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三維熒光光譜在蔬菜貯藏與腐敗預(yù)警應(yīng)用分享

三維熒光光譜則是由激發(fā)波長(zhǎng)(y 軸)—發(fā)射波長(zhǎng)(x 軸)—熒光強(qiáng)度(z 軸) 三維坐標(biāo)所表征的矩陣光譜（Excitation Emission Matrix Spectra，EEMs），光譜包含的光譜信息有激發(fā)光譜、發(fā)射光譜、同步熒光光譜、線性同步熒光光譜、非線性同步熒光光譜等多種信息。三維熒光技術(shù)作為近年來(lái)興起的檢測(cè)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)微量級(jí)甚至痕量級(jí)的定性及定量分析，并以其靈敏度高、特異性強(qiáng)而廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，如醫(yī)學(xué)、環(huán)境、化工、食品等領(lǐng)域。
河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院殷勇教授課題組從事食品、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)無(wú)損智能檢測(cè)技術(shù)方面的研究工作，在本文中，課題組借助貯藏室氣氛的三維熒光信息，運(yùn)用小波包分解方法選擇表征番茄品質(zhì)變化的3D熒光光譜特征波長(zhǎng)，嘗試根據(jù)特征波長(zhǎng)確定番茄的腐敗基準(zhǔn)，*后以特征波長(zhǎng)作為不同貯藏日的光譜表征信息，并運(yùn)用馬氏距離實(shí)現(xiàn)番茄腐敗的早期預(yù)警。結(jié)果表明，隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)馬氏距離變小，進(jìn)而有效表征了番茄貯藏過(guò)程中的品質(zhì)變化，并實(shí)現(xiàn)了腐敗預(yù)警。

結(jié)果分析

不同品種及產(chǎn)地番茄的品質(zhì)存在差異，但番茄在貯藏期間通過(guò)呼吸作用交換到貯藏室氣氛中的物質(zhì)（如醇、醛、酮類等揮發(fā)性物質(zhì)）以及表面逸散到氣氛中的微生物與其品質(zhì)變化往往是對(duì)應(yīng)的。微生物和揮發(fā)性物質(zhì)可產(chǎn)生熒光信息。
本文通過(guò)采集不同貯藏時(shí)間番茄貯藏室氣氛3D熒光光譜數(shù)據(jù)，經(jīng)原始光譜數(shù)據(jù)去除瑞利散射、平滑和剔除無(wú)信息熒光背景區(qū)域處理，對(duì)每個(gè)激發(fā)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)發(fā)射光譜進(jìn)行小波包分解，以*低頻段小波包能量占比進(jìn)行特征激發(fā)波長(zhǎng)初步篩選，再根據(jù)激發(fā)波長(zhǎng)小波包能量變化優(yōu)選出15 個(gè)特征激發(fā)波長(zhǎng)。然后，以尺度12 nm對(duì)特征激發(fā)波長(zhǎng)下發(fā)射光譜進(jìn)行波段劃分，在獲取波段小波包能量變化曲線峰值的前提下，選取5 個(gè)峰值波段中的發(fā)射波長(zhǎng)作為特征發(fā)射波長(zhǎng)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)不同貯藏日，運(yùn)用特征激發(fā)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)能量值總和的變化與特征發(fā)射波長(zhǎng)光譜表征能量值的聚類分析均可確定第5個(gè)貯藏日為番茄腐敗基準(zhǔn)日。另外，根據(jù)腐敗基準(zhǔn)前、后信息歐氏距離反選特征發(fā)射波長(zhǎng)，進(jìn)一步篩選出*優(yōu)波段對(duì)應(yīng)發(fā)射波長(zhǎng)作為終選特征發(fā)射波長(zhǎng)。*后，將腐敗前各貯藏日與腐敗基準(zhǔn)間的馬氏距離用于監(jiān)控貯藏過(guò)程中番茄品質(zhì)變化及腐敗預(yù)警。
本文采用紫外增強(qiáng)型三維熒光光譜儀（光源為150 W紫外增強(qiáng)型連續(xù)氙燈，波長(zhǎng)精準(zhǔn)度為±1 nm，信噪比大于800∶1）由殷勇教授課題組實(shí)驗(yàn)室自制，其激發(fā)光源、光譜儀等由卓立漢光儀器有限公司提供，并對(duì)系統(tǒng)搭建提供了必要的協(xié)助。
 

圖1 不同貯藏日特征激發(fā)波長(zhǎng)-對(duì)應(yīng)能量值的變化曲線

圖2  不同貯藏日特征激發(fā)波長(zhǎng)下發(fā)射光譜波段對(duì)應(yīng)的小波包能量變化曲線（劃分尺度12 nm）

圖3  不同貯藏日特征激發(fā)波長(zhǎng)下發(fā)射光譜小波包分解*低頻段能量總和變化

圖4 不同貯藏日特征激發(fā)波長(zhǎng)下發(fā)射光譜表征能量值的聚類分析

圖5 腐敗前各貯藏日與腐敗基準(zhǔn)間的馬氏距離變化趨勢(shì)

文章信息

本文以“番茄貯藏氣氛3D熒光特征波長(zhǎng)小波包選擇及腐敗預(yù)警方法” 為題，發(fā)表在食品科學(xué)期刊，河南科技大學(xué)李建盟同學(xué)為第一作者，殷勇教授為通訊作者。

產(chǎn)品信息

北京卓立漢光儀器有限公司自主研制開(kāi)發(fā)的 “SmartFluo-Pro” 三維熒光光譜儀光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用攝譜儀作為數(shù)據(jù)采集裝置，具備了極高數(shù)據(jù)采集速度，相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)備，大部分樣品僅需幾分鐘內(nèi)完成檢測(cè)；系統(tǒng)具備高系統(tǒng)重復(fù)性和穩(wěn)定性，可連續(xù)工作兩個(gè)月以上，滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的需求；系統(tǒng)具備高靈敏度，檢測(cè)項(xiàng)( 羅丹明6G) 達(dá)到0.1μg/L 以上，滿足部分痕量檢測(cè)需求。SmartFluo-Pro 三維熒光光譜儀可以實(shí)現(xiàn)寬光譜探測(cè)范圍和極速的三維熒光光譜掃描，可應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境學(xué)等各種科研及工業(yè)應(yīng)用的熒光測(cè)量要求。

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