ĐO sự TRAO đổi KHÍ ở lá BẰNG điện cực OXYGEN

ĐO SỰ TRAO ĐỔI KHÍ Ở LÁ
BẰNG MÁY OXYLAB (HANSATECH)
Đỗ Thường Kiệt
1. Nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng và cấ u ta ̣o của máy
1.1 Nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng của máy: Điện cực oxygen
Điện cực oxy dựa trên nguyên tắc điện hóa học do Delieu và Walker
(1972) phát triển từ bộ điện cực Clark (1956). Bộ cảm biến bao gồm 2 điện
cực: cathode bằng platin (Pt), anode bằng bạc (Ag). 2 điện cực này được đặt
trong một đĩa plastic, cathode nằm giữa 1 vòm nhô lên ở trung tâm đĩa, anode
tạo thành một vòng và nằm trong một rãnh chứa dung dịch KCl bão hòa.
Anode và cathode được nối với nhau nhờ sự mao dẫn dung dịch điện ly
của một lớp giấy thấm đặc biệt. Một lớp màng teflon (màng polythene) mỏng
đặt trên cùng cho phép thấm oxy từ buồng đo vào dung dịch điện ly. Lớp giấy
thấm và màng được căng và cố định trên đĩa điện cực nhờ 1 vòng cao su nhỏ.
Khi điện thế ta ̣i điện cực ở 600 – 700 mV, oxy bị khử ở bề mặt cathode
(Pt xúc tác) tạo ra H2O2 và oxy sẽ nhận e- phóng thích từ phản ứng ở anode.
Dòng điện sinh ra ở cực âm sẽ được bộ phận Oxylab nối với điện cực ghi
nhận và số liệu sẽ được tự động xử lý nhờ phần mềm Oxylab32 trên máy tính.
Phần mềm này sẽ thể hiện (dạng biểu đồ thời gian thực) lượng O2 (µmol) có
trong buồng đo theo thời gian (phút).
Phản ứng xảy ra ở Anode:

Phản ứng xảy ra ở Cathode:

Ag  Ag+ + e-

O2 + 2H2O +2e-  H2O2 + OH-

Ag+ + Cl-  AgCl

H2O2 + 2e- 

2OHO2
Màng thấ m oxy
Cầ u điêṇ trở KCl

Cathode (Pt)

Dung dich
̣ KCl

Anode (Ag)
600 – 700 mV

C

V

A

1


Hình 1: Cấu tạo điện cực oxy. A: Anode (Ag); C: Cathode (platin); V: Vòng
đệm cao su
1.2 Cấu tạo máy

Nguồ n sáng
Buồ ng giải nhiê ̣t
(trên)
2 van thông khí

Buồ ng đo
Điê ̣n cực
Buồ ng giải nhiê ̣t
(dưới)

Hình 2: Cấu tạo buồng đo oxy LD2 và nguồ n sáng LH36/2R.

2
4

5

1

3

Máy
tính

Hình 3: Sơ đồ lắ p đặt hê ̣ thố ng đo quang hợp bằ ng điê ̣n cực oxy. 1.
Buồng đo (với 2 buồng giải nhiệt trên và dưới được nối với hệ thống bơm
giải nhiệt); 2. Nhiệt kế (đo nhiệt độ trong buồng đo); 3. Bộ nhận tín hiệu; 4.
Bộ nguồn sáng (gồm nguồn và đèn LED); 5. Bơm giải nhiệt.
2. Chuẩn bị điện cực (Do cán bô ̣ phu ̣ trách máy thực hiên)
̣
Nhỏ 1 giọt dung dịch KCl bão hòa (50%) lên trên đầu điện cực Cathode
(Pt) và 3 giọt vào rãnh chứa anode (Ag). Đặt giấy thấ m kích thước (1,5 cm x
1,5 cm) lên đầu điện cực Pt, và đặt tiếp màng thấm oxy S4 (kích thước tương
tự) lên trên cùng.

Hình 4: Cách đặt màng và giấy đệm vào điện cực
2


Giấy đệm dùng làm cầu nối dẫn điê ̣n nên phải tiếp xúc cả 2 điện cực.
Sau đó dùng dụng cụ kèm theo máy để đặt 1 vòng đệm cao su bao lấy
vòm điện cực và làm căng giấy đệm cùng màng bán thấm. Đặt vòng đệm cao
su kế tiếp bên ngoài điện cực và lắ p điê ̣n cực vào đáy buồ ng.

Hình 5: Cách dùng dụng cụ cố định màng và giấy đệm vào điện cực
nhờ vòng cao su
Lưu ý: Buồ ng giải nhiêṭ dưới, điêṇ cực và buồ ng đo bây giờ là 1 khố i
cố đinh
̣ trong suố t thời gian sử du ̣ng (điê ̣n cực cầ n được chuẩ n bi ̣la ̣i sau 2 – 3
tháng).

Hình 6: Phầ n dưới buồ ng đo gồ m buồ ng giải nhiê ̣t dưới và thân buồ ng
đo giữ cố đi ̣nh điê ̣n cực ở giữa.
Nối dây từ điện cực vào bộ OxyLab và nối với máy tính (Hiǹ h 3).
3. Các lưu ý trước khi sử dụng máy
3.1 Điện cực và áp suất trong buồng đo
Trước khi ĐẬY (hoặc MỞ) nắp và CÀI CHỐT khóa buồng đo (phần
nắp là buồng giải nhiệt trên), phải MỞ 2 van thông buồng đo với bên ngoài,
tránh áp lực lên trên màng điện cực. Nế u điề u này xảy ra, thông số điê ̣n cực sẽ
thay đổ i rấ t lớn làm sai đi kế t quả đo.

3


Hình 7: Á p lực tạo ra trong buồ ng đo khi đậy hoặc mở nắ p.

3.2 Sự cân bằ ng oxy trong buồ ng đo
Điê ̣n cực oxy chỉ có thể đo được lượng oxy xung quang đầ u điê ̣n cực,
nên sự khuyế ch tán đề u oxy trong buồ ng đo rấ t quan tro ̣ng. Để đa ̣t được điề u
này, 1 lớp xố p dày, thoáng khí được đă ̣t vào trong buồ ng đo giúp cho oxy
khuyế ch tán nhanh và đề u nhau ta ̣i mo ̣i điể m.

Hình 8: Thứ tự đặt lá, điã đê ̣m, các lưới kim loại và lớp xố p trong buồ ng đo.
3.3 Sự cân bằng CO2 trong buồng đo
Buồng đo LeafLab2 của Hansatech là một hệ thống kín. Trong quá trình
quang hợp mẫu lá sẽ làm giảm lượng CO2 trong buồng (Buồng đo oxy có thể
tích ≈ 7ml, VCO2≈ 0,035%*7*1000=245µl). 10cm2 mẫu lá tươi sử dụng
khoảng 50µl CO2/phút, vì thế lượng CO2 trong buồng đo sẽ cạn sau 4-5 phút.
Để cân bằng lượng CO2 trong buồng đo, đệm bicarbonate (KHCO3 hay
NaHCO3) 1 M được sử dụng. Dung dịch này được cho vào một lớp vải xốp;
trong diều kiện 25˚C, dung dịch phân ly thành [HCO 3-] và [CO2] với tỷ lệ
90:1 và do đó làm ổn định lượng CO2 trong buồng đo.

4


Lưu ý: Sau khi đo 1 mẫu nên thay lớp vải đê ̣m khác hoă ̣c thấ m khô trước
khi cho thêm đê ̣m bicarbonat vào. Nế u buồ ng đo chứa quá nhiề u nước sẽ ảnh
hường đế n sự khuyế ch tán của oxy trong buồ ng đo, làm sai lê ̣ch kế t quả.
4. Chuẩn điện cực
 Đê ̣m CO2: Nhỏ 3 giọt (≈ 0,2 ml) dung dịch đệm (KHCO3 1M) lên lớp vải
xốp để duy trì lượng CO2 trong buồng đo.
 Đâỵ nắ p buồ ng đo: Lắ p hê ̣ thố ng như hiǹ h 3. Nắp (buồng giải nhiệt
(trên)) được gài chă ̣t vào buồ ng đo nhờ 2 chố t ở 2 bên. Nguồn sáng được
đă ̣t ở trên cùng để chiế u sáng hoă ̣c che tố i.
 Khôi phục cài đă ̣t gố c:

Trên giao diện của phần
mềm, chọn Configure 
Control box. Đánh dấ u
chọn Auto calibrate và
nhấ n nút Default setting và
chọn OK

 Bắ t đầ u chuẩ n điê ̣n cực:
Nhấ n nút Calibrate (hoặc
Calibrate  Oxygen 
New)
 Khai báo nhiê ̣t đô ̣ buồ ng
đo: Nhập giá trị nhiệt độ
buồng đo (đo ̣c trên nhiê ̣t kế ,
ví dụ 27oC) và chọn OK

 Bước 1: Khi xuất hiện bảng
Oxygen calibration lần đầu (có
khuyến cáo của chương trình:
Establish “air line” in
chamber), mở 2 van thông
buồng chứa mẫu với bên ngoài
và chọn OK. Chờ cho tới khi
đường biểu diễn O2 ổn định
(đường thẳ ng song song với
tru ̣c hoành) chọn Stop.
 Lưu ý: Bước này chương triǹ h
ghi nhâ ̣n lượng oxy trong
buồ ng đo (cũng chiń h là lượng
5

oxy bên ngoài vì van thông
buồ ng đo mở).
 Bước 2: Khi xuất hiện bảng Oxygen calibration lần 2, khóa
1 van của buồng, bơm vào buồng 1ml O2 qua van còn lại và
sau đó cũng khóa van này. Chọn OK.
Chờ đế n khi đường biểu diễn O2 ổn định, chọn Stop.
Lưu ý: Bước này chương triǹ h ghi nhâ ̣n lượng oxy gia tăng
trong buồ ng kiń do có thêm mô ̣t lượng oxy trong 1ml không
khi.́
 Bước 3: Khi xuất hiện bảng Oxygen calibration lần 3 (có khuyến cáo của
chương trình: Establish “air line” in chamber tương tự bước 1), mở 2 van
thông buồng chứa mẫu với bên ngoài và chọn OK. Chờ cho tới khi đường
biểu diễn O2 ổn định chọn Stop.
Kế t thúc quá triǹ h chuẩ n điê ̣n cực (cho ̣n OK).
5. Vận hành máy – Đo sự trao đổ i khí
Đĩa mẫu được dùng để đo là mẫu lá được cắt bằng dụng cụ cắt chính xác
10 cm2. Nhỏ 3 giọt (≈ 0,2 ml) dung dịch đệm (KHCO3 1M) lên lớp vải xốp để
duy trì CO2 trong buồng (sau mỗi lần đo hay chuẩn phải thay lớp vải xốp và
nhỏ dùng dịch mới). Lắp hệ thống lại như hình 3.
Chương trình Oxylab V1.15 phải được mở từ lúc chuẩn đến lúc đo.
5.1 Các lê ̣nh cơ bản được sử dụng khi đo sự trao khí
GraphSet axes: Thay đổ i giới ha ̣n oxy và thời gian được thể hiê ̣n.
FileSave/Load: Lưu/xuấ t đồ thi.̣
ToolGet rate: Vào chế đô ̣ lấ y từ đồ thi ̣ giá tri ̣ của lượng oxy thay đổ i
trong 1 khoảng thời gian bấ t kỳ (µmol O2/phút).
Start/stop: Bắ t đầ u ghi nhâ ̣n đường biể u diễn oxy theo thời gian.
5.2 Đo cường đô ̣ quang hợp
Mở nguồn sáng và nhấn Start để bắt đầu ghi nhâ ̣n đồ thi ̣và Stop để dừng.

Thời gian đo khoảng 3-10 phút (tùy mẫu), lúc đó đường biểu diễn sự gia
tăng oxygen tuyến tính và hệ số góc (rate) là số mol oxy gia tăng trong 1
phút.
5.3 Đo cường đô ̣ hô hấ p
Tắt nguồn sáng và thao tác tương tự đo quang hợp. Thời gian đo khoảng 35 phút, lúc đó đường biểu diễn sự gia giảm oxygen tuyến tính và hệ số góc
(rate) là số mol oxy giảm trong 1 phút.

6


5.4 Ghi nhận kết quả
Chọn
menu Tools
 Get rate
để vào chế
đô ̣ ghi nhận
số liệu từ
biểu đồ.
Chọn
đoạn tuyến
tính
(di
chuyển
2
mũi tên đỏ)
trên biểu đồ
hoă ̣c
cho ̣n
nút options
và

nhâ ̣p
khoảng thời
gian cầ n lấ y
số liệu.
Nên chọn
đoạn tuyến
tính vì đây là
giá trị quang
hợp hay hô
hấp ổn định
của mẫu.
Click lên
đoạn
vừa
chọn (hoă ̣c
nhấ n
Options,
nhâ ̣p khoảng
thời gian và
cho ̣n OK),
máy tính sẽ
tính toán và
đưa ra số
liệu.

7


Chọn OK để ghi nhận số liệu vào bảng. Đây là số liệu trung bình của đoạn
vừa chọn. Nếu cần lấy sai số máy theo thời gian thì chọn và lấy số liệu của

từng đoạn rồi tính trung bình.
Kết quả là hệ số góc (Rate) trên trên bảng rate measurement với đơn vị:
µmolO2/10cm2/phút là số mol Oxygen được phóng thích (quang hợp) hay
thu vào (hô hấp) trên 10 cm2 lá trong 1 phút.
5.5 Lưu và mở lại biểu đồ.
Nếu xuất hiện bảng Start Recording: Chọn
Save để lưu lại đường biểu diễn thành 1 tập tin;
chọn append thì đường biểu diễn mới sẽ tiếp
nối đường biểu diễn cũ; Chọn Overwrite để xóa
đường biểu diễn cũ và bắt đầu đường biểu diễn
mới.
Chọn Files  Save để lưu biểu đồ. Đánh
vào ô file name tên của tập tin muốn lưu và
chọn Save. Nhập ghi chú về tập tin này và chọn
OK để hoàn tấ t quá triǹ h lưu.
Tương tự, chọn Files  Load để lấy lại
biểu đồ. Có thể lấy số liệu từ biểu đồ như bước
ghi nhận kết quả. Chọn tập tin cần lấy và chọn
Open.
6. Mô ̣t số lưu ý khi đo các mẫu thực vâ ̣t khác nhau
 Máy leaflab2 với buồ ng đo LD2 được thiế t kế để đo sự trao đổ i khí của
lá. Khi đo những mẫu thực vâ ̣t khác như mô se ̣o và các phầ n với diê ̣n tić h
tiế p xúc phức ta ̣p, phải giảm thiể u sai số cho máy bằ ng cách: không để
khoảng trố ng quá lớn xung quanh mẫu, không làm dâ ̣p mẫu, số lầ n lă ̣p la ̣i
lớn tùy mẫu (trên 5 lầ n lă ̣p la ̣i).
 Đố i với các mẫu lá khác nhau, cầ n để ổ n đinh
̣ mẫu (giữ ẩ m và đă ̣t trong
tố i) trong mô ̣t khoảng thời gian tùy loài thực vâ ̣t. Phải khảo sát pha không
ổ n đinh
̣ (pha lag, biể u hiê ̣n bằ ng đường cong trên đồ thi)̣ khi đă ̣t vào buồ ng

đo để có được giá tri ̣ ổ n đinh
̣ sau đó (pha ổ n đinh,
̣ biể u hiê ̣n bằ ng đường
thẳ ng trên đồ thi).̣
 Thực hiê ̣n thao tác đo cho các lầ n đo lă ̣p la ̣i phải tuân theo nguyên tắ c: thu
mẫu càng tương đồ ng càng tố t (mẫu có cùng đô ̣ tuổ i, cùng vi ̣ trí trên cây,
vi ̣trí cắ t trên các lá giố ng nhau), thời điể m thu mẫu, thời gian ổ n đinh
̣ mẫu
và đo mẫu phải giố ng nhau.
 Sau khi đo 1 mẫu, phải sử du ̣ng mô ̣t tấ m đê ̣m khác có tẩ m lượng dung dich
̣
bicarbonat xác đinh
̣ (3 gio ̣t) để đo mẫu kế tiế p.
8


7. Lưu ý trong viêc̣ bảo quản máy
 Viê ̣c chuẩ n bi ̣ điê ̣n cực chỉ do 1 người hiể u rõ về máy làm. Không tự ý
chuẩ n bi ̣điê ̣n cực. Nế u điê ̣n cực có vấ n đề cầ n báo cho người quả lý máy.
 Trước và sau khi đo xong, dùng kep̣ gắ p các điã đê ̣m và inox ra khỏi
buồ ng đo, dùng khăn giấ y đã thấ m mô ̣t it́ nước cấ t lau nhe ̣ bên trong
buồ ng đo (không lau ở lỗ điê ̣n cực). Sau đó, lau khô buồ ng đo và đă ̣t các
điã trở vào.
 Luôn kiể m tra và giữ cho các điã đê ̣m và buồ ng đo khô, sa ̣ch hóa chấ t
trước và sau khi đo.
 Mở 2 van thông buồ ng đo khi đâ ̣y hoă ̣c mở nắ p buồ ng.
 Đâ ̣y kiń (khóa 2 van thông buồ ng đo) khi không còn sử du ̣ng máy, đâ ̣y
máy la ̣i để tránh bu ̣i và hơi nước làm hỏng các thiế t bi ̣điê ̣n của máy.
Tài liệu tham khảo
1. Clark, L.C. (1956). Monitor and Control of Blood and Tissue Oxygen

Tension (Transaction of the American Society for Artificial Internal
Organs 2, 41)
2. Delieu, T.D. and Walker, D.A. (1972). An and Improved Cathode for
the Measurement of Photosynthetic Oxygen Isolated Chloroplasts
(New Phytologist 71, 201-225)
3. URL:

9