用于農(nóng)業(yè)和食品工業(yè)的傳感器

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)管理在很大程度上有賴于許多不同種類的傳感方法，以提供關(guān)于作物、土壤、氣候和環(huán)境條件的準(zhǔn)確信息。幾乎每一類傳感技術(shù)都可以在農(nóng)業(yè)和食品工業(yè)中得到應(yīng)用。本文將對傳感器在農(nóng)業(yè)和食品工業(yè)中的應(yīng)用作一簡略評述。

1 光譜遙感

農(nóng)作物光譜的遙感已經(jīng)被深入研究，并被證明是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)管理的一個重要工具。農(nóng)業(yè)光譜遙感是指在田野上方所得到的光譜圖像，此時的入射電磁輻射通常是指陽光[1]。當(dāng)陽光照射到作物或土壤表面時，光線會被反射、吸收或透射，這取決于光線的波長和所接觸物體的特性。所接觸物體的物理或化學(xué)性質(zhì)的差異，例如葉子的顏色、質(zhì)地或形狀，決定了某一特殊波長的光線被反射、吸收或透射的能量多寡。農(nóng)業(yè)中最常用的遙感技術(shù)是光譜反射比測量。所測定的光譜反射比 （反射能量與入射能量的比值）是波長的函數(shù)[2,3]。與波長相關(guān)的反射比曲線這一光譜特征隨植物品種和條件不同而有所差異。

大多數(shù)農(nóng)業(yè)應(yīng)用項目中所測得的電磁波的波長范圍從可見光（400～700 nm）直至近紅外范圍（700～2500 nm）之間[1]。研究表明這一范圍內(nèi)的光譜特征可以為了解作物和土壤的生理學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)提供豐富和有價值的信息[1,4,5]。已經(jīng)依據(jù)所測定的光譜反射比數(shù)據(jù)編制了某些特殊植物和農(nóng)作物的光譜學(xué)指數(shù)，用于對不同的農(nóng)業(yè)狀況進(jìn)行研究[1,6]。

光譜儀、輻射計和數(shù)字照相機(jī)可以安裝在不同的平臺上，諸如地面（拖拉機(jī)或卡車）、空中（飛機(jī)）或太空（衛(wèi)星）等，以收集各種數(shù)據(jù)。傳感器平臺移動時可進(jìn)行小范圍的連續(xù)測量，接著進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并繪制相應(yīng)圖像[3]。遙感結(jié)果的質(zhì)量可從空間分辨率、光譜分辨率和時間分辨率等方面進(jìn)行評估[1,3]。空間分辨率是指在圖像中可以辨認(rèn)的最小區(qū)間?？臻g分辨率與圖像的像素直接相關(guān)。光譜分辨率表達(dá)了由傳感器所測定的電磁波譜線的數(shù)值和寬度。時間分辨率則表明一個傳感器平臺能以怎樣的時間間隔提供該區(qū)域的測量數(shù)據(jù)。農(nóng)業(yè)和農(nóng)場管理應(yīng)用所需數(shù)據(jù)的空間分辨率通常為2～5米，時間分辨率則為1～3天，以及1個像素的地域精度和24小時內(nèi)的農(nóng)產(chǎn)品送貨時間，同時需對大氣環(huán)境的干擾，諸如灰塵、一氧化碳、二氧化碳和臭氧等進(jìn)行校正[6]。

在上一個十年中，對傳感器分辨率的嚴(yán)苛要求極大地推動了農(nóng)用傳感器研發(fā)的進(jìn)展[6]。空間分辨率在很大程度上取決于傳感器平臺的類型。地面和空中的傳感器平臺可以較容易地滿足田野上方空間分辨率的要求，但成本和勞動力的花費(fèi)很大。設(shè)置在太空的平臺只能提供較低的分辨率，同時易受氣象條件的影響，例如云層的干擾。各類傳感器平臺的優(yōu)劣在Scotford等的文章中作了概括的評價[1]。

光譜遙感技術(shù)早在上世紀(jì)六十年代初已被用于農(nóng)業(yè)。傳統(tǒng)的光譜傳感器采用一個多光譜成像系統(tǒng)，各個平行的傳感器陣列在電磁波的可見光波段至中紅外波段之間分別測量少量的光譜帶（3～6）[2,7]。近二十年來高光譜成像技術(shù)（hyperspectral imaging）的進(jìn)展促進(jìn)了光譜分辨率的提高。高光譜成像系統(tǒng)可以測量許多（數(shù)百個）極窄的相近光譜帶，波長范圍從可見、近紅外、中紅外直至熱紅外（圖1）[2,3,7,8]。由高光譜系統(tǒng)可以得到詳盡的高分辨率光譜數(shù)據(jù)，并可由此得到有關(guān)農(nóng)作物和田地特征的詳盡而精確的信息。高光譜系統(tǒng)產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)。如何對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析有賴于對高光譜傳感器和測定對象性質(zhì)的深入了解[2,3]。當(dāng)前，高光譜成像的研究課題包括數(shù)據(jù)處理機(jī)制、數(shù)據(jù)比對和模型建立等[9,10]。

光譜遙感已經(jīng)被成功地應(yīng)用于測量農(nóng)作物營養(yǎng)狀況、農(nóng)作物病害、水資源缺乏或豐盈、叢生的雜草、昆蟲危害、植物種群、洪水管理和其它田野狀況[1～3,11,12]。

圖1 高光譜成像的概念。反射比測量在極窄的相近波帶范圍內(nèi)進(jìn)行，每一像素都顯示完整的光譜

食品工業(yè)已采用光譜遙感技術(shù)來監(jiān)控食品質(zhì)量和檢測可能發(fā)生的食品污染[13～16]。在食品加工廠中通常采用一種人工光源來照射在傳送帶上輸送的食品，然后用一個傳感器系統(tǒng)來測量所產(chǎn)生的熒光或散射光的反射比。用于食品質(zhì)量監(jiān)控的光線波長包括紫外 （10～400 nm）、可見（400～750 nm）和近紅外（750～2500 nm）等波段[13]。近來，三維高光譜成像系統(tǒng)已被用于準(zhǔn)確測定[17～21]。

2 電子鼻

植物和樹木通常都會釋放出揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs），這是它們?nèi)粘Ｉ磉^程的副產(chǎn)物。此類特殊的揮發(fā)性有機(jī)物的產(chǎn)生以及所釋放的數(shù)量反映了農(nóng)作物和農(nóng)田的情況。濕度、光線、溫度、土壤情況、施肥、昆蟲和植物病害都會影響揮發(fā)性物質(zhì)的釋放。電子鼻在農(nóng)業(yè)中的最常見應(yīng)用是測定農(nóng)作物病害、判別昆蟲危害以及監(jiān)測食品質(zhì)量。電子鼻通常由氣體傳感器陣列和電子模式識別系統(tǒng)兩部分組成。陣列中的各種傳感器的選擇性可以廣泛或部分交叉覆蓋，模式識別系統(tǒng)中則包含了多變量統(tǒng)計數(shù)據(jù)處理工具。電子鼻的典型訓(xùn)練過程是對健康的植物/水果和罹患病害的植物/水果所釋放的揮發(fā)性物質(zhì)的特性進(jìn)行比較。這一領(lǐng)域的最新進(jìn)展可參見Sankaran等所撰寫的評論文章[22]。

電子鼻在食品工業(yè)中的重要應(yīng)用是在加工和包裝過程中評估水果和蔬菜的新鮮和腐敗程度[23,24]。研究工作表明，揮發(fā)性物質(zhì)的檢測可以指示水果的成熟度以及哪些化合物能促進(jìn)水果的成熟，如氨[25,26]、乙醇[26]、乙烯[26,27]和反式-2-己烯醛[28]等。電子鼻已用于檢測蘋果儲藏期間芳香物的數(shù)量變化[29]，評估采摘后的桃、梨、香蕉[29～31]和油桃[29,31]等水果的質(zhì)量，以及檢測土豆的腐爛[32]等。不過上述研究都還處于初始階段。傳感器的穩(wěn)定性、使用壽命、標(biāo)定、選擇性以及氣體傳感器陣列儀器的標(biāo)準(zhǔn)化等都是制約其商業(yè)應(yīng)用的因素[33]。

電子鼻和電位傳感器曾被用來確定安放食草性昆蟲誘捕器的范圍[34～36]。近來，利用電子鼻來測定植物在受到昆蟲襲擊后所釋放出的揮發(fā)性物質(zhì)，以便及早確定昆蟲危害的發(fā)生[37～39]。

3 電化學(xué)傳感器

電化學(xué)傳感器在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的一個重要應(yīng)用是土壤化學(xué)中對諸如pH值或營養(yǎng)成分的直接測量。土壤測試結(jié)果對于提高農(nóng)作物產(chǎn)量和生產(chǎn)質(zhì)優(yōu)、味美的食品至關(guān)重要。關(guān)于土壤傳感器的評述可參見Adamchuk等最近撰寫的文章[40]。用于測量土壤中某些離子活度 （H+,K+,NO3-,Na+等）的電化學(xué)傳感器有如下兩類：1）離子選擇電極和2）離子選擇性場效應(yīng)管(ISFET)傳感器。這兩類傳感器也被用于監(jiān)測植物對離子的攝取。營養(yǎng)成分的攝取速度取決于植物對營養(yǎng)的需求，此種需求與植物的生長速度和植物體的營養(yǎng)狀況有關(guān)。多數(shù)常量營養(yǎng)元素（如氮、磷、鉀）的吸收過程都很活躍。監(jiān)測植物體或生長系統(tǒng)的離子濃度可以幫助農(nóng)民制訂施肥策略和提高產(chǎn)量。

離子選擇電極已經(jīng)可以用于多種不同離子的檢測。它們可用于土壤和作物(如土豆[41,42]和蔬菜)中氮元素的監(jiān)測，以便進(jìn)行施肥管理[43,44]。植物或土壤中的離子（例如碘離子、氟離子、氯離子、鈉離子、鉀離子和鎘離子等）可以用離子選擇電極進(jìn)行測定，以便對植物的新陳代謝、營養(yǎng)以及植物中所存在的重金屬離子的毒物學(xué)影響[45～48]等進(jìn)行研究。

隨著離子選擇電極和離子選擇性場效應(yīng)管的發(fā)展，促進(jìn)了溫室工業(yè)中為作物/植物開發(fā)特定離子營養(yǎng)液供應(yīng)系統(tǒng)的努力。某些研究者開發(fā)了基于特定離子濃度測量的液體肥料注入系統(tǒng)[49,50]。這些系統(tǒng)能自動進(jìn)行植物所需營養(yǎng)的補(bǔ)給。

4 生物傳感器

近年來，用于化學(xué)污染物質(zhì)以及食源性病原體檢測的生物傳感器的研究工作廣泛展開。食源性疾病對公共衛(wèi)生是一個迫在眉睫的威脅，每年由此造成的損失近300億美元[51]?，F(xiàn)今的細(xì)菌檢測方法，例如細(xì)菌培養(yǎng)、菌落計數(shù)、聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）[52]以及基于抗體的酶聯(lián)免疫法（ELISA）[53]等技術(shù)所需樣品量較大，隨后還需在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行樣品制備以及對試樣進(jìn)行分析，既費(fèi)力又費(fèi)時。大量研究工作集中于開發(fā)適用的生物傳感器，用于對目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)和病原體進(jìn)行快速測定[54～56]，且操作人員無需經(jīng)過特殊培訓(xùn)。

生物傳感器通常由如下兩部分組成：1）生物分子識別元件（生物探針），它能識別目標(biāo)病原體并與之反應(yīng)；2）變換元件，它能對生物探針與目標(biāo)待分析物的相互作用發(fā)生響應(yīng)并將其轉(zhuǎn)換成可測定信號。有幾篇新發(fā)表的評論文章對近年來生物傳感器研發(fā)中的生物探針和變換器探索研究進(jìn)行了很好的評述[57～60]。目前常用的生物探針主要有核酸(DNA/RNA)、蛋白質(zhì)、酶、抗體和噬菌體[61～63]。用于生物傳感器的變換部件則主要有以下四類：電化學(xué)變換器、光學(xué)式變換器、熱學(xué)變換器和聲波(AW)器件。生物分子識別元件及其在傳感器界面的恰當(dāng)固定化決定了生物傳感器的選擇性，生物傳感器的靈敏度則決定于變換器元件。對高性能生物傳感器的需求已經(jīng)和正在推動著不同種類變換元件的研究開發(fā)。

在生物傳感器開發(fā)過程中，抗體和多肽長期被用作生物識別結(jié)構(gòu)[64,65]。但是無論單克隆抗體和多克隆抗體都有其局限性，例如成本高昂、效果欠佳、易損傷和繁瑣的固定化操作。近年來，纖維狀噬菌體和溶解性噬菌體作為生物分子識別元件引起了許多研究者的注意[66～68]。與抗體相比，纖維狀噬菌體具有明顯長處。噬菌體的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，可以抵抗攝氏80度以上的溫度以及各種化學(xué)品（例如酸、堿和有機(jī)溶劑）的作用[69]。噬菌體的三維識別表面能夠提供多個鍵合位點(diǎn)，因而對所測定的病原體有很強(qiáng)的鍵合能力。再則，只需花少量費(fèi)用即可得到大量合用的噬菌體[70]。表1中列出了已經(jīng)用于測定食源性病原體的多種噬菌體生物傳感器。

聲波器件構(gòu)成了高靈敏度換能器的一個重要類別，并顯示了諸多優(yōu)異特性，例如高靈敏度、成本低廉、易使用、可遠(yuǎn)距離測量、微型化和能用于現(xiàn)場測量等[62,71～74]。 近年來，由無定形磁伸縮材料制作的聲波器件已被用于高性能生物傳感器的研發(fā)。應(yīng)用磁伸縮材料開發(fā)了兩類聲波器件：1）磁彈性（magnetoelastic,ME）共振器[75～82]；2）磁 伸 縮 微 懸 臂 梁 （magnetostrictive microcantilevers,MSMC）[83～85]。 圖 2 顯示了磁彈性生物傳感器的操作原理。研究者已經(jīng)用微機(jī)械加工的方法制作了基于噬菌體的獨(dú)立式磁彈性生物傳感器，在其中的磁彈性共振器表面覆蓋了用基因工程制得的噬菌體，用來與待測病原體進(jìn)行特異性鍵合（圖3）[86,87]。ME生物傳感器在交變磁場作用下以特定的共振頻率進(jìn)行振蕩。當(dāng)生物傳感器與待測病原體接觸后彼此發(fā)生鍵合。這種鍵合作用導(dǎo)致共振器的質(zhì)量增加，因而使生物傳感器的共振頻率降低。ME生物傳感器是一類無線傳感器，并且不需要附帶電源。ME生物傳感器也是一種價廉和一次性傳感器件，應(yīng)用微機(jī)械加工方法制作一千個傳感器的加工成本小于一美分。ME生物傳感器已成功用于檢測許多種病原體，例如沙門氏桿菌、炭疽芽胞桿菌和大腸桿菌等[77～81,88,89]。最近的研究表明，ME生物傳感器可以對新鮮食品表面的細(xì)菌直接進(jìn)行測定而無需取樣操作（水洗和消化）[90]。

表1 應(yīng)用噬菌體作為生物識別元件的各種分析方法的提要和相關(guān)文獻(xiàn)

圖2 磁彈性（ME）生物傳感器的操作原理。由驅(qū)動線圈產(chǎn)生的調(diào)制磁場推動了磁彈性共振器產(chǎn)生振動共振。鍵合在共振器上的細(xì)菌增加了共振器的質(zhì)量，導(dǎo)致共振頻率降低

圖3 掃描電子顯微鏡圖譜上所顯示的磁彈性生物傳感器與分幣上的“LIBERTY”中字母Y的比較。生物傳感器是由微電子加工技術(shù)制造的，其尺寸比一?；覊m還小。這類生物傳感器不需附帶電源，大批量生產(chǎn)時，制作一千個器件的成本低于一美分

用于多種化學(xué)戰(zhàn)劑和食品污染物的高靈敏檢測和鑒別的酶基生物傳感器在過去幾十年中發(fā)展迅速并被視作有效工具。具有高毒性的有機(jī)磷神經(jīng)毒劑（organophosphate neurotoxins,OPs）已被廣泛地用作農(nóng)用殺蟲劑和化學(xué)戰(zhàn)劑，因而對農(nóng)產(chǎn)品和食品中的OPs的鑒別性測定尤為重要。用于OPs測定的生物傳感器研發(fā)工作中的兩個重要方向是1）對特種酶，例如乙酰膽堿酯酶和丁酰膽堿酯酶（AChE 和 BChE)的抑制[91～94]；2）應(yīng)用不同水解酶對OPs進(jìn)行直接水解[95～99]。

5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

得益于無線技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)已有相當(dāng)進(jìn)展并可以在農(nóng)業(yè)實(shí)踐中達(dá)到新的精度。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包含如下幾部分：無線電頻率接收器、全球定位傳感器以及土壤、水、離子和揮發(fā)性有機(jī)化合物傳感器、微型控制器和電源。這一無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已處于田間試驗(yàn)階段[119]。上述技術(shù)的開發(fā)為農(nóng)業(yè)實(shí)踐中的觀察、評估和控制提供了革命性工具。但無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目前還處于早期發(fā)展階段。某些作者新近發(fā)表的評論文章對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和未來趨勢進(jìn)行了評述[119～122]。

Suiqiong Li于2007年在美國Auburn大學(xué)獲得了材料科學(xué)和工程博士學(xué)位。目前在該校的材料研究和教育中心從事博士后研究。她正活躍于用作農(nóng)業(yè)、食品工業(yè)和環(huán)境監(jiān)控的高性能傳感器的開發(fā)。可通過如下地址聯(lián)系：lisuiqi@auburn.edu

Alex Simonian是自然科學(xué)基金會生物傳感器項目的負(fù)責(zé)人和Auburn大學(xué)材料工程教授。他在Yerevan大學(xué)（亞美尼亞，蘇聯(lián)）獲得物理學(xué)碩士和生物物理博士學(xué)位，并由蘇聯(lián)科學(xué)院授予生物工程科學(xué)博士學(xué)位（Dr.Sc）。他目前的研究興趣主要是生物分析傳感器，納米生物材料和功能界面?？赏ㄟ^如下地址聯(lián)系：asimonia@nsf.gov

Bryan A.Chin從Stanford大學(xué)獲得材料科學(xué)和工程博士學(xué)位。他目前是Auburn大學(xué)材料工程教授和國際ASM學(xué)會Fellow。他的研究組正在研究開發(fā)用于食品安全、農(nóng)業(yè)、藥物和環(huán)境監(jiān)控的新型傳感器。可通過如下地址聯(lián)系：bchin@eng.auburn.edu

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