CC BY
35
УДК 535.243:57.087
ИЗМЕНЕНИЕ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СЕМЯН ПШЕНИЦЫ В ПРОЦЕССЕ СОЗРЕВАНИЯ
БЕЛЯКОВ М.В.,
кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой оптико-электронных систем филиала федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» в г. Смоленске; E-mail: [email protected], +79203030916.
Ключевые слова: семена пшеницы, спектр возбуждения, спектр люминесценции, интегральные параметры спектров, срок созревания.
Реферат. Исследованы спектральные характеристики возбуждения пэ(Х) и люминесценции фл(Х) семян пшеницы в процессе их созревания. Максимумы характеристик возбуждения, полученных при синхронном сканировании, находятся примерно на длинах волн 362, 424 и 485 нм. С увеличением срока созревания интегральные значения относительной энергии возбуждения снижаются. Установлено, что для семян молочной спелости в спектре возбуждения преобладает максимум 362 нм, для семян молочно-восковой и восковой спелости имеются примерно равнозначные максимумы 362 нм и 424 нм, а для более спелых семян наряду с 424 нм становится заметным максимум 485 нм. При этом соотношение между интегральным значением относительной энергии возбуждения на длинах волн 362 и 485нм составляет для семян молочной спелости 3,49:0,34, а для полностью спелых семян -0,57:0,79. При более точном сканировании также заметным становится пик возбуждения с Х=292 нм, но спектр люминесценции не изменяется. Наличие двух диапазонов люминесценции характерно для семян молочной, молоч-но-восковой и восковой спелостей. Спектр возбуждения спелых семян расположен в области 410-470 нм и имеет главный максимум на 424 нм; спектр люминесценции расположен в области 440-570 нм с максимумом в диапазоне 490-510 нм. Такие параметры как стоксов сдвиг ДХ, максимальные величины спектров возбуждения пэ,макс и люминесценции фл,макс и их интегральные значения Н и Ф не имеют однозначной связи со степенью спелости семян. Полученные результаты могут лечь в основу создания оптико-электронной системы контроля созревания семян зерновых.
THE CHANGE IN THE LUMINESCENT CHARACTERISTICS OF WHEAT SEEDS DURING MATURATION
BELYAKOV M.V.,
candidate of technical Sciences, Associate Professor, head of Department of optical-electronic systems branch of the "National research University "MPEI" in Smolensk; E-mail: [email protected], +79203030916.
Keywords: seeds of wheat, excitation spectrum, luminescence spectrum, the integral parameters of the spectra, maturity.
Essay. The spectral characteristics of excitation ne(X) and luminescence spectra of ф(Х) of wheat seeds during their maturation. The maxima of the excitation characteristics obtained when the synchronous scanning are approximately at the wavelengths 362, 424 and 485nm. With increasing maturity of the integrated value of the relative excitation energy is reduced. Found that, for seed milky stage in the spectrum of the excitation is dominated by the maximum of 362 nm, for seed milky-wax and wax ripeness are roughly equivalent to the highs of 362 nm and 424 nm, and for the more Mature seeds along with 424 nm is a clear peak 485 nm. The ratio between the integral value of the relative excitation energy at wavelengths of 362 and 485nm is for seed milky stage of 3.49:0.34, and fully ripe seeds of 0.57:0.79. When more precise scanning is also visible peak excitation Х=292 nm, but the spectrum of the luminescence is not affected. The presence of two luminescence bands typical for the seeds of milk, milk-wax and wax spilota. Excitation spectrum of ripe seeds is located in the region 410-470 nm and has a major maximum at 424 nm; the luminescence spectra located in the region of 440-570 nm with a maximum in the range 490-510 nm. Such parameters as Stokes shift Д, the maximum value of the excitation spectra of Пе,тах and luminescence of фь^х and overall values of H and Ф do not have a clear connection with the degree of ripeness of the seeds. The obtained results can form the basis for the creation of optical-electronic system control the ripening of crops.
Введение. Одним из основных направлений развития электротехнологий в сельскохозяйственном производстве является создание систем объективного контроля продукции растениеводства. Такие системы могут быть построены с применением оптико-электронных приборов, измеряющих люминесцентные характеристики и параметры, такие как всхожесть и влажность [1. - С. 30-33, 2. - С. 38-50]. Здесь возможно создание методики, а в дальнейшем и устройства объективного контроля созревания семян растений. В основе метода должно лежать знание характеристик и параметров возбуждения и люминесценции.
Материал и методика исследования. Для экспериментов в процессе выращивания были отобраны пар-
тии семян пшеницы сорта Скипетр с различной степенью спелости. На первом этапе были отобраны семена с молочной (41 сутки от появления всходов), молочно-восковой (56 суток) и восковой (70 суток) спелостями. В каждой из них были выделены семена с различной степенью созревания: зеленые (рисунок 1 а), серые (рисунок 1 б), коричневые (рисунок 1 в). Также были отобраны семена более поздней степени созревания - 4 (84 суток), 5 (104 суток) сроки.
Исследование спектральных люминесцентных свойств проводили на спектрофлуориметре «Флюорат-02-Панорама» по ранее разработанной методике [3.-С.18-26] в ранее установленных диапазонах [4. - С. 521525]. Из полученных партий семян отбирали по семь
образцов каждого цвета и после измерений усредняли полученные результаты.
Результаты исследования. Вначале были измерены синхронные спектры, являющиеся первым приближением спектров возбуждения Пэ(^), полученными для широкого спектрального интервала (рисунок 2).
Максимумы полученных зависимостей пэ находятся примерно на длинах волн 362 нм, 424 нм, 485 нм. Далее в программе РапогатаРго были рассчитаны интегральные значения Н в диапазонах, соответствующих областям первого (250-410 нм), второго (410-470 нм) и третьего (470-550 нм) пиков. В таблице 1 представлены как абсолютные значения рассчитанных интегралов, так и относительные, считая средний пик равным единице.
Из рисунка 2 и таблицы 1 видно, что для семян молочной и молочно-восковой спелости в спектре возбу-
ждения наиболее ярко выражены коротковолновые пики 362 и 424 нм. Причём относительный интеграл от пика 362 нм является наибольшим для семян молочной спелости, а затем он снижается, уменьшаясь на пятом сроке до половины от максимума 424 нм. Наоборот, пик 485 нм практически не заметен на первом сроке, но к пятому увеличивает своё относительное значение более, чем в 2,3 раза: с 0,34 до 0,79.
Далее измеряли уточнённые спектры возбуждения ф(Х) и люминесценции фл(Х) отобранных семян каждой спелости. По результатам измерений проводили статистическую обработку, где проводили усреднение по 20 спектрам [5. - С. 23-26]. Полученные результаты для первого и пятого сроков представлены на рисунках 3 и 4.
Рисунок 1 - Семена пшеницы молочной спелости
1Чэ,о.е. 1 /
2 / 3
/ ^ /4
Ч /5
/
25
20
10
о 200
500
550
Рисунок 2 - Спектральные характеристики возбуждения при синхронном сканировании для семян: 1 - молочной спелости, 2 - молочно-восковой спелости, 3 - восковой спелости, 4 - четвёртого срока, 5 - пятого срока
Таблица 1 - Интегральные параметры спектров синхронного сканирования семян пшеницы при созревании
Срок Значение Н, о.е. (для спектрального диапазона, нм)
250-410 410-470 470-550
1 абсолютное 2054 600 198
относительное 3,49 1 0,34
2 абсолютное 896 413 165
относительное 1,79 1 0,33
3 абсолютное 628 398 140
относительное 1,57 1 0,35
4 абсолютное 135 151 84
относительное 0,91 1 0,56
5 абсолютное 83 144 114
относительное 0,57 1 0,79
ПэФл.о-е. ■■
3 \
А.
V
X. ы
2 SO ЗОО 3SO 400 4SO SOO 550 6OO 6SO
Рисунок 3 - Спектральные характеристики возбуждения-1,3 и люминесценции -2,4 семян пшеницы молочной спелости
Рисунок 4 - Спектральные характеристики возбуждения 1 и люминесценции 2 семян пшеницы 5-го срока Таблица 2 - Результаты обработки спектров пшеницы в программе РапогатаРго
Срок спектр возбуждения ДХ,нм спектр люминесценции
Н, о.е. ^в,макс, нм Пэ,макс, °.е. Ф, о.е. ^"л,макс, нм фл,макс, °.е.
1 1128 362 9,0 82 1040 444 9,3
233 424 5,2 81 590 505 5,4
2 2206 362 19,9 85 1971 447 19,8
630 424 13,6 64 1458 488 13,2
3 272 424 4,3 74 453 498 4,4
4 401 424 6,5 66 524 490 6,3
5 391 424 5,7 85 476 509 4,9
При более точном сканировании заметным становится пик возбуждения с А=292 нм, но спектр люминесценции не изменяется. Наличие двух диапазонов люминесценции характерно для семян молочной, молочно-восковой и восковой спелостей.
В таблице 2 представлены параметры спектров: максимальные значения, интегральные значения, длины волн максимумов и стоксов сдвиг.
Хотя точное определение стоксова сдвига затруднено из-за «размытости» максимума спектра люминесценции, не выявлено однозначной зависимости величины сдвига от степени созревания семян. Также не выявлено однозначной
зависимости величины потока люминесценции от степени зрелости семян.
Выводы. Исходя из полученных результатов наиболее целесообразным представляется определять степень спелости семян по соотношению уровней люминесцентного сигнала при возбуждении излучением длин волн И=362 нм и А2=485 нм соответственно. При уменьшении этого соотношения меньше единицы семена можно считать спелыми. Полученный результат может лечь в основу создания оптико-электронной системы контроля созревания семян зерновых культур, аналогичной системе, представленной в работе [6. - С. 27-30].
Список использованных источников
1. Беляков М.В. Исследование люминесцентных свойств пшеницы и овса различной всхожести // Вестник ВИ-ЭСХ. - 2016. - № 1 (22). - С. 30-33.
2. Беляков М.В. Оптические спектральные свойства семян растений различной влажности // Вестник НГИЭИ. - 2016. - № 4(59). - С. 38-50.
3. Беляков М.В. Методика исследования люминесцентных свойств семян растений на спектрофлуориметре «Флюорат-02-Панорама» // Научная жизнь. - 2016. - № 3. - С. 18-26.
4. Беляков М.В. Типовые спектральные характеристики люминесценции семян растений // Естественные и технические науки. - 2015. - № 11. - С. 521-525.
5. Изменения спектральных свойств фотолюминесценции семян пшеницы в процессе созревания / М.В. Беляков, В.О. Булатикова, В.В. Дымкова, А.Г. Дымникова // Энергетика, информатика, инновации - 2016: Сб. трудов VI Межд. науч.-техн. конф. - Смоленск: Универсум, 2016. - Т. 2. - С. 23-26.
6. Gavrilenkov V., Belyakov M., Chulakova V. The synthesis of the optical system, the model analyzer photoluminescence // XIII International scientific and practical conference «International scientific review of the problems and prospects of modern science and education». - Chicago, USA. - International scientific review. - 2016. - № 5 (15). - P. 27- 30.
List of sources used
1. Belyakov M.V. the Study of fluorescent properties of wheat and oat variety germination // Bulletin of VIESH. -2016. - No. 1 (22). - Pp. 30-33.
2. Belyakov M.V. Optical spectral properties of seeds of different moisture content // Herald of NGIEI. - 2016. - No 4(59). - P. 38-50.
3. Belyakov M. V. Methods of research of luminescent properties of plant seeds on the spectrofluorimeter "Fluorat-02-Panorama"// Scientific life. - 2016. - No. 3. - P. 18-26.
4. Belyakov M. V. Model the spectral characteristics of the luminescence of seed plants // Natural and technical Sciences. - 2015. - No. 11. - P. 521-525.
5. Changes in the spectral properties of photoluminescence of wheat seeds during the ripening process / M.V. Belyakov, V.O. Bulatikova, V.V. Dimkova, A.G. Dymnikova // Power, Informatics, innovations. - 2016: Sat. proceedings of the VI Int. scientific.-tech. Conf. - Smolensk: Universum, 2016. - Vol. 2. - Pp. 23-26.
6. Gavrilenkov V., Belyakov M., Chulakova V. The synthesis of the optical system, the model analyzer photoluminescence // XIII International scientific and practical conference "International scientific review of the problems and prospects of modern science and education". - Chicago, USA. - International scientific review. - 2016. - No 5 (15). - P. 27- 30.
