摘 要：随着光谱成像技术的不断完善，其应用领域不断拓展。文章主要分析了该技术的发展，及其在食品检测和农业领域的应用。
关键词：光谱成像 技术应用
光谱成像( Spectral Imaging) 是通过成像光谱仪记录被检验物体在一定光谱范围内密集均匀分布的多个窄波段单色光的反射光亮度分布或荧光亮度分布,形成由许多单色光影像构成的光谱影像集。光谱成像组合了光谱技术和数字成像技术, 其装置由液晶可调波长滤光镜( LCTF)、数字 CCD 照相机、照明光源和计算机及专用软件组成,其中由计算机控制的液晶可调波长滤光镜与 CCD 照相机连接构成了成像光谱仪。光谱成像首先要根据检材状况和检验目的, 按照光学检验原理, 选择照明光源和照明条件,在检材上形成适当的反射光亮度分布或荧光亮度分布。在成像记录时,计算机控制液晶可调波长滤光镜在一定范围内依次透过预先设定的多个等间距波长位置上的窄波段单色光, 使检材在各个波段的反射光或荧光透过滤光镜依次到达 CCD 感应器。计算机控制CCD感应器记录操作与滤光镜透过单色光操作同步进行, 使CCD 感应器能够记录检材在相应波段的亮度分布,并将众多单色光亮度影像储存在计算机中形成光谱成像的光谱影像集。
光谱成像技术的理论和技术实践已有数十年历史,但近年来液晶可调波长滤光镜的出现和数字成像技术的成熟,使这项技术的作用能力达到了一个崭新的水平。它在飞机和卫星遥感测量及工业检测等领域取得了很好的应用效果,并被尝试用于包括物证检验技术在内的更多的应用领域。的实际意义。光谱成像技术将为刑事物证检验技术带来新的发展机遇, 并很有可能在今后几年成为刑事影像技术发展的热点而倍受关注。相信经过更广泛和深入的技术和应用研究,光谱成像将被证明是物证检验领域有价值的工具。
近红外光谱( NIR)是近十年来发展最为迅速的高新分析技术之一。目前,大约有50 多个国家和地区开展了NIR 的研究和应用工作, 特别是一些发达国家表现得尤为突出, 这些国家拥有大量的各种类型的NIR 分析仪器用于各行各业, 有研究型、专用型、便携型,还有直接安装在工业生产线的在线型分析仪。这些仪器在农业、石化、制药、食品等领域都得到很好应用, 并取得极好的社会和经济效益。我国从上世纪80 年代开始进行NIR 技术的研究,主要侧重于农产品的品质分析研究方面。从上世纪90 年代中期,国内许多科研院所和大专院校开始积极研发适合国内需要的NIR 成套分析技术,并有多本专著出版,也有许多学者发表了多篇有关NIR 原理和应用的综述文章,为这项技术的普及作了大量工作, 开创了我国NIR 研发和应用的崭新局面。近几年我国在仪器硬件、化学计量学软件、分析模型建立以及实际应用等方面都有了长足发展,NIR 分析技术已经应用于各个领域。
近红外光谱属于分子振动光谱，是基频振动的倍频和组合频，谱峰较宽，信号易获取且信息量大，它主要是由分子的振动能级变化产生的，它是由含氢基团（C-H、O-H、N-H、S-H）的伸缩振动产生的。近红外谱区光的频率与有机分子含氢基团振动的合频及各级倍频的频率一致。研究表明，只有与氢原子有关的官能团能在NIR区形成有适当强度的倍频振动的频带。因此，通过扫描样品的近红外光谱可以得到样品有机分子中含氢基团的特征信息。众所周知， 食品的主要组成部分就是有机物， 而且出现的食品安全问题中涉及的绝大部分有毒或有害物质也都是有机物。因此，通过扫描样品的近红外光谱可以得到样品有机分子中含氢基团的特征信息。这样，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，不需要其他试剂，在测定光谱时原样测量液体、粉末、胶体等，不破坏或消耗样品，对样品的外观和内在结构不产生影响，样品测试后可原样保存。目前，近红外光谱分析技术在解决食品安全领域的难题方面做出了突出的贡献，越来越受到社会的肯定和重视，该技术相继被应用到食品真伪以及掺假鉴别、食品种类鉴别、食品产地追溯、农药残留检测、污染物鉴别以及食品质量评估与分级等方面。
近红外光谱检测技术在作物品种资源鉴定和品质育种中也有着很好的应用。随着研究的不断深入, 近红外分析技术在作物品种资源鉴定以及品质育种中显示越来越大的应用潜力。Delwiche 等研究近红外反射光谱测定硬红冬小麦样品的蛋白质组成和面团形成特性, 验证结果表明, 麦谷蛋白、醇溶蛋白的含量、SDS沉淀值的化学值和NIR预测值间的相关系数(R) 为0.84～0.94。此后, Delwiche 等人又以包括糯粒型和野生型的200个小麦品系, 用近红外谱对糯、部分糯和野生型小麦进行分类, 结果表明, 近红外谱区分糯小麦、非糯品系的准确率接近 100 %, 但难以在3个非糯品系中作进一步分类。依据植物所含成分种类和含量的差异, NIRS可对人工创造的种质材料进行区分和鉴别。芮玉奎等利用傅立叶变换近红外光谱对美国杜邦公司的24个转基因 (Bt) 玉米品系及其亲本对照进行了识别分析, 结果显示, 通过扫描光谱结合人工神经网络, 准确方便地识别了这些转基因玉米。利用NIRS技术能大批量及时筛选每一育种环节上的育种材料, 提高鉴定效率。这对减小育种劳动量、缩短育种年限、提高育种效率,有十分重大的意义。尤其是早代育种材料,大多数仍处于遗传分离中, 常需以单株为选择单位, 许多学者开始尝试样品用量少的NIRS分析。Velasco 在油菜脂肪酸的分析中, 分别采用3g、300 mg、600 mg 3 种样品用量进行 NIRS分析, 分别得到油酸、亚油酸、亚麻酸的定标相关系数为: 0.95～0.98, 0.93～0.97, 0.84～0.96。水稻育种中, 较早地将 NIRS分析稻米的蛋白质定标方程应用于育种过程中, 样品量仅为 5g, 并培育出优质水稻新品种, 为水稻品质育种过程中单株的早代选择提供了新的途径。