用于农业和食品工业的传感器

现代农业管理在很大程度上有赖于许多不同种类的传感方法，以提供关于作物、土壤、气候和环境条件的准确信息。几乎每一类传感技术都可以在农业和食品工业中得到应用。本文将对传感器在农业和食品工业中的应用作一简略评述。

1 光谱遥感

农作物光谱的遥感已经被深入研究，并被证明是现代农业管理的一个重要工具。农业光谱遥感是指在田野上方所得到的光谱图像，此时的入射电磁辐射通常是指阳光[1]。当阳光照射到作物或土壤表面时，光线会被反射、吸收或透射，这取决于光线的波长和所接触物体的特性。所接触物体的物理或化学性质的差异，例如叶子的颜色、质地或形状，决定了某一特殊波长的光线被反射、吸收或透射的能量多寡。农业中最常用的遥感技术是光谱反射比测量。所测定的光谱反射比 （反射能量与入射能量的比值）是波长的函数[2,3]。与波长相关的反射比曲线这一光谱特征随植物品种和条件不同而有所差异。

大多数农业应用项目中所测得的电磁波的波长范围从可见光（400～700 nm）直至近红外范围（700～2500 nm）之间[1]。研究表明这一范围内的光谱特征可以为了解作物和土壤的生理学和生物学性质提供丰富和有价值的信息[1,4,5]。已经依据所测定的光谱反射比数据编制了某些特殊植物和农作物的光谱学指数，用于对不同的农业状况进行研究[1,6]。

光谱仪、辐射计和数字照相机可以安装在不同的平台上，诸如地面（拖拉机或卡车）、空中（飞机）或太空（卫星）等，以收集各种数据。传感器平台移动时可进行小范围的连续测量，接着进行数据处理并绘制相应图像[3]。遥感结果的质量可从空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率等方面进行评估[1,3]。空间分辨率是指在图像中可以辨认的最小区间。空间分辨率与图像的像素直接相关。光谱分辨率表达了由传感器所测定的电磁波谱线的数值和宽度。时间分辨率则表明一个传感器平台能以怎样的时间间隔提供该区域的测量数据。农业和农场管理应用所需数据的空间分辨率通常为2～5米，时间分辨率则为1～3天，以及1个像素的地域精度和24小时内的农产品送货时间，同时需对大气环境的干扰，诸如灰尘、一氧化碳、二氧化碳和臭氧等进行校正[6]。

在上一个十年中，对传感器分辨率的严苛要求极大地推动了农用传感器研发的进展[6]。空间分辨率在很大程度上取决于传感器平台的类型。地面和空中的传感器平台可以较容易地满足田野上方空间分辨率的要求，但成本和劳动力的花费很大。设置在太空的平台只能提供较低的分辨率，同时易受气象条件的影响，例如云层的干扰。各类传感器平台的优劣在Scotford等的文章中作了概括的评价[1]。

光谱遥感技术早在上世纪六十年代初已被用于农业。传统的光谱传感器采用一个多光谱成像系统，各个平行的传感器阵列在电磁波的可见光波段至中红外波段之间分别测量少量的光谱带（3～6）[2,7]。近二十年来高光谱成像技术（hyperspectral imaging）的进展促进了光谱分辨率的提高。高光谱成像系统可以测量许多（数百个）极窄的相近光谱带，波长范围从可见、近红外、中红外直至热红外（图1）[2,3,7,8]。由高光谱系统可以得到详尽的高分辨率光谱数据，并可由此得到有关农作物和田地特征的详尽而精确的信息。高光谱系统产生了海量的数据。如何对数据进行解析有赖于对高光谱传感器和测定对象性质的深入了解[2,3]。当前，高光谱成像的研究课题包括数据处理机制、数据比对和模型建立等[9,10]。

光谱遥感已经被成功地应用于测量农作物营养状况、农作物病害、水资源缺乏或丰盈、丛生的杂草、昆虫危害、植物种群、洪水管理和其它田野状况[1～3,11,12]。

图1 高光谱成像的概念。反射比测量在极窄的相近波带范围内进行，每一像素都显示完整的光谱

食品工业已采用光谱遥感技术来监控食品质量和检测可能发生的食品污染[13～16]。在食品加工厂中通常采用一种人工光源来照射在传送带上输送的食品，然后用一个传感器系统来测量所产生的荧光或散射光的反射比。用于食品质量监控的光线波长包括紫外 （10～400 nm）、可见（400～750 nm）和近红外（750～2500 nm）等波段[13]。近来，三维高光谱成像系统已被用于准确测定[17～21]。

2 电子鼻

植物和树木通常都会释放出挥发性有机物（VOCs），这是它们日常生理过程的副产物。此类特殊的挥发性有机物的产生以及所释放的数量反映了农作物和农田的情况。湿度、光线、温度、土壤情况、施肥、昆虫和植物病害都会影响挥发性物质的释放。电子鼻在农业中的最常见应用是测定农作物病害、判别昆虫危害以及监测食品质量。电子鼻通常由气体传感器阵列和电子模式识别系统两部分组成。阵列中的各种传感器的选择性可以广泛或部分交叉覆盖，模式识别系统中则包含了多变量统计数据处理工具。电子鼻的典型训练过程是对健康的植物/水果和罹患病害的植物/水果所释放的挥发性物质的特性进行比较。这一领域的最新进展可参见Sankaran等所撰写的评论文章[22]。

电子鼻在食品工业中的重要应用是在加工和包装过程中评估水果和蔬菜的新鲜和腐败程度[23,24]。研究工作表明，挥发性物质的检测可以指示水果的成熟度以及哪些化合物能促进水果的成熟，如氨[25,26]、乙醇[26]、乙烯[26,27]和反式-2-己烯醛[28]等。电子鼻已用于检测苹果储藏期间芳香物的数量变化[29]，评估采摘后的桃、梨、香蕉[29～31]和油桃[29,31]等水果的质量，以及检测土豆的腐烂[32]等。不过上述研究都还处于初始阶段。传感器的稳定性、使用寿命、标定、选择性以及气体传感器阵列仪器的标准化等都是制约其商业应用的因素[33]。

电子鼻和电位传感器曾被用来确定安放食草性昆虫诱捕器的范围[34～36]。近来，利用电子鼻来测定植物在受到昆虫袭击后所释放出的挥发性物质，以便及早确定昆虫危害的发生[37～39]。

3 电化学传感器

电化学传感器在农业领域中的一个重要应用是土壤化学中对诸如pH值或营养成分的直接测量。土壤测试结果对于提高农作物产量和生产质优、味美的食品至关重要。关于土壤传感器的评述可参见Adamchuk等最近撰写的文章[40]。用于测量土壤中某些离子活度 （H+,K+,NO3-,Na+等）的电化学传感器有如下两类：1）离子选择电极和2）离子选择性场效应管(ISFET)传感器。这两类传感器也被用于监测植物对离子的摄取。营养成分的摄取速度取决于植物对营养的需求，此种需求与植物的生长速度和植物体的营养状况有关。多数常量营养元素（如氮、磷、钾）的吸收过程都很活跃。监测植物体或生长系统的离子浓度可以帮助农民制订施肥策略和提高产量。

离子选择电极已经可以用于多种不同离子的检测。它们可用于土壤和作物(如土豆[41,42]和蔬菜)中氮元素的监测，以便进行施肥管理[43,44]。植物或土壤中的离子（例如碘离子、氟离子、氯离子、钠离子、钾离子和镉离子等）可以用离子选择电极进行测定，以便对植物的新陈代谢、营养以及植物中所存在的重金属离子的毒物学影响[45～48]等进行研究。

随着离子选择电极和离子选择性场效应管的发展，促进了温室工业中为作物/植物开发特定离子营养液供应系统的努力。某些研究者开发了基于特定离子浓度测量的液体肥料注入系统[49,50]。这些系统能自动进行植物所需营养的补给。

4 生物传感器

近年来，用于化学污染物质以及食源性病原体检测的生物传感器的研究工作广泛展开。食源性疾病对公共卫生是一个迫在眉睫的威胁，每年由此造成的损失近300亿美元[51]。现今的细菌检测方法，例如细菌培养、菌落计数、聚合酶链反应（PCR）[52]以及基于抗体的酶联免疫法（ELISA）[53]等技术所需样品量较大，随后还需在实验室中进行样品制备以及对试样进行分析，既费力又费时。大量研究工作集中于开发适用的生物传感器，用于对目标化学物质和病原体进行快速测定[54～56]，且操作人员无需经过特殊培训。

生物传感器通常由如下两部分组成：1）生物分子识别元件（生物探针），它能识别目标病原体并与之反应；2）变换元件，它能对生物探针与目标待分析物的相互作用发生响应并将其转换成可测定信号。有几篇新发表的评论文章对近年来生物传感器研发中的生物探针和变换器探索研究进行了很好的评述[57～60]。目前常用的生物探针主要有核酸(DNA/RNA)、蛋白质、酶、抗体和噬菌体[61～63]。用于生物传感器的变换部件则主要有以下四类：电化学变换器、光学式变换器、热学变换器和声波(AW)器件。生物分子识别元件及其在传感器界面的恰当固定化决定了生物传感器的选择性，生物传感器的灵敏度则决定于变换器元件。对高性能生物传感器的需求已经和正在推动着不同种类变换元件的研究开发。

在生物传感器开发过程中，抗体和多肽长期被用作生物识别结构[64,65]。但是无论单克隆抗体和多克隆抗体都有其局限性，例如成本高昂、效果欠佳、易损伤和繁琐的固定化操作。近年来，纤维状噬菌体和溶解性噬菌体作为生物分子识别元件引起了许多研究者的注意[66～68]。与抗体相比，纤维状噬菌体具有明显长处。噬菌体的结构非常稳定，可以抵抗摄氏80度以上的温度以及各种化学品（例如酸、碱和有机溶剂）的作用[69]。噬菌体的三维识别表面能够提供多个键合位点，因而对所测定的病原体有很强的键合能力。再则，只需花少量费用即可得到大量合用的噬菌体[70]。表1中列出了已经用于测定食源性病原体的多种噬菌体生物传感器。

声波器件构成了高灵敏度换能器的一个重要类别，并显示了诸多优异特性，例如高灵敏度、成本低廉、易使用、可远距离测量、微型化和能用于现场测量等[62,71～74]。 近年来，由无定形磁伸缩材料制作的声波器件已被用于高性能生物传感器的研发。应用磁伸缩材料开发了两类声波器件：1）磁弹性（magnetoelastic,ME）共振器[75～82]；2）磁 伸 缩 微 悬 臂 梁 （magnetostrictive microcantilevers,MSMC）[83～85]。 图 2 显示了磁弹性生物传感器的操作原理。研究者已经用微机械加工的方法制作了基于噬菌体的独立式磁弹性生物传感器，在其中的磁弹性共振器表面覆盖了用基因工程制得的噬菌体，用来与待测病原体进行特异性键合（图3）[86,87]。ME生物传感器在交变磁场作用下以特定的共振频率进行振荡。当生物传感器与待测病原体接触后彼此发生键合。这种键合作用导致共振器的质量增加，因而使生物传感器的共振频率降低。ME生物传感器是一类无线传感器，并且不需要附带电源。ME生物传感器也是一种价廉和一次性传感器件，应用微机械加工方法制作一千个传感器的加工成本小于一美分。ME生物传感器已成功用于检测许多种病原体，例如沙门氏杆菌、炭疽芽胞杆菌和大肠杆菌等[77～81,88,89]。最近的研究表明，ME生物传感器可以对新鲜食品表面的细菌直接进行测定而无需取样操作（水洗和消化）[90]。

表1 应用噬菌体作为生物识别元件的各种分析方法的提要和相关文献

图2 磁弹性（ME）生物传感器的操作原理。由驱动线圈产生的调制磁场推动了磁弹性共振器产生振动共振。键合在共振器上的细菌增加了共振器的质量，导致共振频率降低

图3 扫描电子显微镜图谱上所显示的磁弹性生物传感器与分币上的“LIBERTY”中字母Y的比较。生物传感器是由微电子加工技术制造的，其尺寸比一粒灰尘还小。这类生物传感器不需附带电源，大批量生产时，制作一千个器件的成本低于一美分

用于多种化学战剂和食品污染物的高灵敏检测和鉴别的酶基生物传感器在过去几十年中发展迅速并被视作有效工具。具有高毒性的有机磷神经毒剂（organophosphate neurotoxins,OPs）已被广泛地用作农用杀虫剂和化学战剂，因而对农产品和食品中的OPs的鉴别性测定尤为重要。用于OPs测定的生物传感器研发工作中的两个重要方向是1）对特种酶，例如乙酰胆碱酯酶和丁酰胆碱酯酶（AChE 和 BChE)的抑制[91～94]；2）应用不同水解酶对OPs进行直接水解[95～99]。

5 无线传感器网络

得益于无线技术的发展，无线传感器网络的开发已有相当进展并可以在农业实践中达到新的精度。无线传感器网络包含如下几部分：无线电频率接收器、全球定位传感器以及土壤、水、离子和挥发性有机化合物传感器、微型控制器和电源。这一无线传感器网络已处于田间试验阶段[119]。上述技术的开发为农业实践中的观察、评估和控制提供了革命性工具。但无线传感器网络技术目前还处于早期发展阶段。某些作者新近发表的评论文章对无线传感器网络的发展和未来趋势进行了评述[119～122]。

Suiqiong Li于2007年在美国Auburn大学获得了材料科学和工程博士学位。目前在该校的材料研究和教育中心从事博士后研究。她正活跃于用作农业、食品工业和环境监控的高性能传感器的开发。可通过如下地址联系：lisuiqi@auburn.edu

Alex Simonian是自然科学基金会生物传感器项目的负责人和Auburn大学材料工程教授。他在Yerevan大学（亚美尼亚，苏联）获得物理学硕士和生物物理博士学位，并由苏联科学院授予生物工程科学博士学位（Dr.Sc）。他目前的研究兴趣主要是生物分析传感器，纳米生物材料和功能界面。可通过如下地址联系：asimonia@nsf.gov

Bryan A.Chin从Stanford大学获得材料科学和工程博士学位。他目前是Auburn大学材料工程教授和国际ASM学会Fellow。他的研究组正在研究开发用于食品安全、农业、药物和环境监控的新型传感器。可通过如下地址联系：bchin@eng.auburn.edu

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