近红外光谱分析技术研究进展及其在作物育种中的应用前景
近红外光谱分析技术研究进展及其在作物育种中的应用前景
段民孝 赵久然 郭景伦 王元东 邢锦丰
(北京市农林科学院玉米研究中心,100089)
摘要:本文对
近红外光谱(
NIRS)分析技术的研究进展和应用现状作了详细阐述。近红外分析技术具有操作简便、快速、及时、非破坏性、多指标同时测定等优点,可以根据各种用途设计不同类型的仪器,应用领域广阔。在作物育种中,利用
近红外光谱技术来分析籽粒品质和抗病虫性,可以减少分离世代中对大量样品筛选的工作,提高效率,具有广阔的应用前景。
关键词:
近红外光谱分析;作物育种;品质; 抗病虫
Study Advances on the Near-Infrared Reflectance Spectroscopy Analysis
Technology and Application Prospect on The Crop Breeding
Duan Min-Xiao Zhao Jiu-Ran Guo Jing-Lun Wang Yuanm-Dong Xing Jin-Feng
(Maize Research Center, Beijing Academy of Agricultural & Forestry Sciences, 100089)
Abstract: Study advances on the Near-Infrared Reflectance Spectroscopy (
NIRS) analysis technology and application present situation was summarized in this paper. For
NIRS, there are many advantages: convenient, quickly, timely, non-destructiveness, multi-indexes measured in the same time, different types
NIR apparatus were designed with different using.
NIRS were used in the crop quality breeding and disease & insect resistance breeding, the screening work would be reduced in the separate generation, breeding effectiveness would be increased.
Key words: near-infrared reflectance spectroscopy(
NIRS) analysis; crop breeding; quality; disease & insect resistance
在饲料工业、食品加工以及作物品质育种中需要测定样品的化学成分。传统的化学分析方法,需要将样品进行预处理。同时,针对不同的化学成分,需要不同的分析方法和程序,既费工费时,花费又大。因此,建立大批量样品品质性状的快速判别分析方法,无论在育种工作,还是在食品加工和饲料工业中都有重要意义[1]。近红外反射光谱(Near-Infrared reflectance Spectroscopy,简称
NIRS)分析技术是20世纪80年代后期迅速发展起来的一项测试技术,在欧美等国,
NIRS已成为谷物品质分析的重要手段[2]。由于可以非破坏性的分析样品中的化学成分,为当前作物育种研究领域的品质育种提供了一个新的技术手段[3]。
1
近红外光谱分析技术研究进展
1.1
近红外光谱分析原理
地球上的生物依赖于电磁波(EMS)得以有其功能和表现。其中400~700 nm的可见光就包含了生命的初步信息。位于可见光和微波之间的光谱为红外光谱,波长为0.75~100µm,其中0.75~2.5µm为近红外,2.5~50µm为中红外,50~100µm为远红外[4]。近红外分为短近红外波段(SW-
NIR,700~1100 nm)和长近红外波段(LW-
NIR,1100~2500nm)[5]。有机物以及部分无机物分子中化学键结合的各种基团(如C=C,N=C,O=C,O=H,N=H)的运动(伸缩、振动、弯曲等)都有它固定的振动频率。当分子受到红外线照射时,被激发产生共振,同时光的能量一部分被吸收,测量其吸收光,可以得到极为复杂的图谱,这种图谱表示被测物质的特征[4]。不同物质在近红外区域有丰富的吸收光谱,每种成分都有特定的吸收特征,这就为
近红外光谱定量分析提供了基础。Herschel在1800年发现
NIR光谱区,但由于
NIR区的倍频和合频吸收弱、谱带复杂和重叠多,信息无法有效的分离和解析,限制了其应用[5]。随着光学、电子技术、计算机技术和化学计量学的发展,多元信息处理的理论与技术得到了发展,可以解决
NIR谱区吸收弱和重叠的困难。现代
NIR分析技术使
NIR谱区信息量接近中红外谱区,而其分析简单,样品不需作任何化学处理。
近红外光照射到被测样品后,从样品表面反射出来的光被检测器吸收,此为近红外反射光谱分析法(
NIR)。它要求样品的粉碎程度一致,从而保证样品表面光滑一致。另一类为近红外穿过样品后,再被接受检测到,即为近红外投射光谱分析法(NIT)。该法优点是很少或不用制备样品,因此重复性较高,但灵敏度低[6]。