CN108489908A - 一种基于偏振光技术的柑橘黄龙病快速检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于偏振光技术的柑橘黄龙病快速检测装置，包括：检测机构和控制机构，所述检测机构包括：从上而下依次沿光路设置的光源、第一转接头、第一偏振片、样品台、第二偏振片、第二转接头、光谱仪；所述控制机构包括步进电机和计算机，所述步进电机带动第二偏振片转动，计算机接收光谱仪输出的信号并根据该信号控制步进电机。本发明还公开了上述装置快速检测柑橘黄龙病的方法。本发明缩短了叶片处理时间，能快速、稳定地检测柑橘叶片是否感病。

Description

一种基于偏振光技术的柑橘黄龙病快速检测装置和方法

技术领域

本发明涉及植物病害的检测领域，尤其涉及一种基于偏振光技术的柑橘黄龙病快速检测装置和方法。

背景技术

柑橘黄龙病(Citrus HuangLongBing,HLB)是一种由韧皮部杆菌属类细菌引起的世界性柑橘病害，主要通过柑橘木虱取食病树和带病苗木的嫁接等方式传播。柑橘植株一旦感染柑橘黄龙病，感病的柑橘植株叶片会发生韧皮部组织堵塞或坏死，阻碍光合同化物从植物的源器官向库器官运输，导致糖代谢发生异常，不仅会影响柑橘的产量和品质，严重的情况还会造成柑橘植株的死亡乃至整片果园被毁。由于目前还没有一种针对黄龙病有效的治愈方法来阻止这一病害的蔓延，主要采用早发现早挖出的方案清理病树来防止黄龙病向果园扩散，因此柑橘黄龙病的检测就显得至关重要。

目前，针对柑橘黄龙病的检测方法主要包括PCR检测法、近红外光谱法和田间检诊断法等。其中，PCR技术直接测定病原菌是否存在，准确率相对高，但是只能在实验室内由专业人员通过专门的设备完成，且检测成本高，费时费力，难以在基层普及；近红外光谱法虽然检测速度快，但是针对不同的柑橘品种，所采集到的染病的叶片光谱也不同，并且不同季节的叶片光谱的反射率强度变化差异较大，无形之中增加了诊断难度；田间诊断法简单易行，无需实验设备即可凭借病状特征在田间直接作出诊断，但是必须要植株表现出特异性病状才能准确地诊断，容易出现误判。

公开号为CN 103278367 A的中国发明专利申请书公开了一种基于碘- 淀粉显色法的柑橘黄龙病诊断方法，将叶片暗处理12-24小时，并冷冻 12-24小时后剪成细条状，然后将脱色后的细条叶片滴加显色液，若显色则代表样品染病。该技术需要对样品进行长时间的处理，检测周期过长，大大降低了检测的效率；虽然公开号为CN 104132938 A的中国发明专利申请书公开的基于碘-淀粉显色法的柑橘黄龙病诊断方法在此基础上进行了一些改进，用打磨处理来代替冷冻处理，一定程度上缩短了检测周期，但还是无法达到直接快速检测的目的；且由于柑橘叶片中的淀粉浓度在不同的月份，一天内不同的时候变化较大，难以避免由其他因素造成的淀粉积累影响检测结果，容易造成误判。

公开号为CN 101339125 A的中国发明专利申请书公开了一种数字旋光仪，由单片机控制步进电机带动检偏器旋转至检偏器振动面与起偏器振动面相互垂直位置，经起偏器的偏振光不能通过检偏器，颜色传感器输出为零；当被测旋光性物质放入样品盛放室后，偏振光旋转了一个角度并能通过检偏器到达颜色传感器，颜色传感器有色度脉冲输出；由单片机控制步进电机带动检偏器旋转至颜色传感器输出为零时停止转动，依据步进电机步进脉冲数计算出旋转角度，即该物质旋光度，并由液晶显示器显示。本装置光源所产生的光线亮度不足以透射过柑橘叶片，无法应用于检测柑橘叶片的旋光度。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供了一种基于偏振光技术的柑橘黄龙病快速检测装置，构造简单，能够快速测量柑橘叶片旋光度，进而根据测得的柑橘叶片旋光度检测柑橘黄龙病。

一种基于偏振光技术的柑橘黄龙病快速检测装置，包括：检测机构和控制机构，其中，所述检测机构包括：从上而下依次沿光路设置的光源、第一转接头、第一偏振片、样品台、第二偏振片、第二转接头、光谱仪；所述控制机构包括步进电机和计算机，所述步进电机带动第二偏振片转动，计算机接收光谱仪输出的信号并根据该信号控制步进电机。

所述的第一转接头与第二转接头为通用的光纤聚焦镜头。

所述的第一偏振片与第二偏振片均为线偏振片且第一偏振片固定，第二偏振片可转动。

所述的光源与第一转接头、第二转接头与光谱仪之间通过光纤传导光。

本装置采用光纤与第一转接头实现从光源发出的光到第一转接头中的第一聚光镜片点对点连接，减少光线强度的损失，增强光线的透射能力。

同时通过光纤与第二转接头实现经过第二偏振片的光线从第二转接头中的第二聚光镜片到光谱仪的点对点连接，使光谱仪的放置更为方便。

所述的光源发出的光经过光纤传导后被第一转接头的第一聚光镜片聚焦，并被第一偏振片转换成偏振光，被样品台上的样品旋转一定角度后依次经过第二偏振片、第二转接头的第二聚光镜片、光纤到达光谱仪，计算机控制步进电机启动，步进电机带动第二偏振片转动直到光谱仪测得的光强达到最高时，步进电机停止，计算机记录步进电机步数并换算成第二偏振片转过的角度，根据第二偏振片转过的角度得到待测柑橘叶片的旋光度a₀，从而分析出待测样品是否感病。

作为优选，所述光源采用波长为589nm或波长为589.6nm的钠光源。由于在400～800nm光谱范围内，590nm左右波长的光对健康柑橘叶片与感病柑橘叶片的透射率差异程度达到最大，对线偏振光的旋光作用也最大，因此选用钠光源。

作为优选，所述装置带有GPS模块。若诊断出柑橘植株感病，则GPS 模块采集病树所在地点的GPS信息,将病害的诊断信息实时上传到柑橘黄龙病预警云平台,有利于实现对各个地区黄龙病病情的监测。

本发明还提供了一种采用上述基于偏振光技术的柑橘黄龙病快速检测装置的检测柑橘黄龙病方法，不需要长时间的样品处理，能快速、稳定地检测柑橘叶片是否感病。

一种基于偏振光技术的柑橘黄龙病快速检测方法，包括：

(1)利用光源和第一偏振片产生线偏振光；

(2)所述的线偏振光射入待测柑橘叶片，被待测柑橘叶片内的旋光性物质旋转一定角度后射出透射光；

所述的线偏振光射入待测柑橘叶片时，由于柑橘叶片内的各向异性，一部分线偏振光散射发生退偏，成为无偏振态的透射光；另一部分线偏振光被柑橘叶片内部的旋光性物质旋转一定角度后透射出叶片，因此偏振光经过待测柑橘叶片的透射光由无偏振态的自然光和线偏振光组成。用 Stokes参量表示透射光S：

S＝S⁽¹⁾+S⁽²⁾ (1)

其中：

上述式中，S₀为光强度参量，S₁为第一偏振参量，S₂为第二偏振参量， S₃为圆偏振参量，S⁽¹⁾为无偏振态透射光，S⁽²⁾为线偏振态透射光。

由得到的透射光S确认线偏振光经过柑橘叶片已产生旋光作用，一部分线偏振光旋转。

作为优选，用打孔的方式从待测柑橘叶片中采集一块圆形叶片作为样品，可以避免因为柑橘叶片中的脉络引起的检测误差。

(3)将所述透射光射入第二偏振片，转动第二偏振片，根据透射光射过第二偏振片后的实时亮度测量所述透射光中线偏振光所旋转的角度，得到待测柑橘叶片的旋光度a₀；

(4)根据健康柑橘叶片和黄龙病柑橘叶片中蔗糖与淀粉浓度不同，分别计算得到健康叶片旋光度a_normal和黄龙病柑橘叶片旋光度a_HLB：

所述健康柑橘叶片的旋光度a_normal由式(4)得到：

a_normal＝[a]_m1C₁+[a]_m2C₂ (4)

所述黄龙病柑橘叶片的旋光度a_HLB由式(5)得到：

a_HLB＝[a]_m1C₃+[a]_m2C₄ (5)

上述式中，[a]_m1和[a]_m2分别为蔗糖和淀粉的比旋光率，C₁和C₂分别为健康柑橘叶片中蔗糖和淀粉的单位面积浓度，C₃和C₄分别为黄龙病柑橘叶片中蔗糖和淀粉的单位面积浓度；

(5)利用得到的旋光度a₀作为待测柑橘叶片是否感染黄龙病的指示变量，通过距离判别法判定待测柑橘叶片是否感染黄龙病。

作为优选，所述的距离判别法为a₀到a_normal和a_HLB的马氏距离。由于马氏距离在消除量纲的同时，消除了a_HLB由于叶片内淀粉蔗糖分布不均造成的a_HLB波动大(即方差大)对距离判别的影响，因此判别准确度更高。

本发明基于偏振光技术，利用健康柑橘叶片和黄龙病柑橘叶片内部淀粉和蔗糖的不同浓度并结合淀粉和蔗糖的旋光性快速检测柑橘黄龙病，即缩短了叶片处理时间，又避免了柑橘叶片内由于其他原因积累淀粉引起的误判，能够快速、稳定地检测柑橘黄龙病。

附图说明

图1为本发明基于偏振光技术的柑橘黄龙病快速检测装置实施例的结构示意图；

图2为不同月份健康植株和黄龙病植株叶片中淀粉和蔗糖浓度变化规律，其中a为淀粉，b为蔗糖；

图3为本发明基于偏振光技术的柑橘黄龙病快速检测方法的测试流程图，其中a为实验获取柑橘叶片样品旋光度a₀的光路示意图，b为判别柑橘叶片是否感染黄龙病的流程示意图。

其中：

1、第一聚光镜片 2、第一偏振片 3、样品

4、样品台 5、步进电机 6、第二偏振片

7、第二聚光镜片 8、第二转接头 9、第二光纤

10、光谱仪 11、计算机 12、GPS模块

13、光源 14、第一转接头 15、第一光纤

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明和现有技术中的技术方案，下面将结合本实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚完整地描述，显然，所描述的实施例仅是一部分实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于偏振光技术的柑橘黄龙病快速检测装置实施例，包括检测机构、控制机构和GPS模块，检测机构包括：从上而下依次沿光路设置的光源13、第一光纤15、第一转接头14，第一偏振片2、样品台4、第二偏振片6、第二转接头8、第二光纤9、光谱仪10；所述控制机构包括步进电机和计算机11，所述步进电机6带动第二偏振片7转动，计算机 11接收光谱仪10输出的信号并根据该信号控制步进电机6。

光源13采用波长为589nm的钠光源。由于在400～800nm光谱范围内，590nm左右波长对健康柑橘叶片与感病柑橘叶片的透射率差异程度达到最大，对线偏振光的旋光作用也最大，因此选用波长为589nm的钠光源。

计算机可采用微型芯片，减小装置体积。

第一转接头与第二转接头为通用的光纤聚焦镜头，其中第一转接头14 中间设有第一聚光镜片1，第二转接头8中间设有第二聚光镜片7。

所述的光源13发出的光经过第一光纤15传导并被第一转接头14中的第一聚光镜片1聚焦后，被第一偏振片2转换成偏振光，被样品台4上的样品3旋转一定角度后依次经过样品台4、第二偏振片6、第二转接头8 中的第二聚光镜片7、第二光纤9后传导到达光谱仪，计算机11控制步进电机5启动，步进电机5带动第二偏振片6转动，光谱仪10测得的光强达到最高时，步进电机5停止，计算机11记录步进电机5的步数并换算成第二偏振片6转过的角度，根据第二偏振片6转过的角度，得到待测柑橘叶片的旋光度a₀，可以分析样品3是否感病。

光源13与第一转接头14通过第一光纤15传导光，实现了从光源13 发出的光到第一转接头14的第一聚光镜片1点对点连接，减少光线强度的损失，增强光线的透射能力；第二转接头8与光谱仪10之间通过第二光纤9传导光，实现了经过第二偏振片6的光线从第二转接头8的第二聚光镜片7到光谱仪10的点对点连接，使光谱仪10的放置更为方便。

样品3为采用打孔的方式从待测柑橘叶片上采集的圆形叶片，并放置在样品台4上。

第一偏振片2与第二偏振片6均为线偏振片且第一偏振片固定，第二偏振片可转动。第一偏振片2将光源13发出的光转换成线偏振光后透射过样品3，计算机控制步进电机5带动第二偏振片6转动。

光谱仪10显示经过第二偏振片6的透射光的强度，并与计算机11通讯。

计算机11控制步进电机5启动，光谱仪10测得光强最高时传输信号给计算机，计算机11控制步进电机5停止转动，记录步进电机5的步数并转换成第二偏振片6所转动的角度。

GPS模块12采集感病的黄龙病植株GPS信息，将病害的诊断信息实时上传到柑橘黄龙病预警云平台。

如图2所示，根据不同月份对果园中三棵健康和三棵感染黄龙病的淀粉和蔗糖的代谢规律可知，除了9月份柑橘抽秋梢时，黄龙病柑橘叶片和健康柑橘叶片中的蔗糖浓度差异不大，在剩余的其他月份蔗糖含量均有较大差异，可作为柑橘植株是否染病的衡量指标；黄龙病柑橘叶片和健康柑橘叶片中淀粉浓度在6月、7月、10月、11月以及12月也有较大差异，也可当作柑橘植株是否染病的衡量指标，因此以蔗糖和淀粉共同作为柑橘植株是否染病的衡量指标更具有稳定性。

如图3所示，具体采用以下方法进行柑橘黄龙病快速检测，具体步骤为：

(1)打开光源，预热10分钟以上，使得光源13发出的光能达到足够的亮度；

(2)光源13发出的光经过第一光纤15传导和第一聚光片1聚焦后，光路经过第一偏振片2后成为单波段偏振光；

(3)不放置样品3，计算机11启动步进电机5带动第二偏振片6转动，偏振光依次经过样品台4和第二偏振片6，被第二转接头8中的第二聚光镜片7聚焦并被第二光纤9传导到达光谱仪10，光谱仪10实时测量光强度，当光谱仪10检测到的光强最高时，此时两偏振片的透光轴互相平行，计算机11控制步进电机5停止转动，并记录步进电机5步数，换算成第二偏振片6所旋转的角度a₁；

(4)利用打孔的方式从待测柑橘叶片中采集一小块圆形叶片作为样品3，且样品3的面积大于所述的线偏振光的横截面积，将样品3放置在样品台4上；

(5)计算机11启动步进电机5带动第二偏振片6转动，此时光路如图3a所示，光源发出后经过第一偏振片2产生的线偏振光经过样品3后成为透射光，透射光中具有一定偏振度的单波段偏振光依次经过样品台4、第二偏振片6后，被第二转接头8中的第二聚光镜片7聚焦并被第二光纤 9传导到达光谱仪10，光谱仪10实时测量光强度，当光谱仪10检测到的光强再次达到最高时，计算机控制步进电机5停止转动，计算机11记录步进电机5步数，并换算成第二偏振片6所旋转的角度a₂；

本步骤中，当线偏振光透过样品时，由于柑橘叶片内各向异性，部分线偏振光散射发生退偏，成为无偏振态的透射光；另一部分线偏振光被柑橘叶片内部的旋光性物质旋转一定角度后透射出叶片，因此经过样品后的所述的透射光由无偏振态的自然光和线偏振光组成。用Stokes参量表示透射光S：

S＝S⁽¹⁾+S⁽²⁾ (1)

其中：

上述式中，S₀为光强度参量，S₁为第一偏振参量，S₂为第二偏振参量， S₃为圆偏振参量，S⁽¹⁾为无偏振态透射光，S⁽²⁾为线偏振态透射光；

(6)利用式(4)计算样品3中旋光性物质引起的旋光角度a₀；

a₀＝|a₁-α₂| (4)

(7)根据健康柑橘叶片和黄龙病柑橘叶片中蔗糖与淀粉浓度不同，分别计算得到健康柑橘叶片旋光度a_normal和黄龙病柑橘叶片旋光度a_HLB：

所述健康柑橘叶片的旋光度a_normal由式(5)得到：

a_normal＝[a]_m1C₁+[a]_m2C₂ (5)

所述黄龙病柑橘叶片的旋光度a_HLB由式(6)得到：

a_HLB＝[a]_m1C₃+[a]_m2C₄ (6)

其中[a]_m1和[a]_m2分别为蔗糖和淀粉的比旋光率，C₁和C₂分别为健康柑橘叶片中蔗糖和淀粉的单位面积浓度，C₃和C₄分别为黄龙病柑橘叶片中蔗糖和淀粉的单位面积浓度；

所述的健康柑橘叶片中蔗糖和淀粉的单位面积浓度和黄龙病柑橘叶片中蔗糖和淀粉的单位面积浓度由图2中当月健康柑橘叶片和染病柑橘叶片的平均淀粉浓度和平均蔗糖浓度所得，本实施例实验样本为12月份待测柑橘叶片，因此查看图2可得：

C₁＝3.0ug/mm²，C₂＝50ug/mm²，C₃＝7.5ug/mm²，C₄＝110ug/mm²。

根据比旋光度测量公式：

其中C为浓度(g/100mL)，l为旋光长度(dm)

由于淀粉和蔗糖的单位面积浓度单位为ug/mm²，单位转换为：

结合蔗糖的比旋光率[a]_m1＝66.5°和淀粉的比旋光率[a]_m2＝180°，可得到：

(8)此例中假定健康柑橘叶片和黄龙病柑橘叶片中蔗糖和淀粉浓度分布方差一致，则如图3b所示，根据距离判别法，判断|a₀-a_normal|< |a₀-a_HLB|是否成立；若|a₀-a_normal|<|a₀-a_HLB|成立，则判定待测柑橘叶片正常；若不成立，则判定待测柑橘叶片感染黄龙病；

(9)若诊断出待测柑橘叶片感染黄龙病，则采集病树所在地点的GPS 信息，将病害的诊断信息实时上传到柑橘黄龙病预警云平台,实现对各个地区黄龙病病情的监测。

Claims (9)

1.一种基于偏振光技术的柑橘黄龙病快速检测装置，其特征在于：包括：检测机构和控制机构，其中，所述检测机构包括：从上而下依次沿光路设置的光源、第一转接头，第一偏振片、样品台、第二偏振片、第二转接头、光谱仪；所述控制机构包括步进电机和计算机，所述步进电机带动第二偏振片转动，计算机接收光谱仪输出的信号并根据该信号控制步进电机。

2.根据权利要求1所述的基于偏振光技术的柑橘黄龙病快速检测装置，其特征在于：所述的第一偏振片与第二偏振片均为线偏振片且第一偏振片固定，第二偏振片转动。

3.根据权利要求1所述的基于偏振光技术的柑橘黄龙病快速检测装置，其特征在于：所述光源采用波长为589nm或波长为589.6nm的钠光源。

4.根据权利要求1所述的基于偏振光技术的柑橘黄龙病快速检测装置，其特征在于：所述光源与第一转接头、第二转接头与光谱仪之间通过光纤传导光。

5.根据权利要求1所述的基于偏振光技术的柑橘黄龙病快速检测装置，其特征在于：所述的基于偏振光技术的柑橘黄龙病快速检测装置带有GPS模块。

6.根据权利要求1～5任一权利要求所述的柑橘黄龙病快速检测装置的检测柑橘黄龙病方法，包括：

(1)利用光源和第一偏振片产生线偏振光；

(2)所述的线偏振光射入待测柑橘叶片，被待测柑橘叶片内的旋光性物质旋转一定角度后射出透射光；

(3)将所述透射光射入第二偏振片，转动第二偏振片，根据透射光射过第二偏振片后的实时亮度测量所述透射光中线偏振光所旋转的角度，得到待测柑橘叶片的旋光度a₀；

(4)根据健康柑橘叶片和黄龙病柑橘叶片中蔗糖与淀粉浓度不同，分别计算得到健康橘叶叶片旋光度a_normal和黄龙病柑橘叶片旋光度a_HLB；

(5)利用得到的旋光度a₀作为待测柑橘叶片是否感染黄龙病的指示变量，通过距离判别法判定待测柑橘叶片是否感染黄龙病。

7.根据权利要求6所述的检测柑橘黄龙病方法，其特征在于：采用打孔的方式从待测柑橘叶片中采集一块圆形叶片作为样品。

8.根据权利要求6所述的检测柑橘黄龙病方法，其特征在于：所述健康柑橘叶片的旋光度a_normal由式(4)得到：

a_normal＝[a]_m1C₁+[a]_m2C₂ (4)

所述黄龙病柑橘叶片的旋光度a_HLB由式(5)得到：

a_HLB＝[a]_m1C₃+[a]_m2C₄ (5)

上述式中，[a]_m1和[a]_m2分别为蔗糖和淀粉的比旋光率，C₁和C₂分别健康柑橘叶片中蔗糖和淀粉的单位面积浓度，C₃和C₄分别为黄龙病柑橘叶片中蔗糖和淀粉的单位面积浓度。

9.根据权利要求6所述的检测柑橘黄龙病方法，其特征在于：所述的距离判别法为a₀到a_normal和a_HLB的马氏距离。