
易科泰FireFly LIBS快速元素分析與成像系統(tǒng)憑借無(wú)需樣品預(yù)處理、多元素同時(shí)檢測(cè)及原位成像的能力,正成為種質(zhì)資源研究中極具潛力的分析工具。其使用的LIBS技術(shù)有效解決了傳統(tǒng)化學(xué)分析耗時(shí)長(zhǎng)、破壞性強(qiáng)的問(wèn)題,可直接對(duì)植物葉片、種子乃至土壤進(jìn)行快速掃描,實(shí)現(xiàn)對(duì)氮(N)、磷(P)、鉀(K)等關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)元素及重金屬的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)能夠獲取樣本表面的空間分布信息(Mapping),通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析不同品種間的元素特征差異,從而輔助作物品種鑒別、產(chǎn)地溯源與遺傳背景分析。在逆境脅迫研究與品質(zhì)評(píng)估領(lǐng)域,這項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于探究植物在重金屬污染或干旱脅迫下的生理響應(yīng)——例如通過(guò)監(jiān)測(cè)葉片中硅(Si)或鈣(Ca)的積累模式,評(píng)估作物對(duì)非生物脅迫的耐受性。

圖1. 左圖:高低活力種子的元素成分差異;右圖:不同波段低活力與高活力種子樣品的聚類分離趨勢(shì)
巴西作為全球最大的大豆出口國(guó),其研究團(tuán)隊(duì)與意大利團(tuán)隊(duì)攜手,運(yùn)用激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)技術(shù),結(jié)合多元分析與機(jī)器學(xué)習(xí)算法,探索快速高效區(qū)分低活力與高活力大豆種子批次的可行性。研究發(fā)現(xiàn),兩類種子的主要元素(C、Mg、Ca、N、K)發(fā)射峰強(qiáng)度存在差異,其中高活力種子的Ca I、C、C=N、Mg I/II等峰強(qiáng)度低于低活力種子。結(jié)果表明,LIBS技術(shù)結(jié)合主成分分析(PCA)及支持向量機(jī)(SVM)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法,能夠高效區(qū)分低活力與高活力大豆種子批次——350-450 nm光譜波段為最佳鑒別區(qū)域,鈣元素是核心區(qū)分因子;SVM算法的分類準(zhǔn)確率最高可達(dá)98.9%,其中二次SVM和三次SVM分別在高活力、低活力種子識(shí)別中實(shí)現(xiàn)100%準(zhǔn)確率。

圖2. 左圖:10 個(gè)品種大豆的平均 LIBS 光譜圖;右圖:基于前 3 個(gè)主成分(PC)的 3D 散點(diǎn)圖
浙江大學(xué)技術(shù)團(tuán)隊(duì)在《PLANT SCIENCES》發(fā)表題為“Fast identification of soybean seed varieties using laser-induced breakdown spectroscopy combined with convolutional neural network”的研究文章,通過(guò)激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)結(jié)合深度學(xué)習(xí)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了大豆種子品種的快速鑒別,單粒種子檢測(cè)耗時(shí)僅30秒;其中以“光譜矩陣”為輸入的2D-PCSA-ResNet模型表現(xiàn)最優(yōu),預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)91.75%;研究中顯著性圖與元素峰位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系表明,大豆中碳(C)、硅(Si)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鈉(Na)等元素的含量及比例是區(qū)分品種差異的關(guān)鍵;該方法為農(nóng)產(chǎn)品品種鑒別提供了全新范式,具有廣闊的實(shí)際應(yīng)用前景。

圖3. 左圖:LIBS 光譜峰分析圖;右圖:光譜數(shù)據(jù)與品質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性分析:(A)支鏈淀粉相關(guān)性,(B)蛋白質(zhì)相關(guān)性;
華中農(nóng)業(yè)大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,針對(duì)顯微高光譜成像、拉曼光譜、激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)三種技術(shù)在水稻支鏈淀粉與蛋白質(zhì)含量檢測(cè)中的適用性展開研究,分析了稻谷、糙米、精米、米粉四類樣品對(duì)光譜檢測(cè)建模結(jié)果的影響,并篩選出與支鏈淀粉、蛋白質(zhì)等目標(biāo)成分相關(guān)的特征變量,旨在為水稻品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)化提供參考。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在三種光譜技術(shù)中,LIBS在水稻支鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量檢測(cè)中的表現(xiàn)最優(yōu)(R²最高達(dá)0.81),拉曼光譜次之,顯微高光譜成像效果相對(duì)較差。此外,LIBS篩選的特征變量與目標(biāo)成分的元素組成匹配度較高,而拉曼光譜的特征變量受分子結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)條件的影響較大。本研究為水稻品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)提供了技術(shù)對(duì)比依據(jù),LIBS與拉曼光譜可作為優(yōu)先選用的技術(shù)手段,且需結(jié)合樣品類型進(jìn)一步優(yōu)化檢測(cè)方案。

圖4. 左圖:菠菜和稻米的Mg元素歸一化曲線;右圖:(A)清潔菠菜 vs 對(duì)硫磷污染菠菜、(B)清潔菠菜 vs 三乙膦酸鋁污染菠菜、(C)清潔糙米 vs 對(duì)硫磷污染糙米 PLS-DA 得分圖
美韓科研團(tuán)隊(duì)運(yùn)用LIBS技術(shù),對(duì)菠菜和大米中的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)元素(Mg、Ca、Na、K)開展快速定量分析;同時(shí)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法,實(shí)現(xiàn)了農(nóng)藥污染與未污染農(nóng)產(chǎn)品(菠菜、大米)的快速區(qū)分,有效解決了傳統(tǒng)方法難以鑒別農(nóng)藥污染的問(wèn)題。盡管農(nóng)藥所含元素與農(nóng)產(chǎn)品自身元素存在重疊,無(wú)法通過(guò)單一元素檢測(cè)鑒別污染,但PLS-DA方法可借助LIBS光譜的多元素發(fā)射線分布特征,高效區(qū)分污染與未污染樣品。其中,清潔菠菜的誤分類率為0%,10 ppm農(nóng)藥污染菠菜的誤分類率僅為2%,且該方法對(duì)硫磷、三乙膦酸鋁污染均適用,充分驗(yàn)證了此項(xiàng)技術(shù)的實(shí)用性。

注:重金屬元素在植物及水體中的元素分布圖

注:鋰礦石表面的元素空間分布

注:皮膚黑色素瘤的Ca、Mg、Na元素分布圖
作為中關(guān)村高新技術(shù)企業(yè),北京易科泰專注于先進(jìn)農(nóng)業(yè)科研設(shè)備的研發(fā)與技術(shù)推廣,為國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)提供涵蓋種子活力檢測(cè)、質(zhì)量評(píng)估、營(yíng)養(yǎng)成分分析及在線分選的全套儀器設(shè)備,為種質(zhì)資源創(chuàng)新、品種選育與產(chǎn)業(yè)化研究提供高效技術(shù)支撐,具體包括: