低溫等離子體促進水稻種子生長效應(yīng)及NIR光譜分析

王純陽,萬良淏,馬玉涵,黃 青*

(1.中國科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 技術(shù)生物與農(nóng)業(yè)工程研究所,安徽 合肥230031；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 國家同步輻射實驗室,安徽 合肥230026；3.南京蘇曼等離子科技有限公司，江蘇 南京210007)

使用亞大氣壓下介質(zhì)阻擋放電低溫等離子體，對水稻糙米種子進行處理，不同氣體、功率、處理時間下觀測低溫等離子體對糙米生長活力的影響；采用近紅外光譜技術(shù)對處理后的糙米進行初步的理化性質(zhì)分析.結(jié)果顯示：空氣等離子體放電對糙米生長活力的促進要優(yōu)于氮氣等離子體放電，空氣實驗組的最佳處理條件為(360 W, 5 min)，而氮氣實驗組的最佳處理條件為(360 W, 10 min).另外，近紅外光譜的主成分分析結(jié)果顯示空氣實驗組(360 W, 5 min)和氮氣實驗組(360 W, 10 min)的糙米光譜與對照組光譜均存在明顯差異.低溫等離子體對水稻糙米種子的生長活力具有促進作用，能利用近紅外光譜技術(shù)對作用效果進行初步評估.

低溫等離子體；水稻種子；種子活力；近紅外光譜；主成分分析

等離子體被稱為物質(zhì)的第4狀態(tài)，是原子或分子被電離后形成的電子、離子混合氣態(tài)物質(zhì)，一般分為冷等離子體(非平衡態(tài)等離子體)和熱等離子體(平衡態(tài)等離子體)，其中冷等離子體的表觀溫度接近或略高于環(huán)境溫度(故又稱為低溫等離子體)，而熱等離子體表觀溫度可達幾千度[1].低溫等離子體在材料表面改性[2]及農(nóng)業(yè)食品[3]中有廣泛應(yīng)用.研究表明低溫等離子體對農(nóng)作物種子具有滅菌作用[4]，能促進或抑制種子活力[5]、改變種子酶活[6]等.另外，低溫等離子體可使糙米的理化性質(zhì)發(fā)生改變及產(chǎn)生相關(guān)生物效應(yīng)，如表面微結(jié)構(gòu)、水分吸收率、發(fā)芽率、抗氧化活力及γ-氨基丁酸的含量發(fā)生變化[7-8].近紅外(near infrared, 簡稱NIR)光是指波數(shù)范圍處于4 000～12 500 cm-1的非可見光，NIR光譜包含有機物分子振動基頻的倍頻和合頻信息.NIR光譜技術(shù)具有無損、快速、多組分同時分析的特點，該技術(shù)可快速分析農(nóng)作物種子相關(guān)內(nèi)含物的含量[9-10]，且能判別種子的顏色、染菌程度、儲藏年限等[11].筆者以水稻糙米種子為研究對象，亞大氣壓下使用低溫等離體對水稻糙米進行處理，研究不同氣體、不同功率及不同處理時間下低溫等離體子對糙米生長的影響，并利用NIR光譜技術(shù)對等離子體處理的糙米進行初步分析，判斷其理化性質(zhì)是否發(fā)生明顯的改變，由此探索低溫等離子體促進種子生長的優(yōu)化條件，以及采用NIR光譜技術(shù)預(yù)判等離子體作用效果的方法.

1 實 驗

1.1 材料及儀器

材料：糙米為9311常規(guī)稻種，手工剝除種殼，挑選形態(tài)一致、飽滿透明的糙米作為實驗材料.

儀器：南京蘇曼電子有限公司提供的介質(zhì)阻擋亞大氣壓輝光放電低溫等離子體處理裝置(圖1左)，德國布魯克公司生產(chǎn)的MPA傅里葉變換近紅外光譜機(圖1右).

圖1 低溫等離子處理裝置(左)和傅里葉變換近紅外光譜機(右)

1.2 實 驗

1.2.1 低溫等離子體處理

空氣、氮氣環(huán)境下各設(shè)置15個實驗組，功率和處理時間分別為8，40，120，240，360 W和5，10，20 min.機器真空度設(shè)置為1.5 kPa，即室內(nèi)的壓力達到1.5 kPa時開始進行等離子體處理.放電時將糙米單層放于直徑為9 cm圓玻璃皿的中部，便于等離子體均勻作用于糙米.

1.2.2 NIR 光譜采集和主成分分析

NIR光譜儀開機預(yù)熱30 min，機器性能穩(wěn)定后選擇漫反射光譜采集方式，光譜采集范圍為4 000～12 000 cm-1，分辨率為16 cm-1，掃描次數(shù)為32.光譜采集時，保持糙米的位置不變.主成分分析(principal component analysis,簡稱 PCA)是一種多元統(tǒng)計分析技術(shù)，原理是將光譜數(shù)據(jù)進行降維，獲取主要的光譜數(shù)據(jù)特征，其結(jié)果可用于判斷樣本光譜之間是否存在差異[12].PCA分析時，為了去除低壓以及氣體環(huán)境對糙米光譜的影響，分別對不同氣體不同處理時間的實驗組設(shè)置對照組，共有氮氣環(huán)境1.5 kPa低壓下5，10，20 min和空氣環(huán)境1.5 kPa低壓下5，10，20 min 6個對照組.主成分分析時采用的光譜預(yù)處理方法有：矢量歸一化、多元散射校正、一階導(dǎo)數(shù)、一階導(dǎo)數(shù)加矢量歸一化、一階導(dǎo)數(shù)加多元散射校正.矢量歸一化可校正一定范圍內(nèi)光程差異引起的光譜變化；多元散射校正可消除固體顆粒大小、分布不均勻產(chǎn)生的散射影響；一階導(dǎo)數(shù)可消除基線和其他背景的干擾，提高光譜分辨率和靈敏度，但會引入噪聲、降低光譜信噪比[13].光譜采集和主成分分析均在OPUS7.0軟件上完成.

1.2.3 發(fā)芽試驗和數(shù)據(jù)測量

每個實驗組包含24粒糙米，首先將糙米浸泡于1%的次氯酸鈉溶液15 min，然后用去離子水清洗3次，均勻排列于剪去底部的96孔板，96孔板放于育苗盤內(nèi)，盤內(nèi)水高保持在2 mm以上，將各實驗組的育苗盤置于光照培養(yǎng)箱的同一層，以保證光照、水分、溫度等條件相同.數(shù)據(jù)測量與統(tǒng)計分3個階段，第1階段：發(fā)芽試驗后第4天，記錄各實驗組苗高高于1.2 cm的數(shù)量，計算相應(yīng)的比例，即苗高(第4天)大于1.2 cm的比例；第2階段：每3天測量一次苗高，后根據(jù)下式計算活力指數(shù)[14]

H=∑St/Dt，

(1)

其中：St為苗高，Dt為發(fā)芽天數(shù)；第3階段：12天后剪去完整的稻苗，放置70 ℃烘箱烘干至恒重，測量苗干重[15].圖2為第4(A1)，7(A2)，10(A3)，12(A4)天的發(fā)芽結(jié)果.

a: (120 W, 20 min); b: (240 W, 20 min)；c: (360 W, 20 min).圖2 第4(A1)，7(A2)，10(A3)，12(A4)天的發(fā)芽結(jié)果

2 結(jié)果及分析

2.1 發(fā)芽試驗結(jié)果

表1為不同氣體環(huán)境、功率和處理時間下等離子體處理的糙米發(fā)芽試驗結(jié)果.

圖3，4分別為空氣、氮氣環(huán)境下不同功率、處理時間下糙米的發(fā)芽結(jié)果.由圖3可知，根據(jù)苗高(第4天)大于1.2 cm的比例和活力指數(shù)的結(jié)果，空氣環(huán)境下(360 W，5 min)和(8 W，10 min)實驗組最優(yōu)，其中(360 W，5 min)實驗組苗高(第4天)大于1.2 cm的比例、活力指數(shù)和苗干重指標(biāo)分別為41.65%，0.574和47.9 mg.根據(jù)苗干重的結(jié)果，空氣環(huán)境下，(8 W，5 min)和(120 W，10 min)實驗組最優(yōu)，其中(120 W，10 min)實驗組的3個指標(biāo)分別為25%，0.555和49.3 mg.由圖4可知，氮氣環(huán)境下，(360 W，10 min)，(8 W，20 min)和(360 W，20 min)實驗組的糙米活力促進效果較明顯，其中(360 W，10 min)實驗組的3個指標(biāo)分別為20.83%，0.525和48.6 mg，這些結(jié)果均明顯高于對照組的4.17%，0.491和45.7 mg.除此之外，空氣環(huán)境下各實驗組3個指標(biāo)的平均值分別為17.22%，0.5和47 mg，氮氣環(huán)境下各實驗組3個指標(biāo)的平均值分別為7.22%，0.457和46.28 mg，與對照組相比，空氣環(huán)境下等離子體對糙米活力的促進效果更優(yōu).

表1 等離子體處理的糙米發(fā)芽結(jié)果

圖3 空氣環(huán)境下不同功率等離子體處理的糙米苗高(第4天)大于1.2 cm的比例、活力指數(shù)和苗干重

圖4 氮氣環(huán)境下不同功率等離子體處理的糙米苗高(第4天)大于1.2 cm的比例、活力指數(shù)和苗干重

上述結(jié)果表明：(1)選擇合適的放電條件，低氣壓低溫等離子體對糙米的初期生長和發(fā)芽率具有較明顯的促進作用；(2)不同放電氣體、放電功率及處理時間下，等離子體對糙米的刺激和生長促進效果明顯不同.

2.2 采用NIR光譜技術(shù)對等離子體處理的種子的初步主成分分析

筆者采用近紅外光譜技術(shù)對等離子體處理的糙米可能發(fā)生的物理化學(xué)變化進行分析.圖5為矢量歸一化預(yù)處理下各實驗組的近紅外光譜，其中7 000～4 000 cm-1波數(shù)范圍的光譜存在差異且信息豐富，因此選擇上述6個實驗組糙米此波數(shù)范圍的近紅外光譜進行主成分分析(PCA).圖5中，為便于比較, 光譜做了矢量歸一化預(yù)處理，其中包含8，40，120，240，360 W功率下處理5，10，20 min的15個實驗組和對照組糙米的近紅外光譜.

圖5 空氣等離子體處理(a)、氮氣等離子體處理(b)的實驗組與對照組糙米的矢量歸一化預(yù)處理的近紅外光譜

對比矢量歸一化、多元散射校正、一階導(dǎo)數(shù)、一階導(dǎo)數(shù)加矢量歸一化、一階導(dǎo)數(shù)加多元散射校正這5種光譜預(yù)處理下的PCA結(jié)果，筆者發(fā)現(xiàn)：空氣等離子體刺激下促生長較好的實驗組糙米近紅外光譜，在矢量歸一化預(yù)處理下的PCA結(jié)果區(qū)分較好(見圖6)；氮氣等離子體刺激下促生長較好的實驗組糙米近紅外光譜，在一階導(dǎo)數(shù)預(yù)處理下的PCA結(jié)果區(qū)分較好(見圖7).這說明此6個實驗組的糙米光譜數(shù)據(jù)與其各自對照組的糙米光譜之間確實存在較明顯的差異.以上結(jié)果不僅表明糙米經(jīng)等離子體處理后理化性質(zhì)發(fā)生了變化，而且也表明近紅外光譜可作為初步評估等離子體對糙米作用效果的工具.

圖6 光譜矢量歸一化預(yù)處理下的PCA結(jié)果

圖7 光譜一階導(dǎo)數(shù)預(yù)處理下的PCA結(jié)果

3 結(jié)束語

筆者研究了不同氣體環(huán)境、功率及處理時間下，低溫低氣壓等離子體對糙米生長活力的影響，并且分析了近紅外光譜用于評估等離子體處理糙米效應(yīng)的可行性.研究發(fā)現(xiàn)，等離子體在一定條件下能夠增強糙米種子的生長活力，對種子早期生長有較明顯的促進作用；空氣等離子體對糙米的活力促進效果更優(yōu)，氮氣等離子體對糙米的刺激作用稍弱；不同功率條件下低溫等離子體處理的糙米近紅外光譜特征存在明顯差異，說明等離子體處理改變了種子的理化性質(zhì).

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