拉曼光谱技术在农产品种植业中的应用与展望

苏晓慧，成锴

（1长治学院 电子信息与物理系，山西 长治 046011；2山西省农业科学院谷子研究所，山西 长治 046011）

拉曼光谱技术在农产品种植业中的应用与展望

苏晓慧1，成锴2

（1长治学院 电子信息与物理系，山西 长治 046011；2山西省农业科学院谷子研究所，山西 长治 046011）

拉曼光谱技术具有样品操作简便、操作时间短、无需样品处理等优点，可获得样品分子内部有关振动能级及振动频率的相关信息，且应用广泛。文章简述了拉曼光谱技术的分类、优缺点及应用领域，介绍了拉曼光谱技术在农产品种植业的最新应用及进展，并对该技术在农产品种植业今后的研究进行了展望。

拉曼光谱技术；农产品种植业；应用；发展前景

1 前言

拉曼光谱（Raman Spectrum）是由印度物理学家拉曼在研究液体物质的光散射时发现的，是一种由于分子极化率变化而产生的非弹性散射光谱。随着农产品种植业的不断发展，农产品种植业的多样化、优质化、无公害化、专用化也在随之不断提升。

文章从拉曼光谱的原理出发，简述了拉曼光谱技术的四大分类，并综述了该技术在农产品种植业中判别粮食产品新陈度、区分同一农作物不同品种及检测农药残留的研究近况。

2 拉曼光谱技术

拉曼光谱技术是一门基于拉曼散射效应，进而分析鉴定物质结构的一项技术。现已广泛应用于生物医学、石油化工、宝石及法证鉴定、刑事司法、林业、农业等多个领域。拉曼光谱可以采集分子内部有关振动能级及振动频率的相关信息。不同于红外光谱的产生机制，拉曼光谱随样品分子极化率变化产生，而红外光谱是由分子偶极矩变化诱导产生的[1][2]。拉曼光谱包含了谱线强度、谱线数目和位移等信息，与被测物质的转动能级和分子振动有关，与入射光的频率无关。就像每一个人都有特定的指纹一样，每一种物质也都有自己的特征拉曼光谱。因此只要通过对所获得的拉曼光谱与数据库中的拉曼光谱进行比对，即可判定被测物质的组成。随着激光技术、仪器学、光谱学的发展，拉曼光谱技术已发展出多种不同的分析技术，主要为激光共振拉曼光谱（RRS）分析技术[3]、傅里叶拉曼光谱（FT-Raman）分析技术[4]、共焦显微拉曼光谱分析技术、表面增强拉曼光谱（SERS）[5][6]分析技术四大类。

3 拉曼光谱技术在农产品种植业中的应用

3.1 拉曼光谱技术在判别粮食产品新陈度中的应用[7]

长期以来，粮食是我国国家战略储备的重要组成部分。随着粮食流通制度改革的深入，新陈粮食价格差异的显著，在粮食的生产、加工、经营及消费环节中人们对其新鲜度的关注日益提高。

2014年，黄亚伟等人报道采用拉曼光谱技术对新陈玉米进行判别的研究。研究中，新陈玉米样品选自河南省内收集到的郑单958共75份，对样品粉碎过筛后置于样品袋中，应用i-RamanREX拉曼光谱仪对样品直接采集它们的拉曼光谱。对原始光谱进行数据处理，通过比对对光谱范围进行建模，建模范围为914-1369 cm时模型结果最优，消除一定程度的样品噪声，通过调整建模因子及其他参数，可以使建模集总正确判别率达到100%，验证集总正确判别率达到95%。从而得证，拉曼光谱技术可应用于快速识别玉米新陈度，预示着其将会在粮食贮藏品质指标评价中具有很大的应用潜力[7]。

上述研究中，样品仅采自河南地区产的玉米郑单958品种，样品选取相对单一，后续可以对不同生产环境、不同玉米品种或者其他农作物品种进行深入探讨研究[7]。

3.2 拉曼光谱分析技术在区分不同品种农作物的应用[8][9]

通过拉曼光谱分析技术建立同一作物不同栽培品种的拉曼光谱指纹，分析比较其差异性，为同一作物不同品种质控体系提供科学依据。

肖静等人报道了不同地区山药的拉曼光谱分析研究结果。此研究中，收集了来自广东、温州、河南和广西等产区不同来源山药的20批次，应用显微共聚焦拉曼光谱技术，在激发光源为785 nm下建立了不同品种山药的拉曼光谱指纹。依据相关化合物特征拉曼光谱频率及初步指定表，可以初步确认山药拉曼光谱主谱峰成分，并运用统计学方法、Matlab指纹图象分析方法及主成分分析方法进行分析比较，旨在分析不同品种山药的指纹差异。在分析比较结果中，不同来源的山药拉曼光谱差异明显，其中广西、广东和河南产山药相似度相对较高，都在0.95以上，而温州地区产山药相似相对较低，在0.82以下。因此，拉曼光谱技术可以将不同来源种属的山药进行有效区分，可以作为山药种植的质控方法。

3.3 拉曼光谱分析技术在农药残留检测的应用[9-12]

伴随着国民生活水平的日渐提高，农作物中的农药污染问题受到广泛关注。当前，农药残留量检测的技术主要采用光谱检测技术、生化检测技术和色谱检测技术[13]。近年来，国内外应用拉曼光谱技术检测农药残留取得了一定的进展。Shende等[14]应用拉曼光谱技术检测到食品中的农药残留，结果表明检测限达到10-6。周小芳[15]等人采用拉曼光谱仪对果蔬表面常见农药进行了检测，结果表明，用拉曼光谱仪可以识别果蔬表面的各种农药。刘燕德等人采用拉曼光谱仪研究了农药主要成分氧乐果含量的定量分析方法，结果表明检测限达到10-3，为农药的快速、有效、简单的检测提供一种新思路。

4 结束语

拉曼光谱技术作为一种新型的无损检测技术，在各领域已经广泛应用。拉曼光谱技术在农产品种植业中的应用尚在起步阶段，今后将继续会为农产品种植业带来更多的收益。文章主要侧重分析了拉曼光谱技术在判别粮食产品新陈度、在区分不同品种农作物、在农药残留检测中的应用。而事实上拉曼光谱技术在农产品种植业的应用远不止如此，例如可以用于检测种子成分，为不同地区种植者合理选种育种提供科学依据，也可用于预测农产品作物抗病性。谭峰[16]等人通过拉曼光谱分析检测早期水稻稻叶片，为及早判别稻瘟病提供了一种有效的手段。还可用于精准农业[17][18]，为种植者提供最合理的选种、栽培、收割方案，为农业高效可持续发展提供切实可行的依据。

［1］WU Lin,OUYANG Zhao-hui,Cao Shu-chao,eta (伍林，欧阳兆辉，曹淑超,等)l.Chinese Journal of Light Scattering(光散射学报)，2005,17（2）:180

［2］刘燕德，刘涛，孙旭东，欧阳爱国，郝勇.拉曼光谱技术在食品质量安全检测中的应用［J］.光谱学与光谱分析,2010,30(11):2007-3012.

［3］LI Zheng-qiang,Bu Feng-quan(李正强,卜凤泉).Chinese Journal of Light Scattering(光散射学报)，1997,9(2-3):245.

［4］Wang Zhi-guo,SUN Su-qin,ZHOU Qun,etal（王志国,孙素琴,周群,等）.Chinese Journal of Light Scattering（光散射学报），2002,14(4):212.

［5］Hossain M K,Kitahama Y,Huang G G,,etal.Anal. Bioanal.Chem,2009,394:1747.

［6］Han X X,Zhao B,Ozaki Y.Anal.Bioanal.Chem, 2009,394:1719.

［7］黄亚伟,张令,王若兰.新陈玉米的拉曼光谱快速判别研究［J］.现代食品科技,2014,30：149-152.

［8］肖静,朱梦军.不同品种山药的拉曼光谱分析［J］.医药导报,2013,(12).

［9］万常斓.水果农药残留拉曼光谱检测方法研究［D］.江西，华东交通大学，2012.

［10］李靖,王春光,田海清.光谱技术在农药残留检测中的应用与展望［J］.农机化研究,2014,8: 250-252.

［11］周小芳,方炎,张鹏翔.水果表面残留农药的拉曼光谱研究［J］.光散射学报,2004,16(1):14-16.

［12］刘燕德,叶冰.基于拉曼光谱技术的氧乐果含量定量分析［J］.中国农机化学报,2014,35(1): 88-91.

［13］朱开祥,李垚辛,董全.农药残留分析检测技术研究进展［J.中国食物与营养,2011,17(1):16-19.

［14］Aaron DS,Car1 AB.Detection of carbendazim by surface-enhanced Raman scattering using cyclodextrincalinclusioncomplexesongold nanorods［J］.Anal Chem,2009，81（8）:2895-2903.

［15］周小芳,方炎,张鹏翔.水果表面残留农药的拉曼光谱研究［J］.光散射学报,2004,16(1):11-14.

［16］谭峰,才巧玲,孙雪成,马志欣,侯召龙.基于拉曼光谱分析寒地水稻叶瘟病害植株特征［J］.农业工程学报，2015,31(4):191:195.

［17］白由路,金继运,杨俐苹.低空遥感技术及其在精准农业中的应用［J］.土壤肥料,2004,(1): 3-5.

［18］洪霞,江洪,余树.全高光谱遥感在精准农业生产中的应用［J］.安徽农业科学,2010,38(1):529 -531,540.

Su Xiao-hui1，Cheng Kai2
（1.Department of Electronic Information and Physics,Changzhi University,Changzhi Shanxi 046011；2.The Millet Research Institute of Shanxi Academy of Agricultural Sciences,Changzhi Shanxi 046011）

（责任编辑 郝瑞宇）

O433

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1673-2015（2015）05-0044-03

2015—07—25

苏晓慧（1987—）女,山西朔州人，硕士，主要从事拉曼光谱技术及激光技术的研究。