Разработанные и разрабатываемые методы оптической спектроскопии в растениеводстве и сельском хозяйстве

С помощью оптической спектроскопии ученые исследуют процесс взаимодействия веществ с электромагнитным излучением, а именно пропускание, испускание и поглощение электромагнитного излучения светом. В ходе спектроскопических измерений оценивается взаимодействие электронов, протонов и ионов в веществе на основе энергии столкновения. Оптическая спектроскопия представляет собой неразрушающий аналитический метод, имеющий широкое распространение в растениеводстве и сельском хозяйстве. С помощью данного вида исследований можно определить наличие микробной инфекции, вредителей, токсинов, химикатов и примесей в сельскохозяйственной продукции.

Каждый элемент или соединение имеет свою уникальную спектральную сигнатуру, то есть в зависимости от своего состава специфически реагирует на определенную длину волны. В биологии спектроскопия широко используется при проведении качественного и количественного анализов. В растениеводстве и сельском хозяйстве используются различные типы оптической спектроскопии, в том числе:

• Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР)
• Спектроскопия в ультрафиолетовом и видимом диапазонах
• Флуоресцентная спектроскопия

Инфракрасная (ИК) спектроскопия и спектроскопия в ультрафиолетовом и видимом диапазонах в основном используются в сельском хозяйстве. В этой статье описаны некоторые разработанные и разрабатываемые методы оптической спектроскопии, применяемые в растениеводстве и сельском хозяйстве.

Спектроскопия в ультрафиолетовом и видимом диапазонах

Спектр УФ-излучения, в котором проводится спектроскопия, охватывает волны в ультрафиолетовом (от 100 нм до 380 нм) и видимом (от 380 нм до 750 нм) диапазонах. Спектроскопия в ультрафиолетовом и видимом диапазонах используется для обнаружения повреждений и болезней у растений путем изучения внешних дефектов образца. Данный тип спектроскопии также используется при проведении количественного анализа, например, для определения содержания питательных веществ в сельскохозяйственной продукции. К применениям спектроскопии относится контроль качества пищевых масел с точки зрения окисления жиров и цвета.

Инфракрасная (ИК) спектроскопия

ИК-спектроскопия проводится в ИК-диапазоне от 780 нм до 1 мм. Данный диапазон дополнительно разделен на три группы: инфракрасный (от 30 мкм до 1 мм), средний инфракрасный (от 5 мкм до 30 мкм) и ближний инфракрасный (от 780 нм до 5 мкм).

ИК-спектроскопия широко используется для контроля качества бобовых и овощей.

• Спектроскопия в среднем инфракрасном диапазоне: используется для определения специфических связей и функциональных групп. Данный тип спектроскопии также используется для качественного и количественного анализа углерода, азота и лигнина. Как правило, с помощью спектроскопии в среднем инфракрасном диапазоне осуществляется изучение состава почвы, содержания в ней органических веществ и определения других ее свойств. Анализ образцов можно проводить методом спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) в инфракрасной области с преобразованием Фурье (ИКФС) и диффузным отражением (ДО). С помощью НПВО исследователи определяют содержание органических веществ в почве, в то время как ДО используется для анализа химического состава почвы и гумуса. Посредством спектроскопии в среднем инфракрасном диапазоне также определяют содержание лигнина, углеводов, целлюлозы, жиров и белка в растениях. Важно отметить, что спектроскопия в среднем инфракрасном диапазоне используется для диагностики грибковых заболеваний растений, а также для измерения уровней микотоксинов в зерновых культурах на этапах выращивания, переработки и хранения.
• Спектроскопия ближней инфракрасной области (БИК-спектроскопия): используется, в частности, в сельском хозяйстве. С помощью БИК-спектроскопии можно определить степень созревания овощей и фруктов перед сбором урожая. Благодаря верной оценке образца в виде сухого вещества обеспечивается сбор урожая овощей  и фруктов в нужное время. Как правило, инфракрасная спектроскопия используется в цехах первичной обработки пищевой продукции, где осуществляется контроль и отбор зерновых культур, грибов, фруктов и овощей, подходящих для обработки. С помощью БИК-спектроскопии выявляются грибковые и вирусные заболевания зерновых культур, а также проводится оценка уровней микотоксинов во всей цепочке поставок зерновых культур. Использование БИК-спектроскопии позволяет бороться с засухой: определяются культуры, для получения которых требуется больше воды, и фермеры надлежащим образом регулируют процесс орошения. Немаловажно, что путем отслеживания роста растений с помощью спектрофотометра для анализа растений фермеры и ученые контролируют развитие сельскохозяйственных культур для оптимального внесения питательных веществ (удобрений).

Флуоресцентная спектроскопия

Свет, испускаемый фрагментом молекулы, придающим ей флуоресцентные свойства, или флюорофором, называется флуоресценцией. Флуоресцентная спектроскопия, как правило, характеризуется высокой чувствительностью и используется для количественного анализа небольших концентраций соединений. С помощью флуоресцентной спектроскопии можно обнаружить содержание загрязняющих веществ, таких как патогенные микроорганизмы (сальмонелла, микотоксины и пищевые добавки, например, аспартам). Данный тип спектроскопии также используется для структурного анализа, например, для определения незначительных изменений в структуре белков, углеводов и липидов в маслах.

Рамановская спектроскопия

Рамановская спектроскопия (РС) представляет собой еще один тип колебательной спектроскопии. С помощью РС проводится спектральный анализ образца с применением комбинационного рассеяния света, обеспечивающего взаимодействие фотонов с электронами вещества. В зависимости от уровней колебательной энергии атомов фотоны теряют или приобретают энергию. РС используется для контроля качества, например, для обнаружения примесей в маслах, а также оценки химического состава пищевых ингредиентов и продуктов.

Другие методы спектроскопии

В число других методов спектроскопии, используемых в сельском хозяйстве и растениеводстве, входят спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и атомно-эмиссионная спектроскопия. ЯМР предполагает проведение спектрального анализа на основе магнитных свойств атомов вещества. Данный метод используется для анализа почвы и изучения тканей растений.

С помощью ЯМР ученые контролируют процесс созревания и высушивания сельскохозяйственных продуктов, а также их соответствие пищевым стандартам. Атомно-эмиссионная (АЭ) спектроскопия широко применяется для качественного и количественного анализа химических веществ, особенно элементов. АЭ-спектроскопия в сочетании с индуктивно связанной плазмой используется для обнаружения содержания микроэлементов.

Дальнейшие перспективы

Работа многих небольших ручных инструментов основана на методах спектроскопии, в связи с чем применять данные методы в своей деятельности могут фермеры.

По словам исследователей, в будущем спектроскопия приобретет большое значение в сфере так называемого умного сельского хозяйства. В связи с сильным влиянием климатических изменений на сферу сельского хозяйства требуется раннее выявление биотических и абиотических стрессов у растений, которое можно осуществить с помощью различных оптических решений, применяемых в умном сельском хозяйстве. Таким образом, фермеры могут немедленно принять соответствующие меры и предотвратить крупные потери сельскохозяйственной продукции.

Свет является одним из наиболее важных факторов окружающей среды, влияющих на физиологию растений, что, в свою очередь, влияет на урожайность и качество растительной продукции. Реакция растений на различные спектры объясняется ростом, а также выработкой гормонов и вторичных метаболитов. Данное направление исследований в значительной степени зависит от методов спектроскопии, используемых in situ или дистанционно. В будущем все фермеры должны получить возможность приобретать передовые спектроскопические приборы по низкой стоимости.

© Avantes

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по поставке оборудования AVANTES на территории РФ