大豆种子中活力检测方案(激光诱导击穿)

LTB-米PHOTONICSTECH CHINALTB-CHINA 2022.05.09 LTB-CHINA 2022.05.09 当然，大豆作为作物产品，其生产产量和品质与种子质量息息相关，种子活力作为全面衡量种子质量状况的一个重要指标，已列入到种子质量检测技术规程。高活力的种子具有明显的生长优势和生产潜力，能能提高田间出苗率、抵抗逆环境生长、节约播种费用、增强对病虫杂草竞争力、增加产量，帮助人们节约时间、劳动力和物质资源；低活力的种子在田间发芽速度慢、出苗不规整，很容易受到生长环境的影响而造成农产品减产，种植成本较高。传统的种子测定方法还是比较多的，但大部分都比较耗费时间或者对种子破坏性较强，总的来说分为直接法和间接法。直接法是模拟田间不良条件，观察种子出苗能力或幼苗生长速度和健壮度，如幼苗生长测定、逆境活力测定等；间接法是通过检测某些与种子活力有关的生理生化指标和物理特性。种子活力水平或强度的差异是客观存在的，会反映在种子一些特殊属性上，包括从酶活性到发芽、出苗、生长发育等。 在大豆种子的研究资料中显示，大豆中的钙大部分以果胶的形式存在于植物中，沉积在细胞中层，这赋予了细胞壁一定的耐受性。该元素在激活钙调素辅酶中起着重要的酶作用，如果没有钙，则没有催化活性，特别是在种子萌发过程中，需要钙调素激活其它几种酶，如磷脂酶、核苷酸、膜 ATPase-Ca、谷氨酸脱羧酶和 NAD 激酶等，并合成有利于淀粉分解α-淀粉酶，因此大豆种子的活力水平也就会显示在大豆内某些元素的组成上。 通过大豆种子元素分析进行活力检测，是种科学的方法。 -个较为实用的方法应具备节约费用、简单易行、快速省时和结果准确等特点。结合两种特点(元素分析；分析快、易、准等)， LIBS(Laser inducedbreakdown spectroscopy)技术或许能够一展拳脚。LIBS 技术是激光聚焦样品表面形成等离子体，进而对等离子体发射光谱进行分析，它反映的是物质元素的成分和含量。物质在元素成分及含量上有差异，产生的光谱图也会有区别。 当然大豆种子中的元素除了钙元素，还有 H、C、N、Mg、K等元素，其中C元素的特征谱线(247.85nm)在紫外区域，而K元素的特征谱线(766.54nm， 769.93nm)在红外区域，在选择 LIBS 系统中的光谱仪时就得考虑到即保证高分辨率，又要满足宽拍谱范围，而 ARYELLE400 BUTTERFLY 中阶梯光谱仪为这一需求提供了可能的解决方案： ARYELLE BUTTERFLY 是 ARYELLE 系列中独特的双光栅光谱仪，它整合了两台高分辨率 ARYELLE 400 在一个紧凑得外外中，它们按顺序照射的方式共享一个检测器。这使得在具有极大跨度得 VUV 和 UV-VIS-NIR范 ( L ocation ： LEV E L 54 H O PEWEL L CENTRE ， 1 8 3 Q U E EN 'S ROAD EA ST， H O NGKO N G ) 围内对光栅光谱测量分析成为可能。下面图片是来源于巴西某科研单位的大豆种子 LIBS 检测光谱： 该测试中使用的德国 LTB公司所推出的中阶梯光谱仪 ARYELLE400 BUTTERFLY， 能够同时工作在两个波段(175-330nm，分辨率13~24pm； 275-750nm，分辨率29~80pm)。最后结合机器学习支持向量机算法，交叉验证，结果显示大豆种子的高低活力样本鉴别区分的准确率高达97.8%。 德国LTB公司制造的 ARYELLE Butterfly 中阶梯光谱仪是利用中阶梯光栅作为色散元件，提供超高光谱分辨率，超宽光谱窗口及超高灵敏度――兼具三大顶尖能力于一身的全能型光谱产品： >超宽光谱窗口——无需扫描单次拍谱范围可达九百纳米(190~1090nm)；非常适用于未知成分的等离子体光谱分析 > 超高分辨率——9000~50000(Up to 0.004nm level)；非常适于要求超高分辨率的原子光谱分析 > 超高灵敏度――非常优秀的系统集光效率 ( L ocation ： LEV E L 54 H O PEWEL L CENTRE ， 1 8 3 Q U E EN 'S ROAD EA ST， H O NGKO N G ) 参数 规格 探测器 PI/ANDOR CCD：2048X512pixels； Pixel size：13X13pm2； Max Well capacity：1Me-； cooling： 75℃ (Scientific EMCCD， ICCD， EMICCD with other specifications optional) 可探测波长范围 192~1090nm/192~950nm/192~750nm/.etc.； 提供超高分辨率无需扫描宽拍谱 LIBS&RAMAN 配置 (Down to 180nm possible；Other wavelength range depand on specific setup) 光谱解析能力(入/△入：波长与该波长下分辨率之比) 9400~25，000(typical)；27，000；35，000；50，000 (Highest) (Practical resolve power，not pixel resolve power；The Pixel resolve power would be 3 times to above the value) 光谱分辨率(pm) 9400~25，000(typical)；27，000；35，000；50，000(Highest) (Practical resolve power，not pixel resolve power；The Pixel resolve power would be 3 times to above the value) 狭缝宽度(um) 50X50u m(other width possible) 相对孔径 f/10 焦长(mm) 400mm 时序管理最小步长(us) 100ns(2ns/5ns/50ns/100ns possible according to detector) 系统动态范围 15bit；A/D 转换 16bit 光谱信号耦合端 Mirror optics or fiber(SMA connector) 光谱分辨精度 优于1/4光谱分辨率，全自动光谱标定 光谱数据库 提供NIST 光谱数据库，与元素发射谱线自动匹配功能； 冶金样本LIBS实测光谱图及局部放大： 总结： 通过整个实验及实验结果， LIBS 技术是有作为种子活力检测新方法的潜力的。其高效、操作简单、结果准确等特点，有望改善在种子活力检测中需要较长时间，较繁琐操作的现状。同样，在面对不同检测样本时，选择合适的仪器，能够让我们得到更精准的结果。 ( L ocation ： LEV E L 54 H O PEWEL L CENTRE ， 1 8 3 Q U E EN 'S ROAD EA ST， H O NGKO N G ) LTB PhotonicsTech China LimitedT：+ M：contact@ltb-china.com W：www.ltb-china.com 大豆起源于中国，在中国栽培并用作食物及药物已有5000年历史。我国古代称大豆为“菽”，英语里的Soybean, 是中文“菽”的译音。秦汉以后“大豆”一词代替了“菽”字并广泛应用。“大豆”一词最先见于《神农书》的《八谷生长篇》，其中记载：“大豆生于槐，出于泪石云山谷中，九十日华，六十日熟，凡一百五十日成。”目前，大豆早已成为世界各国之间的主要进出口农产品之一，是生产豆油和豆粕的原料，既有较高的营养价值，在人们日常膳食结构中占有重要比重，又具有较高的综合加工利用价值和养地价值。大豆作为作物产品，其生产产量和品质与种子质量息息相关，种子活力作为全面衡量种子质量状况的一个重要指标，已列入到种子质量检测技术规程。高活力的种子具有明显的生长优势和生产潜力，能够提高田间出苗率、抵抗逆环境生长、节约播种费用、增强对病虫杂草竞争力、增加产量，帮助人们节约时间、劳动力和物质资源；低活力的种子在田间发芽速度慢、出苗不规整，很容易受到生长环境的影响而造成农产品减产，种植成本较高。传统的种子测定方法还是比较多的，但大部分都比较耗费时间或者对种子破坏性较强，总的来说分为直接法和间接法。直接法是模拟田间不良条件，观察种子出苗能力或幼苗生长速度和健壮度，如幼苗生长测定、逆境活力测定等；间接法是通过检测某些与种子活力有关的生理生化指标和物理特性。种子活力水平或强度的差异是客观存在的，会反映在种子一些特殊属性上，包括从酶活性到发芽、出苗、生长发育等。在大豆种子的研究资料中显示，大豆中的钙大部分以果胶的形式存在于植物中，沉积在细胞中层，这赋予了细胞壁一定的耐受性。该元素在激活钙调素辅酶中起着重要的酶作用，如果没有钙，则没有催化活性，特别是在种子萌发过程中，需要钙调素激活其它几种酶，如磷脂酶、核苷酸、膜ATPase-Ca、谷氨酸脱羧酶和NAD激酶等，并合成有利于淀粉分解α-淀粉酶，因此大豆种子的活力水平也就会显示在大豆内某些元素的组成上。通过大豆种子元素分析进行活力检测，是一种科学的方法。一个较为实用的方法应具备节约费用、简单易行、快速省时和结果准确等特点。结合两种特点（元素分析；分析快、易、准等），LIBS(Laser induced breakdown spectroscopy)-激光诱导击穿光谱技术或许能够一展拳脚。LIBS技术是激光聚焦样品表面形成等离子体，进而对等离子体发射光谱进行分析，它反映的是物质元素的成分和含量。物质在元素成分及含量上有差异，产生的光谱图也会有区别。当然大豆种子中的元素除了钙元素，还有H、C、N、Mg、K等元素，其中C元素的特征谱线（247.85nm）在紫外区域，而K元素的特征谱线（766.54nm，769.93nm）在红外区域，在选择LIBS系统中的光谱仪时就得考虑到即保证高分辨率，又要满足宽拍谱范围，而ARYELLE400 BUTTERFLY中阶梯光谱仪为这一需求提供了可能的解决方案：