2022年近红外光谱分析技术及其在农业中的应用.docx

《2022年近红外光谱分析技术及其在农业中的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年近红外光谱分析技术及其在农业中的应用.docx（7页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、精选学习资料 - - - - - - - - - 近红外光谱分析技术及其在农业中的应用摘要论述了近红外光谱（状、进展前景；NIRS）分析技术的原理、技术进展进程及其应用现关键词：近红外光谱分析作物育种品质抗病虫应用在电磁光谱（EMS）中, 400700nm 的可见光使生命得以生存,而位于可见光之外的近红外光谱（NIR,波长为 0.75 2.5 m）可以分析生物的全部组分；近红外光谱（Near 20 世纪 80 岁月后期快速发 Infrared Spectroscopy,简称 NIRS）分析技术是 展起来的一项测试技术,在欧美等国,NIRS 已成为谷物品质分析的重要手段1；由于可以非破坏性的分析

2、样品中的化学成分,为当前作物育种讨论领域 的品质育种供应了一个新的技术手段； 1 近红外光谱分析技术的基本原理 NIR 作为一种分析手段,可以测定有 机物以及部分无机物；这些物质分子中化学键结合的各种基团（如 C=C,N=C,O=C,O=H,N=H）的伸缩、振动、弯曲等运动都有它固定的振动频率；当分子受 到红外线照耀时,被激发产生共振,同时间的能量一部分被吸取,测量其吸取 光,可以得到极为复杂的图谱,这种图谱表示被测物质的特点3；不同物质 在近红外区域有丰富的吸取光谱,每种成分都有特定的吸取特点,这就为近红 外光谱定量分析供应了基础；但由于每一物质有很多近红外吸取带,某一成分 的吸取会与其他成

3、分的吸取发生重组,因此当测定某一复杂物质,如豆饼中的 粗蛋白质时,在所挑选的近红外光谱区会受到水、纤维、油吸取的干扰； Herschel 在 1800 年发觉 NIR 光谱区,但 NIR 区的倍频和合频吸取弱、谱 带复杂和重叠多,信息无法有效的分别和解读,限制了其应用；随着光学、电 子技术、运算机技术和化学计量学的进展,多元信息处理的理论与技术得到了 进展,可以解决 NIR 谱区吸取弱和重叠的困难；近红外技术是依据某一化学成分对近红外区光谱的吸取特性而进行的定量 测定,所以应用 NIR 光谱进行检测的技术关键就是在两者之间建立一种定量的 函数关系；其基本流程包括：第一收集具有代表性的样品（其组

4、成及其变化范 围接近于要分析的样品）,然后采集样品的光学数据；利用标准的化学方法对 样品进行化学成分测定；通过数学方法将这些光谱数据和检测的数据进行关 联,一般将光谱数据进行转换（一阶或二阶导数）,与化学测定值进行回来计 算,然后得出定标方程,建立数学模型；在分析未知样品时,先对待测样品进 行扫描,依据光谱值利用建立的模型可以运算出待测样品的成分含量；确定回 归模型的过程其实就是定标过程,定标的好坏直接关系到分析结果的精确性,因此,定标软件是近红外分析技术的核心；运算得到的定标方程必需通过实际 测量调整它的精确性和精确性；精确性是指重复测定时测值间的相近程度；准确性的度量通常用定标方程的猜测标

5、准误（SEP）来表示； SEP 表示测定值与“ 真值” 间的相近程度；近红外光照耀到被测样品后,从样品表面反射出来的光被检测器吸取,此为近红外反射光谱分析法（NIR）；它要求样品的粉碎程度一样,从而保证样品表面光滑一样；另一类为近红外穿过样品后,再被接受检测到,即为近红外投射光谱分析法（NIT）；该法优点是很少或不用制备样品,名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 4 页精选学习资料 - - - - - - - - - 因此重复性较高,但灵敏度低；现在的近红外光谱仪商品种类较多,主要为傅 立叶变换、光栅扫描、声光扫描和光电阵列固定光路型；德国布朗卢比公司（Technicon ）

6、生产近红外领域全部类型的仪器,包括滤光片型、光栅扫描型、傅立叶变换、 AOFT声光调制近红外等； 2 近红外光谱数据处理技术的进展 光谱仪、化学计量学软件和应用模型三部分,三者的有机结合才能满意快速分 析的技术要求；因此,数学模型的建立方法是主要的讨论领域；目前主要有多元线性回来（MLR）、逐步回来（SMR）、主成分分析（PCA）、主成分回来（PCR）与偏最小二乘法（ PLS）、人工神经网络（ ANN）和拓扑（ Toplogical ）等； MLR和 SMR法在分析样品时只用了一些特点波长点的光谱信息,其它点的 信息被丢失,易产生模型的过适应性（overfitting）；PCR和 PLS的最显

7、著特点就是利用了全部光谱信息,可以压缩所需样品数量,将高度相关的波长点归 于一个独立变量中,依据为数不多的独立变量建立回来方程,通过内部验（ cross validation）来防止过模型现象,比MLR 和 SMR 分析精度提高；Bochereau 等把经典数据分析与神经网络结合应用于NIR 对苹果质量的猜测,获得了较好的成效； Warren 等把神经网络和近红外光谱仪结合,采纳模式识别 原理对 17 种粗纤维进行分类讨论,不但可以区分化学成分相近的纤维,而且 可以用于辨论未经训练集训练的混合纤维； 3 影响近红外分析结果的因素 对精确等优点,但精确性受多种因素的影响；其中,样品的粒度及匀称度

8、影响 最大,粒度变异直接影响近红外光谱的变异；在实际工作中,应当在标样的制 样条件下制备被测样品,使样品具有标准化的匀称粒度,削减由于粒度引起的 误差；此外,模型初建时标样挑选、数量及其设计也影响到猜测的精确度；标 样的挑选要充分考虑样品成分的含量和梯度、标样的物理和化学特性,以提高 多定标成效和应用范畴；标样数量如太少,不足以反映被测群体的常态分布规 律,数量太多,就增加工作量；标样设计也影响定标的精确性；对于成分含量间相关性强的被测成分可根 据同套样品进行定标,对相关性差的成分,可依据特定的挑选原就,分别以另 外的样品进行定标,以提高定标成效及检验精确性；另外,不同温度会影响 NIRS 猜

9、测的精确性；彭玉魁等讨论近红外光谱分析在小麦养分成分上应用,以 为 NIR 对温度敏锐, 1020就可引起吸光度发生变化,而且温度影响不呈规 律性； 4 近红外分析技术应用现状 1939 年,但真正用于农产品有用分析技术是 60 岁月的 Karl Norris；由于光学、计 算机数据处理技术、化学光度理论和方法等各种科学技术的不断进展,以及新 型 NIR 仪器的不断显现和软件版本的不断翻新,近红外分析技术从讨论低谷走 出,讨论内容增多、范畴拓宽,在谷物产品、食品、饲料、油脂工业等领域得到应用,测定的成分也越来越多；Dyer 总结近红外应用包括：常成分分析,能量含量、氨基酸含量、脂肪酸含量、矿物

10、质含量、物理特性等；彭玉魁等用近名师归纳总结 红外光谱分析技术对124 个小麦品种的养分成分含量进行了比较测定,说明用第 2 页,共 4 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 近红外光谱分析技术测得小麦样品的水分、粗蛋白、粗纤维、赖氨酸含量与常规分析法之间的相关系数较高,均达到了相近的水平；王成利用傅立叶变换近红外漫反射光谱测定大麦粗蛋白含量,利用40 个大麦样品建立猜测方程,用预测方程进行猜测,猜测值和实测值的相关系数为 0.989 ,对未知 40 个样品进行猜测,猜测值和测定值的相关系数为0.969 ,证明此方法具有简洁、快速、低成本、不需对样品做特

11、殊处理及不破坏样品等特点,适于大批样品的分析；陈 邵苹讨论用近红外漫反射光谱测定饲料中的粗纤维含量,证明此方法与常规化 学测定方法相同,是切实可行的,并对影响结果因素作了分析,刘继明等探讨 了近红外分析仪在面粉厂的重要应用,可以测定小麦及面粉灰分、水分、粒度 含量等；此外,近红外分析仪仍应用在农产品特点检测中,包括果实损耗检测、果 实识别、植物生长信息测定；基于农产品内部成分及外部特性不同,在不同波 长光线照耀下会有不同的吸取或反射,依据这种特性,如选定肯定波长的滤光 镜,便可增强获得图像中果实正常部分和损耗部分或果实和叶子的对比度,从而使果实损耗的检测和特点提取更为简洁；YangTao 和他

12、的讨论小组提出利用近红外的漫反射图像快速检测苹果的缺陷,主要采纳多波长来解决水果果面的 缺陷区和梗萼凹陷区识别的困难； 5 近红外分析技术的应用前景 中具有竞争力；因此,加强品质育种成为当前农作物讨论的主要内容；进行农 作物品质育种,需要对种质材料进行化学成分分析,而常规的化学分析,不仅 需要一系列的预处理,操作繁琐,更遗憾的是将样品破坏,被测定鉴定的好样 品已经不能被利用；因此,严峻影响育种效率；而应用先进的分析仪器,可以 在不破坏样品的情形下测定样品化学成分,是最抱负的方法；例如,核磁共振仪（ NMR）的显现,使高油玉M育种得到胜利；但对于核磁共振仪能否同时测定多个指标,仍没有报道；而近红

13、外光谱分析仪器可以同时测定多个指标,完全满意品质分析的需要；据明白,美国DuPont 公司利用近红外分析仪来提高玉M含油量, Dyer 指出,“ 利用近红外单粒分析,我们可以在育种周期中节约一个世代” ；我国在小麦、菜豆品质分析中已有应用NIRS的报道；赵环环等利用傅立叶近红外漫反射光谱技术测定玉M 中蛋白质含量；中国农业科学院“NIR 定标软件研制” 列入国家“ 七五” 攻关方案,在专用NIR 品质分析仪上分析了谷物农产品,中国农业高校和厦门高校等在傅立叶变换光谱仪（FTIR）上分析了近红外漫反射光谱分析（NI RDRSA）的讨论；舒庆尧等利用近红外反射光谱测定小样本糙 M粉的品质性状,说明

14、用精 M粉和糙 M粉测定蛋白质含量均有很好成效,而建立表观直链淀粉含量（ACC）回来方程时小样本糙 M粉要比精 M粉差；利用 NIRS 技术对小样本品质性状的测定结果可以满意育种工作中对大量样本进行初筛的需要；而且,利用 NIRS 可同时测定几个性状,因此可以提高稻 M品质测定的效率,对水稻品质育种将起到很大的推动作用；另外,近红外分析技术仍用在病虫抗性鉴定上；南非Coetzee 等用近红外名师归纳总结 分析芽鳞抽提物来猜测对Eldana saccharina的抗性；他们目前仅讨论环境因第 3 页,共 4 页子对芽鳞抽提物的影响,以确定此方法是否可用于猜测对E saccharina的抗性,此后

15、将讨论与抗E saccharina有关的化合物的遗传；这些信息有助于抗性- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 栽培品种的选育和育种方案中抗性亲本的挑选；吴秀琴等利用 行抗栗芒蝇试验,近红外分析测定结果与田间鉴定结果吻合率78 份谷子品种进 94.7%；利用 74 份谷子品种进行抗玉 M 螟试验,近红外分析结果与田间鉴定结果吻合率82.7%；因此,有望成为农作物抗虫鉴定的一条新途径；通过 30 年来大量的讨论,近红外光谱分析技术进展很快；尽管仍有各种不足,但随着讨论的不断深化,都将会得到解决；而且,NIRS 已不仅用作品质分析,仍可利用近红外光谱进行模式识别,把化学成分相近的化合物区分开；另外,对加工中产品质量的在线 on-line or in-line 检测与掌握,带来了显著的经济效益和社会效益；近红外分析技术是 大的进展和应用；21 世纪的检测技术,将得到更名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 4 页