全 文 ：植物生理学通讯 第 44卷 第 3期，2008年 6月 539
不同光波长下大光金鱼花叶片超微弱发光的光子计数统计
赵占娟 1,*，李光 2，杨卫星 1，闫冰 1
河北大学 1医学部，2物理科学与技术学院，河北保定 071002
The Photon Count Statistics of Ultraweak Photon Emission from Different
Columnea gloriosa Sprague Leaves under Diverse Wave Lengths
ZHAO Zhan-Juan1,*, LI Guang2, YANG Wei-Xing1, YAN Bing1
1Health Science Center, 2College of Physics Science and Technology, Hebei University, Baoding, Hebei 071002, China
提要：用生物超微弱发光探测技术，对植物叶片的超微弱发光透过滤波片进行测量，并用量子光学中的光子计数分布统
计方法得到的结果表明，不同波长下，大光金鱼花叶片的光子计数分布不同，但幼叶和老叶的光子计数分布的规律基本
相同，而成熟叶片光子计数分布的规律比较紊乱。
关键词：超微弱发光；光子计数统计；滤波片；随机设计的单因素的方差分析
收稿 2007-12-14 修定 2008-04-23
资助 河北科技攻关项目(0 72 76 10 1D -7 4)。
* E-mail：zhaozhanj@sohu.com；Tel：0312-4133155
超微弱发光是所有生物都具有的一种普遍现
象，它是生物系统中自发辐射的一种极弱的光子
流，其强度为几百个 hv·s-1·cm-2，波长范围从红
外到紫外呈准连续谱。植物超微弱发光和植物的
生命活动(细胞分裂和死亡、癌变、生长调控、
氧化代谢)联系紧密，生物在受到外界环境(如温
度、光照、环境胁迫等)的影响后生物光子的辐
射会迅速发生变化。谭石慈等(2000)在白菜叶片
和叶绿体光诱导的延迟发光光谱的研究中发现，
叶片的延迟发光光谱在 485、560~590、650、
685、725~735 nm附近都有峰出现。张新萍等
(2005)在水华鱼腥藻超弱发光光谱研究中也观察
到，水华鱼腥藻的超弱发光光谱在 440和 575 nm
处有特征峰出现。赵占娟等(2007)在大光金鱼花
叶片超微弱发光的光子计数统计中看到，在可见
光光谱中，植物叶片幼叶及老叶的光子计数分布
与泊松分布基本吻合，而成熟期叶片的光子计数
分布则与泊松分布偏离很多。Jung等(2005)曾用
1年的时间对3名健康实验者的手心及手背的超弱
光子数进行测量，并计算其频率分布，结果表
明：人手的超弱光子辐射率随季节而变化，在秋
天人手心的超弱光子辐射率最低。这些都是生物
光子的光谱或在可见光光谱中生物超微弱发光的光
子计数的研究。本文在超微弱发光测量仪上加上
滤光片从而改装成能分光谱段测量生物光子辐射强
度的装置，并应用此装置测量了大光金鱼花叶片
在 400~640 nm范围内的光子计数分布情况，以
了解不同光波长下生物光子的光子计数统计规律。
材料与方法
大光金鱼花(Columnea gloriosa Sprague)为多
年生草本植物，喜湿润环境，适宜生长温度为
18~22 ℃，从市场购买后在实验室中恒温培育1个
月后用于测定。选具有顶端幼叶、中部功能叶和
下部老叶的同一枝条，用剪刀将叶片从基部剪断
后立即放入盛有水的器皿中。在测量前先用去离
子水将叶片擦洗干净，再用滤纸吸干叶片表面的
水分，然后将叶片置于样品室中暗适应 200 s，随
即依次加上10片滤光片后测量叶片的超微弱发光
强度。每次测量时间为 100 s，记录下光子总数，
连续测量 3 次。每个样品测量前先测一次本底，
再用3次测量值的平均数减本底的差的平均数作为
自身发光强度的测量值。实验装置采用由中国科
学院生物物理所研制的生物超微弱发光测量仪
(BPCL-4)进行测量。
光子计数的统计是在一个给定的时间间隔 ∆t
内，记录到 n 个光子( n = 0、1、2⋯⋯)的概率
P (n，∆t)的分布。这是分析生物光子相干特性的
有效手段(甘子钊等 1996)。量子力学证明，一个
完全相干的稳定的光子场，光子计数统计服从泊
松分布：
植物生理学通讯 第 44卷 第 3期，2008年 6月540
式中，〈n〉是记录的平均光子数。测定时，
选生长势相近、最上部已完全伸展的叶片和下部
叶片已有部分发黄衰老的大光金鱼花的枝条为实验
材料。从枝条上端已完全伸展的叶片开始计数，
叶位由上而下依次记为 1、2、3⋯⋯9。测定叶
片超微弱发光时叶片的温度维持在 18 ℃，于暗室
中以 BPCL-4超弱发光分析仪测定。仪器预热 1 h
以稳定本底。仪器工作电压为 1 000 V，光子记数
时间间隔为 1.00 s。使用的 10片滤波片，透过
波长分别为：400、425、440、460、490、535、
555、575、620和 640 nm。
统计采用完全随机设计的单因素的方差分
析，对样本均数进行多重比较，检验水准为α=0.05。
若概率 P>0.05，则认为波长的变化对光子计数分
布无显著影响；反之，P<0.05，则认为波长的
变化对光子计数分布有显著影响。
实验结果
1 同一枝条不同叶位叶片超微弱发光强度的光谱
分布
将测得的强度数据用滤光片的透过率和带宽
进行校正并归一化后做出发光光谱曲线。图 1是
大光金鱼花在衰老过程中的不同叶片的超微弱发光
强度的发光光谱，从中可以看出，叶片的发育程
度不同，其在不同光波长下发出的光子强度也不
同，但都是在 440、555或 620 nm处有较强的峰。
不同叶片的超微弱发光强度不同，但超微弱发光
光谱分布基本不变。把大光金鱼花在衰老过程中
的超微弱发光光谱分布特征与杨善元(1985)测得的
叶绿素的吸收光谱比较，发现它们的峰值在光谱
中的位置有一定的相似之处，如叶绿素 a在有机
溶剂中，在 430 nm左右有一特征吸收峰，而大
光金鱼花的超微弱发光在 430 nm左右也有一较强
的峰，这说明大光金鱼花的超微弱发光与叶绿素
的生理功能有关，与叶绿素 a 有一定的内在联
系。而大光金鱼花的超微弱发光光谱在 575~620
nm之间依然有峰值出现，说明叶片的超微弱发光
不能简单归因于叶绿体光合作用的电子传递，还
需进一步研究其光谱特征。
2 不同叶位叶片的光子计数分布随波长的变化
图 2是叶片 1、3、6、9的超微弱发光的光
子计数分布随波长的变化图形，其他叶片的计算
方法与此类似。图中纵坐标(计数频率)表示在 100
s内记录的各光子数出现的频率。
为了比较不同叶位叶片的光子计数分布随波
长的变化，采用朱延彬等(1999)以实测数据的方
差与拟合泊松分布方差的偏差 N= (δ 2实测 -δ 2拟合)/
δ 2实测 ×100%，对各叶片的光子计数分布进行计
算，并做出叶片光子计数分布与理论泊松分布的
偏差随波长的变化分布图形。从图 3 可以看出，
叶片1~9的实验数据对泊松分布的偏差(即N值)各
不相同，但基本上老叶(8、9)和幼叶(1、2)的变
化规律相同，都是在 400~440 nm之间随波长的
增加而下降，到 440 nm处降到最低值；在 460
nm处出现一个峰值，随后又下降；在 490~575
nm之间 N值随着波长的增加而增加，到 555 nm
时 N值又增大到最大，再次出现一个峰值，然后
又下降；但在长波段 620~640 nm处又有增大的
趋势。而成熟叶片(3~7)的偏离程度随波长的变化
比较紊乱。
3 不同波长下叶片光子计数分布的统计描述
为了说明叶片光子计数分布与理论泊松分布
的偏差(N值)随波长的变化，我们做了单因素的方
差分析(表 1)，结果表明，叶片 N值随波长的加
大而有改变(P<0.05)。我们又对各组作了两两比
较的结果(表 2)表明，将各组与 400 nm比较，只
有 490和 555 nm这两个组差异具有统计学意义，
其他组差异无统计学意义；将各组与 460 nm比较
时，除了 400和 555 nm组差异无统计学意义，其图 1 不同叶位叶片的超微弱发光强度的光谱分布
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图 2 不同叶位叶片超微弱发光的光子计数分布随波长的变化分布
图 3 叶片光子计数分布与理论泊松分布的
偏差随波长的变化
表 1 不同波长的光子计数分布与理论泊松分布
偏差的单因素方差分析
波长 /nm N x - ±s F P
400 9 18.80±15.18
425 9 13.83±10.35#
440 9 10.34±8.91##▲
460 9 27.05±16.91
490 9 6.46±4.13*###▲▲ 3.101 0.003
535 9 8.01±4.94###▲
555 9 20.87±14.23*
575 9 13.53±7.25#
620 9 10.32±6.15##▲
640 9 14.14±8.05#
　　与 4 0 0 nm 比较，*P< 0 .0 5；与 4 6 0 nm 比较，#P< 0 .0 5，
##P<0.01，###P<0.001；与 555 nm比较，▲ P<0.05，▲▲ P< 0.01。
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他各组差异均有统计学意义；将各组与 555 nm波
长比较，440、490、535、620 nm差异有统计
学意义，其他组别差异无统计学意义。
讨　　论
光子计数的统计分布是分析光子场特性的有
效手段，近年来，许多学者对植物叶片的超微弱
发光光谱特性进行了研究，但研究不同波长下叶
片的光子计数分布不多见。
以大光金鱼花叶片为实验材料，初步分光谱
段测试叶片在衰老过程中光子计数统计分布的结果
表明，波长不同，叶片的光子计数统计分布也不
同。但老叶与幼叶的光子计数分布的变化规律相
同，而成熟叶片的光子计数分布的规律紊乱。这
可能是因为成熟叶片内部复杂的化学发光比重较
大，化学发光的反应对不同波长下叶片的光子计
数统计分布会产生影响，故实验数据对泊松分布
的偏离变得有些紊乱；而老年与幼年叶片体内的
化学反应水平较低，故随波长的变化，其实验数
据对泊松分布的偏离变化不大。在 440、575 nm
波长中所有大光金鱼花叶片的光子计数统计与泊松
分布的偏离都较小，而大光金鱼花叶片的超微弱
发光强度的光谱分布峰值也都在 440和 555 nm
表 2 在不同波段中的光子计数分布与理论泊松分布偏差的两两比较

波长 /nm
波长 /nm
400 425 440 460 490 535 555 575 620 640
400 —
425 4.98 —
440 8.46 3.48 —
460 8.24 13.22* 16.70** —
490 12.34* 7.37 3.88 20.59** —
535 10.79* 5.81 2.33 19.03** 1.55 　—
555 2.06 7.04 10.52* 6.18 14.41** 12.85* —
575 5.27 0.29 3.19 13.51** 7.07 5.52 7.33 —
620 8.48 3.50 0.02 16.72** 3.86 2.31 10.54* 3.21 —
640 4.66 0.31 3.80 12.91* 7.68 6.13 6.73 0.61 3.82 —
　　*P< 0 .0 5；**P< 0 . 0 1。表中数据为对比组均数之差。
处。这说明叶片的光子计数统计反映出叶片的超
微弱发光与叶绿体的生理功能有关，同时还可能
与机体内的氧化代谢、细胞分裂或死亡、生长调
节等生命过程也有关，这与甘子钊等人的理论也
是一致的(甘子钊等 1996)。
总之，分光谱段测量大光金鱼花叶片超弱发
光的结果不仅为有机体内信息传递等理论研究提供
参考，也同时为生物学、医学、农业和环境保
护等部门提供了新的生物物理学分析技术。
参考文献
甘子钊, 韩汝珊, 张学群主编(1996). 生命科学中的物理学: 北京:
北京大学出版社, 166~171
谭石慈, 邢达, 唐永红, 李德红(2000). 植物叶片超微弱发光光谱
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杨善元(1985 ). 叶绿素聚集体的延迟发光. 发光与显示, 6 (2):
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张新萍, 岳霞丽, 胡先文, 陈建军, 董元彦(2005). 水华鱼腥藻超弱
发光光谱研究. 化学与生物工程, (4): 50~54
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朱延彬, 郭周义, 马俊富(1999). 生物光子场特性的初步研究. 光
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