徐 將，劉木華，姚明印，王 曉

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江西 南昌 330045）

【研究意義】柑橘黃龍病是由一種限于韌皮部?jī)?nèi)寄生的革蘭氏陰性細(xì)菌引起的。它會(huì)造成根部局部腐爛，葉片缺素枯萎，果皮硬度增大。這些病害特征直接影響著柑橘的食用品質(zhì)[1-3]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】如何有效地對(duì)柑橘類食品進(jìn)行優(yōu)質(zhì)檢測(cè)與分類已經(jīng)成為農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)話題。常見(jiàn)的檢測(cè)分析方法有：嗅覺(jué)感官法、化學(xué)參量法、高光譜以及中紅外光譜法等[4-9]。Ding等[10]基于免疫血清學(xué)檢測(cè)法，可以分別采用免疫捕獲和免疫組織印跡實(shí)現(xiàn)高通量的黃龍病檢測(cè)鑒別；Cardinali等[11]基于近紅外光譜分析方法分別對(duì)健康、柑橘斑駁黃化病、感染黃龍病、未感染黃龍病4類臍橙葉片進(jìn)行分析，結(jié)合偏最小二乘回歸分類器可以使其鑒別準(zhǔn)確率達(dá)到93.8%；Ranulfi 等[12]基于激光誘導(dǎo)熒光光譜法分別對(duì)感染黃龍病、未感染黃龍病、感染柑橘斑駁黃化病葉片進(jìn)行研究，同時(shí)結(jié)合一定的判別模型進(jìn)行判別，其鑒別準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上；Pérez 等[13]基于拉曼光譜結(jié)合主成分分析和線性判別分析模型對(duì)甜橙進(jìn)行黃龍病診斷鑒別，試驗(yàn)結(jié)果表明感病甜橙出現(xiàn)異常譜帶，且敏感性達(dá)到86.9%（陽(yáng)性正確檢出率），特異性達(dá)到91.4%（陰性正確檢出率），識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到89.2%（總計(jì)正確檢出率）。這些檢測(cè)技術(shù)在柑橘黃龍病的檢測(cè)中都取得了一定的成果，但是他們各自也都存在著檢測(cè)精度和實(shí)時(shí)性等方面的不足?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）技術(shù)已經(jīng)被證明是一種適用于多元素同時(shí)檢測(cè)和分析的有效手段[14-15]。在LIBS 中，一束激光聚焦在樣品表面，產(chǎn)生熱等離子體。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】在本次研究中，論文基于等離子體中各元素發(fā)射光譜波長(zhǎng)的不同，反演等離子體中各元素的三維圖像，實(shí)現(xiàn)黃龍病斑紋的精準(zhǔn)識(shí)別。實(shí)驗(yàn)分別對(duì)8個(gè)不同延遲時(shí)間的等立體三維圖像進(jìn)行分析，結(jié)果表明該成像技術(shù)具有識(shí)別精度高、測(cè)量實(shí)時(shí)性好等方面的優(yōu)勢(shì)，在學(xué)術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域都有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 設(shè)備與組成

本次研究使用的等離子體信號(hào)采集平臺(tái)是江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生物光電重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主搭建完成的。主要設(shè)備包括：延時(shí)控制器（DG645，Stanford research system）、Nd：YAG 激光器（Vlite200，Beamtech Optronics）、反射鏡、穿孔反射鏡、高階透鏡（焦距：100 mm）、光信號(hào)收集器、八通道光譜儀（2048FT-8R，Avantes）、高速相機(jī)（iStar ICCD，Andor）等。光路傳播路徑與平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 等離子體信號(hào)采集平臺(tái)示意圖Fig.1 Schematic diagram of plasma signal acquisition platform

延時(shí)控制器為光譜儀、激光器和高速相機(jī)提供精準(zhǔn)的時(shí)序控制。激光器作為脈沖激光發(fā)射源，產(chǎn)生具有一定脈沖頻率和時(shí)間延遲的2束共軸雙脈沖激光，激光經(jīng)與水平方向呈45°角反射鏡的反射后，垂直穿過(guò)穿孔反射鏡，并經(jīng)高階透鏡聚焦后擊打在柑橘果皮表面，誘導(dǎo)出等離子體。各元素光信號(hào)經(jīng)高階透鏡-穿孔透鏡反射光路組合聚集至信號(hào)收集器，并進(jìn)一步由光纖傳輸至光譜儀，在處理軟件的輔助下以光譜信號(hào)的形式出現(xiàn)在顯示屏上。與此同時(shí)，在光信號(hào)采集器-高階透鏡組合呈45°角處，等離子體在不同延時(shí)時(shí)間內(nèi)的三維圖像信息由高速相機(jī)采集得到。

2 數(shù)據(jù)與分析

2.1 激光誘導(dǎo)等離子體光譜

常用的測(cè)量激光誘導(dǎo)等離子體溫度的方法是玻爾茲曼（Boltzmann）平面圖法，等離子體從Ei能級(jí)躍遷到Ej能級(jí)發(fā)射的譜線和強(qiáng)度滿足：

式（1）中，λ是電子從Ei能級(jí)躍遷到Ej能級(jí)發(fā)射譜線的波長(zhǎng)，Iijλ是光譜儀的信號(hào)強(qiáng)度響應(yīng)值，Cs是該躍遷粒子的濃度，Aij是躍遷概率，gi是Ei能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重，F(xiàn)是涉及接收系統(tǒng)的光學(xué)效率及等離子體數(shù)等因素的試驗(yàn)參數(shù)，kB是Boltzmann常量，T是等離子體溫度，Us(T)是發(fā)生這種躍遷的粒子配分函數(shù)。

利用測(cè)試平臺(tái)對(duì)柑橘果皮進(jìn)行信號(hào)采集，波長(zhǎng)范圍在200～1 100 nm 內(nèi)的黃龍病和正常果皮LIBS 的光譜如圖2所示。

圖2 黃龍病和健康柑橘果皮在200～1 100 nm波段內(nèi)的LIBS光譜圖Fig.2 LIBS spectra of Huanglongbing and healthy citrus peels in 200-1 100 nm band

在測(cè)量波長(zhǎng)范圍內(nèi)，柑橘果皮中都含有豐富的Ca、Na、Mg、K等礦質(zhì)金屬元素，以及C、H、O等有機(jī)質(zhì)非金屬元素。光譜數(shù)據(jù)顯示黃龍病對(duì)柑橘果皮中的K 元素含量沒(méi)有顯著影響，因此為了避免環(huán)境因素的影響，以K I 766.49 光譜強(qiáng)度來(lái)內(nèi)標(biāo)礦物質(zhì)元素特征譜線（Ca II 393.37、Mg II 279.55、Na I 588.99）與非金屬元素特征譜線（C I 247.86、H I 656.28、O I 777.19）。

內(nèi)標(biāo)法是從被測(cè)量樣品中選擇一種元素作為內(nèi)標(biāo)元素?，F(xiàn)在以Id表示被測(cè)元素的某條光譜線強(qiáng)度，IK表示內(nèi)標(biāo)K元素的光譜線強(qiáng)度，且這兩條光譜線對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)相近，則根據(jù)公式有：

式（2）中，C、g、A、U、E分別表示各元素的光譜線濃度、上能級(jí)統(tǒng)計(jì)權(quán)重、躍遷概率、配分函數(shù)以及上能級(jí)能量。確定內(nèi)標(biāo)線之后，根據(jù)等式（1）、（2）反推得到待測(cè)樣品中被測(cè)元素的濃度值。

如圖3 所示，當(dāng)以K 元素為內(nèi)標(biāo)元素時(shí)，黃龍病和健康柑橘果皮中的各元素濃度存在明顯差異。其中，健康柑橘果皮中的Mg、H元素的含量要高于患有黃龍病柑橘果皮，而Ca、Na 元素的含量正好相反，C、O 元素的濃度相近。數(shù)據(jù)結(jié)果表明：黃龍病會(huì)造成柑橘果皮中Mg、H 元素濃度的下降，Ca、Na 元素濃度的增加，對(duì)K、C、O元素的影響不大。

圖3 K元素內(nèi)標(biāo)黃龍病、健康柑橘果皮中的元素Fig.3 Internal standard of K element in Huanglongbing and healthy citrus peel

2.2 三維空間分布

激光誘導(dǎo)等離子體溫度是表征等離子體性質(zhì)的重要物理參數(shù)，對(duì)理解激光誘導(dǎo)等離子體內(nèi)部的熱力學(xué)過(guò)程起著非常重要的作用，同時(shí)也對(duì)定量分析結(jié)果的準(zhǔn)確度有著極大的影響[16-17]。

將等式（1）兩邊取對(duì)數(shù)，得到

式（3）中，F(xiàn)、Cs和Us(T)都是系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)，在熱平衡狀態(tài)下均具有確實(shí)的數(shù)值。然后將等式（3）對(duì)能級(jí)Ei求微分可以得到等離子體溫度的表達(dá)式為：

根據(jù)量子力學(xué)的理論，微觀粒子各種運(yùn)動(dòng)形式的能量是不連續(xù)的[18-20]。具有相同能量的粒子可以處于不同的量子態(tài)，即某一能級(jí)的譜線常常是由好幾條非常接近的精細(xì)譜線所構(gòu)成。在局部熱平衡狀態(tài)下，如果整個(gè)等離子體的能量分布均勻，那么整個(gè)狀態(tài)就可以用一個(gè)確定的參量來(lái)表示，這時(shí)如果沒(méi)有外界條件的影響，等離子體的宏觀性質(zhì)不會(huì)隨著時(shí)間而變化。

利用高速相機(jī)采集等離子體從產(chǎn)生到淬滅的三維圖像信號(hào)。兩路激光間延遲700 ns，積分時(shí)間2 ms。采集門(mén)寬5 ns，采集延遲步長(zhǎng)0.5 μs，每幅圖累計(jì)3次激光脈沖，共采集10幅不同延遲時(shí)間點(diǎn)的等離子體形貌圖。為了分析等離子體形貌的變化趨勢(shì)并且對(duì)比兩者的差異性，分別采集了0.5～4.0 μs延遲范圍內(nèi)的8幅健康、黃龍病柑橘果皮的等離子體三維圖像，如圖4所示。圖4中水平平面為樣品的采集面，由于樣品的灼燒面積極小，所以在測(cè)量點(diǎn)處，粗糙的果皮表面可以近似為一個(gè)平面。在各延遲時(shí)間點(diǎn)處，根據(jù)內(nèi)標(biāo)法和采集三維圖像可知果皮表面等離子體信號(hào)存在明顯的不同，能量分布的差異可以更好地反映出本次研究測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。與原始光譜數(shù)據(jù)相比，等離子體三維成像的差異更加鮮明，信號(hào)對(duì)比也更加突出，這為柑橘果皮中黃龍病斑紋的識(shí)別提供了依據(jù)。

圖4 等離子體三維圖像Fig.4 Three-dimensional images of plasma

3 平均貢獻(xiàn)率

由于Ei為等離子體的躍遷能級(jí)，因此可以用來(lái)描述復(fù)合系統(tǒng)的固定總能量。將等式（4）帶入等離子體系統(tǒng)局部熱平衡溫度公式，可以得到三維空間內(nèi)的平均貢獻(xiàn)率的表達(dá)式為：

為了更好的驗(yàn)證利用等離子體三維成像技術(shù)來(lái)識(shí)別黃龍病果皮的優(yōu)勢(shì)，對(duì)各個(gè)時(shí)間段內(nèi)的三維圖像進(jìn)行處理，并且計(jì)算出檢測(cè)位置處等離子體在三維空間內(nèi)的平均貢獻(xiàn)率。

如圖5 所示，在各采集點(diǎn)處，黃龍病果皮中Ca 元素的平均貢獻(xiàn)率都明顯大于健康果皮，并且在等離子體能量最大時(shí)差異最大。該現(xiàn)象表明，黃龍病等離子體在前期發(fā)射強(qiáng)度大于健康果皮等離子體發(fā)射強(qiáng)度，同時(shí)等離子體壽命更長(zhǎng)，相比于健康柑橘更晚開(kāi)始坍縮消失。

圖5 各延遲時(shí)間Ca元素的平均貢獻(xiàn)率Fig.5 Average contribution rate of Ca element in each delay time

產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是：感染黃龍病后果皮硬度增大，表面更加光滑，導(dǎo)致可溶性固形物、酸含量、維生素C 含量顯著下降。當(dāng)激光擊穿樣品產(chǎn)生等離子體時(shí)，以熱傳導(dǎo)和能量交換等形式被水分、有機(jī)質(zhì)分子吸收的能量也較小。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，利用等離子體三維成像技術(shù)可以精確地對(duì)感染黃龍病的柑橘進(jìn)行識(shí)別，并且在等離子體能量最強(qiáng)時(shí)效果最佳，這一特征可以為最佳等離子體信號(hào)的采集提供依據(jù)。

4 討論與結(jié)論

綜上所述，本文利用等離子體三維成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了柑橘表面黃龍病斑紋的識(shí)別與檢測(cè)。首先，利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜平臺(tái)分別對(duì)健康果皮和黃龍病斑紋進(jìn)行等離子體信號(hào)的采集，得到光譜數(shù)據(jù)與各延遲時(shí)間的等離子體三維圖像。其次，以K 元素為內(nèi)標(biāo)元素，根據(jù)光譜線強(qiáng)度計(jì)算出其余各元素的含量，將含量差異最大的Ca元素作為黃龍病果皮識(shí)別依據(jù)。然后，結(jié)合量子力學(xué)理論中微觀粒子運(yùn)動(dòng)形式的不連續(xù)性，根據(jù)等離子體系統(tǒng)局部熱平衡溫度公式推導(dǎo)出了三維空間內(nèi)的平均貢獻(xiàn)率等式。最后，借助MATLAB 軟件計(jì)算出Ca 元素在等離子體三維空間中的平均貢獻(xiàn)率值，對(duì)黃龍病果皮表面等離子體的特征進(jìn)行了分析。

結(jié)果表明，等離子體三維成像技術(shù)可以快速高效地對(duì)感染黃龍病的柑橘進(jìn)行識(shí)別，并且在等離子體能量最強(qiáng)時(shí)效果最佳，這一現(xiàn)象完全符合局部熱平衡的理論推導(dǎo)。該測(cè)量技術(shù)準(zhǔn)確、可靠，完全適用于柑橘類農(nóng)產(chǎn)品的加工檢測(cè)與分級(jí)評(píng)價(jià)。