一種使用低場核磁技術的害蟲檢測技術

張靜雅， 凌海波

(皖西學院 電子與信息工程學院， 安徽 六安 237000)

0 引言

近年儲糧害蟲問題愈發(fā)嚴重. 世界儲量每年大約有十分之一因為害蟲而損失， 有些蟲害嚴重的國家， 糧食損失甚至達到了三成之多[1]. 如何減少甚至消滅害蟲來保證糧食的質(zhì)量和產(chǎn)量成為了亟待解決的首要問題. 隨著科學技術的發(fā)展和科研的進步， 害蟲檢測和成像技術也在逐漸成熟. 常用方法， 有扦樣過篩法、 誘捕器法、 電導率法、 近紅外光法和軟X射線法等. 但大多數(shù)方法均存在準確度低， 檢測成本高等問題[2-6]. 而低場核磁技術能夠檢測出分子之間因互相作用而引起的信號信息， 同時通過成像檢測害蟲形態(tài)， 其優(yōu)勢在于成本較低， 所以漸漸成為了較為普遍的分析方法[7]. 本文使用低場核磁技術進行害蟲檢測， 以進行糧食保護.

1 材料與方法

1.1 材料與設備

本文試驗用的大米購于當?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場(為當年新米)， 在試驗前放置于4 ℃的環(huán)境中貯藏. 米象為實驗室自主培養(yǎng)， 試驗前置于高溫高濕環(huán)境(溫度30 ℃和濕度65%)中繁殖.

核磁共振分析儀(MRI-20型， 上海紐邁電子科技有限公司)， 核磁共振成像儀(NMI 20-060V-I型， 上海紐邁電子科技有限公司)， 體式顯微鏡(SZ61 型， OLYMPUS)， 恒溫恒濕培養(yǎng)箱(LHS-450型， 上海培因?qū)嶒瀮x器有限公司)， 電熱恒溫鼓風干燥箱(DHG-9240A型， 浙江托普儀器有限公司)， 分析天平(BSA224S型， 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司).

1.2 樣品前處理

將大米樣品置于恒溫干燥箱中85 ℃下烘烤3 h即可殺滅原先自帶的蟲卵與雜菌， 之后冷卻并置于4 ℃環(huán)境中貯藏. 將一定量成蟲米象與大米混勻， 置于恒溫恒濕干燥箱(溫度30℃和濕度65%)中培養(yǎng)， 然后移除成蟲， 并以未感染大米作為空白對照， 以觀察不同生長時期下的米象狀態(tài)， 試驗中培養(yǎng)周期為50天. 分別獲取不同生長期下的米象. 具體分類如圖1所示.

圖1 不同蟲態(tài)的米象

1.3 水分測定

未感染大米通過GB/T 21305—2007《谷物及谷制品水分的測定法》直接測定. 感染大米在130 ℃條件下烘19小時再進行測定. 米象則置于恒溫干燥箱中70 ℃烘烤48小時后進行測定.

1.4 低場核磁共振脈沖序列測定與MRI成像

將標準油樣放入磁體箱中， 選取硬脈沖FID序列來校準磁場中心頻率. 然后將大米樣品置于10 mm核磁試管中， 選取硬脈沖CPMG序列測定樣品， 重復3次， 之后取平均信號值作為最終結果. 然后采用質(zhì)子密度加權法對樣品進行成像處理， 以為感染大米作為空白對照， 將樣品放置磁場中心， 每次樣品的方向一致. 最后將得到的黑白圖進行灰度處理形成偽彩圖. 成像參數(shù)如下：視野80 mm×80 mm， 樣品采集數(shù)256次， 切片厚度是2 mm， 重復時間TR=200.0 ms， 回波時間TR=6.383 ms.

(a.蟲卵，b.幼蟲，c.蛹，d.成蟲)

1.5 數(shù)據(jù)處理

每個樣品重復測定3次， 結果以平均值表示， 運用SPSS20.0進行主成分分析并使用軟件Origin2018進行繪圖.

2 結果與分析

2.1 不同生長期米象及未感染大米的弛豫時間分析

為了對比不同生長期米象與未感染大米的核磁弛豫時間信號， 分別進行同等質(zhì)量取樣進行檢測， 結果如圖2所示. 不同生長期米象與未感染大米的信號幅值與弛豫時間不盡相同， 主要是由于各樣品的水分含量與狀態(tài)存在較大差異. 樣品內(nèi)部的水分與樣品內(nèi)物質(zhì)結合的緊密程度決定了水分的狀態(tài)， 結合的越松懈說明水的自由度越高， 在低場核磁測試中的弛豫時間T2越高， 反之則越小. 根據(jù)圖2弛豫時間的檢測結果， 將樣品中的水分為4個部分， 分別為T21(0.01～0.1ms)、 T22(0.1～5ms)、 T23(5～200ms)和T24(200～1000ms). 同時， 核磁共振的信號幅值大小與樣品內(nèi)部的氫質(zhì)子含量具有正相關關系， 一般可以通過信號峰的峰面積表示水的相對含量[8]， 結果如圖3所示. 其中未感染大米在T22有強峰， 在T23具有弱峰， 說明大米樣品內(nèi)部的水主要以結合水的形態(tài)存在(含量達到88%以上). 而不同生長期米象樣品在T23具有強峰， 在T22具有弱峰， 說明米象樣品體內(nèi)的水主要以游離形式存在(含量89%～92%). 因此， 可以看出大米樣品與米象樣品的核磁共振結果具有明顯的差異性， 為檢測大米中的隱蔽米象害蟲提供檢測依據(jù). 隨著米象從蟲卵成長至成蟲， 樣品內(nèi)的游離態(tài)水不斷增多， 并且T23峰逐漸往T22峰遷移.

圖2 低場核磁弛豫時間T2

圖3 不同生長期米象含水率

2.2 不同生長期米象及未感染大米核磁共有峰的主成分分析

通過SPSS軟件對各個樣品中的弛豫時間峰(T21、 T22、 T23和T24)的相對峰面積進行主成分分析， 選取特征值大于0.5的主成分， 如圖4a 所示， 前兩個主成分的特征值均大于0.5， 累計貢獻率達到99.9%， 主成分組合表達式為PC=0.852PC1+0.147PC2. 因此選擇前兩個主成分對不同樣品低場核磁信號進行綜合性評價， 結果如圖4b所示. 與前文分析結果一致， 不同生長期的米象樣品與未感染大米樣品在吃魚時間T23上存在顯著差異性. 而蟲卵期米象與其他生長期米象在T24上存在顯著差異性.

圖4 主成分分析

2.3 不同生長期米象及未感染大米的MRI成像

為了更直觀的考察為感染大米與米象感染大米的區(qū)別以及樣品中的水分變化情況. 筆者利用低場核磁共振成像(MRI)進行圖像掃描， 并通過黑白度與灰度處理形成偽彩圖， 結果如圖5所示. 圖像的中不同顏色表示各區(qū)域部位的水分相對含量大小， 由藍至紅表示水分含量越來越高， 同時圖像亮度表示氫質(zhì)子的含量與活躍程度較高. 以未感染大米為對照， 大米的表皮與胚芽位置的亮度較高， 說明大米樣品的氫質(zhì)子主要集中與大米的表皮與胚芽部位， 可能是因為胚芽部位是大米后續(xù)生長發(fā)育的主要能量來源， 因此貯存有大量水分、 油脂、 礦物質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì). 而感染的大米樣品表皮較為暗淡， 氫質(zhì)子含量相對較低， 而不同生長期米象的信號則較強. 隨著米象生長期延長米象在米粒中的體積不斷增大， 大米的營養(yǎng)物質(zhì)被米象蠶食后圖像信號變得更弱. 其中米象在蛹期的相對水含量信號較為明顯(為紅色)， 可能是米象由幼蟲變成蛹期期間進食大米營養(yǎng)物質(zhì)積累所導致， 而米象成蟲則已經(jīng)出現(xiàn)從大米內(nèi)部爬出的狀態(tài). 所以， 通過MRI圖像可以非常高效直觀的觀察到米象感染大米與未感染大米之間的區(qū)別， 為快速檢測儲糧隱蔽性害蟲技術提供了一定的參考依據(jù).

圖5 MRI圖像(左：大米中不同生長期米象， 右：未感染大米)

3 結論

本研究對不同生長期米象與未感染大米的水分形態(tài)與含量變化進行分析， 從而實現(xiàn)低場核磁共振技術對大米和隱蔽性害蟲的檢測， 并得到以下結論：

(1)大米中水分主要以結合態(tài)形式存在， 而米象中的水分主要以游離形式存在， 并且含水量比大米高；

(2)不同生長期米象體內(nèi)的水分含量隨生長期的增大水分含量增多， 并且由游離態(tài)逐漸往結合態(tài)遷移；

(3)MRI圖像能夠快速的可視化大米內(nèi)部水分分布情況與隱蔽害蟲米象感染情況.