吳才章 牛群峰 張?zhí)m靜

（河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，鄭州 450001）

基于超弱延遲發(fā)光的小麥生活力檢測方法研究

吳才章 牛群峰 張?zhí)m靜

（河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，鄭州 450001）

以鄭麥9023為試驗(yàn)對象，研究了不同生活力和不同測試條件下小麥樣品超弱延遲發(fā)光的變化情況。通過人工快速陳化的方法獲得不同生活力的小麥樣品，對這些小麥樣品的延遲發(fā)光特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，在此基礎(chǔ)上以溫度為例研究了測試條件對小麥延遲發(fā)光的影響。結(jié)果表明，同一品種不同生活力小麥樣品的延遲發(fā)光能力差異明顯，小麥的延遲發(fā)光強(qiáng)度與其生活力顯著負(fù)相關(guān)，生活力越強(qiáng)，其延遲發(fā)光能力越弱；小麥的延遲發(fā)光能力受其自身溫度的影響顯著，隨著溫度的升高，其延遲發(fā)光能力減弱。本研究發(fā)現(xiàn)，利用超弱延遲發(fā)光進(jìn)行小麥生活力檢測是可行的，但需要對測試條件進(jìn)行嚴(yán)格控制。

小麥 生活力 溫度 延遲發(fā)光

小麥從收割到收購、銷售、儲存、加工等流通過程儲藏時間較長。期間由于自身的呼吸氧化、各種酶的活動，以及外界環(huán)境的影響，小麥不斷地發(fā)生著各種生理、生化的變化，小麥生活力逐漸降低，由新到陳，甚至劣變［1－2］。新陳度或生活力是小麥儲藏過程中的一個重要品質(zhì)指標(biāo)，是判定小麥宜存與否、食用品質(zhì)好壞的關(guān)鍵指標(biāo)［3－8］。小麥新陳度或生活力是由其內(nèi)部相關(guān)物質(zhì)和酶活性共同決定的，是很多生化技術(shù)指標(biāo)的綜合?，F(xiàn)有小麥新陳度或生活力的檢測方法主要有國標(biāo)法和生化法。國標(biāo)法綜合考慮糧食的色澤、氣味和食用品質(zhì)等，進(jìn)行綜合判斷，比較科學(xué)，但存在測定時間長、方法繁瑣、容易受人為因素干擾、不客觀等缺點(diǎn)。為此，人們推出了一系列生化檢測方法，這些測試方法都是通過檢測糧食內(nèi)部某一方面元素（酸性物質(zhì)或酶活性等）的變化，進(jìn)而推斷其生活力或新陳度［9－11］。這些檢測方法屬于典型的單點(diǎn)分析法，判斷標(biāo)準(zhǔn)僅依據(jù)某項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，難免偏駁，而且都要進(jìn)行生化反應(yīng)，是破壞性檢測。

生命體，小至細(xì)菌微生物，大到植物、動物甚至人，都存在超微弱發(fā)光，生物超弱發(fā)光可以作為一個靈敏的生理指標(biāo)來表征生物體的生長生理狀態(tài)［12－14］。超弱發(fā)光通常包括自發(fā)發(fā)光和光致發(fā)光，自發(fā)發(fā)光是生物體進(jìn)行新陳代謝過程中，自發(fā)穩(wěn)定輻射的極微弱光子流，即超弱光子輻射，其強(qiáng)度在幾百個光子／s×cm2以下。光致發(fā)光又稱超弱延遲發(fā)光，生物體受到外界光激發(fā)，在激發(fā)光消失后仍保持微弱的延遲發(fā)光，延遲發(fā)光比自發(fā)光的強(qiáng)度強(qiáng)得多，輻射強(qiáng)度可以達(dá)到幾萬個光子／s×cm2以上［15］。生物超弱延遲發(fā)光是生物作為整體向外界展示的一個綜合性能指標(biāo)，所以基于延遲發(fā)光進(jìn)行小麥生活力檢測兼具國標(biāo)法和生化法的優(yōu)點(diǎn)，既是一種綜合方法，又具有量化的客觀標(biāo)準(zhǔn)，而且屬綠色無損檢測。通過人工快速陳化的方法獲得不同新陳度或生活力的小麥樣品，并對這些小麥樣品的延遲發(fā)光特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，在此基礎(chǔ)上研究了溫度對小麥延遲發(fā)光的影響，最后探討基于延遲發(fā)光進(jìn)行小麥新陳度或生活力檢測的可行性。

1 材料和方法

1.1 材料和設(shè)備

1.1.1 樣品

選用河南省種植規(guī)模較大的小麥品種鄭麥9023，樣品購買自2012年當(dāng)年的育種單位，經(jīng)過晾曬，使小麥的含水率為10%。然后分別將小麥樣品裝在透氣的袋子中，并混放在密閉的恒溫箱中，模擬糧倉環(huán)境，在20℃條件下存放，使樣品達(dá)到均衡一致的狀態(tài)，供試驗(yàn)使用。

為獲得不同生活力的小麥樣品，便于進(jìn)行比對測量，采用人工快速陳化的方法對鄭麥9023小麥樣品進(jìn)行陳化。人工快速陳化的條件是45℃，濕度為90%［16］。每天取出部分樣品作為不同生活力測試樣品。

1.1.2 測試裝置

測試系統(tǒng)主要由恒溫恒濕箱、黑箱、光源、傳感器、計算機(jī)4部分組成。光源、傳感器、測試樣品置于暗箱內(nèi)，暗箱置于恒溫恒濕箱內(nèi)，整個測試系統(tǒng)置于暗室內(nèi)。延遲發(fā)光光源是一個由32個發(fā)光二極管組成的雙環(huán)型陣列，通過1 mA的恒流源供電。傳感器采用集成光子計數(shù)模塊MP－1993，該模塊內(nèi)置高壓發(fā)生器和相應(yīng)的放大、計數(shù)模塊，具有集成度高、測試精度高等優(yōu)點(diǎn)，模塊具有極高的光子探測水平，極低的背景噪聲，暗計數(shù)僅有幾個光子／（秒×傳感面積），出廠時光子計數(shù)強(qiáng)度已進(jìn)行了標(biāo)定，真正實(shí)現(xiàn)了單光子計數(shù)［17］。超弱發(fā)光的強(qiáng)度是以單位面積單位時間輻射的光子數(shù)為單位，傳感器的測試窗口面積固定為圓形（面積為1.766 cm2），為簡便表達(dá)，超弱發(fā)光強(qiáng)度單位省略傳感面積。光源控制、電子快門、光子計數(shù)模塊的讀取由計算機(jī)完成。

1.2 測試方法

首先將秤量好的小麥樣品放入樣品槽內(nèi)，恒溫恒濕箱達(dá)到設(shè)定溫濕值后，經(jīng)過一段時間的穩(wěn)定，使得樣品溫度完全達(dá)到設(shè)定溫度。然后計算機(jī)控制二極管光源，照射樣品一段時間，照射時間必須大于照射飽和時間（系統(tǒng)照射飽和時間為150 s）［18］，即可進(jìn)行延遲發(fā)光測試。為避免損傷光子計數(shù)模塊，二極管光源關(guān)閉后需要間隔一段時間（2 s），待余輝完全消失后，開啟傳感器，采集光子計數(shù)數(shù)據(jù)，從而獲得小麥樣品的延遲發(fā)光強(qiáng)度曲線。

小麥的生活力由發(fā)芽率來表征，依據(jù) GB／T 5520—2011中小麥發(fā)芽試驗(yàn)測定發(fā)芽率。

2 結(jié)果與分析

按照生物光子輻射相干性理論，延遲發(fā)光是生命物質(zhì)激發(fā)態(tài)的整體效應(yīng)，以高階非線性高度相干耦合［19－20］。生命系統(tǒng)激發(fā)態(tài)布局?jǐn)?shù)滿足非線性動力學(xué)方程：

式中：μ（＞0）和 γ（＞1）均為常數(shù)。

由式（1）得到的輻射強(qiáng)度：

2.1 鄭麥9023超弱延遲發(fā)光測量

在環(huán)境溫度25℃，相對濕度50%條件下，對鄭麥9023的超弱延遲發(fā)光進(jìn)行具體測量，測試結(jié)果如圖1所示?？紤]到照射結(jié)束后要等待2 s，圖1測試得到的第1個值對應(yīng)的時間點(diǎn)為t＝3 s。測試結(jié)果表明，在最初幾秒，小麥樣品延遲發(fā)光強(qiáng)度急劇變化，隨后的幾十秒強(qiáng)度逐漸減少，其后延遲發(fā)光強(qiáng)度變化非常緩慢，延遲發(fā)光可持續(xù)數(shù)小時。

圖1 鄭麥9023超弱延遲發(fā)光強(qiáng)度曲線

由于m大于1，按照式（2），隨著測試時間的增加，延遲發(fā)光強(qiáng)度會迅速衰減為零，延遲發(fā)光持續(xù)時間很短，這與實(shí)際測試得出的延遲發(fā)光持續(xù)時間較長的結(jié)果不一致。通過進(jìn)一步雙曲函數(shù)擬合發(fā)現(xiàn)，延遲發(fā)光曲線不同時間段擬合出來的參數(shù)并不一樣，隨著時間的推移，擬合的初始強(qiáng)度I0逐漸減小，衰減因子m也逐漸減小，最后都趨近為0。這是因?yàn)檠舆t發(fā)光輻射存在輻射阻尼，輻射阻尼的存在使得衰減因子逐漸減小，導(dǎo)致延遲發(fā)光衰減越來越慢，進(jìn)一步導(dǎo)致延遲發(fā)光輻射時間的延長，這很好地解釋了小麥延遲發(fā)光持續(xù)時間較長的原因。

2.2 不同生活力小麥超弱延遲發(fā)光測量

采用國標(biāo)發(fā)芽法對人工快速陳化樣品進(jìn)行生活力測定，小麥樣品的生活力及標(biāo)準(zhǔn)差如表1所示?？梢钥闯?，原始小麥樣品的發(fā)芽率在90%以上，陳化4 d后的小麥樣品全部失去了生活力，經(jīng)過線性擬合，小麥樣品的發(fā)芽率與其陳化時間的相關(guān)系數(shù)R＝－0.967，說明小麥樣品的發(fā)芽率與其陳化時間負(fù)相關(guān)。將準(zhǔn)備好的樣品，包括人工陳化和原始樣品，進(jìn)行晾曬處理，均勻化儲藏，使得它們的水分統(tǒng)一，最終含水量都保持在10%，等待試驗(yàn)。測試的環(huán)境溫度同樣為25℃，相對濕度為50%。不同生活力的樣品可依次放入測試暗箱中的樣品槽中，每個樣品重復(fù)測量3次。延遲發(fā)光的強(qiáng)弱由延遲發(fā)光的初始值表征，延遲發(fā)光的初始值由延遲發(fā)光測試曲線的前10個數(shù)據(jù)通過雙曲函數(shù)擬合得到。不同陳化時間小麥樣品的延遲發(fā)光強(qiáng)度初始值及其標(biāo)準(zhǔn)差如圖2所示。

表1 不同陳化時間小麥樣品的發(fā)芽率

圖2 不同陳化時間小麥樣品超弱延遲發(fā)光強(qiáng)度曲線

測試結(jié)果表明在照射光不變的情況下，隨著陳化時間的增加，同一小麥品種樣品延遲發(fā)光的初始強(qiáng)度I0也增加，也就是說樣品的延遲發(fā)光強(qiáng)度在逐漸增強(qiáng)。經(jīng)過線性擬合，小麥延遲發(fā)光強(qiáng)度與陳化時間的相關(guān)系數(shù)R＝0.995，而小麥樣品的發(fā)芽率與其陳化時間是負(fù)相關(guān)的，這樣小麥樣品延遲發(fā)光能力與其生活力顯著負(fù)相關(guān)。

2.3 溫度對小麥延遲發(fā)光的影響

小麥樣品的延遲發(fā)光容易受環(huán)境溫度的影響。環(huán)境溫度變化之所以能影響小麥自身的延遲發(fā)光，是由于環(huán)境溫度變化最終會引起小麥自身溫度的變化，進(jìn)而引起糧食自身延遲發(fā)光能力的變化。測試樣品的含水率保持在10%，恒溫恒濕箱的濕度設(shè)定在50%，測試的溫度范圍為10～35℃，每隔5℃進(jìn)行1次測量，這個溫度范圍涵蓋了我國小麥儲藏的溫度變動范圍。為完成某個溫度下的測量，先設(shè)定相應(yīng)的溫度值，待恒溫恒濕箱的溫濕度恒定后，先將測試樣品均勻平攤在敞口的容器內(nèi)，并將容器放置在恒溫箱內(nèi)，在恒溫箱內(nèi)靜置2 h以上，以保證每粒小麥樣品的溫度與設(shè)定溫度完全一致，然后進(jìn)行測試。不同溫度條件下鄭麥9023延遲發(fā)光初始值與標(biāo)準(zhǔn)差如圖3所示。

圖3 不同溫度條件下小麥超弱延遲發(fā)光強(qiáng)度曲線

測試結(jié)果表明，隨著環(huán)境溫度的升高，小麥延遲發(fā)光初始強(qiáng)度I0逐漸減小，也就是小麥延遲發(fā)光強(qiáng)度減小，說明溫度變化對小麥延遲發(fā)光能力影響顯著。

3 討論

同一品種不同生活力小麥樣品的超弱延遲發(fā)光能力差異明顯，陳化小麥樣品的超弱延遲發(fā)光能力大于原始小麥樣品，生活力越高的小麥樣品其超弱延遲發(fā)光能力越低，生活力越低其超弱延遲發(fā)光能力反而越高，小麥的超弱延遲發(fā)光與其生活力負(fù)相關(guān)。

延遲發(fā)光是生物生命態(tài)有序性的外在表征。按照生物光子學(xué)的“共振腔”理論，生物有機(jī)體可以被看做是一個具有高品質(zhì)因子Q的共振腔，是生物機(jī)體有序能力的表征，Q值等于光子儲存能力與光子損耗的比值。生物機(jī)體的陳化程度越高，其有序性越差，光子損耗越大。光子損耗就是探測到的延遲發(fā)光的強(qiáng)度，這就意味著其延遲發(fā)光能力越強(qiáng)。

小麥的延遲發(fā)光受自身溫度的影響，隨著糧食溫度的升高其超弱延遲發(fā)光能力逐漸減弱。溫度之所以對小麥的延遲發(fā)光能力造成一定的影響，我們認(rèn)為從本質(zhì)上來說是因?yàn)殡S著環(huán)境溫度的升高，糧食自身溫度也升高，糧食本身的生活力會相應(yīng)的增加，進(jìn)而導(dǎo)致糧食延遲發(fā)光能力降低，這也從一個側(cè)面進(jìn)一步證實(shí)小麥延遲發(fā)光與其生活力負(fù)相關(guān)。

4 結(jié)論

對小麥超弱延遲發(fā)光進(jìn)行了詳細(xì)地測試，分析了小麥樣品的延遲發(fā)光輻射規(guī)律，在此基礎(chǔ)上對不同生活力小麥樣品的超弱延遲發(fā)光特性進(jìn)行測試。結(jié)果表明，同一品種不同生活力小麥樣品的超弱延遲發(fā)光存在一個明顯規(guī)律：隨著陳化程度的增加，生活力逐漸降低，延遲發(fā)光能力逐漸增強(qiáng)，小麥自身的超弱延遲發(fā)光與其生活力顯著負(fù)相關(guān)。在此基礎(chǔ)上測試了溫度對小麥延遲發(fā)光的影響，隨著環(huán)境溫度的變化，小麥樣品的延遲發(fā)光能力也存在明顯的變化，因此利用超弱延遲發(fā)光進(jìn)行小麥生活力測定時，一定要對溫度或其他外部條件進(jìn)行嚴(yán)格控制。由于小麥延遲發(fā)光強(qiáng)度比自身超弱發(fā)光的強(qiáng)度強(qiáng)得多，從實(shí)用的角度，基于延遲發(fā)光的小麥生活力檢測是可以實(shí)現(xiàn)的。

［1］王若蘭.糧油儲藏學(xué)［M］.中國輕工業(yè)出版社，2009

［2］王若蘭，黃亞偉，劉毅，等.小麥儲藏品質(zhì)評價指標(biāo)研究［J］.糧食科技與經(jīng)濟(jì)，2007，32（6）：31－32

［3］GB／T 20571—2006，小麥儲存品質(zhì)判定規(guī)則［S］

［4］GB／T 5490—1985，糧食、油料及植物油脂一般檢驗(yàn)規(guī)則［S］［5］王佩祥，趙思孟.糧食儲藏學(xué)［M］.北京：中國商業(yè)出版社，1998

［6］徐瑞，譚曉榮，王曉曦.小麥后熟期間主要品質(zhì)相關(guān)因素的變化［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械，2012，15：54－57

［7］王若蘭，白棟強(qiáng)，姚瑋華.主要儲備糧種在不同溫度狀態(tài)下儲藏品質(zhì)的研究［J］.鄭州工程學(xué)院學(xué)報，2003，24（4）：5－8

［8］龔先安，曾慶先.淺析國家儲備糧的輪換［J］.糧食科技與經(jīng)濟(jì)，2000（3）：24

［9］張素蘋.小麥新陳的鑒別［J］.食品科技，2012，37（10）：135－137

［10］何學(xué)超，郭道林，馮永健，等.小麥新陳快速鑒別方法的研究［J］.糧食儲藏，2006，35（1）：42－45

［11］陳立君.糧食新陳度快速測定方法比較［J］.四川糧油科技，2000，17（2）：47－48

［12］Popp F A，Beloussov L.Biophtons［M］.London：Kluwer Academic Publishers，2003：1－40，307－324

［13］Musumeci F，Applegate L A，Privitera G，etal.Spectralanalysis of laser－induced ultraweak delayed luminescence in cultured normal and tumor human cells：temperature dependence［J］.Journal of Photochemistry and Photobiology B：Biology，2005，79（2）：93－99

［14］Popp F A，Yu Y.Delayed luminescence of biological systems interms of coherent states［J］.Physics Letters，2002，293（2）：93－97

［15］Francesco M，Lee A A，Giuseppe P，et al.Spectral analysis of laser－induced ultraweak delayed luminescence in cultured normal and tumor human cells：temperature dependence［J］.Journal of Photochemistry and Photobiology B：Biology，2005，79（2）：93－99

［16］孔治有，劉葉菊，覃鵬.人工加速老化對小麥種子CAT、POD、SOD生活力和可溶性蛋白質(zhì)含量的影響［J］.中國糧油學(xué)報，2010，25（10）：24－27

［17］http：／／www.perkinelmer.com

［18］吳才章，王繼偉.小麥超弱延遲發(fā)光測試系統(tǒng)［J］.光子學(xué)報，2014，43（2）：0217001－1－6

［19］顧樵.生物光子學(xué)［M］.第2版.北京：科學(xué)出版社，2012：25－26

［20］Chen W L，Xing D，He Y H，et al.Determination of the vigor of rice with different degrees of aging with ultra weak during early imbibition.Acta Botanica Sinica，2002，44（11）：1376－1379.

Detection for Viability ofWheat Based on Ultra－Weak Delayed Bioluminescence

Wu Caizhang Niu Qunfeng Zhang Lanjing

（College of Electrical Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou，450001）

The variation of the ultra－weak delayed bioluminescence under different viability and different test conditionswas investigated with zhengmai9023 as an experimental object.The different viability wheat sample could be obtained by rapid artificial aging，and the characteristics of the delayed bioluminescence from different viability and the influence of temperature on the delayed bioluminescencewere studied.The results showed thatobvious differenceswere found in the delayed bioluminescence ability for different viabilitywith the same seeds.Therewas a negative correlation between the delayed bioluminescence and its viability.In other words，its viability was strengthened as the delayed bioluminescencewasweakened.The influence of temperature on the delayed bioluminescencewas obvious.As the temperature rose，the intensity of ultra－weak photon emission decreased gradually.The research demonstrated that itwas feasible to detectwheat viability based on the ultra－weak delayed bioluminescence under the strict control of test conditions.

wheat，viability，temperature，delayed bioluminescence

Q63

A

1003－0174（2015）06－0121－04

國家自然科學(xué)基金（61078070），河南省高校創(chuàng)新人才支持項(xiàng)目（2011HASTIT018）

2014－01－12

吳才章，男，1968年出生，教授，光電檢測