Сортовые особенности фотолюминесценции сои

Полный текст

Развитие растениеводства и повышение его эффективности сопровождается созданием и внедрением цифровых технологий. [3] Разные сорта семян, в том числе сои, отличаются генетически, физической чистотой, способностью к прорастанию и жизнеспособностью, которые связаны с пищевой ценностью, устойчивостью к стрессу и конечной урожайностью. В прошлом большинство сортов сои идентифицировали с помощью анализа морфологических характеристик (форма, размер, цвет и другое). Оценка морфологических характеристик может зависеть от опыта исследователя, что приводит к возможным ошибкам в диагностике сортовой чистоты. Некоторые имеют схожие морфологические характеристики, что затрудняет их различие.

Существуют другие физико-химические методы сортовой идентификации, такие как применение вертикального электрофореза запасных белков семян, ДНК-фингерпринтинга с помощью молекулярных маркеров ПЦР, газовой хроматографии, сопряженной с масс-спектрометрией. [2, 4, 5] Разработан экспресс-способ определения современных сортов и гибридов подсолнечника по геометрической форме их контуров, основанный на Фурье-анализе и статистической теории распознавания образцов. [6]

Спектроскопия в ближнем инфракрасном использует отраженный свет для анализа химического состава семян, что позволяет определять содержание влаги, масла, белка и других компонентов. Исследователями предложены методики сортовой идентификации семян кукурузы в ближнем инфракрасном диапазоне (871,61…1766,32 нм) с обработкой по методу Савицкого–Голея в сочетании со стандартными нормальными переменными, первой производной, гиперспектральной визуализации при длинах волн 400…1000 нм в сочетании с алгоритмом ансамблевого обучения в подпространстве. [8, 12, 14] Для сортовой идентификации семян сои пригодна одномерная сверточная нейронная сеть вместе с гиперспектральной технологией. [9] Гиперспектральную съемку в ближнем инфракрасном диапазоне применяли для определения сорта семян ячменя, риса, пшеницы, сорго. [7, 10, 11, 13]

Однако современная гиперспектральная съемка проводится исключительно по морфологическим характеристикам и тоже имеет ряд существенных ограничений и недостатков. Среди них необходимость предварительной обработки для сглаживания и уменьшения размерности гиперспектральных данных, что не подходит для онлайн-режима. Кроме того, инфракрасные приборы дорогостоящие, требующие высокого качества изображения и искусственного интеллекта, более дешевые, экспрессные и простые – оптически фотолюминесцентны.

Цель работы – определение сортовых особенностей фотолюминесценции семян сои для последующего создания методики ее сортовой идентификации.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объект изучения – семена сои сортов Баргузин, Пума, Саяна, Селена (ранние), Вилана, Грея (среднеранние).

Спектральные характеристики возбуждения (эффективное поглощение) и фотолюминесцентного излучения проводили на дифракционном спектрофлуориметре СМ2203 со специализированным программным обеспечением. Измеряли спектры поглощения при синхронном сканировании монохроматорами в расширенном спектральном диапазоне (250…600 нм), определяя длины волн максимумов эффективного поглощения, затем спектры излучения при возбуждении на длинах волн максимального поглощения. Установив монохроматор регистрации люминесцентного свечения на длину волны максимума спектра фотолюминесценции, измеряли уточненный спектр возбуждения в более узком диапазоне. Для семян каждого сорта проводили по 20 измерений каждого спектра. [1]

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Спектры возбуждения (поглощения) при синхронном сканировании представлены на рисунке 1.

 

Рис. 1. Спектры возбуждения семян сои, измеренные при синхронном сканировании.

 

Наибольшее эффективное поглощение происходит в диапазоне 300…500 нм. Основные максимумы находятся на длинах волн 365 и 424 нм. Длинноволновый максимум поглощения на длине волны 520 нм существенно слабее и менее заметен. Для всех исследованных сортов вид спектральных характеристик η(λ) схожий, имеются различия в соотношениях максимумов (λ_в=365 нм, 424 и 520 нм), которые могут быть оценены по интегральной поглощательной способности Η:

$H=\underset{{\lambda }_2}{\overset{{\lambda }_2}{\int }}\eta \left(\lambda \right)d\lambda ,$

где η(λ) – спектральная характеристика возбуждения (поглощения), λ₁…λ₂ – границы спектрального диапазона.

Результаты представлены в таблице 1.

 

Таблица 1.

Интегральная поглощательная способность сои для различных спектральных диапазонов

Сорт	Η ± ΔΗ, о. е., нм				Η424/Η365	Η365/Η520
	250…600	330…375	400…470	505…550
Баргузин	181 ± 51	41 ± 13	82 ± 23	5,4 ± 0,8	2,0 ± 0,2	7,4 ± 1,4
Вилана	250 ± 40	53 ± 11	120 ± 17	7,2 ± 0,6	2,4 ± 0,2	7,1 ± 1,3
Вилана бета	217 ± 21	48 ± 6	100 ± 8	6,4 ± 0,3	2,2 ± 0,2	7,3 ± 0,8
Грея	333 ± 21	68 ± 8	161 ± 10	10,5 ± 0,6	2,4 ± 0,3	6,6 ± 1,0
Пума	295 ± 49	65 ± 11	137 ± 19	8,3 ± 1,2	2,2 ± 0,3	7,8 ± 1,4
Саяна	251 ± 24	60 ± 7	109 ± 12	7,4 ± 0,6	1,8 ± 0,1	8,2 ± 1,0
Селена	419 ± 66	109 ± 20	175 ± 28	8,6 ± 1,0	1,6 ± 0,1	13 ± 2,0

 

Если говорить о величине Η во всем исследуемом спектре (250…500 нм), то различие по сортам составляет до 2,31 раза: наибольшая у Селены, наименьшая – Баргузин. Поглощательная способность для диапазона 330…375 нм (максимум возбуждения λ_в=365 нм) составляет до 2,66 раза, 400…470 нм (λ_в=424 нм) – 2,13 и 505…550 нм (λ_в=520нм) – 2,20 раз. Отношение Η₄₂₄/Η₃₆₅ различается до 1,5 раза, Η₃₆₅/Η₅₂₀ – 1,6 раза. Применение для сортовой идентификации отношений поглощательных способностей, как относительных величин, не зависящих от уровня фотосигнала для конкретного образца семени, – более предпочтительно, в том числе при создании алгоритмов технического контроля с помощью искусственного интеллекта.

Используя длины волн максимумов возбуждения λ_в=365 нм и 424 нм определены спектры фотолюминесцентного излучения φ(λ) и уточненные спектры возбуждения (рис. 2).

 

Рис. 2. Спектральные характеристики возбуждения (поглощения) и люминесцентного свечения семян сои сортов: Селена (1 и 1ʹ), Пума (2 и 2ʹ) и Саяна (3 и 3ʹ).

 

Кривые η(λ) и φ(λ) имеют характерный вид стоксовых кривых, однако кривая возбуждения двумодальная с максимумами как на 424 нм, так и более коротковолновом 396 нм, меньшим на 14%. Максимум спектров люминесценции для данных сортов находится на длинах волн примерно 515…525 нм и выражен менее явно, с отрицательной величиной эксцесса. [1]

Были рассчитаны интегральные параметры спектров возбуждения и люминесценции, а также стоксов сдвиг как разность длин волн максимумов спектров φ(λ) и η(λ) (табл. 2).

 

Таблица 2.

Интегральные параметры и стоксов сдвиг спектров сои различных сортов при возбуждении λ_в=424 нм

Сорт	Φ ± ΔΦ, о. е.	Η ± ΔΗ, о. е.	Δλ, нм
Вилана	688 ± 77	491 ± 63	102
Вилана бета	717 ± 60	507 ± 42	104
Грея	973 ± 70	601 ± 60	105
Пума	809 ± 49	697 ± 43	104
Саяна	685 ± 61	490 ± 33	105
Селена	1067 ± 125	920 ± 102	101

 

Потоки фотолюминесценции для разных сортов могут отличаться в 1,56 раза, что даже с учетом достаточно большого доверительного интервала позволит различать семена некоторых сортов. Стоксов сдвиг для исследованных сортов отличается незначительно и не может быть параметром идентификации семян ввиду субъективности его определения из-за слабой выраженности максимума спектра люминесценции.

Различие фотолюминесцентных свойств семян сои объясняется как различием содержания веществ-люминофоров (лигнин, пигменты), так и оптических поглощательных свойств поверхностной ткани.

Выводы. Люминесцентные характеристики исследованных сортов сои имеют заметные количественные различия, но менее существенные качественные, связанные с соотношением максимумов возбуждения. Идентифицировать сорта семян сои по их люминесцентным свойствам возможно по величине потока фотолюминесценции при возбуждении излучением 424 нм, при этом целесообразно использовать различие количественных параметров. Также может быть взято значение отношения интегральных поглощательных способностей при возбуждении излучением 424 и 365 нм соответственно. Возможность определения сорта семян сои по люминесцентным характеристикам позволит не только ускорить процесс идентификации, но и сократить затраты, необходимые на проведение такого анализа другими методами.

Об авторах

Михаил Владимирович Беляков

ФГБНУ ФНАЦ ВИМ

Автор, ответственный за переписку.
Email: bmw20100@mail.ru

Доктор технических наук, главный научный сотрудник

Россия, г. Москва

Анна Андреевна Лысенкова

ФГБОУ ВО РЭУ имени Г.В. Плеханова

Email: bmw20100@mail.ru

Аспирант

Россия, г. Москва

Список литературы

Дополнительные файлы