基于超弱延遲發光的小麥生活力檢測方法研究

吳才章 牛群峰 張蘭靜

（河南工業大學電氣工程學院，鄭州 450001）

基于超弱延遲發光的小麥生活力檢測方法研究

吳才章 牛群峰 張蘭靜

（河南工業大學電氣工程學院，鄭州 450001）

以鄭麥9023為試驗對象，研究了不同生活力和不同測試條件下小麥樣品超弱延遲發光的變化情況。通過人工快速陳化的方法獲得不同生活力的小麥樣品，對這些小麥樣品的延遲發光特性進行系統研究，在此基礎上以溫度為例研究了測試條件對小麥延遲發光的影響。結果表明，同一品種不同生活力小麥樣品的延遲發光能力差異明顯，小麥的延遲發光強度與其生活力顯著負相關，生活力越強，其延遲發光能力越弱；小麥的延遲發光能力受其自身溫度的影響顯著，隨著溫度的升高，其延遲發光能力減弱。本研究發現，利用超弱延遲發光進行小麥生活力檢測是可行的，但需要對測試條件進行嚴格控制。

小麥 生活力 溫度 延遲發光

小麥從收割到收購、銷售、儲存、加工等流通過程儲藏時間較長。期間由于自身的呼吸氧化、各種酶的活動，以及外界環境的影響，小麥不斷地發生著各種生理、生化的變化，小麥生活力逐漸降低，由新到陳，甚至劣變［1－2］。新陳度或生活力是小麥儲藏過程中的一個重要品質指標，是判定小麥宜存與否、食用品質好壞的關鍵指標［3－8］。小麥新陳度或生活力是由其內部相關物質和酶活性共同決定的，是很多生化技術指標的綜合?，F有小麥新陳度或生活力的檢測方法主要有國標法和生化法。國標法綜合考慮糧食的色澤、氣味和食用品質等，進行綜合判斷，比較科學，但存在測定時間長、方法繁瑣、容易受人為因素干擾、不客觀等缺點。為此，人們推出了一系列生化檢測方法，這些測試方法都是通過檢測糧食內部某一方面元素（酸性物質或酶活性等）的變化，進而推斷其生活力或新陳度［9－11］。這些檢測方法屬于典型的單點分析法，判斷標準僅依據某項技術指標，難免偏駁，而且都要進行生化反應，是破壞性檢測。

生命體，小至細菌微生物，大到植物、動物甚至人，都存在超微弱發光，生物超弱發光可以作為一個靈敏的生理指標來表征生物體的生長生理狀態［12－14］。超弱發光通常包括自發發光和光致發光，自發發光是生物體進行新陳代謝過程中，自發穩定輻射的極微弱光子流，即超弱光子輻射，其強度在幾百個光子／s×cm2以下。光致發光又稱超弱延遲發光，生物體受到外界光激發，在激發光消失后仍保持微弱的延遲發光，延遲發光比自發光的強度強得多，輻射強度可以達到幾萬個光子／s×cm2以上［15］。生物超弱延遲發光是生物作為整體向外界展示的一個綜合性能指標，所以基于延遲發光進行小麥生活力檢測兼具國標法和生化法的優點，既是一種綜合方法，又具有量化的客觀標準，而且屬綠色無損檢測。通過人工快速陳化的方法獲得不同新陳度或生活力的小麥樣品，并對這些小麥樣品的延遲發光特性進行系統研究，在此基礎上研究了溫度對小麥延遲發光的影響，最后探討基于延遲發光進行小麥新陳度或生活力檢測的可行性。

1 材料和方法

1.1 材料和設備

1.1.1 樣品

選用河南省種植規模較大的小麥品種鄭麥9023，樣品購買自2012年當年的育種單位，經過晾曬，使小麥的含水率為10%。然后分別將小麥樣品裝在透氣的袋子中，并混放在密閉的恒溫箱中，模擬糧倉環境，在20℃條件下存放，使樣品達到均衡一致的狀態，供試驗使用。

為獲得不同生活力的小麥樣品，便于進行比對測量，采用人工快速陳化的方法對鄭麥9023小麥樣品進行陳化。人工快速陳化的條件是45℃，濕度為90%［16］。每天取出部分樣品作為不同生活力測試樣品。

1.1.2 測試裝置

測試系統主要由恒溫恒濕箱、黑箱、光源、傳感器、計算機4部分組成。光源、傳感器、測試樣品置于暗箱內，暗箱置于恒溫恒濕箱內，整個測試系統置于暗室內。延遲發光光源是一個由32個發光二極管組成的雙環型陣列，通過1 mA的恒流源供電。傳感器采用集成光子計數模塊MP－1993，該模塊內置高壓發生器和相應的放大、計數模塊，具有集成度高、測試精度高等優點，模塊具有極高的光子探測水平，極低的背景噪聲，暗計數僅有幾個光子／（秒×傳感面積），出廠時光子計數強度已進行了標定，真正實現了單光子計數［17］。超弱發光的強度是以單位面積單位時間輻射的光子數為單位，傳感器的測試窗口面積固定為圓形（面積為1.766 cm2），為簡便表達，超弱發光強度單位省略傳感面積。光源控制、電子快門、光子計數模塊的讀取由計算機完成。

1.2 測試方法

首先將秤量好的小麥樣品放入樣品槽內，恒溫恒濕箱達到設定溫濕值后，經過一段時間的穩定，使得樣品溫度完全達到設定溫度。然后計算機控制二極管光源，照射樣品一段時間，照射時間必須大于照射飽和時間（系統照射飽和時間為150 s）［18］，即可進行延遲發光測試。為避免損傷光子計數模塊，二極管光源關閉后需要間隔一段時間（2 s），待余輝完全消失后，開啟傳感器，采集光子計數數據，從而獲得小麥樣品的延遲發光強度曲線。

小麥的生活力由發芽率來表征，依據 GB／T 5520—2011中小麥發芽試驗測定發芽率。

2 結果與分析

按照生物光子輻射相干性理論，延遲發光是生命物質激發態的整體效應，以高階非線性高度相干耦合［19－20］。生命系統激發態布局數滿足非線性動力學方程：

式中：μ（＞0）和 γ（＞1）均為常數。

由式（1）得到的輻射強度：

2.1 鄭麥9023超弱延遲發光測量

在環境溫度25℃，相對濕度50%條件下，對鄭麥9023的超弱延遲發光進行具體測量，測試結果如圖1所示?？紤]到照射結束后要等待2 s，圖1測試得到的第1個值對應的時間點為t＝3 s。測試結果表明，在最初幾秒，小麥樣品延遲發光強度急劇變化，隨后的幾十秒強度逐漸減少，其后延遲發光強度變化非常緩慢，延遲發光可持續數小時。

圖1 鄭麥9023超弱延遲發光強度曲線

由于m大于1，按照式（2），隨著測試時間的增加，延遲發光強度會迅速衰減為零，延遲發光持續時間很短，這與實際測試得出的延遲發光持續時間較長的結果不一致。通過進一步雙曲函數擬合發現，延遲發光曲線不同時間段擬合出來的參數并不一樣，隨著時間的推移，擬合的初始強度I0逐漸減小，衰減因子m也逐漸減小，最后都趨近為0。這是因為延遲發光輻射存在輻射阻尼，輻射阻尼的存在使得衰減因子逐漸減小，導致延遲發光衰減越來越慢，進一步導致延遲發光輻射時間的延長，這很好地解釋了小麥延遲發光持續時間較長的原因。

2.2 不同生活力小麥超弱延遲發光測量

采用國標發芽法對人工快速陳化樣品進行生活力測定，小麥樣品的生活力及標準差如表1所示?？梢钥闯?，原始小麥樣品的發芽率在90%以上，陳化4 d后的小麥樣品全部失去了生活力，經過線性擬合，小麥樣品的發芽率與其陳化時間的相關系數R＝－0.967，說明小麥樣品的發芽率與其陳化時間負相關。將準備好的樣品，包括人工陳化和原始樣品，進行晾曬處理，均勻化儲藏，使得它們的水分統一，最終含水量都保持在10%，等待試驗。測試的環境溫度同樣為25℃，相對濕度為50%。不同生活力的樣品可依次放入測試暗箱中的樣品槽中，每個樣品重復測量3次。延遲發光的強弱由延遲發光的初始值表征，延遲發光的初始值由延遲發光測試曲線的前10個數據通過雙曲函數擬合得到。不同陳化時間小麥樣品的延遲發光強度初始值及其標準差如圖2所示。

表1 不同陳化時間小麥樣品的發芽率

圖2 不同陳化時間小麥樣品超弱延遲發光強度曲線

測試結果表明在照射光不變的情況下，隨著陳化時間的增加，同一小麥品種樣品延遲發光的初始強度I0也增加，也就是說樣品的延遲發光強度在逐漸增強。經過線性擬合，小麥延遲發光強度與陳化時間的相關系數R＝0.995，而小麥樣品的發芽率與其陳化時間是負相關的，這樣小麥樣品延遲發光能力與其生活力顯著負相關。

2.3 溫度對小麥延遲發光的影響

小麥樣品的延遲發光容易受環境溫度的影響。環境溫度變化之所以能影響小麥自身的延遲發光，是由于環境溫度變化最終會引起小麥自身溫度的變化，進而引起糧食自身延遲發光能力的變化。測試樣品的含水率保持在10%，恒溫恒濕箱的濕度設定在50%，測試的溫度范圍為10～35℃，每隔5℃進行1次測量，這個溫度范圍涵蓋了我國小麥儲藏的溫度變動范圍。為完成某個溫度下的測量，先設定相應的溫度值，待恒溫恒濕箱的溫濕度恒定后，先將測試樣品均勻平攤在敞口的容器內，并將容器放置在恒溫箱內，在恒溫箱內靜置2 h以上，以保證每粒小麥樣品的溫度與設定溫度完全一致，然后進行測試。不同溫度條件下鄭麥9023延遲發光初始值與標準差如圖3所示。

圖3 不同溫度條件下小麥超弱延遲發光強度曲線

測試結果表明，隨著環境溫度的升高，小麥延遲發光初始強度I0逐漸減小，也就是小麥延遲發光強度減小，說明溫度變化對小麥延遲發光能力影響顯著。

3 討論

同一品種不同生活力小麥樣品的超弱延遲發光能力差異明顯，陳化小麥樣品的超弱延遲發光能力大于原始小麥樣品，生活力越高的小麥樣品其超弱延遲發光能力越低，生活力越低其超弱延遲發光能力反而越高，小麥的超弱延遲發光與其生活力負相關。

延遲發光是生物生命態有序性的外在表征。按照生物光子學的“共振腔”理論，生物有機體可以被看做是一個具有高品質因子Q的共振腔，是生物機體有序能力的表征，Q值等于光子儲存能力與光子損耗的比值。生物機體的陳化程度越高，其有序性越差，光子損耗越大。光子損耗就是探測到的延遲發光的強度，這就意味著其延遲發光能力越強。

小麥的延遲發光受自身溫度的影響，隨著糧食溫度的升高其超弱延遲發光能力逐漸減弱。溫度之所以對小麥的延遲發光能力造成一定的影響，我們認為從本質上來說是因為隨著環境溫度的升高，糧食自身溫度也升高，糧食本身的生活力會相應的增加，進而導致糧食延遲發光能力降低，這也從一個側面進一步證實小麥延遲發光與其生活力負相關。

4 結論

對小麥超弱延遲發光進行了詳細地測試，分析了小麥樣品的延遲發光輻射規律，在此基礎上對不同生活力小麥樣品的超弱延遲發光特性進行測試。結果表明，同一品種不同生活力小麥樣品的超弱延遲發光存在一個明顯規律：隨著陳化程度的增加，生活力逐漸降低，延遲發光能力逐漸增強，小麥自身的超弱延遲發光與其生活力顯著負相關。在此基礎上測試了溫度對小麥延遲發光的影響，隨著環境溫度的變化，小麥樣品的延遲發光能力也存在明顯的變化，因此利用超弱延遲發光進行小麥生活力測定時，一定要對溫度或其他外部條件進行嚴格控制。由于小麥延遲發光強度比自身超弱發光的強度強得多，從實用的角度，基于延遲發光的小麥生活力檢測是可以實現的。

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Detection for Viability ofWheat Based on Ultra－Weak Delayed Bioluminescence

Wu Caizhang Niu Qunfeng Zhang Lanjing

（College of Electrical Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou，450001）

The variation of the ultra－weak delayed bioluminescence under different viability and different test conditionswas investigated with zhengmai9023 as an experimental object.The different viability wheat sample could be obtained by rapid artificial aging，and the characteristics of the delayed bioluminescence from different viability and the influence of temperature on the delayed bioluminescencewere studied.The results showed thatobvious differenceswere found in the delayed bioluminescence ability for different viabilitywith the same seeds.Therewas a negative correlation between the delayed bioluminescence and its viability.In other words，its viability was strengthened as the delayed bioluminescencewasweakened.The influence of temperature on the delayed bioluminescencewas obvious.As the temperature rose，the intensity of ultra－weak photon emission decreased gradually.The research demonstrated that itwas feasible to detectwheat viability based on the ultra－weak delayed bioluminescence under the strict control of test conditions.

wheat，viability，temperature，delayed bioluminescence

Q63

A

1003－0174（2015）06－0121－04

國家自然科學基金（61078070），河南省高校創新人才支持項目（2011HASTIT018）

2014－01－12

吳才章，男，1968年出生，教授，光電檢測