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白珏坤1,2(), 刘亚超2, 董大明1,2(
), 岳晓龙2, 杜秀可2
收稿日期:
2025-04-22
出版日期:
2025-08-14
基金项目:
作者简介:
白珏坤,硕士研究生,研究方向为拉曼光谱技术及其在农作物测量中的应用。E-mail: 2222216002@stmail.ujs.edu.cn
通信作者:
BAI Juekun1,2(), LIU Yachao2, DONG Daming1,2(
), YUE Xiaolong2, DU Xiuke2
Received:
2025-04-22
Online:
2025-08-14
Foundation items:
National Key Research and Development Program of China(2022YFD2002101)
About author:
BAI Juekun, E-mail: 2222216002@stmail.ujs.edu.cn
Corresponding author:
摘要:
【目的/意义】 蔬菜品质安全与营养价值的实时无损检测是贯通“从田头到餐桌”全产业链的核心需求。光谱技术被视为是提高检测效率、降低成本、实现规模化的关键手段。本文通过概述光谱技术在蔬菜产业链各环节的应用以及分析发展方向,为该领域的研究者和从业者提供帮助。[进展]系统回顾了近年来近红外、拉曼、荧光、激光诱导击穿光谱(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS)及紫外-可见等光谱分析技术在蔬菜育种、种植管理、采收、储运、销售全链条的应用进展。硬件层面,小型化传感器配合智能手机、无人机及物联网实现田间原位监测;算法层面,偏最小二乘回归(Partial Least Squares Regression, PLSR)、卷积神经网络、迁移学习等模型使可溶性固形物(Soluble Solid Content, SSC)、农药残留、重金属等指标的预测R²普遍大于0.90,检测限低至mg/kg级;数据层面,多模态融合(LIBS-NIR、荧光-图像)显著提升了复杂基质下的鲁棒性;典型应用场景包括:拉曼-表面增强拉曼光谱实现痕量农药现场筛查,叶绿素荧光实现采后品质动态追踪,LIBS完成土壤-蔬菜重金属迁移原位监测。[结论/ 【展望】 光谱技术在蔬菜产业已具备“单点验证”到“链式示范”跨越的技术基础,但仍受模型跨品种跨环境泛化能力、田间噪声干扰、设备成本及标准缺失等问题的制约。未来需构建覆盖多品种、多地域的开放光谱数据库,发展自校准、自适应的智能传感器,制定硬件接口与数据格式统一标准,并通过模块化、租赁式商业模式降低中小农户使用门槛,以推动光谱技术在全球蔬菜产业的大规模、可持续应用。
中图分类号:
白珏坤, 刘亚超, 董大明, 岳晓龙, 杜秀可. 光谱技术在蔬菜生产检测中的研究进展、挑战与建议[J]. 智慧农业(中英文), doi: 10.12133/j.smartag.SA202504027.
BAI Juekun, LIU Yachao, DONG Daming, YUE Xiaolong, DU Xiuke. Spectral Technology in Vegetable Production Detection: Research Progress, Challenges and Suggestions[J]. Smart Agriculture, doi: 10.12133/j.smartag.SA202504027.
表1
蔬菜检测中三种典型光谱技术对比
光谱技术 | 类别 | 原理 | 优势 | 蔬菜产业链应用场景 |
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近红外光谱 | 吸收光谱 | 基于分子振动和转动能级跃迁,检测4 000~400 cm-1范围内的特征吸收峰 | 1)对有机化合物官能团敏感 2)支持快速无损检测 3)适合含水样品分析 | 1)育种 2)营养组分分析 3)农药残留检测 |
拉曼光谱 | 散射光谱 | 基于光子与分子的非弹性散射,检测分子振动和转动引起的散射光频率变化(50~4 000 cm-1) | 1)无需样品预处理 2)可穿透透明包装检测 3)高空间分辨率 | 1)植物胁迫识别 2)成熟度评估 3)农药残留检测 |
荧光光谱 | 发射光谱 | 基于荧光物质吸收特定波长光后发射长波长荧光的特性(通常200~900 nm) | 1)高灵敏度 2)特异性识别荧光基团 3)实时动态监测 | 1)蔬菜品种鉴定 2)采后品质检测 3)污染物及农药检测 |
表2
光谱技术在蔬菜产业链应用中的局限性及解决方法
挑战类别 | 具体问题 | 当前局限性 | 解决策略 | 关键技术路径 |
---|---|---|---|---|
检测精度与泛化性 | 跨品种、跨环境模型性能下降 | 单一品种数据集;光谱-成分映射关系不明确 | 构建多维度光谱数据库;开发自适应算法 | 迁移学习框架;混合式CNN-RNN模型;数据增强技术 |
硬件性能与环境适应 | 便携式、小型化传感器信噪比、分辨率不足 | 小型化与高精度矛盾;环境干扰(光照/湿度) | 优化光学模组设计;提升环境鲁棒性 | MEMS光谱芯片;自适应光源稳控系统;纳米增强基底(带生物亲和性核壳结构) |
数据标准化 | 研究的实验参数不统一导致数据壁垒 | 缺乏统一采集标准;算法黑箱化 | 建立全链条数据标准;推动开放协作 | 制定国际化标准;可解释性人工智能;区块链数据存证 |
成本与产业化 | 设备昂贵、运营维护复杂 | 精密光学元件成本高;缺乏模块化设计 | 开发低成本替代方案;构建产业生态 | 手机光谱附件;CMOS微型光谱阵列;设备共享云服务平台 |
生物物理限制 | 探测深度不足;代谢动态干扰(叶绿素昼夜波动) | 组织光散射效应;活体动态响应 | 发展深层检测技术;融合多模态数据 | 时间门控荧光成像;光声光谱(增加穿透深度);多传感器数据融合 |
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