CC BY
7ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФЛУОРЕСЦЕНТНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ГНИЛЕЙ ПЛОДОВ И КОРНЕПЛОДОВ
*
Матвеева Т.А. , Саримов Р.М., Леднев В.Н., Гудков С.В.
Институт общей физики им. А.М.Прохорова РАН, г. Москва * E-mail: matveevata@kapella.gpi.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-25-26
Проблема сохранения урожая, мониторинга его качества и безопасности для потребителя не теряет актуальности. Зачастую оценка проводится путем визуального осмотра плодов, являющимся неэффективным, ненадежным и медленным методом. Существует необходимость разработки недорогого, не зависимого от оператора, быстрого и точного способа. Одно из таких решений -оптические методы. Они получили широкое распространение в диагностике качества и болезней сельскохозяйственных культур в последнее время благодаря выше описанным желательным свойствам [1,2]. В частности - это методы, основанные на явлении флуоресценции [3].
В данной работе предложены методы флуоресцентной спектроскопии на примере обнаружения заболевания плодов яблони и корнеплодов картофеля. В первой части работы использовали серийный спектрофлуорометр для выявления возможностей флуоресцентной спектроскопии в детектировании гнилей [4]. Во второй части протестированы более приближенные к практическим применениям два лазерных источника излучения возбуждения флуоресценции: непрерывный 405 нм и импульсный 527 нм [5].
При воздействии широкополосного источника излучения, ксеноновой лампы, были получены спектры флуоресценции срезов яблок, пораженных паршой, и картофеля, пораженного гнилью, в сочетании с механическими повреждениями. Анализируемый диапазон длин волн эмиссии -270 - 800 нм, возбуждения - 250-500 нм. Сравнение спектров проводилось с использованием коэффициента корреляции и методом анализа главных компонент. Различия наблюдали в области 400-450 нм при возбуждении 300-350 нм для обоих образцов, а для яблок и в области 680-750 нм при возбуждении 400-450 нм.
Использование лазерных источников излучения также продемонстрировало возможности обнаружения гнилей на образцах яблок и картофеля с помощью спектров флуоресценции. Первая экспериментальная установка состояла из полупроводникового непрерывного лазера (405 нм, 20 мВт), светофильтра (350-450 нм), коллиматора с оптическим волокном и спектрометра, размер лазерного пятна был 4 мм, время интегрирования 1000 мс. Для исследования делали срезы яблок и клубней толщиной около 0.5-0.8 мм.
Вторая установка представляла собой компактный рамановский лидар на основе твердотельного импульсного лазера (527 нм, 5 нс, 1 кГц, 200 мкДж/имп). Для направления луча использовали две вращающиеся призмы, размер лазерного луча 0.5 мм. Рассеянное от объекта излучение собиралось кварцевой линзой. Запись сигнала осуществлялась спектрографом, снабженным камерой.
В обоих режимах работы лазера наблюдался сдвиг пика в области 600-700 нм, пика хлорофилла, в сторону коротких длин волн и другие отличия спектров флуоресценции в области 550-650 нм, а при возбуждении импульсным 527 нм лазером - уменьшение вклада пика 630 нм. Продемонстрировано влияние толщины образца, времени, прошедшего после возбуждения, наличия загрязнений на поверхности образца на интенсивность флуоресценции, и анализируемой части плода (мякоть или кожица, особенностей поверхности) на форму спектра. Различия во флуоресценции здоровых и пораженных гнилью кожицы и мякоти носят разный характер.
Наблюдаемые зависимости основаны на изменении состава и количества флуорофоров -хлорофилла, каротиноидов, фенольных соединений и др., и их окружения в результате заражения возбудителями гнилей и их влиянием на растения - разрушением тканей, образованием защитных структур.
Импульсный режим работы лазера позволяет проводить исследования в условиях наличия внешнего освещения, непрерывный не обладает таким преимуществом, однако имеет привлекательную стоимость и небольшую мощность, не позволяющую повредить образец (в отличие от импульсного).
Флуоресцентная спектроскопия является перспективным методом диагностики качества плодов, в частности их поражения гнилями. Оба режима работы лазерного источника показали потенциал в решении проблемы обнаружения поврежденных фруктов и овощей, этим открывая возможности использования различных приборов, основанных на флуоресценции, в диагностике болезней растений.
Работа поддержана грантом Министерства Науки и Высшего Образования Российской Федерации для больших научных проектов в приоритетных областях научного и технологического развития номер 075-15-2020-774.
Литература
1. Mahlein A.-K., et al European Journal ofPlant Pathology 133, 197-209 (2012)
2. Farber C. TrAC Trends in Analytical Chemistry 118, 43-49 (2019)
3. Sikorska, E. Evaluation technologies for food quality Elsevier: 2019, 491-533
4. Sarimov R.M., et al, Frontiers in Physics 8, 640887 (2021)
5. Matveyeva T.A., et al, Applied Sciences 12, 3391 (2022
