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THz | 太赫兹技术的植物学应用-叶片含水量检测
2021年09月07日

如今,太赫兹光谱的应用可谓令人眼花缭乱,从探测非法毒品、假药到检测植物的水含量,甚至到鉴别危险气体,太赫兹光谱技术都大有作为。如此之神通广大的根本原因还是要归根于太赫兹辐射本身的特性。太赫兹频率处于远红外和微波之间,具有非常特别的成像能力,在光谱非损伤性检测领域具有举足轻重的价值。

水:是太赫兹的朋友还是敌人?

起初,水仿佛是太赫兹波的敌人,因为在太赫兹频段中,水具有很强的吸收性。基本上在整个太赫兹频段,水蒸汽都具有明显吸收线,而液态水不但没有显示任何峰值,而且还会引起宽波段衰减。但是,从另外一个角度来说,当我们检测的样本含水量比较丰富的时候,水就摇身一变,从敌人变成了朋友。利用水对太赫兹波吸收性强的特性,在成像过程中水就如同造影剂一般,样本中含水量的细微差别,在太赫兹频段检测中就可以出现明显不同。德国马尔堡大学(University of Marburg)Martin Koch教授负责的研究团队通过利用TDS系统来测量植物中的水分含量,从而实现灌溉的最优化。

植物叶片在采摘8小时后的太赫兹水分传输成像

深蓝色部分表明高水分含量

叶片作为植物进行光合作用和蒸腾作用的主要器官,其发育状况对作物生长、抗逆性及产量、品质形成的影响很大,是研究生理生化、遗传育种、作物栽培等需要考虑的内容。对于植物学家来说,叶片组织中水分的含量对植物具有举足轻重的意义,这也是一般农作物生长是否茁壮与健康的重要标志。

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袁隆平在田间观察杂交水稻籽粒和叶片长势

叶片含水量是植物健康状况的重要衡量指标之一,通过对植物叶片中水分含量的检测,对植物进行健康状况诊断,实施科学合理的水分灌溉,可以提高植物对水分的利用率。水作为极性分子,其的振动和旋转状态之间的跃迁落在电磁波谱的太赫兹区域,且与微波频率相比,太赫兹辐射可以提供更高分辨率的成像;与紫外线和X射线相比,太赫兹波无电离辐射,因此用太赫兹测量植物叶片水含量分析具有极好的前景。太赫兹波对样品水分变化非常敏感,根据叶片不同位置处水分含量的不同,能利用太赫兹时域光谱技术对植物叶片进行成像并进行深入研究。

利用太赫兹透射光谱技术检测油菜叶片含水率

在当前全球气候变化并要求节约用水的情况下,了解植物对水的反应变得越来越紧迫。确定整株植物、器官、冠层和区域组织水分状况,从而分析植物的干旱响应和需水量,对确保粮食安全以及农业和城市用水的可持续性具有重要意义。

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青源峰达太赫兹科技团队选取了3种不同的植物叶片进行了太赫兹成像,分别是枫树叶片、龙柏叶片和金边黄杨叶片。通过测量结果可以看出龙柏叶片因为属于针状叶片,具有较强的储水能力,对太赫兹波的吸收能力也最强;金边黄杨叶片属革质叶片,对太赫兹波具有一定的吸收能力,但其中的脉络仍然可见;枫树属北温带地区乔木,其叶片大而薄,单位面积水分含量较少,对太赫兹波吸收较弱,经太赫兹成像后其脉络清晰可见。通过这三种叶片的太赫兹成像对比,可以看出三种含水量不同的叶片在太赫兹波段下呈现了明显的差别,为植物研究带来极大的意义。

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