白蜡树素

Resonon+LR1601 | 机载高光谱成像和激光雷达相融合用于洋白蜡EAB危害的早期监测及新的EAB监测指数-NDVI北京百万亩平原造林项目种植了大面积的北美外来树种—洋白蜡。作为一种外来树种，它极易受到中国本土害虫—白蜡窄吉丁（EAB）的危害。在EAB危害早期，洋白蜡没有明显的受害症状，危害严重后洋白蜡则会大量死亡，因此，亟须开发出一个精准有效的EAB危害的早期监测技术以阻止其进一步扩散蔓延。遥感技术对识别树木大尺度生理和形态变化至关重要，激光雷达可以准确采集物体的三维信息，进行单木分割，提取每棵树的位置和结构信息，从而对森林进行精准管理。无人机系统的快速发展极大地增强了激光雷达在森林健康监测方面的能力。然而，目前尚未有相关研究将机载高光谱图像（UAV-UI）和激光雷达（LiDAR）相结合进行EAB监测。基于此，在所附的文章中，来自北京林业大学的研究团队于2019年8月和9月在中国北京通州区漷县镇（37.7125°N，116.8528°E）（图1）的一片白蜡树林进行了相关研究。作者将机载高光谱图像（Resonon Pika L高光谱相机）和激光雷达（LR1601-IRIS机载激光雷达系统（依锐思，北京理加联合科技有限公司））相融合（图2）监测了EAB对白蜡木的危害，主要研究目标为：（1）确定哪个窄波段光谱HI数据和3D LiDAR数据最有利于白蜡树EAB危害的早期监测；（2）结合UAV-HI和LiDAR，开发一种有效且快速方法进行EAB相关胁迫的早期监测；以及（3）开发半自动分类器用于北京地区白蜡树EAB的早期监测。图1 北京EAB研究区。黄色方框表示UAV飞行区域，红色方框表示两个采样点位置。图2 LR1601-IRIS LiDAR和Pika L高光谱成像仪机载系统。图3 试验流程图。【结果】通过PLS-VIP算法，确定R678 nm是对EAB危害最敏感的高光谱单波段。在此基础上，提出了一个新的EAB早期监测指数-NDVI（776，678）。LiDAR数据被用来进行单木分割和提供单木三维结构信息。通过使用NDVI（776，678）指数，不同受害程度白蜡树的分类准确率得到了较大提升。其中，健康树木的准确度为90%，轻度受害的准确度为76.25%，中度危害的准确度为58.33%，重度危害的准确度为100%，总准确度为82.90%。图4 在选定的敏感波段范围内：（a）400-1000 nm；（b）484-571 nm；（c）608-698 nm；（d）938-1000 nm，不同EAB危害阶段白蜡树冠层平均反射率值。表1 六个数据集对四个EAB危害程度的RF分类结果。图5 （a）飞行区内的HI。（b）包含NDVI（776，678），11个其他植被指数和10个LiDAR指标在内的EAB危害制图。【结论】阔叶树钻蛀性害虫的精准治理是可持续森林管理不可或缺的一部分。由于钻蛀性害虫管理的复杂性，需要高技术手段进行有效和准确管理。无人机高光谱、激光雷达和人工智能技术相结合为精准森林提供了有效解决方案。本研究从HI中收集了窄带光谱信息，从LiDAR中收集了3D数据，并开发了新的植被指数，NDVI（776,678），用于白蜡树EAB危害的精准管理。在HI的原始窄波段反射率光谱中，678 nm处的反射率是检测白蜡树EAB危害最敏感的波段。LiDAR成功用于单木分割。单独使用LiDAR数据区分白蜡木危害阶段的准确度很低，表明LiDAR对洋白蜡EAB危害早期监测不敏感。新指数，NDVI（776,678），在白蜡树健康，轻度和中度阶段存在统计学显著差异（p 0.0001）。同时，当结合HI和LiDAR时，其识别轻度EAB危害阶段的准确度为76.25%，对所有危害阶段的总准确度为82.90%，这高于未使用NDVI（776,678）情况下的准确度。因此，NDVI（776,678）是一个很好的新窄波段植被指数，可用于洋白蜡不同EAB感染阶段制图，也可用于指导北京地区阔叶树健康遥感监测。

物种多样性相关信息藏身于环境DNA（eDNA）中，几十年来，世界各国数千个环境空气质量监测站无意中收集了这些信息。现在，科学家对这些环境基因组信息进行了研究，相关结果近日发表于《当代生物学》。生物多样性丧失和物种灭绝的加速是对全球生态系统的重大威胁。然而，大规模量化这些损失十分困难，这在很大程度上是由于缺乏必要的基础设施。“生物多样性面临的最大挑战之一是在景观尺度上进行监测，我们的数据表明，利用现有的空气质量监测站网络可以解决这个问题。”加拿大多伦多约克大学的Elizabeth Clare说，“这些监测站已经存在了几十年，但我们并没有真正考虑过它们收集的样本的生态价值。”“现有和在建的空气质量监测网络可能是一个巨大的尚未开发的生物多样性数据来源。”英国国家物理实验室（NPL）的Andrew Brown补充说，“这些网络不断对颗粒物进行采样，我们现在有能力以一种全新的方式利用它。”虽然，空气质量监测站有很长的历史，但从空气中捕获和分析eDNA的方法是最近才发展起来的。实际上，同样发表在《当代生物学》上的两项早期研究（其中一项由Clare团队完成）提供了概念性证据，证明可以通过采样空气来识别动物园里的物种。该新研究合作者、NPL的James Allerton说，正是在阅读了这些文章后，他们开始考虑用于收集空气质量数据的设备是否对收集eDNA有价值，并联系了Joanne Littlefair和Clare。在该研究中，包括Clare、Allerton、Brown、加拿大约克大学的Nina Garrett和第一作者、英国伦敦玛丽女王大学的Littlefair在内的研究人员，测试了空气中包含的当地植物、昆虫等生命信息的eDNA是否被空气过滤设备捕获，成为空气质量监测网络的副产品。他们从英国两个监测站取样的过滤器中提取并扩增DNA后，发现了一个惊人的生物多样性记录。研究人员找到了180多种不同的植物、真菌、昆虫、哺乳动物、鸟类、两栖动物等物种的eDNA。他们表示，物种名单包括有许多“有魅力的物种，如獾、睡鼠、小猫头鹰和光滑的蝾螈；有特殊保护价值的物种，如刺猬和鸣禽；树木，包括白蜡树、椴树、松树、柳树和橡树；植物，如蓍草、锦葵、雏菊、荨麻和草；可耕种的作物，如小麦、大豆和卷心菜。”他们还注意到，这些过滤器含有34种鸟类的DNA。数据显示，采样时间越长，捕获的脊椎动物种类越多，这可能是因为随着时间的推移，越来越多的哺乳动物和鸟类来到了这个地区。研究人员认为，多年来，空气质量监测网络一直在以标准化的方式收集当地的生物多样性数据，并在大陆尺度上定期收集数据，但“这些样本的生态意义却被忽视了”。幸运的是，在一些地方，样本能被保存几十年，这表明研究生态数据的现有样本可能已经存在。此外，只需要对当前的空气质量监测工作进行微小的修改，就可以完全依靠一个已经在运行的网络收集样本，用于陆地生物多样性的详细监测。“在我看来，最重要的发现是，空气质量监测网络中通常使用的气溶胶采样器也可以收集eDNA。”Allerton说，“我们可以推断，这样的网络一定无意中从我们呼吸的空气中吸收了eDNA。”“空气质量监测网络的这种潜力怎么强调都不为过。”Littlefair说，“这可能是跟踪和监测生物多样性领域的绝对改变者。几乎每个国家都有某种形式的空气污染监测系统或网络，这可以解决如何大规模测量生物多样性的全球问题。”研究小组目前正努力保存尽可能多的eDNA样本。虽然已经收集了样本，但要充分利用样本中包含的生物多样性信息，需要全球共同努力。

背景简介 油画中的油漆颜料虽可以保存几个世纪，但其不是化学惰性的。在长期的保存过程中，油漆成分会和周围的环境发生缓慢的化学反应，从而导致其劣化并产生有害影响。目前，研究人员已经发现了一些存在在油画中的有害化学反应，例如金属皂的形成。金属皂通常是由油画艺术品中的高活性颜料铅白（水白蜡）和锌白（氧化锌）形成的。除此之外，Al、K、Ca、Cu、Cd 和 Mn等元素也会发生类似的反应。周围环境中的众多因素（例如，水、挥发性酸、温度、颜料溶解等）也会引发并促进颜料中金属皂的形成。并且在随后复杂的反应过程中，会产生能够破坏油画画质的金属皂聚集体。为了减轻这种影响，并了解哪些因素促进了金属皂的形成和聚集，有必要在多个尺度上研究油画颜料中化学物质的分布。但分析油画中的详细组分是非常有难度的，这是因为各种颜料通常会在微米和纳米的尺度上缓慢相互混合，使得识别这些成分变得复杂和具有挑战性。图1 (a) Jean-Baptiste-Camille Corot, Gypsy Woman with Mandolin, c. 1870（由华盛顿特区美术馆提供） (b) 使用暗场反射可见光照明获得的横截面（样品1）的光学显微镜图像；(c) 图(b)中白色矩形区域内的背散射电子(BSE)图像。 光学光热红外O-PTIR技术支持 对油画中的详细组分的分析，通常需要使用傅里叶变换红外（µFTIR）显微光谱技术，以区分原始颜料组分和有害产物，并确定反应区域和扩散区域。但µFTIR通常受到空间分辨率的限制（约3-15 μm，且依赖于入射红外波长），不足以在微米及纳米尺度上检测和分析低平均浓度的物质，从而阻碍了了解金属皂形成的根本原因。然而，新型的光学光热红外（O-PTIR）光谱技术克服了传统µFTIR光谱分辨率决定于红外光衍射限的限制，其空间分辨率可达到 ~ 500 nm。O-PTIR是近发展起来的一项基于热膨胀的红外技术，其使用红外激光照射样品引发热膨胀，然后用可见探针激光进行红外测量。因此，其空间分辨率由可见激光的光斑大小决定，使其不依赖红外光波长。另外，O-PTIR测量不需要与样品直接接触，避免了表面脱落粒子的干扰或对待分析绘画品片段的可能损害，是一种非常有前途的历史绘画品的分析方法，并有可能拓展到其他具有多彩表面的文化遗产样品。图2 (a) 样品1（约6 µm厚）的横截面标记位置处的µFTIR光谱；对应的µFTIR强度分布图：(b) 1530和1558 cm-1和 (c) 1580和1630 cm-1。 研究概述 近期，美国标准与技术研究院的Andrea Centrone团队通过O-PTIR光谱技术研究了19世纪法国油画（Gypsy Woman with Mandolin by Jean-Baptiste-Camille Corot）层薄片中化学组分分布（图1）。结果显示，油漆样品是由颜料（钴绿、铅白）、固化油和大量相互混合的小的锌皂域（通常小于 0.1 μm3）组成。同时，该课题组也鉴定出锌皂域中含有硬脂酸锌和油酸锌结晶皂（具有窄的 IR 特征峰 (≈1530–1558 cm–1 )），以及非均质、无序、可透水的四面体锌皂（具有中心在 ≈1596 cm–1处的特征宽峰）。和传统的µFTIR结果相比较，O-PTIR技术提供的高信噪比和高空间分辨率的谱图结果，非常适合识别油画中具有低平均浓度的相分离（或局部浓缩）组分物质。O-PTIR技术对纳米成分信息的分析，有利于我们对油画保存过程中发生的化学反应的了解，以及提高艺术绘画品的保护。相关研究成果已成功发表在国际知名期刊Analytical Chemistry 2022, 94, 7, 3103–3110上。 具体结果展示 图2a展示了油画样品横截面（含有钴绿颗粒）上不同标记位置的µFTIR光谱图。这些谱图几乎一样。并且结晶羧酸锌相（1530-1558 cm-1，图2b）和 dt-Zn-soap相（1580-1630 cm-1，图2c）的吸收强度图也具有相似的分布。这是因为µFTIR的空间分辨率不够高，钴绿颗粒（~ 2到 ~5 µm）小于样品厚度（~6 µm）和µFTIR分辨率（~ 6 µm）。因此，分析这些样品中金属皂的分布需要更高的IR空间分辨率。与µFTIR（图2）相比，O-PTIR光谱（图3）在 ~500 nm尺度上能够清晰地显示出不同化学成分的分布。对于此处研究的薄片样品，O-PTIR探测的是整个样品厚度的组成。因此，观察到的异质性并不局限于界面边界或表面。由于O-PTIR探测的样品体积（~0.5 x 0.5 x 0.4 µm3）比µFTIR探测的体积（~6 x 6 x 6 µm3）小约2000倍，因此O-PTIR光谱能够揭示更详细丰富的成分信息。这对于鉴定识别在微米及纳米尺度进行相分离的金属皂特别有用。这些金属皂通常具有不同但接近的IR吸收频率，使用µFTIR光谱无法区分。在0.1 µm3探测体积内，O-PTIR光谱显示了结晶羧酸锌相（1530-1558 cm-1，峰）和无序的Zn-soap相（1550-1660 cm-1，宽峰）共存。同时还观察到硬脂酸锌（1539 cm-1, ZnSt2）、油酸锌（1550, 1527 cm-1, ZnOl2）和可能的壬二酸锌（1550, 1532 cm-1, ZnAz2）的特征峰。ZnSt2在1539 cm-1处的特征峰通常是结晶羧酸盐相中主要特征峰。硬脂酸镁（≈ 1572 cm-1, MgSt2）的特征峰不存在。以 1590 cm-1为中心的宽峰，通常与Zn羧酸盐或离聚物相相关，并会在中心频率、形状和半峰全宽上显示出巨大变化，表明它与化学异质性相关。图3a中的光谱显示了在该范围内是一个宽峰，并在 1654、1623、1587和1554 cm-1处有可轻微分辨出来的峰。归因于四面体Zn皂相，峰形的光谱偏移和差异可能是由于局部配位环境和/或水含量的变化引起的。重要的是，结晶羧酸锌相（基于1530和1558 cm-1之间的峰）和无序的四面体锌皂相（在1550和 1660 cm-1之间具有宽峰）的分类与CH2拉伸频率密切相关（图3b)。众所周知，脂肪链的CH2对称和反对称拉伸的频率很大程度上取决于链的分子内构象。当结晶Zn皂的特征峰在光谱中突出时，νas(CH2)的频率低（~2918 cm-1）；但当在光谱中仅观察到无序Zn皂的峰时，νas(CH2)的频率显著增加（高达~2932 cm-1）。当有序和无序金属皂相的特征峰在光谱中共存时，低频和高频νas(CH2)的特征峰都可以观察到。在1741 cm-1和1541 cm-1（Zn(St)2）处测量吸收强度图，并进行比率测量（图3d）。考虑到100 nm步长、~500 nm横向分辨率和 ~0.1 µm3探测体积，样品中金属皂物质的IR相对强度突然变化，表明样品中的相分离发生在小于500 nm的尺度上。图3 (a, b) 图c中的数字编码位置获得的O-PTIR光谱；(c) 光学显微镜图像；(d) 通过将1741 cm-1（油）处的强度除以1541 cm-1（Zn(St)2）处的强度得到的O-PTIR强度比图。结论 在这项工作中，高空间分辨率的O-PTIR光谱技术用于研究19世纪法国绘画油漆层中化学物质和金属皂的分布。O-PTIR的探测体积比传统µFTIR探测的体积小~2000 倍，从而可以获得纳米尺度上的成分信息，以提高我们对油漆颜料中发生的化学过程的了解。O-PTIR光谱技术能够快速识别样品中微米和纳米尺度上的不均匀性，并在空间分辨率、扫描速度和信息内容之间取得出色的平衡。这项工作将促进在纳米尺度分析油画颜料的成分并促进艺术保存技术的发展。 研究利器 上述研究中的新型光学光热红外（O-PTIR）光谱技术是由美国PSC（Photothermal Spectroscopy Corp）公司研发的一款应用广泛的非接触式红外拉曼同步测量系统mlRage。基于的光热诱导共振技术，mlRage产品突破了传统红外的光学衍射限，其空间分辨率高达500 nm，可以帮助科研人员更全面地了解亚微米尺度下样品表面微小区域的化学信息。 光学光热红外（O-PTIR）光谱技术可实现：☛ 亚微米（〜500nm）红外空间分辨率☛ 无需样品制备或对样品制备要求低，厚度从100 nm到 10 mm，对粗糙/光滑表面均友好☛ 无荧光干扰，与激光波长或样品无关☛ 约1秒内出色的光谱灵敏度☛ 无光毒性（激光功率100 mW具有良好的信噪比）☛ 能够同时进行亚微米红外+拉曼显微镜（同位点+同时间+相同分辨率）☛ 水中的活细胞成像☛ 便于操作且适用性广的反射测量模式（非接触式），谱图质量媲美透射FTIR数据