便攜式光合-熒光測量系統——GFS-3000

 

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主要功能

• 測量光合作用、蒸騰作用、呼吸作用、葉綠素熒光（可選）

• 氣體交換和熒光參數的光響應曲線和 CO2 響應曲線

• 同步測量 CO2 氣體交換與其它光合指標

 

測量參數

凈光合速率，呼吸速率，蒸騰速率，氣孔導度，胞間二氧化碳濃度，葉綠素熒光參數（可選）等

 

應用領域

植物生理、植物生態、農學、林學、園藝學等。

 

主要技術參數

CO2/H2O分析器

• CO2 測量：兩個絕對獨立的測量探頭，測量范圍 0～5000 ppm，分辨率 0.01 ppm。

• H2O 測量：兩個絕對獨立的測量探頭，測量范圍 0～75000 ppm，分辨率 0.01 ppm。

• 絕對模式下的最大噪音：CO2 < 0.2 ppm（0.2 μmol mol-1）；H2O < 30 ppm（30 μmol mol-1）。

• 氣壓測量：范圍：60～110 kPa；精度：±0.1%。

• 流速測量：熱氣流計，范圍 0～1500 μmol s-1；精度：±1%。

• 用戶面板：全新彩色觸摸顯示屏，安裝專為嵌入式系統設計的 Windows 操作系統。背景光 7 級可調，陽光下能清晰顯示。觸摸屏可用手指直接操作，也可用附帶的塑料觸摸筆操作。有效顯示面積 10 cm × 13 cm。

• CO2 控制：通過熱動式調節閥控制 CO2 濃度，范圍 0～2000 ppm；CO2 可由 CO2 小鋼瓶（通過 CO2 注入系統）或外接罐裝大鋼瓶（通過減壓閥）提供。

• H2O 控制：獨特的干、濕雙重控制系統，無論葉室內空氣過度干燥或濕潤，均可迅速調節到所需濕度；范圍 0～100 % rh（非冷凝）。

• 電源供應：14.4V/6.7 Ah 96Wh可充電eSMART電池，2塊電池即可運行機器，標配 4塊，可不間斷測量更換電池；可外接交流電適配器 3020-N。

• 工作時間：2 塊電池工作時間~4.5小時，4塊電池，2組，工作時間 ～9 小時，可選擇加配電池。

• 工作溫度： -5℃ ～＋45℃。

 

葉室

• 溫度測量范圍： -10℃ ～＋50℃，精度 ±0.1℃。

• 溫度控制：3 種控溫模式：（控制）葉室溫度跟隨環境溫度變化；設定恒定葉室溫度（葉片溫度可變）；設定恒定葉片溫度（葉室溫度可變）。葉室溫度可控范圍：低于環境溫度 10℃ ～＋50℃。

• 葉片溫度測量：熱電耦，測量范圍 -10℃ ～＋50℃，精度 ±0.2℃。

• 外置光量子傳感器：測量光合有效輻射（PAR），測量范圍 0～2500 μmol m-2 s-1，精度 ±5％，Cosine 校正。

• 葉室內置光量子傳感器：測量光合有效輻射（PAR），測量范圍 0～2500 μmol m-2 s-1，精度 ±10％。兩個傳感器，分別測量葉片正面和背面 PAR 變化。

• 葉室通風系統：葉室上、下部各有一個風扇，由各自獨立的電機控制，速度可調，可對葉室（葉片）上、下部分別通風，保證葉室內氣體均勻混合。

• 葉面積：標準 8 cm2，更換配件后可選擇測量面積 1～12.5 cm2，可適應不同的葉形。

• 葉室體積：標準40 ml。

• 工作溫度： -5℃ ～＋45℃。

 

紅藍LED光源

設計：24 個紅色發光二極管（LED）和 2 個藍色 LED 組成的 LED 陣列。

光強范圍：0～2000 μmol m-2 s-1，92% 的紅光（650 nm）和 8% 的藍光（470 nm）。

光場勻質性： ±20%

葉面積：8 cm2

電量消耗：最大 5 W

工作溫度： -5℃ ～＋45℃ 

 

全方位的PAR測量設計

GFS-3000 系統具備全方位的 PAR 測量設計：三個 PAR 傳感器（下圖紅圈部分），分別測量環境 PAR，葉室內部葉片正面 PAR，以及葉室內部葉片背面 PAR。本設計的優點在于不會忽略葉片背面的光合作用測量。 

  

全方位的溫度測量設計

獨特的四溫度測量設計：

•  Tleaf：熱電偶，測量葉片溫度

•  Tcuv：Pt-100 熱敏電阻，測量葉室溫度

•  Tamb：Pt-100 熱敏電阻，測量環境溫度

•  Ttop：Pt-100 熱敏電阻，測量葉室上部溫度

 

 

多種葉室可供選擇

GFS-3000 標準葉室的設計允許快速、簡便的更換各種滿足特殊需要的葉室。紅藍 LED 光源 3040-L 可與所有葉室連接使用。

 

標準葉室

適合多數葉片，標準測量面積 8 cm2，可更換配件滿足 1～12.5 cm2 的測量面積。 

 

柱狀葉室

適合地衣、苔蘚、土壤樣品和小動物等。

 

針葉葉室

適合各種針葉植物葉片或小枝條。

 

擬南芥植株葉室

大容積，可放進（盆）直徑 55 cm～70 mm 的盆栽擬南芥或其它小植株。

 

同步測量植物 CO2 氣體交換與其它光合指標的解決方案

光合作用是地球上重要的化學反應之一，是整個生物圈物質循環與能量流動的基礎。測量生物的光合作用一直是科研界的熱點。

傳統的光合作用測量主要包括調制葉綠素熒光（PAM 技術）、CO2 氣體交換和光合放氧三大技術，幾十年來在國際科研界均得到了廣泛應用。由于調制葉綠素熒光和 CO2 氣體交換都可以做到無損、原位、活體測量，對同一個樣品可以進行長期的脅迫處理研究（光合放氧需要破碎葉片），因此應用更廣泛一些。

此外，還有一種差式吸收技術，可以通過測量光合組分在氧化還原（或加亞基、去亞基）過程中的差式吸收來反映他們的活性。如通過測量光系統 I 反應中心葉綠素 P700 的差式吸收來測量光系統I的活性（DUAL-PAM-100），通過測量 P515/535 的差式吸收來測量跨膜質子梯度 ΔpH 和玉米黃素（Zea）的變化（DUAL-PAM-100 的 P515/535 模塊），通過測量 500-570 nm 的差式吸收來測量 C550、Cyt b559、Cyt b563、Cyt c556、Cyt c6、Cyt f 等的活性變化（KLAS-100）。這種技術信號弱、難度高，但也具有無損、原位、活體測量的特點。隨著雙通道 PAM-100 測量系統 DUAL-PAM-100 的大規模商業化生產，差式吸收技術已在國際光合作用學界得到廣泛應用。

更加可喜的是，可以同步測量 C550、Cyt b559、Cyt b563、Cyt c556、Cyt c6、Cyt f、P515、Scatt（散射信號）、Zea（玉米黃素）等活性的動態 LED 陣列差示吸收光譜儀 KLAS-100 也已研發成功，大大拓展了差示吸收技術在光合作用研究領域的應用。

除了利用上述幾種技術進行單獨測量外，從上世紀 80 年代后期，逐漸開始了兩種技術的同步測量，如同步測量調制葉綠素熒光與 CO2 氣體交換、同步測量調制葉綠素熒光與光合放氧等。

隨著技術的進步，有越來越多的指標可以同步測量，而且即使是兩種指標的同步測量（如調制葉綠素熒光與 CO2 氣體交換），也可以有多種測量模式可供選擇。

德國 WALZ 公司擁有 CO2 氣體交換、調制葉綠素熒光和差式吸收三種核心技術。為了方便廣大科研工作者更深入的了解各種光合作用的同步測量技術，澤泉生態開放實驗室（Zealquest Laboratory for Ecological Research）總結出了一套 CO2 氣體交換與其它光合指標的同步測量解決方案，希望能為相關單位提供參考。

 

方案功能與設備

 

CO2 氣體交換與調制葉綠素熒光、差式吸收等技術的同步測量，有很多模式可供選擇。下面將根據技術難度從低到高的順序，分 5 方面進行介紹。

 

同步測量一：同步測量 CO2 氣體交換與葉綠素熒光

CO2氣體交換與葉綠素熒光的同步測量，主要有以下幾種模式：

模式一（GFS-3000/FL）：便攜式光合儀 GFS-3000 連接熒光附件 3057-FL，在儀器提供的人工光下同步測量氣體交換與葉綠素熒光。3057-FL 不能單獨使用。		模式二（GFS-3000/F）：便攜式光合儀 GFS-3000 連接熒光附件 3050-F，在自然光下或人工光下同步測量氣體交換與葉綠素熒光。3050-F 不能單獨使用。
模式三（GFS-3000/M）：便攜式光合儀 GFS-3000 連接超便攜式調制熒光儀 MINI-PAM，在自然光下或人工光下同步測量氣體交換與葉綠素熒光。MINI-PAM 可單獨使用。		模式四（GFS-3000/J）：便攜式光合儀 GFS-3000 連接基礎型調制熒光儀 JUNIOR-PAM，在自然光下或人工光下同步測量氣體交換與葉綠素熒光。JUNIOR-PAM 可單獨使用。

 

上述 4 種模式可以根據需要靈活選擇，特別是模式三，既可同步測量，也可分開測量。由于光合儀比較沉重，在許多條件苛刻的場合就可以攜帶極便攜的 MINI-PAM 進行測量。

 

同步測量二：同步測量 CO2 氣體交換與葉綠素熒光成像

CO2 氣體交換與葉綠素熒光成像的同步測量，主要有一下幾種模式【技術文獻見“代表文獻”部分】。

模式一：與 MINI-IMAGING-PAM 聯用 測量面積 2 x 3.2 cm		模式二：與 MAXI-IMAGING-PAM 聯用 測量面積 10 x 13 cm
GFS-3000/IM-MINI 連接標準測量葉室，適合大多數樣品測量。
GFS-3000/IM-MINI-Arabidopsis 連接擬南芥整株葉室，適合小植株的整株測量。		GFS-3000/IM-MAXI 連接特制大葉室，適合大型葉片的測量。

 

由于 M 系列 IMAGING-PAM 可以共用一個主機分別連接多個測量面積不同的探頭（MAXI-，MINI-，MICROSCOPY-），而 GFS-3000 又有多種葉室可供選擇，這就極大豐富了同步測量 CO2 氣體交換與葉綠素熒光成像的模式。如分別與 IMAGING-PAM 的 MAXI- 和 MINI- 探頭連接，就可在不同的測量面積上同步測量。另外，與擬南芥整株葉室結合，就可測量小植株的整株氣體交換和熒光成像。

GFS-3000 設計的一個重要特點就是，標準葉室、柱狀葉室、針葉/簇狀葉室、擬南芥整株葉室的上表面是相同的，都可以與 MINI-IMAGING-PAM 結合使用，更進一步擴大了同步測量的應用范圍。

 

同步測量三：同步測量 CO2 氣體交換、P700 與葉綠素熒光

光合儀 GFS-3000 與 DUAL-PAM-100 測量系統聯用，完美實現了氣體交換、葉綠素熒光與差式吸收同步測量。同步測量 CO2 氣體交換與 葉綠素熒光和P700 。

 

系統組成 

DUAL-PAM-100	3010-DUAL	GFS-3000
GFS-DUAL

 

主要功能

• 同步測量 P700、葉綠素熒光與氣體交換

• 同步測量 P700、葉綠素熒光與氣體交換的暗-光誘導曲線

• 同步測量 P700、葉綠素熒光與氣體交換的光響應曲線和 CO2 響應曲線

• 典型的氣體交換測量，如光合作用、蒸騰作用、呼吸作用

• 典型的葉綠素熒光測量，如誘導曲線、快速光曲線、淬滅分析、暗馳豫等

• 典型的 P700 曲線測量

• 葉綠素熒光與 P700 的快速誘導動力學等

• 編程進行復雜的同步或獨立測量

 

測量參數

• PS II 參數：Fo, Fm, F, Fm’, Fv/Fm, Y(II), Fo’, qP, qL, qN, NPQ, Y(NPQ), Y(NO) 和 ETR(II) 等

• PS I 參數：P700, Pm, Pm’, P700red, Y(I), Y(ND), Y(NA) 和 ETR(I) 等

• 氣體交換參數：參比室和樣品室的 CO2 絕對值（CO2abs，CO2sam），參比室和樣品室的 H2O 絕對值（H2Oabs，H2Osam），流速（gas flow），環境氣壓（Pamb），葉室溫度（Tcuv），葉片溫度（Tleaf），環境溫度（Tamb），環境 PAR（PARamb），葉室內葉片正面 PAR（PARtop），葉室內葉片背面 PAR（PARbot），葉室相對濕度（rH），蒸騰速率（E），水氣壓飽和虧（VPD），葉片氣孔導度（GH2O），凈光合速率（A），胞間 CO2 濃度（Ci），環境 CO2 濃度（Ca），植物水分利用效率，CO2 響應曲線，光響應曲線等

 

DUAL-PAM 氣體交換葉室——3010-DUAL

3010-DUAL	3010-DUAL 與 DUAL-PAM-100 的測量頭連接

 

專為 DUAL-PAM-100 與 GFS-3000 的同步測量設計，由特制葉室（帶溫度和 PAR 傳感器）、風扇、導光桿、電子盒與支架構成。同步測量時，光源完全由 DUAL-PAM-100 的測量頭提供，氣體交換由 GFS-3000 的紅外分析器檢測，P700和葉綠素熒光由 DUAL-PAM-100 的檢測器測量。

 

需要注意的是，3010-DUAL 可以連接 DUAL-PAM-100 的 DUAL-DB 測量頭，但不能連接 DUAL-DR 測量頭。DUAL-DR 的光學單元太復雜，連接 3010-DUAL 容易損傷 DUAL-DR。

 

測量實例

下面的兩個圖是以洋常春藤（Hedera helix）為材料，利用本系統同步測量的 P700、葉綠素熒光和氣體交換的誘導曲線。

洋常春藤（Hedera helix）的 P700（藍色）和葉綠素熒光（紅色）的誘導曲線

洋常春藤（Hedera helix）的凈光合速率（紅色）和氣孔導度（藍色）的誘導曲線

 

 

同步測量四：同步測量 CO2 氣體交換與跨膜質子動力勢（pmf）、跨膜質子梯度（ΔpH） 、跨膜電位（ΔΨ）和玉米黃素（Zea）

 

P515/535 模塊是 WALZ 公司為 DUAL-PAM-100 設計的測量模塊，可以直接連接 DUAL-PAM-100 的主機，測量 550-510 nm 的差式吸收以及 535 nm 波長的信號變化。P515/535 模塊可以測量光合器官的跨膜質子動力勢（pmf）、跨膜電位（Δψ）、跨膜質子梯度（ΔpH）和玉米黃素（Zea）變化等內容。此外，該模塊還提供一種特殊的 “P515 Flux” 操作模式，可讓光化光以光-暗脈沖形式打開-關閉（1/1調制光/暗），原位測量活體樣品處于穩態的偶聯電子和質子的流動速率。

GFS-3000 通過專用氣體交換葉室 3010-DUAL 與 DUAL-PAM-100 以及 P515/535 模塊聯用后，做到了同步測量 CO2 氣體交換與跨膜質子動力勢（pmf）、跨膜質子梯度（ΔpH） 、跨膜電位（ΔΨ）和玉米黃素（Zea）。由于 ΔpH 和 Zea 都與葉黃素循環密切相關，而葉黃素循環是植物光保護的重要調節機制，再結合氣體交換指標反映的 Calvin 循環狀況，就可以非常深入的對植物光保護調節機制進行研究。

DUAL-PAM-100 P515/535 與 GFS-3000 聯用

 

 同步測量五：同步測量 CO2 氣體交換與 C550、Cyt b559、Cyt b563、Cyt c556、Cyt c6、Cyt f、P515、Scatt（散射信號）、Zea（玉米黃素）

 

傳統的差式吸收技術每次只能測量一個組分的差式吸收變化，而光合機構特別復雜，很多組分是偶聯在一起發揮作用的，幾種組分分開測量的結果難以完美表征它們在偶聯的功能體下的實際作用機制。

Schreiber 教授花費 20 年時間研制的動態 LED 陣列差式吸收光譜儀 KLAS-100 完美的解決了上述缺陷。它采用 500－570 nm的差示吸收光譜技術來同步測量光合膜上 C550、Cyt b559、Cyt b563、Cyt c556、Cyt c6、Cyt f、P515、Scatt（散射信號）、Zea（玉米黃素）等8種組分的氧化還原變化。

著名的 DUAL-PAM-100 測量系統只有兩個測量通道，而 KLAS-100 有 10 個測量通道。因此，1 臺 KLAS-100 相當于 5 臺 DUAL-PAM-100 的功能。

GFS-3000 通過 3010-DUAL 專用氣體交換葉室與 KLAS-100 聯用后，做到了同步測量 CO2 氣體交換與 C550、Cyt b559、Cyt b563、Cyt c556、Cyt c6、Cyt f、P515、Scatt（散射信號）、Zea（玉米黃素）。

這些測量指標結合在一起，可以進行非常復雜的、前人未做過的深入研究。KLAS-100 是剛剛發展成熟的一種技術，在著名的《Plant Physiology》上發表了兩篇文獻。

 

KLAS-100

 

同步測量技術選購指南

利用 GFS-3000 與其它技術（調制葉綠素熒光、差式吸收）的聯用，可以實現多種光合指標的同步測量，利用無損、原位、活體的測量進行非常復雜、深入的機理性研究。下表是實現這些測量功能的選購指南：

 

 

產地：德國 WALZ

 

代表文獻

數據來源：光合作用文獻 Endnote 數據庫

原始數據來源：Google Scholar

Grinberg, M. A., et al. (2021). "Effect of chronic β-radiation on long-distance electrical signals in wheat and their role in adaptation to heat stress." Environmental and Experimental Botany 184: 104378.

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上海澤泉科技股份有限公司（Zealquest Scientific Technology Co., Ltd.）成立于2000年，是一家專注于高端科研設備研發、系統集成、技術推廣、咨詢、銷售和科研服務的科技型技術企業。公司注冊資金3500萬元人民幣，具有進出口貿易權。

 

公司總部位于上海浦西，在北京設有分公司，在廣州、成都、武漢分別設有代表處。公司全體員工均具有高等教育背景，其中80%的技術研發、技術支持和銷售人員具有碩士和博士學位，參加過很多國家和省部級重大科研項目，具有豐富的科研工作經驗。公司曾獲得上海市高新技術企業、上海市普陀區科技小巨人企業、上海市科技型企業中華全國工商聯合會/上海市工商聯合會/上海市商會會員單位，曾是上海市專業技術服務平臺——生理生態測量與分析平臺的依托單位和上海市高新技術成果轉化項目承擔單位。2012年公司通過了ISO9001質量管理體系認證，獲得AAA級信用資質等級認定，獲得普陀區科技小巨人企業認定，成為上海市研發公共服務平臺加盟單位和“上海市工商聯合會”/“上海市商會”會員單位 。2015年獲得“專精特新”中小企業認定。2016年成為“上海市生態學學會常務理事單位”和“上海種子行業協會”會員單位，2017年成為“上海市農業工程學會理事單位”。

 

上海澤泉科技股份有限公司非常注重自主知識產權的申報和保護，公司及子公司上海乾菲諾農業科技有限公司截止2024年底已獲得發明專利8項、實用新型54項及軟件著作9項，國內外科研期刊發表科研論文20多篇。公司還參與承擔了國家自然科學基金重點項目（41030529）和水利部948項目（200907）。

 

公司秉承推進中國生態環境改善、科技興國的理念，服務涉及機器人與人工智能應用，生命科學多組學研究，植物表型與植物生理生態、生物育種技術平臺建設；土壤、環境氣象、水文水利與海洋等領域的最新技術資訊和產品解決方案，服務對象主要為各級科研單位、高校和政府機構。公司先后為科技部“973”項目和“863”項目、國家科技重大專項、國家科技支撐計劃、國家“211”工程和“985”工程、中科院知識創新工程、農業部“948”項目、水利部“948”項目等提供技術咨詢、儀器設備、系統解決方案和系統集成服務，為項目的順利完成提供了有力支持。

 

多年來，公司積極參與相關領域的學術會議，并定期舉辦相關儀器設備的技術講座和培訓班，在科研和監測領域產生了積極的反響，獲得了良好的口碑。截止2024年底，澤泉科技舉辦公開技術講座275多場，參會人員超過15000人次；同時在國內外應邀參加學術會議和展會296多次，與相關領域的客戶有非常密切的交流合作。

 

2014年2月，上海澤泉科技股份有限公司在上海浦東孫橋現代農業園區投資成立了上海乾菲諾農業科技有限公司，建設了AgriPhenoTM “高通量植物基因型-表型-育種服務平臺”，為植物科研和育種單位提供全面的樣品收集和栽培，實驗設計和項目合作，以及表型數據與生物信息學分析綜合服務。平臺成功主持了上海張江國家自主創新示范區專項發展資金重點項目“澤泉科技高通量植物基因型-表型-育種服務平臺”。作為主持單位或合作單位參與了上海市農委和科委的30多項政府科研服務項目以及商業服務項目，如科技興農種業發展項目“農作物分子育種的技術創新研究”和“青菜高通量表型圖譜標準的建立及主要性狀分析”、科技興農重點攻關項目“基于圖像分析及三維建模技術的黃瓜長勢快速評價方法研究”、 “蘭科觀賞花卉分子育種技術研究與產業化應用”等。為了緊追世界科技發展水平，開啟院企合作建立研究型平臺的創新嘗試，上海澤泉科技股份有限公司與上海市農業科學院，結合雙方各自的優勢，于2021年5月在上海農業科學院莊行試驗站聯合成立“上海市農業科學院莊行綜合試驗站澤泉科技植物表型技術研究平臺”，AgriPhenoTM平臺從上海浦東孫橋現代農業園區整體遷出，并入新建的植物表型技術研究平臺。目前平臺除擁有無人機表型平臺、溫室型和實驗室型高通量表型分析系統外，還擁有現代化溫室、生物學實驗室、植物生理生態測量設備、農業氣象測量系統和專業的數據庫平臺，已經具備了對植物、動物基因測序與植物表型研究的各類條件。可以承擔高通量DNA提取、基因測序服務、分子輔助育種、植物生理生態研究等科研實驗任務。同時可以為植物功能基因組、農業育種家提供高通量植物基因型測試、高通量植物表型測試和植物基因型-表型生物信息學數據分析等開放式服務。

 

近年來，隨著“生物技術+人工智能+大數據、信息技術”為特征的第四次種業科技革命不斷孕育，國際大型種業公司規模不斷擴大，種業市場集中度持續提高。生物育種是種業創新的核心，構建現代生物育種創新體系，強化種質資源深度挖掘，突破前沿育種關鍵技術，培育戰略性新品種，實現種業科技自強自立，是解決種源要害、打贏種業翻身仗的關鍵，也是牢牢把握住糧食安全主動權的根本保障。在這個大背景下，2022年9月，北大荒墾豐種業、上海澤泉科技聯合成立北大荒墾豐種業-澤泉科技生物技術與表型服務中心（KA-BPSC），集中優勢資源、整合集體力量，為解決種業種源“卡脖子”技術難題，打贏種業翻身仗貢獻力量。

 

展望未來，上海澤泉科技股份有限公司希望在社會多方資源的支持和關懷下，不斷提升自己，為社會提供更多、更優秀的產品和一流的服務！