研究电生理信号监测植物压力下基于集成运算放大器和贴片电极

文摘

电生理信号在植物是一个微弱的电信号,它可以与环境的变化而波动。一个放大检测系统设计对植物电信号采集利用集成运算放大器(CA3140, AD620, INA118),贴片电极,数据采集卡(NI usb - 6008),电脑,和屏蔽盒。植物电信号也研究了压力和洪水压力。放大检测系统可以无损的收购水生Scindapsus和Guaibcn高精度,高灵敏度,低功耗,高共模抑制比,工作频率带宽。通过系统进行压力试验;结果表明,叶片产生的电信号水生Scindapsus压力下的压力。电信号的up-leaf表面水生Scindapsus比着落叶表面还强。电信号产生的叶子Guaibcn遭受洪水时获得更强的压力。洪水压力越严重,电信号变化越快,所需的时间越长时间回到稳定状态,和更大的电信号在稳定状态。

1。介绍

有潜力改变生命活动发生时在活体中,生物组织和器官和生物细胞,称为电生理信号。电生理信号是一个基本的性格以及行为的生物。也是一般反映了一系列的物理和化学反应(1- - - - - -4]。有些植物对外部刺激的反应。例如,树叶将关闭与潜在当含羞草刺激的变化。Stahlberg [5)回顾了历史上第一个记录的电信号动作电位(AP)敏感捕蝇草属和含羞草植物在19世纪末重新发现的常见植物在1950年代,从第一个胞内记录AP的巨藻细胞的离子机制的识别电压钳实验。Sinyukhin和Britikov6)发表论文对潜在构建生殖系统在《自然》杂志上。近年来,有很多研究对电信号在世界各地的植物7- - - - - -9]。例如,丁陆和研究小组公认的植物应激因子的模糊最优小波包和建立一个模型基于电信号的环境因子在植物(10,11]。然而,电信号非常微弱,虽然电反应的大小可以经常约10 mV (100 mV或更多)在环境刺激;如果我们采取的一般检测方法放大和处理信号,它可以影响运算放大器的零点漂移、噪声、电磁波、频道的传播;因此我们很难以获得真实信号(12]。Chatterjee et al。13)提供一个平台实现植物ieee生物传感器分类使用原始电信号从植物的环境刺激。如何成功探测刺激引起的信号是很有前途的,因为它不仅可以打开远程监控的环境的可能性大的地理区域,但也可以帮助及时自然或人为灾害的预防措施。然而,目前,很难找到一种乐器和设备,这是专门应用于检测装置的电生理信号。和它不利于满足模型来指导农业生产。具有重要意义发展专业植物电信号的设备,建立一个预测模型基于植物的电信号,并促进农业植物电信号的应用找到方法来检测电信号在植物。

此外,中国一直患有严重的洪水。大约三分之二的土地面积遭受不同程度的洪水14]。涝胁迫是一种水压力和水压力包括干旱胁迫压力(水分损失)和洪涝灾害(洪水)。洪水造成的损害叫做涝受伤。洪涝灾害压力是非常有害的植物生长。是有限度的水生植物的需求;过多或过少的水会对植物的生长有害。水分亏缺会导致干旱,洪涝灾害压力可以导致植物根系腐烂。目前,部分人理解植物应对洪水压力机制,但仍需要更多的研究要做(15,16]。

因此,提出了植物的生理信号检测方法。通过研究电生理信号的压力的变化水生Scindapsus和Guaibcn将测试,检测系统是否稳定植物电信号可以收集正确;此外,通过检测系统压力实验发现法治涝压力对植物电信号的影响。

2。原则和方法

2.1。电生理信号的检测系统的组成

如图1检测系统由电极、放大电路、数据采集卡、盾牌,等等。石墨片电极表面被用来测量电信号的植物。放大电路包括三个集成运算放大器(CA3140 AD620, INA118),两个集成稳压电路(CW7805 CW7905),和一个数据采集卡(NI usb - 6008)。铝箔的盾牌了。

2.2。放大电路的设计原理

数据2和3是电生理信号的放大电路原理图在植物和PCB制版图,分别。

如数据所示2和3的不确定性,针对植物阻力的大小和频率干扰引起的放大的结束,我们应该添加两个高输入阻抗的运算放大器电路(CA3140)和形成一个深度系列电压负反馈为了得到更少的干扰,而且还可以形成一个差动电路与仪表放大器AD620。由于共模电压输出电压和漂移引起的CA3140可以互相抵消,小电压的放大电路具有输出漂移和共模抑制能力强。

由AD620信号放大;然而,如果信号是由AD620放大,电路可能烧坏突然增加造成的信号。所以我们用INA118包含输入保护电路来放大信号其次。如果输入过载,保护电路可以确保后续电路的安全通过限制输入电流在1.5 mA 5 mA。INA118有一些优点像高精度,低消费,高膜抑制比、宽工作频带,等等。适用于小信号的放大。其增益公式是

在图2CA3140的外部电阻是10 k欧姆电位计;第一阶段为放大电路是AD620;AD620的外部电阻是一个200欧姆电位计。调整后电位计167欧姆,放大300倍的。第二阶段为放大电路INA118;的外部电阻器INA118是2 k欧姆电位计。调整后2 k欧姆电位计,获得了20倍的放大,放大电路可以放大电信号完全6000倍。

2.3。实验设计对植物电信号检测压力

为了检查是否电生理信号的放大检测系统在植物可以收集可靠的电信号和电生理信号的变化规律研究植物在压力之下,基于水生Scindapsus和Guaibcn为研究对象,设计以下测试。

(一)电信号检测水生Scindapsus叶下表面压应力。水生Scindapsus生长研究中被选中。电信号水生Scindapsus表面时检测到的叶子水生Scindapsus被夹夹紧。当水生Scindapsus正面临压力,潜在的电压变化的电信号up-leaf和落叶的表面水生Scindapsus测量。具体实验步骤如下。

将石墨片电极(测量电极)up-leaf或落叶一片树叶表面的水生Scindapsus和石墨电极贴片B(参比电极)上公布水生Scindapsus茎与叶。

与电池和电路打开装备后,让它代表40分钟,直到电压的数位变得稳定;然后保存电压数据的计算机。

夹的叶子水生Scindapsus通过剪辑,记录瞬时电位变化,观察潜在的变化。然后把夹,重复10次平行实验。

去除石墨电极贴片,附加的水生Scindapsus下叶(一样的测量对象,检测相同的叶子;唯一的区别是,一个是检测up-leaf表面但其他检测落叶表面),并附上一块石墨电极上水生Scindapsus茎与叶。

与电池和装备后再次打开电路,让它代表40分钟,直到电压的数位变得稳定;然后保存电压数据的计算机。

夹的叶子水生Scindapsus通过剪辑,并记录瞬时电位变化以及观察潜在的变化。然后删除夹,重复10次平行试验;比较up-leaf表面和落叶表面之间的电位差。

(b)电信号检测Guaibcn涝胁迫。Guaibcn生长研究中被选中。通过浇水Guaibcn连续(模拟雨天)或应用一次性浇水(模拟暴雨),然后观察变化的电信号Guaibcn。

为了研究Guaibcn电信号在雨季的影响持续的梅雨,Guaibcn每次浇水持续了50毫升,然后观察电信号的变化的Guaibcn。具体实验步骤如下。

将石墨片电极(测量电极)的落叶一片树叶表面上Guaibcn和石墨块电极B(参比电极)上公布Guaibcn茎与叶。

与电池和电路打开装备后,让它代表40分钟,直到电压的数位变得稳定,然后电压数据保存在计算机中。

水的Guaibcn,观察变化的电信号Guaibcn每30秒,记录电压值。水的Guaibcn50毫升水后再保持稳定(浇水的时间点是6分钟,20分钟,25分钟和30分钟)。

为了观察变化的电信号Guaibcn当暴雨发生时,加入200毫升水的文化土壤Guaibcn然后保存这个电压数据每30秒的电脑。具体实验步骤如下。

将石墨片电极(测量电极)的落叶一片树叶表面上Guaibcn和石墨电极贴片B(参比电极)上公布Guaibcn茎与叶。

与电池和电路打开装备后,让它代表40分钟,直到电压的数位变得稳定电压数据然后保存在电脑。

加入200毫升水的文化土壤Guaibcn然后保存这个电压数据每30秒的电脑。

(c)统计分析。有十个重复的研究。数据分析使用一个方差分析(方差分析)多重比较(单因素)。实验和控制之间的差异进行测试的方法。压力的影响被认为是重要的 。

3所示。结果与讨论

3.1。水生Scindapsus电信号之前和之后的压力

数据4和5显示的比较图表电压值(真正的大小是1/6000 *级放大后的数据所示)的电信号up-leaf表面水生Scindapsus分别之前和之后的压力。

在图4电信号的最大变化,叶是0.0033 V,最低是0.000 V,中位数是0.0017 V,平均是0.0006 V,标准差为0.001092,色散系数是1.82。在图5的最大数量的变化电信号叶下0.0047 V,最低是0.0010 V,中位数是0.0029 V,平均是0.0032 V,标准差为0.001361,色散系数是0.42。从数据4和5,我们可以发现up-leaf表面的信号不会改变显然前后夹紧;只有两组数据有巨大的潜在变化,但落叶表面的变化是显而易见的;有8套的数据有明显潜在上升现象。正如我们所知,许多植物可以有效地产生电信号的形式动作电位(AP)和变异潜力(VP)和远距离传播这些信号所得的维管束(5]。因此,实验结果表明,落叶的变化表面比up-leaf表面更明显,可能是因为叶静脉(维管束)更近的落叶,落叶的表面。

因为有两组数据值(5和10)偏离价值的其他八组数据,我们假设两组数据不可靠的数据由干扰引起的。删除两个不可靠的数据之后,我们发现的最大数量的变化电信号在叶0.0003 V,最低是0.0000 V,中位数是0.0002 V, V的平均是0.00012,标准差 和色散系数是0.623。删除这两组数据后,离散系数显著降低。

通过以上的数据分析和比较,我们发现的电信号水生Scindapsus会改变,振幅会增加外部压力的作用下。信号被放大,放大后的潜力up-leaf表面平均增加了0.00006 V和落叶表面平均增加0.0032 V。落叶表面的增长率大于up-leaf表面。为什么植物电信号的快速下跌后删除的压力可能与生产机制电信号在植物和传导机制17]。

3.2。变化的电信号Guaibcn涝胁迫下

3.2.1之上。变化的电信号Guaibcn在一次性的洪水

图6电信号的变化吗Guaibcn在一次性注水。

在图6,我们开始加水的红色箭头点(0时刻x设在)。如图6加水之前,曲线是平的,在一个小范围内波动。我们添加了200毫升水后,曲线逐渐上升,达到了最高点大约28分钟后,然后曲线下降之前返回给潜在的浇水。我们添加了大量的水后,潜在的迅速上升,变化的速度是积极的;然后改变的速度下降,直到变得消极。当潜在几乎返回数据的数据前添加水,变化的速度的波动是接近于零。结果类似于鳄梨树的行动与灌溉Gurovich和Hermosilla[提供的18]。

洪水会导致植物根系在厌氧情况下,诱发pH值的变化质外体和共质体。因此,洪水期间电势的增加可能是因为pH值的变化在质外体和共质体。

3.2.2。变化的电信号Guaibcn在连续增加的水

图7显示变化的电信号Guaibcn在连续注水。

在图7,我们开始加水的红色箭头点(0时刻x设在)。茎和叶缓慢上升的潜力浇水后第一个50毫升的水。2分钟后,迅速上升的潜力。六分钟后,电信号逐渐稳定。浇水后第二个50毫升,立即茎和叶上升的潜力,三分钟后,电信号逐渐稳定。第三和第四50毫升水,浇水后立即茎和叶上升的潜力。但上升程度低于前两个,第四个也不到第三。电信号逐渐稳定两分钟后。

几个生理机制解释电反应灌溉被假定。动作电位(AP)和变异潜力(VP)导致对当地刺激(由通知遥远的细胞生理反应19]。额外的信号机制在植物中已报告,包括cytoplasmatic pH值的修改20.,21]。

上述两种实验Guaibcn进行了洪水条件下的压力。第一个实验添加水的四倍,50毫升水添加每一次;的电信号Guaibcn变化很明显在我们添加的第一个50毫升水3分钟。第二个实验中加入200毫升水,加水后立即和电信号的变化。通过上面的分析,我们发现以下几点:

主要的变化现象Guaibcn在注水是电信号的幅度增加。

电信号的变化Guaibcn涉及到的水量,注水越严重,越快的电信号变化,变化量越大,时间越长回到稳定状态所需的时间。

下产生的电信号注水可以恢复原来的状态,只要水在一定范围内。

4所示。结论

贴片电极和集成运算放大器(CA3140 AD620, INA118)被用来设计一个放大电路与精度高的优势,高灵敏度,低功耗,高膜抑制比、宽工作频带。放大检测系统可以无损的收购水生Scindapsus和Guaibcn。

根据实验结果,电生理信号检测系统可以收集电子信号稳定,满足分析的需要电生理信号的基于块的组合电极和放大电路(由CA3140、AD620, INA118 CW7805,和CW7905)。

根据研究电信号的变化水生Scindapsus在压力下,我们发现水生Scindapsus可以产生压应力下的电信号,落叶的变化大于up-leaf。

根据研究电信号的变化Guaibcn下压力的目的,我们发现的电信号Guaibcn将上升涝胁迫下,改变程度与水量;涝压力越严重,越快的电信号变化,变化量越大,时间越长对回到稳定状态所需的时间。下产生的电信号注水可以恢复原来的状态,只要水在一定范围内。

植物生理参数之间的关系和电子信号是非常复杂的。研究结果为电生理信号监测设备的开发提供了一个方法为研究植物和参考植物电生理信号压力的变化规律。

的利益冲突

作者声明,关于这项工作他们没有利益冲突。

确认

作者承认,这项研究是由浙江教育部门的一般科研项目(Y201534782),宁波自然科学基金(2014 a610155),宁波丰富科技项目(2015 c10014),浙江省公益性技术应用研究项目(2016 c32106),人文学科和社会科学的基础教育部(16 yjczh112),和大学人才基金宁波理工学院,浙江大学(1141257 g1402)。

引用

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