紅外線氣體分析儀

紅外線氣體分析儀第1頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四植物生命活動中的三個重要過程：光合作用、呼吸作用與光呼吸作用，分別伴隨著CO2的吸收和釋放。三者變化總結果與相互關系可由下式表示：

CO2＋H2O光合作用

［CH2O］+O2

(光)呼吸作用因此，CO2分析一直是研究這三個過程的基本測定技術。在目前所有的CO2分析技術（檢壓法、酸堿滴定，pH比色法，電導法，氣相色譜法，放射性(14C）及穩(wěn)定性（13C）同位素法，CO2電極法，紅外線分析法等）中，紅外線CO2分析法是最有效的一種手段。它具有靈敏度高、反應迅速，抗干擾性強，操作方便，可以進行活體的、連續(xù)的測定等突出優(yōu)點，因而被廣泛應用于農業(yè)測定和科學研究中。第2頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四20世紀50年代國外已設計制造出紅外線C02氣體分析儀我國在20世紀70年代也制造出了紅外線C02氣體分析儀，并用于植物C02代謝的生理活動過程的測定。隨著科學技術的發(fā)展，電子計算機技術的滲入，紅外線C02氣體分析儀的性能不斷提高，并與其它測量技術結合，開發(fā)出便攜式、光溫氣能調控的光合作用分析系統(tǒng)，如美國LI-COR生產的LI-6400、英國ADC公司生產的LCA-4光合作用分析系統(tǒng)。第3頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四這些儀器能單人提著攜帶到野外工作，能測定光合速率、呼吸速率、蒸騰速率、氣孔導度等植物的生理參數(shù)，同時還能測定環(huán)境中光強、溫度、濕度等參數(shù)，操作十分方便，用葉室夾一片葉，在操作面板上按一下鍵，在數(shù)分鐘內就能把上述參數(shù)測完并儲存好。LI-6200光合作用分析系統(tǒng)LCA-4光合作用分析系統(tǒng)第4頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四劍葉的光合速率用LI-6400光合作用測定系統(tǒng)測定。測定條件∶溫度為25～30℃，基始CO2濃度為350ppm。葉室測定裝置

第5頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)紅外線氣體分析儀的工作原理與儀器結構一、氣體對紅外的吸收不同分子結構的各種物質具有對光波（電磁輻射）選擇吸收的特點。當用一束具有連續(xù)波長的光照射分子時，分子會選擇地吸收某波長的光子而產生能量躍遷。由異原子組成的氣體分子（如CO2、CO、CH3、SO2、H2O等），對紅外線有強烈的吸收。例如CO2在中紅外波段區(qū)在4.3μ和15μ處有兩個強吸收峰。第6頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四圖1氣體對紅外吸收示意圖氣體對紅外輻射的吸收程度可用比耳－朗伯定律來表示：

E＝E0e-KCl……（1）E0:入射光能量E:透過光能量K:氣體吸收系數(shù)C:氣體摩爾濃度或質量/體積濃度l:氣體層厚度第7頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四光束通過氣體層后被吸收的能量△E則為△E＝E0-E＝E0(1-e-KCl)……(2)(2)式表明,對于某一氣體而言,當選定吸收波長和氣體層厚度(l)之后，其紅外光吸收的能量△E將與氣體的濃度C有單值對應的指數(shù)關系。當KCl的數(shù)值很小時∵E-KCl≈1-KCl

∴△E＝E0-E＝E0(1-e-KCl)≈E0[1-(1-KCl)]＝E0KCl………………(3)

（3）式表明，氣體濃度較小時，紅外光吸收的能量△E將與氣體濃度有對應的線性關系（圖2）。圖2紅外光吸收能量與氣體濃度的關系由圖2可見，當直接或間接測得△E時，便可知氣體濃度C，這就是紅外氣體分析儀的理論基礎。第8頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四一臺紅外線C02氣體分析儀由三個基本部分組成：紅外線輻射源、氣室和檢測器(圖3)。氣室中有C02存在時會減少到達檢測器的輻射，從而減少檢測器的輸出信號。圖3紅外線C02氣體分析儀基本結構示意圖來自源(S)的紅外輻射通過氣室(C)，氣室有1個入口(I)和1個出口(Q)，這兩個口允許被分析氣體連續(xù)地流過，經過氣室的紅外輻射被濾光片(F)過濾，一般只讓4.3nm波段輻射通過，然后到達檢測器(D)。檢測器的信號被整流、放大(RA)，最后由顯示器顯示。二、紅外線C02氣體分析儀的結構第9頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四1.紅外線輻射源光源要求：①輻射的光譜成分要穩(wěn)定；②輻射的能量大部分集中在待測氣體特征吸收波段；③輻射光最好能平行于氣室中心入射；④光源壽命長，熱穩(wěn)定性好，抗氧化性好，金屬蒸發(fā)物要少；⑤光源燈絲在加熱過程中不能釋放有害氣體。典型的紅外線輻射源是由鎳鉻合金或鎢絲繞制成的螺旋絲，用低電壓源加熱，溫度升至600～800℃之間發(fā)出暗紅色光，發(fā)射出0.7～7μm的連續(xù)波長的紅外光。第10頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四2.氣室大部分紅外線CO2氣體分析儀是雙光束和雙氣室的，即有等量的紅外線輻射通過兩個平行的氣室，一個為分析氣室，另一個作為參比氣室(圖4)。圖4具有并列式檢測室的雙光束紅外線CO2氣體分析儀光路部分結構示意圖來自兩個輻射源S1和S2的輻射同時被切光片C斬波，以便使通過分析氣室A和參比氣室B的輻射同時到達檢測室的1和2的兩個小室，檢測室的1和2的兩個小室并列，被由電容器D的動片分開。第11頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四分析氣室是一個通過氣室，即有連續(xù)的樣品氣流通過這個氣室，參比氣室可以是工廠封閉的內無C02的空氣的氣室，或是充入N2的氣室；也可以做成氣體通過室，這樣可確保儀器的使用有較大的靈活性。第12頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四雙氣室紅外線CO2氣體分析儀除了能進行絕對值測量外，還具備差分測量CO2濃度的功能。而用作絕對值檢測CO2濃度使用的紅外儀和便攜式紅外儀一般為單氣室的。紅外線CO2氣體分析儀氣室要求透光性好，光窗材料選用透紅外線的氟化鈣晶片，內壁通常鍍金，這是為了最大限度地讓光線透過氣室。氣室兩端有進出氣口。第13頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四3.紅外線輻射能量的檢測器紅外線輻射能量的檢測器種類較多，概括起來有兩類∶薄膜微音器又稱光聲式探測器或檢測電容器，工作原理是熱輻射使動片兩側檢測室的氣壓變化，造成動片與固定電極間距離改變，引起電容量變化，從而達到檢測輻射的強度。光導檢測器一類半導體的物質，如銻化銦(InSh)，因紅外輻射引起其電阻改變而被檢測。第14頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四薄膜微音器是由金屬外殼、薄膜電容、光窗材料和引線等組成的氣室，其中薄膜電容的動片(金屬薄膜)將氣室隔成兩個小檢測室。一般檢測室中均充滿與待測氣相同的氣體，例如在CO2氣體分析儀內充一定濃度的CO2氣體。薄膜微音器大多是雙室檢測電容器，結構如圖4右側和圖5右側所示。它們的基本構造是由兩個檢測室和密封在殼體內的一個薄膜電容構成。圖4檢測器的兩個檢測室為并列式的，而圖5的兩個檢測室為串連式的。圖4圖5第15頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四在平列式檢測室結構中，穿過參比氣室的輻射進入一個檢測室，而穿過樣氣室的輻射則進入另一個檢測室，兩個檢測室都吸收位于C02吸收帶的那部分輻射，但所吸收的量與氣室吸收的量成反比，這樣，斬波輻射會引起檢測室中壓力的周期變化以及與此同時的膜振動。其振幅取決于兩個檢測室之間的壓力差，而壓力差又由樣品氣室和參比氣室之間的C02濃度來決定。膜振動振幅的變化引起電容器的容量的變化。這一容量變化與電容器兩端的電壓變化成正比，經放大后，形成輸出訊號。第16頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四光導檢測器是一類半導體的物質[如銻化銦(InSh)，因紅外輻射引起其電阻改變而被檢測。目前絕大多數(shù)紅外線C02氣體分析儀采用這一檢測原理，如國產的QGD—07型紅外線C02氣體分析儀。(InSh)第17頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)國產FQ型紅外線C02氣體分析儀的結構與使用一、結構

國內外的紅外線CO2氣體分析儀種類很多，以下介紹廣東佛山分析儀器廠生產的FQ-W型紅外線CO2氣體分析儀的結構與使用。FQ型紅外線氣體分析儀可分為分析和電子兩部分。第18頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四圖6紅外線氣體分析儀主箱體主要結構圖1.薄膜微音器2.左檢測室3.右檢測室4.校正裝置5.校正桿6.前置放大器7.調零裝置8.調零旋鈕9.參比氣室10.濾波室11.工作氣室12.切光片13.光源14.參比電機15.同步電機16.光對稱旋鈕17.相位旋鈕分析部分裝在主箱體內（圖6）第19頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四由光源1發(fā)出的紅外光經平面反射鏡2、斜面反射鏡3和4反射后分成兩束能量相等的平行光束，分別通過參比氣室6和工作氣室7而到達檢測器8的兩個對稱的接收室。參比氣室中充入不吸收紅外光的氣體（如N2）。而工作氣室中不斷通過待測氣樣，氣樣中的被測成份吸收了對應波長的一部份紅外光，這樣到達檢測電容器的兩接收室的紅外光能量就不相等了，其差值就是△E。檢測電容器8是由兩個檢測室和密封在殼體內的一個薄膜電容器構成。薄膜電容器的一個電極是個圓形金屬塊，它與殼體高度絕緣，由絕緣子引出導線；另一個電極是一片金屬薄膜它與殼體相連，并把兩個檢測室隔開。檢測電容器內充被測氣體，并加以嚴格密封。圖7儀器的測量原理

1.光源2.平面反光鏡3、4.斜面反光鏡5.切光片6.參比氣室7.工作氣室8.薄膜微音器比氣室N2工作氣室待測氣樣第20頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四經過參比氣室進入左檢測室的紅外光能量為E0，經過工作室進入右檢測室的紅外光能量為E，左右兩個檢測室內的氣體分別吸收紅外光E0和E，受熱膨脹，由于E0大于E，故左檢測室的溫度稍高于右檢測室的溫度。按氣體方程PV＝RT，左檢測室的壓力將稍高于右檢測室的壓力（其差為△P），這樣薄膜將被迫凸起，薄膜電容器的容量變?。ㄆ洳顬椤鰿）。這是檢測電容器接收紅外光的初始瞬間過程。如果紅外光保持起始狀態(tài)不變，由于聯(lián)通左右檢測室的平衡小孔的漏泄，壓力差就會緩慢消失，薄膜就回到原來位置，并保持靜止，再也沒有訊號產生了。切光片5將使這一過程發(fā)生根本性的變化。圖7儀器的測量原理

1.光源2.平面反光鏡3、4.斜面反光鏡5.切光片6.參比氣室7.工作氣室8.薄膜微音器第21頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四切光片5是一塊90度角的雙扇形黑色薄板，它以每秒3.24周的速度轉動，在每一周期中，它對光源的兩束光同時地打開兩次，切斷（遮住）兩次。當打開時，紅外光射入檢測室，薄膜向右凸起；當切斷時，薄膜回復原位。這樣薄膜產生了每秒6.48周的周期性振動，也就是薄膜電容器的容量產生了每秒6.48周的周期性變化。圖7儀器的測量原理

1.光源2.平面反光鏡3、4.斜面反光鏡5.切光片6.參比氣室7.工作氣室8.薄膜微音器第22頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四將薄膜電容器聯(lián)接在如圖8的電路中，并置以恒電壓V，當電容量變小時，電容通過的電阻R放電；當電容量復原時，U通過R對電容充電，由此，在R上就得到一個頻率為6.48周/秒的交變電訊號。由于△C來源于△P，△P來源于△E，△E來源于工作氣室中被測氣體的不同濃度，故R上的交變電訊號大小就直接反映了被測氣體的濃度。從R上得到的交變電訊號是很微弱的，一般在零點幾毫伏至幾毫伏之間，必須用電子放大器加以放大，并用標準氣體校正電訊號值與被測氣體濃度的對應關系，最后可以直接從表頭上（或記錄儀上）讀出（或記下）被測氣體的濃度。這就完成了紅外線分析儀的分析過程。圖8測量原理圖T.薄膜微音器V.恒壓電源R.電阻△C△E△P△C交變電訊號第23頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四1.分析部分

分析部分裝在主箱體內（圖6）。箱體由鋁合金鑄成，具有較好的密封性。箱門左上角裝有調零裝置的旋轉軸，蓋上圓形的保護蓋。在儀器工作過程中校對零點時，不需打開箱門，只要按下旋轉軸就可轉動調零旋鈕進行調零。校正按鈕裝在箱門的右上角，也用圓形蓋保護，在儀器工作過程中檢查靈敏度時，也不須打開箱門，只要按下校正按鈕，校正桿即動作。主箱體內各部件簡述如下圖6紅外線氣體分析儀主箱體主要結構圖1.檢測電容器2.左檢測室3.右檢測室4.校正裝置5.校正桿6.前置放大器7.調零裝置8.調零旋鈕9.參比氣室10.濾波室11.工作氣室12.切光片13.光源14.參比電機15.同步電機16.光對稱旋鈕17.相位旋鈕第24頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四(1)檢測電容器：這是儀器的關鍵部件。采用優(yōu)質銅合金或鋁合金制成。薄膜把檢測器分隔成左右兩檢測室，檢測室內壁具高光潔度。內部充以一定濃度的被測氣體后嚴格密封。一般充10%～20%的待測成分氣體。充氣濃度不能過大過小，過大會使輻射光在靠近窗口附近就被吸收掉，不能深入下層，結果部分熱量被窗口材料導去,降低靈敏度；過小則輻射能量不能被氣體充分吸收也會降低靈敏度。檢測電容器與前置放大級間用高頻電纜連接，接頭處應保持清潔干燥，以保證對檢測電容器的外殼有1019歐姆以上的絕緣電阻。檢測器是整臺儀器的心臟，要特別小心愛護，不得拆動密封部位。

第25頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四(2)氣室：氣室為管形結構，其長度隨產品規(guī)格不同而不同。一般氣室用合金銅管制成，內壁光潔度高并鍍以黃金。特殊情況下，氣室則用不銹鋼制成。對于測量光合作用的農用紅外線氣體分析儀，參比氣室也接上進出氣管，參比氣室和工作氣室可同時通氣使用。氣室的窗口材料都是氟化鈣晶片，對于密封的參比室和濾波室是不可拆的，工作氣室采用墊圈將晶片壓緊密封，擰開螺蓋，可將晶片卸下，以清除氣室內污物。使用過程中（特別是拆裝后）要經常注意檢查工作氣室和接管處的氣密性。氣室用兩件壓片固緊在支架上，松開壓片螺絲可將擬定取下或調整位置。平時要把氣室進出口關口，防止小蟲與灰塵進入。第26頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四(3)光源：FQ-W紅外線氣體分析儀光源的發(fā)光體選用直徑0.5mm的鎳鉻絲，繞成螺旋體，通7V穩(wěn)壓交流電，功率約21W，光源體溫度約730℃。鎳鉻絲外用石英管保護。由一個平面反光鏡和兩個斜面反光鏡將紅外光分為能量基本相等的兩束平行光入射氣室。光源的窗口材料是氟化鈣晶片。當發(fā)現(xiàn)光路或反射鏡污染時，可以擰下螺絲，取下反射鏡，用干凈絲綢和無水酒精抹去污物。

第27頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四(4)參比電機和同步電機：參比電機是一個四極交流發(fā)電機，由一個四極磁鋼轉子和四組定子繞組組成。同步電機的轉速為3.24周/秒、參比電機的轉子和切光片同軸，由同步電機帶動。參比電機發(fā)生6.48周/秒，電壓約6.5～7V的交流電訊號，這個訊號與放大器的最后輸出信號同頻率，并加在相敏整流電橋上作同步半波整流。參比電訊號的相位可以用相位旋鈕來調節(jié)。第28頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四(5)調零裝置：調零裝置是一塊由蝸輪帶動的偏心板，裝在主箱體內的左上角。用手旋動蝸桿，可使偏心板遮蓋參比氣室上方的部分紅外光，在調零時調節(jié)蝸桿使進入左右檢測室的兩束紅外光能量相等。配合光對旋鈕建立儀器的零點。在儀器工作過程中校對零點時，不須打開箱門，只要按下并轉動箱門左上角的旋轉軸，即可旋動蝸桿，進行零點調整。第29頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四(6)校正裝置：校正裝置主要是一個銅環(huán)，其徑向上有一銅絲。當儀器調好零點后，校正裝置動作時，銅環(huán)進入工作氣室上方，銅絲遮住了一部分紅外光，這時儀器有一指示值，此值是在儀器校準后定下來的，并寫在儀器的出廠技術數(shù)據(jù)表上，稱為“靈敏度值”?！办`敏度值”作為一個“模擬的標準氣體”提供用戶調整和檢查校正儀器的刻度時使用。第30頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四(7)光對稱旋鈕：調節(jié)切光片與光源孔的相對位置，使切光片對稱切割二束紅外光。第31頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四(8)相位旋鈕：與參比電機定子相連，轉動相位旋鈕可調節(jié)參比電機定子與切光片的相對位置，使放大器輸出訊號與參比電機輸出的參比電壓信號同相位。第32頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四(9)其它：主箱體內還裝有前置放大級和氣樣進出口以及吹洗氣進出口等。第33頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四2.電子部分：

電子部分包括電源穩(wěn)定器和電子放大器。(1)電源穩(wěn)定器

是磁飽和穩(wěn)壓器，電壓穩(wěn)定度±1%，輸入電壓允許變動范圍165～245伏。輸出電壓為220伏。(2)電子放大器

是一個高輸入阻抗的超低頻選頻放大器。由前置級、四級三極放大。具有良好的穩(wěn)定性和較低的噪音。其線路圖參考儀器說明書。(3)放大器面板

共有四個開關和2個電位器（圖7），各開關和電位器的作用分別如下：圖7放大器面板名稱1.指示表2.指示燈3.電源開關4.同步電機開關5.作用開關6.步進開關7.二次表調電位器8.增益微調電位器9.訊號檢查孔第34頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四①電源開關：它是電子放大器和光源的總開關，在電源穩(wěn)壓器正常工作后，才應打開。打開電源開關，面板指示燈亮，光源體發(fā)出紅光，電子管加熱。

②同步電機開關：它操縱同步電機啟動，帶動參比電子轉子與轉光片旋轉，控制訊號產生。③步進開關：用來改變放大器的放大倍數(shù)，可用來轉換儀器量程。量程共分1、2、3、4、5、6共六檔，由6只電阻組成一個倍增分壓器。由低檔（如2）換向高檔（如3）時，每進一檔，放大器的放大倍數(shù)增加一倍，指示表的刻度（也即量程）縮小一半。圖7放大器面板名稱1.指示表2.指示燈3.電源開關4.同步電機開關5.作用開關6.步進開關7.二次表調電位器8.增益微調電位器9.訊號檢查孔第35頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四

④作用開關：是用來檢查、調整和選擇儀器的工作狀態(tài)的。設Ａ、Ｂ、C三檔。作用開關至Ａ檔時，指示表串聯(lián)于前置級的陰極回路上，其指示值為陰極電流，這數(shù)值在出廠技術數(shù)據(jù)表上標明，它對于檢查檢測電容器的絕緣性能和前置工作狀態(tài)是很重要的。在調整與檢查儀器時，首先要把作用開關至Ａ檔。圖7放大器面板名稱1.指示表2.指示燈3.電源開關4.同步電機開關5.作用開關6.步進開關7.二次表調電位器8.增益微調電位器9.訊號檢查孔第36頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四作用開關置Ｂ檔時，放大器的輸出信號經全波整流后輸入指示表回路中，此時斷開參比電機，只有放大器本身輸出的訊號送入橋式整流器作全波整流用。Ｂ檔的作用：①檢查放大器的工作狀態(tài)，②檢查和調整光能的對稱程度。當零位及光同步均調好時，檢測器無訊號輸入放大器，放大器也就沒有電流輸給安培表，調整“調零旋鈕”及“光同步旋鈕”可使表接近零。調零旋鈕調節(jié)表頭為零時，并不是儀器真正零點，因為當兩束光不同時為切光片所切斷和打開，即使能量相等，由于光束進入檢測器的兩個檢測室有先后，薄膜仍有振動，Ｂ檔仍有指示，只有光對稱同步時，檢測電容器才處于完全靜止。因此Ｂ檔可檢查光對稱性。第37頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四作用開關置C檔時，輸出整流電路加入了參比電壓，通過對檢測器經放大后的信號進行半波相敏輸出，指示出待測氣體濃度，因此C檔是正常測量時的工作檔。在測量時使用。

圖7放大器面板名稱1.指示表2.指示燈3.電源開關4.同步電機開關5.作用開關6.步進開關7.二次表調電位器8.增益微調電位器9.訊號檢查孔第38頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四⑤增益微調：是放大器放大倍數(shù)的微調，配合步進開關對儀表作刻度校準用。⑥二次表調電位器：調節(jié)二次記錄儀表跟紅外儀的刻度同步。圖7放大器面板名稱1.指示表2.指示燈3.電源開關4.同步電機開關5.作用開關6.步進開關7.二次表調電位器8.增益微調電位器9.訊號檢查孔第39頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四二、電路連接電路連接法見圖8，儀器由單相220V網(wǎng)絡供電，經穩(wěn)壓器再與放大器連接，各部分之間各有專用電纜和插頭，安裝時可按插頭上的標志對號入座。圖8FQ-紅外儀電路連接示意圖第40頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四三、儀器的調整與使用調整好儀器是使用好儀器的重要條件。一臺完好的儀器，由于失調，會影響到儀器的穩(wěn)定性和準確度，甚至無法使用。在通電通氣前，應檢查分析部分各部件及相互位置是否正常。接通磁飽和穩(wěn)壓器電源，指示燈亮后，再接通面板的“電源”開關。這時可把作用開關置于Ａ檔，步時開關置任何一檔來進行預機。一般常量機預熱8小時，微量機12小時。在預機后，把作用開關置于C檔,可向工作氣室通“零氣”和標準濃度的氣體,開啟同步電機開關和記錄儀標定靈敏度。以后便可測定樣氣的濃度。第41頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)紅外線CO2氣體分析儀在植物生理學中的應用紅外線氣體分析儀應用十分廣泛。例如：在工業(yè)生產中可用來監(jiān)控冶金、熱處理、合成氨等工藝流程中的CO2、CO、CH4、NH3、SO2的濃度；測定鋼及其它合金中的含C量；檢查水煤氣中的CO2、CO、SO2等物質含量；污水中的總烴量；汽車廢氣的成分……。在農業(yè)生產方面被用于果蔬倉庫、森林、田間的不同冠層中CO2濃度分析；塑料大棚及溫室中的CO2施肥的濃度自動控制……。在植物生理學研究中，常用紅外線CO2氣體分析儀進行植物光合速率、呼吸速率、光呼吸速率的測定。我們實驗室還用于植物體內CO2濃度分析和水稻開穎的監(jiān)測等。第42頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四一、紅外線C02氣體分析儀測定植物CO2代謝的特點1.迅速準確儀器預熱、調試之后，只要將分析儀器與裝有植物的同化室相連，通氣后，可在0．5～1min之內，測定一個植物樣品的C02代謝量。第43頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四2.方法簡便測定時，只需將植物體(葉片、整株、枝條)放于特制的同化室，將同化室中的C02引入分析儀即可，無需將植物材料作切片、搗碎、離體等特殊處理。第44頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四3.整體連續(xù)由于不對植物作特殊處理，可保持植株(或材料)的完整與正常的生理狀態(tài)，其測定結果更具有實踐意義。如果把分析儀與自動記錄儀相連，還可以在無人操作下，進行較長時間的連續(xù)測定，可以獲得植物體在一段時間(幾小時、幾天)內C02代謝的動態(tài)變化。第45頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四4.智能化儀器以電信號的形式輸出，易與微機連接，實現(xiàn)自動化控制。目前較先進的光合測定系統(tǒng)全部實行微機控制，自動控制CO2、光強、溫度和空氣中的濕度等，進行各種條件下光合速率的測定。國內應用的光合測定系統(tǒng)主要有LI-6400、LCA-4等型號。第46頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四二、在植物生理學研究中的

應用例

1.光合速率測定將分析儀和裝有植物葉片的同化室按照一定的氣路系統(tǒng)連接，在田間或室內以較強的光照射下，以適當氣體流量，通氣數(shù)分鐘即可測得植物葉片吸收CO2的量。根據(jù)測定時的氣體流量、葉室溫度、同化CO2的葉片面積，就可計算出葉片的光合速率。光合速率的測定通常有三種氣路系統(tǒng)。（1）封閉系統(tǒng)（2）半封閉系統(tǒng)（3）開放系統(tǒng)第47頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四（1）封閉系統(tǒng)在封閉系統(tǒng)中，從裝著葉片或植株的葉室中抽出空氣，送入紅外分析儀（IRGA），這個分析儀連續(xù)記錄系統(tǒng)中的CO2濃度（圖16），然后空氣又從分析儀回到葉室。整個氣路成為1個封閉的循環(huán)系統(tǒng)。圖16封閉系統(tǒng)中空氣流程的示意圖

C．葉室；D．支路中的干燥器；IRGA紅外氣體分析儀。P．氣泵第48頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四如果葉室的葉片正在進行光合作用，那么系統(tǒng)中的CO2濃度將不斷下降，直到達到光合作用的CO2補償點。實際測定時，只允許葉室中CO2濃度比周圍空氣中的CO2濃度水平下降30μmol.mol-1左右。封閉系統(tǒng)內單位時間里的CO2變化量等于CO2同化速率（A），并且可以用下式來確定：

C1和C2分別是時間t1和t2時系統(tǒng)中的CO2分壓（μmol.mol-1）,v是封閉系統(tǒng)的總體積（ml），22.4ml是1molCO2在標準溫（273.13k）、壓（101.325Pa）下所占的體積A=第49頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四（2）半封閉系統(tǒng)半封閉系統(tǒng)也稱補償系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以使葉室中CO2濃度（Ca）保持恒定，以便測定穩(wěn)態(tài)A。在這個系統(tǒng)中，用IRGA指示系統(tǒng)中的CO2濃度，控制進入系統(tǒng)的CO2流量，使其流入速率正好等于葉片的吸收速率（圖17）。圖17半封閉系統(tǒng)中空氣流程的示意圖

C.葉室；D.支路中的干燥器；F.熱質流量計及其控制器；G.壓縮CO2氣瓶；IRGA.紅外氣體分析儀；P.氣泵。葉室中葉片的光合作用引起CO2濃度的下降，IRGA測定這一變化并打開控制器，記下流經這個系統(tǒng)的CO2數(shù)量（F）。第50頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四實際的控制是，當進行光合的葉片消耗掉CO2時，IRGA測到的Ca下降啟動系統(tǒng)中的CO2供應部件，使其供應速率剛好能保持系統(tǒng)Ca的恒定。式中，f0為進入系統(tǒng)的CO2摩爾流速（μmol.s-1）,s為封閉在系統(tǒng)中的葉面積（m2）。

A=

第51頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四（3）開放系統(tǒng)在開放系統(tǒng)中氣流流過系統(tǒng)（圖18）。用IRGA測量同化室入口（Ce）和出口（C0）之間CO2摩爾分數(shù)值之差。用氣泵（P）把外面的空氣引進這個系統(tǒng)，然后進入配氣系統(tǒng)（AC），以便控制濕度和氣體濃度。氣流進入?yún)⒈仁液蛶讉€葉室。每個葉室都由各自的質量流量計和流速控制器（F）控制。來自每個葉室（C）空氣進入一個樣品選擇器（S）讓來自每個葉室的空氣依次進入一個差分紅外分析儀（IRGA）。這些儀器通過參比（r）氣流比較測出流過葉片的空氣水汽和CO2濃度變化。一般這種系統(tǒng)收集的大量資料送入一個資料貯存器（D）。圖18具有多葉室的開發(fā)系統(tǒng)中空氣流程示意圖第52頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四

如果空氣進入IRGA之前不作干燥處理，則必須考慮水汽對CO2通量的影響?？諝饬鹘浫~片時水汽含量的增加會從個方面影響上式中A的計算。如果空氣進入IRGA之前作過干燥處理，A可按以下公式計算：A=第53頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四2.光補償點測定將植物放在同化室內，以由高到低的不同光照強度處理，并分別測定在各光照強度下的CO2變化量。當測得某一光強下進出同化室內C02的濃度不變(即植物呼吸釋放的CO2和光合作用吸收的C02相等)時，此時的光強即為待測材料的光補償點。第54頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四3.光飽和點測定將植物置同化室內，由低到高變化光照強度，并分別測定該植物的光合速率。起初植物的光合速率隨光強的提高而增高，但當光強提高到某一高強度時，光合速率不再增高，如果再提高，則光合速率不變，甚至下降，那么達到最大光合速率時最低的光照強度即為該植物的光飽和點。第55頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四4.CO2補償點測定將植物葉片置同化室內，同化室與分析儀連成封閉氣路。以飽和光強照射同化室內的葉片。葉片因光合作用會使封閉體系中的C02濃度降至C02補償點，當體系中C02濃度不變時，也就是葉片的呼吸作用釋放C02的量與光合作用吸收的C02量相等時，則此時儀器指示的C02濃度即為該植物的C02補償點(見實驗2)。也可將植物材料放在一透光的密閉容器里，讓其進行光合作用，使密閉容器中的C02濃度降至C02補償點，然后用針筒抽取密閉容器中的氣體，將此樣氣輸入C02分析儀測定C02濃度，樣氣的C02濃度即為植物材料的C02補償點。第56頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四5.光呼吸速率測定植物的光呼吸是綠色細胞在光下吸收氧氣和釋放CO2的反應。用紅外線CO2氣體分析儀測定植物葉片光呼吸速率通常有以下幾種方法：(1)測定斷光瞬間的CO2猝發(fā)量；(2)測定光下向無CO2氣流中CO2釋放量；(3)外推[CO2]一光合曲線，求算CO2濃度為零時光合速率；(4)測定低氧下表觀光合的促進量(見實驗2)。其中測定較為方便，且應用得最多的是測定光下葉片向無CO2氣流中CO2釋放量。第57頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四6.田間光合速率測定一般攜帶式分析儀均可直接在田間獲得測定結果。應用FQ-W型紅外儀測定田間作物的光合速率，必須采用大氣采樣器和無縫塑料袋，從田間植物體取得樣氣(經過待測植物同化C02后的氣體)和對照氣(未經過植物同化C02的氣體)，帶入室內測定兩者C02濃度的差值。根據(jù)C02濃度的差值、參與光合的面積、氣流速度以及田間氣溫再計算光合速率。第58頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四7.測定植物的呼吸速率將待測植物放置在葉室中，對葉室遮光，用紅外線CO2氣體分析儀測定進出葉室氣體的C02濃度的差值，根據(jù)此C02濃度的差值、氣體流量、室內溫度和植物葉片面積或植物材料的重量來計算呼吸速率(見實驗1)。除上以外，我們實驗室還用紅外線C02氣體分析儀測定植物