植物光合熱釋光測量系統

植物光合熱釋光測量系統是研究光合作用的強有力的工具，是研究PSII電子傳輸的有效探針，廣泛應用于除草劑對PSII的受體效應、Q_A與Q_B穩定性、光合放氧復合物（OEC）穩定性及PSII總體完整性等，還用于光合突變個體的篩選等。

是針對研究PSII能量水平結構而設計的。PSII反應中心光誘導電荷分離導致儲存了吸收光能的激發電子對的累積。加熱誘導這些激發電子對的重組，從而引發光釋放，并在一定溫度范圍內形成特異性熱釋光曲線。根據不同釋光曲線的形狀、峰位和峰值，可以研究分析關于特定激發電子對的能量穩定性及PSII反應中心功能等。TL200系列熱釋光測量儀的測量范圍為-90°C到+190°C，使用范圍更寬，可以對低溫、高溫段熱釋光進行研究。

應用領域

1. 光合機理研究——捕光色素復合體，PSII反應中心，放氧復合物研究；PSII能級分析；原初反應階段的內在過程探測
2. 植物脅迫生理的早期檢測與診斷
3. 植物病蟲害相關研究
4. 除草劑影響
5. 對植物光合研究的*補充

典型樣品   

植物碎片

各種微藻

葉綠體懸浮液

類囊體懸浮液

工作原理

熱釋光(Thermoluminescence，縮寫TL)是晶體受到輻射照射后，會產生自由電子，這些電子被晶格缺陷俘獲而積攢起來，在加熱過程中以光形式釋放出來。其基本的實驗過程是將葉片快速冷凍到某一溫度，之后給葉片一個足夠強，但時間盡量短（一般<5µs）的單翻轉光（single turn-over ?ash），用于誘導每個PSII反映中心發生僅一次的電荷分離；然后逐漸升溫，同時測量葉片放出的熱釋光，繪制TL譜帶。

熱釋光研究中的一個主要工具是單次翻轉光閃，要求足夠強（光源強度高達 150 000 µmol(photons).m^－2.s^－1）和足夠短（典型 < 5 微秒）來誘導每一個PSII反應中心發生一次，且僅一次的電荷分離。光閃的飽和效果可以通過Q_B段的強度來檢查，它應該在*光閃后達到zui大，在2次光閃后不再增加。當前許多實驗中使用的氙燈光閃具有明顯缺陷——一個長的持續發光，或者“閃光拖尾”，這會在某些PSII反應中心中產生兩次的電荷分離（連擊）。雖然激光閃光能夠有效降低連擊，但不能消除。

TL200系列熱釋光測量儀使用能量足夠強的LED光源，所釋放5-10µs的方波脈沖能夠飽和所有的PSII反應中心，其溫度控制單元可以在降溫后，再使樣品的溫度以0.1℃/sec到 2℃/sec的速率線性增加。不同的閃光序列及樣品處理能夠使樣品處于不同的能量狀態，不同的溫度下釋放的光能源自光合機構的不同結構。分析釋光曲線的形狀、峰位和峰值，可以研究分析關于特定激發電子對的能量穩定性及PSII反應中心功能等。

熱釋光與光合機構間關系

 TL200系列熱釋光測量儀三種型號的控溫方式與范圍

系統組成

TL200系列熱釋光測量系統由3部分組成：多功能控制單元、溫度調節器控制單元及測量室 。

多功能控制單元（Multipurpose Control Unit）根據用戶定義方案或熱發光向導提供的實驗程序來執行實驗過程，有兩個輸入頻道，一個用于測量熱發光信號（TL信號），另一個用于測量溫度。 測量曲線以兩種格式顯示：時間/溫度和時間/TL信號，或溫度/TL信號。

溫度調節器控制單元（Thermoregulator Control Unit）可以在-90°C 到 +190°C范圍內以0.1°C的精確度控制樣品的溫度。 系統前面板可以顯示實際的溫度，溫度調節可以通過手動或程序控制（軟件）來實現。有兩種工作模式：恒溫模式和溫度梯度模式，在恒溫模式下儀器將維持樣品在恒定的溫度，而在溫度梯度模式下，可以使樣品的溫度以0.1°C/sec到 2°C/sec的速率線性變化。

AC-88水冷單元可將系統溫度降低到4°C，包含一個電子控制的抽水泵和內部可以儲水的制冷器，用于降低測量室的環境溫度。

CryoFab液氮罐通過管路連接到測量室，通過電子控制的低溫輸出閥可以將系統溫度控制在 -20°C 到 -90°C。

由TFPE單元控制的輔助加熱模塊可以將系統溫度加熱到+190°C。

測量室（Measuring Chamber）又包括四個關鍵組成部分：光源、 光電倍增器、A/D 轉換器、具有溫度控制器的樣品盤：

1. 光源由8個超亮的發光二極管(λmax=630 nm)組成，發射的光閃強度高達150,000 µmol(photons). m^－2.s^－1以上，光閃持續時間zui長為150 µs（典型5-10us），光強和光閃持續時間通過軟件控制。
2. 光電倍增器可以探測從300到900nm范圍的光量子，從而測量熱發光信號和緩發熒光。光電倍增器包括自己的電源。
3. A/D轉換器用于光電倍增器的電流放大、軟件控制增益和數字化，放大器的時間反應固定在50ms，以確定zui小取樣周期到100ms。

技術參數

• 溫度范圍：

TL200/PMT標準版：-25 ℃ 到+70 ℃

TL 300/HT高溫版：-25 ℃ 到+190 ℃

TL 400/LT液氮版：-90 ℃ 到+70 ℃

• 控溫模式：恒溫；線性變化（0.1ºC/sec - 2ºC/sec）
• 過熱保護：提供
  環境光保護：提供
• 控制模式：手動（恒溫）；程序設定溫度曲線
• 樣品盤：直徑½英寸鍍金銅盤
• 測量樣品：藻類、藍細菌、葉綠體懸浮液，葉片碎片等
• 光源：波長lmax=625nm，光源強度高達 150 000 µmol(photons). m^－2.s^－1以上
• 探測系統：傳感器為可以通過軟件靈敏控制的光電倍增器，光譜響應為300nm-900nm，zui小取樣周期100ms，時間響應50ms，接通延遲100ms
• 控制：用戶可通過語言自定義程序控制儀器測量過程
• 通訊：USB
• 軟件：FluorWin 3.6
• 電源：90V-240V

操作軟件與實驗結果

典型應用

上圖為源自擬南芥未冷凍葉片的熱釋光（M.Roman ，1998）。實心符號：對照（a）；空心符號：輕度脫水（b）。單閃（細線）產生75%的S₂和25%的S₁（只有S₂和S₃產生熱釋光，S₁無），雙閃（粗線）25%的S₂和75%的S₃，3閃（點線）25%的S₃。a、對照植物。單閃后，熱釋光B段與S₂Q_B-相*（B2，見表1）且可以被單因子擬合得很好。2次閃光后，則需要3個因子，S₂Q_B-（B1），S₃Q_B-（B2）和一個剩余因子（未顯示）。b、適度脫水的植物。B段下調，S₃比S₂在更大程度上表明了類囊體腔內一個暗穩態的酸性pH。45攝氏度段（余輝）源自S_2/3Q_B中心中熱誘導的從基質還原劑向Q_B的電子傳遞，使它們發光：它的增加表明了一個強的同化勢能NADP+ATP（Ducruet 2003）。

產地：歐洲

參考文獻：（僅2011年發表的部分文獻，77篇中的14篇）

• Thermoluminescence. PV Sane, et al, 2012. Photosynthesis
• Analysis of S2QA-charge recombination with the Arrhenius, Eyring and Marcus theories. S Rantamäki, et al, 2011. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology
• Manganese limitation induces changes in the activity and in the organization of photosynthetic complexes in the cyanobacterium Synechocystis sp. strain PCC 6803. E Salomon, et al, 2011. Plant physiology
• Inhibition of photosynthetic oxygen evolution and electron transfer from the quinone acceptor QA− to QB by iron deficiency. N Msilini, et al, 2011. Photosynthesis research
• Chlorophyll fluorescence emission as a reporter on cold tolerance in Arabidopsis thaliana accessions. A Mishra, et al. Plant Signaling & Behavior, 2011
• Characterization of photosystem II in transgenic tobacco plants with decreased iron superoxide dismutase. Y Zhang, et al, 2011. Biochimica et Biophysica Acta
• Two functional sites of phosphatidylglycerol for regulation of reaction of plastoquinone Q< sub> B</sub> in photosystem II. S Itoh, et al, 2011. Biochimica et Biophysica Acta
• Binding Stoichiometry and Affinity of the Manganese-Stabilizing Protein Affects Redox Reactions on the Oxidizing Side of Photosystem II. JL Roose, et al, 2011. Biochemistry
• Species-dependence of the redox potential of the primary quinone electron acceptor QA in photosystem II verified by spectroelectrochemistry. T Shibamoto, et al, 2010. FEBS letters
• Flavodiiron proteins in oxygenic photosynthetic organisms: photoprotection of photosystem II by Flv2 and Flv4 in Synechocystis sp. PCC 6803. P Zhang, et al, 2009. PloS one
• Comparative analysis of leaf‐type ferredoxin‐NADP+ oxidoreductase isoforms in Arabidopsis thaliana. M Lintala, et al, 2009. The Plant Journal
• Psb28 protein is involved in the biogenesis of the photosystem II inner antenna CP47 (PsbB) in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803. M Dobáková, et al, 2009. Plant physiology
• Functional complementation of the Arabidopsis thaliana psbo1 mutant phenotype with an N-terminally His6-tagged PsbO-1 protein in photosystem II. H Liu, et al, 2009. Biochimica et Biophysica Acta
• Interaction of methylamine with extrinsic and intrinsic subunits of photosystem II. S Hamdani, et al, 2009. Biochimica et Biophysica Acta
• Investigation of the low-affinity oxidation site for exogenous electron donors in the Mn-depleted photosystem II complexes. VN Kurashov, et al, 2009. Biochimica et Biophysica Acta
• Changes in the photosynthetic reaction centre II in the diatom Phaeodactylum tricornutum result in non‐photochemical fluorescence quenching. D Eisenstadt, et al, 2008. Environmental Microbiology
• Characterization of photosystem II in salt-stressed cyanobacterial Spirulina platensis cells. H Gong, et al, 2008. Biochimica et Biophysica Acta
• The cyanobacterial homologue of HCF136/YCF48 is a component of an early photosystem II assembly complex and is important for both the efficient assembly and Repair of Photosystem II in Synechocystis sp. PCC 6803*. J Komenda, et al, 2008. Journal of Biological chemistry.
• Early detection of bean infection by Pseudomonas syringae in asymptomatic leaf areas using chlorophyll fluorescence imaging. L Rodríguez-Moreno, et al, 2008. Photosynthesis research
• Effects of heat stress on PSII photochemistry in a cyanobacterium Spirulina platensis. B Zhao, et al, 2008. Plant Science
• The effects of simultaneous RNAi suppression of PsbO and PsbP protein expression in photosystem II of Arabidopsis. X Yi, et al, 2008. Photosynthesis research
• Functional analysis of photosystem II in a PsbO-1-deficient mutant in Arabidopsis thaliana. H Liu, et al, 2007. Biochemistry
• Efficiency and role of loss processes in light‐driven water oxidation by PSII. M Grabolle, et al, 2007. Physiologia plantarum
• Changes of Photosystem II Electron Transport in the Chlorophyll‐deficient Oilseed Rape Mutant Studied by Chlorophyll Fluorescence and Thermoluminescence. JW Guo, et al, 2007. Journal of Integrative Plant Biology
• The exposed N-terminal tail of the D1 subunit is required for rapid D1 degradation during photosystem II repair in Synechocystis sp PCC 6803. J Komenda, et al, 2007. The Plant Cell
• The chlorophyll a fluorescence induction pattern in chloroplasts upon repetitive single turnover excitations: accumulation and function of QB-nonreducing centers. W Vredenberg, et al, 2006. Biochimica et Biophysica Acta
• The polyphasic chlorophyll a fluorescence rise measured under high intensity of exciting light. D Lazár , 2006. Functional Plant Biology
• The synechocystis sp PCC 6803 oxa1 homolog is essential for membrane integration of reaction center precursor protein pD1. F Ossenbühl, et al, 2006. The Plant Cell
• Sucrose and glycerol effects on photosystem II. KM Halverson, et al, 2003. Biophysical journal
• Copper-induced inhibition of photosynthesis: limiting steps of in vivo copper chlorophyll formation in Scenedesmus quadricauda. H Küpper, et al, 2003. Functional Plant Biology
• Heavy metal‐induced inhibition of photosynthesis: targets of in vivo heavy metal chlorophyll formation1. h küpper, et al, 2002. journal of Phycology
• Experimental and theoretical studies on the excess capacity of Photosystem II. R Kaňa, et al, 2002. Photosynthesis research
• Nitrogen deprivation strongly affects Photosystem II but not phycoerythrin level in the divinyl-chlorophyll b-containing cyanobacterium Prochlorococcus marinus. C Steglich, et al, 2001. Biochimica et Biophysica Acta
• Integrity and activity of photosystem 2 complexes isolated from the thermophilic cyanobacterium Synechococcus elongatus using various detergents. E Šetlíková, et al, 1999. Photosynthetica
• The PsbY protein is not essential for oxygenic photosynthesis in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803. M Meetam, et al, 1999. Plant physiology
• Nonphotochemical reduction of the plastoquinone pool in sunflower leaves originates from chlororespiration. TS Feild, et al, 1998. Plant physiology