红外线 CO2气体分析仪器的结构、原理、使用

1、红外线红外线 CO2气体分析仪器的气体分析仪器的结构、原理、使用及在植物结构、原理、使用及在植物生理研究中的应用生理研究中的应用一、引言一、引言n植物在生命活动过程中，常伴有植物在生命活动过程中，常伴有CO2的释的释放与吸收。放与吸收。CO2量的变化能标志植物生理量的变化能标志植物生理生化活性的强弱。生化活性的强弱。n 光光 CO2+H2O (CH2O)+O2 光合细胞光合细胞1.1.光合作用测定方法光合作用测定方法n改良半叶法改良半叶法nPH比色法比色法n氧电极法氧电极法n红外线红外线CO2气体分析仪法气体分析仪法2. 红外线红外线CO2气体分析仪法的优点气体分析仪法的优点n迅速而准确迅速而

2、准确n简单而方便简单而方便n整体而连续整体而连续n智能化智能化二、仪器的基本组成二、仪器的基本组成n主要由光源、气室和检测器组成主要由光源、气室和检测器组成CO212红红外外光光源源气气室室检检测测器器三、仪器的工作原理三、仪器的工作原理n红外线（红外线（infrared）是波长在）是波长在0.75400 m范围内的电磁波。红外线按其范围内的电磁波。红外线按其波长长度划分：波长长度划分：25400 m为远红外为远红外线；线；2.525 m为中红外线；为中红外线；0.752.5 m为近红外线。为近红外线。n不同气体对红外线的吸收不同。由同种不同气体对红外线的吸收不同。由同种原子组成的气体分子如原

3、子组成的气体分子如N2、H2、O2等均等均不吸收红外线。只有由异种原子组成的不吸收红外线。只有由异种原子组成的气体分子如气体分子如CO、CO2、CH4、H2O等可等可以吸收红外线。以吸收红外线。 三、仪器的工作原理三、仪器的工作原理nCO2气体能吸收红外线四个区段的能量，气体能吸收红外线四个区段的能量，吸收峰的波长分别在：吸收峰的波长分别在：2.66 m、2.77 m、4.26 m、14.99 m，其吸收率分，其吸收率分别为别为0.54、0.31、23.2、3.1。峰值为峰值为4.26 m的吸收率最高，在的吸收率最高，在CO2浓浓度较低时，在特性波长（度较低时，在特性波长（4.26 m）下，）

4、下，被被CO2气体吸收的红外线辐射能量与气体吸收的红外线辐射能量与CO2气气体的浓度呈线性关系。体的浓度呈线性关系。三、仪器的工作原理三、仪器的工作原理n 红外线经过红外线经过CO2气体分子时，其辐射能量减气体分子时，其辐射能量减少，被吸收的红外线辐射能量的多少与该气少，被吸收的红外线辐射能量的多少与该气体的吸收系数（体的吸收系数（K）、气体浓度（）、气体浓度（C）和气）和气体层的厚度（体层的厚度（L）有关，并符合朗伯）有关，并符合朗伯比尔比尔定律，可以用下式表示：定律，可以用下式表示：nE=E0eKCLn式中：式中：E0入射红外线的辐射能量；入射红外线的辐射能量； E透过的红外线的辐射能量。

5、透过的红外线的辐射能量。四、四、 IRGA检测原理检测原理CO2浓度浓度红外线辐射能量红外线辐射能量电容变化电容变化当在半导体外加一个稳定电流时，由于受当在半导体外加一个稳定电流时，由于受电阻变化的影响，输出的信号电压值也随电阻变化的影响，输出的信号电压值也随CO2浓度而变化。浓度而变化。 检测器是光电导型锑化铟半导体元件。检测器是光电导型锑化铟半导体元件。参比气室参比气室 红外线辐射能量不变红外线辐射能量不变分析气室分析气室 红外线辐射能量减少红外线辐射能量减少半导体半导体 的电阻下降的电阻下降参比室参比室 300分析室分析室 3301230显示器显示器四、仪器的标定四、仪器的标定n绝对值标

6、定法绝对值标定法n差分值标定法差分值标定法绝对值标定法绝对值标定法参比室参比室 0分析室分析室 0120显示器显示器n调零调零绝对值标定法绝对值标定法参比室参比室 0分析室分析室 33012330显示器显示器n调满刻度调满刻度差分值标定法差分值标定法参比室参比室 300分析室分析室 300120显示器显示器n调零调零差分值标定法差分值标定法参比室参比室 300分析室分析室 3301230显示器显示器n调满刻度调满刻度五、五、IRGA法测定光合速率法测定光合速率 的气路系统的气路系统n开放式气路系统开放式气路系统 n密闭式气路系统密闭式气路系统1.1.开放式气路系统开放式气路系统n该系统用双气室

7、该系统用双气室IRGA，以气泵为动力，以气泵为动力，将流经同化室前的空气（参比气体）泵将流经同化室前的空气（参比气体）泵入参比气室，流经同化室后的空气（样入参比气室，流经同化室后的空气（样本气体）泵入分析气室，最后将气体排本气体）泵入分析气室，最后将气体排出，由仪器测出参比气体和样本气体的出，由仪器测出参比气体和样本气体的CO2浓度差，根据气体流量、同化室中浓度差，根据气体流量、同化室中叶片的面积，求出叶片的光合速率。叶片的面积，求出叶片的光合速率。 开放式气路系统开放式气路系统 P. 气泵气泵 F. 流量计流量计 C. 同化室同化室 D. 干燥器干燥器 A. 红外线红外线CO2分析仪分析仪P

8、PFDDCFA光合速率计算光合速率计算式中：式中：Pn光合速率，光合速率，mol CO2(m2s)。 CCO2浓度落差浓度落差C1C2，mol/mol。 S叶片面积，叶片面积，m2。 F气体流量，气体流量，L/s。 t同化室的温度，同化室的温度， P为气压，为气压，MPa。01325. 115.27315.2734 .22PtSFCPn2.2.密闭式气路系统密闭式气路系统n被测植物或叶片密闭在同化室中，不与被测植物或叶片密闭在同化室中，不与同化室外发生任何的气体交换，同化室同化室外发生任何的气体交换，同化室内的内的CO2浓度因光合作用而下降，可用浓度因光合作用而下降，可用IRGA测定同化室内测

9、定同化室内CO2浓度的下降值，浓度的下降值，计算光合速率。计算光合速率。 密闭式气路系统密闭式气路系统 P. 气泵气泵 C. 同化室同化室 D. 干燥器干燥器 A. 红外线红外线CO2分析仪分析仪CAPD光光330光合速率计算光合速率计算 式中：式中：Pn光合速率，光合速率，mol CO2(m2s)。 CCO2浓度落差浓度落差C1C2，mol/mol。 t测定时间，测定时间，s。 S叶片面积，叶片面积，m2。 V同化室（包括气路系统）体积，同化室（包括气路系统）体积，L。 t同化室的温度，同化室的温度，。 P为气压，为气压，MPa。01325.115.27315.2734 .22PtStVCP

10、n六、在植物生理研究中的应用六、在植物生理研究中的应用n测定光合速率测定光合速率n测定呼吸速率测定呼吸速率n作光作光光合作用曲线：光补偿点，光饱和点，表观光合作用曲线：光补偿点，光饱和点，表观量子产额，量子效率量子产额，量子效率n作作CO2光合作用曲线：光合作用曲线：CO2补偿点，补偿点，CO2饱和点饱和点n作温度作温度光合作用曲线：光合作用最低温度，最适光合作用曲线：光合作用最低温度，最适温度，最高温度温度，最高温度n测定光呼吸速率：零气法；外推法测定光呼吸速率：零气法；外推法n测定蒸腾速率；气孔导度等测定蒸腾速率；气孔导度等LI-6400便携式光合作用测定系统便携式光合作用测定系统一、仪器

11、二、仪器的优点n1、叶室环境可以调控。如可以测在不同温度、光强、CO2浓度下的光合作用。n2、测定参数多。n3、数据可存储，可与计算机连接。n4、反应灵敏。n5、固定叶面积，仪器自动计算各参数结果。三、可测定的主要参数三、可测定的主要参数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、仪器原理四、仪器原理1、开放式气路连接系统、开放式气路连接系统 (1)LI-6400领先于传统开放系统的地方领先于传统开放系统的地方在于它将气体分析器安装于传感器头上。在于它将气体分析器安装于传感器头上。这样节省了气流到达传感器的时间，并且，这样节省了气流到达传感器的时间，并且，严格准确地反映出叶子的变化。严格准确地反映出叶子的变化。 (2)开放系统的另一特点是可以通过各种开放系统的另一特点是可以通过各种方式改变入室气体的条件，如：湿度、方式改变入室气体的条件，如：湿度、CO2浓度、温度等等。浓度、温度等等。传感头与气体分析仪和叶室集于一体传感头与气体分析仪和叶室集于一体具体的气体连接示意图具体的气体连接示意图2、仪器通过公式自动计算各参数的值(1)自动记录结果(2)叶面积固定=6cm2(3)如叶面积不足6，可改变叶面积的输入。五、简单介绍主要操作流程n1、仪器连接数据线和气路与主机连接数据线和气路与感应头叶室的连接连接好以后应该是这样2、开机电电源源开开关关3、程序自动启动4、启动后的主菜单新的测定功能键功能键分别对分别对应上面应上面的小黑的小黑框中的框中的英文英文键盘与键盘与计算机计算机相似相似主界面5、校正仪器(1)流量校准(2)零点校准