吳才章 牛群峰 張?zhí)m靜

（河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，鄭州 450001）

基于超弱延遲發(fā)光的小麥生活力檢測(cè)方法研究

吳才章 牛群峰 張?zhí)m靜

（河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，鄭州 450001）

以鄭麥9023為試驗(yàn)對(duì)象，研究了不同生活力和不同測(cè)試條件下小麥樣品超弱延遲發(fā)光的變化情況。通過(guò)人工快速陳化的方法獲得不同生活力的小麥樣品，對(duì)這些小麥樣品的延遲發(fā)光特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，在此基礎(chǔ)上以溫度為例研究了測(cè)試條件對(duì)小麥延遲發(fā)光的影響。結(jié)果表明，同一品種不同生活力小麥樣品的延遲發(fā)光能力差異明顯，小麥的延遲發(fā)光強(qiáng)度與其生活力顯著負(fù)相關(guān)，生活力越強(qiáng)，其延遲發(fā)光能力越弱；小麥的延遲發(fā)光能力受其自身溫度的影響顯著，隨著溫度的升高，其延遲發(fā)光能力減弱。本研究發(fā)現(xiàn)，利用超弱延遲發(fā)光進(jìn)行小麥生活力檢測(cè)是可行的，但需要對(duì)測(cè)試條件進(jìn)行嚴(yán)格控制。

小麥 生活力 溫度 延遲發(fā)光

小麥從收割到收購(gòu)、銷售、儲(chǔ)存、加工等流通過(guò)程儲(chǔ)藏時(shí)間較長(zhǎng)。期間由于自身的呼吸氧化、各種酶的活動(dòng)，以及外界環(huán)境的影響，小麥不斷地發(fā)生著各種生理、生化的變化，小麥生活力逐漸降低，由新到陳，甚至劣變［1－2］。新陳度或生活力是小麥儲(chǔ)藏過(guò)程中的一個(gè)重要品質(zhì)指標(biāo)，是判定小麥宜存與否、食用品質(zhì)好壞的關(guān)鍵指標(biāo)［3－8］。小麥新陳度或生活力是由其內(nèi)部相關(guān)物質(zhì)和酶活性共同決定的，是很多生化技術(shù)指標(biāo)的綜合?，F(xiàn)有小麥新陳度或生活力的檢測(cè)方法主要有國(guó)標(biāo)法和生化法。國(guó)標(biāo)法綜合考慮糧食的色澤、氣味和食用品質(zhì)等，進(jìn)行綜合判斷，比較科學(xué)，但存在測(cè)定時(shí)間長(zhǎng)、方法繁瑣、容易受人為因素干擾、不客觀等缺點(diǎn)。為此，人們推出了一系列生化檢測(cè)方法，這些測(cè)試方法都是通過(guò)檢測(cè)糧食內(nèi)部某一方面元素（酸性物質(zhì)或酶活性等）的變化，進(jìn)而推斷其生活力或新陳度［9－11］。這些檢測(cè)方法屬于典型的單點(diǎn)分析法，判斷標(biāo)準(zhǔn)僅依據(jù)某項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，難免偏駁，而且都要進(jìn)行生化反應(yīng)，是破壞性檢測(cè)。

生命體，小至細(xì)菌微生物，大到植物、動(dòng)物甚至人，都存在超微弱發(fā)光，生物超弱發(fā)光可以作為一個(gè)靈敏的生理指標(biāo)來(lái)表征生物體的生長(zhǎng)生理狀態(tài)［12－14］。超弱發(fā)光通常包括自發(fā)發(fā)光和光致發(fā)光，自發(fā)發(fā)光是生物體進(jìn)行新陳代謝過(guò)程中，自發(fā)穩(wěn)定輻射的極微弱光子流，即超弱光子輻射，其強(qiáng)度在幾百個(gè)光子／s×cm2以下。光致發(fā)光又稱超弱延遲發(fā)光，生物體受到外界光激發(fā)，在激發(fā)光消失后仍保持微弱的延遲發(fā)光，延遲發(fā)光比自發(fā)光的強(qiáng)度強(qiáng)得多，輻射強(qiáng)度可以達(dá)到幾萬(wàn)個(gè)光子／s×cm2以上［15］。生物超弱延遲發(fā)光是生物作為整體向外界展示的一個(gè)綜合性能指標(biāo)，所以基于延遲發(fā)光進(jìn)行小麥生活力檢測(cè)兼具國(guó)標(biāo)法和生化法的優(yōu)點(diǎn)，既是一種綜合方法，又具有量化的客觀標(biāo)準(zhǔn)，而且屬綠色無(wú)損檢測(cè)。通過(guò)人工快速陳化的方法獲得不同新陳度或生活力的小麥樣品，并對(duì)這些小麥樣品的延遲發(fā)光特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，在此基礎(chǔ)上研究了溫度對(duì)小麥延遲發(fā)光的影響，最后探討基于延遲發(fā)光進(jìn)行小麥新陳度或生活力檢測(cè)的可行性。

1 材料和方法

1.1 材料和設(shè)備

1.1.1 樣品

選用河南省種植規(guī)模較大的小麥品種鄭麥9023，樣品購(gòu)買自2012年當(dāng)年的育種單位，經(jīng)過(guò)晾曬，使小麥的含水率為10%。然后分別將小麥樣品裝在透氣的袋子中，并混放在密閉的恒溫箱中，模擬糧倉(cāng)環(huán)境，在20℃條件下存放，使樣品達(dá)到均衡一致的狀態(tài)，供試驗(yàn)使用。

為獲得不同生活力的小麥樣品，便于進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，采用人工快速陳化的方法對(duì)鄭麥9023小麥樣品進(jìn)行陳化。人工快速陳化的條件是45℃，濕度為90%［16］。每天取出部分樣品作為不同生活力測(cè)試樣品。

1.1.2 測(cè)試裝置

測(cè)試系統(tǒng)主要由恒溫恒濕箱、黑箱、光源、傳感器、計(jì)算機(jī)4部分組成。光源、傳感器、測(cè)試樣品置于暗箱內(nèi)，暗箱置于恒溫恒濕箱內(nèi)，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)置于暗室內(nèi)。延遲發(fā)光光源是一個(gè)由32個(gè)發(fā)光二極管組成的雙環(huán)型陣列，通過(guò)1 mA的恒流源供電。傳感器采用集成光子計(jì)數(shù)模塊MP－1993，該模塊內(nèi)置高壓發(fā)生器和相應(yīng)的放大、計(jì)數(shù)模塊，具有集成度高、測(cè)試精度高等優(yōu)點(diǎn)，模塊具有極高的光子探測(cè)水平，極低的背景噪聲，暗計(jì)數(shù)僅有幾個(gè)光子／（秒×傳感面積），出廠時(shí)光子計(jì)數(shù)強(qiáng)度已進(jìn)行了標(biāo)定，真正實(shí)現(xiàn)了單光子計(jì)數(shù)［17］。超弱發(fā)光的強(qiáng)度是以單位面積單位時(shí)間輻射的光子數(shù)為單位，傳感器的測(cè)試窗口面積固定為圓形（面積為1.766 cm2），為簡(jiǎn)便表達(dá)，超弱發(fā)光強(qiáng)度單位省略傳感面積。光源控制、電子快門、光子計(jì)數(shù)模塊的讀取由計(jì)算機(jī)完成。

1.2 測(cè)試方法

首先將秤量好的小麥樣品放入樣品槽內(nèi)，恒溫恒濕箱達(dá)到設(shè)定溫濕值后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的穩(wěn)定，使得樣品溫度完全達(dá)到設(shè)定溫度。然后計(jì)算機(jī)控制二極管光源，照射樣品一段時(shí)間，照射時(shí)間必須大于照射飽和時(shí)間（系統(tǒng)照射飽和時(shí)間為150 s）［18］，即可進(jìn)行延遲發(fā)光測(cè)試。為避免損傷光子計(jì)數(shù)模塊，二極管光源關(guān)閉后需要間隔一段時(shí)間（2 s），待余輝完全消失后，開(kāi)啟傳感器，采集光子計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)，從而獲得小麥樣品的延遲發(fā)光強(qiáng)度曲線。

小麥的生活力由發(fā)芽率來(lái)表征，依據(jù) GB／T 5520—2011中小麥發(fā)芽試驗(yàn)測(cè)定發(fā)芽率。

2 結(jié)果與分析

按照生物光子輻射相干性理論，延遲發(fā)光是生命物質(zhì)激發(fā)態(tài)的整體效應(yīng)，以高階非線性高度相干耦合［19－20］。生命系統(tǒng)激發(fā)態(tài)布局?jǐn)?shù)滿足非線性動(dòng)力學(xué)方程：

式中：μ（＞0）和 γ（＞1）均為常數(shù)。

由式（1）得到的輻射強(qiáng)度：

2.1 鄭麥9023超弱延遲發(fā)光測(cè)量

在環(huán)境溫度25℃，相對(duì)濕度50%條件下，對(duì)鄭麥9023的超弱延遲發(fā)光進(jìn)行具體測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。考慮到照射結(jié)束后要等待2 s，圖1測(cè)試得到的第1個(gè)值對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)為t＝3 s。測(cè)試結(jié)果表明，在最初幾秒，小麥樣品延遲發(fā)光強(qiáng)度急劇變化，隨后的幾十秒強(qiáng)度逐漸減少，其后延遲發(fā)光強(qiáng)度變化非常緩慢，延遲發(fā)光可持續(xù)數(shù)小時(shí)。

圖1 鄭麥9023超弱延遲發(fā)光強(qiáng)度曲線

由于m大于1，按照式（2），隨著測(cè)試時(shí)間的增加，延遲發(fā)光強(qiáng)度會(huì)迅速衰減為零，延遲發(fā)光持續(xù)時(shí)間很短，這與實(shí)際測(cè)試得出的延遲發(fā)光持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的結(jié)果不一致。通過(guò)進(jìn)一步雙曲函數(shù)擬合發(fā)現(xiàn)，延遲發(fā)光曲線不同時(shí)間段擬合出來(lái)的參數(shù)并不一樣，隨著時(shí)間的推移，擬合的初始強(qiáng)度I0逐漸減小，衰減因子m也逐漸減小，最后都趨近為0。這是因?yàn)檠舆t發(fā)光輻射存在輻射阻尼，輻射阻尼的存在使得衰減因子逐漸減小，導(dǎo)致延遲發(fā)光衰減越來(lái)越慢，進(jìn)一步導(dǎo)致延遲發(fā)光輻射時(shí)間的延長(zhǎng)，這很好地解釋了小麥延遲發(fā)光持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的原因。

2.2 不同生活力小麥超弱延遲發(fā)光測(cè)量

采用國(guó)標(biāo)發(fā)芽法對(duì)人工快速陳化樣品進(jìn)行生活力測(cè)定，小麥樣品的生活力及標(biāo)準(zhǔn)差如表1所示?？梢钥闯?，原始小麥樣品的發(fā)芽率在90%以上，陳化4 d后的小麥樣品全部失去了生活力，經(jīng)過(guò)線性擬合，小麥樣品的發(fā)芽率與其陳化時(shí)間的相關(guān)系數(shù)R＝－0.967，說(shuō)明小麥樣品的發(fā)芽率與其陳化時(shí)間負(fù)相關(guān)。將準(zhǔn)備好的樣品，包括人工陳化和原始樣品，進(jìn)行晾曬處理，均勻化儲(chǔ)藏，使得它們的水分統(tǒng)一，最終含水量都保持在10%，等待試驗(yàn)。測(cè)試的環(huán)境溫度同樣為25℃，相對(duì)濕度為50%。不同生活力的樣品可依次放入測(cè)試暗箱中的樣品槽中，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)量3次。延遲發(fā)光的強(qiáng)弱由延遲發(fā)光的初始值表征，延遲發(fā)光的初始值由延遲發(fā)光測(cè)試曲線的前10個(gè)數(shù)據(jù)通過(guò)雙曲函數(shù)擬合得到。不同陳化時(shí)間小麥樣品的延遲發(fā)光強(qiáng)度初始值及其標(biāo)準(zhǔn)差如圖2所示。

表1 不同陳化時(shí)間小麥樣品的發(fā)芽率

圖2 不同陳化時(shí)間小麥樣品超弱延遲發(fā)光強(qiáng)度曲線

測(cè)試結(jié)果表明在照射光不變的情況下，隨著陳化時(shí)間的增加，同一小麥品種樣品延遲發(fā)光的初始強(qiáng)度I0也增加，也就是說(shuō)樣品的延遲發(fā)光強(qiáng)度在逐漸增強(qiáng)。經(jīng)過(guò)線性擬合，小麥延遲發(fā)光強(qiáng)度與陳化時(shí)間的相關(guān)系數(shù)R＝0.995，而小麥樣品的發(fā)芽率與其陳化時(shí)間是負(fù)相關(guān)的，這樣小麥樣品延遲發(fā)光能力與其生活力顯著負(fù)相關(guān)。

2.3 溫度對(duì)小麥延遲發(fā)光的影響

小麥樣品的延遲發(fā)光容易受環(huán)境溫度的影響。環(huán)境溫度變化之所以能影響小麥自身的延遲發(fā)光，是由于環(huán)境溫度變化最終會(huì)引起小麥自身溫度的變化，進(jìn)而引起糧食自身延遲發(fā)光能力的變化。測(cè)試樣品的含水率保持在10%，恒溫恒濕箱的濕度設(shè)定在50%，測(cè)試的溫度范圍為10～35℃，每隔5℃進(jìn)行1次測(cè)量，這個(gè)溫度范圍涵蓋了我國(guó)小麥儲(chǔ)藏的溫度變動(dòng)范圍。為完成某個(gè)溫度下的測(cè)量，先設(shè)定相應(yīng)的溫度值，待恒溫恒濕箱的溫濕度恒定后，先將測(cè)試樣品均勻平攤在敞口的容器內(nèi)，并將容器放置在恒溫箱內(nèi)，在恒溫箱內(nèi)靜置2 h以上，以保證每粒小麥樣品的溫度與設(shè)定溫度完全一致，然后進(jìn)行測(cè)試。不同溫度條件下鄭麥9023延遲發(fā)光初始值與標(biāo)準(zhǔn)差如圖3所示。

圖3 不同溫度條件下小麥超弱延遲發(fā)光強(qiáng)度曲線

測(cè)試結(jié)果表明，隨著環(huán)境溫度的升高，小麥延遲發(fā)光初始強(qiáng)度I0逐漸減小，也就是小麥延遲發(fā)光強(qiáng)度減小，說(shuō)明溫度變化對(duì)小麥延遲發(fā)光能力影響顯著。

3 討論

同一品種不同生活力小麥樣品的超弱延遲發(fā)光能力差異明顯，陳化小麥樣品的超弱延遲發(fā)光能力大于原始小麥樣品，生活力越高的小麥樣品其超弱延遲發(fā)光能力越低，生活力越低其超弱延遲發(fā)光能力反而越高，小麥的超弱延遲發(fā)光與其生活力負(fù)相關(guān)。

延遲發(fā)光是生物生命態(tài)有序性的外在表征。按照生物光子學(xué)的“共振腔”理論，生物有機(jī)體可以被看做是一個(gè)具有高品質(zhì)因子Q的共振腔，是生物機(jī)體有序能力的表征，Q值等于光子儲(chǔ)存能力與光子損耗的比值。生物機(jī)體的陳化程度越高，其有序性越差，光子損耗越大。光子損耗就是探測(cè)到的延遲發(fā)光的強(qiáng)度，這就意味著其延遲發(fā)光能力越強(qiáng)。

小麥的延遲發(fā)光受自身溫度的影響，隨著糧食溫度的升高其超弱延遲發(fā)光能力逐漸減弱。溫度之所以對(duì)小麥的延遲發(fā)光能力造成一定的影響，我們認(rèn)為從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是因?yàn)殡S著環(huán)境溫度的升高，糧食自身溫度也升高，糧食本身的生活力會(huì)相應(yīng)的增加，進(jìn)而導(dǎo)致糧食延遲發(fā)光能力降低，這也從一個(gè)側(cè)面進(jìn)一步證實(shí)小麥延遲發(fā)光與其生活力負(fù)相關(guān)。

4 結(jié)論

對(duì)小麥超弱延遲發(fā)光進(jìn)行了詳細(xì)地測(cè)試，分析了小麥樣品的延遲發(fā)光輻射規(guī)律，在此基礎(chǔ)上對(duì)不同生活力小麥樣品的超弱延遲發(fā)光特性進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，同一品種不同生活力小麥樣品的超弱延遲發(fā)光存在一個(gè)明顯規(guī)律：隨著陳化程度的增加，生活力逐漸降低，延遲發(fā)光能力逐漸增強(qiáng)，小麥自身的超弱延遲發(fā)光與其生活力顯著負(fù)相關(guān)。在此基礎(chǔ)上測(cè)試了溫度對(duì)小麥延遲發(fā)光的影響，隨著環(huán)境溫度的變化，小麥樣品的延遲發(fā)光能力也存在明顯的變化，因此利用超弱延遲發(fā)光進(jìn)行小麥生活力測(cè)定時(shí)，一定要對(duì)溫度或其他外部條件進(jìn)行嚴(yán)格控制。由于小麥延遲發(fā)光強(qiáng)度比自身超弱發(fā)光的強(qiáng)度強(qiáng)得多，從實(shí)用的角度，基于延遲發(fā)光的小麥生活力檢測(cè)是可以實(shí)現(xiàn)的。

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Detection for Viability ofWheat Based on Ultra－Weak Delayed Bioluminescence

Wu Caizhang Niu Qunfeng Zhang Lanjing

（College of Electrical Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou，450001）

The variation of the ultra－weak delayed bioluminescence under different viability and different test conditionswas investigated with zhengmai9023 as an experimental object.The different viability wheat sample could be obtained by rapid artificial aging，and the characteristics of the delayed bioluminescence from different viability and the influence of temperature on the delayed bioluminescencewere studied.The results showed thatobvious differenceswere found in the delayed bioluminescence ability for different viabilitywith the same seeds.Therewas a negative correlation between the delayed bioluminescence and its viability.In other words，its viability was strengthened as the delayed bioluminescencewasweakened.The influence of temperature on the delayed bioluminescencewas obvious.As the temperature rose，the intensity of ultra－weak photon emission decreased gradually.The research demonstrated that itwas feasible to detectwheat viability based on the ultra－weak delayed bioluminescence under the strict control of test conditions.

wheat，viability，temperature，delayed bioluminescence

Q63

A

1003－0174（2015）06－0121－04

國(guó)家自然科學(xué)基金（61078070），河南省高校創(chuàng)新人才支持項(xiàng)目（2011HASTIT018）

2014－01－12

吳才章，男，1968年出生，教授，光電檢測(cè)