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技術(shù)方案
如何實(shí)現(xiàn)植物的藥用成分快速無損分析?——以易科泰多功能高光譜成像技術(shù)檢測黃酮醇和多酚為例
時(shí)間:2026-04-20    作者:易科泰 點(diǎn)擊量:

  反射光譜包含樣品的光譜信息與空間圖像信息,穿透傳統(tǒng)可見光局限,精準(zhǔn)反映植物內(nèi)部生理生化、成分含量、結(jié)構(gòu)差異等深層特征。生物熒光特別是植物熒光(植物自發(fā)光)則可以進(jìn)一步高靈敏度反應(yīng)植物生理狀態(tài)與生理生化狀態(tài),如紅色和遠(yuǎn)紅波段的葉綠素?zé)晒饪梢苑磻?yīng)植物光合生理,藍(lán)綠熒光可以反應(yīng)脅迫誘導(dǎo)次級(jí)代謝產(chǎn)物狀態(tài)、植物脅迫狀態(tài),同時(shí)可以進(jìn)一步活體檢測葉綠素、花青素、黃酮醇及氮素狀態(tài)。

  Fluortron多功能高光譜成像系統(tǒng),便是一款兼具反射光高光譜成像和植物自發(fā)光高光譜成像分析的多功能態(tài)系統(tǒng),可同時(shí)采集反射光光譜指紋和自發(fā)光(生物熒光)光譜指紋。該系統(tǒng)適合應(yīng)用于作物表型組學(xué)研究檢測、種質(zhì)資源檢測、抗性篩選、光合表型、病蟲害早期檢測,及中藥材溯源與品質(zhì)檢測等眾多領(lǐng)域。

一、生物熒光高光譜——分析銀杏葉中的黃酮醇含量

  黃酮醇是銀杏葉的主要活性成分,具有抗氧化、清除自由基等作用。利用FluorTron多功能高光譜成像的黃酮醇測量程序,獲得陽光照射條件好的銀杏葉(光照組)和常年處于陰影狀態(tài)下的銀杏葉(遮蔭組)的生物熒光高光譜信息,并計(jì)算FLAV=log(FRF_R/FRF_UV),該指數(shù)可以反映葉片表皮黃酮醇含量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,光照條件下銀杏葉Flav平均值為1.397,顯著大于遮蔭條件下的平均值0.861。同時(shí),利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)活體銀杏葉黃酮含量分布的可視化。

光照條件好的銀杏葉與長期陰影條件(遮蔭)下銀杏葉黃酮含量活體成像及葉綠素?zé)晒夤庾V曲線

二、反射高光譜——集合機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù),鑒定羅勒中的總酚含量

  此前一篇發(fā)表于PLOS ONE的研究,以PlantScreen系統(tǒng)的高光譜成像功能為核心,結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù),成功實(shí)現(xiàn)了藥用植物圣羅勒(Ocimum tenuiflorum L.)總酚含量的多生育期快速無損判別,為功能成分表型分析提供了可直接復(fù)用的權(quán)威范式。

  PlantScreen植物表型成像系統(tǒng)(傳送帶式PlantScreen、PlantScreen XYZ等)將高光譜技術(shù)與自動(dòng)化表型平臺(tái)深度融合的一體化科研解決方案——系統(tǒng)集成高光譜、RGB 3D、葉綠素?zé)晒?、激光掃描等多模態(tài)成像模塊,搭配自動(dòng)化傳送、標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境控制、原生算法分析等

  得益于系統(tǒng)自動(dòng)化、高通量的優(yōu)勢,對26個(gè)圣羅勒品種,分3個(gè)生育期(cut1、2、3)在可見近紅外(VNIR :355–900 nm)和短波紅外(SWIR:900–1700 nm)光譜范圍內(nèi)獲取羅勒的高光譜圖像數(shù)據(jù)。使用PlantScreen™數(shù)據(jù)分析軟件對這些高光譜圖像進(jìn)行處理,包括圖像轉(zhuǎn)換處理、提取光譜信息、圖像分割、光譜統(tǒng)計(jì)、2nm間隔降維等,輸出單株平均光譜。之后經(jīng)過提取特征參數(shù)、剔除異常數(shù)據(jù)、測量總酚含量、建模等步驟,開發(fā)并評(píng)估用于表征酚類物質(zhì)含量水平的機(jī)器學(xué)習(xí)模型

左圖為實(shí)驗(yàn)測量和分析流程;右圖:A首次測量光譜反射率模式與較老樣本存在顯著差異,這凸顯了不同生長階段間光譜響應(yīng)特征的差異性;表格展示了4種模型的準(zhǔn)確率

  結(jié)果表明,光譜與生育期強(qiáng)相關(guān)幼齡植株(第 1 茬)光譜反射率顯著更高;成熟植株(第 2、3 茬)總酚含量更高,光譜更穩(wěn)定,更適合用以預(yù)測,預(yù)測置信度更高。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是最優(yōu)的方法(AUC=0.8113,準(zhǔn)確率 = 0.7345);XGBoost 準(zhǔn)確率次之,但效率更高(速度為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)3倍)。

 

易科泰提供全面的光譜表型成像技術(shù)方案:

  • FluorTron多功能高光譜成像技術(shù)
  • PhenoTron-HSI植物高光譜表型成像技術(shù)
  • PhenoPlot近地遙感成像技術(shù)
  • PlantScreen植物表型成像技術(shù)
  • 葉綠素?zé)晒?多光譜熒光成像技術(shù)

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