Устройство и способ для измерения биопотенциалов у прорастающих семян для определения рациональных режимов их обработки импульсным электрическим полем Российский патент 2023 года по МПК A01C1/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение принадлежит области сельского хозяйства, в частности к способам оценки качества посевного материала и установке нормы высева.

Уровень техники

Известно устройство и способ контроля предпосевной обработки семян с применением любых электрофизических полей: электрического, магнитного и электромагнитного с использованием серий термопар. Обработанные семена высеваются в грунт, и урожай, полученный с опытных делянок, сравнивается с контрольным результатом. Не указан режим обработки семян. Автор утверждает, что у всех семян одинаковое строение, поэтому должно быть одинаковое время и доза воздействия, что не соответствует результатам, полученным другими исследователями (патент RU №2689544).

Недостатки предлагаемых устройства и способа: необходимость проведения полевых опытов, что трудоемко и затратно по времени; не совсем понятно, откуда взяты данные, которые необходимо контролировать термопарами.

Известен способ определения гетерозисного эффекта у гибридов кукурузы первого поколения, в котором при помощи хлорсеребряных электродов определяли изменения разности потенциалов и АТФ фазной активности замоченных семян в течение 30-32 часов, которые прорастают между зародышем и эндоспермом. В ходе эксперимента авторы наблюдали синхронизацию изменения разности потенциалов и АТФ фазной активности зародыша семени (патент RU №2051570).

Недостатком данного способа является длительное время проведения опытов.

Известен способ и устройство экономически оптимального выращивания растений в защищенном грунте с дополнительным электрическим воздействием детерминированного уровня на их биологический электрический потенциал, в котором измеряли и изменяли разность потенциалов вдоль растения, подавая к корневой системе «+», а к верхушке растения «-», тем самым, увеличивая потенциал до максимально благоприятного, заранее определенного значения разности потенциалов между этими точками растения, предварительно, выращенного в оптимальных агротехнических условиях. Для этого пропускали ток через растение от 0,001 до 1 мкА (патент Ru №2629263).

Недостатком данного способа и устройства является его сложность. Не исключено влияние внешних электромагнитных полей на точность проведения опытов. Нет возможности точно регулировать глубину прокола в корневую систему и верхушку растения.

Известно устройство для отвода биоэлектрических потенциалов от растительных организмов, (патент №1731166) в котором, благодаря дополнительным устройствам повысили достоверность и точность результатов (патент SU №1731166).

Недостатком данного устройства является сложность проведения экспериментов и зависимость от влияния внешних факторов на полученные результаты.

Известно устройство для измерения физических параметров растений, в котором для оценки состояния растения использовали устройство на основе волокно-оптических преобразователей со светодиодами, фотодиодами, источниками и приемниками излучения, коммутатора и усилительного преобразовательного блока. По полученным сигналам судили о влажности, температуре, качестве поверхности растения и через значения импеданса растительной ткани определяли биопотенциалы (патент SU №1790868).

К недостаткам следует отнести сложность устройства и не широкие функциональные возможности измерений в малых областях исследуемой растительной ткани.

Известен измеритель разности биопотенциалов растений содержащий электроды, измерительный блок имеющий усилитель, соединенный с двумя хлорсеребряными кисточковыми электродами, один, из которых закреплен неподвижно, а второй имеет микровыключатель, позволяющий измерять мгновенные значения напряжения и определять их полярность между различными точками на растении (патент SU №1155193).

К недостаткам следует отнести: сложность конструкции, возможность слабого контакта с семенем из-за кисточковых электродов.

Известен измеритель разности потенциалов растений, содержащий электроды, измерительный блок имеющий усилитель, соединенный с двумя хлорсеребряными кисточковыми электродами, позволяющий измерять мгновенные значения напряжения и определять их полярность на растении. Устройство защищено от влияния внешних полей и подключено к системе автоматизированного сбора данных (патент SU №1576039).

К недостаткам следует отнести: возможность слабого контакта с семенем из-за кисточковых электродов, а также в патенте не представлены формы ни расчетных, ни практически измеренных электроплантограмм изменения биопотенциалов с течением времени.

Известно устройство для измерения биопотенциалов растений состоящее из неподвижной стойки, на которой укреплено две кюветы с контактной жидкостью и хлорсеребряными электродами (патент SU №1446576).

К недостаткам следует отнести: сложности работы с контактной жидкостью в малых объемах растительной ткани.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному результату, принятый авторами за прототип является способ определения всхожести семян пшеницы по значениям мембранного потенциала у замоченных на увлажненном дистиллированной водой, поролоновом ложе в течение 12 часов при температуре 20°С, с использованием калибровочной зависимости всхожести от мембранного потенциала семян. Измеряют мембранный потенциал каждой зерновки во всех партиях, помещая их в электрод-зажим, протыкая электродом-иглой ее боковую поверхность в области хохолка, и записывая полученный сигнал в течение 2-3 секунд, всхожесть определяется по калибровочной зависимости всхожести от мембранного потенциала семян (патент RU №2674575).

Раскрытие изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства и разработка способа определения рационального режима обработки семян импульсным электрическим полем (ИЭП), путем измерения всхожести и биопотенциалов у прорастающих семян и у вегетирующих растений.

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения сводится к улучшению способа определения рационального режима обработки семян импульсным электрическим полем.

Технический результат достигается с помощью устройства для измерения биопотенциалов у прорастающих семян для определения рациональных режимов их обработки импульсным электрическим полем содержащее блок питания, питающую сеть, персональный компьютер, при этом оно дополнительно снабжен механизмом фиксации семени, который расположен на диэлектрической подставке, через которую проведен общий провод схемы, на механизме фиксации семени располагают семя с проростком, при этом механизм фиксации соединен с общим проводом-электродом, первым электродом и вторым электродом, а общий провод-электрод, первый электрод и второй электрод соединены с общим проводом схемы, также общий провод схемы, общий провод-электрод, первый электрод и второй электрод подключены к блоку усилителей, который подключен к блоку питания, при этом блок питания подключен к питающей сети, также блок усилителей соединен с блоком согласования уровня сигнала, который подключен к микроконтроллеру и самописцу, микроконтроллер подключен также к персональному компьютеру.

Технический результат достигается с помощью способа измерения биопотенциалов у прорастающих семян для определения рациональных режимов их обработки импульсным электрическим полем включающий отбор выровненных по размеру семян; размещение их в чашках Петри с фильтровальным ложем, смоченным дистиллированной водой, измерение разности потенциалов между основанием проростка и поверхностью семени через 12-36 часов у семян разных культур, путем прокалывания первым или вторым электродом прокалывается проросток у основания; регистрация сигнала семени; анализ полученных данных; выдача рекомендаций по рациональному режиму обработки.

Одной из основных электрических характеристик мембран клеток как животной, так и растительной ткани являются биопотенциалы. Биопотенциал - показатель биоэлектрической активности, определяемой разностью потенциалов между двумя точками животной или растительной ткани, с различными уровнями метаболических процессов.

Разность биопотенциалов обусловлена различной концентрацией калия, натрия и других ионов с наружной и внутренней поверхности клеточной мембраны. Также, как и мембрана животных клеток, растительная на своей внутренней поверхности заряжена отрицательно, а на наружной - положительно. Полученные при этом электроплантаграммы (planta - растение - наша редакция) не позволяют анализировать изменения мембранного биопотенциала отдельных клеток растительной ткани, но имеют важное значение для суждения о физиологическом состоянии исследуемого объекта, как это уже осуществлялось при изучении животных тканей во время снятия электрокардиограммы, электроэнцефалограммы, электромиограммы и так далее.

Д.Л. Рубинштейн, предложив в свое время классификацию биоэлектрических потенциалов выделил особую группу, которую назвал метаболический потенциал, возникающий при воздействии внешних разрушающих факторов, например, механического воздействия (удар, ожог, порез, прокол).

Основными характеристиками для исследования являются: амплитуда метаболического потенциала и временные характеристики, длительность фаз деполяризации и реполяризации.

По мнению Н.Н. Марченко, С.П. Пронина, А.Г. Зрюмова, С.Н. Опритова, М.С. Рубцовой биопотенциалы коррелируют с лабораторной всхожестью.

Разработка и создание измерительной техники для исследования биопотенциалов в растительной ткани позволяет осуществлять диагностику всхожести семян экспресс методом, как перед посевом, так и при определении рационального режима обработки семян физическими, химическими и биологическими факторами.

Несмотря на то, что электрические потенциалы у растений менее изучены, чем потенциалы клеток и тканей животных, исследования мембранных потенциалов изолированных клеток растений, а также возникновение потенциалов действия, при их раздражении, свидетельствуют о том, что природа электрогенеза у растений и семян, по всей вероятности, та же, что и в клетках животного организма.

Весьма вероятно, что, как и в животном организме, электрические потенциалы в растениях являются не просто «побочным продуктом», протекающих биохимических и физико-химических процессов, но и осуществляют функциональную связь между различными частями растения, и даже могут выполнять роль регулятора метаболических процессов.

Чертежи и иные материалы

На фиг. 1 - блок-схема устройства для измерения биопотенциалов у растительных тканей.

На фиг. 2 - электрическая схема предлагаемого устройства для измерения биопотенциалов у растительных тканей.

На фиг. 3 - посевные качества и максимальное значение метаболического потенциала семян гороха сорта Труженик в зависимости от напряженности ИЭП при предпосевной обработке семян.

Осуществление изобретения

Способ для измерения биопотенциалов у прорастающих семян для определения рациональных режимов их обработки импульсным электрическим полем заключается в следующем: пробы семян, исследуемой культуры отбираются из общей партии по ГОСТ 12036-85, в соответствии с количеством запланированных вариантов эксперимента.

В продезинфицированную посуду или чашки Петри с заложенной фильтровальной бумагой заливается при помощи медицинского шприца одинаковое количество дистиллированной воды и закладывается по 15 шт. семян. Чашки с семенами ставятся в шкаф для проращивания на 12-36 часов для разных культур, при температурах соответствующих ГОСТу 12038-84.

Примененный способ измерения биопотенциалов у растительной ткани включает несколько основных этапов: подготовку к опыту, измерение и статистическую обработку данных. Исследования должны проводиться при постоянных параметрах: температуре, влажности и освещенности, поэтому проводятся в боксе, отвечающим этим требованиям.

Способ внеклеточного измерения биопотенциала у прорастающих семян включает следующие этапы:

I этап: отобранные, выровненные по размеру семена размещаются в чашках Петри на фильтровальном ложе, смоченном дистиллированной водой. У семян разных культур проросток появляется через 12-36 часов.

II этап: измерение метаболических биопотенциалов.

III этап: анализ полученных данных.

Измерение метаболического потенциала проводится в боксе (при температуре 20-22°С и постоянной освещенности) с сильной защитой от воздействия внешних электромагнитных полей, при постоянных температуре, освещенности и влажности.

Измерение осуществляется на устройстве, блок-схема которого представлена на фиг. 1.

Механизм фиксации семени 1 расположен на диэлектрической подставке, не указанной на фигуре, через которую проведен общий провод схемы 2. На механизме фиксации семени располагается семя с проростком 3, соединен с общим проводом-электродом 6, первым электродом 4 и вторым электродом 5. Общий провод-электрод 6, первый электрод 4 и второй электрод 5 соединены с общим проводом схемы 2. Общий провод схемы 2, общий провод-электрод 6, первый электрод 4 и второй электрод 5 подключены к блоку усилителей 7, который подключен к блоку питания 12. Блок питания 12 подключен к питающей сети 13. Блок усилителей 7 соединен с блоком согласования уровня сигнала 8. Блок согласования уровня сигнала 8 подключен к микроконтроллеру 9 и самописцу 10. Микроконтроллер 9 подключен к персональному компьютеру 11.

На предлагаемом устройстве можно проводить два вида измерений, благодаря тому, что зажимы механизма связаны с общим проводом электродом 6, который в свою очередь связан с общим проводом 2 устройства. Общий провод 2 устройства (земля, корпусной провод) - это точка, потенциал которой принимается за ноль. Все остальные потенциалы и напряжения измеряются относительно этого потенциала, то есть общего провода. Устройство снабжено съемными неокисляющимися иглами для прокалывания различных диаметров, не показаны на фигуре, для проростков и растений разных культур, с различной глубиной проникновения в ткань, благодаря наличию ограничителей на иглах, не показаны на фигуре.

Первый способ измерений, при котором, данное устройство работает следующим образом (см. фиг. 1): после подключения прибора к питающей сети 13 на общем провод-электроде 6, который расположен на диэлектрическом основании, помещается семя с проростком 3, которое зажимается с помощью механизма фиксации семени 1, далее первым электродом 5, прокалывается проросток семени у основания на определенную глубину. Значение биопотенциала, снятое с электродов (между поверхностью семени и основанием проростка) подается на блок усилителей 7 сигналов с большим входным сопротивлением (200 Мом) и коэффициентом усиления (к=8), так как мембраны растительных клеток имеют высокое удельное сопротивление - порядка 50000 Ом⋅см. После усиления сигнал передается на самописец 10, который наряду с его регистрацией, выполняет роль высокоомного вольтметра, позволяющего измерять напряжение от 2 мВ до 10 В. Сигнал дублируется на микроконтроллер 9. С преобразователя, встроенного в микроконтроллеор, не показан на фигуре, сигнал выводится на экран персонального компьютера 11.

Второй способ измерений, при котором, данное устройство работает следующим образом: данная схема с применением трех электродов 4, 5 и 6, позволяет измерять не только разность потенциалов между оболочкой и проростком семени, но и разность потенциалов с общим проводом электродом 6 и любой доступной для прикосновения частью растения в стадии вегетации. Для этого один из электродов 4 или 5 соединяется с общим проводом электродом 6, а другим осуществляется касание в желаемой точке поверхности растения или семени.

Измеренное значение потенциала снятое с электродов 4 ,5 и 6 подается на блок усилителей 7. Блок усилителей 7 обладает большим входным сопротивлением и малым коэффициентом усиления (К=8), так как мембраны растительных клеток имеют высокое удельное сопротивление - порядка 50000 Ом⋅см. Блок усилителей 7 относительно общего провода 2 производит усиление измеренного сигнала который затем поступает на блок согласования уровня сигнала 8. Блок согласования уровня сигнала 8 производит преобразование выходного сигнала от блока усилителей 7, в допустимый диапазон для измерения внутренним АЦП микроконтроллера 9 и регистрации самописцем 10, на котором изображается реальная электроплантаграмма изменения разности биопотенциалов с течением времени, которая фиксируется и детально изучается. Поступивший в микроконтроллер 9 сигнал преобразуется в цифровую форму при помощи внутреннего АЦП, встроенного в микроконтроллер, не показан на схеме, далее микроконтроллер 9 определяет максимальный уровень измеренного сигнала и с помощью внутреннего преобразователя, не показан на схеме, интерфейса передает информацию о величине измеренного сигнала в персональный компьютер 11, где обрабатывается пользователем.

Питание всех частей схемы осуществляется блоком питания 12, который преобразует напряжения переменного тока питающей сети 13 в напряжение для питания схемы относительно общего провода 2.

Электрическая схема предлагаемого устроства биопотенциала у растительных тканей представлена на фиг. 2.

Схема на фиг. 2 выполнена таким образом, чтобы минимизировать воздействие помехи на измеряемый сигнал. Рассмотрим подробнее принцип действия схемы. Суть проблемы в следующем: измеряемый потенциал должен быть определен относительно общего провода схемы. Однако, семя невозможно напрямую соединить с общим проводом схемы. Фактически, соединение между поверхностью семени и электродом сравнения схемы составляет около 50000 кОм. Теперь из-за синфазного напряжения на общем проводе и того, что электрод 6 подключен к общему проводу через высокий импеданс, возникают синфазные токи, которые вносят значительные искажения в измеряемый сигнал.

Поэтому основой построения блока усилителей является инструментальный усилитель DA2 AD620. Низкий уровень токового шума DA2 делает его идеальным измерителем потенциала семени с импедансом источника десятки кОм. Схема на рисунке 3 усиливает сигналы от семени величиной всего несколько десятков милливольт на выводах 2 и 3 DA2. R5 и параллельная комбинация R3 и R4 устанавливают коэффициент усиления DA2 приблизительно равным семи. Потенциал на выводе 6 DA1 создает общий провод для синфазного сигнала. Высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала DA2, составляющий 110 дБ, обеспечивает усиление полезного дифференциального сигнала и ослабление нежелательных синфазных сигналов. Элементы, R6 и C2 составляют фильтр верхних частот 0,3 Гц. Сигнал переменного тока на выводе 6 DA3 усиливается c коэффициентом усиления 140, установленным резисторами R7, R8. Параллельная комбинация C3 и R8 формирует фильтр нижних частот, который уменьшает это усиление на частотах выше 1 кГц.

На выходе DA3 сигнал масштабируется делителем напряжения на резисторах R9 - R11 и подается на вход АЦП микроконтроллера K1986BE92QI, где преобразуется в цифровую форму. Затем измеренный сигнал переводится в необходимый формат данных и формируется в виде посылки данных по CAN интерфейсу, поступая на выход микроконтроллера, далее через гальваническую развязку на персональный компьютер. После проведенных на экспериментальной установке опытов мы выявили, что разные культуры имеют различное максимальное изменение метаболического потенциала от потенциала покоя.

В фиг. 3 представлены результаты по значению биопотенциалов и посевные качества семян определенные по ГОСТ 12038-84 контрольного варианта (не обработанные ИЭП семена) и семян обработанных ИЭП 3-9*10⁵ В/м.

Семена, обработанные ИЭП 3*10⁵ В/м имели всхожесть 93,7%, что на 11.6% больше, чем у семян контрольного варианта (81,7%), а обработанные в ИЭП 5*10⁵ В/м имели всхожесть 91,5%, что на 9,8% больше, чем у семян контрольного варианта. Увеличение всхожести достоверно, но хуже, чем у семян обработанных ИЭП при напряженности поля 5*10⁵ В/м, что подтверждает эффективность использования для предпосевной обработки семян импульсного электрического поля, а также возможность определения рационального режима обработки по биопотенциалам. Из таблицы видно, что дальнейшее увеличение напряженности ИЭП не приводит к увеличению разности потенциалов и всхожести семян.

Из приведенных в таблице и на графике данных видно, что наиболее рационально обработка семян гороха сорта Труженик ИЭП при напряженности поля 3*10⁵ В/м.

Используя зависимость всхожести от разности потенциалов можно будет по изменению биопотенциала измерять всхожесть исследуемой культуры.

Следует отметить, что оценивая всхожесть семян по метаболическому потенциалу, можно значительно упростить определение посевных качеств с достаточно высокой точностью.

По полученным результатам нарастания максимального значения биопотенциала можно судить о посевных качествах семян.

Изобретение относится к области сельского хозяйства. Предложено устройство для измерения биопотенциалов у прорастающих семян для определения рациональных режимов их обработки импульсным электрическим полем, которое содержит блок питания, питающую сеть и персональный компьютер. Также устройство снабжено механизмом фиксации семени, который расположен на диэлектрической подставке, через которую проведен общий провод схемы. При этом механизм фиксации соединен с общим проводом-электродом, первым и вторым электродом. Общий провод-электрод, первый и второй электрод соединены с общим проводом схемы. Общий провод схемы, общий провод-электрод, первый и второй электроды подключены к блоку усилителей, который подключен к блоку питания, который подключен к питающей сети. Блок усилителей соединен с блоком согласования уровня сигнала, который соединен с микроконтроллером и самописцем, а микроконтроллер подключен к персональному компьютеру. Также предложен способ, осуществляемый с использованием указанного устройства. Изобретение обеспечивает высокую эффективность способа определения рационального режима обработки семян импульсным электрическим полем. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для измерения биопотенциалов у прорастающих семян для определения рациональных режимов их обработки импульсным электрическим полем, содержащее блок питания, питающую сеть, персональный компьютер, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжен механизмом фиксации семени, который расположен на диэлектрической подставке, через которую проведен общий провод схемы, на механизме фиксации семени располагают семя с проростком, при этом механизм фиксации соединен с общим проводом-электродом, первым электродом и вторым электродом, а общий провод-электрод, первый электрод и второй электрод соединены с общим проводом схемы, также общий провод схемы, общий провод-электрод, первый электрод и второй электрод подключены к блоку усилителей, который подключен к блоку питания, при этом блок питания подключен к питающей сети, также блок усилителей соединен с блоком согласования уровня сигнала, который подключен к микроконтроллеру и самописцу, микроконтроллер подключен также к персональному компьютеру.

2. Способ измерения биопотенциалов у прорастающих семян для определения рациональных режимов их обработки импульсным электрическим полем с использованием устройства по п. 1, включающий отбор выровненных по размеру семян; размещение их в чашках Петри с фильтровальным ложем, смоченным дистиллированной водой, измерение разности потенциалов между основанием проростка и поверхностью семени через 12-36 часов у семян разных культур, путем прокалывания первым или вторым электродом проростка у основания; регистрация сигнала семени; анализ полученных данных; выдача рекомендаций по рациональному режиму обработки.