1、杂交水稻种子太赫兹光谱特性研究 杨亚玲 曾静 李光林 周胜灵 黄杰 西南大学物理学院 西南大学工程技术学院 摘 要： 我国杂交水稻种植面积十分广泛, 种子纯度是种子质量核心指标之一, 直接影响杂交水稻的产量.利用透射型太赫兹 (Terahertz wave, THz) 光谱仪采集 16种杂交水稻种子光谱数据, 分析其太赫兹光谱频率特征和吸收系数, 研究杂交水稻粉末粒度和固定剂浓度对其光谱的影响, 结果表明:样品粉末颗粒小于2m 能避免太赫兹波散射对 THz 光谱数据采集的影响, 在样品中添加聚乙烯固定剂不会增加吸收杂波, 但能改变吸收强度;在 0.12THz 范围内杂交水稻种子均有不同的特征吸
2、收峰, 但少部分品种吸收峰位置靠近, 因此直接用杂交水稻种子的 THz 光谱特征吸收频率识别杂交水稻种子比较困难, 需要进一步结合其它方法.关键词： 杂交水稻; 太赫兹光谱; 特征吸收; 影响; 作者简介：杨亚玲 (1965-) , 女, 重庆秀山人, 副教授, 主要从事传感器与检测技术研究.收稿日期：2016-08-29基金：重庆市科委项目 (csct2014yykfA8006) Study on Terahertz Spectrum Characteristics of Hybrid Rice SeedsYANG Ya-ling ZENG Jing LI Guang-lin ZHOU Sh
3、eng-ling HUANG Jie School of Physics, Southwest University; School of Engineering and Technology, Southwest University; Abstract： Hybrid rice is widely grown in China.The purity of hybrid rice seed is one of the key indexes of seed quality, which directly affects its yield.In a study reported in thi
4、s paper, the seed spectral data of 16 rice hybrids were collected with a THz transmission spectrometer, and their spectral frequency characteristics and absorption coefficients were investigated.The effects of grain size of hybrid rice powder and fixing agent concentration on the spectrum were studi
5、ed by analyzing the characteristics of the terahertz spectrum and the spectrum models.The results showed that a grain size smaller than 2m of the sample powder could avoid the influence of the terahertz wave scattering spectrum on THz data acquisition, that addition of polyethylene in the samples di
6、d not increase the absorption of clutter, but changed the absorption intensity, and that within the range of 0.1T-2THz the hybrid rice seeds had different characteristic absorption peaks, but the positions of the absorption peaks of some hybrids were close to each other.In conclusion, it is difficul
7、t to identify hybrid rice seeds merely by their THz spectrum characteristic absorption peaks, and some other methods should be introduced in combination with it to get better results.Keyword： hybrid rice; terahertz spectrum; characteristic absorption; effect; Received： 2016-08-29太赫兹电磁波 (Terahertz wa
8、ve, THz) 的波长范围在 0.033 mm, 介于微波与红外之间1, 其光谱蕴含着丰富的物理化学信息.有机分子、生物大分子的转动和振动能级位于 THz 光谱能级覆盖范围2.使用太赫兹时域光谱系统能够同时获取 THz 脉冲的相位信息和振幅信息, 通过数学计算获取样品的多个光学参数, 为样品的鉴别和检测提供丰富的信息3.近年来许多学者将 THz 光谱这种新型无损检测技术应用在工业、农业、农产品等多个领域并取得突破4-10.孙金海11、逯美红12采用 THz-TDS 技术在 0.22.5THz 范围内对玉米种子进行了分析研究;曹炳花13应用 THz-TDS 技术对 7 种常见农药分子进行了光谱
9、研究, 得到了这些物质在 0.22THz 范围内的指纹谱, 并分析了农药分子在这个波段的光谱特性.华月芳等12利用 THz-TDS 技术对液体状态农药、固体状态农药分别进行了定性定量分析, 并利用太赫兹时域光谱技术检测食品中农药残留.我国杂交水稻种植面积十分广泛, 种子质量高低直接影响水稻的产量与品质, 杂交水稻种子纯度是种子质量的重要指标, 国家有严格的检验程序和标准.但现存的各种种子纯度鉴定方法, 无论是形态鉴定法、电泳鉴定法、DNA 分子标记鉴定以及异地小区种植鉴定法都有很大局限性和复杂性.杂交水稻种子中的生物大分子在 THz 波段具有强烈吸收和色散特性, 其转动和振动能级位于 THz
10、光谱能级覆盖范围, 不同杂交稻种子由于生物大分子的差异性, 理论上应该存在 THz 光谱特征差异, 利用 THz-TDS 光谱技术研究杂交水稻的光谱特性, 探索新的鉴定方法, 还未见研究报道.本文开展杂交水稻种子在 THz 光谱波段的光谱特性研究, 探索杂交水稻种子在 THz 波段的吸收特性, 以期为我国杂交水稻种子纯度快速鉴定奠定基础和开辟新的方法.1 材料与方法1.1 试验仪器和设备Ekspla 公司生产的 T-SPEC 型太赫兹时域光谱仪, 高灵敏温湿度计, 氮气钢瓶, 万分之一电子天平, 真空干燥箱, 红外灯, 银制药勺, 玛瑙研钵, 100, 180, 200, 220, 240 目
11、筛, 聚乙烯分析级粉末, 压片机.1.2 试验材料供试的杂交水稻种子由种子公司提供的经过国家鉴定的并在我国大面积种植的杂交水稻 18 个品种 (西农 1A/89、110A/263、丰优 638、Q 优 5 号、辐优 802、忠优 78、Q 优 108、丰两优一号、川香优 178、瑞优 5 号、深两优 5814、超级香稻、渝香 203、Q 优 1 号、为天 9 号、Y 两优 527、瑞市 9 号、丰川 6 号) .在 50条件下干燥至恒质量, 手工去壳 (不损坏米粒表层) 后的米粒用粉碎机粉碎, 再把粉末放入玛瑙研钵中在红外灯下研磨, (研磨时间控制在 20min 以内, 以避免空气中的水分再次
12、被种子粉末吸收) .将粉末放入密封袋中密封并编号, 供以下试验.1.3 试验方法1.3.1 杂交水稻粉末粒度对太赫兹透射光谱影响取西农 1A/89 杂交水稻种子粉末分别过 100, 180, 200, 220, 240 目的标准筛, 分筛成 5 种颗粒大小, 将每类颗粒大小的样品称量 160mg, 用压片机在 20 MP的压力下压成直径 13mm 和厚度 1mm 的圆片, 每种粒度压制 6 个片用于重复试验.将压片放入太赫兹光谱仪中的载物台上, 在氮气环境、24.4、5%左右湿度条件下测定其太赫兹透射光谱.1.3.2 固定剂对杂交水稻太赫兹透射光谱影响取过 200 目筛西农 1A/89 杂交水
13、稻粉末, 添加不同比例高纯度光谱分辨级的聚乙粉末, 其水稻粉末含量分别保持在 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 100%;称取混合样品 160 mg, 用压片机在 20 MP 的压力下压成直径 13 mm 和厚度 1 mm 的圆片, 每种粒度压 6 个片, 将压片放入太赫兹光谱仪中, 在氮气环境、24.4、湿度 5%左右条件下测定其固定剂对太赫兹透射光谱影响.1.3.3 不同杂交水稻品种太赫兹光谱特性取 16 个杂交水稻的种子粉末, 过 200 目筛, 称量 160 mg, 用压片机在 20 MP的压力下压成直径 13mm 和厚度 1mm 的圆片, 每种粒度
14、压制 6 个片, 将压片放入太赫兹光谱仪中, 在氮气环境、24.4、湿度 5%左右条件下测定其太赫兹透射光谱, 比较研究其 THz 光谱特征.2 结果与分析2.1 杂交水稻粉末粒度对太赫兹透射光谱影响5 种粒度的西农 1A/89 杂交水稻种子粉末的太赫兹时域光谱如图 1 (a) 所示.图 1 (a) 中 Reference 是没有样品时的 THz 时域光谱, s1p1, s1p2, s1p3, s1p4, s1p5 分别代表样品粒径, 其中 s1p1240 目, 240 目s1p2220 目, 220 目s1p3200, 200 目s1p4180, 180 目s1p5100.对图 1 (a)
15、的峰值放大后得图 1 (b) , 由图 1 (b) 可知不同粒径粉末样片的太赫兹吸收谱对参考背景信号都有不同的延迟和衰减.粉末颗粒大小不同, 信号衰减的程度也各不相同, 主要是因为不同粒度样片对 THz 波的吸收和散射程度不同.介于 100180 目粒径样品其谱线在时域谱中时间延迟约 0.43ps, 其余时间延迟没有明显的差异.样品的吸收系数谱线如图 2.从图可看出, 试验的各粒径样品, 在 1.2THz 附近都有特征吸收峰, 同一品种不同粒径样品在 1.2THz 处对太赫兹波吸收有较大差异, 粒径小的样品 (s1p1) 样品) 吸收最大, 样品粒径越大, 吸收减少, 介于180100 目样品
16、谱线噪声增加, 信噪比降低, 对太赫兹波吸收不明显, 主要原因是颗粒越大, 对波的散射越大, 吸收减少.因此在进行太赫兹光谱试验研究时, 样品粒径应该控制在一定范围内.图 1 西农 1A/89 的 5 种粉末粒度下的时域波形及时域峰值图 下载原图图 2 样品的吸收系数谱线 下载原图2.2 固定剂对杂交水稻种子太赫兹透射光谱影响聚乙烯粉末固定剂对样品太赫兹光谱吸收峰的影响如图 3 所示.s2h1 为 100%的杂交稻种子粉末的太赫兹吸收谱线, s2h2-s2h8 依次为 90%30%的杂交水稻种子粉末含量.同一水稻品种粉末, 添加的聚乙烯粉末固定剂浓度增加, 太赫兹光谱吸收降低.利用 1.22T
17、Hz 处的吸收系数对其样片中种子粉末浓度进行线性回归, 相关系数为 0.981, 即杂交水稻种子在 1.22THz 处吸收峰的吸收系数的幅值与对应样片中杂交水稻种子浓度之间有很好的线性关系.添加固定剂, 不会影响吸收峰的位置变化, 在对样品进行 THz 光谱研究时保持一定浓度固定剂, 可以增加样片强度, 使样品没有裂纹, 不引起吸收光谱的畸变.图 3 固定剂浓度对样品 THz 光谱吸收影响 下载原图2.3 杂交水稻种子的 THz 吸收特征表 3 是 16 种杂交水稻种子的太赫兹波吸收系数和对应特征频率, 其中光谱吸收系数是每个种子粉末压制的 6 个样片的吸收系数平均值和对应的 THz 波吸收特
18、征频率.表 3 16 种杂交水稻种子的 THz 吸收特性 下载原表 表中 s3-s18 为对应供试种子编号.水稻种子 s3, s5, s9, s10, s11, s13, s16, s17 在 0.22THz 频率范围有 23 个特征吸收频率, 且谱线平滑、峰值明显, 吸收系数和吸收特征频率的差别比较明显, 吸收峰特征频率位置和吸收系数都各不相同, 可以用作指纹谱辨别水稻品种.而 s4, s8, s14, s15, s18 品种基线比较紊乱, 在低频阶段即有噪音的干扰, 有效频率范围较窄, 峰值不明显, 可以通过信号处理减少噪声干扰等方法获取更好的光谱数据.另一方面, s3, s5, s7,
19、s9, s10, s11, s13, s16 种子在 1.13THz 附近都出现了类似的强吸收峰, 可能是这几个杂交水稻种子其生物大分子某一结构相似或具有相近的亲缘性.利用杂交水稻种子的 THz 特征吸收频率作为品种鉴定, 不仅要有更多的试验品种建立THz 光谱数据库, 同时还要对其父母本进行 THz 光谱研究, 理清它们之间的 THz光谱特性关系, 建立数学物理模型, 定量和定性结合, 才能使 THz 光谱技术作为杂交水稻纯度鉴定成为可能.3 结论杂交水稻种子粉末粒径不同, 其 THz 光谱吸收特性存在较大差异, 进行杂交水稻种子 THz 光谱研究时, 在相同温度和试验环境下还应该保持粉末粒
20、径一致, 粒径过大波散射增强, 不利于样品 THz 波吸收, 粒径过小增加研磨时间, 以过200 目筛为宜.聚乙烯粉末固定剂不会改变样品的吸收特征频率, 只会影响 THz 波吸收强度, 为防止样品裂纹可适当添加固定剂, 提高波谱质量.试验的杂交水稻品种大部分具有多个特征吸收峰和特征吸收频率, 而且位置不重合, 少数几个品种其 THz 波谱线出现噪声干扰, 需要进行降噪处理.若要将THz 光谱技术用于杂交水稻品种鉴定, 还要收集和研究更多的经过国家鉴定的高纯度杂交水稻品种的 THz 光谱数据, 包括其父母本的 THz 光谱数据, 建立基础数据库档案.另外国家对杂交水稻品种纯度鉴定通常是以 100
21、 粒稻种中纯度大于 96%为标准, 因此在对杂交水稻太赫兹光谱研究时应该以单粒为对象进行研究, 比对其 THz 光谱数据, 制定太赫兹光谱检测标准才能成为可能.参考文献1杨鹏飞, 姚建铨, 邴丕彬, 等.太赫兹波及其常用源J.激光与红外, 2011, 41 (2) :125-131. 2谢丽娟, 徐文道, 应仪斌, 等.太赫兹波谱无损检测技术研究进展J.农业机械学报, 2013, 44 (7) :246-249. 3STOIK C, BOHN M, BLACKSHIRE J.Nondestructive Evaluation of Aircraft Composites Using Refle
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