農(nóng)業(yè)及食品工業(yè)傳感器運(yùn)用

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1光譜遙感

農(nóng)作物光譜的遙感已經(jīng)被深入研究，并被證明是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)管理的一個(gè)重要工具。農(nóng)業(yè)光譜遙感是指在田野上方所得到的光譜圖像，此時(shí)的入射電磁輻射通常是指陽(yáng)光[1]。當(dāng)陽(yáng)光照射到作物或土壤表面時(shí)，光線會(huì)被反射、吸收或透射，這取決于光線的波長(zhǎng)和所接觸物體的特性。所接觸物體的物理或化學(xué)性質(zhì)的差異，例如葉子的顏色、質(zhì)地或形狀，決定了某一特殊波長(zhǎng)的光線被反射、吸收或透射的能量多寡。農(nóng)業(yè)中最常用的遙感技術(shù)是光譜反射比測(cè)量。所測(cè)定的光譜反射比（反射能量與入射能量的比值）是波長(zhǎng)的函數(shù)[2,3]。與波長(zhǎng)相關(guān)的反射比曲線這一光譜特征隨植物品種和條件不同而有所差異。大多數(shù)農(nóng)業(yè)應(yīng)用項(xiàng)目中所測(cè)得的電磁波的波長(zhǎng)范圍從可見光（400~700nm）直至近紅外范圍（700~2500nm）之間[1]。研究表明這一范圍內(nèi)的光譜特征可以為了解作物和土壤的生理學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)提供豐富和有價(jià)值的信息[1,4,5]。已經(jīng)依據(jù)所測(cè)定的光譜反射比數(shù)據(jù)編制了某些特殊植物和農(nóng)作物的光譜學(xué)指數(shù)，用于對(duì)不同的農(nóng)業(yè)狀況進(jìn)行研究[1,6]。光譜儀、輻射計(jì)和數(shù)字照相機(jī)可以安裝在不同的平臺(tái)上，諸如地面（拖拉機(jī)或卡車）、空中（飛機(jī)）或太空（衛(wèi)星）等，以收集各種數(shù)據(jù)。傳感器平臺(tái)移動(dòng)時(shí)可進(jìn)行小范圍的連續(xù)測(cè)量，接著進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并繪制相應(yīng)圖像[3]。遙感結(jié)果的質(zhì)量可從空間分辨率、光譜分辨率和時(shí)間分辨率等方面進(jìn)行評(píng)估[1,3]。空間分辨率是指在圖像中可以辨認(rèn)的最小區(qū)間?？臻g分辨率與圖像的像素直接相關(guān)。光譜分辨率表達(dá)了由傳感器所測(cè)定的電磁波譜線的數(shù)值和寬度。時(shí)間分辨率則表明一個(gè)傳感器平臺(tái)能以怎樣的時(shí)間間隔提供該區(qū)域的測(cè)量數(shù)據(jù)。農(nóng)業(yè)和農(nóng)場(chǎng)管理應(yīng)用所需數(shù)據(jù)的空間分辨率通常為2~5米，時(shí)間分辨率則為1~3天，以及1個(gè)像素的地域精度和24小時(shí)內(nèi)的農(nóng)產(chǎn)品送貨時(shí)間，同時(shí)需對(duì)大氣環(huán)境的干擾，諸如灰塵、一氧化碳、二氧化碳和臭氧等進(jìn)行校正[6]。在上一個(gè)十年中，對(duì)傳感器分辨率的嚴(yán)苛要求極大地推動(dòng)了農(nóng)用傳感器研發(fā)的進(jìn)展[6]?？臻g分辨率在很大程度上取決于傳感器平臺(tái)的類型。地面和空中的傳感器平臺(tái)可以較容易地滿足田野上方空間分辨率的要求，但成本和勞動(dòng)力的花費(fèi)很大。設(shè)置在太空的平臺(tái)只能提供較低的分辨率，同時(shí)易受氣象條件的影響，例如云層的干擾。各類傳感器平臺(tái)的優(yōu)劣在Scotford等的文章中作了概括的評(píng)價(jià)[1]。光譜遙感技術(shù)早在上世紀(jì)六十年代初已被用于農(nóng)業(yè)。傳統(tǒng)的光譜傳感器采用一個(gè)多光譜成像系統(tǒng)，各個(gè)平行的傳感器陣列在電磁波的可見光波段至中紅外波段之間分別測(cè)量少量的光譜帶（3~6）[2,7]。近二十年來(lái)高光譜成像技術(shù)（hyperspectralimaging）的進(jìn)展促進(jìn)了光譜分辨率的提高。高光譜成像系統(tǒng)可以測(cè)量許多（數(shù)百個(gè)）極窄的相近光譜帶，波長(zhǎng)范圍從可見、近紅外、中紅外直至熱紅外[2,3,7,8]。由高光譜系統(tǒng)可以得到詳盡的高分辨率光譜數(shù)據(jù)，并可由此得到有關(guān)農(nóng)作物和田地特征的詳盡而精確的信息。高光譜系統(tǒng)產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)。如何對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析有賴于對(duì)高光譜傳感器和測(cè)定對(duì)象性質(zhì)的深入了解[2,3]。當(dāng)前，高光譜成像的研究課題包括數(shù)據(jù)處理機(jī)制、數(shù)據(jù)比對(duì)和模型建立等[9,10]。光譜遙感已經(jīng)被成功地應(yīng)用于測(cè)量農(nóng)作物營(yíng)養(yǎng)狀況、農(nóng)作物病害、水資源缺乏或豐盈、叢生的雜草、昆蟲危害、植物種群、洪水管理和其它田野狀況[1~3,11,12]。食品工業(yè)已采用光譜遙感技術(shù)來(lái)監(jiān)控食品質(zhì)量和檢測(cè)可能發(fā)生的食品污染[13~16]。在食品加工廠中通常采用一種人工光源來(lái)照射在傳送帶上輸送的食品，然后用一個(gè)傳感器系統(tǒng)來(lái)測(cè)量所產(chǎn)生的熒光或散射光的反射比。用于食品質(zhì)量監(jiān)控的光線波長(zhǎng)包括紫外（10~400nm）、可見（400~750nm）和近紅外（750~2500nm）等波段[13]。近來(lái)，三維高光譜成像系統(tǒng)已被用于準(zhǔn)確測(cè)定[17~21]。

2電子鼻

植物和樹木通常都會(huì)釋放出揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs），這是它們?nèi)粘Ｉ磉^(guò)程的副產(chǎn)物。此類特殊的揮發(fā)性有機(jī)物的產(chǎn)生以及所釋放的數(shù)量反映了農(nóng)作物和農(nóng)田的情況。濕度、光線、溫度、土壤情況、施肥、昆蟲和植物病害都會(huì)影響揮發(fā)性物質(zhì)的釋放。電子鼻在農(nóng)業(yè)中的最常見應(yīng)用是測(cè)定農(nóng)作物病害、判別昆蟲危害以及監(jiān)測(cè)食品質(zhì)量。電子鼻通常由氣體傳感器陣列和電子模式識(shí)別系統(tǒng)兩部分組成。陣列中的各種傳感器的選擇性可以廣泛或部分交叉覆蓋，模式識(shí)別系統(tǒng)中則包含了多變量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)處理工具。電子鼻的典型訓(xùn)練過(guò)程是對(duì)健康的植物/水果和罹患病害的植物/水果所釋放的揮發(fā)性物質(zhì)的特性進(jìn)行比較。這一領(lǐng)域的最新進(jìn)展可參見Sankaran等所撰寫的評(píng)論文章[22]。電子鼻在食品工業(yè)中的重要應(yīng)用是在加工和包裝過(guò)程中評(píng)估水果和蔬菜的新鮮和腐敗程度[23,24]。研究工作表明，揮發(fā)性物質(zhì)的檢測(cè)可以指示水果的成熟度以及哪些化合物能促進(jìn)水果的成熟，如氨[25,26]、乙醇[26]、乙烯[26,27]和反式-2-己烯醛[28]等。電子鼻已用于檢測(cè)蘋果儲(chǔ)藏期間芳香物的數(shù)量變化[29]，評(píng)估采摘后的桃、梨、香蕉[29~31]和油桃[29,31]等水果的質(zhì)量，以及檢測(cè)土豆的腐爛[32]等。不過(guò)上述研究都還處于初始階段。傳感器的穩(wěn)定性、使用壽命、標(biāo)定、選擇性以及氣體傳感器陣列儀器的標(biāo)準(zhǔn)化等都是制約其商業(yè)應(yīng)用的因素[33]。電子鼻和電位傳感器曾被用來(lái)確定安放食草性昆蟲誘捕器的范圍[34~36]。近來(lái)，利用電子鼻來(lái)測(cè)定植物在受到昆蟲襲擊后所釋放出的揮發(fā)性物質(zhì)，以便及早確定昆蟲危害的發(fā)生[37~39]。

3電化學(xué)傳感器

電化學(xué)傳感器在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的一個(gè)重要應(yīng)用是土壤化學(xué)中對(duì)諸如pH值或營(yíng)養(yǎng)成分的直接測(cè)量。土壤測(cè)試結(jié)果對(duì)于提高農(nóng)作物產(chǎn)量和生產(chǎn)質(zhì)優(yōu)、味美的食品至關(guān)重要。關(guān)于土壤傳感器的評(píng)述可參見Adamchuk等最近撰寫的文章[40]。用于測(cè)量土壤中某些離子活度（H+,K+,NO3-,Na+等）的電化學(xué)傳感器有如下兩類：1）離子選擇電極和2）離子選擇性場(chǎng)效應(yīng)管(ISFET)傳感器。這兩類傳感器也被用于監(jiān)測(cè)植物對(duì)離子的攝取。營(yíng)養(yǎng)成分的攝取速度取決于植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)的需求，此種需求與植物的生長(zhǎng)速度和植物體的營(yíng)養(yǎng)狀況有關(guān)。多數(shù)常量營(yíng)養(yǎng)元素（如氮、磷、鉀）的吸收過(guò)程都很活躍。監(jiān)測(cè)植物體或生長(zhǎng)系統(tǒng)的離子濃度可以幫助農(nóng)民制訂施肥策略和提高產(chǎn)量。離子選擇電極已經(jīng)可以用于多種不同離子的檢測(cè)。它們可用于土壤和作物(如土豆[41,42]和蔬菜)中氮元素的監(jiān)測(cè)，以便進(jìn)行施肥管理[43,44]。植物或土壤中的離子（例如碘離子、氟離子、氯離子、鈉離子、鉀離子和鎘離子等）可以用離子選擇電極進(jìn)行測(cè)定，以便對(duì)植物的新陳代謝、營(yíng)養(yǎng)以及植物中所存在的重金屬離子的毒物學(xué)影響[45~48]等進(jìn)行研究。隨著離子選擇電極和離子選擇性場(chǎng)效應(yīng)管的發(fā)展，促進(jìn)了溫室工業(yè)中為作物/植物開發(fā)特定離子營(yíng)養(yǎng)液供應(yīng)系統(tǒng)的努力。某些研究者開發(fā)了基于特定離子濃度測(cè)量的液體肥料注入系統(tǒng)[49,50]。這些系統(tǒng)能自動(dòng)進(jìn)行植物所需營(yíng)養(yǎng)的補(bǔ)給。

4生物傳感器

近年來(lái)，用于化學(xué)污染物質(zhì)以及食源性病原體檢測(cè)的生物傳感器的研究工作廣泛展開。食源性疾病對(duì)公共衛(wèi)生是一個(gè)迫在眉睫的威脅，每年由此造成的損失近300億美元[51]?，F(xiàn)今的細(xì)菌檢測(cè)方法，例如細(xì)菌培養(yǎng)、菌落計(jì)數(shù)、聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）[52]以及基于抗體的酶聯(lián)免疫法（ELISA）[53]等技術(shù)所需樣品量較大，隨后還需在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行樣品制備以及對(duì)試樣進(jìn)行分析，既費(fèi)力又費(fèi)時(shí)。大量研究工作集中于開發(fā)適用的生物傳感器，用于對(duì)目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)和病原體進(jìn)行快速測(cè)定[54~56]，且操作人員無(wú)需經(jīng)過(guò)特殊培訓(xùn)。生物傳感器通常由如下兩部分組成：1）生物分子識(shí)別元件（生物探針），它能識(shí)別目標(biāo)病原體并與之反應(yīng)；2）變換元件，它能對(duì)生物探針與目標(biāo)待分析物的相互作用發(fā)生響應(yīng)并將其轉(zhuǎn)換成可測(cè)定信號(hào)。有幾篇新發(fā)表的評(píng)論文章對(duì)近年來(lái)生物傳感器研發(fā)中的生物探針和變換器探索研究進(jìn)行了很好的評(píng)述[57~60]。目前常用的生物探針主要有核酸(DNA/RNA)、蛋白質(zhì)、酶、抗體和噬菌體[61~63]。用于生物傳感器的變換部件則主要有以下四類：電化學(xué)變換器、光學(xué)式變換器、熱學(xué)變換器和聲波(AW)器件。生物分子識(shí)別元件及其在傳感器界面的恰當(dāng)固定化決定了生物傳感器的選擇性，生物傳感器的靈敏度則決定于變換器元件。對(duì)高性能生物傳感器的需求已經(jīng)和正在推動(dòng)著不同種類變換元件的研究開發(fā)。在生物傳感器開發(fā)過(guò)程中，抗體和多肽長(zhǎng)期被用作生物識(shí)別結(jié)構(gòu)[64,65]。但是無(wú)論單克隆抗體和多克隆抗體都有其局限性，例如成本高昂、效果欠佳、易損傷和繁瑣的固定化操作。近年來(lái)，纖維狀噬菌體和溶解性噬菌體作為生物分子識(shí)別元件引起了許多研究者的注意[66~68]。與抗體相比，纖維狀噬菌體具有明顯長(zhǎng)處。噬菌體的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，可以抵抗攝氏80度以上的溫度以及各種化學(xué)品（例如酸、堿和有機(jī)溶劑）的作用[69]。噬菌體的三維識(shí)別表面能夠提供多個(gè)鍵合位點(diǎn)，因而對(duì)所測(cè)定的病原體有很強(qiáng)的鍵合能力。再則，只需花少量費(fèi)用即可得到大量合用的噬菌體[70]。表1中列出了已經(jīng)用于測(cè)定食源性病原體的多種噬菌體生物傳感器。聲波器件構(gòu)成了高靈敏度換能器的一個(gè)重要類別，并顯示了諸多優(yōu)異特性，例如高靈敏度、成本低廉、易使用、可遠(yuǎn)距離測(cè)量、微型化和能用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量等[62,71~74]。近年來(lái)，由無(wú)定形磁伸縮材料制作的聲波器件已被用于高性能生物傳感器的研發(fā)。應(yīng)用磁伸縮材料開發(fā)了兩類聲波器件：1）磁彈性（magnetoelastic,ME）共振器[75~82]；2）磁伸縮微懸臂梁（magnetostrictivemicrocantilevers,MSMC）[83~85]。圖2顯示了磁彈性生物傳感器的操作原理。研究者已經(jīng)用微機(jī)械加工的方法制作了基于噬菌體的獨(dú)立式磁彈性生物傳感器，在其中的磁彈性共振器表面覆蓋了用基因工程制得的噬菌體，用來(lái)與待測(cè)病原體進(jìn)行特異性鍵合（圖3）[86,87]。ME生物傳感器在交變磁場(chǎng)作用下以特定的共振頻率進(jìn)行振蕩。當(dāng)生物傳感器與待測(cè)病原體接觸后彼此發(fā)生鍵合。這種鍵合作用導(dǎo)致共振器的質(zhì)量增加，因而使生物傳感器的共振頻率降低。ME生物傳感器是一類無(wú)線傳感器，并且不需要附帶電源。ME生物傳感器也是一種價(jià)廉和一次性傳感器件，應(yīng)用微機(jī)械加工方法制作一千個(gè)傳感器的加工成本小于一美分。ME生物傳感器已成功用于檢測(cè)許多種病原體，例如沙門氏桿菌、炭疽芽胞桿菌和大腸桿菌等[77~81,88,89]。最近的研究表明，ME生物傳感器可以對(duì)新鮮食品表面的細(xì)菌直接進(jìn)行測(cè)定而無(wú)需取樣操作（水洗和消化）[90]。用于多種化學(xué)戰(zhàn)劑和食品污染物的高靈敏檢測(cè)和鑒別的酶基生物傳感器在過(guò)去幾十年中發(fā)展迅速并被視作有效工具。具有高毒性的有機(jī)磷神經(jīng)毒劑（organophosphateneurotoxins,OPs）已被廣泛地用作農(nóng)用殺蟲劑和化學(xué)戰(zhàn)劑，因而對(duì)農(nóng)產(chǎn)品和食品中的OPs的鑒別性測(cè)定尤為重要。用于OPs測(cè)定的生物傳感器研發(fā)工作中的兩個(gè)重要方向是1）對(duì)特種酶，例如乙酰膽堿酯酶和丁酰膽堿酯酶（AChE和BChE)的抑制[91~94]；2）應(yīng)用不同水解酶對(duì)OPs進(jìn)行直接水解[95~99]。

5無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

得益于無(wú)線技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)已有相當(dāng)進(jìn)展并可以在農(nóng)業(yè)實(shí)踐中達(dá)到新的精度。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)包含如下幾部分：無(wú)線電頻率接收器、全球定位傳感器以及土壤、水、離子和揮發(fā)性有機(jī)化合物傳感器、微型控制器和電源。這一無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已處于田間試驗(yàn)階段[119]。上述技術(shù)的開發(fā)為農(nóng)業(yè)實(shí)踐中的觀察、評(píng)估和控制提供了革命性工具。但無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目前還處于早期發(fā)展階段。某些作者新近發(fā)表的評(píng)論文章對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和未來(lái)趨勢(shì)進(jìn)行了評(píng)述[119~122]。