叶绿素荧光现象机理 叶绿素荧光参数测定和应用

2022-01-24 16:07:09

叶绿素荧光现象

叶绿素荧光现象是由传教士Brewster在1834年首次发现的。Brewster在进行实验时，一束强太阳光穿过月桂叶子的乙醇提取液，溶液的颜色变成了绿色的互补色——红色，而且颜色随溶液的厚度而变化，这是历史上对叶绿素荧光及其重吸收现象的首次记载。

叶绿素荧光的产生原理：

简单地说叶绿体的自发荧光是因为，叶绿体中的叶绿素分子吸收光子的能量没有完全被利用。具体过程如下

细胞内的叶绿素分子通过直接吸收光量子或间接通过捕光色素吸收光量子得到能量后，从基态（低能态）跃迁到激发态（高能态）。由于波长越短能量越高，故叶绿素分子吸收红光后，电子跃迁到Z低激发态；吸收蓝光后，电子跃迁到比吸收红光更高的能级（较高激发态）。处于较高激发态的叶绿素分子很不稳定，在几百飞秒（fs，1 fs=10－15 s）内，通过振动弛豫向周围环境辐射热量，回到Z低激发态。Z低激发态的叶绿素分子可以稳定存在几纳秒（ns，1 ns=10－9 s）。

处于较低激发态的叶绿素分子可以通过几种途径释放能量回到稳定的基态。能量的释放方式有如下几种：

1）重新放出一个光子，回到基态，即产生荧光。由于部分激发能在放出荧光光子之前以热的形式逸散掉了，因此荧光的波长比吸收光的波长长，叶绿素荧光一般位于红光区。

2）不放出光子，直接以热的形式耗散掉（非辐射能量耗散）。

3）将能量从一个叶绿素分子传递到邻近的另一个叶绿素分子，能量在一系列叶绿素分子之间传递，Z后到达反应ZX，反应ZX叶绿素分子通过电荷分离将能量传递给电子受体，从而进行光化学反应。以上这3个过程是相互竞争的，往往是具有Z大速率的过程处于支配地位。对许多色素分子来说，荧光发生在纳秒级，而光化学发生在ps级，因此当光合生物处于正常的生理状态时，天线色素吸收的光能绝大部分用来进行光化学反应，荧光只占很小的一部分。

活体细胞内由于激发能从叶绿素b到叶绿素a的传递几乎达到100％的效率，因此检测不到叶绿素 b荧光。在室温下，绝大部分（约90％）的活体叶绿素荧光来自PSⅡ的天线色素系统，而且光合器官吸收的能量只有约3%～5%用于产生荧光。

这就解释了荧光现象是如何产生及为何是红色的了。

叶绿素荧光的应用

1、叶绿素荧光作用

叶绿素荧光是反映叶绿体状态，以及光合作用效率的重要参数,在植物学领域尤其是在叶绿体相关的领域，这是很重要的数据之一。涉及到叶绿素荧光的各种参数可以通过仪器，比如FluorCams 其原理就是，对植物进行暗处理使叶绿体处于基态，接着用一束很强的光或者脉冲光在极短的时间内照射（时间可以设置，一般约为15毫秒），机器会收集相关光吸收等参数。

以Z常用的一个参数Fv/Fm（QY_max)为例，Fv/Fm即 maximum quantum yield of Photosystem II photochemistry（叶绿体光系统II光化学Z大吸收量），一般植物收到一些环境因素，比如高光强(high light)，病虫害(pathogen)，盐胁迫水胁迫(salt or water stress)等QY_max都会降低。这些都可以通过FluorCams检测出来。

2、日光诱导叶绿素荧光遥感

日光诱导叶绿素荧光（SIF）遥感是Z近几年来发展的进行植被光合作用研究的新型遥感手段，是欧洲航天局未来地球探测计划的主要任务之一。在区域和植被胁迫探测和碳循环研究方面，较传统光学反射植被遥感有很大的优势。

叶绿素荧光参数及其测定

叶绿素荧光参数是一组用于描述植物光合作用机理和光合生理状况的变量或常数值，反映了植物“内在性 ”的特点 ， 被视为是研究植物光合作用与环境关系的内在探针 。

1、这些都是叶绿素荧光参数：

初始荧光(Fo)。也称基础荧光、固定荧光，0水平荧光，是光系统Ⅱ(PSⅡ)反应 ZX处于完全开放时的荧光产量，它与叶片叶绿素浓度有关；

Z大荧光(Fm)、是PSⅡ反应ZX处于完全关闭时的荧光产量。可反映经 过PSⅡ的电子传递情况。通常叶片经暗适应20 min后测得；

F：任意时间实际荧光产量；

PSII原初光能转化效率(Fv/Fm)，反映PSⅡ反应ZX内禀光能转换效率，叶暗适应20 min后测 得。非胁迫条件下该参数的变化极小，不受物种和生长条件的影响，胁迫条件下该参数明显下降；

光合量子产额(Yield)、

光化学猝灭系数(qP)、

非光化学猝灭系数(qN)、

表观电子传递速率(ETR)

环境温度（Tamb），

环境光合有效辐射（PARamb），

叶室内叶片正面光合有效辐射（PARtop），

叶室内叶片背面光合有效辐射（PARbot），

2、叶绿素荧光参数的测定

叶绿素荧光参数的测量一直为学者所重视。而调制-饱和-脉冲式荧光仪的出现，使得叶绿素荧光野外测量变得方便，但仍然存在着不能在线测量，每次只能测量一个样品、无法长期监测等问题 针对上述问题，我们推出了在线式叶绿素荧光监测系统，可以长时期的连续监测植物的叶绿素荧光参数，并且可以配合无线传输模块，远程传送数据，单个仪器可同时测量多达32个样品，并且简单的编程设置，可以选择任意时间或不同时间重复测量相同的参数，对更深入的研究植物的光合作用机制及环境对植物的影响具有重要的意义。