种子中农业选种检测方案(近红外光谱仪)

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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、高效、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栽势。 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。 Fig.1 Antaris II近红外光谱仪 Antaris型仪器作为市场上第一台模块化设计的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，并在近红外研究的权威书籍-“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 Il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进步提升，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、漫反射极高的收集效率： 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，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。 Fig.2积分球+旋转台采集方式 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完全遮挡，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。 Fig.3积分球大颗粒样品采集方式 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。 Fig.4 漫透射采集方式 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：8cm1，光谱范围：4000~10000cm1，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InG-aAs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。 Fig.5油菜籽近红外光谱 光谱采集完成后，利用专业的建模计算软件”TQAnalyst”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、亚油酸、油酸等用于选种的化学指标。 99 18 硫苷 RMSEC：7.40 Corr. Coeff.： 0.9795 9 factors used 06 og 00 26 9 Actual Fig.6油菜籽模型相关图 千粒重 RMSEC： 0.283 Corr. Cocff.： 0.8780 7 factors used 0 0 -0 0 0o00 98 -60 00 O Calibration 08 00心 +Validation ACorrection 11o o08 ■ Cross correction 11 Ignore Actual 5 亚麻酸 RMSEC： 0.488(Corr. Coeff.： 0.9365 19 10 factors used o0 00 o 0 0 0 0c18 8 98Co ?86 O Calibratior + Validation 0 0 A Correction 口 Cross-correction Ignore 6 Actual 12 Fig.7“Result-Integration”工作流程序示意图 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。 日心标准护检接VaPP0南亮 RESULTPESLT 3 SP8 Butld 60 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 ll 近红外光谱仪稳定可靠的性能，快速高效的卓越表现很好的诠释了“使世界更健康，更清洁，更安全”理念宗旨。 ( [1] Fourier Transform Spectrophotometers in the Near-Infrared， Willia m J. McCarthy and Gabor J. Kemeny，“handbook o f Near Infrared Spectroscopy”， 3 rdEdition， Page.80 ) ( [ 2] Integrating Sphere -Introduction and Theory，“FTIRand UV-Vis Accessories and Supplies”， Page.63 ) ( [3]近红外光谱技术在燕麦种子活力测定中的应用研究，韩亮亮，毛培胜，王新国等，“红外与毫米波学报”， Vol.27， No.2 April， 2008 ) ( [4]基于近红外光谱技术和人工神经网络的玉米品质鉴别方法研究，陈建，陈晓，李伟等， “光谱学与光谱 分析”， V o l.8，No.8， P a ge1806-1809， August， 2008 ) 名称及编号 千粒重 饱和脂肪酸 含油量 酸 亚麻酸 亚油酸 油酸 001 570 301 637 3478 372 760 949 1686 5453 002 627 314 646 3145 3831 537 979 17.98 5694 003 656 332 631 3553 3940 402 930 1711 5844 004 702 369 678 1149 3408 645 863 19.03 5484 005 652 354 679 1287 3070 432 921 2146 50.74 Fig.8“Result-Operation”操作界面及结果报告图 @2015赛默飞世尔科技。版权所有。所有商标属于赛默飞世尔科技及其子公司。规格、条款和定价或按情况改变。不是所有的国家都能购买到所有的产品。欲知详情，请咨询您当地的销售代表。 赛默飞世尔科技 SCIENTIFIC Antaris型仪器作为市场上第一台模块化设计的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，并在近红外研究的权威书籍-“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。