樟，其中香樟、岩桂的光补偿点相对较低，说明这2个树种对弱光的利用能力相对较强；天竺桂、猴樟的光补偿点相对较高，说明这2个树种对弱光的利用能力就相对较弱。
表观量子效率是植物对CO2同化能力的体现，反映了植物对弱光的利用能力[36]；也可以反映叶片的光合潜能。植物的表观量子效率数值越高，则植物利用弱光的能力越强，光合同化潜力越大[12]。试验显示，香樟、岩桂、天竺桂、猴樟的表观量子效率分别为0.059 6、0.020 3、0.032 9、0.048 3 mmol CO2/mol photos，高低排序为香樟、猴樟、天竺桂、岩桂，以香樟的表观量子效率最大，说明其利用弱光的能力较强，光合同化的潜能较高，在弱光条件下仍能维持较高的光合能力。
试验中，4种树种在CO2 1 000 μmol/mol浓度下的最大净光合速率比在光合有效辐射1 000 μmol/（m2・s）条件下有较大幅度的提高，进一步证实了4种树种在强光环境下，光合速率在很大程度上受CO2供应的限制。CO2补偿点低是作物常具有净光合速率高、产量高的特征[37]，因此低CO2补偿点常被用作选育高产作物品种的生理指标[38]。香樟、岩桂、天竺桂、猴樟的CO2补偿点分别为58.7、82.8、117.5、132.7 μmol/mol，高低排序为猴樟、天竺桂、岩桂、香樟；反映出香樟的CO2补偿点比其他树种明显低，因而香樟具有较高的CO2利用率，能较充分地利用大气中低浓度的CO2，利于自身快速生长。
在自然环境下，没有一种环境条件是恒定不变的，也很少有各种环境条件综合起来都适于光合作用高效进行的情况出现；加上植物种的生态适应性各异，所以影响光合作用的环境因子在不同植物上表现也不同。试验结果显示，采用多元逐步回归分析后发现，对香樟的净光合速率有显著影响的因子是光合有效辐射、气孔导度和胞间CO2浓度，对岩桂和天竺桂的净光合速率有显著影响的因子是气温、气孔导度和胞间CO2浓度，对猴樟的光合速率有显著影响的因子是光合有效辐射和气温。
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光合作用特点范文2
关键词：美国红枫；光合特性；光响应；CO2响应；光合日变化
中图分类号：S792.350.1文献标识号：A文章编号：1001-4942（2016）12-0048-05
Abstract The diurnal changes of photosynthesis， light response curves and CO2 response curves of five Acer rubrum varieties were compared and analyzed.The results showed that the diurnal changes of the net photosynthetic rate （Pn） of Brandy and Acer×freemanii Marmo displayed not typical double-peak curve， and their transpiration rate and photosynthetic efficiency were higher indicating their higher photosynthetic efficiency under strong light. The diurnal changes of Pn of Armstrong， Red Sunset and Somerset displayed typical double-peak curve， so they had obvious midday depression. The diurnal changes of Pn of Acer rubrum was influenced by water deficit significantly， so the daily management should pay more attention to irrigation timely. The analysis of light response curve and CO2 response curve showed that both the light saturation point （1 066.80 and 1 037.41 μmol・m-2・s-1） and the saturation intercellular CO2 concentration （1 209.21 and 1 116.78 μmol・mol-1） of Brandy and Acer×freemanii Marmo were higher than those of the other three varieties， which showed better adaptability to bright light. The rate of photorespiration （6.1507 and 6.7199 μmol・m-2・s-1） of Armstrong and Red Sunset were better than that of the other three varieties， which is a protective mechanism for them adapt to bright light. Among the five Acer rubrum，Acer×freemanii Marmo and Brandywine had better adaptability to bright light and grew faster； Armstrong， Red Sunset and Somerset needed shade protection to promote their growth.
Keywords Acer rubrum； Photosynthetic characteristics； Light response； CO2 response； Diurnal change of Pn
美国红枫，学名红花槭（Acer rubrum L.），为槭树科槭树属落叶大乔木，原产于美国东部的大部分地区和加拿大，因其生长迅速，适应性强，秋季色彩夺目，树冠整洁，被广泛应用于公园、小区、街道绿化。美国红枫许多改良品种，如‘阿姆斯特朗’（Armstrong）、‘卓越’（Somerset）、‘夕阳红’（Red Sunset）等在我国北京、山东等地均有引种栽培[1，2]。目前对引种美国红枫的研究主要以栽培和繁育为主，对其光合特性的研究报道较少。光合作用是苗木生长过程中重要的生理指标之一，是苗木生物量积累的重要来源途径，是决定苗木长势优劣的主要因素[3，4]。研究不同品种美国红枫在栽培地的光合特性，对筛选美国红枫适生品种、提升园林利用效果及栽培养护都具有重要意义。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验地点为山东省林木种质资源中心枣园库，位于山东省章丘市枣园镇（117°33′E，36°41′N），南依泰沂山区北麓，北靠黄河冲积平原。整个枣园库属山前冲积平原，土层深厚，大多超过120 cm，土壤类型为褐土，中性至弱碱性。该库地处中纬度，属暖温带大陆性季风气候。四季分明、雨热同季，年平均降雨量628 mm。全年无霜期192 d，年平均日照时数2 638.5 h[5]。
1.2 试验材料
供试的5个美国红枫品种为‘阿姆斯特朗’、‘夕阳红’、‘卓越’、‘冷峻’、‘白兰地’，均引种自美国俄勒冈州，2006年5月定植于枣园库。株行距1.5 m×2.0 m，统一水肥管理。
1.3 试验方法
各项光合生理指标均采用LI-6400XT便携式光合测定系统（Li-COR USA）测定，系统自动记录净光合速率（Pn）等光合生理参数。测定时间选在八月中下旬晴朗无风的天气，每个品种选3株生长良好且长势基本一致的植株，作为3次重复。测定时选择植株向阳面中部叶形完整、生长健壮的成熟叶片，每个叶片测定3次，取平均值。
1.3.1 光合日变化测定 测定时间为6∶00-18∶00，每隔2 h测定一次。采用透明叶室，以空气中CO2为气源，保持气路畅通，测定时保持叶片自然着生角度和方向不变。
1.3.2 光响应测定 测定时间为9∶00-11∶00。采用Li-6400-02B红蓝光源，光强在0～2 000 μmol・m-2・s-1范围设置由高到低为2 000、1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、80、50、20、0 μmol・m-2・s-1共16个梯度。测定前先用1 000 μmol・m-2・s-1的光强对所测叶片进行光诱导10～20 min，CO2浓度控制在400 μmol・mol-1。
1.3.3 CO2响应测定 测定时间为上午9∶00-11∶00。采用Li-6400-02B红蓝光源，设置光强为1 000 μmol・m-2・s-1。选取与测定光响应相同部位叶片，设定CO2浓度变化值为400、300、200、150、100、70、50、0、400、400、600、800、1 000、1 200、1 500 μmol・mol-1，共15个处理。
1.4 数据处理
采用Microsoft Excel 2003和光合计算软件4.1.1对数据进行分析和响应曲线的拟合。
1.4.1 光合作用对光响应曲线的拟合 采用直角双曲线的修正模型[6，7]：
Pn=α×1-βI1+γI×I-Rd；
Pnmax=α（β+γ-βγ）2-Rd；
LSP=（β+γ）/β-1γ；
LCP=α-Rdγ-（Rdγ-α）2-4αβRd2αβ。
其中Pn为净光合速率，Pnmax为最大净光合速率， LCP为光补偿点，LSP为光饱和点，α为表观光合量子效率（AQY）；Rd为暗呼吸速率；I为光合有效辐射（PAR），β和γ为修正系数。
1.4.2 光合作用对CO2浓度响应曲线的拟合 采用直角双曲线的修正模型[8]：
Pn=a×1-bCi1+cCi×Ci-Rp；
Pn*max=a（b+c-bc）2-Rp；
Cisat=（b+c）/b-1c；
CCP=a-Rpc-（Rpc-a）2-4abRp2ab。
其中Cisat为饱和胞间CO2浓度，CCP为CO2补偿点，Rp为光呼吸速率，Ci为胞间CO2浓度， a为初始羧化效率（无量纲），b和c为修正系数；其他参数同上。
2 结果与分析
2.1 光合日变化
由图1可以看出，5个美国红枫品种中‘阿姆斯特朗’、‘夕阳红’和‘卓越’光合日变化曲线呈典型双峰型，其中‘阿姆斯特朗’和‘夕阳红’净光合速率（Pn）的2个峰值均出现在8∶00和16∶00，‘卓越’峰值出现在10∶00和16∶00；‘白兰地’日变化曲线呈不明显双峰型，中午12∶00其光合受抑制但之后未形成明显峰值；‘冷峻’光合日变化呈不对称双峰型，第一个峰值出现在12∶00，净光合速率为9.655 9 μmol・m-2・s-1，随后净光合速率迅速下降，在14∶00达到一个低谷，16∶00净光合速率又小幅上升达到第二个峰值，此时净光合速率为5.763 2 μmol・m-2・s-1。5个美国红枫品种整体光合速率大小表现为：‘冷峻’>‘白兰地’>‘阿姆斯特朗’、‘夕阳红’>‘卓越’。
由图2可见，5个美国红枫品种胞间CO2浓度日变化趋势相似，呈“W”型，早晨维持在较高水平，随着光合速率增加胞间CO2浓度逐渐降低，10∶00左右出现第一个低谷，之后浓度升高并在12∶00-14∶00达到一个小高峰，之后随光合速率增加胞间CO2浓度又逐渐降低，在16∶00左右出现第二个低谷，之后光合速率下降，胞间CO2浓度又呈升高趋势。
图3为5个美国红枫品种蒸腾速率日变化情况。其中‘阿姆斯特朗’、‘夕阳红’和‘卓越’蒸腾速率在12∶00出现光合“午休”现象。‘白兰地’、‘冷峻’蒸腾速率日变化与其净光合速率日变化趋势相比更接近单峰型，一天中蒸腾速率先升高后降低。图4为5个美国红枫品种气孔导度日变化情况。由图4与图3可见，5个品种蒸腾速率变化趋势与气孔导度相似，说明气孔导度直接影响植株的蒸腾作用。
‘阿姆斯特朗’、‘夕阳红’和‘卓越’的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度日变化趋势基本一致，说明造成三者“午休”现象的主要原因是气孔关闭直接影响了光合作用的进行；‘白兰地’、‘冷峻’的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度均在12∶00左右维持在较高水平，在其光合受抑制（分别在12∶00和14∶00）时，气孔导度虽有所下降但未形成低谷，说明二者对高温和强光照有较好的适应性。
2.2 光响应曲线
由图5可以看出，光合有效辐射为0～400 μmol・m-2・s-1时，5个美国红枫品种净光合速率随光合有效辐射的增强均呈上升趋势；光合有效辐射为400～1 000 μmol・m-2・s-1时，5个品种的净光合速率增长缓慢直至趋于平稳。
利用直角双曲线修正模型计算光响应曲线各项参数见表1，5个红枫品种拟合系数均大于0.99，说明光响应曲线拟合非常好。表观量子效率α（AYQ）表现为：‘夕阳红’>‘阿姆斯特朗’>‘冷峻’>‘白兰地’>‘卓越’，α越大表示植物利用弱光的效率越高。最大净光合速率Pnmax表现为：‘冷峻’>‘白兰地’>‘阿姆斯特朗’>‘夕阳红’>‘卓越’， Pnmax越高说明在饱和光强下，植物能积累越多的有机物。光饱和点LSP表现为：‘冷峻’>‘白兰地’>‘夕阳红’>‘卓越’>‘阿姆斯特朗’，光饱和点值越大说明植物对强光的适应性越好。光补偿点LCP表现为：‘冷峻’>‘卓越’>‘阿姆斯特朗’>‘夕阳红’>‘白兰地’，光补偿点越低说明植物对弱光的利用率越高，在较低的光合有效辐射下即能合成用于自身呼吸消耗的有机物。暗呼吸速率Rd表现为：‘冷峻’>‘卓越’>‘夕阳红’>‘阿姆斯特朗’>‘白兰地’，Rd值越大越不利于植物有机物的积累。
2.3 胞间CO2响应曲线
由图6可知，5个红枫品种CO2响应曲线与光响应曲线趋势相似，即在一定范围内随CO2浓度升高净光合速率升高，当CO2浓度达到一定范围时净光合速率增长变缓并趋于平稳。空气中CO2浓度约为400 μmol・mol-1，此时5个美国红枫品种净光合速率表现为：‘夕阳红’>‘冷峻’>‘卓越’>‘白兰地’>‘阿姆斯特朗’。
利用直角双曲线修正模型计算CO2响应曲线各项参数，见表2。5个美国红枫品种CO2响应曲线拟合系数均大于0.95。Pn*max表现为：‘冷峻’>‘白兰地’>‘夕阳红’>‘阿姆斯特朗’>‘卓越’，与CO2浓度为400 μmol・mol-1（环境CO2浓度）时差异较大，说明环境中CO2浓度很大程度上制约了红枫的光合作用。Cisat表现为‘白兰地’>‘冷峻’>‘夕阳红’>‘卓越’>‘阿姆斯特朗’，阿姆斯特朗CO2饱和点最低为717.88 μmol・mol-1，远高于环境中CO2浓度（400 μmol・mol-1），因此在栽培过程中适当补充CO2能够提高红枫光合效率。CCP表现为‘白兰地’>‘冷峻’>‘卓越’>‘夕阳红’>‘阿姆斯特朗’，CO2补偿点越低，说明较低浓度CO2条件下植物合成有机物的能力越强。Rp表现为‘夕阳红’>‘阿姆斯特朗’>‘白兰地’>‘卓越’>‘冷峻’，Rp值越高说明光呼吸速率越高，不利于有机物积累。
3 讨论与结论
引起植物“午休”的因素较多：强光、高温、低湿等均能引起植物气孔关闭和光合作用光抑制而发生“午休”现象。前人对美国红枫的研究中，尹燕雷等[9]研究表明‘白兰地’、‘阿姆斯特朗’、‘卓越’和‘夕阳红’光合日变化呈“单峰型”，有明显“午休”现象；卞黎霞[11]研究表明，‘夕阳红’光合日变化呈“双峰型”；靳甜甜等[12]研究表明，供水充足时沙棘光合日变化趋于单峰型，而在水分胁迫下“午休”现象明显，日变化呈现双峰型，说明干旱条件也能引起植物“午休”现象。本研究结果表明，5个引种美国红枫品种中， ‘冷峻’呈不对称“双峰型”，对强光适应性好，一天中净光合速率平均值明显高于其它品种，能积累更多有机物，实际观测中‘冷峻’的生长速度高于其它品种也验证了这一结论。‘白兰地’光合日变化介于“单峰型”和“双峰型”之间，在12∶00时光合受抑制，14∶00时未形成明显峰值，这与尹燕雷[9]、颜廷武[10]等的研究结果不同。‘阿姆斯特朗’、‘卓越’、‘夕阳红’光合日变化呈典型“双峰型”，与尹燕雷等[9]的研究结果也不同。对本试验地气象资料分析发现，光合测定前三个月内没有有效降水，各红枫品种可能处于干旱缺水状态，是造成与前人研究结果差异的主要原因。气孔是植物与外界进行气体交换的通道，植物进行光合作用所需的CO2经气孔进入植物体内，植物蒸腾作用散失水分也是由气孔进行扩散[2]，对5个美国红枫品种蒸腾速率和气孔导度日变化情况进行比较分析表明，光合日变化与蒸腾速率、气孔导度日变化趋势相似，光合速率较高的‘白兰地’和‘冷峻’蒸腾速率也较大，消耗水分多，因此在管护过程中更应注意灌溉补水；‘阿姆斯特朗’、‘夕阳红’、‘卓越’“午休”期间，气孔导度也降低，可能是由于高温导致部分气孔关闭造成的，说明气孔导度直接影响光合效率，因此高温天气进行适当遮阴可以提高其光合效率[11，13]。
光响应曲线测定结果显示，直角双曲线修正模型拟合红枫光响应曲线的效果较好[7，14]。随着光照强度增加，‘冷峻’和‘白兰地’净光合速率明显高于其它品种，这与光合日变化情况相符。对5个美国红枫品种光响应各项参数进行比较，‘冷峻’、‘白兰地’的Pnmax、LSP均高于其它品种，说明二者对强光适应性好，‘阿姆斯特朗’、‘夕阳红’和‘白兰地’的LCP值较低，说明其能有效利用弱光进行光合作用，因此在栽培管理和园林绿化中可以根据不同品种特征进行合理配置。CO2响应分为对胞间和空气中CO2响应两种[8]，本试验测定了净光合速率对胞间CO2的响应曲线。在一定范围内，5个美国红枫品种Pn均随Ci增加而增加，CO2饱和浓度下Pn*max较光饱和下的Pnmax高，进一步说明了强光下光合速率更大程度受CO2供应的限制[15]。Cisat值反映了不同美国红枫品种在高浓度CO2条件的Pn大小，‘阿姆斯特朗’和‘夕阳红’初始羧化效率较高和较低的CCP值，说明它们能够高效利用低浓度CO2合成有机物。光呼吸能够避免光合单位受强光损害[16，17]，‘夕阳红’和‘阿姆斯特朗’具有较高的Rp值可能是二者适应强光的一种保护机制。
综上所述：参试的5个引种美国红枫品种以‘冷峻’、‘白兰地’对栽培区光照环境适应较好，强光下光合速率、气孔导度、蒸腾速率均高于其它品种，在实际观测中二者的生长速率也明显优于其它品种，较适宜于栽培地区引种。对5个引种美国红枫品种光合日变化曲线分析表明，水分缺失对光合日变化曲线类型影响较大，因此日常管护应注意及时灌溉补水。本研究仅从光合作用方面对5个品种美国红枫的适应性进行分析，各品种叶色变化和园林应用效果仍需进一步研究。
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光合作用特点范文3
关键词：光纤光栅传感器；动/静态载荷；敏感特性；板结构
中图分类号：TP212；TN913.33 文献标志码：A 文章编号：1005-2615（2015）03-0397-06
Sensitivity of Optical FBG Sensor Under Dynamic/Static Load
Zeng Jie，Wang Wenjuan， Wang Bo，Wang Xinwei，Zhang Xianhui，Song Hao
Abstract：For meeting the need of monitoring dynamic/static load of plate structurc in the aerospace field， the fiber Bragg grating （FBG） sensing characteristics based on aluminum plate structure are researched. From the perspective of monitoring static load， the relationships between the offset of FBG center wavelength and the loading distance， the loading size and the loading angle are obtained. Fromthe perspective of monitoring dynamic load， under loading with different distancc and angles， the response characteristics about the maximum peak amplitude of FBG center wavelength and the eigenvalue of energy spectrum based on wavelet packet decomposition changing with the impact loading are obtained. The results show that under dynamic/static load， FBG center wavelength offset increases with the increase of the load， which shows a good monotone increasing relationship. In addition， FBG shows a good sensitive characteristic of load-direction， and the response-sensitivity gradually increases wiih theincrease of loading angle. These features can provide useful help for further study on identifying static and dynamic load as well as monitoring damage of plate structure based on FBG sensors.
基金项目：国家自然科学基金（51275239）资助项目；航天CAST创新基金、江苏省产学研联合创新资金（BY2014003-Ol）资助项目；中国博士后科学基金（20090461116）资助项目；航空科学基金（20125652055）资助项目；博士学科点专项科研基金（20123218110003）资助项目。
收稿日期：2014-12-29；修订日期：2015-01-27
Key words； fiber brag g grating； dynamic/static load； sensitive features； plate structure
航空航天器和船舶在制造、使用和维护过程中会不可避免地受到各种形式的动静态载荷，而长期受到这种动静态载荷作用则会导致结构的损伤和结构承载性能的下降[1-2]。这些损伤的产生机理和发生方式复杂和隐蔽，损坏的类型和程度难以判断。如果不及时发现并采取相应的措施，将导致结构破坏积累，造成巨大的人员伤亡和财产损失。光纤光栅传感器以其体积小、抗电磁干扰、高可靠性、耐腐蚀和易于构建分布式测量网络等优点大量应用于结构损伤监测领域[3-4]。
国内外学者已开展了许多关于光纤光栅传感器及其在不同机械结构领域损伤监测方面的研究工作。2007年日本航空宇宙研究所Takeda等[5]将光纤光栅传感器连同其他传感器埋入复合材料机翼结构组成传感器网络，对机翼疲劳、冲击损伤进行监测。2010年美国国家宇航局在扑食者无人机飞行器翼表上，采用分布式光纤传感器实现翼表结构应变监测[6]。在国内，2009年南京航空航天大学梁大开等[7]采用准分布式光纤光栅传感阵列实现对机翼盒段载荷分布情况的监测。2012年王利恒[8]将光纤光栅传感器应用于碳纤维增强复合材料（Carbon fiber reinforced plastics，CFRP）低速冲击测试中，对CFRP层合板冲击损伤位置进行了识别。以上研究主要侧重于光纤监测方法的研究，而未开展专门针对光纤光栅传感器敏感特性方面的研究工作。
基于上述分析，本文研究了基于板结构的光纤光栅传感器在不同属性载荷作用下的动静态感知特性，从而为光纤传感器优化布局与特征响应信号选取提供依据。
1 光纤光栅传感器感知原理
结构所受应力应变引起的光纤光栅传感器中心波长偏移量λB可由式（1）表示[9-10]
式中：∧为光栅栅区在应力作用下的弹性变形；neff为弹光效应引起的纤芯有效折射率变化。被测机械结构所受载荷形式不同会导致光纤光栅传感器的∧和neff发生相应变化。在温度恒定条件下，传感器反射光谱中心波长发生改变将主要由光栅周期∧和纤芯有效折射率neff的变化引起。
2 试验系统
动静态载荷作用下光纤光栅传感器敏感特性试验系统，如图1所示。试验对象为正方形铝合金板试件，几何尺寸为1 200 mm×1 200 mm×3 mm。试件采用四边固支方式，其中固支架边框宽度为50 mm。
不同加载条件下板结构对应的载荷响应信号由粘贴于铝合金板试件下表面中心位置的光纤光栅传感器感知，所得的反射光谱中心波长偏移信息再由光纤光栅解调仪调制。试验中选择标准砝码进行静态加载，采用冲击能量为1J的冲击锤模拟低速冲击载荷作用。
由于固支边会对试验结果产生一定的影响，因此在选择划分有效监测区域时，需要使其尽量远离固支边。如图2所示，在铝合金板结构的背面中心位置水平布置一个光纤光栅传感器，再以该板结构的正面中心点作为正方形监测区域的左下角，该正方形有效监测区域面积为300 mm×300 mm。将平行于光纤轴向的方向设为X轴，垂直于光纤轴向的方向设为Y轴。将该区域沿X轴与Y轴划分为6行6列，长宽均为50 mm的单元网格。该图中分别定义沿Y轴方向加载点及其位置坐标依次为：a（0 mm， 50 mm）、b（0 mm，100 mm）、c（0 mm，150 mm）、d（O mm， 200 mm）、e（0 mm，250 mm）、f（0 mm，300 mm）。沿X轴方向加载点及其位置坐标依次为：g（50 mm，0 mm）、h（lOO mm，0 mm）、i（150 mm，0 mm）、j（200 mm，0 mm）、k（250 mm，0 mm）、l（300 mm，0 mm）。
试验中通过施加不同属性的动静态载荷，详细研究加载距离L（加载点与传感器间隔）、载荷大小F以及加载夹角θ（加载点与传感器的连线和光纤轴向的夹角）对光纤光栅传感器敏感特性的影响。
3 静载条件下光纤光栅传感器敏感特性
3.1 中心波长偏移量与加载距离关系
静态加载试验中，采用标准砝码进行加载，砝码并不直接接触板面，而是由一个专用静载模具承载，以便模拟集中载荷作用。
沿图2中所示X轴方向，分别对g、h、i、j、k及l6个加载点施加静态载荷。记录下每次加载光纤光栅传感器对应的中心波长偏移量。沿Y轴方向，按照相同步骤重复以上操作。根据试验结果，得到不同载荷条件下光纤光栅传感器中心波长偏移量与加载距离L的对应关系曲线，如图3所示。
图3显示加载载荷分别为30 N和60 N条件下，光纤光栅传感器中心波长偏移量均随载荷加载距离L的增大而呈指数趋势减少，且加载载倚越大，偏移量下降得越快。由于光纤光栅传感器中心波长偏移量随其所受应变增大而增加，而图3中随着加载点距离光纤光栅传感器越来越远，则相同载荷所引起的传感器粘贴位置板面的应变幅值将越来越小，这就使得传感器中心波长偏移量呈现逐渐减小趋势。
3.2 中心波长偏移量与载荷大小关系
为考察光纤光栅传感器对载荷大小F变化的敏感特性，本节分别选择如图2所示Y轴方向b（0 mm，100 mm）和d（0 mm，200 mm）两个单元节点施加静态载荷。载荷从ON依次加至60，每次加载增加10 N。加载完毕，再从60N依次递减至0N。根据试验结果，得到光纤光栅传感器中心波长偏移量与加/卸载载荷大小对应关系曲线，如图4所示。
图4显示在加载距离L分别为10 cm与20 cm条件下，光纤光栅传感器中心波长偏移量随载荷大小增加而呈现单调递增规律，且具有良好线性度。整个加载和卸载过程光纤光栅传感器巾心波长的响应特性呈现出良好重复性。这是由于在加/卸载阶段，粘贴于铝合金板试件下表面的光纤光栅传感器栅区依次处于拉伸或压缩状态，导致传感器中心波长也随之发生递增或递减趋势的变化。
此外，在相同载荷作用下，加载距离为10 cm处对应的中心波长偏移量要明显高于加载距离为20 cm时对应的偏移量。这是由于随着加载距离增大，载荷造成的传感器所处位置板面形变量呈衰减趋势所致。
3.3 中心波长偏移量与加载夹角关系
为考察光纤光栅传感器对加载夹角θ变化的敏感特性，本节分别选择如图5所示，以传感器所在位置为圆心，以10 cm和20 cm为半径划分两个圆弧，分别按照加载角度为0°，30°，45°，60°，90°共设置10个加载点。
图6显示在相同载荷作用下.光纤光栅传感器中心波长偏移量随加载夹角θ从0～90°的增加而逐渐增大。这表明随着加载点与传感器连线和光纤轴向之间夹角θ逐渐增大，相同载荷所引起的光栅栅区周期变化量∧也随之增大，进而引起中心波长偏移量λ相应变大，使得光纤光栅传感器对来自不同方向的载荷作用表现出不同的敏感特性。如该图中五角星标识双点划线表示加载载荷为60 N，加载距离20 cm时对应的中心波长偏移量与加载夹角θ拟合关系曲线，其斜率约为0. 36 pm/（°）。
当加载点与传感器的连线和光纤轴向夹角为90°时，光纤光栅传感器主要受到类似沿轴向的拉伸力或压缩力。而当加载点与传感器的连线和光纤轴向夹角为O°时，光纤光栅传感器主要受到剪切力作用，这使得光纤光栅传感器具有显著的方向敏感特性。
4 冲击条件下光纤光栅传感器敏感特性
4.1 中心波长偏移量与加载距离关系
为考察冲击载荷距离变化对光纤光栅传感器响应特性的影响，分别采集如图2所示Y轴方向不同冲击位置a（0 mm，50 mm）、b（0 mm，100 mm）、c（0 mm，150 mm）、d（0 mm，200 mm）、e（0 mm，250 mm）、f（0 mm，300 mm）对应的传感器中心波长偏移量冲击响应信号进行分析。
不同冲击加载点对应的光纤光栅传感器响应信号时频域图，如图7所示。研究发现，随着冲击加载距离L增大，光纤光栅传感器中心波长最大偏移量绝对值（定义为最大峰值幅度）大小依次为：λamax>λbmax>λcmax>λdmax>λemax>λfmax。
图7显示铝合金板前两阶固有频率约为15，70 Hz。由幅频图可以发现，中低频固有频率幅值较高，且随着冲击点至光纤光栅传感器距离增大，中低频固有频率频谱幅值呈逐渐减小趋势，而高频部分变化不明显。
图8给出了光纤光栅传感器中心波长最大峰值幅度与冲击距离L之间的对应关系。当冲击距离逐渐增大时，光纤光栅传感器所受应变随之减小，进而导致相应传感器中心波长最大峰值幅度也逐步减小。此外，当冲击距离超过感知阈值时，传感器反射光谱将不再发生变化。这表明冲击点较远时，由于应力波衰减造成远处传感器所处位置应变相对较小，超出了光纤光栅的应变有效感知范围。
基于小波包分解的能量谱特征向量构建原理[11]，选择小波包分解的节点能量作为特征值，用以评估冲击加载距离对FBG中心波长偏移量的影响。将传感器响应信号进行5层小波包分解，选择第5层笫1个节点（频带范围O～16.3 Hz）的能量占总能量的比值定义为节点能量比，并将其作为距离识别的特征指标。为保证分解效果，选取“db8”小波基作为小波函数。
利用小波包分解技术提取冲击信号的特征参数，得到各个冲击点位置节点能量比值与冲击距离L之间的曲线关系，如图9所示。该曲线显示光纤光栅传感器节点能量比值随冲击点到传感器栅区的距离增大而减小，这与图8所示的光纤光栅传感器中心波长最大峰值幅度随冲击距离变化而改变的规律相一致，表明该节点能量比值指标同样能够较好地反映出冲击点至光纤光栅传感器栅区距离的情况。
4.2 中心波长偏移量与加载夹角关系
为考察冲击加载夹角变化对光纤光栅传感器敏感特性的影响，采集如图5所示10 cm半径圆弧上加载角度依次为O°，30°，45°，60°，90°的5个不同位置冲击点m（100 mm，0 mm），n（86.6 mm，50 mm）、0（70.7 mm， 70.7 mm）、p（50 mm， 86.6 mm）及q（0 mm，100 mm）所对应的传感器响应信号。
不同冲击加载夹角θ对应的光纤光栅传感器响应信号时频域图，如图10所示。该图显示铝合金板前两阶固有频率仍约为15，70 Hz。这是由于铝合金板试件具有各项同性特点，材料在各方向物理属性相近，使得不同位置冲击所激发的固有频率阶数相差不大。由幅频图可以发现，中低频固有频率幅值相对较高。
图11显示随着冲击加载夹角θ增大，光纤光栅传感器中心波长最大峰值幅度依次为：λqmax>λpmax>λomax>λnmax>λmmax，其变化规律与静载情况类似。
进一步从频域角度研究在加载距离相同而冲击加载夹角不同条件下的传感器响应规律。仍选择第5层第1个节点（频带范围0～16.3 Hz）的能量占总能量的比值作为距离识别的特征指标。图12给出小波包分解之后节点能量比值与冲击加载夹角之间的曲线关系。由该曲线可知，光纤光栅传感器节点能量比随加载夹角θ的增大而呈现逐渐增加趋势。这表明节点能量比值指标能够较好地反映出光纤光栅传感器的方向敏感特性。
5 结 论
本文通过构建基于铝合金板结构试件的光纤光栅传感器敏感特性试验系统，分别从时频域角度研究了传感器特征响应参量与所加载荷属性之间的对应关系，具体如下：
（1）在相同载荷大小和加载夹角下，光纤光栅传感器中心波长偏移量随加载距离的增大而呈指数趋势减小。
（2）在相同加载夹角和加载距离下，传感器中心波长偏移量随载荷大小增加而呈单调递增关系。
（3）在相同加载距离和载荷大小作用下，传感器呈现出良好的载荷方向敏感特性。光纤光栅传感器最大峰值幅度和节点能量比值随冲击加载夹角θ增加而增大，且加载夹角呈90°时传感器中心波长偏移量最大。
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光合作用特点范文4
1纳米材料电化学传感器
1．1纳米金颗粒电化学传感器周忠亮等在玻碳电极表面逐层沉积纳米金及DNA分子检测甲醛［2］。甲醛在未经修饰的玻碳电极上不产生电化学响应，修饰纳米金颗粒后电化学响应明显，修饰纳米金颗粒及DNA分子后甲醛电化学响应最高。采用经纳米金颗粒及DNA分子修饰的玻碳电极检测河水中微量甲醛，检出限可低至1．0×10－6mol/L。薛瑞等研制了有机磷农药电化学传感器［3］，利用静电作用在玻碳电极表面逐层固定金纳米粒子和乙酰胆碱酯酶，酶水解底物产生硫代胆碱在电极上产生氧化电流，若酶活性被有机磷农药抑制则氧化电流减小，通过减小程度定量测定有机磷农药，方法应用于蔬菜中甲基对硫磷检测，检出限为4mg/kg。该电化学传感器中纳米金的作用为加快电荷在电极表面的传导，表现出优异的生物相容性和显著的电催化性能［4］。刘雪平等利用纳米金与小分子半抗原的良好结合性能［5］，在金电极表面共价键合的金纳米粒子上吸附了半抗原克伦特罗并与牛血清蛋白偶联，制备了克伦特罗电化学传感器。该方法成功应用于猪肉及猪肝中克伦特罗测定，检出限低于0．5μg/kg，为建立小分子半抗原的免疫学检测方法提供了有益的参考。
1．2碳纳米材料电化学传感器杨海朋等将多壁碳纳米管分散于环糊精中滴至Pt电极表面形成不溶于水的复合导电膜［6］，在膜上固定乙酰胆碱酯酶，制备出有机磷农药的碳纳米管电化学传感器，用于检测甲胺磷得到检出限为3．5×10－7mol/L。在该传感器中碳纳米管作为Pt电极与固定酶间的良好电导体，缩短了酶与电极、底物与电极间的电子传递途径，减小了扩散过程的影响，提高了酶与Pt电极间的电化学反应的速率。刘艳等通过静电力在玻碳电极表面逐层固定石墨烯、多壁纳米碳管制备了H2O2传感器［7］，石墨烯与碳纳米管协同作用提高了电子转移速率，传感器灵敏稳定，测定H2O2的检出限为1．2×10－7mol/L，线性范围为6×10－7mol/L～1．4×10－2mol/L。为提高传感器的选择性，可对碳纳米材料进一步修饰。ZhangJ等制备了检测微囊藻毒素－LR(MC－LR)的碳纳米角电化学传感器［8］。在玻碳电极表面覆盖经过氧化修饰的碳纳米角，于碳纳米角上共价键合MC－LR制成传感器，通过样品中的MC－LR与固化于传感器表面的MC－LR竞争结合酶标抗体，实现样品中MC－LR的定量检测。该方法中，共价键合方式减小了酶标抗体的非特异性吸附，提高了方法精密度、重复性。经氧化的碳纳米角锥形尖端具有丰富羟基，可结合更多MC－LR提高灵敏度。该传感器用于不经前处理的污水样品中微量MC－LR测定，结果与高效液相色谱法一致。张朝晖等在金电极表面覆盖碳纳米管［9］，于其上合成氯洁霉素的分子印迹材料制成传感器，特异性的检测人尿中的氯洁霉素，表现出良好的准确性和重复性，得到检出限为2．44×10－8mol/L。碳纳米管作为分子印迹凝胶聚合的“底材”及信号放大器，可改善分子印迹凝胶的空间结构并提高电子传输速度，提高传感器灵敏度。
1．3半导体纳米材料电化学传感器将半导体纳米材料修饰在电极表面也可制得性能优异的电化学传感器。张灿等在玻碳电极表面修饰了SnSe2空心纳米球［10］，再于其上固化乙酰胆碱酯酶，最后以壳聚糖封装，制得有机磷农药传感器。SnSe2空心纳米球促进酶与电极间直接电子转移，与碳纳米管传感器相比具有更宽的线性范围，检出限更低。在中性磷酸盐缓冲液中放置一个月电极初始电流仅减小约10%，证明SnSe2空心纳米球还具有保持固定在其表面的乙酰胆碱酯酶活性的作用，具有良好的生物相容性。纳米材料具有良好的电子传递性能和电极反应催化性能，能显著提高电化学方法的灵敏度及线性范围;还具有良好的生物相容性及较大的可结合表面积，为多种生物、化学分子及聚合物固化至电极表面提供了良好媒介。纳米材料用于构建电化学传感器，提高了电化学方法的特异性，将拓展电化学方法在分析检测领域的应用范围。
2纳米材料光学传感器
2．1纳米金颗粒光学传感器纳米金一般与荧光素共同构建的光学传感器，当两者接近时，纳米金接受从荧光素转移的能量，荧光素荧光淬灭，若两者距离增大，能量无法转移，荧光素保持荧光性质。在传感体系中，纳米金与荧光素通过特定结构相连，该连接结构可因结合目标物发生改变，进而改变纳米金与荧光素的间距，从而影响纳米金－荧光素体系的荧光性质，由此通过荧光变化反映目标物的量。如Liu等以凝血酶适配体连接纳米金和荧光素［11］，体系荧光几乎完全淬灭。凝血酶适配体结合Pb2+后会转变为G－四联体，与纳米金的吸附力由于构型改变而减弱，进而从纳米金表面脱附，体系荧光部分恢复。利用此性质构建了检测水中铅的纳米金荧光传感器，检出限低至10nmol/L。唐文等在纳米金表面连接荧光素修饰的单链DNA序列［12］，Hg2+可诱导DNA序列形成发卡结构使荧光素与纳米金接近，导致体系荧光显著淬灭。通过荧光淬灭程度检测环境水样中的Hg2+浓度，检出限可达8nmol/L。谭代娣制作了以“8－17”脱氧核酶作为连接结构的纳米金荧光探针［13］。“8－17”脱氧核酶由一条底物链和一条酶链杂交而成。底物链的一端修饰荧光素，酶链通过巯基修饰到纳米金表面。纳米金与荧光素接近，体系荧光猝灭。Pb2+可激活“8－17”脱氧核酶，将底物链剪切为两段，破坏了杂交的刚性结构，荧光素与纳米金距离增大，体系荧光恢复。基于此原理构建了定量检测Pb2+的高灵敏传感器，检出限达0．6nmol/L。
2．2半导体量子点光学传感器半导体量子点是一种具有光致发光性能的纳米材料。相比一般荧光分子，量子点发光性质更适合用于传感器的构建。采用有机相合成法的量子点表面带有有机配体组成的覆盖层，不溶于水。为了让量子点具有水溶性并保持发光性质稳定，需置换表面有机配体。最常用于置换的配体包括蛋白质、聚合物、及巯基乙酸、巯基丙酸等硫醇类化合物。量子点化学传感器可直接通过表面配体结合目标分子，也可通过配体上进一步修饰其他分子(团)识别、结合目标分子，结合于量子点表面目标物的量影响量子点荧光性质，从而实现目标分子的定性定量检测。RFreeman全面综述了通过多种方式修饰量子点表面［14］，构建起不同分子检测传感器的研究工作。以下分别介绍量子点荧光传感器对不同种类物质检测的应用。
2．2．1金属离子的检测利用配位作用可构造具有选择性的金属离子量子点传感器。如研究者通过氮杂大环的配位作用实现微量Zn2+的检测［15］，方法检出限可达2．2×10－6mol/L。具体做法是在巯基丙酸修饰的CdSe－ZnS量子点表面将氮杂大环结构共价连接于巯基丙酸，电子由环分子向量子点价带转移导致荧光淬灭。氮杂大环可特异性的结合Zn2+，Zn2+进入环中产生配位作用阻止环内电子向量子点转移，量子点荧光恢复，荧光强度与Zn2+的量在一定范围内成正比。该传感器可用于水中微量Zn2+的定量检测。
2．2．2无机阴离子的检测硫醇类化合物为配体修饰的量子点可用于构建无机阴离子传感器。如ASanz－Medel等报道2－巯基磺酸钠修饰的CdSe量子点能选择性的定量检测水中的游离CN－［16］，检出限为1．1×10－6mol/L，水中常见的阴离子不干扰测定。GBKole-kar等报道了巯基丙酸修饰的CdS量子点可选择性的检测水中的S2－［17］，检出限为6．6×10－5mol/L，水中常见阴离子不影响测定，荧光淬灭的机制可能是S2－加入引发的量子点自聚，但也可能由于S2－与量子点间发生电荷转移。
2．2．3有机物的测定提高选择性是量子点荧光传感器应用于卫生检验领域实际检测需要解决的关键问题。RenyongTu等用巯基乙胺为配体的Mn2+杂ZnS量子点测定空气或溶液中的微量爆炸物2，4，6－三硝基甲苯(TNT)［18］，检出限为1．0×10－9mol/L。TNT通过胺基与量子点连接，量子点荧光淬灭基于“电荷转移”原理。研究者认为分子得电子能力的差异可表现为荧光淬灭效率的显著差异，因此可通过荧光淬灭效率的测定实现TNT的定性检测，通过荧光淬灭程度实现TNT的定量检测。但必须指出这种策略的选择性有限，仅适用于空气样品或成分简单的溶液。Sandros等将麦芽糖结合蛋白－金属硫蛋白嵌合蛋白－钌配合物组成的复合物，通过金属硫蛋白的巯基修饰到量子点表面，构建检测溶液中麦芽糖的传感器［19］。在未结合麦芽糖状态下钌配合物与量子点接近，两者间能发生电荷转移，导致量子点荧光淬灭，结合麦芽糖后，麦芽糖结合蛋白构型变化，钌配合物与量子点远离，电荷转移效率降低，量子点荧光恢复。上述量子点荧光探针的特异性来源于对被测分子专一性的结合蛋白，难以成为普遍使用的特异性构建方法。量子点修饰分子印迹聚合物可增加量子点荧光传感器的选择性。YanX等在以巯丙基三乙氧硅烷(MPTS)覆盖的Mn2+杂ZnS量子点表面合成分子印迹层，实现了河水样品中微量五氯酚的选择性定量测定［20］，检出限为0．4×10－6mol/L。五氯酚进入分子印迹层的空穴，量子点导带上的电子向五氯酚分子/离子的最低未占用分子轨道转移，量子点荧光淬灭。MPTS保护量子点并为分子印迹提供合成结合位点。XieM等用相同的方法制作了能用于检测河水及土壤中微量四溴双酚A的分子印迹聚合物修饰的Mn2+－ZnS量子点［21］。WangLeyu在Mn:ZnS量子点表面修饰了以二嗪农为模版分子的分子印迹聚合物［22］，当目标分子二嗪农结合至分子印迹层的空穴中时量子点荧光淬灭。该传感器也同时利用了二嗪农对量子点的荧光淬灭性能和分子印迹层对二嗪农的分子识别作用，应用于植物源性食品样品也表现出了很好的选择性。
3小结
光合作用特点范文5
关键词：激光焊接 工艺 质量
0 引言
激光焊接与传统的焊接方法相比，激光焊接尚存在设备昂贵，一次性投资大，技术要求高的问题，使得激光焊接在我国的工业应用还相当有限，但激光焊接生产效率高和易实现自动控制的特点使其非常适于大规模生产线和柔性制造。其中，激光焊接在汽车制造领域中的许多成功应用已经凸现出激光焊接不同于传统焊接方法的特点和优势，也为许多大功率激光器制造商和激光焊接设备制造商提供了更为诱人的 经济 效益前景。
1 激光焊接的一般特点
激光焊接是利用激光束作为热源的一种热加工工艺，它与 电子 束等离子束和一般机械加工相比较，具有许多优点：①激光束的激光焦点光斑小，功率密度高，能焊接一些高熔点、高强度的合金材料；②激光焊接是无接触加工，没有工具损耗和工具调换等问题。激光束能量可调，移动速度可调，可以多种焊接加工；③激光焊接自动化程度高，可以用 计算 机进行控制，焊接速度快，功效高，可方便的进行任何复杂形状的焊接；④激光焊接热影响区小，材料变形小，无需后续工序处理；⑤激光可通过玻璃焊接处于真空容器内的工件及处于复杂结构内部位置的工件；⑥激光束易于导向、聚焦，实现各方向变换；⑦激光焊接与电子束加工相比较，不需要严格的真空设备系统，操作方便；⑧激光焊接生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。
2 激光焊接工艺与方法
2.1 双/多光束焊接 双/多光束焊接的提出最初是为了获得更大的熔深和更稳定的焊接过程和更好的焊缝成形质量，其基本方法是同时将两台或两台以上的激光器输出的光束聚焦在同一位置，以提高总的激光能量。后来，随着激光焊接技术应用范围的扩大，为减小在厚板焊接，特别是铝合金焊接时容易出现气孔倾向，采用以前后排列或平行排列的两束激光实施焊接，这样可以适当提高焊接小孔的稳定性，减少焊接缺陷的产生几率。
2.2 激光－电弧复合焊 激光－电弧复合焊是近年激光焊接领域的研究热点之一。该方法的提出是由于随着工业生产对激光焊接的要求，激光焊接本身存在的间隙适应性差，即极小的激光聚焦光斑对焊前工件的加工装配要求过高，此外，激光焊接作为一种以自熔性焊接为主的焊接方法，一般不采用填充金属，因此在焊接一些高性能材料时对焊缝的成分和组织控制困难。而激光－电弧复合焊集合了激光焊接大熔深、高速度、小变形的优点，又具有间隙敏感性低、焊接适应性好的特点，是一种优质高效焊接方法。其特点在于：
可降低工件装配要求，间隙适应性好。
有利于减小气孔倾向。
可以实现在较低激光功率下获得更大的熔深和焊接速度，有利于降低成本。
电弧对等离子体有稀释作用，可减小对激光的屏蔽效应，同时激光对电弧有引导和聚焦作用，使焊接过程稳定性提高。
利用电弧焊的填丝可改善焊缝成分和性能，对焊接特种材料或异种材料有重要意义。
激光与电弧复合焊的方法包括两种，即旁轴复合焊和同轴复合焊。旁轴激光-电弧复合焊方法实现较为简单，但最大缺点是热源为非对称性，焊接质量受焊接方向影响很大，难以用于曲线或三维焊接。而激光和电弧同轴的焊接方法则可以形成一种同轴对称的复合热源，大大提高焊接过程稳定性，并可方便地实现二维和三维焊接。
3 激光焊接过程监测与质量控制
激光焊接过程监测与质量控制一直是激光焊接领域研究和 发展 的一个重要内容，利用电感、电容、声波、光电、视觉等各种传感器，通过人工智能和 计算 机处理方法，针对不同的激光焊接过程和要求，实现诸如焊缝跟踪、缺陷检测、焊缝成形质量监测等，并通过反馈控制调节焊接工艺参数，从而实现高质量的自动化激光焊接过程。
3.1 激光焊接过程监测 利用各种传感器对激光焊接过程中产生的等离子体进行检测是常用和有效的方法。根据检测信号的不同，激光焊接质量检测主要包括以下几种方式：
3.1.1 光信号检测。检测对象为激光焊接过程中的等离子体（包括工件上方和小孔内部）光辐射和熔池光辐射等。从检测装置的安装来看，主要包括与激光束同轴的直视检测、侧面检测和背面检测。使用的传感器主要有光电二极管、光电池、ccd和高速摄像机，以及光谱分析仪等。
3.1.2 声音信号检测。检测对象主要为焊接过程中等离子体的声振荡和声发射。
3.1.3 等离子体电荷信号。检测对象为焊接喷嘴和工件表面等离子体的电荷。
利用光电传感器检测激光焊接过程中等离子体光辐射强度的变化是激光焊接过程监测与控制的重要方法之一。国内外研究工作表明，利用光电传感器可以自动检测出焊接过程中因激光功率、焊接速度、焦点位置、喷嘴至工件表面距离、对接间隙等工艺条件的波动引起的焊缝熔深和成形质量的变化，不仅可以诊断出诸如咬边、烧穿、驼峰等焊缝成形缺陷，而且在一定工艺条件下还可以检测焊缝内部质量，例如，气孔倾向的严重程度。
光合作用特点范文6
关键词：荧光染料；标记；药物分析；量子点
【中图分类号】R197【文献标识码】A【文章编号】1674-7526(2012)04-0278-02
标记分析为对生物大分子以及药物进行检测的一项重要的方法,并且发光标记为其中最为主要的的一个,该方法的检测灵敏度主要是受标记物的发光强度以及稳定性的影响。一些传统的有机荧光染料由于其自身存在的一些性质使其应用范围受到了一定的限制,譬如说,发射光谱宽、激发光谱窄、容易发生光漂白以及光解、拖尾导致谱峰重叠。所以,对新的具有低背景、良好光稳定性以及具有高产率光量子的荧光染料进行研究开发将会对使标记分析技术在生物以及医药领域的应用与发展得以促进产生很大的帮助。
1荧光标记技术的原理和特征
目前所应用的荧光标记技术为对一些能发射荧光的物质共价结合或者是物理吸附在所要研究分子的某个基团上的机理予以合理利用,通过一些荧光特性而获得研究对象的一些相关信息。在吸收光能后,有机物质分子会从第1单重激发态的最低振动能级跃迁至基态而产生的发射光被称作是荧光。通过荧光染料和被研究对象产生吸附或者是进行共价结合之后其荧光特性会发生相应的改变,进而对有关研究对象性能的信息等予以反映。目前常应用到的荧光染料有荧光素类、罗丹明类、菁染料以及量子点等[1]。
2应该光标记技术在药物研究中的应用
2.1药物活性研究:让荧光标记技术在药物活性的研究领域得以成功地应用,首先应对标记行为本身不会对药物的活性产生影响予以保证,就是说标记基团应该是药物的非活性基团,不然药物标记后会导致失活,因此研究也就不具有任何意义。曾有学者用亚硝酸对肝素进行降解,实施选择性末端标记低分子肝素操作,对非选择性标记对肝素内部活性结构的影响予以了成功的避免。还有学者对荧光染料BODIPY-FL以及α1-肾上腺素能受体特异性激动剂苯肾上腺素(PE)予以应用进行微量缩合反应,从而将荧光标记的苯肾上腺素(BODIPY-FL-PE)予以成功合成[2]。
2.2药物含量的测定:目前在临床上所应用的甲磺酸培氟沙星(PM)为新型喹诺酮类抗菌药的一种,在pH值为5.6的乙酸-乙酸钠缓冲液中,La3+与PM会产生络合物,导致分子刚性得以增强,并且荧光强度为PM的1.5倍左右,而且具有很强的抗干扰能力以及稳定性。曾有学者对该体系的分子荧光特性予以利用对药品与人血清中PM的含量进行直接测定,所得结果比较理想[3]。
2.3药物在细胞中分布的研究:天花粉蛋白(TCS)为自中药楼根中所提取出的一种含有274个氨基酸的蛋白质,为核糖体失活的蛋白,存在切割超螺旋DNA以及RNAN-糖苷酶的活性,而且还存在对人类免疫缺陷病毒(HIV)复制进行抑制的作用。曾有学者对量子点标记天花粉蛋白予以合理的利用,对量子点标记天花粉蛋白的光谱特性以及酶活性等进行了研究。研究结果显示，被标记的TCS酶活性未发生任何的改变,并且并没有对靶细胞人绒癌细胞株JAR的核糖体失活作用产生影响,用TCS与QD-TCS分别对超螺旋质粒DNA进行切割,均可以将质粒DNA断裂成缺刻环带或者是线环带[4]。
3展望
在药物研究的领域当中,对荧光染料予以利用进行标记分析,最主要的几个特点为稳定性高、选择性高、操作简便、灵敏度高等。在开始的单一荧光标记一直发展至多重荧光标记,并且由于现代科技得到了很大的进步与量子点等一些新型高效的荧光染料的开发,在药物的研究领域中荧光标记技术越来越大占据着重要的地位。荧光标记技术作为一种新型的研究方法,同激光扫描共聚焦显微镜以及流式细胞仪等一些先进的检测仪器进行联合使用对药物进行研究分析，在微观尺度上为人们对药物分子行为进行观测提供可靠的研究工具,将会对药物以及药理等各领域研究的迅速发展产生巨大地推动作用。
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