光纤红外光谱技术助力非侵入性、原位植物健康监测
2023-12-23 10:17:24   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

传统的植物健康评估方法通常缺乏持续性和非侵入性监测的必要属性。

据麦姆斯咨询报道，近日，由新加坡科技研究局（A*STAR）和新加坡国立大学（NUS）的研究人员组成的团队在Scientific Reports期刊上发表了题为“A pilot study on non-invasive in situ detection of phytochemicals and plant endogenous status using fiber optic infrared spectroscopy”的论文，提出了一种利用基于衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）的定制光纤探针和接触力控制单元进行非侵入性、持续植物健康监测的新技术。通过对光谱特征的统计分析，研究人员开发了归一化差异中红外反射指数（NDMRI），从而能够区分植物的干旱和老化状况。

该研究旨在以光学方式表征植物化学物质和植物内源状态，满足对原位植物健康评估的改进分析测量方法的需求。研究人员对探头配置进行了优化，采用三环形尖端（triple-loop tip）和3 N的接触力，实现了对叶片的高灵敏度测量，同时最大限度地减少了对叶片的损伤。通过结合多晶和硫族化合物光纤探针，实现了全面的波数范围分析（4000–900 cm⁻¹）。该技术有效地原位监测了盆栽绿色白菜的干旱胁迫（drought stress），有助于量化水分含量、抗氧化活性、木质素和纤维素水平的变化。总之，这项研究提出了一种以快速、非侵入性和原位方式研究植物生化成分的创新方法，推动了光学光谱技术在植物研究中的应用。

该技术的主要测试仪器为一台配备Everest钻石ATR附件和光纤附件的紧凑型FTIR光谱仪（Nicolet Summit, Thermo Fisher Scientific Inc.），如图1a所示。非光纤钻石ATR附件具有4000–600 cm⁻¹的传输范围。光纤ATR探针（FlexiSpec, art photonics GmbH）包括一个带有ZnSe尖端的多晶红外（PIR）银卤化物光纤（传输范围为3100–600 cm⁻¹），一个带有可拆卸的单环或三环的PIR银卤化物光纤（传输范围为2500–600 cm⁻¹），以及一个带有可拆卸的单环或三环的硫族化合物红外（CIR）硫族玻璃光纤（传输范围为6500–1550 cm⁻¹），如图1b所示。由于ATR-FTIR信号强度对施加的力敏感，因此制作了一个定制的探针支架，以产生灵敏且可靠的读数。它由可调节的接触板和数字力传感器组成，以精确控制叶片和探针之间的接触力。

图1 实验设置

研究人员在蔬菜叶片上进行了一系列实验，以评估不同类型ATR-FTIR附件的性能。非光纤金刚石ATR被选择作为比较的参考标准，因为它是使用最广泛的ATR采样技术。然而，这种方法需要从植物上切下叶片，这使其不适合遥感和原位测量。光纤ATR探针是一种更灵活、更轻便的替代方案，可实现持续和远程监测。图2a描述了使用各种探针测量后在绿色菠菜叶片上留下的应力压痕。图2b显示了六种类型的ATR附件在叶脉上采集的光谱。

图2 不同类型ATR-FTIR附件的性能表征

下一步是研究三环探针在进行实验时对叶片施加的理想接触力，以确保最佳的非侵入性光学测量性能。图2c显示了使用3种不同大小的力（1 N、3 N和5 N）测量后绿色莴苣叶的状况。这3种力都产生了最小的压痕（接触面积约为3.75 mm × 2.38 mm），其中5 N产生的压痕最明显，而3 N和1 N则留下稍微相似的应力压痕。图2d描述了这3种接触力的组合CIR-PIR频谱。结果表明，正如预期的那样，5 N力的信号强度最高，其次是3 N，最后是1 N。在后续实验中，综合考虑高信噪比和对叶片损伤最小的因素，接触力选择为3 N。

研究人员测量了红色和绿色菠菜叶、红色和绿色莴苣叶以及绿色甘蓝叶（图3a）的红外光谱特征。叶脉和叶柄处采集的数据分别如图3b和3c所示。在4000–900 cm⁻¹波数范围内观察到的光谱吸收峰描绘了可用于研究植物化学成分的分子“指纹”。图3d中的表列出了图3b、3c中确定的FTIR吸收峰的波数，以及相应的官能团和化学成分。

图3 不同类型蔬菜的红外光谱特征

最后，研究人员演示了使用光纤ATR探针对经受为期13天的干旱胁迫的盆栽植物进行了非侵入性、原位监测。如图4a所示，测量设置包括将探针夹在叶片上。力传感器被用于监测接触力。选择叶片的中脉进行测量，因为与叶片的其他部分相比，它们可以提供最有效的吸光信号。在监测的第8天，干旱组的植物叶片出现轻微泛黄，这是干旱胁迫的明显迹象，如图4b所示。对照组和干旱组在第0天、第8天和第13天的归一化吸收光谱分别如图4c、4d所示。所有预处理数据均通过除以第0天在3300 cm⁻¹（记录最大吸收值）处观察到的平均吸收值进行归一化处理，从而实现随时间变化的公平且定量的比较。

图4 利用光纤ATR探针原位监测干旱胁迫下的植物

综上所述，这项试验性研究提出了一种使用定制的基于光纤ATR-FTIR光谱探针对植物健康进行非侵入性和持续监测的新技术。所开发的方法满足了植物健康评估中改进化学测量科学的需求，为分析化学领域做出了贡献。优化的探针配置和接触力使其能够在较宽的波数范围（4000–900 cm⁻¹）内捕获植物化学物质的FTIR指纹特征，同时最大限度地减少对植物叶片的损伤。研究结果显示，红色菠菜和绿色甘蓝叶片中的多酚含量存在显著差异，表明该系统能够量化植物物种之间的植物化学差异。此外，该ATR-FTIR系统还成功原位监测了遭受13天干旱胁迫的绿色白菜植株。研究结果表明，水分含量、抗氧化活性、木质素和纤维素含量都可以被量化和跟踪，为了解植物生长情况和对外部胁迫的反应提供了依据。干旱组水分含量明显减少，而抗氧化剂、木质素和纤维素含量的相对变化较小，这表明植物会加强这些成分的合成以适应环境胁迫。由光谱数据统计分析得出的NDMRI已被证明是识别植物干旱和衰老的有效指标。

这项研究开创性地展示了一种优化的ATR-FTIR系统，可对植物进行非侵入性、快速原位测量，在农业领域和室内农业应用方面具有巨大的潜力。此外，所提出的技术对生物分析化学、环境科学和法医学等各个领域都具有影响，并为分析方法的进一步发展奠定了基础。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-023-48426-5

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