張靜雅, 凌海波
(皖西學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 安徽 六安 237000)
近年儲(chǔ)糧害蟲問題愈發(fā)嚴(yán)重. 世界儲(chǔ)量每年大約有十分之一因?yàn)楹οx而損失, 有些蟲害嚴(yán)重的國家, 糧食損失甚至達(dá)到了三成之多[1]. 如何減少甚至消滅害蟲來保證糧食的質(zhì)量和產(chǎn)量成為了亟待解決的首要問題. 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和科研的進(jìn)步, 害蟲檢測和成像技術(shù)也在逐漸成熟. 常用方法, 有扦樣過篩法、 誘捕器法、 電導(dǎo)率法、 近紅外光法和軟X射線法等. 但大多數(shù)方法均存在準(zhǔn)確度低, 檢測成本高等問題[2-6]. 而低場核磁技術(shù)能夠檢測出分子之間因互相作用而引起的信號(hào)信息, 同時(shí)通過成像檢測害蟲形態(tài), 其優(yōu)勢在于成本較低, 所以漸漸成為了較為普遍的分析方法[7]. 本文使用低場核磁技術(shù)進(jìn)行害蟲檢測, 以進(jìn)行糧食保護(hù).
本文試驗(yàn)用的大米購于當(dāng)?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場(為當(dāng)年新米), 在試驗(yàn)前放置于4 ℃的環(huán)境中貯藏. 米象為實(shí)驗(yàn)室自主培養(yǎng), 試驗(yàn)前置于高溫高濕環(huán)境(溫度30 ℃和濕度65%)中繁殖.
核磁共振分析儀(MRI-20型, 上海紐邁電子科技有限公司), 核磁共振成像儀(NMI 20-060V-I型, 上海紐邁電子科技有限公司), 體式顯微鏡(SZ61 型, OLYMPUS), 恒溫恒濕培養(yǎng)箱(LHS-450型, 上海培因?qū)嶒?yàn)儀器有限公司), 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9240A型, 浙江托普儀器有限公司), 分析天平(BSA224S型, 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司).
將大米樣品置于恒溫干燥箱中85 ℃下烘烤3 h即可殺滅原先自帶的蟲卵與雜菌, 之后冷卻并置于4 ℃環(huán)境中貯藏. 將一定量成蟲米象與大米混勻, 置于恒溫恒濕干燥箱(溫度30℃和濕度65%)中培養(yǎng), 然后移除成蟲, 并以未感染大米作為空白對(duì)照, 以觀察不同生長時(shí)期下的米象狀態(tài), 試驗(yàn)中培養(yǎng)周期為50天. 分別獲取不同生長期下的米象. 具體分類如圖1所示.
圖1 不同蟲態(tài)的米象
未感染大米通過GB/T 21305—2007《谷物及谷制品水分的測定法》直接測定. 感染大米在130 ℃條件下烘19小時(shí)再進(jìn)行測定. 米象則置于恒溫干燥箱中70 ℃烘烤48小時(shí)后進(jìn)行測定.
將標(biāo)準(zhǔn)油樣放入磁體箱中, 選取硬脈沖FID序列來校準(zhǔn)磁場中心頻率. 然后將大米樣品置于10 mm核磁試管中, 選取硬脈沖CPMG序列測定樣品, 重復(fù)3次, 之后取平均信號(hào)值作為最終結(jié)果. 然后采用質(zhì)子密度加權(quán)法對(duì)樣品進(jìn)行成像處理, 以為感染大米作為空白對(duì)照, 將樣品放置磁場中心, 每次樣品的方向一致. 最后將得到的黑白圖進(jìn)行灰度處理形成偽彩圖. 成像參數(shù)如下:視野80 mm×80 mm, 樣品采集數(shù)256次, 切片厚度是2 mm, 重復(fù)時(shí)間TR=200.0 ms, 回波時(shí)間TR=6.383 ms.
(a.蟲卵,b.幼蟲,c.蛹,d.成蟲)
每個(gè)樣品重復(fù)測定3次, 結(jié)果以平均值表示, 運(yùn)用SPSS20.0進(jìn)行主成分分析并使用軟件Origin2018進(jìn)行繪圖.
為了對(duì)比不同生長期米象與未感染大米的核磁弛豫時(shí)間信號(hào), 分別進(jìn)行同等質(zhì)量取樣進(jìn)行檢測, 結(jié)果如圖2所示. 不同生長期米象與未感染大米的信號(hào)幅值與弛豫時(shí)間不盡相同, 主要是由于各樣品的水分含量與狀態(tài)存在較大差異. 樣品內(nèi)部的水分與樣品內(nèi)物質(zhì)結(jié)合的緊密程度決定了水分的狀態(tài), 結(jié)合的越松懈說明水的自由度越高, 在低場核磁測試中的弛豫時(shí)間T2越高, 反之則越小. 根據(jù)圖2弛豫時(shí)間的檢測結(jié)果, 將樣品中的水分為4個(gè)部分, 分別為T21(0.01~0.1ms)、 T22(0.1~5ms)、 T23(5~200ms)和T24(200~1000ms). 同時(shí), 核磁共振的信號(hào)幅值大小與樣品內(nèi)部的氫質(zhì)子含量具有正相關(guān)關(guān)系, 一般可以通過信號(hào)峰的峰面積表示水的相對(duì)含量[8], 結(jié)果如圖3所示. 其中未感染大米在T22有強(qiáng)峰, 在T23具有弱峰, 說明大米樣品內(nèi)部的水主要以結(jié)合水的形態(tài)存在(含量達(dá)到88%以上). 而不同生長期米象樣品在T23具有強(qiáng)峰, 在T22具有弱峰, 說明米象樣品體內(nèi)的水主要以游離形式存在(含量89%~92%). 因此, 可以看出大米樣品與米象樣品的核磁共振結(jié)果具有明顯的差異性, 為檢測大米中的隱蔽米象害蟲提供檢測依據(jù). 隨著米象從蟲卵成長至成蟲, 樣品內(nèi)的游離態(tài)水不斷增多, 并且T23峰逐漸往T22峰遷移.
圖2 低場核磁弛豫時(shí)間T2
圖3 不同生長期米象含水率
通過SPSS軟件對(duì)各個(gè)樣品中的弛豫時(shí)間峰(T21、 T22、 T23和T24)的相對(duì)峰面積進(jìn)行主成分分析, 選取特征值大于0.5的主成分, 如圖4a 所示, 前兩個(gè)主成分的特征值均大于0.5, 累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到99.9%, 主成分組合表達(dá)式為PC=0.852PC1+0.147PC2. 因此選擇前兩個(gè)主成分對(duì)不同樣品低場核磁信號(hào)進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià), 結(jié)果如圖4b所示. 與前文分析結(jié)果一致, 不同生長期的米象樣品與未感染大米樣品在吃魚時(shí)間T23上存在顯著差異性. 而蟲卵期米象與其他生長期米象在T24上存在顯著差異性.
圖4 主成分分析
為了更直觀的考察為感染大米與米象感染大米的區(qū)別以及樣品中的水分變化情況. 筆者利用低場核磁共振成像(MRI)進(jìn)行圖像掃描, 并通過黑白度與灰度處理形成偽彩圖, 結(jié)果如圖5所示. 圖像的中不同顏色表示各區(qū)域部位的水分相對(duì)含量大小, 由藍(lán)至紅表示水分含量越來越高, 同時(shí)圖像亮度表示氫質(zhì)子的含量與活躍程度較高. 以未感染大米為對(duì)照, 大米的表皮與胚芽位置的亮度較高, 說明大米樣品的氫質(zhì)子主要集中與大米的表皮與胚芽部位, 可能是因?yàn)榕哐坎课皇谴竺缀罄m(xù)生長發(fā)育的主要能量來源, 因此貯存有大量水分、 油脂、 礦物質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì). 而感染的大米樣品表皮較為暗淡, 氫質(zhì)子含量相對(duì)較低, 而不同生長期米象的信號(hào)則較強(qiáng). 隨著米象生長期延長米象在米粒中的體積不斷增大, 大米的營養(yǎng)物質(zhì)被米象蠶食后圖像信號(hào)變得更弱. 其中米象在蛹期的相對(duì)水含量信號(hào)較為明顯(為紅色), 可能是米象由幼蟲變成蛹期期間進(jìn)食大米營養(yǎng)物質(zhì)積累所導(dǎo)致, 而米象成蟲則已經(jīng)出現(xiàn)從大米內(nèi)部爬出的狀態(tài). 所以, 通過MRI圖像可以非常高效直觀的觀察到米象感染大米與未感染大米之間的區(qū)別, 為快速檢測儲(chǔ)糧隱蔽性害蟲技術(shù)提供了一定的參考依據(jù).
圖5 MRI圖像(左:大米中不同生長期米象, 右:未感染大米)
本研究對(duì)不同生長期米象與未感染大米的水分形態(tài)與含量變化進(jìn)行分析, 從而實(shí)現(xiàn)低場核磁共振技術(shù)對(duì)大米和隱蔽性害蟲的檢測, 并得到以下結(jié)論:
(1)大米中水分主要以結(jié)合態(tài)形式存在, 而米象中的水分主要以游離形式存在, 并且含水量比大米高;
(2)不同生長期米象體內(nèi)的水分含量隨生長期的增大水分含量增多, 并且由游離態(tài)逐漸往結(jié)合態(tài)遷移;
(3)MRI圖像能夠快速的可視化大米內(nèi)部水分分布情況與隱蔽害蟲米象感染情況.
洛陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)2022年2期