CC BY
22
УДК 535.37
СТАТИСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СПЕКТРОВ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ СЕМЯН ОВОЩНЫХ РАСТЕНИЙ
М.В. Беляков
Филиал Национального исследовательского университета «МЭИ», г. Смоленск
Проведен статистический анализ спектров возбуждения и фотолюминесценции семян наиболее типичных овощных растений (тыква, томат, свекла, редис, огурец, кабачок). Они были получены ранее автором с помощью спектрофлуориметра «Флюорат-02-Панорама». С помощью программного пакета Microcal Origin проводился переход от волнового спектра к частотному спектру и были вычислены статистические параметры: математическое ожидание Мх, дисперсия о2, асимметрия As, эксцесс Ex и энергия в диапазоне длин волн. Также были рассчитаны центральные статистические моменты третьего и четвертого порядков. Величина дисперсии для всех исследованных спектров примерно одинакова. Все спектры имеют правостороннюю асимметрию (кроме люминесценции огурца) и плоскую вершину. Энергия возбуждения является наибольшей у тыквы и кабачка. Для спектров других овощных культур энергия меньше.
Ключевые слова: семена овощных растений, спектры возбуждения, спектры фотолюминесценции, статистические параметры.
В биологических и сельскохозяйственных исследованиях применяют качественный и количественный люминесцентный анализ. Качественный люминесцентный анализ проводят по спектрам люминесценции. Разновидность качественного люминесцентного анализа - сортовой анализ, который позволяет обнаруживать, невидимые при обычном освещении, различия в исследуемых объектах и используется для установления сортности и качества семян, сельскохозяйственной продукции и для других целей. Количественный люминесцентный анализ основан на зависимости интенсивности люминесценции от количества люминесцирующего вещества и свойств исследуемого объекта.
Различают флуоресцентный, фос-форесцентный и хемилюминесцентный анализы. Флуоресцентный анализ основан на образовании люминесцирующих комплексных соединений элементов с органическими реагентами. Кроме того, спектры фотолюминесценции являются одним из наиболее существенных источников данных для определения типа семян, их происхождения, дефектности и т. д. [1,2].
Целесообразно анализировать спектры, определяя их параметры, с помощью которых можно получить представление о наиболее существенных чертах спектров фотолюминесценции [3]. Для анализа использовали следующие, хорошо известные из математической статистики, числовые характеристики:
числа, характеризующие положение центра тяжести спектра - математическое ожидание М*,;
числа, характеризующие степень разбросанности длин волн люминесценции
относительно центра тяжести - дисперсия
2
О ;
числа, характеризующие степень асимметрии спектра;
числа, дающие представление о степени крутизны (островершинности) или пологости (плосковершинности) - эксцесс;
числа, характеризующие энергию люминесценции в диапазоне длин волн.
Спектры возбуждения (поглощения) и люминесценции были измерены на спектрофлуориметре Флюорат-02-
Панорама [4]. Для обработки спектров и расчета параметров использовали программу Microcal Origin7.
Рассмотрим статистические параметры спектров фотолюминесценции наиболее распространённых видов семян овощных растений: тыквы, томата, свеклы, редиса, огурца и кабачка. Спектры возбуж-
7 -|ТЪ=<рл= °-е
дения пэ(Л) и люминесценции фл(Х) тыквы представлены на рис. 1.
Далее в программе Microcal Origin была получена частотная характеристика
возбуждения семян тыквы (рис. 2).
300 350 400 450 500 550 600
Рис. 1. Спектры возбуждения (1) и люминесценции (2) семян тыквы
к. нм
650
1,0
0.8
0,6
0,4
0,2
0,0
ть, о.е
/Гц
-1-1
2,5 3,0 3.5 4,0 4.5 5.0
Рис. 2. Частотная характеристика возбуждения семян тыквы
Рассчитаем основные численные характеристики спектров М\, о2, As, Е\, Е. Для расчета математического ожидания воспользуемся формулой:
мх = ытл (1>
Определим дисперсию (о2). Для этого воспользуемся формулой:
(2)
Чтобы определить коэффициент асимметрии необходимо вычислить значение центрального статического момента 3-его порядка. Вычисления проводят по формуле:
м3 = £ГСД-«}^СЯ),£Я. О)
Определим коэффициент асимметрии по формуле:
Ая =
(4)
Найдем числовую характеристику крутости спектра - центральный статический момент 4-ого порядка по формуле:
л-йГа-«зс<ри>л. (5)
Найдем значение эксцесса по формуле:
^ =^"3; (6)
Полная энергия спектра в диапазоне длин волн определяется по формуле:
— и««*»* (7)
Построим график спектра фотолюминесценции в полярных координатах (рис.3).
Далее выполним обратное преобразование Фурье. Строим график частотной характеристики, представленный на рис.4.
24 -,
22 20 ■
13 ■ 16 ■
14 ■ 12 ■ 10 ■
3 ■ 6
4 ■ 4 ■
6 8 ■
10 ■
12 ■ 14 ■ 16 ■ 13 ■ 20 ■ 22 ■ 24 -I
150
180
- 0
210
330
270
Рис. 3. Спектр фотолюминесценции семян тыквы в полярных координатах
1,1 1,0 0,9 0,8 0.7 0,6 0,5 0,4 ■ 0,3 0,2
■ фл, О- е.
/": s
1 / г
/
/
/ ч
/
у /
/
/
у
_,_ _,_ Л Гц
1,0 1,2 1.4 1.6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 Рис. 4. Частотная характеристика спектра фотолюминесценции семян тыквы
Аналогичные вычисления проведём со спектрами семян других видов овощных
растений. Результаты представим в табл. 1.
Таблица 1
Параметры спектров семян овощных растений
Культура, спектр M,, нм c As E, эВ AX, нм
Тыква возбуждение 360 23,9 1,48 -0,54 4,61 85
люминесценция 545 48,8 0,69 -1,79 3,78
Томат возбуждение 434 25,1 0,21 -0,77 2,86 78
люминесценция 501 26,9 0,056 -1,04 2,48
Свекла возбуждение 425 17,6 0,12 -1,21 3,25 80
люминесценция 505 32,1 0,05 -1,23 2,52
Редис возбуждение 452 25,3 0,06 -0,94 2,75 63
люминесценция 529 22,8 0,07 -1,03 2,34
Огурец возбуждение 421 28,8 0,47 -0,55 2,95 74
люминесценция 550 27,7 -0,10 -0,98 2,48
Кабачок возбуждение 342 30,8 0,12 -0,60 3,64 112
люминесценция 450 35,2 0,80 -0,16 2,80
Из табл. 1 видно, что математическое ожидание спектров возбуждения находятся в диапазоне 342...452 нм, люминесценции - 450.550 нм, стоксов сдвиг -63.112 нм. Наибольший стоксов сдвиг у семян кабачка, что связано с тем, что измерения проводили без внешней оболочки. Величина дисперсии для всех исследованных спектров примерно одинаковы и находятся в диапазоне 17,6.30,8 для возбуждения и 22,8.48,8 - для люминесценции. Все спектры имеют правостороннюю асимметрию (As > 0) кроме люминесценции огурца и плоскую вершину. Энергия возбуждения наибольшая у тыквы (4,61 эВ) и кабачка (3,64 эВ). Для остальных
спектров энергия меньше - 2,65.3,25 эВ. Аналогично для спектров люминесценции.
ЛИТЕРАТУРА
1. Брандт, А. Б., Тагеева С. В. Оптические параметры растительных организмов. М.: Наука, 1967. 301 с.
2. Малышкин В.В. Особенности частотного спектра лазерно-индуцированной люминесценции семян растений // Сборник трудов XII Международной научно-технической конференции «Информационные технологии, энергетика и экономика». Т.2 Смоленск: Универсум, 2015, с. 150-152.
3. Коваленко О.В., Морозов О.С. Разложение спектров фотолюминесценции биологических объектов на составляющие, форма которых существенно отличается от элементарных гауссиан // Физика и химия твердого тела. Т. 12. №1. 2011. с 46-52.
4. Башилов А. М., Беляков М. В. Спектральные характеристики люминесценции и отражения семян агрокультур. М.: ФБГНУ ВИЭСХ. 2015. 272 с.
Рукопись поступила в редакцию 12.07.2016.
STATISTICAL PARAMETERS OF SPECTRA OF THE PHOTOLUMINESCENCE OF SEEDS OF
VEGETABLE PLANTS
M. Belyakov
The statistical analysis of spectra of excitation and photoluminescence of seeds of the most typical vegetable plants (a pumpkin, a tomato, a beet, a radish, a cucumber, a vegetable marrow) is carried out. They have been received earlier by the author with the help a spectrofluorimeter "Fljuorat-02-Panorama". By means of software package Microcal Origin transition from a wave spectrum to a frequency spectrum was spent and statistical parameters have been calculated: mathematical expectation Мх, dispersion c2, asymmetry As, kurtosis EX and energy in the range of waves. Also have been calculated the central statistical moments of the third and fourth orders. Size of dispersion to all investigated spectra approximately are identical. All spectra have right-hand asymmetry (except a cucumber luminescence) and flat top. Energy of excitation is the greatest at a pumpkin and a vegetable marrow. For spectra of other vegetable cultures energy is less. Keywords: seeds of vegetable plants, excitation spectra, photoluminescence spectra, the statistical parametres.
