低温等离子体促进水稻种子生长效应及NIR光谱分析

王纯阳,万良淏,马玉涵,黄 青*

(1.中国科学院 合肥物质科学研究院 技术生物与农业工程研究所,安徽 合肥230031；2.中国科学技术大学 国家同步辐射实验室,安徽 合肥230026；3.南京苏曼等离子科技有限公司，江苏 南京210007)

使用亚大气压下介质阻挡放电低温等离子体，对水稻糙米种子进行处理，不同气体、功率、处理时间下观测低温等离子体对糙米生长活力的影响；采用近红外光谱技术对处理后的糙米进行初步的理化性质分析.结果显示：空气等离子体放电对糙米生长活力的促进要优于氮气等离子体放电，空气实验组的最佳处理条件为(360 W, 5 min)，而氮气实验组的最佳处理条件为(360 W, 10 min).另外，近红外光谱的主成分分析结果显示空气实验组(360 W, 5 min)和氮气实验组(360 W, 10 min)的糙米光谱与对照组光谱均存在明显差异.低温等离子体对水稻糙米种子的生长活力具有促进作用，能利用近红外光谱技术对作用效果进行初步评估.

低温等离子体；水稻种子；种子活力；近红外光谱；主成分分析

等离子体被称为物质的第4状态，是原子或分子被电离后形成的电子、离子混合气态物质，一般分为冷等离子体(非平衡态等离子体)和热等离子体(平衡态等离子体)，其中冷等离子体的表观温度接近或略高于环境温度(故又称为低温等离子体)，而热等离子体表观温度可达几千度[1].低温等离子体在材料表面改性[2]及农业食品[3]中有广泛应用.研究表明低温等离子体对农作物种子具有灭菌作用[4]，能促进或抑制种子活力[5]、改变种子酶活[6]等.另外，低温等离子体可使糙米的理化性质发生改变及产生相关生物效应，如表面微结构、水分吸收率、发芽率、抗氧化活力及γ-氨基丁酸的含量发生变化[7-8].近红外(near infrared, 简称NIR)光是指波数范围处于4 000～12 500 cm-1的非可见光，NIR光谱包含有机物分子振动基频的倍频和合频信息.NIR光谱技术具有无损、快速、多组分同时分析的特点，该技术可快速分析农作物种子相关内含物的含量[9-10]，且能判别种子的颜色、染菌程度、储藏年限等[11].笔者以水稻糙米种子为研究对象，亚大气压下使用低温等离体对水稻糙米进行处理，研究不同气体、不同功率及不同处理时间下低温等离体子对糙米生长的影响，并利用NIR光谱技术对等离子体处理的糙米进行初步分析，判断其理化性质是否发生明显的改变，由此探索低温等离子体促进种子生长的优化条件，以及采用NIR光谱技术预判等离子体作用效果的方法.

1 实 验

1.1 材料及仪器

材料：糙米为9311常规稻种，手工剥除种壳，挑选形态一致、饱满透明的糙米作为实验材料.

仪器：南京苏曼电子有限公司提供的介质阻挡亚大气压辉光放电低温等离子体处理装置(图1左)，德国布鲁克公司生产的MPA傅里叶变换近红外光谱机(图1右).

图1 低温等离子处理装置(左)和傅里叶变换近红外光谱机(右)

1.2 实 验

1.2.1 低温等离子体处理

空气、氮气环境下各设置15个实验组，功率和处理时间分别为8，40，120，240，360 W和5，10，20 min.机器真空度设置为1.5 kPa，即室内的压力达到1.5 kPa时开始进行等离子体处理.放电时将糙米单层放于直径为9 cm圆玻璃皿的中部，便于等离子体均匀作用于糙米.

1.2.2 NIR 光谱采集和主成分分析

NIR光谱仪开机预热30 min，机器性能稳定后选择漫反射光谱采集方式，光谱采集范围为4 000～12 000 cm-1，分辨率为16 cm-1，扫描次数为32.光谱采集时，保持糙米的位置不变.主成分分析(principal component analysis,简称 PCA)是一种多元统计分析技术，原理是将光谱数据进行降维，获取主要的光谱数据特征，其结果可用于判断样本光谱之间是否存在差异[12].PCA分析时，为了去除低压以及气体环境对糙米光谱的影响，分别对不同气体不同处理时间的实验组设置对照组，共有氮气环境1.5 kPa低压下5，10，20 min和空气环境1.5 kPa低压下5，10，20 min 6个对照组.主成分分析时采用的光谱预处理方法有：矢量归一化、多元散射校正、一阶导数、一阶导数加矢量归一化、一阶导数加多元散射校正.矢量归一化可校正一定范围内光程差异引起的光谱变化；多元散射校正可消除固体颗粒大小、分布不均匀产生的散射影响；一阶导数可消除基线和其他背景的干扰，提高光谱分辨率和灵敏度，但会引入噪声、降低光谱信噪比[13].光谱采集和主成分分析均在OPUS7.0软件上完成.

1.2.3 发芽试验和数据测量

每个实验组包含24粒糙米，首先将糙米浸泡于1%的次氯酸钠溶液15 min，然后用去离子水清洗3次，均匀排列于剪去底部的96孔板，96孔板放于育苗盘内，盘内水高保持在2 mm以上，将各实验组的育苗盘置于光照培养箱的同一层，以保证光照、水分、温度等条件相同.数据测量与统计分3个阶段，第1阶段：发芽试验后第4天，记录各实验组苗高高于1.2 cm的数量，计算相应的比例，即苗高(第4天)大于1.2 cm的比例；第2阶段：每3天测量一次苗高，后根据下式计算活力指数[14]

H=∑St/Dt，

(1)

其中：St为苗高，Dt为发芽天数；第3阶段：12天后剪去完整的稻苗，放置70 ℃烘箱烘干至恒重，测量苗干重[15].图2为第4(A1)，7(A2)，10(A3)，12(A4)天的发芽结果.

a: (120 W, 20 min); b: (240 W, 20 min)；c: (360 W, 20 min).图2 第4(A1)，7(A2)，10(A3)，12(A4)天的发芽结果

2 结果及分析

2.1 发芽试验结果

表1为不同气体环境、功率和处理时间下等离子体处理的糙米发芽试验结果.

图3，4分别为空气、氮气环境下不同功率、处理时间下糙米的发芽结果.由图3可知，根据苗高(第4天)大于1.2 cm的比例和活力指数的结果，空气环境下(360 W，5 min)和(8 W，10 min)实验组最优，其中(360 W，5 min)实验组苗高(第4天)大于1.2 cm的比例、活力指数和苗干重指标分别为41.65%，0.574和47.9 mg.根据苗干重的结果，空气环境下，(8 W，5 min)和(120 W，10 min)实验组最优，其中(120 W，10 min)实验组的3个指标分别为25%，0.555和49.3 mg.由图4可知，氮气环境下，(360 W，10 min)，(8 W，20 min)和(360 W，20 min)实验组的糙米活力促进效果较明显，其中(360 W，10 min)实验组的3个指标分别为20.83%，0.525和48.6 mg，这些结果均明显高于对照组的4.17%，0.491和45.7 mg.除此之外，空气环境下各实验组3个指标的平均值分别为17.22%，0.5和47 mg，氮气环境下各实验组3个指标的平均值分别为7.22%，0.457和46.28 mg，与对照组相比，空气环境下等离子体对糙米活力的促进效果更优.

表1 等离子体处理的糙米发芽结果

图3 空气环境下不同功率等离子体处理的糙米苗高(第4天)大于1.2 cm的比例、活力指数和苗干重

图4 氮气环境下不同功率等离子体处理的糙米苗高(第4天)大于1.2 cm的比例、活力指数和苗干重

上述结果表明：(1)选择合适的放电条件，低气压低温等离子体对糙米的初期生长和发芽率具有较明显的促进作用；(2)不同放电气体、放电功率及处理时间下，等离子体对糙米的刺激和生长促进效果明显不同.

2.2 采用NIR光谱技术对等离子体处理的种子的初步主成分分析

笔者采用近红外光谱技术对等离子体处理的糙米可能发生的物理化学变化进行分析.图5为矢量归一化预处理下各实验组的近红外光谱，其中7 000～4 000 cm-1波数范围的光谱存在差异且信息丰富，因此选择上述6个实验组糙米此波数范围的近红外光谱进行主成分分析(PCA).图5中，为便于比较, 光谱做了矢量归一化预处理，其中包含8，40，120，240，360 W功率下处理5，10，20 min的15个实验组和对照组糙米的近红外光谱.

图5 空气等离子体处理(a)、氮气等离子体处理(b)的实验组与对照组糙米的矢量归一化预处理的近红外光谱

对比矢量归一化、多元散射校正、一阶导数、一阶导数加矢量归一化、一阶导数加多元散射校正这5种光谱预处理下的PCA结果，笔者发现：空气等离子体刺激下促生长较好的实验组糙米近红外光谱，在矢量归一化预处理下的PCA结果区分较好(见图6)；氮气等离子体刺激下促生长较好的实验组糙米近红外光谱，在一阶导数预处理下的PCA结果区分较好(见图7).这说明此6个实验组的糙米光谱数据与其各自对照组的糙米光谱之间确实存在较明显的差异.以上结果不仅表明糙米经等离子体处理后理化性质发生了变化，而且也表明近红外光谱可作为初步评估等离子体对糙米作用效果的工具.

图6 光谱矢量归一化预处理下的PCA结果

图7 光谱一阶导数预处理下的PCA结果

3 结束语

笔者研究了不同气体环境、功率及处理时间下，低温低气压等离子体对糙米生长活力的影响，并且分析了近红外光谱用于评估等离子体处理糙米效应的可行性.研究发现，等离子体在一定条件下能够增强糙米种子的生长活力，对种子早期生长有较明显的促进作用；空气等离子体对糙米的活力促进效果更优，氮气等离子体对糙米的刺激作用稍弱；不同功率条件下低温等离子体处理的糙米近红外光谱特征存在明显差异，说明等离子体处理改变了种子的理化性质.

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