薄层色谱法分离叶绿素菠菜（高光谱和叶绿素荧光两种成像技术用于无损判定鲜切生菜状态的比较）
薄层色谱法分离叶绿素菠菜（高光谱和叶绿素荧光两种成像技术用于无损判定鲜切生菜状态的比较）图1 使用PAM Fluorcam 800对生菜叶表面Qy空间分布的代表性测量出于分析的需要，研究人员对以上两个指数进行了积分处理，分别表示为HCI678和HPSRI。研究结果见下面图文。对于高光谱数据，研究人员使用了两个植被指数，叶绿素指数CI678和植被衰减指数PSRI。（1） CI678 = R800 / R678；CI678用于表征叶绿素浓度的最敏感光谱指数，其中 R800 是不受色素吸收光影响的近红外 (NIR) 区域波段的反射率，R678 是叶绿素在最大吸收波段的红光反射率。（2） PSRI = ( R678 - R480 ) / R800；PSRI与样品中的[类胡萝卜素]/[叶绿素] 比率密切相关，并最终指示植物对象的衰老速率和阶段，其中 R800 是不受色素吸收光影响的近红外 (NIR) 区域波段的反射率，R480是受类胡萝卜素和叶绿素综合影响的反射率，R678 是叶绿素在
无论公司和农场规模大小如何，为消费者生产优质蔬菜是所有种植者的首要目标。从农场到餐桌，生产和供应链的每一个环节都要确保高质量，这一目标要求开发出可负担的、高效的、最好是无损的监测技术，用于监测蔬菜产品的质量，为此目标已经提出了多种方法，目前广泛使用的是叶片/果实的反射光谱和叶绿素荧光技术（PAM）。
植物反射光谱含有大量与其生化成分、组织结构和生理状况的信息，色素组成的发展变化以及由环境胁迫和病原体侵染引起的变化会在植物反射光谱上有所体现。叶绿素是光合作用中捕获和转化光能的核心，类胡萝卜素（Car）对于光收集和光保护非常重要，几十年来，人们一直在尝试应用光学反射光谱来评估水果和蔬菜的质量及其生理状态。随着科技和生产力的发展，对植物光谱特征的测量由“点式”发展为成像式，后者提供不同尺度植物的空间分辨率光谱信息，从植物器官（叶片和果实）到整株植物，再到生态系统规模。高光谱反射率图像 (HRI) 技术已经发展成为一种强有力的无损检测工具，并应用于产品包装生产线上。叶绿素荧光技术则是对叶绿素功能状态进行评估的最普遍方法，两者都能够捕获有关物体的空间分辨信息。
然而，在许多情况下，构成蔬菜产品“质量”的参数变化与光谱反射率或荧光数据之间的关系并不确定。即使在单片叶子内，植物所表现出的监测参数的显著异质性也会加剧这种情况。这些不确定性和局限性源于对植物组织的生物化学和形态及其测量的光学特性之间的关系理解不足，解决这一问题将有助于正确解析反射率图像，开发计算机视觉和机器人系统以实现自动收割作业和农产品分级。
鉴于上述原因，Boris Shurygin等人（2021）比较了两种检测新鲜生菜叶生理状况和质量早期变化的方法。第一种方法基于叶绿素荧光成像，使用了光系统II最大光化学量子产率 (Qy)这一指标，Qy被认为是对植物光合官能团和组织状况的快速变化最敏感参数。第二种方法采用高光谱成像和以前为监测植物对象而开发的基于反射率的植被指数，这种方法经常用于植物遥感监测，它在评估植物绿色部分的生产力、生物量评估、叶绿素（Chl）含量和损害方面具有巨大的潜力。研究人员这两种技术获得的数据与传统生化分析（叶组织含水量和色素成分）的结果进行对比，提出可用于生菜无损检测的新方法。
对于高光谱数据，研究人员使用了两个植被指数，叶绿素指数CI678和植被衰减指数PSRI。
（1） CI678 = R800 / R678；CI678用于表征叶绿素浓度的最敏感光谱指数，其中 R800 是不受色素吸收光影响的近红外 (NIR) 区域波段的反射率，R678 是叶绿素在最大吸收波段的红光反射率。
（2） PSRI = ( R678 - R480 ) / R800；PSRI与样品中的[类胡萝卜素]/[叶绿素] 比率密切相关，并最终指示植物对象的衰老速率和阶段，其中 R800 是不受色素吸收光影响的近红外 (NIR) 区域波段的反射率，R480是受类胡萝卜素和叶绿素综合影响的反射率，R678 是叶绿素在最大吸收波段的红光反射率。
出于分析的需要，研究人员对以上两个指数进行了积分处理，分别表示为HCI678和HPSRI。研究结果见下面图文。
图1 使用PAM Fluorcam 800对生菜叶表面Qy空间分布的代表性测量
图2 在储存的不同时间段使用SPECIM IQ对生菜叶进行高光谱成像
叶绿素荧光成像分析尽管人们预期鲜切植物在储存过程中，随着光合活性下降，低Qy值分布区域面积会增加，但叶绿素荧光成像的结果却并未揭示这一明显趋势（图3）。PE密封膜内的叶片低光合活性区域像素面积有相应的增加，但是非密封样品却显示出相反的趋（图3a）。两个实验组都显示出具有中高光合活性的叶面积下降，在大多数情况下，密封和非密封叶片显示的趋势没有显著差异（图 3b）。出乎意料的是，在整个观察期间，在密封和非密封储存的叶子中，具有高光合活性的区域保持不变或趋于上升（图 3c），只有在叶子脱水的晚期，记录到微弱的下降。因此存储叶片的叶绿素荧光成像均未显示出任何与叶片状况/化学分析的显著相关性。
图3 非密封包装和密封包装两种处理鲜切生菜不同Qy值分组的相对面积变化，Qy 分组分别为 (a)低到中光合活性 0.4 - 0.6 (b) 中到高光合活性 0.6 - 0.7 (c)高光合活性 0.7-0.8
高光谱成像分析如图4所示，对不同生菜样品进行CI678分析，该指数表示 Chl 对应于叶面的每个像素，总体而言，存储叶片具有高 Chl含量的像素数减小，而具有低 Chl含量的像素数增加，表现为CI678值分布最大值向左移动。
图4 表征非密封生菜叶绿素含量的CI678代表性变化 （a）不同储存阶段高光谱成像图 （b）CI678像素分布直方图；如图5a所示，表征叶绿素浓度的HCI678指数随生菜存储时间而下降，此外，无论存储模式如何，该指数都与叶片实际 Chl 密切相关（图5b）。
图5 HCI678指数平均值变化 （a）随存储时间变化 （b）随实际叶绿素浓度降低
PSRI 是一种先前开发用于评估植物发育和衰老的反射指数，以反映生菜叶存储期间色素转化，数据分析表明，HPSRI的动力变化与 Car / Chl 比率动力学类似，并且能够提示不同储存叶片中色素转化率的微小差异（图6）。
图6 PSRI指数平均值变化 （a）随时间变化 （b）随叶绿素浓度下降而下降
综合以上分析，研究人员得出结论，由于存储期间叶绿素荧光信号的异质怀，导致其Qy值也存在很大差异，无法准确反映和评估生菜的存储状态及变化，而高光谱成像则更适于反映叶片中Car和Chl的转化，体现其存放状态过程，这一技术的开发利用不仅可用于研究领域，也可用于产品分级生产线。
参考文献Shurygin B. et al. Comparison of the Non-Invasive Monitoring of Fresh-Cut Lettuce Condition with Imaging Reflectance Hyperspectrometer and Imaging PAM-Fluorimeter. Photonics 8 425 (2021).
