拉曼光譜技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品種植業(yè)中的應(yīng)用與展望

蘇曉慧，成鍇

（1長(zhǎng)治學(xué)院 電子信息與物理系，山西 長(zhǎng)治 046011；2山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院谷子研究所，山西 長(zhǎng)治 046011）

拉曼光譜技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品種植業(yè)中的應(yīng)用與展望

蘇曉慧1，成鍇2

（1長(zhǎng)治學(xué)院 電子信息與物理系，山西 長(zhǎng)治 046011；2山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院谷子研究所，山西 長(zhǎng)治 046011）

拉曼光譜技術(shù)具有樣品操作簡(jiǎn)便、操作時(shí)間短、無需樣品處理等優(yōu)點(diǎn)，可獲得樣品分子內(nèi)部有關(guān)振動(dòng)能級(jí)及振動(dòng)頻率的相關(guān)信息，且應(yīng)用廣泛。文章簡(jiǎn)述了拉曼光譜技術(shù)的分類、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域，介紹了拉曼光譜技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品種植業(yè)的最新應(yīng)用及進(jìn)展，并對(duì)該技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品種植業(yè)今后的研究進(jìn)行了展望。

拉曼光譜技術(shù)；農(nóng)產(chǎn)品種植業(yè)；應(yīng)用；發(fā)展前景

1 前言

拉曼光譜（Raman Spectrum）是由印度物理學(xué)家拉曼在研究液體物質(zhì)的光散射時(shí)發(fā)現(xiàn)的，是一種由于分子極化率變化而產(chǎn)生的非彈性散射光譜。隨著農(nóng)產(chǎn)品種植業(yè)的不斷發(fā)展，農(nóng)產(chǎn)品種植業(yè)的多樣化、優(yōu)質(zhì)化、無公害化、專用化也在隨之不斷提升。

文章從拉曼光譜的原理出發(fā)，簡(jiǎn)述了拉曼光譜技術(shù)的四大分類，并綜述了該技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品種植業(yè)中判別糧食產(chǎn)品新陳度、區(qū)分同一農(nóng)作物不同品種及檢測(cè)農(nóng)藥殘留的研究近況。

2 拉曼光譜技術(shù)

拉曼光譜技術(shù)是一門基于拉曼散射效應(yīng)，進(jìn)而分析鑒定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)技術(shù)。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、石油化工、寶石及法證鑒定、刑事司法、林業(yè)、農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。拉曼光譜可以采集分子內(nèi)部有關(guān)振動(dòng)能級(jí)及振動(dòng)頻率的相關(guān)信息。不同于紅外光譜的產(chǎn)生機(jī)制，拉曼光譜隨樣品分子極化率變化產(chǎn)生，而紅外光譜是由分子偶極矩變化誘導(dǎo)產(chǎn)生的[1][2]。拉曼光譜包含了譜線強(qiáng)度、譜線數(shù)目和位移等信息，與被測(cè)物質(zhì)的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)和分子振動(dòng)有關(guān)，與入射光的頻率無關(guān)。就像每一個(gè)人都有特定的指紋一樣，每一種物質(zhì)也都有自己的特征拉曼光譜。因此只要通過對(duì)所獲得的拉曼光譜與數(shù)據(jù)庫中的拉曼光譜進(jìn)行比對(duì)，即可判定被測(cè)物質(zhì)的組成。隨著激光技術(shù)、儀器學(xué)、光譜學(xué)的發(fā)展，拉曼光譜技術(shù)已發(fā)展出多種不同的分析技術(shù)，主要為激光共振拉曼光譜（RRS）分析技術(shù)[3]、傅里葉拉曼光譜（FT-Raman）分析技術(shù)[4]、共焦顯微拉曼光譜分析技術(shù)、表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）[5][6]分析技術(shù)四大類。

3 拉曼光譜技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品種植業(yè)中的應(yīng)用

3.1 拉曼光譜技術(shù)在判別糧食產(chǎn)品新陳度中的應(yīng)用[7]

長(zhǎng)期以來，糧食是我國國家戰(zhàn)略儲(chǔ)備的重要組成部分。隨著糧食流通制度改革的深入，新陳糧食價(jià)格差異的顯著，在糧食的生產(chǎn)、加工、經(jīng)營(yíng)及消費(fèi)環(huán)節(jié)中人們對(duì)其新鮮度的關(guān)注日益提高。

2014年，黃亞偉等人報(bào)道采用拉曼光譜技術(shù)對(duì)新陳玉米進(jìn)行判別的研究。研究中，新陳玉米樣品選自河南省內(nèi)收集到的鄭單958共75份，對(duì)樣品粉碎過篩后置于樣品袋中，應(yīng)用i-RamanREX拉曼光譜儀對(duì)樣品直接采集它們的拉曼光譜。對(duì)原始光譜進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過比對(duì)對(duì)光譜范圍進(jìn)行建模，建模范圍為914-1369 cm時(shí)模型結(jié)果最優(yōu)，消除一定程度的樣品噪聲，通過調(diào)整建模因子及其他參數(shù)，可以使建模集總正確判別率達(dá)到100%，驗(yàn)證集總正確判別率達(dá)到95%。從而得證，拉曼光譜技術(shù)可應(yīng)用于快速識(shí)別玉米新陳度，預(yù)示著其將會(huì)在糧食貯藏品質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià)中具有很大的應(yīng)用潛力[7]。

上述研究中，樣品僅采自河南地區(qū)產(chǎn)的玉米鄭單958品種，樣品選取相對(duì)單一，后續(xù)可以對(duì)不同生產(chǎn)環(huán)境、不同玉米品種或者其他農(nóng)作物品種進(jìn)行深入探討研究[7]。

3.2 拉曼光譜分析技術(shù)在區(qū)分不同品種農(nóng)作物的應(yīng)用[8][9]

通過拉曼光譜分析技術(shù)建立同一作物不同栽培品種的拉曼光譜指紋，分析比較其差異性，為同一作物不同品種質(zhì)控體系提供科學(xué)依據(jù)。

肖靜等人報(bào)道了不同地區(qū)山藥的拉曼光譜分析研究結(jié)果。此研究中，收集了來自廣東、溫州、河南和廣西等產(chǎn)區(qū)不同來源山藥的20批次，應(yīng)用顯微共聚焦拉曼光譜技術(shù)，在激發(fā)光源為785 nm下建立了不同品種山藥的拉曼光譜指紋。依據(jù)相關(guān)化合物特征拉曼光譜頻率及初步指定表，可以初步確認(rèn)山藥拉曼光譜主譜峰成分，并運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、Matlab指紋圖象分析方法及主成分分析方法進(jìn)行分析比較，旨在分析不同品種山藥的指紋差異。在分析比較結(jié)果中，不同來源的山藥拉曼光譜差異明顯，其中廣西、廣東和河南產(chǎn)山藥相似度相對(duì)較高，都在0.95以上，而溫州地區(qū)產(chǎn)山藥相似相對(duì)較低，在0.82以下。因此，拉曼光譜技術(shù)可以將不同來源種屬的山藥進(jìn)行有效區(qū)分，可以作為山藥種植的質(zhì)控方法。

3.3 拉曼光譜分析技術(shù)在農(nóng)藥殘留檢測(cè)的應(yīng)用[9-12]

伴隨著國民生活水平的日漸提高，農(nóng)作物中的農(nóng)藥污染問題受到廣泛關(guān)注。當(dāng)前，農(nóng)藥殘留量檢測(cè)的技術(shù)主要采用光譜檢測(cè)技術(shù)、生化檢測(cè)技術(shù)和色譜檢測(cè)技術(shù)[13]。近年來，國內(nèi)外應(yīng)用拉曼光譜技術(shù)檢測(cè)農(nóng)藥殘留取得了一定的進(jìn)展。Shende等[14]應(yīng)用拉曼光譜技術(shù)檢測(cè)到食品中的農(nóng)藥殘留，結(jié)果表明檢測(cè)限達(dá)到10-6。周小芳[15]等人采用拉曼光譜儀對(duì)果蔬表面常見農(nóng)藥進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果表明，用拉曼光譜儀可以識(shí)別果蔬表面的各種農(nóng)藥。劉燕德等人采用拉曼光譜儀研究了農(nóng)藥主要成分氧樂果含量的定量分析方法，結(jié)果表明檢測(cè)限達(dá)到10-3，為農(nóng)藥的快速、有效、簡(jiǎn)單的檢測(cè)提供一種新思路。

4 結(jié)束語

拉曼光譜技術(shù)作為一種新型的無損檢測(cè)技術(shù)，在各領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用。拉曼光譜技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品種植業(yè)中的應(yīng)用尚在起步階段，今后將繼續(xù)會(huì)為農(nóng)產(chǎn)品種植業(yè)帶來更多的收益。文章主要側(cè)重分析了拉曼光譜技術(shù)在判別糧食產(chǎn)品新陳度、在區(qū)分不同品種農(nóng)作物、在農(nóng)藥殘留檢測(cè)中的應(yīng)用。而事實(shí)上拉曼光譜技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品種植業(yè)的應(yīng)用遠(yuǎn)不止如此，例如可以用于檢測(cè)種子成分，為不同地區(qū)種植者合理選種育種提供科學(xué)依據(jù)，也可用于預(yù)測(cè)農(nóng)產(chǎn)品作物抗病性。譚峰[16]等人通過拉曼光譜分析檢測(cè)早期水稻稻葉片，為及早判別稻瘟病提供了一種有效的手段。還可用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)[17][18]，為種植者提供最合理的選種、栽培、收割方案，為農(nóng)業(yè)高效可持續(xù)發(fā)展提供切實(shí)可行的依據(jù)。

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Su Xiao-hui1，Cheng Kai2
（1.Department of Electronic Information and Physics,Changzhi University,Changzhi Shanxi 046011；2.The Millet Research Institute of Shanxi Academy of Agricultural Sciences,Changzhi Shanxi 046011）

（責(zé)任編輯 郝瑞宇）

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A

1673-2015（2015）05-0044-03

2015—07—25

蘇曉慧（1987—）女,山西朔州人，碩士，主要從事拉曼光譜技術(shù)及激光技術(shù)的研究。