Система визуализации обнаруживает флуоресценцию, исходящую от хлорофилла, пигмента, который придает растениям зеленый цвет и необходим для поглощения солнечного света, который растения используют для создания энергии посредством фотосинтеза. Мониторинг хлорофилла и того, как фотосинтез происходит в растении, дает представление о здоровье и росте растений.В журнале Оптического общества Applied Optics исследователи во главе с Сюй Лю из Чжэцзянского университета в Китае подробно описывают свою новую систему визуализации сельскохозяйственных культур.
Он может отображать площадь размером 45 на 34 сантиметра, что примерно в четыре раза больше, чем имеющиеся в продаже устройства для визуализации хлорофилла.«Большинство инструментов, используемых для визуализации флуоресценции хлорофилла, подходят только для лабораторного использования, но мы хотим разработать систему, которая может контролировать состояние сельскохозяйственных культур на поле или в теплице», — сказал Хайфэн Ли, член исследовательской группы. «Большая область обнаружения нашего тепловизора приближает нас к этой цели».Помимо помощи фермерам в проверке здоровья сельскохозяйственных культур, новая система будет полезна для изучения того, как растения реагируют на изменения в условиях выращивания, и для высокопроизводительного фенотипирования — автоматизированного метода, используемого в исследованиях и разработках сельскохозяйственных культур для анализа того, как генетические модификации влияют на характеристики растений, такие как как размер листьев или засухоустойчивость у большого количества растений.
Техника также может быть модифицирована для микроскопии, позволяя визуализировать фотосинтез внутри растительных клеток.«Флуоресцентная визуализация хлорофилла широко используется в академических исследованиях», — сказал Ли. «Наша система позволит этой технике выйти за пределы лаборатории, где ее можно будет использовать, например, для выращивания и изучения сельскохозяйственных культур с более высокой урожайностью».Чем больше данных, тем лучше картина
Ограниченная область визуализации коммерчески доступных формирователей изображения флуоресценции хлорофилла ограничивает эти инструменты визуализацией, самое большее, одного или двух проростков за раз. Фактически, некоторые формирователи изображений фиксируют флуоресценцию только нескольких листьев за раз.
Поскольку фотосинтез может варьироваться от растения к растению и даже от листа к листу, необходимо получить много изображений, чтобы получить картину общего роста урожая.На одном снимке новый формирователь изображений сельскохозяйственных культур может улавливать флуоресценцию семи или восьми проростков, в зависимости от их размера. Эти дополнительные растения предоставляют достаточно данных, чтобы получить истинное представление о состоянии урожая всего по одному изображению. Исследователи также включили механизм сканирования, который увеличивает область изображения до 2 метров в ширину.
«Собирая большой объем данных, наша система может значительно снизить количество ошибок, связанных с анализом физиологического состояния урожая и эффективностью мониторинга условий выращивания сельскохозяйственных культур, без необходимости повторного отбора проб», — сказал Ли.Освещение большой площадиДля обнаружения флуоресценции хлорофилла необходимо, чтобы пигмент освещался светом, который возбуждает молекулы хлорофилла, заставляя их излучать свет.
Исследователи использовали 16 осветительных модулей, каждый из которых имел мощный светодиод, чтобы создать этот возбуждающий свет.Для каждого модуля освещения исследователи разработали серию линз и оптических компонентов, которые создали прямоугольную область освещения с помощью процесса, называемого изменением формы пятна. Свет от каждого модуля был сфокусирован в центре области изображения и наложен, чтобы создать сильное и равномерное освещение.
«Площадь изображения 45 на 34 сантиметра — самая большая, доступная для этого типа системы визуализации», — сказал Ли. «В нашем приборе используется уникальное изменение формы пятна светодиодного освещения, чтобы добиться равномерного освещения по всей области изображения и гарантировать, что большая часть световой энергии используется для освещения, а не тратится впустую».Исследователи протестировали новое устройство, использовав его для изображения саженцев огурцов, выращенных в стрессовых условиях, связанных с дефицитом воды или азота.
В обоих случаях прибор показал изменения флуоресценции хлорофилла, которые соответствовали ухудшению здоровья растений с течением времени.В настоящее время исследователи работают над увеличением использования световой энергии в системе, внося улучшения в производственные технологии, такие как включение покрытий линз, используемых для изготовления оптических компонентов.
Они также хотят уменьшить вес и объем тепловизора, чтобы сделать его более мобильным и практичным для использования в поле и теплицах.