Фотолюминесцентный контроль спелости семян зерновых в процессе созревания

Полный текст

Введение

В современных условиях развитие сельского хозяйства во многом зависит от результатов научно-технического прогресса, интенсивного внедрения достижений науки и техники, постоянного совершенствования методов и технологий производства продукции. Объективное определение спелости семян растений является одним из направлений развития сельскохозяйственных электротехнологий с целью внедрения современных методов контроля в растениеводстве. Оптические методы и средства диагностики и контроля являются высокоточными, селективными, экспрессными, а также дистанционными и неразрушающими. Другими достоинствами оптических и оптико-электронных приборов являются простота и безопасность эксплуатации, минимум субъективных факторов и возможность интеграции в действующие современные сельскохозяйственные машины и аппараты.

Оптические спектральные и цветовые характеристики используют для сортировки семян, плодов, корнеплодов и другой продукции¹ [1]. Также оптическое излучение применяют в сельскохозяйственном производстве для уничтожения вредителей и обеззараживания зерна. Излучение в ближней инфракрасной области используют для контроля влажности, оценки содержания белков, жира, крахмала, клетчатки, сахаров в размолах, жидкостях или пастах².

Совокупность методов анализа, основанных на явлении люминесценции, называется люминесцентным анализом. Наибольшее распространение получил вид анализа, основанный на фотолюминесценции исследуемого вещества, возбуждаемой ультрафиолетовым излучением. Подобный анализ может быть как качественным, так и количественным. Первый проводится по спектрам люминесценции и используется для обнаружения следов люминесцирующих органических и неорганических веществ в различных объектах; второй основан на зависимости интенсивности люминесценции от количества люминесцирующего вещества. Исследование фотолюминесценции может дать информацию о состоянии живых и неживых систем без их повреждения и отбора большого объема пробы.

Обзор литературы

Оптические характеристики биотканей несут информацию о количественном содержании и пространственном распределении различных
биологических компонентов в ней, что дает потенциальные возможности диагностики [2–6]. К настоящему времени созданы методики и установки оптической диагностики биологических объектов медицинского назначения [7–12]. Флуоресцентные спектрометры для диагностики in vivo [13] обычно используют волоконно-оптические системы [14–17].

Микроскопические наблюдения, произведенные над созревающими семенами, показали, что по мере их созревания происходит постепенное превращение крахмала в жир («ожирение» крахмальных зерен). Вопрос о накоплении веществ в созревающем зерне имеет важное практическое значение в связи с необходимостью определения оптимальных сроков уборки урожая и снижения потерь зерна при уборке³.

К данному времени известно несколько методов определения спелости семян.

1. Определение спелости семян по внешним признакам и консистенции. Метод является субъективным и наименее точным, хотя и широко распространен в сельскохозяйственной практике. Чаще всего применяется при плохой погоде в период созревания, но при его использовании требуются серьезный опыт и навык.
2. Определение спелости семян по массе сырых зерен. Метод предполагает мониторинг массы 1 000 сырых семян.
3. Определение спелости зерна по удельной массе. Метод предполагает расчет процентного содержания зерен молочной и восковой спелости при погружении средней пробы в солевой раствор⁴.

Также существуют методы с использованием различных технических устройств, например, инфракрасного термометра [18]. Недостатком данного метода является невозможность получить информацию о температуре с определенной поверхности, т. к. инфракрасный термометр предназначен для измерения температуры в конкретной точке; кроме того, существенным оказывается влияние посторонних помех.

Предложен прибор тепловизионного контроля семян до и после обработки электромагнитным полем высокой частоты; вслед за обработкой проводят сравнение температуры каждого семени до и после воздействия [19]. Недостатками данного способа являются трудоемкость и продолжительность воздействия электромагнитного поля.

Таким образом, используемые в данное время методы определения спелости семян имеют недостатки, связанные с их субъективностью или длительностью, либо являются разрушающими. Альтернатива имеющимся методам – оптический люминесцентный метод, широко применяемый в настоящий момент в биомедицинских технологиях.

В сельскохозяйственных электротехнологиях созданы фотолюминесцентные методы и приборы контроля влажности [20; 21] и всхожести [22; 23].

Материалы и методы

Разработка методики предусматривает поисковые исследования оптических спектральных люминесцентных свойств семян зерновых растений различной степени спелости. Ранее автором было установлено сходство оптических люминесцентных свойств спелых семян большинства зерновых (пшеница, рожь, тритикале, гречиха, овес), зернобобовых (горох, фасоль) и овощных (перец, томат) растений [24]. Данные свойства можно считать типовыми и использовать при проектировании методики и приборов контроля спелости.

Для получения опытных образцов были посеяны и выращены семена овса «скакун» и пшеницы МИС. По мере их созревания отбирались партии семян различной степени спелости: для овса – молочной, молочно-восковой и восковой степени, а также спелые семена (4 срок); для пшеницы – молочной, молочно-восковой и восковой степени, а также 4-го и 5-го сроков спелости. Пробы отбиралась в следующие сроки: молочная (1-й срок) – 95 суток с момента посева, молочно-восковая (2-й срок) – 103 суток, восковая (3-й срок) – 109 суток, 4-й срок – 120 суток, 5-й срок – 126 суток.

Исследование люминесценции проводилось на основе аппаратно-программного комплекса, состоящего из многофункционального спектрофлуориметра «Флюорат-02-Панорама», компьютера с установленным программным обеспечением «Panorama Pro» и внешней камеры для исследуемых образцов. Измерение спектров возбуждения и фотолюминесценции выполнялось аналогично ранее проведенным измерениям [25; 26].

Были измерены спектры возбуждения η_e (λ) при синхронном сканировании, и на их основе – спектры люминесценции φ_l (λ). По результатам измерений осуществлялась статистическая обработка, где проводилось усреднение по 30 спектрам. В программе «Panorama Pro» были вычислены интегральные параметры спектров Η и Ф. Последний является потоком фотолюминесценции, выраженным в относительных единицах.

Результаты исследования

Результаты измерения спектров возбуждения семян пшеницы различной спелости при синхронном сканировании представлены на рис. 1.

 

 

 

 

Рис. 1. Спектральные характеристики возбуждения семян пшеницы при синхронном
сканировании: 1 – молочная спелость, 2 – молочно-восковая спелость, 3 – восковая спелость,
4 – 4-й срок спелости, 5 – 5-й срок спелости

Fig. 1. The spectral characteristics of wheat seeds during excitations a synchronous scan: 1 – milk ripeness,
2 – milky-wax ripeness, 3 – waxy ripeness, 4 – 4 period of ripeness, 5 – 5 period of ripeness

 

 

Видно, что семена молочной спелости имеют наибольший пик возбуждения на длине волны около 362 нм и существенно меньший – на 424 нм. Семена молочно-восковой спелости имеют пики на тех же длинах волн, но уже приблизительно равные по энергетической эффективности возбуждения. У семян восковой спелости наиболее выражен пик возбуждения на длине волны 424 нм, пик на 362 нм заметно ниже; кроме того, появляется небольшой пик на длине волны 485 нм. У спелых семян (4-й и 5-й срок) коротковолновый пик

(λ_max = 362 нм) отсутствует; остаются пики 424 нм и 485 нм, причем длинноволновый пик увеличивается с возрастанием срока спелости⁵ [27].

Для коротковолнового (λ_max = 362 нм), средневолнового (λ_max = 424 нм) и длинноволнового (λ_max = 485 нм) пиков рассчитаны интегральные значения Н в рабочих диапазонах возбуждения: 250–410 нм, 410–470 нм и 470–550 нм соответственно. Результаты представлены в табл. 1, причем интегральные значения средневолнового возбуждения приняты за единицу, и относительно них пересчитаны значения параметров для коротковолновых и длинноволновых диапазонов (в знаменателе).

 

Таблица  1 Интегральные параметры спектров семян пшеницы для различных диапазонов

Table  1 The integral parameters of the wheat seeds spectra for different ranges

 

Срок /Duration	Н, о. е. / Н, r. u.
	250–410	410–470	470–550
1	2 054,00	600	198,00
	3,49	1	0,34
2	896,00	413	165,00
	1,79	1	0,33
3	628,00	398	140,00
	1,57	1	0,35
4	135,00	151	83,65
	0,91	1	0,56
5	83,00	144	114,00
	0,57	1	0,79

 

Из данных табл. 1 следует, что возможно определение физиологической зрелости по соотношению фотолюминесценции, возбуждаемой длинноволновым и коротковолновым излучением.

Далее были измерены спектры фотолюминесценции семян различной спелости при возбуждении на длинах волн λ_s = 362 нм и λ_l = 485 нм. Усредненные по 30 измерениям результаты для семян молочной спелости и полностью спелых семян представлены на рис. 2; 3.

 

 

 

Рис. 2. Спектры люминесценции семян пшеницы молочной спелости (1; 1’) и полностью
спелых (2; 2’) коротковолнового и длинноволнового диапазонов

 

Fig. 2. The luminescence spectra of milky ripeness (1 and 1’) and fully ripe (2 and 2’) wheat seeds
short-wave and long-wave range

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Спектры люминесценции семян овса молочной спелости (1; 1’) и полностью
спелых (2; 2’) коротковолнового и длинноволнового диапазонов

Fig. 3. The luminescence spectra of milky ripeness (1 and 1’) and fully mature (2 and 2’) oat seeds
short-wave and long-wave ranges

 

 

 

В программе «Panorama Prо» были рассчитаны потоки фотолюминесценции Ф_l и Ф_s. Результаты представлены в табл. 2; 3 и на рис. 4; 5.

 

Таблица  2 Результаты расчета потоков фотолюминесценции семян пшеницы

Table  2 The results of the fluxes calculation photoluminescence of wheat seeds

 

Срок /Duration	t, сут /t, day	Φs, о. е. /Фs, r. u.	Φl, о. е. /Фl, r. u.	Φs/Φl о. е. /Фs/Фl, r. u.
1	95	1 116	658	0,59
2	103	1 278	921	0,72
3	109	1 491	1 297	0,87
4	120	1 125	996	0,89
5	126	1 023	1 114	1,09

 

 

Таблица  3 Результаты расчета потоков фотолюминесценции семян овса

Table  3 The results of the fluxes photoluminescence seed oats calculation

 

Срок /Duration	t, сут /t, day	Φs, о. е. /Фs, r. u.	Φl, о. е. /Фl, r. u.	Φs/Φl о. е. /Фs/Фl, r. u.
1	95	993	991	1,00
2	103	983	1 101	1,12
3	109	913	1 132	1,24
4	120	913	1 184	1,30

 

 

 

 

Рис. 4. График зависимости отношения длинноволнового потока фотолюминесценции семян
пшеницы к коротковолновому от времени созревания

 

Fig. 4. The graph of ratio the long-wave flux wheat seeds photoluminescence to the short-wave ratio
dependence of the ripening time

 

 

 

 

Рис. 5. График зависимости отношения длинноволнового потока фотолюминесценции семян овса
к коротковолновому от времени созревания

 

Fig. 5. The graph of ratio of the long-wave flux oat seeds photoluminescence to the short-wave
dependence one on the ripening time

 

 

Как следует из таблиц и графиков, с увеличением спелости семян отношение длинноволнового потока к коротковолновому увеличивается. Зависимости могут быть статистически достоверно линейно аппроксимированы при коэффициенте детерминации R², равном 0,90 для пшеницы и 0,93 – для овса. Данные зависимости можно использовать для определения степени физиологической зрелости семян. Так, семена пшеницы можно считать спелыми при соотношении Φ_l / Φ_s, превышающем 1,0, а семена овса – 1,3.

На основе полученных результатов предложена методика определения спелости семян зерновых растений при созревании, структурная схема которой представлена на рис. 6.

 

 

 

 

Рис. 6. Структурная схема методики определения спелости семян зерновых растений

Fig. 6. The block diagram of the method for determining the ripeness grain plants seeds

 

 

Предлагаемая методика включает в себя следующие этапы:

1. Для исследования с нескольких растений отбираются несколько семян. Возможен неразрушающий контроль семян полного колоса, в том числе без участия человека, с применением беспилотных летательных аппаратов. Исследуемая проба помещается в темную светонепроницаемую камеру.
2. Семена облучаются двумя источниками излучения (например, светодиодами), спектры излучения которых имеют максимумы на длинах волн λ_s = 362 нм и λ_l = 485 нм (или максимально близкие к ним) для возбуждения фотолюминесценции.
3. Люминесценция регистрируется двумя фотоприемниками (например, фотодиодами) с диапазонами чувствительности 380–580 и 450–650 нм.
4. Электрический фотосигнал с фотоприемников усиливается усилителем и поступает на микроконтроллер.
5. В микроконтроллере сигнал преобразуется в цифровую форму, после чего происходит расчет отношения потока длинноволновой фотолюминесценции Ф_l к потоку коротковолновой фотолюминесценции Ф_s.
6. Полученный результат поступает на выходное индикаторное устройство. С учетом полученных данных определяется, на какой стадии созревания находятся семена, и принимается решение о возможных дальнейших действиях.

На рис. 7 представлена функциональная схема методики определения спелости семян.

 

 

 

 

Рис. 7. Функциональная схема методики определения спелости семян: 1 – исследуемый материал (семена или колосья);

2 – светонепроницаемая камера с исследуемыми образцами; 3 – источники возбуждающего излучения;

4 – приемники фотолюминесцентного излучения; 5 – усилитель сигнала; 6 – микроконтроллер; 7 – выходной индикатор

 

Fig. 7. The functional diagram of the method for determining the seed ripeness: 1 – the test material (seeds or ears);

2 – opaque chamber with the samples; 3 – exciting radiation sources;
4 – photoluminescent radiation receivers; 5 – amplifier; 6 – microcontroller; 7 – output indicator

 

 

Для реализации методики разработана конструкция и выбраны основные узлы прибора объективного экспресс-анализа степени физиологической зрелости семян (рис. 8).

 

 

 

 

Рис. 8. Структурная схема прибора для определения спелости семян

Fig. 8. The block diagram of the device for determining the seed ripeness

 

 

В качестве источников излучения выбраны два светодиода: для коротковолнового излучения – VLMU3510⁶, для длинноволнового – XPEBBL-L1-R250-00 Z01⁷. В качестве приемников излучения наиболее подходящими по актиничности являются фотодиоды S9219-01⁸ и BPW21R⁹.

Произведен выбор компонентов электронного блока: операционный усилитель марки К140УД17, микросхема делителя напряжения К525ПС3, микроконтроллер ATMEGA8 на ЖКИ WH1602A [28]. Для разделения приема коротковолнового и длинноволнового фотосигналов используется временная задержка включения источников и приемников, осуществляемая через микроконтроллер.

Обсуждение и заключение

Оптические фотолюминесцентные методы оценки качества семян растений являются бесконтактными, быстродействующими, селективными и зачастую неразрушающими. Для семян исследованных зерновых растений характерно возбуждение фотолюминесценции в диапазонах с максимумами на длинах волн 362 нм, 424 нм и 485 нм. В ходе созревания семян зерновых растений (на примере пшеницы и овса) меняется соотношение их уровней возбуждения и потоков люминесценции: для незрелых семян характерна коротковолновая люминесценция, а в спелых семенах преобладает длинноволновая. Зависимости соотношения потоков фотолюминесценции длинноволнового и коротковолнового диапазонов от времени созревания являются возрастающими и могут быть статистически достоверно аппроксимированы линейными функциями. На основе полученных результатов разработан прибор для определения уровня физиологической зрелости семян, позволяющий за счет облучения семян двумя источниками с определенными длинами волн и регистрации потока фотолюминесценции соответствующими приемниками определить, на какой стадии созревания находится семя.

 

 

¹           Башилов А. М. Электронно-оптическое зрение в аграрном производстве (системотехника построения и применения информационных оптических технологий). М. : Изд-во ГНУ ВИЭСХ, 2005. 312 с.

²           Лакович Дж. Основы флуоресцентной спектроскопии / Пер. с англ. М. : Мир, 1986. 496 с

³           Казаков Е. Д., Кретович В. Л. Биохимия зерна и продуктов его переработки. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Агропромиздат, 1989. 368 с.

⁴           Уборка урожая. URL: http://racechrono.ru/biologizaciya-zemledeliya/4770-uborka-urozhaya.html

⁵           Изменения спектральных свойств фотолюминесценции семян пшеницы в процессе созревания / М. В. Беляков [и др.] // Энергетика, информатика, инновации-2016 : сб. тр. VI Междунар. науч.-техн. конф. : в 3 т. Т. 2. Смоленск : Универсум, 2016. С. 23–26.

⁶           Vishay – manufacturer of discrete semiconductors and passive components. URL: https://www.vishay.com/docs/84363/vlmu3510-365-130.pdf

⁷           Farnell Россия. Электронные компоненты, электронные детали. URL: http://ru.farnell.com/cree/x-pebbl-l1-r250-00z01/led-smd-xlamp-xpe-e-blue-485nm/dp/2335110

⁸           Home. Hamamatsu Photonics. URL: https://www.hamamatsu.com/jp/en/product/alpha/S/4103/S9219-01/index.html

⁹           Vishay – manufacturer of discrete semiconductors and passive components. URL: https://www.vishay.com/docs/81519/bpw21r.pdf

Об авторах

Михаил Владимирович Беляков

филиал ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет “МЭИ”» в г. Смоленске

Автор, ответственный за переписку.
Email: bmw20100@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4371-8042
ResearcherId: W-2746-2018

заведующий, кафедра оптико-электронных систем, кандидат технических наук, доцент

Россия, 214013, г. Смоленск, Энергетический пр., д. 1

Список литературы

Дополнительные файлы