3. fejezet - Infravörös gázanalízis

szerző: Dr. Fodor Ferenc

Tartalom

3.1. Az infravörös gázanalizátor
3.1.1. ADC 225 MK3 típusú infravörös gázanalizátor
3.1.2. Gázkeverék szén-dioxid koncentrációjának mérése
3.1.3. Levelek CO2 leadásának, illetve elnyelésének mérése
3.2. Feladatok

A növényi gázcsere vizsgálatának egy másik eszköze az infravörös gázanalízis (angolul infra red gas analysis, IRGA). Ez a módszer azonban nem csupán a levelek vízleadását, hanem a fotoszintetikus szén-dioxid fixációt, illetve a légzési szén-dioxid leadását is képes mérni. Sőt, ezeken túl, mérni lehet vele a levegő (gáz) minta kén-dioxid, nitrogén-oxid, ammónia és szén-monoxid koncentrációját is. Ennek köszönhetően az IRGA az ökofiziológiai mérések fontos eszköze.

A 800 nm feletti, infravörös fény elnyelése az egyes gázok esetében jellegzetes abszorpciós spektrumot mutat, amit az elektromos töltések egyenlőtlen eloszlása, vagyis a dipólus momentum okoz a molekulákban. Ezeket a molekulákat az infravörös sugárzás gerjeszti. Csak olyan gázok képesek erre, amelyek molekulái különböző atomokból épülnek fel, vagy amelyek több mint két azonos atomból állnak. Ez utóbbiak ugyanis szintén dipólus momentumra tehetnek szert azáltal, hogy az atomjaik hol közelednek, hol pedig távolodnak egymástól, vagyis oszcillálnak. Ilyen gázra példa a három oxigén atomból álló ózon, amelyben a két-két oxigén közti távolság váltakozó, ezáltal időlegesen pozitív és negatív pólus alakul ki a molekulákban. Ennek megfelelően a két azonos atomból álló gázok inszenzitívek az infravörös sugárzásra, mert bár molekuláikban az atomok távolsága változhat, de nem változik a töltéseloszlás. Ilyen gáz pl. az oxigén, a nitrogén vagy a hidrogén.

3.1. Az infravörös gázanalizátor

Az infravörös gázanalizátor elvi felépítését a 3.1. ábra mutatja. A készülék négy gázkamrából áll. Az I. és II. kamra inkább tekinthető csőnek, amelyen a referencia, ill. a mérő gázáram halad át. A referencia gázáram ismert, állandó összetételű gáz adott sebességgel történő áramoltatását jelenti, amelyet egy gázpumpa biztosít, és egy rotaméter (gázáramlás mérő) segítségével mérünk, illetve szabályozunk. A mérendő gázt ugyanilyen sebességgel áramoltatjuk át a másik oldalon. Az előbbi kamrák alatt helyezkedik el a III. és IV. kamra, amelyek zártak és azzal a gázzal vannak feltöltve, amit mérni szeretnénk. E két utóbbi kamrát egy membrán választja el egymástól, amely alaphelyzetben – amikor a két kamrában azonos a gáz nyomása – semelyik irányban sem domborodik ki. Az infravörös fényforrásból származó és a mérendő gáznak megfelelő hullámhosszú sugárzás egyenletes eloszlatását a referencia- és a mérő oldal között egy forgó korong biztosítja, amely azonos ritmussal szakítja meg a sugárzást mindkét oldalon. A mérés során a referencia- és a mérő kamrában áramló gázkeverékben a vizsgált gáz molekulái koncentrációjuknak megfelelő mértékben elnyelik az infravörös sugárzást, amelyből így kevesebb jut át az alsó kamrákba. Az ezekben lévő gáz nyomását az odaérkező sugárzás a zárt térben megnöveli. A két gázkörben mérhető gázkoncentráció különbséget az alsó kamrák közti membrán a nyomáskülönbségnek megfelelő alakváltozása jelzi, amelyet jelerősítés után analóg vagy digitális kijelzőn olvashatunk le.

3.1. ábra Az infravörös gázanalizátor egyszerűsített modelljének vázlatos rajza.

3.1. ábra Az infravörös gázanalizátor egyszerűsített modellje és működésének vázlata. (I. mérő gázkamra, II. referencia gázkamra, III-IV. a mérendő gázzal feltöltött, zárt gázkamrák)

Az IRGA segítségével a gyakorlatban megmérhetünk gázmintákat, melyeket a környezetben gyűjtöttünk be, de megmérhetjük egy-egy növény, vagy csupán egy levélrészlet gázcseréjét is. A mérés menetét egy laboratóriumi (nem szállítható) készüléken, az ADC 225 MK3 típusú infravörös gázanalizátoron mutatjuk be, amelyet szén-dioxid mérésére állítottunk be.

3.1.1. ADC 225 MK3 típusú infravörös gázanalizátor

3.2. ábra Az ADC 225 MK3 infravörös gázanalizátor fényképe.

3.2. ábra ADC 225 MK3 infravörös gázanalizátor

A mérés fentebb olvasható elvét szem előtt tartva a készülékben az I. és II. gázkamra további két részre osztható. A referencia gázkörben az I. kamra egy 98 és egy 2 %-os, a mérő gázkörben a II. kamra egy 95 és egy 5 %-os szeparálható szakaszból áll. Ezek a szakaszok együtt és külön is üzemeltethetők úgy, hogy szilikoncsövekkel kötjük össze őket. A készülék egy pumpa segítségével a környezetében található levegőt be tudja szívni és áthajtani egy adszorbenssel (CaO/NaOH) töltött üvegcsövön. Az adszorbens megköti a levegőből a szén-dioxidot, így ennek segítségével a gázkamrákon szén-dioxid mentes gázt tudunk átáramoltatni. A kamrák szakaszolására és a szén-dioxid mentesítésre a készülék kalibrálásakor van szükség.

3.1.2. Gázkeverék szén-dioxid koncentrációjának mérése

1. Kapcsoljuk be a készüléket a „Power On” gomb segítségével, legalább egy órával a mérés előtt, majd kapcsoljuk a mérésmód választó kapcsolót „ABS” állásba.

2. Állítsuk be a 3.8.A ábrán látható összeköttetést szilikoncsövekkel úgy, hogy a szén-dioxid mentesített levegő áthaladjon mind a referencia gázkörön, mind pedig a mérő gázkörön, a kamrák teljes hosszában. A készüléken most tehát nem halad át szén-dioxid, így beállíthatjuk a „0” értéket a „zero control” gombbal.

3.3. ábra ADC 225 MK3 infravörös gázanalizátor mérőkamráinak kapcsolási rajza gázelegyek CO2 koncentrációjának mérésekor.

3.3. ábra ADC 225 MK3 infravörös gázanalizátor mérőkamráinak kapcsolási rajza gázelegyek CO2 koncentrációjának méréséhez. A. A „0” érték beállítása CO2-mentes gázelegy (levegő) átáramoltatása során. B. Ismert (kalibráláskor) és ismeretlen összetételű gázelegy mérése CO2-mentes levegővel szemben.

3. Állítsuk át a gázkamrák kapcsolását a 3.3.B ábra szerint. Így a szén-dioxid mentesített levegő áthalad a referencia gázkör teljes hosszán, majd továbbhalad, és átáramlik hosszabbik mérő kamrán (amely a teljes szakasz 95%-át teszi ki). Vezessünk át ismert összetételű (300-500 ppm CO2 tartalmú) gázkeveréket a rövidebb mérőkamrán (vagyis a teljes hossz 5%-án). A két gázkörön a gázáram sebességét azonosra kell beállítani a rotaméter segítségével. Végül állítsuk be a megfelelő értéket a „SPAN ABS” gomb segítségével.

4. Cseréljük ki az ismert összetételű gázt tartalmazó palackot a mérni kívánt gázt tartalmazó tartályra. (Tehát a mérendő gáz is csupán a mérőkamra 5%-án halad át.) Majd olvassuk le a mért értéket. A „Power on” gomb mellett található „A-B kapcsoló” segítségével méréstartományt válthatunk. „A” esetben 0-500 ppm, míg „B” esetben 0-1000 ppm között olvashatjuk le a kijelző alsó skáláján látható értéket.

3.1.3. Levelek CO2 leadásának, illetve elnyelésének mérése

1. Állítsuk át a mérésmód választó kapcsolót „DIFF” állásba.

2. Állítsuk be a 3.3.A ábrán látható összeköttetést úgy, hogy a készüléken (illetve a növény környezetén) átáramoltatni kívánt, ismert szén-dioxid koncentrációjú levegő (ill. gázkeverék) áthaladjon mind a referencia gázkörön, mind pedig a mérő gázkörön, a kamrák teljes hosszában. A készüléken most tehát nem CO2-mentes gáz halad át, de a referencia és mérő gázkör között nem lehet különbség, hiszen azonos összetételű gáz, azonos méretű kamrákon megy át. Az így leolvasható érték a kijelző felső skáláján nulla kell legyen. (Ha kis eltérés mutatkozik, beállíthatjuk a „0” értéket a „zero control” gombbal.)

3.4. ábra ADC 225 MK3 infravörös gázanalizátor mérőkamráinak kapcsolási rajza gázelegyek CO2 koncentrációjának mérésekor: kalibrálás.

3.4. ábra ADC 225 MK3 infravörös gázanalizátor mérőkamráinak kapcsolási rajza gázelegyek CO2 koncentrációjában történő változások méréséhez: kalibrálás. A. A „0” érték beállítása kiindulási gázelegy (levegő) átáramoltatása során. B. A referencia-érték beállítása kiindulási gázelegy (levegő) átáramoltatása során.

3. Állítsuk át a gázkamrák kapcsolását a 3.4.B ábra szerint. Így a mérő gázkör rövidebb, 5%-os szakaszán szén-dioxid mentesített levegő halad át, míg a referencia gázkör teljes hosszán, majd továbbhaladva a mérő kamra hosszabb, 95%-os szakaszán távozik a készülékből. Az előző lépésben alkalmazott gázkeverék szén-dioxid koncentrációjának ismeretében kalibrálhatjuk a készüléket a differenciális üzemmódra. Miután a mérő gázkör 5%-ával csökken a mérőkamra hossza, ez ilyen arányban csökkenti a mért értéket. Abban az esetben ha mondjuk az alkalmazott gáz 400 ppm CO2-ot tartalmaz ez azt jelenti, hogy a különbség 20ppm-nek felel meg. Ezért állítsuk be ezt az értéket a „SPAN DIFF” gomb segítségével. Ezzel a készülék mind pozítív (képződés), mind negatív (elnyelés) irányba mérni képes a CO2 koncentráció változását a kiindulási gázkeverékhez képest. A „Power on” gomb mellett található „A-B kapcsoló” segítségével méréstartományt válthatunk. „A” esetben –25 és +25 ppm, míg „B” esetben –50 +50 ppm között olvashatjuk le a kijelző felső skáláján látható értéket.)

4. Végül állítsuk be a 3.5. ábra szerint úgy a gázkamrák kapcsolását, hogy a referencia és a mérő gázkör között a levegő (gázkeverék) egy zárt mérőküvettán is áthaladjon. Ebbe a mérőküvettába helyezhetjük el a vizsgált levélből kivágott darabot. Így a két gázkör teljes hosszán áthalad a levegő, először a referencia körön, majd a levélmintát tartalmazó küvettán, végül a mérő körön. A gázáram hosszúságára való tekintettel különösen figyelni kell arra, hogy a pumpák és a rotaméter segítségével mindkét gázkörön azonosra állítsuk a gáz áramlási sebességét.

3.5. ábra ADC 225 MK3 infravörös gázanalizátor mérőkamráinak kapcsolási rajza levélkorong gázcseréjének mérésekor.

3.5. ábra ADC 225 MK3 infravörös gázanalizátor mérőkamráinak kapcsolási rajza a levegő CO2 koncentrációjában levélkorong gázcseréje hatására bekövetkező változások méréséhez.

A levélszövet szén-dioxid leadásának vagy felvételének méréséhez attól függően, hogy milyen levélről van szó, mennyi ideig akarunk mérni, illetve akarunk-e kezelést alkalmazni, eltérő módon veszünk mintát. A levélszövet gázcseréjének az adott fiziológiai állapotban történő gyors méréséhez vágjunk dugófúróval egy 2 cm átmérőjű korongot vagy fűfélékből egy vagy több 2 cm hosszúságú darabot. Tegyük a mintát a mérőküvettába és zárjuk le légmentesen. Indítsuk el a pumpát, majd ellenőrizzük és állítsuk azonosra a két gázkörön a gázáram sebességét. Világítsuk meg a szövetdarabot a kívánt intenzitású fénnyel és olvassuk le a maximális értéket a kijelzőről. A megvilágító fény lehetőség szerint fotoszintetikusan aktív sugárzás (PAR) legyen és intenzitása az adott növényre nézve érje el a telítési fényintenzitást, vagyis azt az értéket, amely a maximális fotoszintetikus aktivitást biztosítja. Ilyen beállítások mellett azonban csak pár percig mérhetünk, mert a szövetdarab kiszárad. A mérendő növénymintát közvetlenül a nevelőkamrából vegyük, nehogy a laborban történő tárolás során bekövetkező fény, páratartalom stb. változás hatására megváltozzon a sztómák nyitottsága. Ügyeljünk a sztómaműködés napi ritmusára is: a mérést célszerű a délelőtti órákban elvégezni. A mérés után a szövetminta felületét meg kell határoznunk.

A mérőküvetta egyéb vizsgálati lehetőségeket is biztosít. Ha a mérendő levél elég nagy, akkor vághatunk a küvetta teljes körfelületének megfelelő méretű korongot. Ez rögzíthető úgy a küvettában, hogy az alsó és a felső epidermisz feletti légtér szeparált maradjon. Így a levegő (gáz) áramot be lehet úgy kötni a küvettába, hogy a levélnek csak az alsó vagy csak a felső oldalán történő gázcserét mérjük. A levélkorong vágott kerülete ilyenkor egy folyadékkal telíthető, zárt csatornába illeszkedik, amelyen keresztül tápoldatot lehet keringtetni, ezzel biztosítva a levél vízellátását vagy esetleg különböző hatóanyagokkal történő kezelését. Ilyen esetben a mérés időtartama sokkal hosszabb is lehet.

A levélszövet szén-dioxid leadását vagy elnyelését a ppm-ben leolvasott érték, a gázáram sebessége és a szövet felületének figyelembe vételével felületegységre vonatkoztatva számíthatjuk ki.