近紅外光譜分析技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

1、近紅外光譜分析技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用摘要論述了近紅外光譜 （NIRS）分析技術(shù)的原理、 技術(shù)發(fā)展進(jìn)程及其應(yīng)用現(xiàn)狀、發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：近紅外光譜分析作物育種品質(zhì)抗病蟲應(yīng)用在電磁光譜（ EMS）中，400 700nm的可見光使生命得以生存，而位于可見光之外的近紅外光譜（ NIR，波長為 0.75 2.5 m）可以分析生物的所有組分。近紅外光譜（ Near Infrared Spectroscopy ，簡稱 NIRS）分析技術(shù)是 20 世紀(jì) 80 年代后期迅速發(fā)展起來的一項測試技術(shù)，在歐美等國， NIRS 已成為谷物品質(zhì)分析的重要手段 1。由于可以非破壞性的分析樣品中的化學(xué)成分， 為當(dāng)前作物育種研究

2、領(lǐng)域的品質(zhì)育種提供了一個新的技術(shù)手段。1 近紅外光譜分析技術(shù)的基本原理 NIR 作為一種分析手段，可以測定有機(jī)物以及部分無機(jī)物。 這些物質(zhì)分子中化學(xué)鍵結(jié)合的各種基團(tuán) （如 C=C，N=C，O=C，O=H，N=H）的伸縮、振動、彎曲等運動都有它固定的振動頻率。當(dāng)分子受到紅外線照射時，被激發(fā)產(chǎn)生共振，同時光的能量一部分被吸收，測量其吸收光，可以得到極為復(fù)雜的圖譜， 這種圖譜表示被測物質(zhì)的特征 3。不同物質(zhì)在近紅外區(qū)域有豐富的吸收光譜， 每種成分都有特定的吸收特征， 這就為近紅外光譜定量分析提供了基礎(chǔ)。 但由于每一物質(zhì)有許多近紅外吸收帶， 某一成分的吸收會與其他成分的吸收發(fā)生重組， 因此當(dāng)測定某一復(fù)

3、雜物質(zhì)， 如豆餅中的粗蛋白質(zhì)時， 在所選擇的近紅外光譜區(qū)會受到水、纖維、油吸收的干擾。Herschel 在 1800 年發(fā)現(xiàn) NIR 光譜區(qū)，但 NIR 區(qū)的倍頻和合頻吸收弱、譜帶復(fù)雜和重疊多，信息無法有效的分離和解析，限制了其應(yīng)用。隨著光學(xué)、電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和化學(xué)計量學(xué)的發(fā)展，多元信息處理的理論與技術(shù)得到了發(fā)展，可以解決 NIR 譜區(qū)吸收弱和重疊的困難。近紅外技術(shù)是依據(jù)某一化學(xué)成分對近紅外區(qū)光譜的吸收特性而進(jìn)行的定量測定，所以應(yīng)用 NIR 光譜進(jìn)行檢測的技術(shù)關(guān)鍵就是在兩者之間建立一種定量的函數(shù)關(guān)系。其基本流程包括： 首先收集具有代表性的樣品 （其組成及其變化范圍接近于要分析的樣品），然后

4、采集樣品的光學(xué)數(shù)據(jù)；利用標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)方法對樣品進(jìn)行化學(xué)成分測定； 通過數(shù)學(xué)方法將這些光譜數(shù)據(jù)和檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，一般將光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換（一階或二階導(dǎo)數(shù)） ，與化學(xué)測定值進(jìn)行回歸計算，然后得出定標(biāo)方程，建立數(shù)學(xué)模型；在分析未知樣品時，先對待測樣品進(jìn)行掃描，根據(jù)光譜值利用建立的模型可以計算出待測樣品的成分含量。 確定回歸模型的過程其實就是定標(biāo)過程， 定標(biāo)的好壞直接關(guān)系到分析結(jié)果的準(zhǔn)確性， 因此，定標(biāo)軟件是近紅外分析技術(shù)的核心。 計算得到的定標(biāo)方程必須通過實際測量調(diào)整它的準(zhǔn)確性和精確性。精確性是指重復(fù)測定時測值間的相近程度。 準(zhǔn)確性的度量通常用定標(biāo)方程的預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)誤（ SEP）來表示。 SEP 表示測

5、定值與“真值”間的相近程度。近紅外光照射到被測樣品后， 從樣品表面反射出來的光被檢測器吸收， 此為近紅外反射光譜分析法 （ NIR）。它要求樣品的粉碎程度一致， 從而保證樣品表面光滑一致。另一類為近紅外穿過樣品后， 再被接受檢測到， 即為近紅外投射光譜分析法（ NIT）。該法優(yōu)點是很少或不用制備樣品，因此重復(fù)性較高，但靈敏度低。現(xiàn)在的近紅外光譜儀商品種類較多， 主要為傅立葉變換、 光柵掃描、 聲光掃描和光電陣列固定光路型。德國布朗盧比公司（ Technicon ）生產(chǎn)近紅外領(lǐng)域所有類型的儀器，包括濾光片型、光柵掃描型、傅立葉變換、 AOFT聲光調(diào)制近紅外等。2 近紅外光譜數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展光譜

6、儀、化學(xué)計量學(xué)軟件和應(yīng)用模型三部分， 三者的有機(jī)結(jié)合才能滿足快速分析的技術(shù)要求。 因此，數(shù)學(xué)模型的建立方法是主要的研究領(lǐng)域。 目前主要有多元線性回歸（ MLR）、逐步回歸（ SMR）、主成分分析（ PCA）、主成分回歸（ PCR）與偏最小二乘法（ PLS）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ ANN）和拓?fù)洌?Toplogical ）等。 MLR和 SMR 法在分析樣品時只用了一些特征波長點的光譜信息， 其它點的信息被丟失， 易產(chǎn)生模型的過適應(yīng)性（ overfitting ）。PCR和 PLS的最顯著特點就是利用了全部光譜信息，可以壓縮所需樣品數(shù)量， 將高度相關(guān)的波長點歸于一個獨立變量中， 根據(jù)為數(shù)不多的獨立變量

7、建立回歸方程，通過內(nèi)部驗（ cross validation ）來防止過模型現(xiàn)象，比 MLR和 SMR分析精度提高。 Bochereau 等把經(jīng)典數(shù)據(jù)分析與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合應(yīng)用于 NIR 對蘋果質(zhì)量的預(yù)測，獲得了較好的效果。 Warren 等把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和近紅外光譜儀結(jié)合，采用模式識別原理對 17 種粗纖維進(jìn)行分類研究，不但可以區(qū)分化學(xué)成分相近的纖維， 而且可以用于分辨未經(jīng)訓(xùn)練集訓(xùn)練的混合纖維。3 影響近紅外分析結(jié)果的因素對準(zhǔn)確等優(yōu)點， 但準(zhǔn)確性受多種因素的影響。 其中，樣品的粒度及均勻度影響最大，粒度變異直接影響近紅外光譜的變異。 在實際工作中， 應(yīng)該在標(biāo)樣的制樣條件下制備被測樣品，使樣品具有標(biāo)準(zhǔn)

8、化的均勻粒度，減少由于粒度引起的誤差。此外，模型初建時標(biāo)樣選擇、 數(shù)量及其設(shè)計也影響到預(yù)測的準(zhǔn)確度。 標(biāo)樣的選擇要充分考慮樣品成分的含量和梯度、 標(biāo)樣的物理和化學(xué)特性， 以提高多定標(biāo)效果和應(yīng)用范圍。標(biāo)樣數(shù)量若太少， 不足以反映被測群體的常態(tài)分布規(guī)律， 數(shù)量太多，則增加工作量。標(biāo)樣設(shè)計也影響定標(biāo)的準(zhǔn)確性。 對于成分含量間相關(guān)性強(qiáng)的被測成分可根據(jù)同套樣品進(jìn)行定標(biāo)， 對相關(guān)性差的成分， 可根據(jù)特定的篩選原則， 分別以另外的樣品進(jìn)行定標(biāo)，以提高定標(biāo)效果及檢驗準(zhǔn)確性。另外，不同溫度會影響 NIRS預(yù)測的準(zhǔn)確性。彭玉魁等研究近紅外光譜分析在小麥營養(yǎng)成分上應(yīng)用， 以為 NIR 對溫度敏感， 10 20就可引

9、起吸光度發(fā)生變化，而且溫度影響不呈規(guī)律性。4近紅外分析技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀1939年，但真正用于農(nóng)產(chǎn)品實用分析技術(shù)是60 年代的 Karl Norris。由于光學(xué)、計算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)、 化學(xué)光度理論和方法等各種科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展， 以及新型 NIR 儀器的不斷出現(xiàn)和軟件版本的不斷翻新，近紅外分析技術(shù)從研究低谷走出，研究內(nèi)容增多、 范圍拓寬，在谷物產(chǎn)品、食品、飼料、油脂工業(yè)等領(lǐng)域得到應(yīng)用，測定的成分也越來越多。 Dyer 總結(jié)近紅外應(yīng)用包括：常成分分析，能量含量、氨基酸含量、脂肪酸含量、礦物質(zhì)含量、物理特性等。彭玉魁等用近紅外光譜分析技術(shù)對 124 個小麥品種的營養(yǎng)成分含量進(jìn)行了比較測定， 表明用近紅外

10、光譜分析技術(shù)測得小麥樣品的水分、 粗蛋白、粗纖維、賴氨酸含量與常規(guī)分析法之間的相關(guān)系數(shù)較高， 均達(dá)到了相近的水平。 王成利用傅立葉變換近紅外漫反射光譜測定大麥粗蛋白含量，利用 40 個大麥樣品建立預(yù)測方程，用預(yù)測方程進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測值和實測值的相關(guān)系數(shù)為 0.989 ，對未知 40 個樣品進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測值和測定值的相關(guān)系數(shù)為 0.969 ，證實此方法具有簡單、快速、低成本、不需對樣品做特別處理及不破壞樣品等特點， 適于大批樣品的分析。 陳邵蘋研究用近紅外漫反射光譜測定飼料中的粗纖維含量， 證實此方法與常規(guī)化學(xué)測定方法相同， 是切實可行的，并對影響結(jié)果因素作了分析， 劉繼明等探討了近紅外分析儀在面

11、粉廠的重要應(yīng)用，可以測定小麥及面粉灰分、水分、粒度含量等。此外，近紅外分析儀還應(yīng)用在農(nóng)產(chǎn)品特征檢測中， 包括果實損傷檢測、 果實識別、植物生長信息測定。 基于農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部成分及外部特性不同， 在不同波長光線照射下會有不同的吸收或反射， 根據(jù)這種特性， 若選定一定波長的濾光鏡， 便可增強(qiáng)獲得圖像中果實正常部分和損傷部分或果實和葉子的對比度， 從而使果實損傷的檢測和特征提取更為容易。 YangTao和他的研究小組提出利用近紅外的漫反射圖像快速檢測蘋果的缺陷， 主要采用多波長來解決水果果面的缺陷區(qū)和梗萼凹陷區(qū)識別的困難。5 近紅外分析技術(shù)的應(yīng)用前景具有競爭力。 因此，加強(qiáng)品質(zhì)育種成為當(dāng)前農(nóng)作物研究的主

12、要內(nèi)容。 進(jìn)行農(nóng)作物品質(zhì)育種，需要對種質(zhì)材料進(jìn)行化學(xué)成分分析， 而常規(guī)的化學(xué)分析， 不僅需要一系列的預(yù)處理， 操作繁瑣， 更遺憾的是將樣品破壞， 被測定鑒定的好樣品已經(jīng)不能被利用。因此，嚴(yán)重影響育種效率。而應(yīng)用先進(jìn)的分析儀器，可以在不破壞樣品的情況下測定樣品化學(xué)成分，是最理想的方法。例如，核磁共振儀（ NMR）的出現(xiàn)，使高油玉米育種得到成功。 但對于核磁共振儀能否同時測定多個指標(biāo)， 還沒有報道。而近紅外光譜分析儀器可以同時測定多個指標(biāo)， 完全滿足品質(zhì)分析的需要。據(jù)了解，美國 DuPont 公司利用近紅外分析儀來提高玉米含油量， Dyer 指出，“利用近紅外單粒分析， 我們可以在育種周期中節(jié)省一

13、個世代” 。我國在小麥、菜豆品質(zhì)分析中已有應(yīng)用 NIRS的報道。趙環(huán)環(huán)等利用傅立葉近紅外漫反射光譜技術(shù)測定玉米中蛋白質(zhì)含量。 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 “NIR 定標(biāo)軟件研制” 列入國家“七五”攻關(guān)計劃，在專用 NIR 品質(zhì)分析儀上分析了谷物農(nóng)產(chǎn)品， 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)和廈門大學(xué)等在傅立葉變換光譜儀（FTIR）上分析了近紅外漫反射光譜分析（NIRDRSA）的研究。舒慶堯等利用近紅外反射光譜測定小樣本糙米粉的品質(zhì)性狀，表明用精米粉和糙米粉測定蛋白質(zhì)含量均有很好效果，而建立表觀直鏈淀粉含量（ ACC）回歸方程時小樣本糙米粉要比精米粉差。利用NIRS 技術(shù)對小樣本品質(zhì)性狀的測定結(jié)果可以滿足育種工作中對大量樣本進(jìn)行初

14、篩的需要。而且，利用NIRS 可同時測定幾個性狀，因此可以提高稻米品質(zhì)測定的效率，對水稻品質(zhì)育種將起到很大的推動作用。另外，近紅外分析技術(shù)還用在病蟲抗性鑒定上。 南非 Coetzee 等用近紅外分析芽鱗抽提物來預(yù)測對 Eldana saccharina 的抗性。他們目前僅研究環(huán)境因子對芽鱗抽提物的影響，以確定此方法是否可用于預(yù)測對 E saccharina 的抗性，此后將研究與抗 E saccharina 有關(guān)的化合物的遺傳。這些信息有助于抗性栽培品種的選育和育種計劃中抗性親本的選擇。吳秀琴等利用 78 份谷子品種進(jìn)行抗栗芒蠅試驗，近紅外分析測定結(jié)果與田間鑒定結(jié)果吻合率 94.7%。利用 74 份谷子品種進(jìn)行抗玉米螟試驗，近紅外分析結(jié)果與田間鑒定結(jié)果吻合