一种使用低场核磁技术的害虫检测技术

张静雅， 凌海波

(皖西学院 电子与信息工程学院， 安徽 六安 237000)

0 引言

近年储粮害虫问题愈发严重. 世界储量每年大约有十分之一因为害虫而损失， 有些虫害严重的国家， 粮食损失甚至达到了三成之多[1]. 如何减少甚至消灭害虫来保证粮食的质量和产量成为了亟待解决的首要问题. 随着科学技术的发展和科研的进步， 害虫检测和成像技术也在逐渐成熟. 常用方法， 有扦样过筛法、 诱捕器法、 电导率法、 近红外光法和软X射线法等. 但大多数方法均存在准确度低， 检测成本高等问题[2-6]. 而低场核磁技术能够检测出分子之间因互相作用而引起的信号信息， 同时通过成像检测害虫形态， 其优势在于成本较低， 所以渐渐成为了较为普遍的分析方法[7]. 本文使用低场核磁技术进行害虫检测， 以进行粮食保护.

1 材料与方法

1.1 材料与设备

本文试验用的大米购于当地农贸市场(为当年新米)， 在试验前放置于4 ℃的环境中贮藏. 米象为实验室自主培养， 试验前置于高温高湿环境(温度30 ℃和湿度65%)中繁殖.

核磁共振分析仪(MRI-20型， 上海纽迈电子科技有限公司)， 核磁共振成像仪(NMI 20-060V-I型， 上海纽迈电子科技有限公司)， 体式显微镜(SZ61 型， OLYMPUS)， 恒温恒湿培养箱(LHS-450型， 上海培因实验仪器有限公司)， 电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9240A型， 浙江托普仪器有限公司)， 分析天平(BSA224S型， 北京赛多利斯仪器系统有限公司).

1.2 样品前处理

将大米样品置于恒温干燥箱中85 ℃下烘烤3 h即可杀灭原先自带的虫卵与杂菌， 之后冷却并置于4 ℃环境中贮藏. 将一定量成虫米象与大米混匀， 置于恒温恒湿干燥箱(温度30℃和湿度65%)中培养， 然后移除成虫， 并以未感染大米作为空白对照， 以观察不同生长时期下的米象状态， 试验中培养周期为50天. 分别获取不同生长期下的米象. 具体分类如图1所示.

图1 不同虫态的米象

1.3 水分测定

未感染大米通过GB/T 21305—2007《谷物及谷制品水分的测定法》直接测定. 感染大米在130 ℃条件下烘19小时再进行测定. 米象则置于恒温干燥箱中70 ℃烘烤48小时后进行测定.

1.4 低场核磁共振脉冲序列测定与MRI成像

将标准油样放入磁体箱中， 选取硬脉冲FID序列来校准磁场中心频率. 然后将大米样品置于10 mm核磁试管中， 选取硬脉冲CPMG序列测定样品， 重复3次， 之后取平均信号值作为最终结果. 然后采用质子密度加权法对样品进行成像处理， 以为感染大米作为空白对照， 将样品放置磁场中心， 每次样品的方向一致. 最后将得到的黑白图进行灰度处理形成伪彩图. 成像参数如下：视野80 mm×80 mm， 样品采集数256次， 切片厚度是2 mm， 重复时间TR=200.0 ms， 回波时间TR=6.383 ms.

(a.虫卵，b.幼虫，c.蛹，d.成虫)

1.5 数据处理

每个样品重复测定3次， 结果以平均值表示， 运用SPSS20.0进行主成分分析并使用软件Origin2018进行绘图.

2 结果与分析

2.1 不同生长期米象及未感染大米的弛豫时间分析

为了对比不同生长期米象与未感染大米的核磁弛豫时间信号， 分别进行同等质量取样进行检测， 结果如图2所示. 不同生长期米象与未感染大米的信号幅值与弛豫时间不尽相同， 主要是由于各样品的水分含量与状态存在较大差异. 样品内部的水分与样品内物质结合的紧密程度决定了水分的状态， 结合的越松懈说明水的自由度越高， 在低场核磁测试中的弛豫时间T2越高， 反之则越小. 根据图2弛豫时间的检测结果， 将样品中的水分为4个部分， 分别为T21(0.01～0.1ms)、 T22(0.1～5ms)、 T23(5～200ms)和T24(200～1000ms). 同时， 核磁共振的信号幅值大小与样品内部的氢质子含量具有正相关关系， 一般可以通过信号峰的峰面积表示水的相对含量[8]， 结果如图3所示. 其中未感染大米在T22有强峰， 在T23具有弱峰， 说明大米样品内部的水主要以结合水的形态存在(含量达到88%以上). 而不同生长期米象样品在T23具有强峰， 在T22具有弱峰， 说明米象样品体内的水主要以游离形式存在(含量89%～92%). 因此， 可以看出大米样品与米象样品的核磁共振结果具有明显的差异性， 为检测大米中的隐蔽米象害虫提供检测依据. 随着米象从虫卵成长至成虫， 样品内的游离态水不断增多， 并且T23峰逐渐往T22峰迁移.

图2 低场核磁弛豫时间T2

图3 不同生长期米象含水率

2.2 不同生长期米象及未感染大米核磁共有峰的主成分分析

通过SPSS软件对各个样品中的弛豫时间峰(T21、 T22、 T23和T24)的相对峰面积进行主成分分析， 选取特征值大于0.5的主成分， 如图4a 所示， 前两个主成分的特征值均大于0.5， 累计贡献率达到99.9%， 主成分组合表达式为PC=0.852PC1+0.147PC2. 因此选择前两个主成分对不同样品低场核磁信号进行综合性评价， 结果如图4b所示. 与前文分析结果一致， 不同生长期的米象样品与未感染大米样品在吃鱼时间T23上存在显著差异性. 而虫卵期米象与其他生长期米象在T24上存在显著差异性.

图4 主成分分析

2.3 不同生长期米象及未感染大米的MRI成像

为了更直观的考察为感染大米与米象感染大米的区别以及样品中的水分变化情况. 笔者利用低场核磁共振成像(MRI)进行图像扫描， 并通过黑白度与灰度处理形成伪彩图， 结果如图5所示. 图像的中不同颜色表示各区域部位的水分相对含量大小， 由蓝至红表示水分含量越来越高， 同时图像亮度表示氢质子的含量与活跃程度较高. 以未感染大米为对照， 大米的表皮与胚芽位置的亮度较高， 说明大米样品的氢质子主要集中与大米的表皮与胚芽部位， 可能是因为胚芽部位是大米后续生长发育的主要能量来源， 因此贮存有大量水分、 油脂、 矿物质等营养物质. 而感染的大米样品表皮较为暗淡， 氢质子含量相对较低， 而不同生长期米象的信号则较强. 随着米象生长期延长米象在米粒中的体积不断增大， 大米的营养物质被米象蚕食后图像信号变得更弱. 其中米象在蛹期的相对水含量信号较为明显(为红色)， 可能是米象由幼虫变成蛹期期间进食大米营养物质积累所导致， 而米象成虫则已经出现从大米内部爬出的状态. 所以， 通过MRI图像可以非常高效直观的观察到米象感染大米与未感染大米之间的区别， 为快速检测储粮隐蔽性害虫技术提供了一定的参考依据.

图5 MRI图像(左：大米中不同生长期米象， 右：未感染大米)

3 结论

本研究对不同生长期米象与未感染大米的水分形态与含量变化进行分析， 从而实现低场核磁共振技术对大米和隐蔽性害虫的检测， 并得到以下结论：

(1)大米中水分主要以结合态形式存在， 而米象中的水分主要以游离形式存在， 并且含水量比大米高；

(2)不同生长期米象体内的水分含量随生长期的增大水分含量增多， 并且由游离态逐渐往结合态迁移；

(3)MRI图像能够快速的可视化大米内部水分分布情况与隐蔽害虫米象感染情况.