Дистанційна флуоресцентна діагностика рослин - лазерна діагностика в біології та медицині

Дистанційна флуоресцентна діагностика
рослин
Загальні відомості. Лазерні флуоресцентні методи займають все більше місця в дистанційній діагностиці рослин [П. 17]. Вони дозволяють проводити дослідження на популяційному, клітинному і організмовому рівнях на суші і в воді з борта літака, вертольота або судна і отримувати оперативну оцінку функціонального стану об`єктів, здійснювати їх кількісне визначення та ідентифікацію. Зміна фізичних умов навколишнього середовища (складу мінерального живлення, кількості вологи та ін.), Забруднення середовища промисловими відходами позначаються на процесах дихання і фотосинтезу рослин, що відбивається в зміні їх спектрів флуоресценції, які можуть бути отримані дистанційно.

Мал. 7.11. Спектри флуоресценції рослин в нормі (/) і при обробці гербіцидом (2) [28]
Дистанційне зондування наземної рослинності. Однією з найбільш важливих прикладних задач дистанційній флуоресцентної діагностики рослин є прогнозування їх фізіологічного стану в залежності від зовнішніх умов. Так, експерименти з зерновими культурами, наприклад з кукурудзою, показали [271, що спектри флуоресценції, порушуємо УФ азотним лазером (к = = 337 нм), мають три характерних максимуму: на 440, 690 п 740 нм. При цьому нестача калію призводить до збільшення більш ніж втричі інтенсивності флуоресценції на 690 і 740 нм при деякому її ослабленні на 440 нм. У разі дефіциту азоту і заліза має місце слабке зменшення інтенсивності флуоресценції на 440 нм і її ослаблення більш ніж в три рази на 690 і 740 нм. Нестача фосфору ослаблює флуоресценцию на 690 і 740 нм в два рази, в той час як недолік кальцію, сірки і магнію не призводить до суттєвих змін в спектрі флуоресценції.

Мал. 7.10. Спектри флуоресценції рослин при достатку (/) і нестачі (2) вологи в грунті [28]
Достовірні зміни в інтенсивності флуоресценції рослин показані також при зміні вмісту вологи грунту (рис. 7.10) і в результаті дії гербіцидів (рис. 7.11) [28].
Іншим завданням є кількісне визначення біомаси рослинності. При використанні літальних апаратів воно проводиться зазвичай шляхом вимірювання відносини інтенсивності флуоресценції хлорофілу на двох головних максимумах (для листя озимої пшениці, напри, заходів, це 685 і 735 нм при порушенні на 441,6 нм). Це робить результати вимірювань не залежними від ефектів, пов`язаних з коливаннями потужності лазера і змінами геометричній структури рослинності.
На рис. 7.12 представлена залежність цього відносини від сумарної концентрації хлорофілу-а (Хл-а) і хлорофілу-6 (Хл-b) в озимої пшениці, вирощуваної на 16 дослідних ділянках. Паралельно з дистанційними вимірами проводилися лабораторні вимірювання концентрації за методом Годнева [П. 17].

Мал. 7.12. Залежність відносини інтенсивностей "флуоресценції ,, виміряних з борта літака на двох довжинах хвиль, від сумарного вмісту хлорофілу в озимої пшениці
Попередні дослідження показали принципову можливість вирішення ще однієї важливої задачі, а саме - ідентифікації типів рослин за спектрами флуоресценції. Так, при порушенні флуоресценції азотним лазером (к-337 нм) в спектрах п`яти груп рослин: трав`янистих однодольних, трав`янистих дводольних, деревних хвойних, деревних листяних і водоростей спостерігалися 4 характерних максимуму: 440, 525, 685 і 740 нм (хоча не всі вони присутні у всіх рослин). При цьому всі без винятку рослини демонструють флуоресценцию на довжині хвилі 440 нм. Тільки деревні рослини мають характерний максимум на 525 нм. Хвойні відрізняються відсутністю максимуму на 685 нм. Всі рослини мають&lsquo- максимум на 740 нм. Водорості мають яскраво виражений максимум на 440 і 740 нм. Максимум на 440 нм у трав`янистих однодольних значно більше, ніж у дводольних.
Подальша відпрацювання методик ідентифікації рослин за спектрами їх флуоресценції передбачає вивчення варіабельності спектральних флуоресцентних характеристик рослин в залежності від екологічних умов зростання, відмінності у віці, вигляді і т. П.
Дистанційне зондування фотосинтезирующих організмів в природних водоймах. Одним з основних індикаторів біологічної продуктивності водойм, з одного боку, і їх забрудненості - з іншого, є фітопланктон (ФП) - сімейство фотосинтезирующих водоростей, що характеризуються складною сезонної, географічної та кліматологічної динамікою. Оптичні властивості ФП в основному визначаються містяться в клітинах пігментами: хлорофілом, каротиноїдами, флавинами і ін. Спектри поглинання і флуоресценції цих пігментів добре вивчені для екстрагованих форм. Для кожного індивідуального пігменту характерні чіткі, добре виражені смуги. Однак в спектрах клітин внесок різних пігментів виділити важко. Фотосинтетична активність всіх клітин водоростей неможлива без наявності в них Хл-а. Тому так само, як і при зондуванні наземної рослинності, цей пігмент зазвичай вибирають за індикатор біомаси ФП.
Існують методики пасивного дистанційного визначення концентрації Хл по яскравості дифузно відбитого товщею води сонячного світла. Однак вони недостатньо ефективні, так як дуже чутливі до погодних умов і до стану поверхні.
У зв`язку з цим все більшу увагу привертає флуоресцентний метод індикації Хл [29-33]. Він заснований на тому, що при лазерному збудженні в залежності від поєднання пігментів різні представники ФП характеризуються різними спектрами флуоресценції. В дещо спрощеному вигляді спектр випромінювання в залежності від типу ФП може бути представлений або однією смугою (при 685 нм або 560-580 нм), або двома (при 685 нм і 560-580 нм). Складаючи відношення інтенсивностей тих чи інших компонентів спектрів і використовуючи при цьому різний збудження, можна отримувати різну діагностичну інформацію.
Кількісне визначення ФП за допомогою лазерного зондування стикається з певними труднощами. Дійсно, лазерне випромінювання при взаємодії з водним середовищем сильно розсіюється. Крім флуоресценції
в луна-сигналу істотно присутні випромінювання, пружно розсіяне на гидрозолей, і випромінювання, непружно розсіяне на молекулах води. Ця обставина ускладнює завдання оцінки сигналу від флуоресціюючого ФП. На рис. 7.13 представлена в якості прикладу типова спектрограмма, одержувана на ходу судном за допомогою лидара, до складу якого входив АІГ: Nd лазер ( &bdquo- = 532 нм) і оптичний багатоканальний аналізатор [34]. Відстань від лидара до поверхні океану дорівнювало 15 м.

Мал. 7.13. Спектрограма сумарного луна-сигналу, що реєструється на ходу судном за допомогою лидара [34]
Концентрація Хл в районі експерименту складала близько 2 мкг / л. Пік з максимумом на 651 нм відповідає стоксово компоненту непружного розсіювання води, смуги на 580 і 685 нм - флуоресценції фікоеритрину і Хл-а.
Ситуація істотно спрощується, якщо Стокс компонент непружно розсіяного випромінювання використовувати як нормалізує фактор, т. Е. Як своєрідний внутрішній репер [34]. Компоненти сигналу, обумовлені розсіюванням на гидрозолей і флуоресценцией ФП, після нормалізації вже не залежать ні від потужності зондуючого випромінювання, ні від висоти лидара над поверхнею води, ні від ряду інших параметрів.
Дослідження, проведені на різних об`єктах, дозволили виділити параметри флуоресценції, пропорційні концентрації Хл-а навіть при насиченні флуоресценції, яке спостерігається при роботі з потужними імпульсними лидара [35]. Помилка визначення концентрації ФП при цьому ще досить велика - близько 10-15%. Підвищення точності, можливо, вдасться домогтися шляхом застосування перебудовуються лазерів і проведення вимірювань на різних довжинах хвиль. Необхідний також більш точний облік контуру емісійної смуги розчинених органічних речовин. Вимагають опрацювання багато методичні питання. Однак висока ефективність і перспективність використання лазерного флуоресцентного аналізу для дистанційної діагностики ФП вже не викликає сумніву.