БІОФІЗИКА РОСЛИН - Ю. І. Посудін - 2004

IІ. ПРОЦЕСИ ПЕРЕНОСУ В СИСТЕМІ РОСЛИНА-ҐРУНТ-ПОВІТРЯ

7. ПЕРЕНОС ГАЗІВ

7.3. ВИМІРЮВАННЯ АСИМІЛЯЦІЇ СО₂

7.3.1. Інфрачервоні газові аналізатори

Принцип дії інфрачервоного газового аналізатора полягає в реалізації здатності асиметричних молекул (до яких відноситься СО₂) поглинати інфрачервоне випромінювання на певних довжинах хвиль. Основні смуги поглинання СО₂ знаходяться в області 4,25 мкм, 2,66 мкм, 2,77 мкм та 14,99 мкм. Поглинання газом випромінювання на довжині хвилі l визначається за законом Бера-Ламберта:

де С - молярна концентрація СО₂, l - довжина оптичного шляху, k_λ — молярний коефіцієнт поглинання на довжині хвилі λ.

Інфрачервоні газові аналізатори відзначаються високою точністю вимірювань, простотою та надійністю. Сучасні ІЧГА характеризуються роздільною здатністю на рівні 0,1-1,0 мкмоль·моль^-1 при визначенні СО₂-обміну поверхнею листка площею 10 см² (відомо, що рівень СО₂ в атмосфері становить 340 мкмоль·моль^-1) [Long and Hallgren, 1986; Instrumentation..., 1986; Field and Mooney, 1990].

Конструкції сучасних ІЧГА складаються з джерела інфрачервоного випромінювання, газової кювети та детектора. Схему однопроменевого ІЧГА наведено на рис. 7.5. Джерело інфрачервоного випромінювання виконується з ніхромового або вольфрамового дроту спіралеподібної форми, який нагрівається до 600-800 °С. Через кювету (типова довжина якої становить 250 мм при необхідності отримати роздільну здатність близько 1 мкмоль·моль^-1) пропускають потік газу, який аналізують. Інфрачервоне випромінювання на виході кювети проходить через фільтр (4,25 мкм) і подається на детектор, який виконується з прозорого в інфрачервоній області спектра матеріалу - наприклад, фториду кальцію. У двопроменевій схемі випромінювання джерела ділиться на два потоки - основний та еталонний, які проходять відповідно через дві кювети паралельно (рис. 7.6) або послідовно (рис. 7.7). Якщо ці потоки дорівнюють один одному, то система перебуває у рівновазі. Із зміною концентрації газу в основній кюветі рівновага порушується, сигнал розбалансування посилюється та реєструється. Двопроменева система здатна виключити зміни інтенсивності джерела випромінювання за рахунок Старіння або коливань напруги живлення.

Рис. 7.5. Схема однопроменевого інфрачервоного газового аналізатора: 1 - джерело інфрачервоного випромінювання, 2 - кювета, 3 - фільтр, 4 - детектор, 5 - підсилювач, 6 - система реєстрації.

Рис. 7.6. Двопроменева схема газового аналізатора: випромінювання джерела ділиться на два потоки - основний та еталонний, які проходять відповідно через дві кювети паралельно: 1 - вхід газового потоку, 2 - вихід газового потоку, 3 - система реєстрації, 4 - модулятор, 5 - кювета з газом, що аналізується, 6 - діафрагма, 7 - камера поглинання, 8 - оптичні фільтри, 9 - опорна кювета, 10 - джерела інфрачервоного випромінювання, 11 - підсилювач, 12 — вимірювач.

Рис. 7.7. Двопроменева схема газового аналізатора: випромінювання джерела ділиться на два потоки - основний та еталонний, які проходять відповідно через дві кювети послідовно: 1 - двигун, 2 - джерело інфрачервоного випромінювання, 3 - модулятор, 4 - опорна частина кювети, 5 - вимірювальна частина кювети, 6 - передній поглинальний об'єм, 7 - капіляр компенсації тиску, 8 - ємнісна діафрагма, 9 - детектор, 10 - задній поглинальний об'єм, 11 - підсилювач, 12 - вимірювальний прилад.

Вимірювальні системи. Більшість методів вимірювання СO₂-обміну передбачають розміщення зразка (листка чи рослини) у прозорій камері. Швидкість асиміляції СO₂ оцінюється як зміна концентрації двоокису вуглецю в камері при проходженні по ній повітряного потоку. Системи вимірювання, що засновані на використанні камери, діляться на три групи: замкнуті, напівзамкнуті та відкриті.

Замкнута система складається з камери, що містить зразок, з якої повітря накачується в інфрачервоний газовий аналізатор (ІЧГА), який безперервно вимірює концентрацію СО₂ (рис. 7.8). Повітряний потік циркулює по замкнутому колу, що складається з камери, аналізатора і насоса. Завдяки фотосинтетичній активності зразка концентрація СO₂ у камері зменшується. Швидкість асиміляції А визначається як зміна кількості СO₂ у системі за одиницю часу за виразом:

де С₁ та С₂ — молярні частки СО₂ (мкмоль·моль^-1) у системі в моменти часу t₁ та t₂ відповідно, V — загальний об’єм системи (мл), S - площа поверхні листка (м²), 22,4 мл - об’єм, що займає 1 ммоль СО₂ при стандартних умовах (р = 101,325 кПа, Т = 273,13 К).

Рис. 7.8. Замкнута система газового аналізу: 1 - камера, що містить зразок, 2 - інфрачервоний газовий аналізатор (ІЧГА), 3 - кювета, 4 - насос, 5 - осушник.

Перевагою методу є простота вимірювань та можливість застосування великих за розмірами зразків, недоліком - неможливість отримання постійних умов у камері: постійне збільшення вологості внаслідок рециркуляції повітря у системі призводить до утворення рідкої води, яка взаємодіє з СО₂, і спотворює результати вимірювань.

Напівзамкнута система містить інфрачервоний газовий аналізатор, який використовується як інструмент нульового балансу при порівнянні потоку СО₂, що надходить у систему, з потоком, що поглинається листком (рис. 7.9). Перевагою напівзамкнутої системи є можливість підтримування постійного потоку СО₂ за рахунок електронної системи, яка постачає газ у систему з постійною швидкістю. До недоліків відносять високу вартість системи (оскільки лише одна камера може бути поєднана з ІЧГА) та її інерційність - на швидкі зміни асиміляції система не реагує.

Рис. 7.9. Напівзамкнута система газового аналізу: 7 - камера, що містить зразок, 2 - інфрачервоний газовий аналізатор (ІЧГА), 3 - кювета, 4 - насос, 5 - осушник, 6 - балон зі стисненим газом, 7 - вимірювач газового потоку.

Відкрита система відрізняється тим, що інфрачервоний газовий аналізатор використовується для оцінки молярної частки СО₂ на вході (С_вх) та на виході (С_вих) камери (рис. 7.10). Швидкість асиміляції А визначається за таким виразом:

де f - молярний потік СО₂ у системі (мкмоль·с^-1).

Рис. 7.10. Відкрита система, що дозволяє регулювати концентрації СО₂, О₂ та водяної пари навколо листка: 1 - насос, 2 - кондиціонер, 3 - регулятори газових потоків, 4 - камери, 5 - селектор, 6 - гігрометр, 7 - газовий аналізатор, 8 - система реєстрації.

Відкрита система дозволяє регулювати концентрації СО₂, О₂ та водяної пари навколо листка; завдяки датчику вологості можна вимірювати швидкість транспірації та асиміляції СО₂ одночасно в кількох камерах.

Одночасні вимірювання транспірації та асиміляції СО₂. Конструкція для одночасної оцінки транспірації та асиміляції СО₂ являє собою камеру, в якій розміщена рослина. Камера обладнана системами контролю освітлення, температури, вологості та повітряного потоку. Концентрація СО₂ визначається за допомогою інфрачервоного газового аналізатора, а швидкість транспірації оцінюють шляхом визначення кількості конденсованої вологи, яка збирається у бюретці (рис. 7.11).

Рис. 7.11. Інфрачервоний газовий аналізатор для вимірювання концентрації СО₂ та оцінки швидкості транспірації: Б - вентилятор, Н - гігрометр, Т - термометр, СО₂ - система постачання газу, К - бюретка для визначення кількості конденсованої вологи.

7.3.2. Мас-спектрометрія

Принцип мас-спектрометри було розглянуто у розділі "ВИМІРЮВАННЯ ПОТОКІВ ВОДИ та розчинених речовин". Ця техніка також може бути використана для оцінки обміну рослинами такими газами як СО₂, О₂ та водяної пари з атмосферою у процесі фотосинтезу, Дихання і транспірації. Схему компактного дисперсійного мас-спектрометра, призначеного для виконання цих завдань, наведено на рис. 7.12 [Kaneko and Takalsuji, 1990]. Мас-спектрометр з'єднаний з камерою, де знаходиться зразок, тонкими капілярами, через які насос постачає повітря. Завдяки дії електричних і магнітних полів пучки іонів розділяються згідно з їхніми масами у просторі. Точний аналіз газів проводиться при постійній температурі 80 °С. Використання прискорюючого електричного потенціалу 850 В та магнітного поля, індукція якого становить 0,48 Тл, дозволяє отримати радіуси кривизни траєкторій іонів залежно від їхньої маси близько 31-50 мм. Типовий спектр газів, отриманий за допомогою компактного мас-спектрометра, наведений на рис. 7.13. Перевагою методу є можливість одночасного та безперервного вимірювання СО₂, О₂ та водяної пари; крім того, деякі гази можуть бути помічені стабільними ізотопами ¹³С, ¹⁸О; через те, що система потребує невеликої кількості газів, вона здатна вимірювати зміни концентрацій газів над малими площами (наприклад, ділянками листка).

Рис. 7.12. Схема компактного дисперсійного мас-спектрометра.

Рис. 7.13. Типовий спектр газів, отриманий за допомогою компактного мас-спектрометра.

7.3.3. Використання ізотопів

Ізотопи - це різновиди даного хімічного елемента, що мають однаковий електричний заряд ядра, але відрізняються масами ядер; ізотопи мають однакові заряди ядер, але відрізняються числом нейтронів. Ізотопи, що належать радіоактивним елементам, називають радіоізотопами. Характерною рисою радіоізотопів є їхня нестабільність; вони випромінюють енергію у вигляді гамма-випромінювання (наприклад, ^ИС або бета-випромінювання (як ¹⁴С). Стабільність ізотопів визначається таким параметром, як період піврозпаду - проміжок часу, за який відбувається розпад половини радіоактивних ядер елемента. Так, період піврозпаду ізотопів вуглецю становить: 19,3 с для ¹⁰С; 20,3 хв. для ¹¹С; 5 715 років для ⁴С; 2,45 с для >⁵С.

Радіоізотопи широко застосовують у біофізичних дослідженнях рослин. Ізотоп ¹⁴С використовують для вивчення процесів транспорту вуглеводів in vivo завдяки тому, що випромінювання цього ізотопу можна реєструвати лічильником Гейгера, Позначений ізотопом ¹⁴С двоокис вуглецю широко застосовується для вивчення вуглецевого метаболізму рослин та вимірювання швидкості асиміляції СО₂. У процесі вимірювань листок зазнає впливу ¹⁴СО₂ протягом певного проміжку часу (менше ніж 60 с). Після видалення рослинної Тканини визначають кількість ¹⁴С, яка пропорційна швидкості асиміляції СО₂. Схему системи для використання стабільних ізотопів наведено на рис. 7.14. Суміш газів ¹⁴СО₂ та ¹²СО₂ що міститься в алюмінієвому контейнері, подають у камеру із зразком протягом певного проміжку часу, який точно вимірюють. Після цього зразок ліквідують, занурюючи його у рідкий азот. Швидкість асиміляції СО₂ листком залежить від площі листка, проміжку часу і пропорційна кількості відліків, які фіксуються іонізаційним лічильником. Стабільні ізотопи ¹²С та ¹³С не випромінюють; ідентифікацію стабільних ізотопів можна реалізувати за допомогою мас- спектрометрії або техніки ядерного магнітного резонансу.

Рис. 7.14. Схема системи для використання стабільних ізотопів: 1 - алюмінієвий контейнер, що містить суміш ¹⁴СО₂ та ¹²СО₂, 2 - регулятор газового потоку, 3 - вимірювач потоку, 4 - клапан, 5 - камера з листком, 6 - Колонка з натровим вапном.

Перевагою приладів, що базуються на використанні радіоізотопів, є компактність та низька собівартість порівняно з ІЧГА. Якщо обробити зразок рідким азотом, можна розділити листок на фрагменти та оцінити розподіл швидкості асиміляції СО₂ по всій площі листка. Недоліком є руйнівна дія та можлива неточність вимірювань через природно присутні ізотопи у листках.

7.3.4. Оптико-акустичний метод

Метод оптико-акустичної спектроскопії базується на перетворенні поглинутого випромінювання у звукові коливання. Процедура вимірювань полягає в модуляції оптичного випромінювання, яке подається на зразок (листок), розміщений у камері з прозорим вікном. Модульоване випромінювання частково поглинається зразком, а частково витрачається на тепло, яке розсіюється у навколишній простір. Причому, теплове випромінювання змінюється з частотою модуляції. Якщо в камері знаходиться газ, тиск газу буде також змінюватися з тією ж самою частотою, тобто утворювати акустичні коливання. Зміни тиску можна зареєструвати за допомогою мікрофона. Схему оптико-акустичного спектрометра наведено на рис. 7.15 [Sheeny, 1985]. Таким чином, концентрація газу, зміни тиску газу та рівень акустичних коливань тісно зв'язані між собою. Ця техніка може бути застосована до твердих та непрозорих зразків. Змінюючи частоту оптичного випромінювання, що подається на зразок, можна отримати оптико-акустичний спектр останнього. Типовий оптико-акустичний спектр листка наведено на рис. 7.16. Цілком зрозуміло, що якщо газовий режим поблизу поверхні листка зміниться внаслідок процесів транспірації чи асиміляції, це викликає зміни тиску і відповідні зміни оптико-акустичного спектра.

Рис. 7.15. Схема оптико-акустичного спектрометра: 1 - лазер, 2 - модулятор, 3 - напівпрозора пластина, 4 - камера, 5 - детектор, 6 - мікрофон, 7 - підсилювач, 8 - синхронний детектор.

Рис. 7.16. Типовий оптико-акустичний спектр листка.