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本研究由Guiyan Yang、Qingyan Wang（通讯作者）、Chen Liu、Xiaobin Wang、Shuxiang Fan和Wenqian Huang共同完成。研究机构包括北京农业智能装备研究中心、国家农业智能装备工程技术研究中心、农业部农业信息技术重点实验室以及北京市农业智能装备技术重点实验室。该研究发表于2018年的《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》期刊。
玉米是全球主要农作物之一，其种子质量对提高作物产量至关重要。种子质量取决于其健康、生理、发芽能力和物理属性，这些属性与种子中的化学成分（如淀粉、油脂、蛋白质、叶黄素、玉米黄质等）直接相关。传统的种子质量检测方法（如凯氏定氮法、索氏提取法等）耗时且具有破坏性，难以满足现代农业对大规模种子快速检测的需求。因此，开发快速、无损的检测技术成为必要。
拉曼光谱技术（Raman spectroscopy）是一种基于拉曼散射的分析技术，能够通过分子振动频率提供化学键和对称性的指纹信息，适用于化学成分的直观分析。拉曼高光谱成像技术（Raman hyperspectral imaging）结合了空间和光谱信息，能够同时检测多个种子并可视化单个种子中化学成分的分布。本研究旨在探索拉曼高光谱成像技术在玉米种子化学成分检测中的可行性和有效性，并开发一种方法来表征玉米种子中主要化学成分的分布，区分胚乳和胚芽。
研究首先制备了标准化学成分样品，包括玉米淀粉、玉米醇溶蛋白（zein）和玉米油，并清洁和干燥了石英片作为基底。玉米种子样本包括登海605、苏玉10和豫玉30三个品种，每个品种选取12粒种子进行拉曼高光谱成像。RGB图像采集后，随机选取一粒登海605种子，通过去离子水软化后切割分离胚乳和胚芽，分别进行测试。
研究使用了两种拉曼光谱仪：一种是高分辨率拉曼光谱仪（DXR Smart Raman System），用于收集胚乳和胚芽的精细拉曼光谱；另一种是定制的线扫描拉曼高光谱成像系统，用于同时获取整个玉米种子的光谱和空间信息。高分辨率拉曼光谱仪配备了780 nm二极管激光器，光谱分辨率为3.0–4.1 cm⁻¹。线扫描拉曼高光谱成像系统包括激光模块、二向色镜、光谱仪、CCD相机和移动平台，光谱范围为207–2539 cm⁻¹，空间分辨率为0.125 mm/像素。
高分辨率拉曼光谱仪用于采集胚乳、胚芽、种皮、纯化学成分和石英基底的拉曼光谱，采集时间为150秒。线扫描拉曼高光谱成像系统在8 W激光功率下对36粒种子进行扫描，生成675×1024像素的空间数据和1024个光谱通道的光谱数据。数据预处理包括选择感兴趣区域（ROI）、应用Savitzky-Golay滤波器（SG滤波器）降噪，以及使用自适应迭代重加权惩罚最小二乘法（AIRPLS）去除荧光背景。
通过高分辨率拉曼光谱仪分析胚乳和胚芽的拉曼光谱，识别出玉米种子中主要化学成分的特征峰：477 cm⁻¹（淀粉）、1443 cm⁻¹（油脂与淀粉混合物）、1522 cm⁻¹（玉米黄质）、1596 cm⁻¹（木质素）和1654 cm⁻¹（油脂）。拉曼高光谱成像系统提取了这些特征峰对应的单波段图像，成功表征了玉米种子中化学成分的空间分布。通过477 cm⁻¹、1443 cm⁻¹和1596 cm⁻¹的单波段图像操作，区分了胚乳和胚芽。
本研究证明了拉曼高光谱成像技术在玉米种子化学成分检测中的可行性和有效性。通过拉曼特征峰和单波段图像，成功表征了玉米种子中主要化学成分的空间分布，并区分了胚乳和胚芽。该技术为玉米种子质量的无损、快速检测提供了新的方法，具有重要的科学和应用价值。
本研究为未来玉米种子质量检测的研究奠定了基础，如品种鉴别、活力鉴定和霉变检测等。此外，研究还展示了拉曼高光谱成像技术在农业和食品科学中的广泛应用潜力。