基于超弱延迟发光的小麦生活力检测方法研究

吴才章 牛群峰 张兰静

（河南工业大学电气工程学院，郑州 450001）

基于超弱延迟发光的小麦生活力检测方法研究

吴才章 牛群峰 张兰静

（河南工业大学电气工程学院，郑州 450001）

以郑麦9023为试验对象，研究了不同生活力和不同测试条件下小麦样品超弱延迟发光的变化情况。通过人工快速陈化的方法获得不同生活力的小麦样品，对这些小麦样品的延迟发光特性进行系统研究，在此基础上以温度为例研究了测试条件对小麦延迟发光的影响。结果表明，同一品种不同生活力小麦样品的延迟发光能力差异明显，小麦的延迟发光强度与其生活力显著负相关，生活力越强，其延迟发光能力越弱；小麦的延迟发光能力受其自身温度的影响显著，随着温度的升高，其延迟发光能力减弱。本研究发现，利用超弱延迟发光进行小麦生活力检测是可行的，但需要对测试条件进行严格控制。

小麦 生活力 温度 延迟发光

小麦从收割到收购、销售、储存、加工等流通过程储藏时间较长。期间由于自身的呼吸氧化、各种酶的活动，以及外界环境的影响，小麦不断地发生着各种生理、生化的变化，小麦生活力逐渐降低，由新到陈，甚至劣变［1－2］。新陈度或生活力是小麦储藏过程中的一个重要品质指标，是判定小麦宜存与否、食用品质好坏的关键指标［3－8］。小麦新陈度或生活力是由其内部相关物质和酶活性共同决定的，是很多生化技术指标的综合。现有小麦新陈度或生活力的检测方法主要有国标法和生化法。国标法综合考虑粮食的色泽、气味和食用品质等，进行综合判断，比较科学，但存在测定时间长、方法繁琐、容易受人为因素干扰、不客观等缺点。为此，人们推出了一系列生化检测方法，这些测试方法都是通过检测粮食内部某一方面元素（酸性物质或酶活性等）的变化，进而推断其生活力或新陈度［9－11］。这些检测方法属于典型的单点分析法，判断标准仅依据某项技术指标，难免偏驳，而且都要进行生化反应，是破坏性检测。

生命体，小至细菌微生物，大到植物、动物甚至人，都存在超微弱发光，生物超弱发光可以作为一个灵敏的生理指标来表征生物体的生长生理状态［12－14］。超弱发光通常包括自发发光和光致发光，自发发光是生物体进行新陈代谢过程中，自发稳定辐射的极微弱光子流，即超弱光子辐射，其强度在几百个光子／s×cm2以下。光致发光又称超弱延迟发光，生物体受到外界光激发，在激发光消失后仍保持微弱的延迟发光，延迟发光比自发光的强度强得多，辐射强度可以达到几万个光子／s×cm2以上［15］。生物超弱延迟发光是生物作为整体向外界展示的一个综合性能指标，所以基于延迟发光进行小麦生活力检测兼具国标法和生化法的优点，既是一种综合方法，又具有量化的客观标准，而且属绿色无损检测。通过人工快速陈化的方法获得不同新陈度或生活力的小麦样品，并对这些小麦样品的延迟发光特性进行系统研究，在此基础上研究了温度对小麦延迟发光的影响，最后探讨基于延迟发光进行小麦新陈度或生活力检测的可行性。

1 材料和方法

1.1 材料和设备

1.1.1 样品

选用河南省种植规模较大的小麦品种郑麦9023，样品购买自2012年当年的育种单位，经过晾晒，使小麦的含水率为10%。然后分别将小麦样品装在透气的袋子中，并混放在密闭的恒温箱中，模拟粮仓环境，在20℃条件下存放，使样品达到均衡一致的状态，供试验使用。

为获得不同生活力的小麦样品，便于进行比对测量，采用人工快速陈化的方法对郑麦9023小麦样品进行陈化。人工快速陈化的条件是45℃，湿度为90%［16］。每天取出部分样品作为不同生活力测试样品。

1.1.2 测试装置

测试系统主要由恒温恒湿箱、黑箱、光源、传感器、计算机4部分组成。光源、传感器、测试样品置于暗箱内，暗箱置于恒温恒湿箱内，整个测试系统置于暗室内。延迟发光光源是一个由32个发光二极管组成的双环型阵列，通过1 mA的恒流源供电。传感器采用集成光子计数模块MP－1993，该模块内置高压发生器和相应的放大、计数模块，具有集成度高、测试精度高等优点，模块具有极高的光子探测水平，极低的背景噪声，暗计数仅有几个光子／（秒×传感面积），出厂时光子计数强度已进行了标定，真正实现了单光子计数［17］。超弱发光的强度是以单位面积单位时间辐射的光子数为单位，传感器的测试窗口面积固定为圆形（面积为1.766 cm2），为简便表达，超弱发光强度单位省略传感面积。光源控制、电子快门、光子计数模块的读取由计算机完成。

1.2 测试方法

首先将秤量好的小麦样品放入样品槽内，恒温恒湿箱达到设定温湿值后，经过一段时间的稳定，使得样品温度完全达到设定温度。然后计算机控制二极管光源，照射样品一段时间，照射时间必须大于照射饱和时间（系统照射饱和时间为150 s）［18］，即可进行延迟发光测试。为避免损伤光子计数模块，二极管光源关闭后需要间隔一段时间（2 s），待余辉完全消失后，开启传感器，采集光子计数数据，从而获得小麦样品的延迟发光强度曲线。

小麦的生活力由发芽率来表征，依据 GB／T 5520—2011中小麦发芽试验测定发芽率。

2 结果与分析

按照生物光子辐射相干性理论，延迟发光是生命物质激发态的整体效应，以高阶非线性高度相干耦合［19－20］。生命系统激发态布局数满足非线性动力学方程：

式中：μ（＞0）和 γ（＞1）均为常数。

由式（1）得到的辐射强度：

2.1 郑麦9023超弱延迟发光测量

在环境温度25℃，相对湿度50%条件下，对郑麦9023的超弱延迟发光进行具体测量，测试结果如图1所示。考虑到照射结束后要等待2 s，图1测试得到的第1个值对应的时间点为t＝3 s。测试结果表明，在最初几秒，小麦样品延迟发光强度急剧变化，随后的几十秒强度逐渐减少，其后延迟发光强度变化非常缓慢，延迟发光可持续数小时。

图1 郑麦9023超弱延迟发光强度曲线

由于m大于1，按照式（2），随着测试时间的增加，延迟发光强度会迅速衰减为零，延迟发光持续时间很短，这与实际测试得出的延迟发光持续时间较长的结果不一致。通过进一步双曲函数拟合发现，延迟发光曲线不同时间段拟合出来的参数并不一样，随着时间的推移，拟合的初始强度I0逐渐减小，衰减因子m也逐渐减小，最后都趋近为0。这是因为延迟发光辐射存在辐射阻尼，辐射阻尼的存在使得衰减因子逐渐减小，导致延迟发光衰减越来越慢，进一步导致延迟发光辐射时间的延长，这很好地解释了小麦延迟发光持续时间较长的原因。

2.2 不同生活力小麦超弱延迟发光测量

采用国标发芽法对人工快速陈化样品进行生活力测定，小麦样品的生活力及标准差如表1所示。可以看出，原始小麦样品的发芽率在90%以上，陈化4 d后的小麦样品全部失去了生活力，经过线性拟合，小麦样品的发芽率与其陈化时间的相关系数R＝－0.967，说明小麦样品的发芽率与其陈化时间负相关。将准备好的样品，包括人工陈化和原始样品，进行晾晒处理，均匀化储藏，使得它们的水分统一，最终含水量都保持在10%，等待试验。测试的环境温度同样为25℃，相对湿度为50%。不同生活力的样品可依次放入测试暗箱中的样品槽中，每个样品重复测量3次。延迟发光的强弱由延迟发光的初始值表征，延迟发光的初始值由延迟发光测试曲线的前10个数据通过双曲函数拟合得到。不同陈化时间小麦样品的延迟发光强度初始值及其标准差如图2所示。

表1 不同陈化时间小麦样品的发芽率

图2 不同陈化时间小麦样品超弱延迟发光强度曲线

测试结果表明在照射光不变的情况下，随着陈化时间的增加，同一小麦品种样品延迟发光的初始强度I0也增加，也就是说样品的延迟发光强度在逐渐增强。经过线性拟合，小麦延迟发光强度与陈化时间的相关系数R＝0.995，而小麦样品的发芽率与其陈化时间是负相关的，这样小麦样品延迟发光能力与其生活力显著负相关。

2.3 温度对小麦延迟发光的影响

小麦样品的延迟发光容易受环境温度的影响。环境温度变化之所以能影响小麦自身的延迟发光，是由于环境温度变化最终会引起小麦自身温度的变化，进而引起粮食自身延迟发光能力的变化。测试样品的含水率保持在10%，恒温恒湿箱的湿度设定在50%，测试的温度范围为10～35℃，每隔5℃进行1次测量，这个温度范围涵盖了我国小麦储藏的温度变动范围。为完成某个温度下的测量，先设定相应的温度值，待恒温恒湿箱的温湿度恒定后，先将测试样品均匀平摊在敞口的容器内，并将容器放置在恒温箱内，在恒温箱内静置2 h以上，以保证每粒小麦样品的温度与设定温度完全一致，然后进行测试。不同温度条件下郑麦9023延迟发光初始值与标准差如图3所示。

图3 不同温度条件下小麦超弱延迟发光强度曲线

测试结果表明，随着环境温度的升高，小麦延迟发光初始强度I0逐渐减小，也就是小麦延迟发光强度减小，说明温度变化对小麦延迟发光能力影响显著。

3 讨论

同一品种不同生活力小麦样品的超弱延迟发光能力差异明显，陈化小麦样品的超弱延迟发光能力大于原始小麦样品，生活力越高的小麦样品其超弱延迟发光能力越低，生活力越低其超弱延迟发光能力反而越高，小麦的超弱延迟发光与其生活力负相关。

延迟发光是生物生命态有序性的外在表征。按照生物光子学的“共振腔”理论，生物有机体可以被看做是一个具有高品质因子Q的共振腔，是生物机体有序能力的表征，Q值等于光子储存能力与光子损耗的比值。生物机体的陈化程度越高，其有序性越差，光子损耗越大。光子损耗就是探测到的延迟发光的强度，这就意味着其延迟发光能力越强。

小麦的延迟发光受自身温度的影响，随着粮食温度的升高其超弱延迟发光能力逐渐减弱。温度之所以对小麦的延迟发光能力造成一定的影响，我们认为从本质上来说是因为随着环境温度的升高，粮食自身温度也升高，粮食本身的生活力会相应的增加，进而导致粮食延迟发光能力降低，这也从一个侧面进一步证实小麦延迟发光与其生活力负相关。

4 结论

对小麦超弱延迟发光进行了详细地测试，分析了小麦样品的延迟发光辐射规律，在此基础上对不同生活力小麦样品的超弱延迟发光特性进行测试。结果表明，同一品种不同生活力小麦样品的超弱延迟发光存在一个明显规律：随着陈化程度的增加，生活力逐渐降低，延迟发光能力逐渐增强，小麦自身的超弱延迟发光与其生活力显著负相关。在此基础上测试了温度对小麦延迟发光的影响，随着环境温度的变化，小麦样品的延迟发光能力也存在明显的变化，因此利用超弱延迟发光进行小麦生活力测定时，一定要对温度或其他外部条件进行严格控制。由于小麦延迟发光强度比自身超弱发光的强度强得多，从实用的角度，基于延迟发光的小麦生活力检测是可以实现的。

［1］王若兰.粮油储藏学［M］.中国轻工业出版社，2009

［2］王若兰，黄亚伟，刘毅，等.小麦储藏品质评价指标研究［J］.粮食科技与经济，2007，32（6）：31－32

［3］GB／T 20571—2006，小麦储存品质判定规则［S］

［4］GB／T 5490—1985，粮食、油料及植物油脂一般检验规则［S］［5］王佩祥，赵思孟.粮食储藏学［M］.北京：中国商业出版社，1998

［6］徐瑞，谭晓荣，王晓曦.小麦后熟期间主要品质相关因素的变化［J］.农业机械，2012，15：54－57

［7］王若兰，白栋强，姚玮华.主要储备粮种在不同温度状态下储藏品质的研究［J］.郑州工程学院学报，2003，24（4）：5－8

［8］龚先安，曾庆先.浅析国家储备粮的轮换［J］.粮食科技与经济，2000（3）：24

［9］张素苹.小麦新陈的鉴别［J］.食品科技，2012，37（10）：135－137

［10］何学超，郭道林，冯永健，等.小麦新陈快速鉴别方法的研究［J］.粮食储藏，2006，35（1）：42－45

［11］陈立君.粮食新陈度快速测定方法比较［J］.四川粮油科技，2000，17（2）：47－48

［12］Popp F A，Beloussov L.Biophtons［M］.London：Kluwer Academic Publishers，2003：1－40，307－324

［13］Musumeci F，Applegate L A，Privitera G，etal.Spectralanalysis of laser－induced ultraweak delayed luminescence in cultured normal and tumor human cells：temperature dependence［J］.Journal of Photochemistry and Photobiology B：Biology，2005，79（2）：93－99

［14］Popp F A，Yu Y.Delayed luminescence of biological systems interms of coherent states［J］.Physics Letters，2002，293（2）：93－97

［15］Francesco M，Lee A A，Giuseppe P，et al.Spectral analysis of laser－induced ultraweak delayed luminescence in cultured normal and tumor human cells：temperature dependence［J］.Journal of Photochemistry and Photobiology B：Biology，2005，79（2）：93－99

［16］孔治有，刘叶菊，覃鹏.人工加速老化对小麦种子CAT、POD、SOD生活力和可溶性蛋白质含量的影响［J］.中国粮油学报，2010，25（10）：24－27

［17］http：／／www.perkinelmer.com

［18］吴才章，王继伟.小麦超弱延迟发光测试系统［J］.光子学报，2014，43（2）：0217001－1－6

［19］顾樵.生物光子学［M］.第2版.北京：科学出版社，2012：25－26

［20］Chen W L，Xing D，He Y H，et al.Determination of the vigor of rice with different degrees of aging with ultra weak during early imbibition.Acta Botanica Sinica，2002，44（11）：1376－1379.

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

国家自然科学基金（61078070），河南省高校创新人才支持项目（2011HASTIT018）

2014－01－12

吴才章，男，1968年出生，教授，光电检测