近红外光谱检测技术及其在林业中的应用
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第!"卷!
第#期!!!!!!!!!!!!光谱学与光谱分析$%&'!"!(%'#!))
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!!--"!近红外光谱检测技术及其在林业中的应用
龚玉梅* 张!炜!
*S 国家林业局科技发展中心!北京!*--#*+!!!!!
!S 国家林业局三北防护林建设局!宁夏银川!#B ---*
摘!要!近红外光谱是!-世纪"-年代以来发展最快"最引人注目的光谱分析技术#文章介绍了近红外光谱技术的发展历程和在国外的应用概况!重点列举了近红外光谱在林业中的成功应用实例#资料表明!近红外光谱以其快速"无损伤"操作简单"稳定性好"效率高等特点!在国外的水果品质检测"木材性质检测和林业育种中的应用已成为一个活跃的研究领域#而近红外光谱技术在我国林业上的研究和应用则刚刚起步!因此本文对国内外利用近红外光谱技术在林业上的应用作一综述!并对近红外检测技术在林业上的应用进行了展望!以推动近红外光谱技术在我国林业科技和生产中的应用#关键词!近红外光谱%林业%水果%木材%种子%检验
中图分类号 .#,-B !!文献标识码
8!!!文章编号 *---,-B >< !--" -#,*B ++,-B !收稿日期
!--#,-B ,-" 修订日期 !--#,-",*"!基金项目 引进国际先进农业科学技术项目&
>+"'&!--B ,+,+-'和人事部!--=年留学回国人员科技活动择优资助项目!作者简介 龚玉梅!女!*>="年生!国家林业局副研究员!!"通讯联系人!!/,C 59&(H %6H 4;C /9=""4
5G %%'0%C '06引!言
!!近红外&
6/5296I 252/7简称(U ['光是波长范围介于可见光&$93'与中红外&\U ['区之间的电磁波!波长范围为#"-#
!B !=6C !波数范围*!"!-#<>B >0C D *#一般有机物在该区的近红外光谱吸收主要是含氢基团&O K !L K !(K !.K !T K '等的倍频和合频吸收#由于几乎所有的有机物的一些主要结构和组成都可以在它们的近红外光谱中找到信号!而且谱图稳定!获取光谱容易!因此近红外光谱法&(U [.
'被誉为分析的巨人#近红外光谱&6/5296I 252/73)/0125!简称(U [.'分析技术是!-世纪"-年代后期迅速发展起来的一项测试技术#随着近红外光谱仪硬件设备成本不断降低!进一步完善软件的数理统计方法!提高从复杂"重叠和变化的近红外光谱中提取有效信息的效率!增加光谱的信噪比!近红外光谱法的应用领域不断扩大!以其速度快"不破坏样品"操作简单"稳定性好"效率高"无污染"成本低等特点!已广泛应用于各个领域#目前!近红外光谱技术在林业水果品质检测"木材性质检测和种子质量检测等方面的应用研究已经成为了一个新的"活跃的领域#
*!近红外光谱分析技术的发展历程
!!近红外光&
6/5296I 252/7简称(U ['谱区是*"--年K /2,30G /&发现的!近红外光谱法的应用可追溯到*><>年)**
!但由于分子在(U [谱区的倍频和合频吸收信号弱!谱带相互重叠多!信息量大!解析复杂!受当时计算分析条件的限制!实际应用非常有限!一直/冷落0至!-世纪B -年代末#直到!-世纪=-年代美国d 52&(%2293等提出相对(U [分析技术!即物质的含量与近红外区内多个不同的波长点吸收峰呈线性关系!并利用(U [漫反射技术测定了农产品中的水分"蛋白和脂肪等#!-世纪=-年代后随着计算机技术的发展!近红外光谱分析技术得到迅速发展!应用领域不断扩大!特别是*>>-年以后!由于近红外光在光纤中良好的传输特性!在线分析成功地应用于各个领域#目前!近红外光谱技术已经在农业"林业"医药"石油化工"纺织"造纸"化妆品"烟草"酿酒和宝石鉴定等很多领域得到广泛应用!并获得了丰硕的成果#
!!国外(
U [技术应用状况!!国外对近红外光谱快速检测技术的研究起步较早!检测对象的涵盖面比较广#目前!大约有+-多个国家和地区开展了(U [.的研究和应用工作!特别是一些发达国家如美国"
英国"德国"日本"加拿大"澳大利亚等表现得尤为突出)!*#这些国家都拥有大量的适合各行各业应用的各种类型的(U[.分析仪器!有研究型"专用型"有供巡回检测用的流动车!还有直接安装在生产线的某个环节进行生产过程的质量检验或产品分捡#如日本现有数量已超过<---台!是我国现有量的*-倍!而且都在实际应用中发挥作用#特别是近红外光谱技术用于分析农牧产品和食品中的蛋白质"水分"含油量&或脂肪'"纤维素"淀粉等营养成分在国外已是十分成熟的技术!在农业品质育种"农牧产品品质评价"食品品质和加工过程控制中已广泛应用!许多方法已经成为8O8L!88L L!U L L的标准方法#
<!(U[.技术在林业上的应用状况
98&!近红外光谱检测技术在水果品质检测中的应用为了提供高质量的水果!满足人们对绿色果品的需求!水果的种植"贮藏和销售都需要一种方便准确"迅速"无损的在线检测技术!以取代目前的\,Z有损检测试验#近红外光谱分析技术作为一种快速"无损"简便的检测方法显得特别重要!日本公司开发的近红外分光测定法可以同时测定水果的成熟度"含糖度"含酸度"糖蜜含量以及检验有无病斑等!可以说在检测水果中取得了划时代的进展#国外已有许多学者在水果坚实度)<!+*"糖度和酸度)B,#*检测方面利用(U[技术做过大量的相关研究!研究的水果品种主要有苹果"梨"香蕉"桃子"樱桃"芒果"猕猴桃"柑橘和菠萝等#研究结果表明!应用近红外检测技术对水果进行田间"储藏和销售在线快速无损检测是可行的!为确定采摘时间和包装等级等提供新的检测手段#目前!近红外检测技术已经在同时检测水果品质的多个指标&糖度"酸度"坚实度等'中得到了广泛应用#如利用近红外检测技术在田间对桃子成熟度进行无损检测!可为种植户确定合适的收获时间提供准确的依据#应用近红外技术测定叶绿素和糖的含量来判定香蕉的成熟度和品质!可以实现对香蕉成熟度和品质的快速和无损测定#苹果的坚实度是质量品质的一个重要指标!在一批样品中其坚实度可能不同!这与其内在的生物遗传特性"气候条件"栽培管理实践"采摘时间或成熟程度以及采摘后的处理与储藏有关!应用近红外技术可以快速测定每一个苹果的坚实度#研究表明!与传统的标准方法相比!利用近红外检测技术来分析收获前桃子的总糖含量"果肉坚实度"总酸度"鲜重和干重可以确定桃子的适宜采摘时间#
自!---年以来!我国也陆续开展了近红外检测技术在水果检测中的一些应用研究#何东健)"*等以柑橘和苹果为检测对象!用完全遮光型透过光水果内部品质测定装置进行在线糖度"酸度及内部褐变等检测试验!并与常规分析法测定结果进行回归分析!结果表明(糖度值与实测值的相关系数在-'>B以上!酸度相关系数大于-'"B!且能检测内部缺陷!完全满足在线检测水果内部品质的要求#刘燕德)>*等应用近红外漫反射光谱技术并结合光纤传感技术快速检测苹果糖度和有效酸度!以*!-个红富士苹果为准样品并结合偏最小二乘法!建立了苹果糖度"有效酸度的定量预测数学模型#试验结果表明!样品预测值和真实值之间的相关系数分别为-'>#-和-'>-=!标准校正误差&.@L'分别为-'!=*和-'-B=!!应用近红外光谱漫反射技术在*-<+*#B+=*0C D*光谱波长范围内对苹果糖度的无损检测和在*-<+*#<"*" 0C D*有效光谱范围内对有效酸度的无损检测具有可行性#傅霞萍)*-*等研究了傅里叶漫反射近红外光谱技术在/雪青0梨坚实度无损检测中的应用#结果表明!校正集样本的相关系数.为-'"=>!预测集样本的相关系数.为-'"+-!应用近红外漫反射光谱检测水果坚实度是可行的!为今后快速无损评价水果成熟度提供了理论依据#三菱公司开发出了测薄皮水果糖度和成熟度的检测设备!如测柑桔"桃子和苹果等#对大个柑桔等可以采用完全遮光透射式装置来测糖度"酸度等指标#
987!近红外光谱技术在木材性质检测中的应用
国外对近红外光谱技术在木材性质中的应用研究工作开展得比较早!研究的也相对广泛!如利用近红外光谱技术预测木材化学组成"物理力学性质"解剖性质"腐朽性质以及木质复合材料的性能等方面都有报道)**,*<*#目前!近红外光谱技术在我国林业木材性质方面的研究应用也日益展开!已有用近红外对木材密度"水分和微纤丝角以及木材腐朽性质的研究报道)*+,*=*#木材密度是木材性质中的一项重要性质!与木材的化学组成和细胞构造密切相关!它可以估计木材的重量"判断木材的工艺性质和物理力学性质&硬度"强度"干缩以及湿涨等'#树木在其全部生命活动期间!都与水分有着密不可分的联系#水分是木材的重要特征之一!用近红外光谱分析木材性质!必须考虑水分对预测结果的影响#微纤丝角是影响木材性质的最重要的物理量之一!木材资源利用和林木品质改良都要求能快速"方便地测定木材的微纤丝角#
江泽慧)*<*等对杉木的三个不同切面&横切面"径切面"弦切面'进行了近红外光谱信息的提取及模型建立!通过对杉木不同切面密度模型及预测结果的分析与评价!发现从木材横切面采集到的光谱建立的预测模型效果最好!可以实现杉木木材密度的快速无损检测#用近红外光谱分析技术测定木材密度!具有快速"准确"无需对样品进行特殊预处理等独特优点!这为杉木的加工利用和林木遗传改良提供了重要的密度预测方法#另外!江泽慧)*B*等又应用近红外光谱仪以杉木木材样品的微纤丝角为样品!依据木材不同成分在近红外区的不同吸收特性!在近红外光谱数据与`射线衍射仪测定的微纤丝角之间建立相关模型#结果表明!二者之间具有很好的相关性!其校正模型和预测模型的相关系数分别达到-'"=#和-'"*=!表明应用近红外光谱检测技术可以实现木材微纤丝角的快速测定和预测#说明利用近红外光谱分析和`射线衍射仪可以实现木材微纤丝角的快速预测#此研究对于木材的加工利用和林木遗传改良提供了重要的微纤丝角测试方法#江泽慧等)*B*用近红外光谱法预测杉木木材中的水分含量!相关系数为-'>>!校正标准偏差.@L和预测标准偏差.@T分别是-'-+*和-'-+<%试验结果表明!利用近红外光谱技术可以在不同含水率下采集近红外光谱来预测木材气干密度!可以充分发挥近红外光谱快速"准确的特点!实
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第#期!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!光谱学与光谱分析
现木材气干密度的快速预测和分析#
989!近红外光谱检测技术在林业种子质量检测中的应用面对大量的林业种质资源!如何进行有效的分析利用!不断地培育出优质的新品种!是林业育种学家的重要课题#近红外光谱检测技术为林业育种工作提供了一个新的快速的和非破坏性的检测方法和手段!克服了传统方法中需要解决的难题!在国外的林业品质育种和种植资源鉴定中已有一定的研究和应用#
.%&1569)*=*应用近红外检测技术对山毛榉树种子进行了鉴别#研究结果表明!近红外光谱技术在鉴定每一个种子是有活力和无活力方面的精确度达到了*--J!可以用来快速"无损检测和区分山毛榉树的好种子与劣变的种子#因此!近红外检测技术在改进林木种子萌发率方面具有广阔的应用前景#Z9H5c;)*#*应用近红外检测技术对温带和热带的树木种子进行了快速和无损种子质量特性&基因的"生理的和技术质量特性'检测试验研究#研究结果表明!利用近红外检测技术可以将欧洲赤松种子来源"父本和母本区分开来!其鉴定准确率分别达到*--J!><J和#*J%可以根据相对含水量的差异来成功地区分好种子和害虫感染的种子%可以根据种子中的油脂和蛋白质含量的差异来鉴别有活力的种子和空种子!其鉴定的准确率达到了*--J%可以用来同时鉴别饱满的"空的和害虫感染的种子!其准确率分别达到了*--J! >-J和*--J#近红外检测技术在种子生活力应用方面也有前景!其区分种子生活力与年龄的关系时准确率达到了*--J#因此!近红外技术在应用种子繁殖的林业管理实践中将发挥重要的作用!如利用近红外检测技术可以检测去除劣质"虫害感染和不能出苗的种子!从而为批量出口种苗&通过种子繁殖'和田间种植提供优质的种子#?/%6)*"*应用近红外技术研究了父母本和收获年限对橄榄果实中含油率"水分"油酸和亚油酸含量的影响#结果表明!近红外技术可以准确预测不同母本样品中的所有物质组成!作为准确分选母本的工具!可以应用到橄榄育种项目中!为橄榄育种工作提供了新的方法和手段#U1%)*>*等利用近红外检测技术可以将甜柿育种过程中产生的脱涩"半脱涩和完全脱涩的柿子区分开#
病虫害对林木的危害很大!如何快速简便的筛选抗性好的种植材料和育种中间材料!对于育种工作来说是非常关键的#由于不同的树种具有不同的抗性机理和特性!采用常规方法鉴定病虫害的抗性!具有操作复杂和周期长等缺点#而(U[.法可通过直接测定植物中各种化学成分变化来间接测定各种抗性指标!可快速简便的分析各种资源材料和筛选育种材料#[;1G/2I%27等应用滤光片式近红外仪对甘蔗表面的蜡粉扫描分析!建立了甘蔗对鳞翅目中螟蛾的抗性分析定标方程)!-*#根据这一特点!可建立我国林业主要树种油松"落叶松"马尾松"杨树和樟树等的相应病虫害抗性分析近红外定标方程!这将为树木的抗病和抗虫育种开辟一条新途径#98H!近红外检测技术在森林凋落物分解检测中的应用大量的试验研究表明!近红外技术是一种快速而有效的预测森林树种叶子和凋落物中生物化学物质组成的重要手段)!**!也有试验研究表明!近红外检测技术可以预测和分析凋落物短期和中期的分解率&A/0%C)%35c9&914'情况)!!*#凋落物的一系列化学组成指标是其分解的指示指标!如氮含量和
L f(比值!木质素与氮的比值等#R9&&%6)!<*了解凋落物的分解速度!对于研究森林生态系统物质循环是非常必要的#测试了*-个物种&五种阔叶树种"一种针叶树种"两种灌木和两种禾草'!结果表明!近红外技术是一种可以直接预测不同物种凋落物分解速度的手段!近红外技术在凋落物分解中的应用前景广阔#
98J!近红外检测技术在干果品质检测及其他方面的应用检测无花果干果前的挑选工作既费劳动力又复杂!
V;2b3)!+*等应用近红外检测技术自动分选了无花果干果#结果表明!检测分级的准确率在"<J#*--J!说明应用近红外技术对无花果干果进行自动检测是可行的#L;6696, H G5C)!B*等应用近红外技术成功地将不同受损程度&高和低等级'的红椿小叶进行了划分!同时也可以预测小叶氮含量和树高的变化#高的树种更容易遭到危害!近红外技术预测红柏蛾侵害的差异性表明!红柏蛾的侵害醒为与红椿树叶的化学成分有关系#
+!近红外光谱技术在林业上的应用展望
!!国内外的大量试验研究和实践表明!近红外漫反射光谱检测技术具有常规法难以比拟的许多优越性!在水果坚实度和品质检测"木材性质检测"品质育种"种质资源鉴定等方面的应用是可行的#但进一步的深入研究还是必需的!包括尝试别的建模化学计量学方法&主成份回归"人工神经网络等'"不同的光检测方法&透射"半透射等'以及不同的光谱预处理&标准归一化"多元散射校正等'等等!以提高检测的精度#另外!由于(U[.法所建立的定标软件专一性强!必须根据不同样品&不同水果品种"不同树种的木材"种子等'!不同分析内容逐项研究!分别定标!才能真正发挥近红外光谱技术的优越性#如不同果园"不同水果品种对水果品质预测结果的影响也是值得研究的#不同的品种最适合的波长不同!因此有必要加强对不同水果品种和变种的研究!以便进一步加大近红外检测技术在水果采摘和储藏及包装工程中的广泛应用#同时!水果中微量元素的测定!也是将来近红外检测技术的应用研究方向#我国将来除可以进一步拓宽近红外技术在水果和木材品质检测方面的应用研究以外!还可以结合应用研究实际!特别是林业主要树种的抗病和抗虫育种和进口树种遗传资源时的病虫害检验&林业生物安全'的需要!开拓和扩大近红外光谱分析技术的应用范围和应用新领域#
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*光谱学与光谱分析!!!!!!!!!!!!!!!!!!!第!"卷
参考文献
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S *"!!--#'!!全国第!届近红外光谱学术会议通知
第二轮
!!为全力展示我国近红外光谱领域所取得的最新进展及成果!增进广大近红外光谱科技工作者和广大近红外分析工作者之
间的交流与合作!进一步促进我国近红外光谱事业的发展!中国仪器仪表协会近红外光谱分会拟于!--"年**月!-#!!日在长沙主办全国第!届近红外光谱学术会议#俞汝勤院士"陆婉珍院士担任大会主席#届时邀请国内有丰富经验的近红外光谱分析专家"学者和仪器专家作专题报告和进行近红外光谱分析技术交流!并邀请国外知名学者和海外华裔学者与会#热忱欢迎光谱学界专家教授及广大从事分析测试技术工作的科技人员踊跃撰稿#会议将表彰为近红外事业做出卓越贡献的先进个人和集体!进行优秀论文评选!并推荐优秀论文在5L G /C %C /12903YU 61/&&9H /61?5c %251%24.431/C 36"5光谱学与光谱分析6&.L U 收录'"5分析测试学报6及5现代科学仪器6等杂志上发表#现将有关事项通知如下(一 大会主席团成员名单
!!主!席(俞汝勤!陆婉珍!!副主席(王顺昌!陈星旦!闫成德二 学术委员会成员名单
!!主!任(陆婉珍!俞汝勤
!!副主任(袁洪福!梁逸曾!韩东海!徐可欣!邵学广!吴海龙!王!健
!!委!员(&
按姓氏笔划为序'丁海曙!王小如!王京华!王家俊!王艳斌!卢家炯!石春海!田松柏!冯新泸!孙素琴!孙岩峰!任玉林
吕!进!应义斌!吴玉田!杜一平!陈!斌!张卓勇!张存洲!李!华!金少鸿!林!君!罗国安!范世福杨曙明!相秉仁!修连存!黄玉东!蒋士强!蒋建晖!谢洪平!谢益民!彭玉魁!褚小立!熊春华!廖延彪瞿!军!瞿海斌
三 组织委员会成员名单!!主!任(梁逸曾
!!副主任(吴海龙!蒋建晖
!!委!员(&
按姓氏笔划为序'易伦朝!王!兵!范!伟!张志敏!徐!路!付海燕四 论文集编辑出版
!!将提供会议论文集!优秀论文推荐到5分析测试学报6"5光谱学与光谱分析6"5L G /C %C /12903YU 61/&&9H /61?5c %251%24
.4
31/C 36及5现代科学仪器6杂志上出版!相关内容如下(&*'截稿日期(!--"年#月!B 日#应征论文可通过/,C 59&发至大会筹备组委会电子信箱!或通过挂号信&
含磁盘'寄至大会筹备组委会&见六"联系方式'#来稿请注明论文联系人"电话"传真"电子信箱及个人简介!并注明/全国第!届近红外光谱学术会议征文0#
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