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近红外在作物选种工作的应用

引言:
作物选种工作是科学农业生产过程中的重要环节,对 作物的产量、质量起着至关重要的作用。传统作物选 种,主要根据种粒的外观色泽,形状,大小,粒重等 物理信息,辅以抽样进行生物化学实验,分析发芽 率、发芽势、种粒活力等生物指标以及各种影响作物 生长的化学指标进行评价分析。传统的选种方法为高 产、、高质的农业生产提供了保证,但是存在不 足。
根据种粒外观物理性状进行选种,要求选种人员具备 丰富的经验。选种结果可能因为选种人员的精神、体 力状态等主观因素的影响造成结果存在差异。同时生 物化学实验分析时间较长,且对种籽粒造成破坏, 以油菜籽芥酸检测为例,该过程中,需将油菜籽进行 研磨粉碎、索氏提取、去杂质、滴定等复杂化学分析 过程,破坏油菜籽完整性,且操作复杂、消耗大量时 间。因此当前需要一种快速、无损、客观的分析方 法用于选种工作,以适应现代科学农业发展的快速趋 势。
近红外光谱技术自上世纪50年代开始快速发展,因其 快速、无损、信息丰富等优势,很快在农业、食品、 石油化工、日用化工、制药、纺织、医学等方面得到 认可并被广泛应用。在科学选种工作中,近红外可以 明显提高工作质量和效率,为选种提供便利。
antaris型仪器作为市场上台模块化设计的ft( 傅里叶变换)式商用仪器,获得了当年分析仪器的 r&d100大奖,因仪器的稳定性和可靠性,在行业内 有着良好的信誉和口碑,并在近红外研究的书 籍-“handbook of nir”[1] 中作为ft仪器的代表被引用 说明。随后又推出了改进型的antaris ii仪器,不但继 承了原antaris型分析仪的全部优点,在仪器反应速度 等方面性能又得到了进一步提升,同时改进使用usb 接口与电脑连接,连接方式简单快捷,解放了计算机 接口,为扩展其他功能提供了便利。
实验及应用:
1、选种检测的采样方式
在农业选种工作中,仪器可以根据不同类型的种粒选 择不同的采样方式,针对小颗粒型的种粒(如油菜籽 等),仪器可以选择使用积分球旋转台式的检测方 式,该方法的优势在于:
a、漫反射*的收集效率:antaris ii型仪器使用镀金 式积分球,积分球直径5cm,相较于漫反射架或大 直径的积分球 型附件[2],优势在于提高了漫反射光 的收集效率,提高仪器的信噪比,得到更高质量 的光谱。
b、光谱代表性更充分:旋转台附件在光谱采集时 匀速旋转,仪器扫描更大样品面积,光谱的即为 光斑扫过的所有样品的信息,提高了光谱的代表 性。
针对大颗粒型种粒(如玉米、莲子等),仪器可选择 使用积分球或光纤探头的检测方式。积分球方式常规 玉米籽粒可以将光斑*遮挡,减小或避免检测光源 直接透过检测窗口造成的能量损失,提高光谱的信噪 比,得到更高质量的近红外光谱,用于分析检测。光 纤探头式的检测方式,可使用探头直接检测接触籽粒 样品进行检测,实现手持式测量,测量方便。其他检测方式,若对于大颗粒性籽粒具特殊要求,需 要检测漫透射光谱式,也可使用漫透射方式进行检 测,检测时仪器可以同时得到漫反射和漫透射两种 方式的光谱,实现了真正意义上“一石二鸟”式的检 测。
2、快速分析方法
在进行选种检测时,通常会使用快速定量或快速定性 两种方法
a、快速定量方法,即使用近红外仪器建立种粒定量 预测模型后,利用该模型对样品进行常规化学成 分的定量分析。
以油菜籽为例,选用仪器的积分球配合旋转台附件, 进行光谱采集。根据样品量多少,选择合适大小的样 品杯(直径5cm、3cm或1cm)。光谱采集可根据实 际情况进行设置。通常使用建议使用分辨率:8cm-1, 光谱范围:4000~10000cm-1,扫描次数:64次,同 时可以使用仪器的“自动增益”自动设置仪器的ingaas检测器的增益范围,以及光源的能量衰减范围, 该操作过程自动完成,对于没有相关仪器操作经验的 人员也可以自行完成。根据以上建议参数,每条光谱 的采集时间通常仅需要40s左右,即可得到高质量的 近红外光谱。
光谱采集完成后,利用专业的建模计算软件”tq analyst”软件,建立选种的近红外定量模型。如油菜 籽的水分、饱和脂肪酸、硫苷、含油量、芥酸、千粒 重、亚麻酸、*、油酸等用于选种的化学指标。
模型建立后,使用近红外仪器控制软件 ” result-integration ” 根据用户自行要求,编写检测流程,即工作 流程序。如图 所示,该工作流中即包括了信息录入, 光谱采集,指标分析、结果显示、数据保存归档等操 作,此外还编写opc数据传输、数理统计等操作,同 时工作流程序也可与外部程序联合使用,开发自由度 *。
实际检测时,使用仪器控制软件“result-operation” 进行,该软件界面简洁,操作简单,即使无操作经验 的检测人员也能轻松完成检测操作。同时,在该界面 下,操作人员无法对工作流程序以及模型进行直接修 改,为数据模型的安全管理提供了保证。
b、快速定性方法,即根据种粒的类别或者某些指标 特性,对样品光谱进行定性分析,选取所需要的 类别,目前已有大量相关文献报道,如根据燕麦 种粒活力指标,将种粒分为3个不同程度的类别, 根据光谱进行定性判别[3];根据不同玉米籽粒品种 进行定性判别分析[4 ]等。
结论: 近红外分析技术,由于其快速,无损的优势,可以有 效地避免传统选种工作时由于主观因素对选种结果的 影响,客观的反映出种粒的真实状态,提高选种工作 的质量。并且弥补传统作物选种实验对种粒的破坏 性、消耗时间过长等方面的不足,明显的提升工作效 率。 antaris ii 近红外光谱仪稳定可靠的性能,快速 的表现很好的诠释了“使世界更健康,更清 洁,更安全”理念宗旨。
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