Фотолюминесцентный контроль спелости семян зерновых в процессе созревания

Михаил Владимирович Беляков

Михаил Владимирович Беляков филиал ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет “МЭИ”» в г. Смоленске https://orcid.org/0000-0002-4371-8042

Ключевые слова: семя, созревание, контроль спелости, спектр возбуждения, спектр люминесценции

Аннотация

Введение.Объективное определение спелости семян растений является одним из направлений развития сельскохозяйственных электротехнологий. Оптические методы и средства диагностики, исследованные в статье, являются высокоточными, селективными и экспрессными, а также могут легко интегрироваться в действующие современные сельскохозяйственные машины и аппараты.
Материалы и методы.Проведены поисковые исследования оптических спектральных люминесцентных свойств семян зерновых растений различной степени спелости. Отобраны партии семян овса и пшеницы в фазах молочной, молочно-восковой и восковой спелости, а также спелые семена. Исследование проведено на спектрофлуориметре «Флюорат-02-Панорама». Измерены спектры возбуждения при синхронном сканировании, и на их основе – спектры люминесценции. Вычислены интегральные параметры спектров.
Результаты исследования. Семена молочной спелости имеют наибольший пик возбуждения на длине волны около 362 нм и существенно меньший – на 424 нм. У спелых семян коротковолновый пик (λ_max = 362 нм) отсутствует; остаются пики 424 нм и 485 нм, причем длинноволновый пик повышается с увеличением срока спелости. Кроме того, с увеличением спелости семян возрастает отношение длинноволнового потока к коротковолновому. Зависимости могут быть статистически достоверно линейно аппроксимированы. Полученные зависимости можно использовать для определения степени физиологической зрелости семян. Предложена методика определения спелости семян зерновых растений при созревании, включающая пробоподготовку, возбуждение люминесценции в коротковолновом и длинноволновом диапазонах, ее регистрацию, усиление и обработку полученного фотоэлектрического сигнала. Для реализации методики разработана конструкция прибора объективного экспресс-анализа степени физиологической зрелости семян.
Обсуждение и заключение. В ходе созревания семян зерновых растений меняется соотношение их уровней возбуждения и потоков люминесценции: для незрелых семян характерна коротковолновая люминесценция, а в спелых семенах преобладает длинноволновая. Зависимости соотношения потоков фотолюминесценции от времени созревания являются возрастающими. Разработан прибор для определения уровня спелости семян, позволяющий определить, на какой стадии созревания находится семя.

Биография автора

Михаил Владимирович Беляков, филиал ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет “МЭИ”» в г. Смоленске

заведующий, кафедра оптико-электронных систем, филиал ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет “МЭИ”» в г. Смоленске (214013, Россия, г. Смоленск, Энергетический пр., д. 1), кандидат технических наук, доцент, ResearcherID: W-2746-2018

Литература

1. Методы измерений спектральных характеристик и распознавания элементов зерновых смесей в системах сепарации реального времени / Э. К. Алгазинов [и др.] // Измерительная техника. 2014. № 1. С. 36–41.

2. Jacques S. L. The role of skin optics in diagnostic and therapeutic uses of lasers // Lasers in Dermatology / Eds. R. Steiner [et al.]. Berlin : Springer–Verlag, 1991. P. 1–21.

3. Review of optical breast imaging and spectroscopy D. Grosenick [et al.] // Journal of Biomedical Optics. 2016. Vol. 21, no 9. P. 091311.

4. Colorectal tumors and hepatic metastases differ in their optical properties–relevance for dosimetry in laser-induced interstitial thermotherapy / C. Holmer [et al.] // Lasers in Surgery and Medicine. 2006. Vol. 38, issue 4. P. 296–304.

5. Brown adipose tissue density measured by near-infrared time-resolved spectroscopy in Japanese, across a wide age range / S. Fuse [et al.] // Journal of Biomedical Optics. 2018. Vol. 23, no. 6. P. 065002.

6. Spatially resolved, diffuse reflectance imaging for subsurface pattern visualization toward development of a lensless imaging platform: phantom experiments / I. Schelkanova [et al.] // Journal of Biomedical Optics. 2016. Vol. 21, no 1. P. 015004.

7. Method and apparatus for measuring non-nutritive suck pattern stability : pat. 2009/0222214 A1 US : G 06 F 19/00, G 01 N 33/00 / Barlow S., Wang J., inventors ; University of Kansas, assignee. № 12/390,142 ; filed 21.02.09 ; publ. 03.09.09.

8. Diagnostic method for disorders using copeptin : pat. 2009/0221009 A1 US : G 01 N 33/53, G 01 N 33/00 / Bergmann M., Struck J., inventors ; Brahms AG, assignee. № 11/573,595 ; filed 19.08.05 ; publ. 03.09.09.

9. Identification of cancer biomarkers and phosphorylated proteins : pat. 2009/0226913 A1 US : C 12 Q 1/68, C 12 Q 1/00, G 01 N 33/574, G 01 N 33/00 / Pope R. M. [et al.], inventors ; Life Technologies Corporation, assignee. № 12/340,341 ; filed 19.12.08 ; publ. 10.09.09.

10. Method for improving optical response marking of analytical chemistry sensor arrangement : pat. 2009-180735 A JP : G 01 N 21/64, G 01 N 21/78, G 01 N 33/58, G 01 N 33/50. № 2009-62380 ; filed 16.03.2009 ; publ. 13.08.09.

11. Nanowire-based system for analysis of nucleic acids : pat. 2009/226927 A1 US : C 12 Q 1/68, G 01 N 33/00, C 40 B 30/10, C 12 M 1/00 / Sun H., Fung S., Woo S. L., inventors. № 12/468,831 ; filed 19.05.09 ; publ. 10.09.09.

12. Universal sample preparation system and use in an integrated analysis system : pat. 2009/108260 A2 WO : C 12 P 19/34, B 01 D 17/06, B 01 D 57/02, B 01 L 3/00, G 01 N 33/00, C 12 M 1/00, G 01 N 1/18 / Vangbo M. [et al.], inventors ; Microchip Technologies, Inc., applicant. № PCT/US2009/000419 ; filed 21.01.09 ; publ. 03.09.09.

13. Mouroulis P., Green R. O. Review of high fidelity imaging spectrometer design for remote sensing // Optical Engineering. 2018. Vol. 57, no. 4. P. 040901.

14. Development and in vivo test of a miniature Raman probe for early cancer detection in the peripheral lung / H. C. McGregor [et al.] // Journal of Biophotonics. 2018. Vol. 11, issue 11. P. 201800055.

15. Liu Q., Vo-Dinh T. Spectral filtering modulation method for estimation of hemoglobin concentration and oxygenation based on a single fluorescence emission spectrum in tissue phantoms // Medical Physics. 2009. Vol. 36, issue 10. P. 4819–4829.

16. Decomposition of complex fluorescence spectra containing components with close emission maxima positions and similar quantum yields. Application to fluorescence spectra of proteins / A. Savić [et al.] // Journal of Fluorescence. 2013. Vol. 23, issue 3. P. 605–610.

17. Early detection and differentiation of venous and arterial occlusion in skin flaps using visible diffuse reflectance spectroscopy and autofluorescence spectroscopy / С. Zhu [et al.] // Biomedical Optics Express. 2016. Vol. 7, issue 2. P. 570–580.

18. Инфракрасный термометр : пат. 74282 Рос. Федерация : МПК А 61 В 5/00 (2006.01) / Ткаченко Ю. А. ; патентообладатель Закрытое акционерное общество «СЕМ Технолоджи». № 2008104491/22 ; заявл. 05.02.2008 ; опубл. 27.06.2008, Бюл. № 18.

19. Способ определения биологически ценных семян кукурузы : пат. 2506734 Рос. Федерация : МПК А01 С 1/00 (2006.01) / Кузьминов В. И., Гребенник В. И. ; патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ставропольский государственный аграрный университет». № 2012141184/13 ; заявл. 26.09.2012 ; опубл. 20.02.2014, Бюл. № 5.

20. Беляков М. В. Оптические спектральные свойства семян растений различной влажности // Вестник НГИЭИ. 2016. № 4 (59). С. 38–50.

21. Беляков М. В., Куликова М. Г. Зависимости влажности семян растений от потока люминесценции // Естественные и технические науки. 2016. № 11. С. 162–163.

22. Беляков М. В., Выборнова Е. И. Разработка люминесцентного анализатора всхожести семян агрокультур // Вестник НГИЭИ. 2017. № 1 (68). С. 39–52.

23. Беляков М. В., Булатикова В. О., Тарасенков К. А. Методика объективного контроля спелости семян растений при созревании // Инновации в сельском хозяйстве. 2018. № 3 (28). С. 14–19.

24. Беляков М. В. Типовые спектральные характеристики люминесценции семян растений // Естественные и технические науки. 2015. № 11 (89). С. 521–525.

25. Беляков М. В. Исследование люминесцентных свойств семян пшеницы и овса различной всхожести // Вестник ВИЭСХ. 2016. № 1 (22). С. 30–33.

26. Беляков М. В. Определение всхожести семян растений люминесцентным методом // Вестник Ижевской государственной сельскохозяйственной академии. 2017. № 3 (52). С. 35–40.

27. Беляков М. В. Изменение люминесцентных характеристик семян пшеницы в процессе созревания // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. 2017. № 6. С. 38–41.

28. Беляков М. В. Оптический люминесцентный анализатор всхожести семян растений // Инновации в сельском хозяйстве. 2017. № 2 (23). С. 73–82.