Новости

Jun 25, 2023

Оптический мониторинг состояния роста растений с помощью поляриметрии

Scientific Reports, том 12, номер статьи: 21841 (2022) Цитировать эту статью 1386 Доступов 1 Подробности об альтметрических метриках Поляриметрия — это мощный метод характеризации, использующий множество

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 21841 (2022) Цитировать эту статью

1386 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Поляриметрия — это мощный метод определения характеристик, который использует огромное количество информации об электромагнитных волнах, включая поляризацию. Используя богатую информацию, предоставляемую поляриметрией, она активно изучается в биомедицинских областях, таких как диагностика рака и опухолей. Несмотря на свою важность и потенциал в сельском хозяйстве, поляриметрия живых растений изучена недостаточно. Система поляриметрической визуализации Стокса была создана для определения корреляции между состояниями поляризации света, проходящего через лист, и состояниями роста салата. Параметр Стокса s3, связанный с круговой поляризацией, увеличивался со временем и сильно коррелировал с ростом проростков салата. В статистическом анализе распределение s3 соответствовало функции плотности вероятности обобщенного экстремального значения (GEV). Солевой стресс замедлил рост растений, а концентрация обработанного хлорида натрия (NaCl) показала отрицательную корреляцию с параметром местоположения μ GEV. Четкая корреляция, о которой сообщается здесь, откроет возможность измерения поляризации живых растений, что позволит осуществлять мониторинг здоровья растений в режиме реального времени.

Состояние поляризации света, преломленного, отраженного или дифрагированного материалом, зависит от свойств материала. Оптическая поляриметрия используется для анализа физических или химических свойств материалов путем измерения и интерпретации изменений состояния поляризации света1. Эллипсометрия — один из хорошо известных методов, используемых для характеристики материалов путем измерения состояний поляризации. Универсальные возможности поляризационных измерений не ограничиваются такими объектами, как органические или неорганические соединения, но также могут использоваться в организмах (например, органах, тканях и клетках). Биомедицинская диагностика с использованием поляриметрии является одним из наиболее активно изучаемых методов в этой области2,3,4,5. Огромным преимуществом поляриметрической биомедицинской диагностики является бесконтактное измерение в реальном времени. Например, поляриметрическое оптическое волокно Мюллера используется для диагностики рака4.

По этой же причине диагностика живых растений является перспективным методом для сельского хозяйства. Между тем, исследований по методам поляризации живых растений мало6,7,8,9,10,11,12,13. Поляриметрия использует не только амплитуду электромагнитной волны при заданной длине волны света, но и информацию о фазе1. Таким образом, он может предоставить больше информации о растении, чем обычный гиперспектральный анализ, который использует только амплитуду электромагнитного поля14,15,16,17,18,19,20,21,22. Многие параметры можно получить с помощью поляриметрии, включая угол азимута поляризации и эллиптичность. Однако большинство предыдущих исследований ограничивалось использованием только информации о деполяризации для мониторинга состояния растений6,8,12,13. Таким образом, точная корреляция между состоянием растений и состоянием поляризации света пока не выявлена ​​и остается открытым вопросом.

В настоящее время некоторые растения растут в контролируемых условиях (например, в теплицах и на заводах по выращиванию растений), где освещение, температура и влажность искусственно регулируются, что позволяет собирать урожай круглый год. Между тем, растения могут расти по-разному даже в контролируемой среде, поэтому необходимо разработать методы мониторинга. Для определения корреляции между состояниями поляризации и ростом растений была построена система поляриметрической визуализации Стокса. Используя систему визуализации Стокса, были записаны и проанализированы состояния поляризации света, проходящего через листья салата. В качестве объекта исследования был выбран салат (Lactuca sativa L.), поскольку он является одним из самых популярных листовых овощей, выращиваемых и потребляемых во всем мире23. В этой статье была показана сильная корреляция между ростом растений и состоянием поляризации, что доказывает возможность измерения поляризации для мониторинга растений.